精品文檔-下載后可編輯國產(chǎn)龍芯處理器性能測(cè)試方法研究-基礎(chǔ)電子摘要：本文通過分析龍芯處理器的體系架構(gòu)、指令集的特點(diǎn)，基于龍芯的硬件平臺(tái)和Linux操作系統(tǒng)的兼容性，提出一套全面測(cè)試龍芯處理器性能的方法，以實(shí)際測(cè)試龍芯2F處理器為例，獲得測(cè)試結(jié)果，客觀評(píng)價(jià)龍芯處理器的性能，對(duì)于軍用計(jì)算機(jī)國產(chǎn)化具有重要意義。

0引言

隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，武器裝備國產(chǎn)化已經(jīng)成為我國軍事現(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，武器裝備國產(chǎn)化首先是處理器的國產(chǎn)化。

目前國內(nèi)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能處理器主要有中科院的龍芯系列處理器和國防科大的飛騰系列處理器。擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能通用處理器對(duì)于我國的國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有非常重要的意義。

由于處理器之間體系結(jié)構(gòu)、指令集、流水線等方面的差異，使得對(duì)處理器性能的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)有所不同。因此，如何客觀評(píng)價(jià)CPU的性能指標(biāo)，已成為軍用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的重要課題。

龍芯處理器主要包括三個(gè)系列，分別面向不同的功能應(yīng)用。龍芯2F處理器是龍芯系列處理器中目前為成熟穩(wěn)定、應(yīng)用為廣泛的一款處理器。龍芯2F處理器是實(shí)現(xiàn)64位MIPS-Ⅲ指令集的通用RISC處理器，其指令流水線每個(gè)時(shí)鐘周期取四條指令進(jìn)行譯碼，并且動(dòng)態(tài)地發(fā)射到五個(gè)全流水的功能部件中。本文的測(cè)試方法以龍芯2F為研究對(duì)象，該方法同樣適用于龍芯系列其余型號(hào)的處理器。

1國內(nèi)外主流性能測(cè)試方法

目前流行的CPU性能測(cè)試方法有SuperPI、CPU-Mark、Kernbench等等，這些測(cè)試工具主要是針對(duì)處理器某一方面的特性而開發(fā)的，而且大多只能運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)下。例如SuperPI是由東京大學(xué)開發(fā)的一款測(cè)試軟件，通過計(jì)算圓周率的位數(shù)來測(cè)試CPU的性能。

龍芯處理器是基于MIPS-Ⅲ指令集的，并在其基礎(chǔ)上增加部分龍芯特有的指令，因此具有其自身的平臺(tái)特殊性。Windows不是開源的操作系統(tǒng)，其源代碼由微軟掌握，無法將其移植到龍芯的硬件平臺(tái)之上。Linux由于其開源特性，目前已經(jīng)成為龍芯硬件平臺(tái)上廣泛應(yīng)用的操作系統(tǒng)，并且可以在PMON下便捷地加載運(yùn)行。因此這里需要尋找可以在Linux下實(shí)現(xiàn)的、能夠客觀全面測(cè)試CPU性能的一套方法。

SPECCPU2022是SPEC（標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)測(cè)組織）開發(fā)的專門用于評(píng)價(jià)CPU性能的一套基準(zhǔn)程序，主要應(yīng)用于對(duì)桌面型和服務(wù)器型CPU的性能評(píng)價(jià)，其目的是比較不同類型CPU的整點(diǎn)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算性能。SPEC是由計(jì)算機(jī)業(yè)界幾十個(gè)芯片廠商、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)廠商、研究團(tuán)體等構(gòu)成的非營利性組織，其開發(fā)的SPECCPU2022在CPU的性能評(píng)價(jià)領(lǐng)域具有很大的權(quán)威性。

2龍芯CPU性能測(cè)試

SPECCPU2022是廣泛使用的、計(jì)算密集型的基準(zhǔn)測(cè)試程序，通過測(cè)試處理器、內(nèi)存和編譯器性能來評(píng)估處理器系統(tǒng)性能。SPEC2022覆蓋的應(yīng)用面非常廣闊，包括文件壓縮、FPGA布局布線、編譯器、組合優(yōu)化、國際象棋、文字處理、計(jì)算機(jī)視覺、編程語言、解釋器、數(shù)據(jù)庫、布局布線模擬器、量子動(dòng)力學(xué)、淺水模型、三維勢(shì)場(chǎng)求解、偏微分方程、三維圖形庫、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、圖象識(shí)別/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、地震波傳播模擬、計(jì)算化學(xué)、數(shù)論/素?cái)?shù)測(cè)試等等。龍芯處理器性能測(cè)試框圖如圖1所示。

2.1SPECCPU2022基準(zhǔn)程序研究

SPECCPU2022的測(cè)試包含兩個(gè)部分：用于測(cè)試處理器整數(shù)性能的CINT2022以及測(cè)試處理器浮點(diǎn)性能的CFP2022.

