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手把手教你使用 ftrace

2023-02-19 12:20:48 时间

最近遇到 i2c 传输慢的问题，正常一笔 i2c 传输 52 bytes 应该在 1ms 内返回，但是偶尔出现 6 ~ 7ms 才返回，不满足要求，因此研究一下 ftrace 工具，分析 i2c 传输到底慢在哪里。怀疑：

  1. 同一路 i2c bus 挂载设备多，可能同时发起传输，导致抢占。（解决方法：重要器件独占一路 i2c bus）
  2. i2c 硬件传输慢。一般不太可能，因为这是硬件行为，除非从机返回慢。（研究从机为什么慢）
  3. i2c 传输完成后返回，i2c 控制器发传输完成的信号给 cpu，但 cpu 忙 loading 重，没有及时调用 i2c_reply 通知调用者；或者是 i2c 传输完成后，CPU 处于睡眠状态，由于 i2c 中断无法唤醒系统，系统醒了以后才返回，导致慢。（提升 user 线程优先级 + 让这一路 i2c bus 持锁，可以优化）

1、简介

strace：用来跟踪 Linux 进程执行时的系统调用和接收所接收的信号，可以跟踪到一个进程产生的系统调用，包括参数，返回值，执行消耗的时间。

ftrace：是一个 Linux 内核函数跟踪器，function tracer，旨在帮助开发人员和系统设计者可以找到内核内部发生的事情，从 Linux-2.6 内核就支持了。

atrace：Android tracer，使用 ftrace 来跟踪 Android 上层的函数调用。

systrace：Android 的 trace 数据分析工具，将 atrace 采集上来的数据，以图形化的方式展现出来。systrace 是分析 Android 设备性能的主要工具。不过，它实际上是多种其他工具的封装容器：它是 atrace 的主机端封装容器。atrace 是用于控制用户空间跟踪和设置 ftrace 的设备端可执行文件，也是 Linux 内核中的主要跟踪机制。systrace 使用 atrace 来启用跟踪，然后读取 ftrace 缓冲区并将其全部封装到一个独立的 HTML 查看器中。

perfetto：新一代 systrace 分析工具，使用 perfetto 工具，可以通过 Android 调试桥 (ADB) 在 Android 设备上收集性能信息。perfetto 从您的设备上收集性能跟踪数据时会使用多种来源，例如：使用 ftrace 收集内核信息、使用 atrace 收集服务和应用中的用户空间注释、使用 heapprofd 收集服务和应用的本地内存使用情况信息。

在 Android 9 (P) 及以上版本平台都可用，但只有在 Android 11 (R) 及以上的版本中才默认启用。在Android 9 (P) 和 10 (Q) 上，你需要执行下面的命令，以确保在一切开始之前跟踪服务正常启动：

# Needed only on Android 9 (P) and 10 (Q) on non-Pixel phones.
adb shell setprop persist.traced.enable 1

perfconv：CPU Freq 分析工具

LTR：Long Trace Recoder，可以录制长达半个小时的 trace，主要用于分析游戏场景。

因此，首先需要学习 ftrace，它是其他 trace 的基础。

2、宏定义

在使用 ftrace 之前，需要确保内核配置编译了其配置选项。

CONFIG_FTRACE=y
CONFIG_HAVE_FUNCTION_TRACER=y
CONFIG_HAVE_FUNCTION_GRAPH_TRACER=y
CONFIG_HAVE_DYNAMIC_FTRACE=y
CONFIG_FUNCTION_TRACER=Y
CONFIG_IRQSOFF_TRACER=y
CONFIG_SCHED_TRACER=y
CONFIG_ENABLE_DEFAULT_TRACERS=y
CONFIG_FTRACE_SYSCALLS=y
CONFIG_PREEMPT_TRACER=y

而后在 /sys/kernel/debug/trace 目录下提供了各种跟踪器(tracer)和 event 事件，一些常用的选项如下。

  1. available_tracers：列出当前系统支持的跟踪器。
  2. available_events：列出当前系统支持的 event 事件。
  3. current_tracer：设置和显示当前正在使用的跟踪器。使用 echo 命令可以把跟踪器的名字写入该文件，即可以切换不同的跟踪器。默认为 nop，即不做任何跟踪操作。
  4. trace：读取跟踪信息。通过 cat 命令查看 ftrace 记录下来的跟踪信息。
  5. tracing_on：用于开始或暂停跟踪。
  6. trace_options：设置 ftrace 的一些相关选项。

ftrace 当前包含多个跟踪器，很方便用户用来跟踪不同类型的信息，例如进程睡眠唤醒、抢占延迟的信息。查看 available_tracers 可以知道当前系统支持哪些跟踪器，如果系统支持的跟踪器上没有用户想要的，那就必须在配置内核时自行打开，然后重新编译内核。常用的 ftrace 跟踪器如下。

