基于龍芯2號處理器的SPEC 2000測試程序的分析與應用

摘 要:為了對我國自主研發的龍芯2號處理器的性能進行評價，獲取龍芯2號處理器性能的客觀數據。提出一種針對龍芯2號處理器的采用由國際標準性能評測組織開發的、專門用于評價CPU性能的SPEC CPU 2000測試程序的測試和分析的方法。該方法包括在Linux操作系統下安裝和配置SPEC 2000程序的要點和使用SPEC 2000程序對龍芯2E處理器進行性能測試的具體流程，還包括對SPEC 2000程序運行結果的分析。目前該方法已經應用，效果良好。

關鍵詞:龍芯2號; 處理器; SPEC 2000; 性能測試

中圖分類號:TN710-34; TP206文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0202-03

Analysis and Application of SPEC 2000 Based on Loongson-II CPU

WANG Quan-sheng

(Air Force Military Representative Office in Yangzhou Area， Yangzhou 225003， China)

Abstract: In order to evaluate the performance of Loongson-II(developed by China)， and obtain its objective data， a method for Loongson-II′s test is proposed， which uses SPEC CPU 2000 test program developed by the International Standards Organization for the performance evaluation of CPU. The method consists of the key points of installing and configuring SPEC 2000 under Linux operating system， and the process of testing Loongson-II′s performance by the SPEC 2000 programs， and the analysis of the running results. Currently this method has been applied， and has good effect.

Keywords: Loongson-II; CPU; SPEC 2000; performance test

0 引 言

自主研發高性能處理器芯片對于經濟和國家安全方面具有重要意義。龍芯系列處理器的成功研制填補了我國自主研發高性能通用處理器的空白，龍芯2號采用先進的結構設計技術，已躋身于世界一流處理器的行列。SPEC CPU 2000是SPEC(標準性能評測組織)開發的專門用于評價CPU(中央處理器)性能的一套基準程序，在CPU性能測試領域具有很大的權威性。

當前，在許多的實際應用中，需要對處理器的性能進行評估，以確定處理器是否可以達到應用的要求，這種評估的結果需要客觀和準確，這樣才具備可信性。當前針對主流的處理器如Intel的X86處理器的測試方法已經有很多，而且這些方法也普遍的經過驗證。針對國產龍芯處理器的測試方法還比較的缺乏，因此有必要尋找一種可以客觀評價國產處理器的測試方法。

1 龍芯2E結構分析

龍芯系列處理器是中國科學院計算技術研究所研制的高性能通用處理器。

龍芯2E處理器[1]是一款實現64位MIPS Ⅲ指令集[2]的通用RISC處理器，采用了4發射超標量超流水結構，實現了先進的轉移猜測、寄存器重命名、動態調度等亂序執行技術，以及非阻塞的高速緩存和取數操作猜測執行等動態存儲訪問機制。

龍芯2E的一級Cache由64 KB的指令Cache和64 KB的數據Cache組成，片上二級Cache大小為512 KB，均采用四路組相聯的結構。龍芯2E的基本流水線包括取指、預譯碼、譯碼、寄存器重命名、調度、發射、讀寄存器、執行、提交等9級。龍芯2E先進的存儲系統設計可以有效地提高流水線的效率。

2 SPEC 2000測試程序概述

SPEC CPU 2000是SPEC(標準性能評測組織)開發的專門用于評價CPU(中央處理器)性能的一套基準程序，主要應用于桌面型[3]和服務器型CPU的性能評價，其目的是比較不同類型CPU的整點運算和浮點運算性能。SPEC是由計算機業界幾十個芯片廠商、計算機系統廠商、研究團體等構成的非營利組織，其開發的SPEC CPU 2000在CPU的性能評價領域具有很高的權威性。

3 在龍芯2E上使用SPEC 2000進行測試

SPEC 2000由兩套基準程序組成，分別測試CPU的整型運算性能和浮點運算性能。目前龍芯平臺上運行的操作系統以開源Linux為主，因此SPEC 2000的運行需要GCC和Gfortran編譯器的支持[4]。

3.1 SPEC的安裝

首先從軟件包中解壓tar-jxvf SPEC 2000.tar.bz2，

進入SPEC 2000根目錄運行install.sh進行安裝，

安裝完成后運行./shrc啟動SPEC程序，

最后敲入命令runspec –V，如能正確顯示SPEC工具版本信息，則說明安裝成功。

3.2 SPEC的運行

SPEC CPU 2000基準主要由基準程序源文件、腳本管理程序、配置文件以及測試結果文件組成。管理程序中最重要的是runspec腳本管理程序，通過它用戶可以編譯、運行和維護基準程序。典型的runspec用法是:

runspec –c default.cfg int

其中:default.cfg為配置文件;int則表示運行所有的整型基準程序。

3.3 配置文件

配置文件中包含了許多信息，其中最為重要的是編譯基準程序的指令參數，例如編譯時所要用到的編譯器，編譯優化選項等，設置如下:

runspec的運行參數:

output_format = asc，ps 設置輸出文件的格式

tune = base 設置基本測試或是峰值測試

runlist = fp設置運行的基準程序列表

specmake編譯參數:

