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FPGA開発日記

FPGAというより、コンピュータアーキテクチャかもね! カテゴリ別記事インデックス https://sites.google.com/site/fpgadevelopindex/

組み込み向けプロセッサの性能評価指標、ベンチマークを動作させる

この記事は ハードウェア開発、CPUアーキテクチャ Advent Calendar 2016 - Qiita の9日目の記事です。

Advent-Calendarを埋めてくれるかた、今からでも募集中です!是非参加してください! 僕一人では、クオリティのある記事を続けられそうにありません。。。(弱音)

前回のベンチマーク紹介に続き、無料で使うことのできるベンチマークプログラムをコンパイルして、ZedBoardで動作させてみようと思う。

また、Verilogの本格的なシミュレータ環境を持っていなくても、Verilatorを使ってRISC-VのRocketチップを動作させることが出来る。

これについても、やり方を少し触れておきたい。

1. ZedBoard上のCortex-A9上でベンチマークを動作させる

ZedBoard上のZynqに搭載されているCortex-A9で、Linuxを動作させる記事は、既にかなりの量で紹介されている。

  • ZedBoard用のUbuntu Linuxをビルド1(PLをビルド)

FPGAの部屋 ZedBoard用のUbuntu Linuxをビルド1(PLをビルド)

では、今回は立ち上がったLinux上でベンチマークを動作させようと思う。

Dhrystone ZedBoardで動作させる

Dhrystone自体は、SDカードにアーカイブを保存しておき、ZedBoard上のLinuxで展開する。

さらにコンパイルするためには、Makefile-DTIMEコメントアウトを解除する。-DTIMESコメントアウトする。

バイナリが完成すると、実行してみる。最初にベンチマークの実行回数を入力する必要がある。ここでは、10000000 を指定した。

root@linaro-ubuntu-desktop:~/work# ./gcc_dry2

Dhrystone Benchmark, Version 2.1 (Language: C)

Program compiled without 'register' attribute

Please give the number of runs through the benchmark: 10000000

Execution starts, 10000000 runs through Dhrystone
Execution ends

Final values of the variables used in the benchmark:

Int_Glob:            5
        should be:   5
Bool_Glob:           1
        should be:   1
Ch_1_Glob:           A
        should be:   A
Ch_2_Glob:           B
        should be:   B
Arr_1_Glob[8]:       7
        should be:   7
Arr_2_Glob[8][7]:    10000010
        should be:   Number_Of_Runs + 10
Ptr_Glob->
  Ptr_Comp:          86024
        should be:   (implementation-dependent)
  Discr:             0
        should be:   0
  Enum_Comp:         2
        should be:   2
  Int_Comp:          17
        should be:   17
  Str_Comp:          DHRYSTONE PROGRAM, SOME STRING
        should be:   DHRYSTONE PROGRAM, SOME STRING
Next_Ptr_Glob->
  Ptr_Comp:          86024
        should be:   (implementation-dependent), same as above
  Discr:             0
        should be:   0
  Enum_Comp:         1
        should be:   1
  Int_Comp:          18
        should be:   18
  Str_Comp:          DHRYSTONE PROGRAM, SOME STRING
        should be:   DHRYSTONE PROGRAM, SOME STRING
Int_1_Loc:           5
        should be:   5
Int_2_Loc:           13
        should be:   13
Int_3_Loc:           7
        should be:   7
Enum_Loc:            1
        should be:   1
Str_1_Loc:           DHRYSTONE PROGRAM, 1'ST STRING
        should be:   DHRYSTONE PROGRAM, 1'ST STRING
Str_2_Loc:           DHRYSTONE PROGRAM, 2'ND STRING
        should be:   DHRYSTONE PROGRAM, 2'ND STRING

Microseconds for one run through Dhrystone:    0.6
Dhrystones per Second:                      1666666.6

