用于嵌入式計(jì)算機(jī)性能評(píng)測(cè)技術(shù)及其方法研究

　　CPU2000是SPEC中測(cè)量CPU功能的最新版性能基準(zhǔn)程序組，目的是為不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算密集型的工作負(fù)載提供性能*估的測(cè)量工具， SPEC CPU 2000包含2組性能基準(zhǔn)程序：CINT2000測(cè)量比較計(jì)算密集型定點(diǎn)運(yùn)算，CFP2000測(cè)量比較計(jì)算密集型浮點(diǎn)運(yùn)算。最新版本為CPU2000 V1.3。CPU2000為被測(cè)系統(tǒng)提供性能參數(shù)，主要測(cè)量系統(tǒng)的處理器、內(nèi)存以及編譯器性能。

　　5.1.2 TPC

　　TPC(Transaction PROCESSing Council)成立于1988年，已有40多個(gè)成員，TPC系列基準(zhǔn)是現(xiàn)在流行的商業(yè)基準(zhǔn)組，主要服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)企業(yè)都派代表加入了這一組織，用于*測(cè)計(jì)算機(jī)的事務(wù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)處理、企業(yè)管理與決策支持等方面的性能。TPC不給出基準(zhǔn)程序的代碼，而只給出基準(zhǔn)程序的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(Standard Specification)。任何廠家或其他測(cè)試者都可以根據(jù)規(guī)范，最優(yōu)地構(gòu)造出自己的系統(tǒng)(測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試程序)。19*以來(lái)相繼發(fā)表的TPC基準(zhǔn)測(cè)試程序包括TPC-A，TPC-B，TPC-C，TPC-D，TPC-W，TPC-R和TPC-H等。其中TPC-A用于在線事務(wù)處理下更新密集的數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境下的性能測(cè)試，TPC-B用于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及運(yùn)行它的操作系統(tǒng)的核心性能測(cè)試，TPC-C則用于在線事務(wù)處理測(cè)試。有2種*價(jià)指標(biāo)：吞吐率 (Throughput，tpmC)、性價(jià)比(Price／Perform-ance，Price／tpmC)。tpmC定義：TPC-C的吞吐量，按有效TPC-C配置期間每分鐘處理的平均交易次數(shù)測(cè)量，至少要運(yùn)行12 min。TPC-D用于決策支持系統(tǒng)測(cè)試，TPC-H是基于TPC-D基礎(chǔ)上決策支持基準(zhǔn)測(cè)試，TPC-W是用于電子商務(wù)應(yīng)用軟件測(cè)試。

　　5.1.3 Whetstone

　　它是用FORTRAN語(yǔ)言編寫的綜合性測(cè)試程序，主要包括浮點(diǎn)運(yùn)算、整數(shù)算術(shù)運(yùn)算、功能調(diào)用、數(shù)組變址、條件轉(zhuǎn)移、超越函數(shù)，測(cè)試結(jié)果用單位 Kwips表示，1Kwips表示機(jī)器每秒鐘能執(zhí)行1 000條Whetstone指令。在實(shí)時(shí)性能基準(zhǔn)程序Hartstone中被調(diào)用。

　　5.1.4 Lmbench

　　Lmbench性能基準(zhǔn)程序通過(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)，這些參數(shù)通過(guò)幾組微觀性能基準(zhǔn)程序加以識(shí)別、分辨，而且是可重現(xiàn)的。Lmbench中主要測(cè)量的參數(shù)是處理器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)與硬盤之間的系統(tǒng)延時(shí)與數(shù)據(jù)通路帶寬。Lmbench僅測(cè)量處理器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)與硬盤之間傳送數(shù)據(jù)的能力，清楚地描述時(shí)間延時(shí)與數(shù)據(jù)通路帶寬方面的各種參數(shù)，Lmbench中的各個(gè)性能基準(zhǔn)程序組作為測(cè)量系統(tǒng)性能的補(bǔ)充常用于測(cè)量系統(tǒng)相應(yīng)的延時(shí)與帶寬。

　　5.2嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)時(shí)性能測(cè)試基準(zhǔn)程序

