SpecCPU2000基准程序运行路径分析

—38—Spec CPU2000基准程序运行路径分析葛仁北（中国科学院计算技术研究所微处理器中心，北京100080）摘 要：Spec CPU2000的基准程序被广泛地应用于处理器的设计性能评估。

在微处理器RTL 级系统评估过程中，需要运行一些性能评估代码来完成系统的评估，因为运行整个基准程序的代价很大，所以都用运行部分代码的方式来获得性能情况。

该文利用基准程序的频繁函数提取出微程序的方法，用于微处理器RTL 级系统的评估，在函数提取过程中研究函数内部的频繁使用路径，研究了这些最频繁函数中的最频繁使用路径，了解基准程序的运行行为，为处理器的初级阶段的研究提供一些类基准程序，快速评估初级的处理器性能。

关键词：微处理器；Spec CPU 2000；基准程序；路经分析Path Analysis of Spec CPU 2000 BenchmarkGE Renbei(Microprocessor Center of Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080)【Abstract 】The benchmark Spec CPU 2000 is worldwide used in microprocessor design. On the evaluation of RTL level of microprocessor, some codes are needed, since the running of whole benchmark of spec CPU 2000 costs a lot, reduced codes are applied. This article studies the hot function of benchmark, pick out some functions to evaluate performance of RTL level of microprocessor, so the running path of all functions must be studied. This article focus on the hot path of benchmark, and acquires the data of functions. This study can provide some MiniBenchmak to evaluate the performance quickly.【Key words 】Microprocessor; Spec CPU 2000; Benchmark programe; Path analysis计 算 机 工 程Computer Engineering 第33卷 第7期Vol.33 No.7 2007年4月April 2007·软件技术与数据库·文章编号：1000—3428(2007)07—0038—03文献标识码：A中图分类号：TP311.1对Spec CPU2000 的研究很广泛，众多的研究开发者从各个侧面研究这组基准程序，不同的研究者关注不同的方面，对于处理器的研究来说，就是如何使得评估处理器性能变得更为优越，研究内容包括减少运行代码、减少处理的数据、程序运行特点等。

文献[1]研究如何通过缩小输入数据集的办法来加快程序的运行，需要解决的问题是找出新的数据集运行的结果和原来的比较。

该方法通过研究程序内部函数的运行的权重分布，使得新的数据集的运行和原来数据集的运行具有相似的权重分布。

文献[2,3]专门研究通过程序运行的跳跃式运行，不必运行全部，仅仅运行一个片断来代替整个程序的运行。

需要解决的问题是如何给出一个指标使得决定哪个片段的运行。

这个指标包括程序块的运行分布，通过定义一个块矢量，研究块矢量的差分布情况作为指标给出片段的运行相似于整个程序的运行。

文献[4~8]分别从不同的角度阐述程序行为并解决遇到的问题。

本文主要研究文献[1]中的频繁函数，虽然找到了频繁函数，但是由于函数内部的分支路径不同，因此可能函数的外部行为也不一样。

为了研究这种差异的可能影响，以及为进一步获得频繁函数中的频繁路径所使用的频繁数据。

本文的创新之处在于：(1)研究频繁函数的频繁运行路径；(2)获得频繁运行路径的数据。

这些研究在其他的资料中都没有提及，具有一定的指导意义。

1 提取路径算法本文采用文献[1]中得到的频繁函数为研究对象，对于其他的函数研究类似。

为了研究函数内部运行的最频繁路径，需要对改变运行路径的手段进行研究。

在函数内部，能够改变运行路径的(不包括操作系统干预)因素包括：分支指令，函数调用返回。

分支指令包括IF 、SWITCH 、WHILE 、FOR 、BREAK 、DO 。

对于IF 来说，分支明显，满足某个条件，就进入一个分支中，具有可数的分支数目。

SWITCH 同样也具有可数的分支数目。

WHILE 、FOR 、DO 具有循环运行的性质，并且循环的次数可能很多次，函数调用虽然改变了运行路径，但是由于函数必须返回(一般情况下)，因此相当于没有改变运行的路径。

对于IF 、SWITCH 这样的语句，要想得到运行的路径比较简单，就是记录哪个分支被运行，这只要在运行分支插入语句就可以了，比如IF (条件){INPUTTRACE(FIRST,1); 分支1； }ELSE {INPUTTRACE(SECOND,1); 分支2； }这样上面的分支就会被记录下来，INPUTTRACE(X,Y)是个宏操作，其中的X 表示目前分支属于哪个分支，Y 表示后续是否有分支，具有多少分支数目。

通过插入这个宏可以记录关键的路径，目前只用手工的方法实现，也可以用自动的程序方法实现。

基金项目：中科院计算所知识创新课题基金资助项目(20056240) 作者简介：葛仁北(1967－)，男，博士生，主研方向：微处理器性能评估方法收稿日期：2006-05-22 E-mail ：grb@对于IF(条件){分支1}语句1：这样的语句，如果分支中含有break，continue语句说明不能继续到语句1，可以采用以下形式来解决。

