嵌入式處理器性能評(píng)價(jià)簡(jiǎn)易方法

徐彬，楊露，侯慶慶，楊楚瑋，鄧甜甜

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58 研究所，江蘇 無(wú)錫 214072）

0 引言

隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，武器裝備國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)成為我國(guó)軍事現(xiàn)代化的重要進(jìn)程。處理器是現(xiàn)代各種計(jì)算機(jī)設(shè)備的核心，武器裝備國(guó)產(chǎn)化首先是處理器的國(guó)產(chǎn)化。擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能處理器對(duì)于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有非常重要的意義[1]。

處理器體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部涉及總線架構(gòu)、指令集以及時(shí)序等方面對(duì)處理器性能有影響，因此，客觀有效地評(píng)價(jià)處理器的性能，已成為處理器研究領(lǐng)域重要課題。

針對(duì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，目前使用的主要方法為系統(tǒng)上運(yùn)行測(cè)試基準(zhǔn)程序（Benchmark），通過(guò)基準(zhǔn)測(cè)試程序的執(zhí)行時(shí)間等參數(shù)來(lái)評(píng)測(cè)處理器系統(tǒng)的性能，成熟的處理器性能評(píng)測(cè)基準(zhǔn)程序如Dhrystone、Whetstone、Lmbench和Rhealstone等。其中Dhrystone主要評(píng)測(cè)處理器的整數(shù)運(yùn)算性能，是早期進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)的主要性能評(píng)測(cè)基準(zhǔn)；Whetstone主要用于評(píng)測(cè)處理器的浮點(diǎn)運(yùn)算[2]；Lmbench通過(guò)運(yùn)行大量的程序，測(cè)試大多數(shù)公認(rèn)的有可能成為性能瓶頸的重要參數(shù)[3]，它主要評(píng)測(cè)處理器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)與硬盤(pán)之間傳送數(shù)據(jù)的能力；Rhealstone是一組由6個(gè)C語(yǔ)言程序組成的程序集[4]，主要用于評(píng)測(cè)上下文切換、搶占時(shí)間、中間延遲、信號(hào)量混洗時(shí)間、死鎖解除時(shí)間等。

針對(duì)不同的指標(biāo)，可選擇相關(guān)的測(cè)試基準(zhǔn)程序，但是一些測(cè)試基準(zhǔn)程序?qū)\(yùn)行環(huán)境和平臺(tái)有特殊要求，無(wú)法直接執(zhí)行。本文旨在介紹一套方便移植、執(zhí)行有效的評(píng)價(jià)方法，能夠在科研項(xiàng)目中靈活應(yīng)用。

1 性能評(píng)價(jià)方法

1.1 帶寬評(píng)價(jià)

帶寬是用于衡量處理器的內(nèi)部存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)性能，可以使用單位時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的能力來(lái)評(píng)價(jià)。本文采用MBW測(cè)試方法，將數(shù)據(jù)從一塊內(nèi)存復(fù)制到另一塊內(nèi)存，通過(guò)內(nèi)存拷貝的手段進(jìn)行測(cè)試，由此方法測(cè)出的性能值又稱為“拷貝”內(nèi)存帶寬。

MBW方法根據(jù)每次拷貝的數(shù)據(jù)大小又將測(cè)試項(xiàng)分為三種類(lèi)型：

1）D U M B 模式，該模式通過(guò)循環(huán)進(jìn)行4 字節(jié)（sizeof(long)）賦值的方式測(cè)試內(nèi)存帶寬。

2）MEMCPY模式，該模式通過(guò)memcpy接口一次性拷貝的方式測(cè)試內(nèi)存帶寬。

3）MCBLOCK模式，該模式通過(guò)memcpy接口分小塊拷貝的方式測(cè)試內(nèi)存帶寬。

這種方法在評(píng)價(jià)過(guò)程中，評(píng)價(jià)結(jié)果除了與內(nèi)存本身有關(guān)，還與評(píng)價(jià)時(shí)使用的工具鏈以及memcpy函數(shù)等外界因素相關(guān)。若是評(píng)價(jià)同一系列的處理器，外界因素基本相同的情況下，該方法是極其方便有效的。

1.2 指令執(zhí)行時(shí)間評(píng)價(jià)

循環(huán)執(zhí)行空指令方法用于衡量指定軟件環(huán)境中的處理器性能。使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)接口實(shí)現(xiàn)循環(huán)執(zhí)行nop指令，來(lái)保證處理器執(zhí)行測(cè)試函數(shù)時(shí)執(zhí)行的指令數(shù)是固定的，該測(cè)試函數(shù)代碼短小精悍，能夠保證測(cè)試函數(shù)中的全部指令能夠裝載至Cache中，保證處理器每次執(zhí)行測(cè)試函數(shù)指令時(shí)是從Cache中取指，而非內(nèi)存。這樣可有效排除內(nèi)存性能對(duì)處理器性能評(píng)價(jià)結(jié)果造成影響。

1.3 實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間性能評(píng)價(jià)

實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，響應(yīng)時(shí)間越短，系統(tǒng)資源利用率越高。實(shí)時(shí)響應(yīng)性能的評(píng)價(jià)中，重點(diǎn)關(guān)注中斷響應(yīng)時(shí)間以及上下文切換時(shí)間。

1.3.1 中斷響應(yīng)時(shí)間評(píng)價(jià)