  1. nop：不跟踪任何信息。将 nop 写入 current_tracer 文件可以清空之前收集到的跟踪信息。
  2. function：跟踪内核函数执行情况。
  3. function_graph：可以显示类似 C 语言的函数调用关系图，比较直观。
  4. wakeup：跟踪进程唤醒信息。
  5. irqsoff：跟踪关闭中断信息，并记录关闭的最大时长。
  6. preemptoff：跟踪关闭禁止抢占信息，并记录关闭的最大时长。
  7. preemptirqsoff：综合了 irqoff 和 preemptoff 两个功能。
  8. sched_switch：对内核中的进程调度活动进行跟踪。

3、抓 i2c trace

adb root

echo nop > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer  //清空以前的跟踪信息
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/events/i2c/enable
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/trasing_on  //打开跟踪器

操作设备，复现问题。

echo 0 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on//关闭跟踪器

adb pull /sys/kernel/debug/tracing/trace

如下目录也可以操作：

/sys/kernel/tracing/

adb pull 出来的 trace 文件如下：

# tracer: nop
#
# entries-in-buffer/entries-written: 1203/1087390   #P:6
#
#                              _-----=> irqs-off
#                             / _----=> need-resched
#                            | / _---=> hardirq/softirq
#                            || / _--=> preempt-depth
#                            ||| /     delay
#           TASK-PID   CPU#  ||||    TIMESTAMP  FUNCTION
#              | |       |   ||||       |         |
   kworker/u12:0-6     [003] ...1   253.195437: i2c_reply: i2c-1 #1 a=038 f=0001 l=63 [00-00-01-81-68-03-72-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00]
   kworker/u12:0-6     [003] ...1   253.195440: i2c_result: i2c-1 n=2 ret=2
   kworker/u12:0-6     [003] ...1   253.257546: i2c_write: i2c-1 #0 a=038 f=0000 l=1 [00]
   kworker/u12:0-6     [003] ...1   253.257550: i2c_read: i2c-1 #1 a=038 f=0001 l=63
   kworker/u12:0-6     [003] ...1   253.263708: i2c_reply: i2c-1 #1 a=038 f=0001 l=63 [00-00-01-81-68-02-d0-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00]
   kworker/u12:0-6     [003] ...1   253.263711: i2c_result: i2c-1 n=2 ret=2
   kworker/u12:5-223   [003] ...1   254.632061: i2c_write: i2c-1 #0 a=038 f=0000 l=1 [00]
   kworker/u12:5-223   [003] ...1   254.632064: i2c_read: i2c-1 #1 a=038 f=0001 l=63
   kworker/u12:5-223   [003] ...1   255.728473: i2c_result: i2c-1 n=1 ret=1
   kworker/u12:5-223   [003] ...1   255.728499: i2c_write: i2c-1 #0 a=01a f=0000 l=3 [63-a8-10]
   kworker/u12:4-222   [003] ...1   266.944488: i2c_write: i2c-1 #0 a=038 f=0000 l=1 [00]
   kworker/u12:4-222   [003] .n.1   266.944492: i2c_read: i2c-1 #1 a=038 f=0001 l=63
   kworker/u12:1-53    [003] ...1   268.822588: i2c_reply: i2c-1 #1 a=038 f=0001 l=63 [00-00-00-40-00-01-c4-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-ff-ff-ff-ff-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00]
   kworker/u12:1-53    [003] ...1   268.822591: i2c_result: i2c-1 n=2 ret=2
   kworker/u12:1-53    [003] ...1   268.822650: i2c_write: i2c-1 #0 a=038 f=0000 l=1 [00]
   kworker/u12:1-53    [003] ...1   268.822651: i2c_read: i2c-1 #1 a=038 f=0001 l=63
   kworker/u12:0-6     [003] ...1   271.457514: i2c_write: i2c-1 #0 a=038 f=0000 l=1 [00]
   kworker/u12:0-6     [003] ...1   271.457518: i2c_read: i2c-1 #1 a=038 f=0001 l=63

这里看出，是哪个 task，PID 是多少，用的 I2C-1 进行通信，传输过程是跑在 CPU3 上面，并且有 kernel 时间戳。

i2c_write、i2c_read、i2c_reply、i2c_result 是一个循环，i2c_reply 是 i2c 传输完成，并且重新被 CPU 调度，返回到调用线程的时间点，i2c_result 则是两次 i2c 传输的时间间隔。

每一笔 i2c 传输的长度，内容，也都会打印出来。

因为博主一开始只在 events 里面 enable 了 i2c，因此只抓除了 i2c 部分，我们可以同时 enable 其他事件：

如果我们同时 enable i2c 和 irq ，我们将在 trace 中看到更详细的内容，足够分析 i2c 传输慢的问题。

详细的 ftrace 原理和使用方法，请参考《奔跑吧 Linux 内核 入门篇》11.3节，或者《奔跑吧 Linux 内核基于 Linux4.x 内核源代码问题分析》6.2节。

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