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CPUの機能を実行時に検出する：Arm編

2024/06/25に公開
Arm
aarch64
tech

シリーズ：

CPUの機能を実行時に検出する：x86編の続きです。ArmでCPUの機能を検出したい時にどうするか説明します。

Armで検出したいようなオプショナルな機能で、私が過去に記事にしたものをいくつか挙げておきます：

他にもいくつか浮動小数点数オタクがM1 Macを触ってみたで紹介しました。

cpuid に相当する命令はないのか

x86では cpuid 命令を使うとCPUの情報を取ってこれました。Armに相当するものがないか探すと、mrs 命令でシステムレジスターを読み取れば似たようなことができそうです。試してみましょう。

次のコードを書いてみます。__arm_rsr64 は mrs 命令に相当する組み込み関数です（GCCが対応したのは最新の14なので注意してください）。ID_AA64PFR0_EL1 レジスターからは半精度浮動小数点数の対応状況が読み取れるはず（詳しくはArchitecture Reference Manualを読んでください）なので、これでFEAT_FP16の対応状況を読み取れるはずです。

#include <arm_acle.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
    uint64_t r = __arm_rsr64("ID_AA64PFR0_EL1");
    printf("FEAT_FP16: %d\n", (r & 0x000f0000) == 0x00010000);
}

ClangあるいはGCC 14でコンパイルすると、期待通り mrs 命令にコンパイルされることが分かります：

$ clang -S arm-rsr.c 
$ grep mrs arm-rsr.s
	mrs	x8, ID_AA64PFR0_EL1

では実行してみましょう。

Linuxでの実行結果：

$ clang arm-rsr.c 
$ ./a.out
FEAT_FP16: 1

macOSでの実行結果：

$ clang arm-rsr.c
$ ./a.out
zsh: illegal hardware instruction  ./a.out

Linuxだと期待通り読み取れましたが、macOSではSIGILLが発生してしまいました。

実は、このシステムレジスターを読み取るには特権が必要なのです。ArmだとException Levelというやつでしょうか。ユーザーモードがEL0で、カーネルがEL1らしいです。レジスター名の最後にEL1とあるので、EL1以上じゃないとアクセスできないってことですね。

Linuxで読み取れているのは、発生する例外をカーネルが処理して代わりに値をセットしてくれるということのようです。詳しくは

を読んでください。

というわけで、mrs 命令はポータブルに使うことはできず、ArmでCPUの使える機能を取得する方法はOSに依存するということになります。

Linuxの場合

Linuxでは、CPUの機能は補助ベクトル (auxilliary vector) と呼ばれる仕組みでアプリケーションに伝えられます。補助ベクトルの情報はlibcが提供する getauxval 関数で取得できます。補助ベクトルの種類はいろいろありますが、CPUの機能に関するものは AT_HWCAP と AT_HWCAP2 です。

#include <sys/auxv.h>
unsigned long getauxval(unsigned long type);
#define AT_HWCAP ...
#define AT_HWCAP2 ...

つまり、getauxval(AT_HWCAP) とか getauxval(AT_HWCAP2) を呼び出せばCPUの機能の情報が詰まったビット列が得られるわけです。個々の機能に対応するフラグは HWCAP_ あるいは HWCAP2_ で始まる定数で参照できます。

利用例：

#include <stdio.h>
#include <sys/auxv.h>

#if !defined(HWCAP2_SME)
#define HWCAP2_SME (1 << 23)
#endif

int main(void)
{
    unsigned long hwcap = getauxval(AT_HWCAP);
    unsigned long hwcap2 = getauxval(AT_HWCAP2);
    printf("FEAT_FP16: %d\n", (hwcap & HWCAP_FPHP) != 0);
    printf("FEAT_JSCVT: %d\n", (hwcap & HWCAP_JSCVT) != 0);
    printf("FEAT_SME: %d\n", (hwcap2 & HWCAP2_SME) != 0);
}

実行例：

$ gcc cpu-feature-linux.c
$ ./a.out
FEAT_FP16: 1
FEAT_JSCVT: 1
FEAT_SME: 0

なお、HWCAP_CPUID をテストすることで、前述の mrs によるシステムレジスターへのアクセスがユーザーモード（EL0）でできるか確認できそうです。

getauxval 以外の方法としては、/proc/cpuinfo を見るという手もあるでしょう。

macOSの場合

macOSの場合は、sysctl 系の関数でCPUの機能を問い合わせることができます。iOSの場合も似たような方法が使えるかもしれません（試してない）。

#include <sys/sysctl.h>
int sysctl(int *name, u_int namelen, void *oldp, size_t *oldlenp, void *newp, size_t newlen);
int sysctlbyname(const char *name, void *oldp, size_t *oldlenp, void *newp, size_t newlen);

問い合わせ内容を整数で渡す sysctl 関数もありますが、Arm CPUの機能に対応する整数定数は定義されてなさそうなので、この用途ではもっぱら sysctlbyname 関数を使うことになるでしょう。また、newp と newlen 引数は値を設定する場合に使うもので、値を取得する用途では必要ありません。なので、NULL と 0 を設定しておけば良いでしょう。詳しい使い方は man 3 sysctl を参照してください。

