本帖最后由 xhackerustc 于 2024-5-10 00:17 编辑
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whetstone benchmark简介
whetsone是一个浮点性能测试工具，主要用来测量cpu浮点运算性能的，使用了不少c库的math函数比如sin、cos、sqrt、exp和log，也有纯粹的浮点四则计算，也有分支测试和函数调用，所以也有部分整数运算，但重点应该集中在浮点上。测试结果的单位是KWIPS或MWIPS，越大越好。大家常用的源码版本来自https://netlib.org/benchmark/whetstone.c 或者https://github.com/kdlucas/byte-unixbench/blob/master/UnixBench/src/whets.c。来自unixbench的版本用得多一些，而且有pc、server和各种SBC数据做参考，所以笔者选择unixbench版本
测试工程的准备
whetstone依赖两部分：printf打印和计时，笔者使用cmake模板开发环境，这两部分都验证过，可参见笔者第一篇测评贴，这里不再赘述，只讲改动部分。
因为要计时，所以选择example中的用到systick的例子即project/at_start_f405/examples/cortex_m4/systick_interrupt，把这个目录复制一份到新目录project/at_start_f405/examples/whetstone/。再把从unixbench下载的whets.c拷贝到project/at_start_f405/examples/whetstone/src
修改project/at_start_f405/examples/whetstone/src/main.c中的systick_handler函数如下：
- volatile uint32_t ticks;
- void systick_handler(void)
- {
- ticks ++;
- }
- extern int whets_main(int argc, char *argv[]);
- int main(void)
- {
- system_clock_config();
- /* config systick clock source */
- systick_clock_source_config(SYSTICK_CLOCK_SOURCE_AHBCLK_NODIV);
- /* config systick reload value and enable interrupt */
- systick_interrupt_config(MS_TICK);
- uart_print_init(115200);
- while(ticks < 2000);
- whets_main(1, NULL);
- for(;;)
- __WFI();
- }
注意：cortex-m4仅支持单精度浮点，所以不要定义DP这个宏，当然我们下面可以改代码测试double运算性能。
whets.c中加入dtime的实现：- extern volatile unsigned int ticks;
- SPDP dtime()
- {
- return (float)ticks / 1000;
- }
whets.c中把main改成whets_main。
修改CMakeLists.txt（原始CMakeLists.txt在第一篇测试帖中）如下：
- <blockquote>diff --git a/CMakeLists.txt b/CMakeLists.txt
编译过程中会发现很多即使只用单浮点，gcc会报很多double-promotion的警告，说明这个whetstone的没完全做好单浮点修改，我们需要修改代码修正除printf处其余所有double-promotion警告，否则测试得到的浮点性能数据不准确，因为cortex-m4仅支持单浮点，double需要sw模拟。笔者的源码改动如下
- @@ -392,9 +392,9 @@
- count--;
- #ifndef UNIXBENCH
- - if (TimeUsed > 2.0)
- + if (TimeUsed > 2.0f)
- #else
- - if (TimeUsed > 0.5)
- + if (TimeUsed > 0.5f)
- #endif
- {
- count = 0;
- @@ -619,7 +619,7 @@
- e1[2] = (e1[0] - e1[1] + e1[2] + e1[3]) * t;
- e1[3] = (-e1[0] + e1[1] + e1[2] + e1[3]) * t;
- }
- - t = 1.0 - t;
- + t = 1.0f - t;
- }
- t = t0;
- }
- @@ -637,7 +637,7 @@
- {
- pa(e1,t,t2);
- }
- - t = 1.0 - t;
- + t = 1.0f - t;
- }
- t = t0;
- }
- @@ -698,10 +698,10 @@
- {
- for(i=1; i<n5; i++)
- {
- - x = t*atan(t2*sin(x)*cos(x)/(cos(x+y)+cos(x-y)-1.0));
- - y = t*atan(t2*sin(y)*cos(y)/(cos(x+y)+cos(x-y)-1.0));
- + x = t*atanf(t2*sinf(x)*cosf(x)/(cosf(x+y)+cosf(x-y)-1.0f));
- + y = t*atanf(t2*sinf(y)*cosf(y)/(cosf(x+y)+cosf(x-y)-1.0f));
- }
- - t = 1.0 - t;
- + t = 1.0f - t;
- }
- t = t0;
- }
- @@ -756,7 +756,7 @@
- {
- for(i=0; i<n8; i++)
- {
- - x = sqrt(exp(log(x)/t1));
- + x = sqrtf(expf(logf(x)/t1));
- }
- }
- }
编译&烧录
- mkdir build
- cd build
- cmake ..
- make
测试结果
由此可以得到at32f405的whetstone性能数据为234.666MWIPS，作为对比笔者一台i5-2520M老旧笔记本的whetstone性能数据为4927.64MWIPS。
强制只用软浮点看看软件模拟的性能如何
阅读libraries/cmsis/cm4/device_support/system_at32f402_405.c的SystemInit()函数发现如下这两行代码：
- #if defined (__FPU_USED) && (__FPU_USED == 1U)
- SCB->CPACR |= ((3U << 10U * 2U) | /* set cp10 full access */
- (3U << 11U * 2U) ); /* set cp11 full access */
- #endif
- #elif defined ( __GNUC__ )
- #if defined (__VFP_FP__) && !defined(__SOFTFP__)
- #if defined (__FPU_PRESENT) && (__FPU_PRESENT == 1U)
- #define __FPU_USED 1U
- #else
- #error "Compiler generates FPU instructions for a device without an FPU (check __FPU_PRESENT)"
- #define __FPU_USED 0U
- #endif
- #else
- #define __FPU_USED 0U
- #endif
软件模拟浮点测试结果：
结果表明：单精度硬浮点性能大概是单精度软浮点的11倍。
如果反汇编生成elf文件也会发现很多的__eabi_xxx函数调用，这是软件模拟浮点运算用的。
mfloat-abi=hard + 双精度浮点性能如何
用原始下载的whets.c文件，只用加两行宏定义：
- #define UNIXBENCH
- /*PRECISION PRECISION PRECISION PRECISION PRECISION PRECISION PRECISION*/
- #define DP
cortex-m4仅支持单精度浮点，开启其硬浮点对双精度浮点无帮助（下面的测试可以证明此猜想），双精度浮点性能是很弱的。单精度硬浮点性能是双精度浮点的21倍
mfloat-abi=soft + 双精度浮点性能如何
开启cortex-m4的硬浮点与否，基本不影响双精度浮点性能，因为都是软件模拟的。
总结
0.本文首创在裸机环境中bring up whetstone benchmark，并在AT32F405平台上做了测试
1.就whetsone测试工具而言，cortex-m4单精度硬浮点的性能可达到单精度软浮点的11倍左右；
2.开启cortex-m4硬浮点，对双精度浮点运算没啥帮助；
3.就whetsone测试工具而言，cortex-m4单精度硬浮点的性能可达双精度浮点的21倍左右
综上cortex-m4的应尽可能使用单精度硬浮点。
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