中斷響應(yīng)時(shí)間為處理器實(shí)時(shí)性的一個(gè)重要體現(xiàn)方面，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，處理器保存現(xiàn)場(chǎng)，然后響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷處理任務(wù)，處理完畢后，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，任務(wù)恢復(fù)執(zhí)行，中斷響應(yīng)過(guò)程如圖1所示。在評(píng)價(jià)過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注中斷響應(yīng)時(shí)間T2-T1，此段時(shí)間最短越好，說(shuō)明系統(tǒng)的響應(yīng)中斷能力較強(qiáng)。

1.3.2 上下文切換時(shí)間評(píng)價(jià)

上下文切換時(shí)間是帶有操作系統(tǒng)的處理器的重要評(píng)價(jià)方面，處理器正在運(yùn)行任務(wù)時(shí)，由于其它原因切換到另一個(gè)任務(wù)，需要保存當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)并恢復(fù)另一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)轉(zhuǎn)為掛起狀態(tài)，另一個(gè)被選定的就緒任務(wù)成為當(dāng)前任務(wù)。從前一個(gè)任務(wù)掛起計(jì)時(shí)，到另一個(gè)任務(wù)變?yōu)楫?dāng)前任務(wù)時(shí)結(jié)束，這段時(shí)間即為上下文切換時(shí)間。具體實(shí)施的方法如下：

圖1 中斷響應(yīng)過(guò)程

1）創(chuàng)建兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)優(yōu)先級(jí)較高，一個(gè)優(yōu)先級(jí)較彽；

2）高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)獲取時(shí)間戳，掛起，這樣就運(yùn)行低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)；

3）低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)開(kāi)始時(shí)調(diào)用獲取時(shí)間戳的接口，然后恢復(fù)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的運(yùn)行。

兩個(gè)時(shí)間戳的差值就是上下文切換時(shí)間。

2 實(shí)例應(yīng)用

以自研帶有MRCloud操作系統(tǒng)的處理器為例，該處理器有兩個(gè)系列產(chǎn)品，下文簡(jiǎn)稱為“1號(hào)”和“2號(hào)”，在設(shè)計(jì)上，2號(hào)與1號(hào)相比，增加了二級(jí)緩存，即L2 Cache，所以2號(hào)性能理論上應(yīng)比1號(hào)要好，利用上述三種評(píng)價(jià)方法分別對(duì)1號(hào)和2號(hào)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證實(shí)際情況與理論推測(cè)相符。

2.1 帶寬評(píng)價(jià)結(jié)果

分別對(duì)1號(hào)和2號(hào)SRAM的32KB進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中使用的內(nèi)存均使用 __attribute__ ((aligned(32)))得到對(duì)齊的內(nèi)存，這樣可以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。其中MCBLOCK模式采用16B、32B、64B、128B、256B、512B、1KB、4KB、8KB、32KB 10種情況進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)數(shù)據(jù)塊較小時(shí)，2號(hào)與1號(hào)測(cè)試結(jié)果相差不大，但隨著數(shù)據(jù)塊大小增加，2號(hào)訪存性能是1號(hào)的2倍，明顯優(yōu)于1號(hào)。

2.2 指令執(zhí)行時(shí)間評(píng)價(jià)結(jié)果

分別在1號(hào)和2號(hào)循環(huán)運(yùn)行空指令，運(yùn)行次數(shù)分別為100000次、1000000次、10000000次，得到執(zhí)行指令時(shí)間如表1所示。可看出執(zhí)行相同代碼和相同的循環(huán)次數(shù)，2號(hào)運(yùn)行時(shí)間明顯少于1號(hào)，CPU指令執(zhí)行能力2號(hào)優(yōu)于1號(hào)。

表1 CPU 指令執(zhí)行性能結(jié)果

2.3 實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)中斷響應(yīng)時(shí)間采用串口作為外部中斷源進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)一個(gè)任務(wù)正常運(yùn)行時(shí)，串口觸發(fā)中斷，任務(wù)掛起，中斷開(kāi)啟之前記錄兩次時(shí)間a、b，開(kāi)啟中斷，在中斷處理函數(shù)中記錄剛進(jìn)入中斷的時(shí)間c，中斷處理完成后出中斷前的時(shí)間d，中斷返回后主程序時(shí)間e。中斷響應(yīng)時(shí)間為(c-b)-(b-a)，其中b-a為獲取系統(tǒng)時(shí)間產(chǎn)生的誤差時(shí)間。具體評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示，可看出中斷響應(yīng)性能2號(hào)與1號(hào)幾乎相同。

評(píng)價(jià)上下文切換時(shí)間采用三個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，優(yōu)先級(jí)分別任務(wù)1＜任務(wù)2＜任務(wù)3，任務(wù)1中執(zhí)行任務(wù)3（此時(shí)記錄系統(tǒng)時(shí)間為A）,任務(wù)3中對(duì)任務(wù)2執(zhí)行——吊銷(xiāo)20次，然后執(zhí)行任務(wù)1(此時(shí)記錄系統(tǒng)時(shí)間為B)，上下文切換時(shí)間為（B-A）/20。具體評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示,可看出實(shí)時(shí)響應(yīng)性能2號(hào)比1號(hào)稍微差一點(diǎn)，因?yàn)?號(hào)處理器是兩級(jí)總線結(jié)構(gòu)，在切換任務(wù)時(shí)時(shí)間比1號(hào)稍長(zhǎng)。

表2 實(shí)時(shí)響應(yīng)性能評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論

從上述應(yīng)用實(shí)例來(lái)看，該套評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，適用于不同的處理器，特別對(duì)于同一系列的新型號(hào)產(chǎn)品對(duì)比老型號(hào)產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)客觀清晰，在科研項(xiàng)目緊、任務(wù)重的情況下能可以快速地給出一個(gè)可靠的結(jié)論，有助于項(xiàng)目的積極推進(jìn)。