痞子衡嵌入式：微處理器CPU效能測試基準(Dhrystone)

痞子衡發表於2019-05-13

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是微處理器CPU效能測試基準Dhrystone。

　　在嵌入式系統行業用於評價CPU效能指標的標準主要有三種：Dhrystone、MIPS、CoreMark，其中Dhrystone是一種古老的卻歷時30年而不衰的嵌入式系統處理器測試基準，至今仍為各大處理器生產廠商所採用。今天痞子衡就和大家詳細聊一聊Dhrystone。

一、經典效能測試標準集

　　在講Dhrystone之前，痞子衡想先給大家簡介一下19世紀70-80年代開始流行的幾個效能測試標準，它們分別是Livermore、Whetstone、Linpack、Dhrystone，這四個效能測試標準也被合稱為Classic Benchmark。這個網址簡單介紹了四大經典效能測試標準歷史 http://www.roylongbottom.org.uk/classic.htm。

痞子衡嵌入式：微處理器CPU效能測試基準(Dhrystone)

　　細心的朋友應該會注意到Dhrystone與另一標準Whetsone名字有點類似，其實Dhrystone就是為了與演算法Whetsone區分而設計的。Whetsone於1972年所開發，主要目的是模仿60個1970年後的程式演算法。其最有名的版本為Fortran版，高度反映了60年代數字計算方向。Dhrystone與Whetsone不同之處在於其並不包括浮點運算。

二、Dhrystone標準

　　Dhrystone是由Reinhold P. Weicker在1984年提出來的一個基準測試程式，其主要目的是測試處理器的整數運算和邏輯運算的效能。Dhrystone首先用Ada語言釋出，後來Rick Richardson為Unix開發了用C語言編寫的Version 1.1，這個版本也成功的推動了Dhrystone的廣泛應用。
　　Dhrystone標準的測試方法很簡單，就是單位時間內跑了多少次Dhrystone程式，其指標單位為DMIPS/MHz。MIPS是Million Instructions Per Second的縮寫，每秒處理的百萬級的機器語言指令數。DMIPS中的D是Dhrystone的縮寫，它表示了在Dhrystone標準的測試方法下的MIPS。

2.1 獲取程式

　　Dhrystone程式的最新版本是2.1，其實際上於1988年便已停更。Dhrystone並沒有官網，所以想下載其源程式可能會有很多來源，有各種語言版本的實現，以及各種平臺下的移植程式。
　　Roy Longbottom，是一個來自英國政府計算機採購部門Central Computer and Telecommunications Agency (CCTA)的職員，他製作了一個PC效能測試結果網站，蒐集了很多效能測試程式以及結果，其中便有Dhrystone，我們可以從他的網站下載Dhrystone原始碼(C語言版)。

核心程式下載 http://www.roylongbottom.org.uk/classic_benchmarks.tar.gz

　　核心程式包下載後，在\classic_benchmarks\source_code\dhrystone2\下可找到原始碼。詳細檔案目錄如下：

\classic_benchmarks\source_code\dhrystone2
                                          \dhry.h          --關於相容性的原型定義
                                          \dhry_1.c        --主程式入口
                                          \dhry_2.c        --演算法子程式

　　如果是移植到ARM Cortex-M平臺下裸系統執行，一般只需要簡單修改dhry.h和dhry_1.c檔案即可，Dhrystone本身並沒有太多移植工作，其原始碼本是用作在PC上執行的，而在嵌入式系統裡執行僅需要把一些檔案I/O的相關程式碼刪除即可，此外就是計時函式和列印函式的重實現。

2.2 配置引數

　　Dhrystone原始碼幾乎沒有提供配置選項，唯一一個能算得上的配置就是關於REG的巨集定義，即你所選用的IDE和嵌入式平臺是否支援regiser關鍵字。

2.3 程式解析

　　讓我們嘗試分析Dhrystone主函式入口main：

void main (int argc, char *argv[])
{
          One_Fifty   Int_1_Loc;
    REG   One_Fifty   Int_2_Loc;
          One_Fifty   Int_3_Loc;
    REG   char        Ch_Index;
          Enumeration Enum_Loc;
          Str_30      Str_1_Loc;
          Str_30      Str_2_Loc;
    REG   int         Run_Index;
    REG   int         Number_Of_Runs;
          int         endit, count = 10;
    // ...

