【广东龙芯2K500先锋板试用体验】CPU性能基准测试——CoreMark和计算质数

一、CoreMark简介

什么是CoreMark？

来自CoreMark首页的解释是：

CoreMark is a simple, yet sophisticated benchmark that is designed specifically to test the functionality of a processor core. Running CoreMark produces a single-number score allowing users to make quick comparisons between processors.

翻译一下就是：

CoreMark是一个简单而又精密的基准测试程序，是专门为测试处理器核功能而设计的。运行CoreMark会产生一个“单个数字”的分数，（从而）允许用户在（不同）CPU之间进行快速比较。

简单来说，就是一个测试CPU性能的程序，类似PC上的Cinebench、CPU-Z之类的CPU性能测试工具。

了解了CoreMark是什么之后，接下来我们尝试在龙芯2K0500先锋板上跑一下CoreMark，看看分数是多少。

二、在龙芯2K0500上运行CoreMark

2.1 下载CoreMark源码

在Linux编译主机上，执行如下命令，将CoreMark源码下载到本地：

git clone https://github.com/eembc/coremark.git

下载完成后，可以看到有这些文件和目录：

2.2 交叉编译CoreMark

接着编译CoreMark，这里假设你已经正确设置了龙芯交叉编译工具链，也就是可以直接运行loongarch64-linux-gnu-gcc命令。

在Linux编译主机上，执行如下命令：

cd coremark
make CC=loongarch64-linux-gnu-gcc link

其中：

• CC用于指定编译器，这里指定的是龙芯GNU交叉编译器（loongarch64-linux-gnu-gcc）；
• link是make命令的构建目标，具体定义在Makefile文件中，link是只链接不运行；

编译完成后，可以看到生成了coremark.exe：

2.3 运行CoreMark

通过FTP或U盘，将coremark.exe拷贝到龙芯2K0500先锋板上，使用如下命令运行coremark.exe：

# 添加可执行权限
chmod +x coremark.exe

# 运行
./coremark.exe

运行结束后，输出如下：

可以看到，龙芯2K0500上CoreMark跑分为2213.205459分。

三、和树莓派3B+上CoreMark结果对比

我这里测试使用的树莓派3B+开发板，系统版本信息是：

由于树莓派3B+上运行的是Debian系统，有完整的编译工具链。因此，在树莓派3B+上，我们可以直接在开发板上编译源码。

在树莓派3B+上运行CoreMark之前，也需要下载CoreMark源码，和前面类似：

git clone https://github.com/eembc/coremark.git

不过这次我们直接将CoreMark源码下载到了树莓派上。

3.1 编译CoreMark

树莓派上编译CoreMark之前，需要先安装编译构建工具链，如果还没有的话，可以使用如下命令：

sudo apt install build-essential

PS：如果已经有gcc、make命令，则可以跳过此步骤。

使用如下命令，编译CoreMark源码：

cd coremark
make link

3.2 运行CoreMark

使用如下命令运行coremark.exe：

./coremark.exe

PS：这里由于我们是直接在树莓派3B+开发板上编译的CoreMark，所以直接运行即可。

运行结束后，输出如下：

可以看到，树莓派3B+上CoreMark跑分为1914.486280。

龙芯2K0500和树莓派3B+的CoreMark跑分对比：

可以看到，龙芯2K0500上的CoreMark跑分高于树莓派3B+。

3.3 其他编译选项跑分对比

查看CoreMark的Makefile和相关源码，我们可以知道，通过编译时添加XCFLAGS参数，可以指定CoreMark的编译参数。

下面是几组不同XCFLAGS参数下，龙芯2K0500和树莓派3B+的CoreMark跑分：

可以看到，几种不同XCFLAGS参数条件下，龙芯2K0500上的CoreMark跑分都要高于树莓派3B+。

添加XFLAGS参数后，树莓派上的编译命令为（以表格最后一行参数为例）：

make XCFLAGS="-DPERFORMANCE_RUN=1 -DMEM_METHOD=MEM_STATIC" link

响应的，Linux编译服务器上，交叉编译命令为：

make CC=loongarch64-linux-gnu-gcc XCFLAGS="-DPERFORMANCE_RUN=1 -DMEM_METHOD=MEM_STATIC" link

