whetstone CPU 性能基准测试指南

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本文档为 openvela 系统的开发者和性能工程师提供 whetstone 基准测试工具的详细使用指南。whetstone 是一个经典的综合性基准测试程序，旨在通过执行一系列标准化的计算任务，精确评估系统的浮点与整数运算性能。

一、概述

whetstone 是一个用于评估处理器算术性能的命令行工具。它通过执行一组包含浮点运算、整数运算、函数调用和数组访问等在内的混合计算任务，得出一个标准化的性能评分。

测试结果可以帮助开发者：

• 量化评估处理器的浮点运算单元 (Floating-Point Unit, FPU) 性能。
• 分析不同编译器优化等级 (-O2, -O3 等) 对代码执行效率的影响。
• 在不同硬件平台或系统配置之间进行算术性能对比。

二、系统配置

在运行测试前，您必须在 defconfig 文件中启用以下 Kconfig 选项，以确保 whetstone 测试套件及其依赖项被正确编译。

# 编译 Whetstone 基准测试工具
CONFIG_BENCHMARK_WHETSTONE=y

# Whetstone 测试的核心是浮点运算，必须启用 C 库的浮点支持
CONFIG_LIBC_FLOATINGPOINT=y

三、使用方法

whetstone 工具通过简单的命令行接口启动，并支持参数来控制测试的负载。

1、命令语法

whetstone [-c <iterations>] [<loops>]

2、参数说明

参数	说明	是否必需	默认值
[<loops>]	模块循环次数。一个位置参数，用于设定每个内部测试模块的执行循环次数。增大此值会显著增加单个测试模块的计算量和执行时间。	否	1000
-c <iterations>	总测试轮数。一个可选参数，用于设定整个 whetstone 测试套件的重复执行次数。	否	1

3、执行示例

1. 执行一次标准测试：使用默认参数，每个模块循环 1,000 次，整个测试执行 1 轮。

   whetstone
   

2. 增加每个模块的计算负载：每个模块循环 100,000 次，整个测试执行 1 轮。这适用于需要更长运行时间以获取稳定平均值的场景。

   whetstone 100000
   

3. 重复执行多次测试：每个模块循环 100,000 次，并且整个测试套件重复执行 10 轮。

   whetstone 100000 -c 10
   

四、结果解读

测试完成后，whetstone 会输出测试配置、总耗时以及最终的性能评分。

1、示例输出

ap> whetstone 100000
Loops: 100000, Iterations: 1, Duration: 5 sec.
C Converted Double Precision Whetstones: 2.00 MWIPS

• Loops: 100000: 每个模块执行了 100,000 次循环。
• Iterations: 1: 整个测试套件执行了 1 轮。
• Duration: 5 sec: 总耗时为 5 秒。
• C Converted Double Precision Whetstones: 2.00 MWIPS: 最终性能评分为 2.00 MWIPS。

2、关键指标说明

• MWIPS / KWIPS

  • 含义: whetstone 的性能单位，分别是 MWIPS (Mega Whetstone Instructions Per Second) 和 KWIPS (Kilo Whetstone Instructions Per Second)。
  • 计算: KIPS = (100.0 * loop * 1) / (执行时间(秒) * 1000)，该值根据固定的基准任务量、测试循环次数 (loops 和 -c 参数) 以及总执行时间计算得出。它是一个标准化的分数，分值越高，代表处理器的算术性能越强。
  • 单位换算: 当评分低于 1 MWIPS (即 1000 KWIPS) 时，结果会以 KWIPS 显示。

五、测试模块详解

whetstone 基准测试由 11 个精心设计的计算模块组成，全面覆盖了不同的运算类型：

• 模块 1-4：基础浮点运算/数组操作/条件判断
• 模块 5：被省略的整数运算模块
• 模块 6：复杂整数运算
• 模块 7：三角函数计算（含反三角函数）
• 模块 8：过程调用测试
• 模块 9：数组索引测试
• 模块 10：简单整数运算
• 模块 11：数学函数链式调用

六、openvela 移植说明

此版本的 whetstone 针对嵌入式实时系统进行了关键优化。

• 优化的计时器精度: 原版 whetstone 只有测试时间达到秒级才能得到结果。移植到 openvela 的版本达到毫秒级别就有精度输出。这使得在高性能的嵌入式 CPU 上，即使运行较少的循环次数，也能快速获得稳定且准确的性能数据。