    // 定義和初始化關鍵buffer
    Next_Ptr_Glob = (Rec_Pointer) malloc (sizeof (Rec_Type));
    Ptr_Glob = (Rec_Pointer) malloc (sizeof (Rec_Type));
    Ptr_Glob->Ptr_Comp                    = Next_Ptr_Glob;
    // ...

    // 設定迴圈跑Dhrystone核心演算法程式次數
    Number_Of_Runs = 5000;

    do
    {
        Number_Of_Runs = Number_Of_Runs * 2;
        count = count - 1;

        // 開始迴圈跑Dhrystone核心演算法程式且記錄累計消耗時間
        start_time();
        for (Run_Index = 1; Run_Index <= Number_Of_Runs; ++Run_Index)
        {
            Proc_5();
            Proc_4();
            // ...
        }
        end_time();
        User_Time = secs;

        printf ("%12.0f runs %6.2f seconds \n",(double) Number_Of_Runs, User_Time);
        if (User_Time > 2)
        {
            count = 0;
        }
        else
        {
            if (User_Time < 0.05)
            {
                Number_Of_Runs = Number_Of_Runs * 5;
            }
        }
    }
    while (count >0);

    // ...
    // 最終資訊的列印
    if (User_Time < Too_Small_Time)
    {
        printf ("Measured time too small to obtain meaningful results\n");
        printf ("Please increase number of runs\n");
        printf ("\n");
    }
    else
    {
        Microseconds = User_Time * Mic_secs_Per_Second / (double) Number_Of_Runs;
        Dhrystones_Per_Second = (double) Number_Of_Runs / User_Time;
        Vax_Mips = Dhrystones_Per_Second / 1757.0;

        printf ("Microseconds for one run through Dhrystone: ");
        printf ("%12.2lf \n", Microseconds);
        printf ("Dhrystones per Second:                      ");
        printf ("%10.0lf \n", Dhrystones_Per_Second);
        printf ("VAX  MIPS rating =                          ");
        printf ("%12.2lf \n",Vax_Mips);
        printf ("\n");
    }
    // ...
}

2.4 結果格式

　　當移植好Dhrystone程式後，便可以開始跑起來了，下面是一個主頻100MHz的Pentium處理器跑分結果：

 Dhrystone Benchmark  Version 2.1 (Language: C)

 Final values:

 Int_Glob:      O.K.  5
 Bool_Glob:     O.K.  1
 Ch_1_Glob:     O.K.  A
 Ch_2_Glob:     O.K.  B
 Arr_1_Glob[8]: O.K.  7
 Arr_2_Glob8/7: O.K.     1600010
 Ptr_Glob->
   Ptr_Comp:       *  98008
   Discr:       O.K.  0
   Enum_Comp:   O.K.  2
   Int_Comp:    O.K.  17
   Str_Comp:    O.K.  DHRYSTONE PROGRAM, SOME STRING
 Next_Ptr_Glob->
   Ptr_Comp:       *  98008 same as above
   Discr:       O.K.  0
   Enum_Comp:   O.K.  1
   Int_Comp:    O.K.  18
   Str_Comp:    O.K.  DHRYSTONE PROGRAM, SOME STRING
 Int_1_Loc:     O.K.  5
 Int_2_Loc:     O.K.  13
 Int_3_Loc:     O.K.  7
 Enum_Loc:      O.K.  1
 Str_1_Loc:     O.K.  DHRYSTONE PROGRAM, 1'ST STRING
 Str_2_Loc:     O.K.  DHRYSTONE PROGRAM, 2'ND STRING

 Register option      Selected.

 Microseconds 1 loop:          4.53
 Dhrystones / second:      220690
 VAX MIPS rating:            125.61

　　其中最核心的資料便是Dhrystones / second的數值。

2.5 跑分榜

　　Roy Longbottom的網站收集記錄了很多款處理器的Dhrystone跑分結果，可移步他的網站連結檢視 http://www.roylongbottom.org.uk/dhrystone%20results.htm#anchorAndroid

　　至此，微處理器CPU效能測試基準Dhrystone痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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