　　5.2.1 Rhealstone

　　Rhealstone性能基準(zhǔn)程序是一組由6個(gè)C語(yǔ)言程序組成的程序集，通過(guò)這6個(gè)程序測(cè)量實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的7個(gè)微觀參數(shù)：上下文切換、搶占時(shí)間、中斷延遲、信號(hào)量混洗時(shí)間、死鎖解除時(shí)間、信息傳遞延遲、數(shù)據(jù)報(bào)吞吐時(shí)間。Rhealstone性能基準(zhǔn)程序有2個(gè)缺點(diǎn)，一是它測(cè)量的是平均時(shí)間，而不是最壞值；二是其最后的結(jié)論是加權(quán)平均值，但沒有給出確定權(quán)值的依據(jù)。

　　5.2.2 EEMBC

　　EEMBC(Embedded MicroPROCESSor BenchmarkConsortiurn)性能基準(zhǔn)程序采用具有代表性的真實(shí)應(yīng)用中的基本算法與功能函數(shù)，目的是為不同嵌入式計(jì)算機(jī)提供*價(jià)性能的參數(shù)。最新的EEMBC性能基準(zhǔn)程序涵蓋7類應(yīng)用領(lǐng)域：電信、電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)、辦公自動(dòng)化、自動(dòng)化與工業(yè)控制、數(shù)字娛樂、車載系統(tǒng)與Java，后兩類是新加入的。EEMBC性能基準(zhǔn)程序?qū)儆谏逃眯阅芑鶞?zhǔn)程序，參照EEMBC的設(shè)計(jì)思路，源代碼公開的Mibench分為6類，較多的用于學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域。

　　5.2.3 Hartstone

　　Hartstone性能基準(zhǔn)程序由美國(guó)Carnegie Mellon大學(xué)用Ada語(yǔ)言編寫，是依據(jù)需求構(gòu)成的一組合成應(yīng)用，選用Whetstone性能基準(zhǔn)程序作為合成工作負(fù)載，目的是測(cè)量硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。 Hartstone性能基準(zhǔn)程序需要不同測(cè)試序列，每個(gè)測(cè)試序列中的測(cè)試結(jié)果只有2種情況：滿足或者不滿足時(shí)間限制。若任一個(gè)程序不滿足時(shí)限，那么測(cè)試結(jié)論就是“不通過(guò)”。共有5種測(cè)試序列：任務(wù)周期有規(guī)律的周期性任務(wù)、任務(wù)周期無(wú)規(guī)律的周期性任務(wù)、任務(wù)周期有規(guī)律但非周期性處理的周期性任務(wù)、任務(wù)周期有規(guī)律有同步的周期性任務(wù)、任務(wù)周期有規(guī)律有同步但非周期性處理的周期性任務(wù)。

　　現(xiàn)有的性能基準(zhǔn)程序從構(gòu)建方法上來(lái)看，有的通過(guò)應(yīng)用類別選取典型應(yīng)用構(gòu)建工作負(fù)載(如SPEC，EEMBC，Mibench)，這類性能基準(zhǔn)程序可進(jìn)行功能測(cè)試，也可根據(jù)系統(tǒng)表現(xiàn)計(jì)算系統(tǒng)的性能，該類性能基準(zhǔn)程序?qū)儆诤暧^性能基準(zhǔn)程序，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的增多，需要不斷擴(kuò)充；有的通過(guò)測(cè)量影響系統(tǒng)性能的重要參數(shù)(如Rhealstone，Lanbench等)，該類性能基準(zhǔn)程序?qū)儆谖⒂^性能基準(zhǔn)程序，但是現(xiàn)階段影響系統(tǒng)性能的重要參數(shù)數(shù)量多，相互影響的程度，對(duì)系統(tǒng)性能影響的程度，很難給出量化的指標(biāo)，所以該類性能基準(zhǔn)程序很難對(duì)測(cè)量結(jié)果給出合理的解釋；有的針對(duì)典型應(yīng)用，不僅選用典型的工作負(fù)載還是用根據(jù)程序被調(diào)用的頻度，模擬真實(shí)的工作負(fù)載，(如TPC，Hartstone等)，該類性能基準(zhǔn)程序能夠從宏觀上觀察系統(tǒng)在模擬工作負(fù)載下的表現(xiàn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值，構(gòu)建該類性能基準(zhǔn)程序的難點(diǎn)在于如何真實(shí)地反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)際工作負(fù)載。

　　5.3嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)高層次設(shè)計(jì)測(cè)試基準(zhǔn)程序