IF(条件){INPUTTRACE(FIRST,1);分支1}INPUTTRACE(SECOND,1);语句1；但是如果分支1能够运行到语句1，就要采用以下形式：IF(条件){INPUTTRACE(FIRST,1);分支1；}ELSE {INPUTTRACE(SECOND,1);}INPUTTRCAE(FIRST,1)；必须采用这样的形式，因为INPUTTRACE(SECOND,1)必须连接到前面的SECOND链表中。

同样对于SWITCH语句也可以类似操作，然而对于其他类型的语句不能这样操作，因为其他的语句循环次数很多，记录路径没有意义，记录循环次数才有意义，并且循环总有退出的时候，所以该类型的语句可以不记录。

对于很短的分支语句，分支的指令很少也可以忽略不计，因为不会对整体影响，这样只记录大分支块的分支结点，对循环内部单独记录路径。

总结一下记录条件如下：(1)只记录分支对性能产生很大影响的转折点。

(2)遇见分支具有函数，记录。

(3)遇见分支具有循环，记录。

(4)遇见分支具有分支之间的指令数目相差很大，记录。

(5)对switch的所有分支，对具有大的影响的分支记录。

(6)对大的循环内部，具有(1)~(5)项的记录。

(7)对循环嵌套，满足以上条件的分别记录。

(8)对短的循环语句，不再记录，当作一块处理。

通过插入以上的记录语句，就应该得到一个运行图，这个路径所组成的图是一个有向图，具有一个开始点和多个结束点，如图1所示。

图1 路径运行图1由分支结点构成，结点的标号具有唯一的性质，可以判断运行的路径唯一性，结点到结点的边具有方向性，这个图具有很多汇聚点，比如3，6到4；9，10，11到8。

该图具有以下的路径：1,2,3,4,51,2,6,4,51,7,8,9,51,7,10,9,51,7,11,9,5这表示从1运行到5一定通过以上的路径，研究的目的是找出来这几条路经中被运行次数最多的路径，并把数据提取出来。

以上图的遍历和数据结构中的图的遍历不同，因为该图的形成是程序运行动态形成的，所以遍历过程中需要多次对结点搜索。

对汇聚点的判断可以用于构造结点，汇聚点最初形成需要给个标记，标记出该汇聚点形成，这样再次进入该汇聚点的时候就不必要重新分配汇聚点的结点。

这样就可以在运行过程中构造上述的图形。

然而遍历这个图找出路径很麻烦，汇聚点被遍历多次，实际的有向图被做成了树，这样上述的图被运行成图2所描述的树。

图2 路径运行树这样汇聚点被剥离，可以顺利地得到路径，然而被剥离的结点的号码就不是一样的了，可以用其他方法解决。

对于最频繁路径的数据提取，需要提取的数据包括：函数的参数，运行中的数据结构，运行中的全局变量。

提取方法是把这些数据都变成结构保存下来，便于以后的研究，这项研究属于后续的研究范畴，在这里不涉及。

2 路径提取实例采用Spec CPU 2000的基准程序作为研究对象，研究的函数是文献[1]中的最频繁使用函数。

如何在函数运行过程中构造结点，从而构造整个路径树是个关键。

结点是需要唯一的一个标示，分配结点的号码就像从一个箱子拿出球一样，每个球一个号码，不同的球不同的号码，分配结点的号码也一样，从一个集合中顺序拿出号码分配，拿出的号码不再被使用。

这样结点的号码分配就解决了。

对于节点采用单向链表，每个节点具有一个数组链表，指示该节点对应后续节点的链表。

数据结构如下：typedef struct trace_t{int tag;int num;int maxnum;int i;struct trace_t **child;}tracet;其中，maxnum指示后续的最大子孙数目，child指示该节点拥有的子孙数目，num用于计数该节点的使用次数，i用于遍历叶子节点的时候采用。

叶子节点代表最终的节点或者具有断链(未运行)时候的节点。

采用的遍历算法不是二叉树的遍历算法，可能有3棵以上的树叉，因为采用上述的数据结构。

遍历过程中遵守的约定如下：(1)叶子节点：当遍历的孩子节点为空并且该节点的i小于maxnum。

(2)遇到叶子节点，叶子节点本身的i递增。

(3)遇到节点：如果i==maxnum则该节—39——40—点的父节点的i 递增。

(4)对于其他的节点，依次深入遍历。

(5)遍历的下一个节点是从该节点的i 开始。

(6)头节点的i==maxnum ，则遍历结束。

(7)遍历出一个叶子后从头遍历。

3 数据分析以下是几种基准程序的频繁函数内部的部分路径的权重比较，图3中的每个子图的数字如图Twolf 中的1~27表示从函数运行过程中选出来的27条路经，纵坐标表示每个路径的权重，占运行总数目的百分数。