CC=gcc 指定C編譯器

FC=gfortran指定Fortran編譯器

OPTIMIZE = -O2 設置編譯時的優化選項

被測系統軟硬件配置描述:

est_date=2009-06-09

hw_model = Loongson 2E

sw_os = Debian

3.4 MD5碼的生成

為了保證測試結果的公正性，測試中采用了數字簽名技術[5]。即在編譯和運行測試程序時，對測試結果進行校驗，從而保證測試結果是從各個基準程序中獲得，沒有經過人工篡改。運行成功后在配置文件末尾將自動生成以“MD5”開頭的一段代碼。

3.5 基準程序描述

SPEC2000基準程序存放在/spec2000/benchmark目錄中，其中cint2000目錄存放了12個整形基準程序，cep2000目錄存放了14個浮點基準程序。SPEC2000并沒有完全開放其源代碼，而是開放了其基準程序的代碼，因此運行runspec命令時需要針對基準程序進行編譯，而編譯規則只能在配置文件中設定。

SPEC 2000中的基準程序都是從實際應用程序中提取出來的，大多由C語言和Fortran語言編寫，如表1，表2所示。

雖然基準程序的設計來源于真實的應用程序(如gzip和bzip2是Linux系統下的通用壓縮程序，gcc是Linux的默認編譯器)，但考慮到其可移植性以及平臺之間的可比較性[6]，基準程序經過了一些改動，與實際的應用程序略有不同，兼顧了真實性與通用性。

表1 SPEC 2000整形基準程序描述

基準程序名稱語言整形運算測試基準程序描述

164.gzipC數據壓縮

175.vprCFPGA電路分布和路由

176.gccCC語言編譯器

181.mcfC組合優化

186.craftyC棋類游戲

197.parserC自然語言處理

252.eonC++計算可視化

253.perlbmkCPerl語言

254.gapC群論解釋器

255.vortexC面向對象數據庫

256.bzip2C數據壓縮

300.twolfC布局和路由仿真

表2 SPEC 2000浮點基準程序描述

基準程序名稱語言浮點運算測試基準程序描述

168.wupwiseF77量子色彩動力學

171.swimF77淺水模型

172.mgridF77多網格方法求解3D位勢場

173.appluF77拋物/橢圓偏微方程

177.mesaC3D圖形庫

178.galgelF90流體動力學

179.artC神經網絡模擬、自適應推理

183.equakeC有限元模擬、地震模型

187.facerecF90計算機視覺，識別人像

188.ammpC計算化學

189.1ucasF90數論、質數測試

191.fma3dF77有限元碰撞模擬

200.sixtrackF77離子加速器模擬

301.apsiF77大氣環境問題

3.6 測試結果的生成

SPEC 2000能夠生成多種格式的測試結果報表，包括asc，ps，raw，pdf，html等格式，報表所在目錄為/spec2000/result。

整形和浮點性能測試結果分別如表3和表4所示。其中Reference Time表示參考時間，Base Runtime表示實際運行時間，Base Ratio表示比值。其綜合得分為206和168分，是各項基準程序得分的幾何平均值，計算公式如下:

SPECint/fp = GEOMEAN(reftime/runtime*100)

表3 SPEC 2000整形性能測試結果

基準程序Reference Time /sBaseRuntime /sBaseRatio

164.gzip1 400748187

175.vpr1 400759184

176.gcc1 100495222

181.mcf1 800900200

186.crafty1 000436229

197.parser1 8001069168

252.eon1 300515252

253.perlbmk1 800780231

254.gap1 100552199

255.vortex1 900987192

256.bzip21 500836179

300.twolf3 0001192252

表4 SPEC 2000浮點性能測試結果

基準程序ReferenceTime /sBaseRuntime /sBaseRatio

168.wupwise1 600996161

171.swim3 1001 727180

172.mgrid1 8001 585114

173.applu2 1001 699124

177.mesa1 400491285

178.galgel2 9002 360123

179.art2 6001 215214

183.equake1 300692192

187.facerec1 9001 809105

188.ammp2 2001 192185

189.1ucas2 0001 092183

191.fma3d2 1002 52383.2

200.sixtrack1 100912121

301.apsi2 6001 617161

4 結 語

目前，龍芯處理器有三個系列處于并行研發中。龍芯1號處理器系列主要面向嵌入式應用，龍芯2號超標量處理器系列主要面向桌面應用，龍芯3號多核處理器系列主要面向服務器和高性能機應用。隨著龍芯各系列處理器的不斷研制和發展，如何客觀評價CPU的性能也逐漸將成為重要的研究課題。本文以SPEC 2000為例，介紹了在Linux操作系統下對龍芯2E處理器進行性能測試的一套方法，對于通用CPU性能的評價具有一定的現實意義。

龍芯處理器作為我國自主研發的高性能通用處理器，已滲入到嵌入式領域、桌面應用領域以及高性能服務器領域，必將與Intel、AMD等國際知名CPU生產廠商全面抗衡。因此對CPU性能進行客觀、全面的測試不僅可以衡量我國的CPU研制水平，也能夠通過測試比較、總結出龍芯的優勢和不足。相信隨著龍芯平臺性能的不斷提高和周圍軟硬件環境的不斷完善，龍芯系列處理器的市場競爭力會越來越強，這對于我國形成有自主知識產權的計算機產業具有重要意義。

參考文獻

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