痞子衡嵌入式：內(nèi)存讀寫正確性壓力測試程序(memtester)

　　大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是內(nèi)存讀寫正確性壓力測試程序memtester。

　　在嵌入式系統(tǒng)中，內(nèi)存(RAM)的重要性不言而喻，系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性都與內(nèi)存息息相關(guān)。關(guān)于內(nèi)存性能有很多個(gè)不同指標(biāo)，其中最基礎(chǔ)的指標(biāo)便是訪問可靠性（即讀寫的正確性），只有穩(wěn)定可靠的內(nèi)存訪問才能確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。很多時(shí)候簡單地內(nèi)存讀寫測試并不能發(fā)現(xiàn)隱藏的問題，因此我們需要一個(gè)完備的內(nèi)存訪問壓力測試程序，今天痞子衡就和大家詳細(xì)聊一聊memtester。

一、內(nèi)存性能測試程序集

　　在講memtester之前，痞子衡先給大家科普一下Linux系統(tǒng)下常用的內(nèi)存性能測試工具，它們分別是mbw、memtester、lmbench、sysbench。這幾個(gè)測試工具(程序)各有側(cè)重點(diǎn)：

內(nèi)存帶寬測試工具            --mbw；
內(nèi)存壓力測試工具            --memtester；
內(nèi)存綜合性能測試工具        --lmbench；
內(nèi)存申請與讀寫速度測試工具   --sysbench;

二、memtester程序

　　memtester是Simon Kirby在1999年編寫的測試程序（v1版），后來由Charles Cazabon一直維護(hù)更新（v2及之后版本），主要面向Unix-like系統(tǒng)，官方主頁上介紹的是“A userspace utility for testing the memory subsystem for faults.”，其實(shí)就是為了測試內(nèi)存（主要DDR）的讀寫訪問可靠性（僅正確性，與速度性能無關(guān)），這是驗(yàn)證板級硬件設(shè)備必不可少的一項(xiàng)測試。

　　整個(gè)memtester測試的視角就是從用戶的角度來看的，從用戶角度設(shè)立不同的測試場景即測試用例，然后針對性地進(jìn)行功能測試，注意是從系統(tǒng)級來測試，也就是說關(guān)注的不單單是內(nèi)存顆粒了，還有系統(tǒng)板級的連線、IO性能、PCB等等相關(guān)的因素，在這些因素的影響下，內(nèi)存是否還能正常工作。

2.1 獲取程序

　　memtester程序的最新版本是4.5.0，早期的v1/v2/v3版本目前下載不到了，2012年Charles Cazabon重寫了程序并發(fā)布了全新v4.0.0，此后一直不定期更新，v4.x也是當(dāng)前最流行的版本。

核心程序下載： http://pyropus.ca/software/memtester/

　　核心程序包下載后，在\memtester-4.5.0\下可找到源代碼。詳細(xì)源文件目錄如下：

\memtester-4.5.0
                \memtester.h
                \memtester.c        --主程序入口
                \sizes.h            --關(guān)于系統(tǒng)位數(shù)(32/64bit)的一些定義
                \types.h            --所用數(shù)據(jù)類型的定義
                \tests.h
                \tests.c            --測試算法子程序

　　如果是移植到ARM Cortex-M平臺下裸系統(tǒng)運(yùn)行，一般只需要簡單修改memtester.c文件即可，其他源文件就是一些頭文件包含方面的改動(dòng)，memtester本身并沒有太多移植工作，其源碼本是用作在Unix-like系統(tǒng)上運(yùn)行的，而在嵌入式系統(tǒng)里運(yùn)行僅需要把一些跟系統(tǒng)平臺相關(guān)的代碼刪除即可，此外就是打印函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

2.2 配置參數(shù)

　　memtester源碼里的配置選項(xiàng)主要是如下五個(gè)宏：

/* 如下需用戶自定義 */
ULONG_MAX             -- 確定系統(tǒng)是32bit還是64bit
TEST_NARROW_WRITES    -- 確定是否要包含8/16 bit寫測試