　　隨著電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度提高，應(yīng)對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性增加，并加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)的速度，采用一系列的設(shè)計(jì)技術(shù)，如基于IP復(fù)用的設(shè)計(jì)技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、高層次的系統(tǒng)級(jí)建模與設(shè)計(jì)技術(shù)等。隨著嵌入式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)入到SoC的設(shè)計(jì)時(shí)代，將一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的軟件、硬件子系統(tǒng)在系統(tǒng)級(jí)的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化、劃分后，使用硬件描述語(yǔ)言和軟件開發(fā)語(yǔ)言分別設(shè)計(jì)出嵌入式系統(tǒng)的硬件組成部分和軟件組成部分。嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)到了SoC設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)意味著嵌入式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)入到了系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)時(shí)代。對(duì)于SoC這種系統(tǒng)級(jí)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，涉及到系統(tǒng)軟／硬件結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、系統(tǒng)在總體設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，在不同設(shè)計(jì)目標(biāo)(成本、面積、功耗、性能等)方面的總體折中平衡。在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的早期階段，也出現(xiàn)了一些相應(yīng)的測(cè)試基準(zhǔn)程序，以輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)級(jí)能確定出一個(gè)相對(duì)較優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　E3S就是Princeton大學(xué)的CAD研究項(xiàng)目中用于進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)綜合(System Level Synthesis)的設(shè)計(jì)測(cè)試基準(zhǔn)程序。E3S，依據(jù)嵌入式微處理器測(cè)試基準(zhǔn)(Embedded MicroPROCESSor Benchmark Consortium，EEMBC)中對(duì)嵌入式微處理器和用來(lái)測(cè)試的計(jì)算任務(wù)信息的測(cè)試基準(zhǔn)程序而設(shè)計(jì)的用于系統(tǒng)級(jí)綜合設(shè)計(jì)測(cè)試基準(zhǔn)。它主要用于在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中，對(duì)系統(tǒng)級(jí)綜合設(shè)計(jì)所涉及到的3個(gè)過(guò)程：系統(tǒng)級(jí)任務(wù)的分配(Allocation)、指派(Assignment)、調(diào)度 (Scheduling)，提供測(cè)試的基準(zhǔn)。目前的最新版本是V0.9版，可以對(duì)17種微處理器，像AMD ElanSC520，Analog Devices 21065L，Motorola MPC555，TI TMS320C6203等進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的數(shù)據(jù)，像處理器的性能以47個(gè)典型計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間度量，功耗數(shù)據(jù)則參照處理器的設(shè)計(jì)文檔 (Datasheets)，另外，提供給系統(tǒng)級(jí)綜合工具的附加測(cè)試信息，如硅片尺寸以及其他用于系統(tǒng)級(jí)綜合*估(Estimated)的數(shù)據(jù)和價(jià)格 (Prices)，則通過(guò)咨詢多個(gè)處理器提供商取得。另外，E3S包含著相應(yīng)的系統(tǒng)級(jí)通信模型，用于系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)過(guò)程中的測(cè)試基準(zhǔn)程序?qū)Χ喾N不同總線，如 CAN，IEEE1394，PCI，USB 2.0，VME等進(jìn)行建模和*測(cè)。

　　6結(jié) 語(yǔ)

　　隨著嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，可復(fù)用IP核與基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于當(dāng)今的嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中，需要在早期的設(shè)計(jì)階段就要對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)的硬件子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)與軟硬件集成后的系統(tǒng)原型進(jìn)行早期的性能*價(jià)，目前在國(guó)外，已經(jīng)應(yīng)用于早期設(shè)計(jì)階段的系統(tǒng)級(jí)性能*測(cè)技術(shù)與方法出現(xiàn)。測(cè)試的技術(shù)與設(shè)計(jì)技術(shù)的成熟度同比發(fā)展，隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)也需要有相應(yīng)成熟的測(cè)試?yán)?、特定?yīng)用領(lǐng)域的測(cè)試基準(zhǔn)程序來(lái)作測(cè)試*測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)?？梢灶A(yù)見，在未來(lái)幾年里，測(cè)試基準(zhǔn)程序和針對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的性能測(cè)試基準(zhǔn)程序，將會(huì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的更早階段――系統(tǒng)級(jí)構(gòu)架優(yōu)化與性能測(cè)度方面，取得很大的發(fā)展。