龍芯處理器性能測試方法研究

摘 要： 通過分析龍芯處理器的體系架構、指令集的特點，基于龍芯的硬件平臺和Linux操作系統的兼容性，提出一套全面測試龍芯處理器性能的方法，以實際測試龍芯2F處理器為例，獲得測試結果，客觀評價龍芯處理器的性能，對于軍用計算機國產化具有重要意義。

關鍵詞： 龍芯處理器； SPEC； 性能測試； 國產化

中圖分類號： TN06?34； TP302.7 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0088?03

Research on the performance test method of Loongson processor

LI Shi?gang1， HUANG Wei2， ZHANG Peng3

（1. The Navy Military Representative Office Stationed in Shanghai Aviation System， Shanghai 200083， China；

2. The Navy Military Representative Office Stationed in Hudong?Zhong Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200083， China；

3. Jiangsu Automation Research Institute， Lianyungang 222006， China）

Abstract： Through analyzing the characteristic of architecture and instruction set of Loongson processor， a comprehensive method of testing the performance of Loongson processor is proposed， which is based on Loongson hardware platform and Linux operate system. Take Loongson 2F processor as the example， the test result is obtained. The significant of Loongson processor for localization of military computer is evaluated objectively.

Keywords： Loongson processor； SPEC； performance test； nationalization

0 引 言

隨著軍事技術的發展，武器裝備國產化已經成為我國軍事現代化的重要進程。處理器是現代各種計算機設備的核心，武器裝備國產化首先是處理器的國產化。目前國內擁有自主知識產權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。擁有自主知識產權的高性能通用處理器對于我國的國家安全和經濟發展都具有非常重要的意義。

由于處理器之間體系結構、指令集、流水線等方面的差異，使得對處理器性能的評判標準有所不同。因此，如何客觀評價CPU的性能指標，已成為軍用計算機領域中的重要課題。

龍芯處理器主要包括三個系列，分別面向不同的功能應用。龍芯2F處理器[1]是龍芯系列處理器中目前最為成熟穩定、應用最為廣泛的一款處理器。龍芯2F處理器是實現64位MIPS?Ⅲ指令集[2?3]的通用RISC處理器，其指令流水線每個時鐘周期取四條指令進行譯碼，并且動態地發射到五個全流水的功能部件中。本文的測試方法以龍芯2F為研究對象，該方法同樣適用于龍芯系列其余型號的處理器。

1 國內外主流性能測試方法

目前流行的CPU性能測試方法有SuperPI、CPUMark、Kernbench等等，這些測試工具主要是針對處理器某一方面的特性而開發的，而且大多只能運行在Windows操作系統下。例如SuperPI是由東京大學開發的一款測試軟件，通過計算圓周率的位數來測試CPU的性能。

龍芯處理器是基于MIPS?Ⅲ指令集的，并在其基礎上增加部分龍芯特有的指令，因此具有其自身的平臺特殊性。Windows不是開源的操作系統，其源代碼由微軟掌握，無法將其移植到龍芯的硬件平臺之上。Linux由于其開源特性[4?5]，目前已經成為龍芯硬件平臺上最廣泛應用的操作系統，并且可以在PMON[6?7]下便捷地加載運行。因此這里需要尋找可以在Linux下實現的、能夠客觀全面測試CPU性能的一套方法[8]。

SPEC CPU2006是SPEC（標準性能評測組織）開發的專門用于評價CPU性能的一套基準程序，主要應用于對桌面型和服務器型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性組織，其開發的SPEC CPU2006在CPU的性能評價領域具有很大的權威性。

2 龍芯CPU性能測試

SPEC CPU2006是廣泛使用的、計算密集型的基準測試程序，通過測試處理器、內存和編譯器性能來評估處理器系統性能。SPEC2006覆蓋的應用面非常廣闊，包括文件壓縮、FPGA布局布線、編譯器、組合優化、國際象棋、文字處理、計算機視覺、編程語言、解釋器、數據庫、布局布線模擬器、量子動力學、淺水模型、三維勢場求解、偏微分方程、三維圖形庫、計算流體動力學、圖象識別/神經網絡、地震波傳播模擬、計算化學、數論/素數測試等等。龍芯處理器性能測試框圖[9]如圖1所示。

圖1 龍芯處理器性能測試框圖

2.1 SPEC CPU2006基準程序研究

SPEC CPU2006的測試包含兩個部分：用于測試處理器整數性能的CINT2006以及測試處理器浮點性能的CFP2006。

CINT2006包含12個測試場景，其中11個用C語言編寫，1個用C++語言編寫，表1詳細描述了CINT2006的整型基準程序。

CFP2006包含17個測試場景，其中4個用C++語言編寫，3個用C編寫，6個用Fortran語言編寫，4個用C和Fortran混合編寫，表2詳細描述了CFP2006浮點基準程序。通過這些場景的測試，可以全面表現處理器的真實計算性能。