機能に対応する文字列は、最近のmacOSでは hw.optional.arm.FEAT_*** の形をしているようです（macOS 13で確認）。ターミナルで sysctl hw を実行すると見れます。2021年に書いた浮動小数点数オタクがM1 Macを触ってみたの記事ではこの形の文字列は出てこないので、その頃はなかったのでしょう。

#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/sysctl.h>

bool query_cpu_feature(const char *name)
{
    int result = 0;
    size_t len = sizeof(result);
    int ok = sysctlbyname(name, &result, &len, NULL, 0);
    // 成功時には 0 が返る
    return ok == 0 && result != 0;
}

int main(void)
{
    printf("FEAT_FP16: %d\n", (int)query_cpu_feature("hw.optional.arm.FEAT_FP16"));
    printf("FEAT_JSCVT: %d\n", (int)query_cpu_feature("hw.optional.arm.FEAT_JSCVT"));
    printf("FEAT_SME: %d\n", (int)query_cpu_feature("hw.optional.arm.FEAT_SME"));
}

実行例（Apple M1, macOS 13）：

$ clang cpu-feature-mac.c    
$ ./a.out                    
FEAT_FP16: 1
FEAT_JSCVT: 1
FEAT_SME: 0

参考までに、Apple M1でのmacOS 13の sysctl hw.optional.arm の実行結果を貼っておきます。macOSのバージョンが上がると表示される項目も増えるかもしれません。

$ sysctl hw.optional.arm
hw.optional.arm.FEAT_FlagM: 1
hw.optional.arm.FEAT_FlagM2: 1
hw.optional.arm.FEAT_FHM: 1
hw.optional.arm.FEAT_DotProd: 1
hw.optional.arm.FEAT_SHA3: 1
hw.optional.arm.FEAT_RDM: 1
hw.optional.arm.FEAT_LSE: 1
hw.optional.arm.FEAT_SHA256: 1
hw.optional.arm.FEAT_SHA512: 1
hw.optional.arm.FEAT_SHA1: 1
hw.optional.arm.FEAT_AES: 1
hw.optional.arm.FEAT_PMULL: 1
hw.optional.arm.FEAT_SPECRES: 0
hw.optional.arm.FEAT_SB: 1
hw.optional.arm.FEAT_FRINTTS: 1
hw.optional.arm.FEAT_LRCPC: 1
hw.optional.arm.FEAT_LRCPC2: 1
hw.optional.arm.FEAT_FCMA: 1
hw.optional.arm.FEAT_JSCVT: 1
hw.optional.arm.FEAT_PAuth: 1
hw.optional.arm.FEAT_PAuth2: 0
hw.optional.arm.FEAT_FPAC: 0
hw.optional.arm.FEAT_DPB: 1
hw.optional.arm.FEAT_DPB2: 1
hw.optional.arm.FEAT_BF16: 0
hw.optional.arm.FEAT_I8MM: 0
hw.optional.arm.FEAT_ECV: 1
hw.optional.arm.FEAT_LSE2: 1
hw.optional.arm.FEAT_CSV2: 1
hw.optional.arm.FEAT_CSV3: 1
hw.optional.arm.FEAT_DIT: 1
hw.optional.arm.FEAT_FP16: 1
hw.optional.arm.FEAT_SSBS: 1
hw.optional.arm.FEAT_BTI: 0
hw.optional.arm.FP_SyncExceptions: 1

Windowsの場合

IsProcessorFeaturePresent というWindows APIがあるのでそれを使えば良さそうです。

BOOL IsProcessorFeaturePresent(DWORD ProcessorFeature);

Armv8以降に対応する定数は以下でしょうか：

PF_ARM_V8_INSTRUCTIONS_AVAILABLE
PF_ARM_V8_CRYPTO_INSTRUCTIONS_AVAILABLE
PF_ARM_V8_CRC32_INSTRUCTIONS_AVAILABLE
PF_ARM_V81_ATOMIC_INSTRUCTIONS_AVAILABLE
PF_ARM_V82_DP_INSTRUCTIONS_AVAILABLE
PF_ARM_V83_JSCVT_INSTRUCTIONS_AVAILABLE
PF_ARM_V83_LRCPC_INSTRUCTIONS_AVAILABLE

少ない！

まあ、Windows on Armを持っている人は試してみてください。私はまだ持っていません。

Clangの組み込み関数を使う（？）

Clangのマニュアル https://clang.llvm.org/docs/LanguageExtensions.html#builtin-cpu-supports を読むとAArch64でも __builtin_cpu_supports が使えるように読めますが、Clang 18は対応していませんでした。Clang 19の新機能ということになるのでしょう。

試して動かなかったコードを置いておきます：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("FEAT_FP16: %d\n", !!__builtin_cpu_supports("fp16"));
    printf("FEAT_JSCVT: %d\n", !!__builtin_cpu_supports("jscvt"));
    printf("FEAT_SME: %d\n", !!__builtin_cpu_supports("sme"));
}

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