whetstone-Benchmark

1、-精選文檔 -1 Whetstone 的設(shè)計(jì)Whetstorte基準(zhǔn)程序是 H JCurnow和 B A Wiehmarm在 1976 年研制成的。它是 ALGOL 語句混合 (statement mix)的一種發(fā)展。它的基本原則是： 在程序編譯后生成的機(jī)器指令中，各種指令出現(xiàn)的頻度應(yīng)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中指令出現(xiàn)頻度相符合。程序的研制是基于對(duì)語言使用的統(tǒng)計(jì)分析的。1970 年 Wichmann在 NPL和牛津大學(xué)對(duì) 949 個(gè)程序進(jìn)行了分析。在Whetstone系統(tǒng)上， ALGOL 程序首先被譯為一種中間代碼， 然后由一個(gè)解釋程序執(zhí)行。 通過修改翻譯器和解釋程序可得到關(guān)于程序的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)

2、這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，Curnow和Wiehmarm設(shè)計(jì)了一個(gè)合成基準(zhǔn)程序，它對(duì)科學(xué)計(jì)算型應(yīng)用有較強(qiáng)的代表性。程序的設(shè)計(jì)是在簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性兩種要求之間的一個(gè)妥協(xié)。程序必須足夠簡(jiǎn)單， 以便從一個(gè)機(jī)器移植到另一個(gè)機(jī)器，從一種語言譯到另一種語言，還必須能夠生成 whetstone中間代碼，以便計(jì)算不同指令出現(xiàn)頻度，把它們和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相匹配。但是如果程序過于筒單， 那么在通過有優(yōu)化的編譯程序中，很可能有些部分不被執(zhí)行，如果它們不是邏輯上必需的話。另外，對(duì)極其簡(jiǎn)單的程序，編譯程序可以完全用快速寄存器來作臨時(shí)數(shù)據(jù)存貯。從而產(chǎn)生極高速的運(yùn)行。 顯然程序必須有一定的復(fù)雜度從而能具有典型性。最好的方法是確保程序能被邏輯地

3、優(yōu)化，而且通過把程序?qū)懙淖匀稽c(diǎn)， 使得快速寄存器和摹本硬件特性的使用基本上正確，程序編寫時(shí)最好不要用某一語言專有的成份，以便用于具有相似子集的不同語言的比較。研制合成基準(zhǔn)程序的一個(gè)較好的方式是設(shè)計(jì)一些模塊，各個(gè)模塊使用語言的可編輯-精選文檔 -各種特性。每個(gè)模塊可代表一種運(yùn)算， 包含在一個(gè)循環(huán)中運(yùn)行多次，模塊的每次運(yùn)行最好產(chǎn)生不同的結(jié)果， 但同時(shí)又要注意能夠無窮多以重復(fù)執(zhí)行而不產(chǎn)生數(shù)值溢出或其它差錯(cuò)，模塊的結(jié) 構(gòu)和循環(huán) 次數(shù)應(yīng)選擇和設(shè)計(jì) 得使程序產(chǎn)生的whetstone指令的頻度和 949 個(gè)程序統(tǒng)計(jì)得來的數(shù)據(jù)一致。關(guān)于將基準(zhǔn)程序和分折數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配的方法的選擇也是應(yīng)著重考慮的事。應(yīng)該用相對(duì)而言

4、比較少的模塊循環(huán)控制變量實(shí)現(xiàn)盡可能多的指令匹配，一種方法是用最小二乘法。 較好的方法是根據(jù)指令的出現(xiàn)頻度和執(zhí)行時(shí)間加權(quán)。從而給較重要的指令以較大的權(quán)重。模塊本身也經(jīng)過多次設(shè)計(jì)和修改以獲得最好的效果。2 程序的結(jié)構(gòu)whetstone程序的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單。它由8 個(gè)模塊（還有 3 個(gè)模塊，但循環(huán)變量為 0 ，忽略）組成，每個(gè)模塊考慮一種運(yùn)算，用一個(gè)循環(huán)變量控制，整個(gè)合成基準(zhǔn)程序由對(duì)應(yīng) 8 個(gè)模塊的 8 個(gè)循環(huán)語句組成其循環(huán)次數(shù)分別為 n1 ，n2, ······n8。通過控制它們的相對(duì)值，可以改變整個(gè)程序中各個(gè)指令出現(xiàn)的頻度。模塊的運(yùn)算應(yīng)該是

