CoreMark嵌入式处理器性能测试工具

安装、编译和测试

CoreMark是一个综合性基准测试程序，主要用于测量嵌入式系统中CPU的性能。其代码用C语言编写，主要执行列表操作（插入、删除、反转、排序等）、矩阵运算，简单状态机（扫描字符串进行状态转换，主要测试switch-case和if语句的行为），CRC运算（测试循环冗余校验运算和用于测试过程的自检）。CoreMark的测量结果为单一分值，衡量每秒种执行了多少次迭代，便于不同处理器之间分值的比较。

可以在github上获取coremark源码。

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

在linux笔记本上直接编译，先测试一下电脑的性能。

cd coremark
make
# 编译完成后直接运行
./coremark.exe

电脑测试结果见下图。图中可以看出，笔者笔记本电脑每秒可以进行约23212次迭代，也即CoreMark的跑分结果。

测试嵌入式平台性能

手中有一块ITX-3588J开发板，将coremark源码拷贝到该平台上编译后测试，结果见下图。该平台的CPU型号是来自rockchip的rk3588，其测试分数为17435分左右。还是没有我这陈年老笔记本强的。当然，测试结果与编译器和指令集架构有关系，仅供参考。

perf性能分析工具

Perf是集成在Linux内核中的性能分析工具，从Linux内核2.6.31开始集成到内核中。Perf依赖硬件平台提供的硬件事件支持或者内核提供的软件事件支持，能够对CPU和操作系统性能相关的指标进行采样，用较低的开销收集运行时性能数据。后文介绍perf的安装方法和常用的命令。

perf安装

在终端中，使用如下命令，完成perf工具的安装：

sudo apt install linux-tools-common linux-tools-generic linux-tools-`uname -r`

perf list

perf list命令用来查看perf所支持的性能事件，包含软件和硬件两个方面。

sudo perf list hw
sudo perf list cache # hw和cache是CPU架构相关的事件，依赖于具体硬件
sudo perf list sw # sw实际上是内核的计数器，与硬件无关

perf stat

perf stat是处理器性能分析中用得最多的命令之一。以一个demo进行演示，代码如下。

/*
*   Perf测试demo
*   testPerf.cpp
*/
#include <iostream>
#include <cmath>

using namespace std;

void for_loop() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        for (int j = 0; j < 10000; j++) {
            int x = sin(i) + cos(j);
        }
    }
}

void loop_small() {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        for_loop();
    }
}

void loop_big() {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        for_loop();
    }
}

int main() {
    loop_big();
    loop_small();

    return 0;
}

编译demo代码，使用perf stat命令对上述程序进行性能测试。

g++ testPerf.cpp -o testPerf
sudo perf stat ./testPerf

测试结果如下图。根据图中结果，testPerf程序执行了约63秒，共执行了322706077907个指令，时钟周期数目为197826310383，IPC值为1.63。cpu-migrations表示在不同的cpu核心间调度了11次，context-switches表示该进程发生了330次上下文切换。branch-misses表示分支误预测率为0.65%。最下方显示了进程在用户态和核心态的运行时长。

IPC，Instructions Per Cycle，每个时钟周期平均执行的指令数。可以用来衡量处理器性能。

perf record && perf report

perf record可以将性能数据记录到当前目录下的perf.data，随后使用perf report命令，从perf record命令产生的perf.data文件中读取采样的性能数据，分析记录数据并把剖析的信息以用户可读的方式显示出来。

以testPerf程序为例，分别运行perf record和perf report命令进行效果测试，结果如下图所示。由分析结果可以清晰地看到，在cpu-clock一项事件中，每个函数在进程生命周期内占用CPU时间的比例是多少，后续可以根据perf.data来生成火焰图，更直观地查看热点函数。

sudo perf record -e cpu-clock ./testPerf # -e 选项后面跟具体的事件
# 具体用法可以使用 sudo perf record --help来查看
sudo perf report

perf report产生的分析结果可以进行交互，例如查看for_loop函数的汇编代码。Perf在采样过程中，会根据PID等数据定位相应的进程，按照指令地址PC和可执行与可链接格式（ELF）文件中的符号表定位产生PCI中断的指令所属函数。（具体的perf工具原理可以阅读参考文献[2]中perf性能分析工具一节）

FlameGraph火焰图绘制工具

工具安装

可以在github上下载FlameGraph火焰图绘制工具源码。

git clone https://github.com/brendangregg/FlameGraph.git

火焰图生成示例

以testPerf为例，生成testPerf程序的火焰图。

sudo perf record -g -e cpu-clock ./testPerf #需要添加-g选项，保存函数调用栈等信息，因为火焰图是基于stack信息来生成的。
sudo perf script -i perf.data > out.perf
${FlameGraph源码路径}/stackcollapse-perf.pl out.perf > out.floded
${FlameGraph源码路径}/flamegraph.pl out.floded > cp.svg

cp.svg即为最后生成的火焰图，见下图。建议使用浏览器打开，可以通过点击方式与火焰图进行交互。通过火焰图也可以直观看出整个进程中的热点函数。

需要特别注意的是，火焰图y轴表示调用栈，每一导都是一个函数，调用栈越深，火焰图越高。每个函数下方是其父函数。x轴表示抽样，如果一个函数在x轴占据的宽度越宽，表示所有抽样中，为此函数的次数越多，也即执行的时间更长。x轴不代表时间，但能反映一个函数的执行时间。

参考文献

[1] CPU性能测试——CoreMark篇

[2] 计算机体系结构基础 第3版 胡伟武等著

[3] 火焰图(FlameGraph)的使用