tpuasm

tpuasm 是 TPU 指令包的汇编器与反汇编器。

许可证

MPL-2.0。

tpuasm 解决了什么问题？

调试和优化 TPU 程序时，经常需要核对编译器实际生成了哪些指令。在过去，常用的方法是查看 LLO dump 的最终指令包（final bundles）。它虽然接近机器程序的反汇编，但仍然属于较高的抽象层级，与实际程序映像不能完全对应。这导致了以下四个问题：

(1) 最终指令包中仍然包含伪指令

最终指令包的名称中虽然含有“最终”二字，但并非所有指令都会被包括在程序映像中。例如，最终指令包中包含 sphi、compiler-scheduling-barrier 和 inlined_call_operand.hbm 这样的伪指令，会影响对程序执行周期的精确判读。tpuasm 从机器字节解码，只列出实际占用的指令槽。

(2) 最终指令包没有显式表达指令槽信息

在对 TPU 程序进行性能分析时，常常需要通过参考一条指令所属的指令槽判断其具体执行过程，例如判断指令是否需要向量发射、预测是否产生 VIF 背压等。然而，最终指令包中不含有 s0:、vx0: 等槽标签。tpuasm 显式标出物理槽，使同一指令包内各条指令的发射位置和资源使用能够直接核对。

(3) 最终指令包不能无歧义地映射到机器指令

最终指令包使用的指令格式不足以完整地表达机器指令的所有信息。例如，在实际调试中发现，Pallas 生成的 vdwg 指令本应选择 GSFT，却错误地选择了 GSFN，导致计算结果错误。而在最终指令包中，两者都被表示为 vdwg.mxu0，没有包含 GSFN 或 GSFT 的选择字段，掩盖了这一错误，增加了调试的困难。tpuasm 的指令格式写出了这类选择字段，例如前述指令被写为 vdwg.128x128.f16 gmr0, gsfn0，消除了这种歧义。

(4) 最终指令包无法直接修改并重新汇编

在进行 TPU 程序的性能分析时，常常需要在一段特定的指令包前后精准插入或删除特定的指令（如 vtrace、sfence、srdreg.lcclo 等）。然而，最终指令包并不支持编辑后直接重新汇编为程序映像。过去，开发者往往需要在更高层级上修改代码，但这容易触发编译器的重新调度，改变其他指令的布局，导致难以构造单变量对照实验。而若直接通过二进制解析来改写字节，又会面临 PC 相对地址偏移等调整难题。tpuasm 完整支持程序的导出、修改、重新汇编与回灌，解决了这一痛点。

安装

首先确保系统为 Linux x86-64，且已安装支持 C++17 的 g++。本项目不声明依赖，JAX 与 libtpu 需自行安装。

每个 tpuasm 版本只支持登记过的 Python 与 libtpu 组合，用户需自行确保版本兼容。各版本支持的组合和测试所用的 JAX 见版本兼容性；使用较旧的 libtpu 时，按该页固定安装仍支持它的 tpuasm 版本。各版本的变化见更新日志。

从 PyPI 安装本项目：

python -m pip install tpuasm

首次汇编或反汇编会将随包分发的原生桥接编译到 /tmp。

离线汇编、反汇编不需要 TPU。在没有对应 TPU 的机器上，也可以按目标拓扑离线编译 kernel 并导出清单，写法见 examples/pallas/common.py。

使用

在命令行使用

命令行在 serialized executable、程序映像和 .tpuasm 清单之间转换，本身不执行程序。serialized executable 是把 bytes(compiled.runtime_executable().serialize()) 写成的文件。常见用法：

# 把 executable 中的每个程序导出为清单，注释中附带编译来源
tpuasm executable.bin --input-format executable --output-dir asm

# 导出便于手工编辑的清单：重新分配共享资源，不保证与原程序字节相同
tpuasm executable.bin --input-format executable --output-dir asm --encoding canonical

# 反汇编单个程序映像；程序映像不含目标标记，须给出 --target
tpuasm program.bin --input-format image --target tpu-v4-tc --output program.tpuasm

# 把清单汇编为程序映像
tpuasm program.tpuasm --input-format listing --output program.bin

# 用编辑后的清单等长替换程序 1:0，写出新的 executable
tpuasm executable.bin --input-format executable --output-format executable \
  --replace 1:0 asm/program-tpu-v4-tc-1-0.tpuasm --output patched.bin

# 在程序 1:0 编号为 525 的 bundle 之前插入汇编片段
tpuasm executable.bin --input-format executable --output-format executable \
  --insert 1:0:525 probe.tpuasm --output patched.bin

1:0 即导出文件名 program-<target>-<record>-<index>.tpuasm 中的 record 和 index。写出的 executable 须在 Python 中用 load_executable 装载执行，见下节。

完整用法见 tpuasm --help。

在 JAX 中使用

在已有 kernel 和 example_inputs 的 JAX/TPU 程序中，于 compiler_source_mapping() 内编译，导出的清单即带有 Pallas 源码注释：

from pathlib import Path
import jax
from tpuasm import compiler_source_mapping, dump_compiled

with compiler_source_mapping():
    compiled = jax.jit(kernel).lower(*example_inputs).compile()
paths = dump_compiled(compiled, Path('/tmp/tpuasm-output'), source_map_json=True)

