本科生毕业设计（论文）中期检查报告-GCC编译器在ARM处理器上的性能测试和改进

姓 名

张龙

学  号

5030309207

指导教师

过敏意

专 业

计算机科学与技术

学院/系

计算机科学与工程系

毕业设计(论文)题目

GCC编译器在ARM处理器上的性能测试和改进

课题来源/项目编号

国家863项目/2006AA01Z199

课题有无变化

□无  □有  变化原因

中期报告（已完成的研究内容，所取得阶段性成果，下一步工作计划和研究内容等）

一、        已完成GCC的移植机制研究

GCC编译系统主要由三部分组成:与特定编程语言相关的前端、与特定编程语言无关的后端以及与机器相关的机器描述,如图1所示。GCC的前端由与源语言关系密切的语法分析、语义分析部分组成，它对源程序进行分析后将其转换为语法树。GCC的后端为编译系统的主体部分，它将语法树转换成中间语言，在中间语言表示的基础上进行各种优化并完成代码的生成。机器描述部分则描述GCC所运行的主机和目标机的作系统、体系结构、指令系统等有关系统与硬件的情况并提供给编译程序的后端使用。这样，采用不同的机器描述，将得到适合于在不同机器与系统上运行GCC版本。这三部分既相对分离又相互配合，实现了GCC面向多语种、支持多平台的思想。

       dist-200404087

面对众多不同的系统与体系结构，支持多平台的编译程序，必须解决二个基本的问题①需要设计一种对目标机恰当的描述，这种机器描述既要能描述系统与硬件的共性，也要能描述它们各自的特性，同时还要适合于编译程序的处理。在GCC中，机器描述由tm. h和tm. and文件完成。②需要设计出一种较好的中间语言，这种中间语言应当在适当的层次上，向上能支持多语言的映射，向下能适合多平台转换并且适合于进行各种优化。GCC的中间表示代码称作RTL  (register transfer language)。③在机器描述与编译主体之间需要仔细地设计一种统一接口。GCC中由gen*.c程序完成(),如图2所示。

针对ARM处理器，GCC提供了对应的编译器。一般情况下，ARM7平台是使用arm-elf-gcc 搭配 uClinux作系统,ARM9平台则使用arm-linux-gcc搭配Linux作系统.在此基础上通过修改GCC的及其描述部分以实现对特定目标的移植。

图1 GCC编译系统结构

图2 GCC后端生成图

二、        已完成GCC在ARM架构上的编译性能分析  

    目前嵌入式处理器并没有统一的性能测试标准，在试验中选择了当前各个嵌入式处理器提供厂商广泛采用的Dhrystone V2.1 Benchmark和 Whetstone Benchmark评测标准，Dhrystone V2.1 Benchmark是Reinhold Weicker编写的用于测试系统的整数处理能力的测试程序，它有公开的源代码和测试结果。在不同的处理器平台上运行Dhrystone测试程序，得到Dhrystone per Second 的参数值，并以VAX-11/780 为参照值，换算出Dhrystone 2.1 VAX MIPS(DMIPS)的值; Whetstone Benchmark与Dhrystone V2.1 Benchmark相近，提供MFLOPS作为评估标准，不同的是Whetstone Benchmark侧重于浮点性能的测试，而Dhrystone V2.1 Benchmark则侧重于整数运算和逻辑运算的性能测试，因此综合两者的测试可以得到更为准确的测试结果。

由于ARM开发板资源有限，不可能在开发板上运行编译程序，为了测试GCC在ARM架构上的编译性能，需要建立交叉开发环境，在宿主机上编译Dhrystone V2.1 Benchmark和Whetstone Benchmark 程序，在目标机（ARM开发板）上运行编译后的测试程序，得到测试结果。

而对于特定程序的测试，由于目前缺乏针对特定程序的测试工具，因此只能够通过比较生成文件的大小和汇编代码来进行性能评估。

三、        已进行优化GCC性能方法研究

1.      GCC的一大特点是高度可配置性，具有大量的编译参数选择。针对不同硬件平台，选择不同的编译参数会对编译性能产生影响，因此深入理解各种编译参数的意义，找到对应环境的最佳参数是很有意义的。

选择不同的编译参数，使用Dhrystone V2.1 Benchmark和 Whetstone Benchmark进

行测试，可以得到对应的性能指标，通过对扁些性能指标，得到性能最佳的组合，找出对应硬件环境的最佳编译参数。

2.      针对硬件平台的特点如，寄存器个数，cache大小等，对应用程序的代码进行优化，通过对优化前后程序的性能以及汇编代码，定量的分析出优化的效果，最后总结出针对ARM GCC的高效的编程条例。

    结合以上两种方法，从应用层面上对ARM GCC的进行优化。

四、        已进行针对ARM架构上的GCC提高性能的相关实践

²        建立交叉编译环境

宿主机：Windows XP + VMWare + RedHat 9.0

目标机: MagicArm2200-s Lpc2200 ARM7 uClinux-dist-20040408 （见图3）

开发环境：ARM Developer Suite v1.2 （见图4）

GCC版本：arm-elf-tools-20040427

²        性能测试与分析

测试工具：Dhrystone V2.1 Benchmark

         Whetstone Benchmark

图3 uClinux界面

图4 ADS开发环境

五、        下一步研究计划和基本内容

²           进一步评估各种条件下ARM GCC的编译性能。

²           根据实验得到的相关数据，总结出针对ARM GCC的高效的编程条例。

²           撰写符合规范和要求的本科毕业论文。

学生签名：                 

年    月   

指导教师意见

指导教师签名：             

年    月    

学院（系）意见

审查结果：  □ 通过        □ 不通过

院长（系主任）签名：             

年    月