5、一般的基本運(yùn)算。它的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是： 每次執(zhí)行產(chǎn)生不同的結(jié)果同時(shí)又能無限以循環(huán)運(yùn)算而不溢出或出現(xiàn)其它偏差。程序中用的基本算術(shù)運(yùn)算是一組語句：x1 = (x1+ x2+x3-x4)* 0 .5；x2=( x1+ x2-x3+x4)* 0. 5；x3= (x1-x2+x3+x4)* 0 .5；x4=( -x1+ x2+x3+x4)*0. 5；可編輯-精選文檔 -從理論上說， 上述變換以任意初始值開始都會(huì)收斂到x1= x2=x3=x4=1.0。這就滿足了關(guān)于模塊運(yùn)算的準(zhǔn)則。 考慮到機(jī)器精確性的限制和使每次計(jì)算結(jié)果不同，用 0.499975 代替因子 0.5 。x1 到 x4 的初值可任意選定，程序中用的

6、是 x1=1.0 ，x2=x3=x4=-1.0。上述模式的運(yùn)算在二個(gè)模塊中使用(模塊 1 ，2) 。其中變量分別為簡(jiǎn)單變?cè)?，?shù)組元素和做子程序調(diào)用參數(shù)的數(shù)組元素。在過程pa 中也使用了一個(gè)循環(huán)，用于控制參數(shù)調(diào)用對(duì)過程調(diào)用的比例。模塊 3 是測(cè)試條件轉(zhuǎn)移的。它由一組條件語句組成，形式如下：if j =1then j=2else j= 3 ；if j> 2 then j= 0else j= 1 ；if j < lthen j=1else j=0 ；如果選定 j 的權(quán)值為 1 ，那么 j 的值一直在 0 ，1 之間變化， 每個(gè)條件都輪流為真和假，這樣條件和j 的值每次都變化而又不會(huì)出現(xiàn)別

7、的問題。模塊 4 測(cè)試整數(shù)運(yùn)算和數(shù)組存取。形式如下：j = j *(k-j)*(l-k);k = l * k - (l-j) * k;l= (l-k) * (k+j);e1l-2 = j + k + l;e1k-2 = j * k * l;當(dāng) j，k，l 的初值分別取為1 ，2 ，3 時(shí)，每次計(jì)算產(chǎn)生的結(jié)果相同j，k ，l可編輯-精選文檔 -的值不變，由于計(jì)算的式子比較復(fù)雜， 所以編譯程序不大可能看出來而給予優(yōu)化。模塊 5 測(cè)試關(guān)于三角函數(shù)的計(jì)算。選擇的計(jì)算式子是：x = t*atan(2.0*sin(x)*cos(x)/(cos(x+y)+cos(x-y)-1.0);y = t*atan(2

8、.0*sin(y)*cos(y)/(cos(x+y)+cos(x-y)-1.0);當(dāng)取值 t=0.99975， x=y=0.5時(shí)，這兩個(gè)式子幾乎把x，y 變到它們自身只產(chǎn)生一個(gè)微小的變化。 因此經(jīng)過多次運(yùn)算也無出現(xiàn)溢出現(xiàn)象，這個(gè)模塊是精心設(shè)計(jì)的，考慮了 sin 和 cos ， arctan 的相對(duì)比例。模塊 6 是關(guān)于過程調(diào)用和參數(shù)尋址的。 使用了一個(gè)帶有三個(gè)參數(shù)的過程p3 。p3 過程如下：*x = *y;*y = *z;*x = t * (*x + *y);*y = t1 * (*x + *y);*z = (*x + *y)/t2;全局變量 t 和在別的模塊時(shí)的值相同。當(dāng)x，y 取初值 1

