自顶向下微架构分析

自顶向下微架构分析（Top-down Microarchitecture Analysis，TMA）方法论是一种用于识别程序中 CPU 瓶颈的强大技术。该方法论最大的优点在于，开发者无需深入了解系统中的微架构和性能监控计数器（PMC），仍然能够高效地找到 CPU 瓶颈。

从概念层面来看，TMA 用于识别是什么在阻碍程序的执行。图 TMA_concept 展示了 TMA 的核心思想。下面简要介绍如何解读该图。如我们在 [uarch] 中所了解的，CPU 内部存在缓冲区，用于跟踪正在执行的微操作（μops）的相关信息。每当一条新指令被取指并解码时，这些缓冲区中就会分配新的条目。如果某条指令的 μop 在某个执行周期内未能被分配，原因只有两种：要么是无法取指并解码（前端受限（Frontend Bound）），要么是后端（Backend）工作过载，无法为新的 μop 分配资源（后端受限（Backend Bound））。如果一个 μop 已被分配并调度执行，但最终未能退休（retire），则说明它来自一条被错误预测的执行路径（错误推测（Bad Speculation））。最后，退休（Retiring） 代表正常执行，这是我们希望所有 μops 所处的分类，尽管存在一些例外，后文会加以说明。

在实践中，分析并不是以这种方式进行的，因为逐一分析每个微操作（μop）会非常缓慢。TMA 实际上是通过监控一组特定的性能事件来观察程序的执行，然后根据预定义的公式计算指标。利用这些指标，TMA 将程序归入四个高层分类之一。这四个高层分类各自又有若干嵌套层级，CPU 厂商可以选择不同的实现方式。每一代处理器计算这些指标的公式可能不同，因此最好借助工具来完成分析，而不是尝试手动计算。

在接下来的章节中，我们将分别讨论 AMD、Arm 和 Intel 处理器中的 TMA 实现。