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YASKAWA JANCD-GSC02

YASKAWA JANCD-GSC02  在LEON軟核系統(tǒng)上移植成功Linux后，通過(guò)特定測(cè)試程序驗(yàn)證LEON在數(shù)學(xué)運(yùn)算上的性能，以確定是否滿(mǎn)足項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的需求。測(cè)試中對(duì)比ARM9 SC32410，分析LEON以及其集成FPU配置的性能，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)軟硬件配置進(jìn)一步優(yōu)化。由于LEON硬件配置十分靈活，因此在測(cè)試中采用了多種平臺(tái)，編譯程序的選項(xiàng)也有對(duì)應(yīng)的設(shè)置。中斷響應(yīng)、功耗等雖然也是處理器性能的重要方面，但本文尚未涉及。

2．1 測(cè)試平臺(tái)

（1）硬件測(cè)試平臺(tái)

硬件測(cè)試平臺(tái)如表1所列。

TSIM仿真器通過(guò)主機(jī)的浮點(diǎn)機(jī)制來(lái)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算仿真，因此仿真器的浮點(diǎn)精度與主機(jī)平臺(tái)相關(guān)。仿真器的時(shí)間精度與MeikoFPU相同，集成FPU的LEON3相當(dāng)于集成MeikoFPU的LEON3。

（2）軟件測(cè)試平臺(tái)

①LEON2和LEON3在Linux 2．6．11下運(yùn)行。

②直接使用gcc編譯生成程序加載到LEON上并運(yùn)行，無(wú)操作系統(tǒng)。

③SamsungS3C2410在Linux 2．4．18下運(yùn)行。

（3）不同硬件測(cè)試平臺(tái)上測(cè)試程序說(shuō)明

不同的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的搭配需在編譯程序過(guò)程中特定選項(xiàng)（通過(guò)Makefile管理）：

①一msoft-float選項(xiàng)。LEON平臺(tái)上若未集成FPU，則進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算必須該選項(xiàng)，此時(shí)所有浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為軟件模擬實(shí)現(xiàn)，代價(jià)是運(yùn)行時(shí)間大大增加，優(yōu)勢(shì)是能夠節(jié)省硬件資源（加入FPU后LEON的LE的使用率是無(wú)FPU情況下的近2倍）。

②-mv8選項(xiàng)。LEON平臺(tái)上配置硬件整數(shù)乘除法構(gòu)件時(shí)需要該選項(xiàng)。

③sparc-linux-gcc和sparc-elf-gcc編譯器。對(duì)于LEON平臺(tái)，若在Linux系統(tǒng)上運(yùn)行測(cè)試程序，則需用sparc-linux-gcc進(jìn)行編譯，程序使用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)完成鏈接；若直接在LEON硬件上加載運(yùn)行，則需用sparc-elf-gcc：進(jìn)行編譯，程序使用靜態(tài)鏈接庫(kù)完成鏈接。

④arm-linux-gcc：編譯器。ARM9的S3C2410編譯器為arm-linux-gcc。

⑤-O3優(yōu)化選項(xiàng)。LEON和ARM的微處理器通過(guò)該選項(xiàng)進(jìn)行程序算法優(yōu)化。

2．2測(cè)試項(xiàng)目及說(shuō)明

測(cè)試項(xiàng)目1：整型數(shù)組與浮點(diǎn)數(shù)組的加法、乘法及乘加運(yùn)算。每種類(lèi)型的運(yùn)算都循環(huán)50 000次，以驗(yàn)證LEON各種平臺(tái)和ARM9的MCU在數(shù)學(xué)運(yùn)算上的性能，并分析加入Linux系統(tǒng)后程序運(yùn)行性能的變化。

測(cè)試項(xiàng)目2：?jiǎn)未螢V波算法，程序每一次運(yùn)行包含12 791次浮點(diǎn)乘法和13 595次浮點(diǎn)加法，以驗(yàn)證在導(dǎo)航系統(tǒng)的濾波算法中LEON在多種配置下的性能。

測(cè)試程序采用clock（）系統(tǒng)調(diào)用獲取算法開(kāi)始運(yùn)行和結(jié)束運(yùn)行的時(shí)間，并以算法的運(yùn)行時(shí)間作為衡量系統(tǒng)效能的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

2．3測(cè)試總結(jié)

LEON平臺(tái)靈活的軟硬件配置在多項(xiàng)測(cè)試中表現(xiàn)優(yōu)異，總結(jié)如下：

①與主流ARM9微處理器在數(shù)學(xué)運(yùn)算上性能相當(dāng)。

②嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)相對(duì)于無(wú)系統(tǒng)平臺(tái)有一定資源開(kāi)銷(xiāo)，根據(jù)具體應(yīng)用合理選擇軟件平臺(tái)是否需要嵌入式Linux系統(tǒng)。

③-mv8和-03選項(xiàng)后程序性能提升顯著，根據(jù)具體應(yīng)用合理選擇是否配置整數(shù)硬件乘除法器。

④LEON硬件配置FPU后浮點(diǎn)運(yùn)算性能提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，代價(jià)是綜合需要的邏輯資源增長(zhǎng)一倍，在權(quán)衡性能和可編程器件資源后合理選擇配置方案。

結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)SoC芯片高速數(shù)據(jù)處理的需求，設(shè)計(jì)方案定型為L(zhǎng)EON+FPU，在測(cè)試中能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的運(yùn)算吞吐量指標(biāo)要求。

可配置FPU對(duì)LEON數(shù)學(xué)運(yùn)算性能的提升極為有效，特別是在運(yùn)算密集型的SoC設(shè)計(jì)中。LEON3的GRFPU相對(duì)于其他常見(jiàn)微處理器的FPU有較大優(yōu)勢(shì)。表2為若干處理器核FPU單元完成浮點(diǎn)運(yùn)算指令需要的處理（延遲）時(shí)鐘周期數(shù)對(duì)比情況口。

時(shí)鐘周期數(shù)說(shuō)明：括號(hào)外數(shù)字是指令處理周期數(shù)，即硬件流水線(xiàn)中完成該指令的周期；括號(hào)內(nèi)數(shù)字是指令延遲周期數(shù)，即該指令進(jìn)入流水線(xiàn)至從流水線(xiàn)中輸出結(jié)果所需要的時(shí)鐘周期數(shù)。

YASKAWA JANCD-GSC02