/* 如下借助linux頭文件 */
_SC_VERSION           -- posix system版本檢查
_SC_PAGE_SIZE         -- 內(nèi)存page大小獲取
MAP_LOCKED            -- Linux里mmap里的swap特性

2.3 程序解析

　　讓我們嘗試分析memtester主函數(shù)入口main，main()函數(shù)最開始都是一些輸入?yún)?shù)解析，其實(shí)主要就是為了獲取三個(gè)重要變量：內(nèi)存測試起始地址、內(nèi)存測試總長度、壓力測試循環(huán)次數(shù)，有了這三個(gè)變量值之后便開始逐一跑tests.c文件里各項(xiàng)測試算法小函數(shù)：

struct test {
    char *name;
    int (*fp)();
};

struct test tests[] = {
    { "Random Value", test_random_value },
    { "Compare XOR", test_xor_comparison },
    { "Compare SUB", test_sub_comparison },
    { "Compare MUL", test_mul_comparison },
    { "Compare DIV",test_div_comparison },
    { "Compare OR", test_or_comparison },
    { "Compare AND", test_and_comparison },
    { "Sequential Increment", test_seqinc_comparison },
    { "Solid Bits", test_solidbits_comparison },
    { "Block Sequential", test_blockseq_comparison },
    { "Checkerboard", test_checkerboard_comparison },
    { "Bit Spread", test_bitspread_comparison },
    { "Bit Flip", test_bitflip_comparison },
    { "Walking Ones", test_walkbits1_comparison },
    { "Walking Zeroes", test_walkbits0_comparison },
#ifdef TEST_NARROW_WRITES    
    { "8-bit Writes", test_8bit_wide_random },
    { "16-bit Writes", test_16bit_wide_random },
#endif
    { NULL, NULL }
};

/* Function definitions */
void usage(char *me) {
    fprintf(stderr, "\n"
            "Usage: %s [-p physaddrbase [-d device]] <mem>[B|K|M|G] [loops]\n",
            me);
    exit(EXIT_FAIL_NONSTARTER);
}

int main(int argc, char **argv) {
    ul loops, loop, i;
    size_t bufsize, halflen, count;
    void volatile *buf, *aligned;
    ulv *bufa, *bufb;
    ul testmask = 0;

    // 省略若干變量定義代碼

    printf("memtester version " __version__ " (%d-bit)\n", UL_LEN);
    printf("Copyright (C) 2001-2020 Charles Cazabon.\n");
    printf("Licensed under the GNU General Public License version 2 (only).\n");
    printf("\n");

    // 省略若干初始檢查代碼
    // 從輸入?yún)?shù)里獲取physaddrbase計(jì)算出內(nèi)存測試起始地址aligned
    // 從輸入?yún)?shù)里獲取mem及B|K|M|G計(jì)算出內(nèi)存測試總長度bufsize

    halflen = bufsize / 2;
    count = halflen / sizeof(ul);
    bufa = (ulv *) aligned;
    bufb = (ulv *) ((size_t) aligned + halflen);

    // 壓力測試的重要變量, loops即重復(fù)次數(shù)
    for(loop=1; ((!loops) || loop <= loops); loop++) {
        printf("Loop %lu", loop);
        if (loops) {
            printf("/%lu", loops);
        }
        printf(":\n");
        printf("  %-20s: ", "Stuck Address");
        fflush(stdout);

        // 第一個(gè)測試 stuck_address
        if (!test_stuck_address(aligned, bufsize / sizeof(ul))) {
             printf("ok\n");
        } else {
            exit_code |= EXIT_FAIL_ADDRESSLINES;
        }