CINT2022包含12個(gè)測(cè)試場(chǎng)景，其中11個(gè)用C語言編寫，1個(gè)用C++語言編寫，表1詳細(xì)描述了CINT2022的整型基準(zhǔn)程序。

CFP2022包含17個(gè)測(cè)試場(chǎng)景，其中4個(gè)用C++語言編寫，3個(gè)用C編寫，6個(gè)用Fortran語言編寫，4個(gè)用C和Fortran混合編寫，表2詳細(xì)描述了CFP2022浮點(diǎn)基準(zhǔn)程序。通過這些場(chǎng)景的測(cè)試，可以全面表現(xiàn)處理器的真實(shí)計(jì)算性能。

2.2SPECCPU2022的配置文件的理解和更改

配置文件中包含了許多信息，比較重要的是編譯基準(zhǔn)程序的指令，例如編譯基準(zhǔn)程序所要用到的編譯器，編譯優(yōu)化選項(xiàng)等，設(shè)置如下：

（1）runspec的運(yùn)行參數(shù)，例如：output_format=asc,ps,設(shè)置輸出文件的格式；tune=base,設(shè)置基本測(cè)試或是峰值測(cè)試；runlist=fp,設(shè)置運(yùn)行的基準(zhǔn)程序列表。

（2）specmake編譯參數(shù)，例如：CC=gcc,指定C編譯器；FC=gfortran,指定Fortran編譯器；OPTIMIZE=-O2,設(shè)置編譯時(shí)的優(yōu)化選項(xiàng)。

（3）被測(cè)系統(tǒng)軟硬件配置描述，例如：hw_model=Loongson2F;sw_os=Debian.

（4）MD5碼的生成。

為了保證測(cè)試結(jié)果的公正性，測(cè)試中采用了數(shù)字簽名技術(shù)。即在編譯和運(yùn)行測(cè)試程序時(shí)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，從而保證測(cè)試結(jié)果是從各個(gè)基準(zhǔn)程序中獲得，沒有經(jīng)過人工篡改。編譯成功后在配置文件末尾將自動(dòng)生成以_MD5_開頭的一段代碼。

2.3運(yùn)行SPECCPU2022

SPECCPU2022主要由基準(zhǔn)程序源文件、腳本管理程序、配置文件以及測(cè)試結(jié)果文件組成。管理程序中重要的是runspec腳本管理程序，通過它用戶可以編譯、運(yùn)行和維護(hù)基準(zhǔn)程序。運(yùn)行SPEC的標(biāo)準(zhǔn)命令格式為：

runspec-cdefault.cfgint,其中default.cfg為配置文件，int則表示運(yùn)行所有的整型基準(zhǔn)程序，也可以指定具體某個(gè)基準(zhǔn)程序。運(yùn)行成功后，將在result目錄下生成結(jié)果和日志文件。

2.4龍芯2F性能測(cè)試結(jié)果

SPECCPU2022基準(zhǔn)測(cè)試集分為整型測(cè)試包和浮點(diǎn)型測(cè)試包，由三種語言編寫，因此需要GCC編譯器具有編譯C、C++和Fortran的能力。GCC早期版本只提供對(duì)C/C++的支持，4.0版本之后增加了對(duì)Fortran的支持，因此完整運(yùn)行SPECCPU2022需要GCC4.0及以上版本。

GCC中Fortran包的正確安裝需要多種插件的支持，根據(jù)操作系統(tǒng)本身的環(huán)境所需的插件不同，其中GMP和MPFR是必要的兩個(gè)插件，建議選擇版本安裝。

圖2是龍芯2F的整型性能測(cè)試結(jié)果，圖3是浮點(diǎn)型性能測(cè)試結(jié)果，其中Seconds欄表示運(yùn)行基準(zhǔn)程序的時(shí)間，Ratio是終的測(cè)試值，每個(gè)基準(zhǔn)程序運(yùn)行3次，取中間值。測(cè)試結(jié)果表明，龍芯2F處理器性能大致與Intel的低端Pentium4處理器性能相當(dāng)。

3結(jié)論