Coremarkを実行させる

Coremarkも同様に、Cortex-A9上のLinuxコンパイルして実行できる。

make[1]: Leaving directory `/root/work/benchmarks/coremark_v./coremark.exe
2K performance run parameters for coremark.
CoreMark Size    : 666ktop:~/work/benchmarks/coremark_v1.0# make PORT_DIR=linux c
Total ticks      : 16252
Total time (secs): 16.252000
Iterations/Sec   : 1845.926655
Iterations       : 30000
Compiler version : GCC4.6.3
Compiler flags   : -O3 -DPERFORMANCE_RUN=1  -lrt
Memory location  : Please put data memory location here
                        (e.g. code in flash, data on heap etc)
seedcrc          : 0xe9f5
[0]crclist       : 0xe714
[0]crcmatrix     : 0x1fd7
[0]crcstate      : 0x8e3a
[0]crcfinal      : 0x5275
Correct operation validated. See readme.txt for run and reporting rules.
CoreMark 1.0 : 1845.926655 / GCC4.6.3 -O3 -DPERFORMANCE_RUN=1  -lrt / Heap

実際のところは性能はどうなのよ?

EEMBC - CoreMark - Processor Benchmark

Coremark Proを動作させる

こちらも同様に、Cortex-A9上のLinuxコンパイルして実行できる。実行結果は以下のようになった。

UID     Suite   Name    Contexts        Workers Item Fails      Time(secs)      Iterations      It/s    Codesize        Datasize        Variance        Standard Deviation
#Results for run started at 70001:00:32:45 XCMD=
236760500       MLT     cjpeg-rose7-preset      1       default 0          0.074        1       13.5135135135135        66495   266828
490760323       MLT     core    1       default 0           9.37        1       0.106723585912487       42277   3688
1046644201      MLT     linear_alg-mid-100x100-sp       1       default 0          0.135        1       7.40740740740741        45423   3388
1814569103      MLT     loops-all-mid-10k-sp    1       default 0           3.04        1       0.328947368421053       54130   6912
549578576       MLT     nnet_test       1       default 0          2.473        1       0.404367165386171       45041   42844
780641437       MLT     parser-125k     1       default 0          0.351        1       2.84900284900285        52527   1468
1862946660      MLT     radix2-big-64k  1       default 0          0.119        1       8.40336134453782        1420169 1712
1050863061      MLT     sha-test        1       default 0          0.049        1       20.4081632653061        50823   1556
946108807       MLT     zip-test        1       default 0            0.1        1       10      87499   1660

2. Rocket-ChipのRTLをVerilatorで動作させ、ベンチマークを実行したい。

本当は自分でコンパイルしたCoremarkをRTLで動作させたかったのだが、時間切れ。。。あとで追記したい。

RocketChipをRTLシミュレーションするための環境は既に構築されており、RocketChipのリポジトリをダウンロードするだけで良い。

github.com

VCSとVerilatorの方法が紹介されている。私はVCSなどという高価なシミュレータは持っていないので、無料のVerilatorを使って動作させたい。

Verilatorで(既にリポジトリに登録されている)ベンチマークを動作させる方法

cd $ROCKETCHIP/emulator
make output/dhrystone.riscv

outputディレクトリには、dhrysoten.riscv(RISC-VでコンパイルされたDhrystone) バイナリが配置されており、このバイナリをロードして実行している。+verboseオプションが入っていると、output/dhrystone.riscv.outにパイプラインの動作結果が入っているはずだ。

using random seed 1481204383
C                   0:          0 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:          1 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:          2 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:          3 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:          4 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:          5 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:          6 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:          7 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:          8 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:          9 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:         10 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:         11 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:         12 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4
C                   0:         13 [0] pc=[01b275ab7a] W[r 0=0000000000000000][0] R[r30=47ed8219deb18ce6] R[r12=eec807c6a88f1dbd] inst=[d4cf0a6f] jal     s4, pc - 0xfab4

