PMU、Ftrace、EMI：SoC 效能問題的三個觀測層次
在讀韌體或 kernel 相關的討論串時，PMU、Ftrace、EMI 這三個縮寫常常混在同一段話裡出現。第一次遇到會覺得毫無關聯 —— 一個像硬體、一個像 kernel 工具、一個看起來像電磁相容測試。但如果把它們放在「一個效能問題該從哪裡看」這個脈絡下，其實是三個互補的觀測層次：CPU 微架構層、作業系統層、記憶體子系統層。
這三個詞都有一詞多義的問題，先把定義釐清，再談怎麼串起來用。
PMU：兩個完全不同的東西
Performance Monitoring Unit
ARM 核心內建的硬體計數器單元（ARMv8 對應的規格是 PMUv3）。它提供一組可程式化的 event counter，加上一個獨立的 cycle counter，能夠計數這類事件：
- CPU cycle 數與 retired instruction 數（兩者相除即為 IPC）
- L1/L2 cache access 與 refill（miss）
- TLB miss
- Branch misprediction
- Memory-bound stall cycle（部分核心提供 frontend/backend stall 分類）
Linux 的 perf 子系統就是這組硬體的軟體介面。使用者透過 perf_event_open() 設定要計數的 event，kernel 負責分配實體 counter、處理 context switch 時的存取。
perf stat -e cycles,instructions,cache-misses,branch-misses ./workload
perf record -e cycles -g ./workload && perf report
實務上要注意的兩件事：
- counter 數量有限。 一般 ARM 核心大約 6 個 general-purpose counter 加 1 個 cycle counter。要求的 event 超過這個數量時，kernel 會啟動 multiplexing —— 分時輪流計數再按比例推估。
perf stat輸出的百分比欄位就是實際取樣覆蓋率，數字明顯低於 100% 時，結果只能當趨勢參考。 - big.LITTLE 上的 event 編碼不一致。 不同 microarchitecture 的 event ID 對應的實體意義可能不同，跨 cluster 比較數據前要先確認。
Power Management Unit
同一個縮寫在電源相關的討論裡指的是電源管理單元 —— 可能是 SoC 內部的電源控制邏輯，也可能泛指外掛的 PMIC。負責 power domain 的開關、voltage rail 的調節、開關機時序。
怎麼判斷是哪一個： 上下文出現 perf、counter、IPC、cache miss，是 Performance Monitoring Unit；出現 regulator、rail、suspend/resume、開關機序列，是 Power Management Unit。
Ftrace：kernel 內建的追蹤框架
Ftrace 是 Linux kernel 內建的追蹤基礎設施，介面掛在 /sys/kernel/tracing（舊路徑是 /sys/kernel/debug/tracing）。它不需要額外安裝任何東西，只要 kernel config 有開，就能直接用檔案系統操作。
常用的 tracer：
| Tracer | 用途 |
|---|---|
function | 記錄每個 kernel 函式的進入點 |
function_graph | 記錄函式進出，附帶呼叫層級與各層耗時 |
irqsoff / preemptoff | 找出 interrupt 或 preemption 被關閉最久的路徑 |
wakeup / wakeup_rt | 量測排程喚醒延遲 |
nop | 只收 tracepoint，不做函式追蹤 |
除了 tracer 之外，Ftrace 也是 tracepoint 與 kprobe 的輸出通道。靜態的 tracepoint（如 sched:sched_switch、irq:irq_handler_entry）成本極低，可以常駐開著；kprobe 則能動態插到幾乎任何 kernel 函式上。