9、,0 時(shí)，每次計(jì)算結(jié)果 x 與 y 相同，而和原來的值非常接近。模塊 7 是關(guān)于數(shù)組調(diào)用的，它用了一個(gè)無參數(shù)過程po ，用來增加過程調(diào)用的比例。每次運(yùn)行結(jié)果 ,e11 和 e1 3 的值互換， po 過程如下：e1j = e1k;e1k = e1l;e1l = e1j;模塊 8 用一個(gè)賦值語句測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。算式如下：可編輯-精選文檔 -x = sqrt(exp(log(x)/t1);當(dāng)初值取為 tl= 0.50025，x=0.75 。重復(fù)執(zhí)行這個(gè)語句可以得到一個(gè)穩(wěn)定的x 值的序列而不會(huì)出現(xiàn)溢出情況。在上述所有模塊中， 乘和除都經(jīng)過精心選擇 以符合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過控制循環(huán)變量的相對(duì)值。 可以改變整十

10、程序中各類指令出現(xiàn)的頻率。根據(jù)這一點(diǎn)， 用最優(yōu)化的方法，按照使整個(gè)程序中各類指令出現(xiàn)的頻率盡可能接近某一特定的頻率(這是依賴用戶的要求的)的要求即可把n1 ，n2, ······n8的相對(duì)值確定下來，下面給出的 nk的相對(duì)值是根據(jù)Gibson 混合得到的，也是通常所用的：n 1n 2n 3n4n5n6n7n812143452103289961 693特別地當(dāng) n 就取上述數(shù)值時(shí)，執(zhí)行一次程序恰好相當(dāng)于執(zhí)行了10萬條whetstone機(jī)器指令。可用 whetstone基準(zhǔn)程序?qū)Σ煌臋C(jī)器、語言編譯程序和精度進(jìn)行測(cè)試，可以獲取關(guān)于語言以及

11、它們的實(shí)現(xiàn)的知識(shí)，此程序因模塊簡(jiǎn)單， 譯成別的語言也非常容易，在不同的機(jī)器上執(zhí)行上述合成基準(zhǔn)程序，或在不同機(jī)器上執(zhí)行不同語言的上述程序即可對(duì)不同的機(jī)器或?qū)ν瑱C(jī)器上不同的編譯系統(tǒng)進(jìn)行性能比較。whetstone基準(zhǔn)程序?yàn)楹笕司幹坪铣苫鶞?zhǔn)程序提供了個(gè)很好的借鑒。3 whetstone的局限whetstone基準(zhǔn)程序?qū)茖W(xué)計(jì)算型的應(yīng)用是個(gè)較好的模擬，為人們?cè)u(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)處理機(jī)能力提供了一個(gè)工具，在過去10 年里得到廣泛的應(yīng)用但是它也可編輯-精選文檔 -有其局限性，討論如：1)它所依照的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均為70 年代收集的，不能代表當(dāng)今的程序特點(diǎn)，有些語言特點(diǎn)如指針、記錄等都未涉及到；2)浮點(diǎn)運(yùn)算太多，即使對(duì)科學(xué)計(jì)算型的任務(wù)來說， 它的搞浮點(diǎn)運(yùn)算也太多了；3)程序中操作數(shù)的選取或者是任意的，或者是為了滿足前述的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，沒有考察這些參數(shù)是否有代表性；4)對(duì) I/O 系統(tǒng)和監(jiān)督軟件的調(diào)用無代表性；5)涉及到的存貯空間太小，目標(biāo)碼和涉及到的數(shù)據(jù)太小。目標(biāo)文件太小，在有無cache的機(jī)器上會(huì)產(chǎn)生根大的差別。在運(yùn)行時(shí)可能整個(gè)目標(biāo)文件都裝在cache 中，這樣得出的結(jié)果對(duì)比較的意義不大，數(shù)據(jù)太少，變?cè)伲谟械臋C(jī)器中就可能全用快速寄存器保存中間變量，這樣可大大節(jié)省時(shí)間， 但結(jié)果也就不具有太大的典型性；6)模塊太簡(jiǎn)單，使用的語言現(xiàn)象太少。4 測(cè)試結(jié)果本次測(cè)試選用兩臺(tái)配置不同的機(jī)器進(jìn)行whetsto