2.2 SPEC CPU2006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程序的指令，例如編譯基準程序所要用到的編譯器，編譯優化選項等，設置如下 ：

（1） runspec的運行參數，例如：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。

（2） specmake編譯參數，例如：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。

（3）被測系統軟硬件配置描述，例如：hw_model=Loongson 2F；sw_os=Debian。

（4） MD5碼的生成。

表1 CINT2006整型基準程序描述

[基準程序＼語言＼整型運算測試基準程序描述＼400.perlbench＼C＼Perl語言 ＼401.bzip2＼C＼數據壓縮＼403.gcc＼C＼C語言編譯器＼429.mcf＼C＼組合優化＼445.gobmk＼C＼人工智能＼456.hmmer＼C＼基因序列算法＼458.sjeng＼C＼象棋智能算法＼462.libquantum＼C＼物理學量子計算＼464.h264ref＼C＼視頻壓縮＼471.omnetpp＼C++＼離散事件仿真＼473.astar＼C++＼迷宮算法 ＼483.xalancbmk＼C++＼XML處理＼]

表2 CFP2006浮點基準程序描述

[基準程序＼語言＼浮點運算測試基準程序描述＼410.bwaves＼Fortran＼流體動力學＼416.gamess＼Fortran＼量子化學 ＼433.milc＼C＼量子色彩動力學＼434.zeusmp＼Fortran＼物理學CFD＼435.gromacs＼C/Fortran＼生物分子動力學 ＼436.cactusADM＼C/Fortran＼廣義相對論 ＼437.leslie3d＼Fortran＼流體動力學 ＼444.namd＼C++＼生物分子動力學＼447.dealII＼C++＼有限元分析＼450.soplex＼C++＼線性優化＼453.povray＼C++＼射線追蹤 ＼454.calculix＼C/Fortran＼結構力學 ＼459.GemsFDTD＼Fortran＼電磁計算 ＼465.tonto＼Fortran＼量子化學 ＼470.lbm＼C＼流體動力學 ＼481.wrf＼C/Fortran＼天氣預測 ＼482.sphinx3＼C＼語音識別 ＼]

為了保證測試結果的公正性，測試中采用了數字簽名技術。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。編譯成功后在配置文件末尾將自動生成以_MD5_開頭的一段代碼[10]。

2.3 運行SPEC CPU2006

SPEC CPU2006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。運行SPEC的標準命令格式為：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，也可以指定具體某個基準程序。運行成功后，將在result目錄下生成結果和日志文件。

2.4 龍芯2F性能測試結果

SPEC CPU2006基準測試集分為整型測試包和浮點型測試包，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C/C++的支持，4.0版本之后增加了對Fortran的支持，因此完整運行SPEC CPU2006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，根據操作系統本身的環境所需的插件不同，其中GMP和MPFR是必要的兩個插件，建議選擇最新版本安裝。

圖2是龍芯2F的整型性能測試結果，圖3是浮點型性能測試結果，其中Seconds欄表示運行基準程序的時間，Ratio是最終的測試值，每個基準程序運行3次，取中間值。測試結果表明，龍芯2F處理器性能大致與Intel的低端Pentium4處理器性能相當。

圖2 龍芯2F整型測試結果

圖3 龍芯2F浮點型測試結果

3 結 論

本文根據龍芯處理器的體系架構、指令集的特點，基于龍芯的硬件平臺和Linux操作系統的兼容性，提出一套全面測試龍芯處理器性能的方法，詳細介紹了測試流程，并生成測試結果。客觀、全面地評價國產龍芯處理器的性能有助于推進軍用計算機的國產化，對于國防建設、信息安全等方面具有重要意義。

參考文獻

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[4] STEVENS R W. Advanced programming in the Unix environment [M]. 2nd ed. 人民郵電出版社，2006.

[5] 吳俊峰，齊偉民.Linux桌面操作系統穩定性測試[J].計算機工程，2007，33（7）：50?52.

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[7] 江蘇中科龍夢科技有限公司.PMON手冊：Revision 0.1[M].南京：江蘇中科龍夢科技有限公司，2009.

[8] 李雷，鄭為民，劉金剛.基于PMON的龍芯BIOS初始化及VGABIOS模擬器[J].計算機工程，2009，35（1）：204?206.

[9] SWEETMAN D.MIPS處理器設計透視[M].趙俊良，張福新，陶品，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[10] 韓山秀.樊曉椏，張盛兵，等.BIOS的設計與實現[J].微電子學與計算機，2005（11）：113?115.

作者簡介：李士剛 男，1981年出生，山東章丘人，工程師。主要從事計算機電子武器系統技術研究。

黃 威 男，1982年出生，江蘇南通人，工程師。主要從事艦船電子裝備研究。

張 鵬 男，1983年出生，江蘇連云港人，工程師。主要從事計算機軟硬件技術研究。