一個典型的用法：
cd /sys/kernel/tracing
echo function_graph > current_tracer
echo 'foo_driver_*' > set_ftrace_filter # 只追特定前綴，避免資料量爆炸
echo 1 > tracing_on
# ... 重現問題 ...
echo 0 > tracing_on
cat trace > /data/local/tmp/trace.txt
幾個實務重點：
- filter 一定要設。 全開
functiontracer 的資料量會在幾秒內塞滿 ring buffer，而且 tracing 本身的 overhead 會讓 timing 相關的 bug 消失。 - 可以在 boot 階段就啟用。 透過 kernel cmdline 的
ftrace=function_graph、ftrace_filter=、trace_buf_size=等參數，能追到 init 之前的行為，這是排查開機慢或早期 panic 的主要手段。 - Android 上你其實一直在用它。 atrace 與 Perfetto 的 kernel 端資料來源就是 ftrace，systrace 上看到的 sched、freq、irq 軌道都是 ftrace tracepoint 轉出來的。
- user space 對應的工具是 uftrace。 概念類似但作用域在應用程式，需要編譯期插樁配合。
EMI：在 SoC 語境下通常不是電磁干擾
External Memory Interface
在 SoC 的程式碼與文件裡，EMI 多半是指 External Memory Interface —— 連接外部 DRAM 的控制器子系統。它是整顆晶片上所有 master（CPU、GPU、APU、ISP、video codec、display）搶頻寬的匯流點，因此是效能分析裡非常關鍵的一層。
跟 EMI 相關、比較常在 log 或 kernel 討論中出現的有兩塊：
EMI MPU（Memory Protection Unit） 把實體記憶體切成若干 region，為每個 region 設定哪些 master domain 可以讀、可以寫。TEE、secure boot、以及各種 secure buffer 的隔離都依賴它。當有 master 存取了不該碰的區段，硬體會產生 violation 中斷，driver 端會在 kernel log 印出違規的位址與來源 master —— 這種 log 是追查 memory corruption 的重要線索，因為它直接指出「是誰」踩到記憶體，而不只是「哪裡」壞掉。
頻寬監測 部分平台在 EMI 側提供頻寬計數器，可以看到各個 master 佔用的 DRAM 頻寬比例。當 CPU 的 IPC 明顯偏低、PMU 顯示大量 backend stall 時，這裡的數據能區分是「程式自己的 cache 行為差」還是「整顆 SoC 的記憶體頻寬已經飽和」。這兩者的解法完全不同。
實作面上，這類控制器的 driver 一般落在 kernel 的 drivers/memory/ 底下，但實際暴露的介面與功能高度依賴平台，看自己專案的 source 為準。
Electromagnetic Interference
在硬體設計、layout、法規認證（EMC/EMI test）的語境下，EMI 指的是電磁干擾。這個意思在 kernel 或韌體程式碼裡基本上不會出現，看到檔名或 driver 名稱裡有 EMI，都是前者。
串起來：一個效能問題怎麼分層看
假設遇到的問題是「某個場景下畫面偶爾卡頓」，這三個工具分別回答不同的問題：
第一層 —— Ftrace：時間花在哪裡？
先用 tracepoint 拿到全域圖像。sched tracepoint 看是不是被搶佔或沒被排到；irq tracepoint 看是不是某個中斷處理過久；irqsoff tracer 看有沒有長時間關中斷的區段。這一層回答「是排程/鎖/中斷的問題，還是純粹計算太慢」。
第二層 —— PMU：CPU 在忙什麼？
如果 Ftrace 顯示 CPU 確實一直在跑但就是跑不完，用 perf stat 看 IPC。IPC 偏低代表 CPU 大量時間在等，接著看 cache miss 與 TLB miss 的比例，判斷是資料局部性差、還是在等記憶體。這一層回答「這些 cycle 是有效工作還是 stall」。
第三層 —— EMI：記憶體子系統扛得住嗎？
如果 PMU 指向記憶體等待，但程式本身的存取模式看起來合理，就要往上一層看整顆 SoC 的頻寬狀況。同時有 camera、video encode、display 在搬資料時，DRAM 頻寬可能已經接近上限，單看 CPU 端永遠找不到原因。這一層回答「這是我的問題，還是鄰居的問題」。
實務上這三層經常需要來回跳。但先確立分層的概念，至少能避免一個常見的浪費：拿著 perf 的數據死盯 CPU，而真正的瓶頸在別的 master 上。
小結
| 縮寫 | 主要意義 | 觀測層次 | 主要工具 |
|---|---|---|---|
| PMU | Performance Monitoring Unit | CPU 微架構 | perf |
| PMU | Power Management Unit（另一義） | 電源子系統 | regulator / PMIC driver |
| Ftrace | Function Tracer | Linux kernel | /sys/kernel/tracing、trace-cmd、Perfetto |
| EMI | External Memory Interface | SoC 記憶體子系統 | 平台專屬（MPU violation log、頻寬計數器） |
| EMI | Electromagnetic Interference（另一義） | 硬體/法規 | EMC 測試設備 |