        // 遍歷tests.c里的所有測試子程序
        for (i=0;;i++) {
            if (!tests[i].name) break;
            if (testmask && (!((1 << i) & testmask))) {
                continue;
            }
            printf("  %-20s: ", tests[i].name);
            // 可以看到將內(nèi)存測試總空間一分為二，傳給子程序做處理的
            if (!tests[i].fp(bufa, bufb, count)) {
                printf("ok\n");
            } else {
                exit_code |= EXIT_FAIL_OTHERTEST;
            }
            fflush(stdout);
            /* clear buffer */
            memset((void *) buf, 255, wantbytes);
        }
        printf("\n");
        fflush(stdout);
    }
}

　　tests.c文件里才是最核心的壓力測試算法子程序，一共17個(gè)函數(shù)，涉及各種內(nèi)存訪問經(jīng)驗(yàn)操作，具體可以看網(wǎng)上的一篇詳細(xì)解析文章 https://www.jianshu.com/p/ef203c360c4f。

測試函數(shù)名	測試作用
test_stuck_address	先全部把地址值交替取反放入對應(yīng)存儲位置，然后再讀出比較，重復(fù)n次
test_random_value	等效test_random_comparison(bufa, bufb, count)：數(shù)據(jù)敏感型測試用例
test_xor_comparison	與test_random_value比多了個(gè)異或操作
test_sub_comparison	與test_random_value比多了個(gè)減法操作
test_mul_comparisone	與test_random_value比多了個(gè)乘法操作
test_div_comparison	與test_random_value比多了個(gè)除法操作
test_or_comparison	在test_random_comparison()里面合并了
test_and_comparison	在test_random_comparison()里面合并了
test_seqinc_comparison	是 test_blockseq_comparison的一個(gè)子集；模擬客戶壓力測試場景
test_solidbits_comparison	固定全1后寫入兩個(gè)buffer，然后讀出比較，然后全0寫入讀出比較；這就是Zero-One算法
test_blockseq_comparison	一次寫一個(gè)count大小的塊，寫的值是拿byte級的數(shù)填充32bit，然后取出對比，接著重復(fù)256次；也是壓力用例，只是次數(shù)變多了；
test_checkerboard_comparison	把設(shè)定好的幾組Data BackGround，依次寫入，然后讀出比較
test_bitspread_comparison	還是在32bit里面移動(dòng)，只是這次移動(dòng)的不是單單的一個(gè)0或者1，而是兩個(gè)1，這兩個(gè)1之間隔著兩個(gè)空位/td>
test_bitflip_comparison	也是32bit里面的一個(gè)bit=1不斷移動(dòng)生成data pattern然后，每個(gè)pattern均執(zhí)行
test_walkbits1_comparison	與test_walkbits0_comparison同理
test_walkbits0_comparison	就是bit=1的位置在32bit里面移動(dòng)，每移動(dòng)一次就全部填滿buffer，先是從低位往高位移，再是從高位往低位移動(dòng)
test_8bit_wide_random	以char指針存值，也就是每次存8bit，粒度更細(xì)；
test_16bit_wide_random	以unsigned short指針存值，也就是每次存16bit，不同粒度檢測；

2.4 結(jié)果格式

　　在Unix-like系統(tǒng)下使用make && make install命令進(jìn)行編譯可得到一個(gè)可執(zhí)行的memtester，可以隨便執(zhí)行memtester 10M 1，即申請10M的內(nèi)存測試1次，結(jié)果如下：

[root@as150 ~] memtester 10M 1

memtester version 4.5.0 (64-bit)
Copyright (C) 2001-2020 Charles Cazabon.
Licensed under the GNU General Public License version 2 (only).

pagesize is 4096
pagesizemask is 0xfffffffffffff000
want 10MB (10485760 bytes)
got  10MB (10485760 bytes), trying mlock ...locked.
Loop 1/1:
  Stuck Address: ok
  Random Value: ok
  Compare XOR: ok
  Compare SUB: ok
  Compare MUL: ok
  Compare DIV: ok
  Compare OR: ok
  Compare AND: ok
  Sequential Increment: ok
  Solid Bits: ok
  Block Sequential: ok
  Checkerboard: ok
  Bit Spread: ok
  Bit Flip: ok
  Walking Ones: ok
  Walking Zeroes: ok
  8-bit Writes: ok
  16-bit Writes: ok

Done.

　　至此，內(nèi)存讀寫正確性壓力測試程序memtester痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~