每个程序写出一份 .tpuasm，source_map_json=True 时另写同名的 .sources.json。

清单是 runtime 实际装载的完整程序映像，Pallas kernel 前后的初始化、同步与退出代码也在其中，裁掉后就不能再回灌。只想浏览 kernel 时，按 ProgramSourceMap.functions[*].ranges 给出的编译器函数区间折叠显示。逐槽的源码位置读 ProgramSourceMap.slots[*].source_frames，它合并了 tpuasm 捕获的来源与编译器自带的 loc(...)；没有来源的指令保持未知，不代表它属于 runtime。设计见来源映射。

要在设备上观察修改后的程序，常用做法是在 kernel 中放一条带唯一立即数的运算作为标记（例如 x ^ 0x13579bdf），在清单中找到它所在的 bundle，在此插入手写片段，再借用 compiled 的调用约定执行：

from tpuasm import BundleInsertion, executable_programs, format_assembly, insert_executable_bundles, load_executable, parse_assembly

serialized = bytes(compiled.runtime_executable().serialize())
(record, index, image), = executable_programs(serialized)
source = format_assembly(image, target='tpu-v4-tc')  # TPU v6e 为 'tpu-v6e-tc'
pc, = [pc for pc, bundle in enumerate(parse_assembly(source).bundles) if any('0x13579bdf' in instruction.operands for instruction in bundle.instructions)]
patched = insert_executable_bundles(serialized, {(record, index): [BundleInsertion(pc, '.target tpu-v4-tc\n{ s0: srdreg.lcclo s20 }')]})
result = load_executable(patched, compiled)(*example_inputs)

片段插在编号为 pc 的原 bundle 之前，可以包含多个 bundle，也可以同时在多处插入。插入点不能落在分支的延迟窗口内；片段使用的寄存器须由调用者确认空闲，读数也须由调用者安排带回，完整例子见 examples/pallas/insert_program.py。

只修改已有指令时，编辑清单后重新汇编，用 replace_executable_programs 做等长替换，例如去掉标记的效果：

from tpuasm import assemble_listing, replace_executable_programs

edited = assemble_listing(source.replace('vxor.8x128.u32 v1, 0x13579bdf, v0', 'vxor.8x128.u32 v1, 0x0, v0'))
patched = replace_executable_programs(serialized, {(record, index): edited})

等长替换不改变 bundle 编号，替换结果可以继续交给 insert_executable_bundles，仍按原编号插入。两者都会为修改后的程序生成新的程序身份，否则 runtime 可能继续执行已装载的原程序。

文档

文档站点包括以下内容。格式参考说明清单怎么写，设计文档说明实现方式、依据和验证。

• 格式参考

  • TPU v4 TC：各目标共用的源码语法，以及 v4 TC 的操作数与约束。

  • TPU v4 BCS：BCS 的写法、semantic protobuf 转换与容器提取。

  • TPU v6e TC：v6e 与 v4 TC 写法的差异。

  • TPU v6e TEC：SparseCore TEC 与 v6e TC 写法的差异。

  • 四份指令索引：各目标每个槽的助记符与操作数签名，由 tools/generate_isa_reference.py 在构建文档时生成。

• API 参考：公开函数和类型的签名与说明。

• 版本兼容性：各版本支持的 Python、libtpu 与 JAX。

• 更新日志：各版本面向用户的变化。

• 设计文档

  • 总体架构：设计原则、模块划分、数据通路、目标识别与程序容器、扩展点。

  • 原生编解码后端：后端选择、C ABI 与原生校验。

  • 汇编与可逆导出：位模型、指令包求解、命名约束、导出，以及 v4 TC ISA 表的维护。

  • TPU v4 BCS 目标：BCS 在实现上与 TC 的差异。

  • TPU v6e TC 目标：字段表的生成、签名规则与 formatter 的限制。

  • TPU v6e TEC 目标：从 LLVM TPU printer 与 TEC emitter 生成字段表，以及与 TC 的差异。

  • TPU v6e 指令执行语义核对：selector、延迟常量等指令语义的设备证据，含 v4 的 Delay 对照。

  • TC 编译来源映射：编译期捕获来源与离线恢复。

  • 回灌与执行：替换、插入 bundle、程序身份与装载。

测试

GitHub Actions 会自动测试无需 TPU 的部分。

测试需要 TPU v4 的部分，在 TPU v4 机器上运行：

PYTHONPATH=src python tests/reproduce_tpu_v4_tc_source_mapping.py --output-dir /tmp/tpuasm-source-reproduction
examples/pallas/run_all.sh tpu-v4-tc

测试需要 TPU v6e 的部分，在 TPU v6e 机器上运行：

examples/pallas/run_all.sh tpu-v6e-tc
examples/pallas/run_all.sh tpu-v6e-tec
PYTHONPATH=src python tests/reproduce_tpu_v6e_tec_execution.py --output /tmp/tpuasm-v6e-tec-execution

all_reduce、remote_dma_devices 与 remote_dma_ring 需要 2 或 4 颗芯片。