图一 : 第五代树莓派单板电脑（图片来源：Amazon）

Linux作业系统的核心（kernel）是不断迭代精进的，包含正式改版或若干程度的修补（patch，对岸称为补丁）等，而在正式迭代前会先有人提交，提交後需要再评估确认，有些会舍弃，有些会纳入後续正式的迭代。

最近64位元Arm架构的Linux核心程式，有一家自由软体顾问公司Igalia尝试在树莓派上模拟NUMA（Non-Uniform Memory Access，翻译成非统一记忆体存取，但使用不普遍），如此可以让第五代树莓派（RPi 5）增速6%～18%，这作法已经在Linux核心清单的相关讨论中，由帐号Tvrtko Ursulin所提出。

NUMA简述

在这里要先说明一下何谓NUMA，这其实是一种电脑硬体架构，1990年代UNIX高阶伺服器飞速发展时，系统内CPU数目的增加、RAM容量的增加，但要让多颗CPU跟过往一样，都存取同一块RAM记忆体空间，这一段存取变成了效能瓶颈，故系统商开始提倡NUMA。

NUMA把记忆体分切、配发给CPU，CPU平常多数时间只存取自己所属的记忆体，必要时才与其他记忆体快进行资料同步或交换，另外NUMA也可能将记忆体分层，分成CPU专属层、一个群中的共享层、整体系统的共享等等。

虽然有这些空间切分、资料同步机制，但这些都以硬体方式实现，是在背地里无形中运作，软体执行上感受不到差异，运作上仍然以为是一个整体连续的记忆体空间。Linux核心在2.5版後也支援NUMA。

效能提升6%～18%

虽然Linux核心支援NUMA，但如果系统硬体设计上本身就没有NUMA，Linux核心的NUMA功能一样无法发挥，RPi 5即是如此，主要是RPi 5的主控晶片BMC2712没有。

不过，前述的Igalia公司提出一个核心修补程式，让树莓派系统跑一个NUMA模拟软体（Emulator），以软体方式实现NUMA（可能搭配运用上BMC2712内的GPU），这个修补程式其实才约100行，主要的C语言程式码也不到60行。

图二 : Igalia公司官网强调该公司擅长的多项技术中，Linux核心效能提升也是其一（图片来源：Igalia）

#include

#include "numa_emulation.h"

static unsigned int emu_nodes;

int __init numa_emu_cmdline(char *str)

{

int ret;

ret = kstrtouint(str, 10, &emu_nodes);

if (ret)

return ret;

if (emu_nodes > MAX_NUMNODES) {

pr_notice("numa=fake=%u too large, reducing to %u\n",

emu_nodes, MAX_NUMNODES);

emu_nodes = MAX_NUMNODES;

}

return 0;

}

int __init numa_emu_init(void)

{

phys_addr_t start, end;

unsigned long size;

unsigned int i;

int ret;

if (!emu_nodes)

return -EINVAL;

start = memblock_start_of_DRAM();

end = memblock_end_of_DRAM() - 1;

size = DIV_ROUND_DOWN_ULL(end - start + 1, emu_nodes);

size = PAGE_ALIGN_DOWN(size);

for (i = 0; i < emu_nodes; i++) {

u64 s, e;

s = start + i * size;

e = s + size - 1;

if (i == (emu_nodes - 1) && e != end)

e = end;

pr_info("Faking a node at [mem %pap-%pap]\n", &s, &e);

ret = numa_add_memblk(i, s, e + 1);

if (ret) {

pr_err("Failed to add fake NUMA node %d!\n", i);

break;

}

}

return ret;

修补程式相关的C语言程式码，一起头即放入Linux记忆体区块的含括档memblock.h及NUMA模拟的含括档numa_emulation.h（资料来源:CNX Software）

相关配套修改也包含在作业系统上要使用一个NUMA_EMULATION的新Kconfig选项，核心启动叁数要加入numa=fake=，然後搭配命令列numactl －interleave=all COMMAND等，如此可以改变BMC2712内记忆体控制器的存取方式，另外也要透过systemd命令来重新配置系统范围政策（system-wide policy）。

既然NUMA是为了让整体系统更具效能的，那就需要测试看看NUMA模拟软体是否真的有效果，对此用效能基准程式Geekbench 6来测试，发现有无安装修补程式确实有效能差异。

测试的结果显示，安装修补程式後的单核效能提升约6%，多核（RPi 5有4个核心）则提升到18%，这样的提升形同把2.4GHz的RPi 5超频到2.83GHz。

仍待观??

虽然测试结果不错，但目前还有两个问题，一是真的在一般运用上能得到加速感受吗？有时基准测试的跑分不错，实际上没有帮助，类似纸上成绩不错，实际表现不隹，因此资讯业界有时也会强调所谓的real application performance，而不是看benchmark。

另一个问题是：这个修补程式提交出去了，但是否能正式列入成Linux核心修补还需要一段时间，且估计时间冗长。目前提交上的相关讨论似??有不乐意的声音出现，认为这有点变通取巧不正规，不应该正式列入，一旦正式列入就需要後续一连串的相关维护等。

结语

最後笔者觉得，无论提交能否纳入正式核心修补，这一尝试肯定是正向的，过往的树莓派其实在I/O方面已经出现瓶颈（晶片内的Interconnect频宽不足），硬体规格数字虽已与过往PC相仿，效能却仍有落差，估计这是新一代树莓派要额外提出RP1附属搭配晶片的原因。

既然有人提出NUMA模拟软体，这表示开始有人尝试提升树莓派的记忆体存取效率，会引起各方关注此一环节的效能提升，是真的起用模拟软体来零成本提升效能，还是考虑在下一代的树莓派主控晶片上改善此一环节的硬体设计，对用户而言都是好消息。

（本文由VMAKER授权转载；连结原文网址）

延伸阅读

Tvrtko Ursulin提交NUMA模拟的相关讯息（英文）：

https://lore.kernel.org/lkml/20240625125803.38038-1-tursulin@igalia.com/