系列文章 : [gem5] 從零開始的 gem5 學習筆記

這邊來嘗試在 gem5 上運行 dhrystone。並且嘗試看看，使用 in-order 的 CPU model ( minor ) 跟 out-of-order 的 CPU model ( O3 ) 會有怎麼樣的效能差異 ?

• minor CPU model : https://github.com/gem5/gem5/tree/stable/src/cpu/minor
• O3 CPU model : https://github.com/gem5/gem5/tree/stable/src/cpu/o3

使用的 dhrystone 版本是從 SiFive 的 repo 裡的 sifive/benchmark-dhrystone ( https://github.com/sifive/benchmark-dhrystone/tree/master )。

並且也參考了 T410N/dhrystone-rv32i-baremetal ( https://github.com/T410N/dhrystone-rv32i-baremetal/tree/master )，因為我也希望能在 baremetal 的環境下去執行 dhrystone。

為了執行 dhrystone，所以我做了一些 workaround，這邊就大略列舉一下。

https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/Makefile#L26

LIBS = -lgcc

假如沒有這個的話，會出現一大堆 link error。

• undefined reference to __mulsi3
• undefined reference to __floatsisf
• undefined reference to __mulsf3

https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/dhrystone/dhrystone_main.c#L100-L106

原本這裡會需要用 malloc 來向 heap section 要求一段空間的，但因為我實在沒有能力自己在 baremetal 的環境寫記憶體的動態分配 ( 在這個年代，應該可以請 Gemini CLI 來代勞了 ! )，於是偷懶的用全域變數。

• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/dhrystone/dhrystone_main.c#L161-L164
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/dhrystone/dhrystone_main.c#L170
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/dhrystone/dhrystone_main.c#L235
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/dhrystone/dhrystone_main.c#L311-L326

這邊用 mtime 來看時間的差異，而不是用 times。

• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/dhrystone/mini_lib.c#L5

在這邊從 ( https://github.com/T410N/dhrystone-rv32i-baremetal/blob/master/mini_libc.c#L64 ) 抓過來的程式碼，太感謝你了 !!

• https://github.com/T410N/dhrystone-rv32i-baremetal/blob/master/strcmp.S

這邊是從 SiFive 的 repo 抓來的，感謝 SiFive !!

• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/Makefile#L13
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/Makefile#L16
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/Makefile#L18
• https://github.com/TommyWu-fdgkhdkgh/simple-riscv-vp/blob/main/firmware/Makefile#L23

在這邊從 ( https://github.com/T410N/dhrystone-rv32i-baremetal/blob/master/Makefile#L26 ) 抓過來的程式碼，太感謝了 !!

終於可以把 dhrystone 給運行起來了，可以來試試看，不同的 CPU model，在運行 dhrystone 的效能上是不是也會有差異。

./gem5/build/RISCV/gem5.opt ./simple-riscv-vp.py --firmware ./firmware/build/simple.elf --cpu-type minor  --l1-icache

運行起 in-order 的 CPU model ( minor ) 後，可以看到簡易的選單，按下 d 之後就可以開始運行 dhrystone。

==== m5 terminal: Terminal 0 ====
start simple firmware!
============ menu ============
a : calculate a big number and insert mtime interrupt
m : set mtime cmp
M : test print mcycle
d : run dhrystone
T : test print mtime
==============================
run dhrystone !
============================
start to run `dhrystone_main`
============================

Dhrystone Benchmark, Version 2.1 (Language: C)

Program compiled without 'register' attribute

Execution starts, 6000 runs through Dhrystone

dhrystone 跑完之後，可以拿到 mtime 的差異。

end_mtime_low : 6367340
end_mtime_high : 0
begin_mtime_low : 469513
begin_mtime_high : 0
use_mtime_low : 5897827
use_mtime_high : 0

這個過程可以反覆多做幾次，來看看數字會不會有很大的浮動。在我的環境裡，數字都還蠻穩定的 !

再來可以用 out-of-order 的 CPU model ( O3 ) 來做一模一樣的實驗。

./gem5/build/RISCV/gem5.opt ./simple-riscv-vp.py --firmware ./firmware/build/simple.elf --cpu-type o3 --l1-icache

最後輸出的數字是

end_mtime_low : 842930
end_mtime_high : 0
begin_mtime_low : 97884
begin_mtime_high : 0
use_mtime_low : 745046
use_mtime_high : 0

實驗結果顯示 out-of-order 的 CPU 幾乎比 in-order 的 CPU 快了 8 倍!

• in-order CPU model : 5897827
• out-of-order CPU model : 745046
• 5897827 / 745046 = 7.916

這裡可以知道，可以利用像是 gem5 這樣的 timing model 來實驗說，新的硬體設計，新的 micro-architecture 設計，新的 pipeline 設計，能不能在同樣的 workload ( 這裡是以 dhrystone 為例 ) 有更好的效能。

我們也可以試著去調整 cache-size， branch predictor 的設計 ... 等等，來看看什麼樣的設計可以在同樣的 workload 下增進多少效能。

但是模擬器上加快了 8 倍，在真實的世界中，真的設計出了這樣的兩個硬體，真的可以快 8 倍嗎 ?
模擬器內產生的理論值跟真實世界硬體量出的實際值會不會有差異 ? 感覺都會是有趣的問題。

Reference

• T410N/dhrystone-rv32i-baremetal
  https://github.com/T410N/dhrystone-rv32i-baremetal/tree/master
• sifive/benchmark-dhrystone
  https://github.com/sifive/benchmark-dhrystone/blob/master/dhry.h
• riscv-software-src/riscv-tests/dhrystone
  https://github.com/riscv-software-src/riscv-tests/tree/master/benchmarks/dhrystone
• CPU那些事儿 - CPU benchmarks(上)
  https://juejin.cn/post/7534535266225750062#:~:text=CPU%E9%82%A3%E4%BA%9B%E4%BA%8B%E5%84%BF-%20CPU,%E3%80%81coremark%E3%80%81lmbench%20-%20%E6%8E%98%E9%87%91
• 测量处理器运算能力 dhrystone
  http://yoc.docs.t-head.cn/icebook/Chapter2-%E5%8A%9F%E8%83%BD%E6%BC%94%E7%A4%BA/%E6%80%A7%E8%83%BD%E5%88%86%E6%9E%90%E5%B7%A5%E5%85%B7/1-dhrystone.html
• 痞子衡嵌入式：微处理器CPU性能测试基准(Dhrystone)
  https://www.cnblogs.com/henjay724/p/10856831.html
• 使用 Dhrystone 评估 CPU 整数性能
  https://doc.openvela.com/document?id=370&version=trunk&language=cn