3.4 CoreMark的主要算法

CoreMark项目README的Key Algorithms描述了CoreMark主要用到了那些算法：

• 链表（主要是指针操作）
• 矩阵乘法（主要是乘法和加法运算）
• 状态机（主要是switch-case操作）

说明在这几种计算场景下，龙芯2K0500的速度都是比树莓派3B+要快的。

四、额外的CPU测试

接下来我们看看另外一种场景下的测试结果。

我们知道，生成一个较大的大质数，或者判断一个大整数是否为质数是比较复杂的。

所以，这里我们准备用生成质数在两个开发板上再次进行测试。

4.1 第n个质数

我们使用如下C程序代码，计算第n个质数：

#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>
#include <inttypes.h>

// 判断n是否为质数
bool isprime(uint64_t n)
{
    assert(n > 0);

    if (n == 2) return true;
    if ((n % 2) == 0) return false;

    for (uint64_t i = 3, up = n / 2; i < up; i += 2) {
        if (n % i == 0) {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

// 计算第n个质数，例如：1 => 2, 2 => 3, 3 => 5
uint64_t prime(int n)
{
    assert(n > 0);

    if (n == 1) return 2;

    int count = 1;
    for (uint64_t i = 3; i < UINT64_MAX; i += 2) {
        if (isprime(i)) {
            if (++count == n) {
                return i;
            }
        }
    }
    return 0;
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    int n = argc > 1 ? atoi(argv[1]) : 10;

    clock_t start = clock();
    uint64_t prim = prime(n);
    clock_t end = clock();
    float costs = (end - start) / (float) CLOCKS_PER_SEC;

    printf("%10d\t%.6f\t%" PRIu64 "\n", n, costs, prim);
    return 0;
}

这里为了忽略两块开发板内存差异的影响，我们不保存前面得到的质数（虽然保存前面得到的质数，可以加速后续的isprime判断）。

这里假设保存的文件名为p1.c，树莓派3B+上使用如下命令编译：

gcc -O2 -o p1 p1.c

Linux编译主机上，使用如下命令交叉编译：

loongarch64-linux-gnu-gcc -O2 -o p1 p1.c

接下来，分别在龙芯2K0500和树莓派3B+上运行，得到如下耗时数据（编译选项：-O2）：

这里得到的结论是——树莓派3B+计算质数更快。此前的TFLM测试结果和这里比较类似，同样显示，龙芯2K0500成绩要稍差一些。

这里龙芯2K500比树莓派3B+慢的主要原因，很可能是因为求质数算法过程中包含了大量除法运算，而龙芯2K0500的除法运算速度要比树莓派3B+慢。

4.2 isprime修改

验证方法也很简单，我们可以直接修改前面的isprime函数：

// 判断n是否为质数
bool isprime(uint64_t n)
{
    assert(n > 0);

    if (n == 2) return true;
    if ((n & 1) == 0) return false; // n % 2  =>  n & 0x1

    for (uint64_t i = 3, up = (n >> 1); i < up; i += 2) {  // n / 2  =>  n >> 1
        for (uint64_t j = 3; j < up; j += 2) { // 暴力枚举另外一个因数，不用除法
            if (i * j == n) {
                return false;
            }
        }
    }
    return true;
}

这里假设保存的文件名为p2.c，树莓派3B+上使用如下命令编译：

gcc -O2 -o p2 p2.c

Linux编译主机上，使用如下命令交叉编译：

loongarch64-linux-gnu-gcc -O2 -o p1 p1.c

接下来，分别在龙芯2K0500和树莓派3B+上运行，得到如下耗时数据（编译选项：-O2）：

这里可以看到，龙芯2K500比树莓派3B+计算要快。

所以，这里验证了前面的猜想——龙芯2K500比树莓派3B+的整数除法要慢。

五、参考链接

1. CoreMark项目： https://github.com/eembc/coremark
2. 龙芯GNU编译工具链下载页面：http://www.loongnix.cn/zh/toolchain/GNU/