訳わからないトレースログが出ているのだが、[1] pcgrepすることで有効な命令を抽出することが出来る。

grep "\[1\] pc" dhrystone.riscv.out > dhrystone.riscv.inst
C                   0:     120610 [1] pc=[00800011e4] W[r 0=0000000080002f40][0] R[r14=00000000800031e0] R[r15=0000000000000042] inst=[d6f70023] sb      a5, -672(a4)
C                   0:     120611 [1] pc=[00800011e8] W[r 0=00000000800011ec][1] R[r 1=0000000080002130] R[r 0=0000000000000000] inst=[00008067] ret
C                   0:     120615 [1] pc=[0080002130] W[r15=4e4f545359524844][1] R[r 8=00000000800256b0] R[r 8=0000000000000003] inst=[f2843783] ld      a5, -216(s0)
C                   0:     120616 [1] pc=[0080002134] W[r 9=0000000000000002][1] R[r 0=0000000000000000] R[r 2=0000000000000003] inst=[00200493] li      s1, 2
C                   0:     120617 [1] pc=[0080002138] W[r11=0000000080025620][1] R[r 8=00000000800256b0] R[r16=0000000000000003] inst=[f7040593] addi    a1, s0, -144
C                   0:     120618 [1] pc=[008000213c] W[r 0=0000000080025620][0] R[r 8=00000000800256b0] R[r15=4e4f545359524844] inst=[f6f43823] sd      a5, -144(s0)
C                   0:     120650 [1] pc=[0080002140] W[r15=4152474f52502045][1] R[r 8=00000000800256b0] R[r 0=0000000000000000] inst=[f2043783] ld      a5, -224(s0)
C                   0:     120651 [1] pc=[0080002144] W[r10=0000000080025600][1] R[r 8=00000000800256b0] R[r16=4e4f545359524847] inst=[f5040513] addi    a0, s0, -176
C                   0:     120652 [1] pc=[0080002148] W[r 0=00000000800255f4][0] R[r 8=00000000800256b0] R[r 9=0000000000000002] inst=[f4942223] sw      s1, -188(s0)
C                   0:     120653 [1] pc=[008000214c] W[r 0=0000000080025628][0] R[r 8=00000000800256b0] R[r15=4152474f52502045] inst=[f6f43c23] sd      a5, -136(s0)
C                   0:     120654 [1] pc=[0080002150] W[r15=20444e2732202c4d][1] R[r 8=00000000800256b0] R[r24=4152474f52502047] inst=[f3843783] ld      a5, -200(s0)
C                   0:     120656 [1] pc=[0080002154] W[r 0=0000000080025630][0] R[r 8=00000000800256b0] R[r15=20444e2732202c4d] inst=[f8f43023] sd      a5, -128(s0)
C                   0:     120657 [1] pc=[0080002158] W[r15=0000000049525453][1] R[r 8=00000000800256b0] R[r20=4152474f52502047] inst=[f3442783] lw      a5, -204(s0)
C                   0:     120659 [1] pc=[008000215c] W[r 0=0000000080025638][0] R[r 8=00000000800256b0] R[r15=0000000049525453] inst=[f8f42423] sw      a5, -120(s0)
C                   0:     120660 [1] pc=[0080002160] W[r15=000000000000474e][1] R[r 8=00000000800256b0] R[r18=4152474f52502047] inst=[f3245783] lhu     a5, -206(s0)
C                   0:     120663 [1] pc=[0080002164] W[r 0=000000008002563c][0] R[r 8=00000000800256b0] R[r15=000000000000474e] inst=[f8f41623] sh      a5, -116(s0)
C                   0:     120664 [1] pc=[0080002168] W[r15=0000000000000000][1] R[r 8=00000000800256b0] R[r17=000000000000474f] inst=[f3144783] lbu     a5, -207(s0)
C                   0:     120667 [1] pc=[008000216c] W[r 0=000000008002563e][0] R[r 8=00000000800256b0] R[r15=0000000000000000] inst=[f8f40723] sb      a5, -114(s0)
C                   0:     120668 [1] pc=[0080002170] W[r15=0000000000000001][1] R[r 0=0000000000000000] R[r 1=0000000000000003] inst=[00100793] li      a5, 1
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C                   0:     120771 [1] pc=[00800012c4] W[r 1=00000000800012c8][1] R[r31=0000000080025603] R[r29=000000008000217f] inst=[fbdff0ef] jal     pc - 0x44

ちなみに、Dhrystoneは以下のディレクトリでコンパイルされており、これを真似るとCoremarkもコンパイル出来るはずなのだが。。。

cd rocket-chip/riscv-tools/riscv-tests/benchmarks/
make