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Text File  |  1992-08-24  |  19KB  |  359 lines

  1.  
  2.  
  3.     Dhrystone Benchmark: Rationale for Version 2 and Measurement Rules
  4.  
  5.  
  6.                  Reinhold P. Weicker
  7.                  Siemens AG, E STE 35
  8.                  Postfach 3240
  9.                  D-8520 Erlangen
  10.                  Germany (West)
  11.  
  12.  
  13.  
  14.  
  15. 1.  Why a Version 2 of Dhrystone?
  16.  
  17. The Dhrystone benchmark  program  [1]  has  become  a  popular  benchmark  for
  18. CPU/compiler   performance   measurement,   in   particular  in  the  area  of
  19. minicomputers, workstations, PC's and microprocesors.  It apparently satisfies
  20. a  need  for  an  easy-to-use  integer benchmark; it gives a first performance
  21. indication which is more meaningful than MIPS numbers which, in their  literal
  22. meaning  (million  instructions  per  second), cannot be used across different
  23. instruction sets (e.g. RISC  vs.  CISC).   With  the  increasing  use  of  the
  24. benchmark, it seems necessary to reconsider the benchmark and to check whether
  25. it can still fulfill this function.  Version 2 of Dhrystone is the  result  of
  26. such a re-evaluation, it has been made for two reasons:
  27.  
  28. o Dhrystone has been published in Ada [1], and Versions in Ada, Pascal  and  C
  29.   have  been  distributed  by  Reinhold Weicker via floppy disk.  However, the
  30.   version that was used most often for benchmarking has been the version  made
  31.   by  Rick  Richardson  by another translation from the Ada version into the C
  32.   programming language, this has been the version  distributed  via  the  UNIX
  33.   network Usenet [2].
  34.  
  35.   There is an obvious need for a common C version of Dhrystone, since C is  at
  36.   present  the  most  popular  system  programming  language  for the class of
  37.   systems (microcomputers, minicomputers,  workstations)  where  Dhrystone  is
  38.   used  most.   There  should  be,  as  far as possible, only one C version of
  39.   Dhrystone such that results can be compared  without  restrictions.  In  the
  40.   past,  the  C  versions  distributed by Rick Richardson (Version 1.1) and by
  41.   Reinhold Weicker had small (though not significant) differences.
  42.  
  43.   Together with the new C version, the  Ada  and  Pascal  versions  have  been
  44.   updated as well.
  45.  
  46. o As far as it is  possible  without  changes  to  the  Dhrystone  statistics,
  47.   optimizing   compilers   should   be  prevented  from  removing  significant
  48.   statements.  It has  turned  out  in  the  past  that  optimizing  compilers
  49.   suppressed  code  generation for too many statements (by "dead code removal"
  50.   or  "dead  variable  elimination").   This  has  lead  to  the  danger  that
  51.   benchmarking  results obtained by a naive application of Dhrystone - without
  52.   inspection of the code that was generated - could become meaningless.
  53.  
  54. The  overall  policiy  for  version  2  has  been  that  the  distribution  of
  55. statements,  operand types and operand locality described in [1] should remain
  56. unchanged as much as possible.  (Very few changes were necessary; their impact
  57. should be negligible.)  Also, the order of statements should remain unchanged.
  58. Although I am aware of some critical remarks on the benchmark - I  agree  with
  59. several  of them - and know some suggestions for improvement, I didn't want to
  60. change the benchmark into something different from what has  become  known  as
  61. "Dhrystone"; the confusion generated by such a change would probably outweight
  62. the benefits. If I were to write a new benchmark program, I wouldn't  give  it
  63. the  name  "Dhrystone"  since  this  denotes  the  program  published  in [1].
  64. However, I do recognize  the  need  for  a  larger  number  of  representative
  65. programs  that can be used as benchmarks; users should always be encouraged to
  66. use more than just one benchmark.
  67.  
  68. The new versions (version 2.1 for C, Pascal and Ada) will  be  distributed  as
  69. widely as possible.  (Version 2.1 differs from version 2.0 distributed via the
  70. UNIX Network Usenet in  March  1988  only  in  a  few  corrections  for  minor
  71. deficiencies  found  by  users  of  version 2.0.)  Readers who want to use the
  72. benchmark for their own measurements can obtain  a  copy  in  machine-readable
  73. form on floppy disk (MS-DOS or XENIX format) from the author.
  74.  
  75.  
  76. 2.  Overall Characteristics of Version 2
  77.  
  78. In general, version 2  follows  -  in  the  parts  that  are  significant  for
  79. performance  measurement,  i.e.   within  the measurement loop - the published
  80. (Ada) version and the C versions previously distributed.  Where  the  versions
  81. distributed  by  Rick Richardson [2] and Reinhold Weicker have been different,
  82. it  follows  the  version  distributed  by  Reinhold  Weicker.  (However,  the
  83. differences  have  been  so  small  that their impact on execution time in all
  84. likelihood has been negligible.)  The initialization and UNIX  instrumentation
  85. part  -  which  had  been  omitted  in  [1] - follows mostly the ideas of Rick
  86. Richardson [2].  However, any changes in the initialization part  and  in  the
  87. printing  of  the  result have no impact on performance measurement since they
  88. are outside the measaurement loop.  As a concession to older compilers,  names
  89. have been made unique within the first 8 characters for the C version.
  90.  
  91. The original publication of Dhrystone did not contain any statements for  time
  92. measurement  since  they  are necessarily system-dependent. However, it turned
  93. out that it is not enough just to inclose the main procedure of Dhrystone in a
  94. loop  and  to  measure the execution time.  If the variables that are computed
  95. are not used somehow, there is the danger that the compiler considers them  as
  96. "dead  variables" and suppresses code generation for a part of the statements.
  97. Therefore in version 2 all variables of "main" are printed at the end  of  the
  98. program.  This also permits some plausibility control for correct execution of
  99. the benchmark.
  100.  
  101. At several places in the benchmark, code has been added, but only in  branches
  102. that  are  not  executed. The intention is that optimizing compilers should be
  103. prevented from moving code out of the measurement loop, or from removing  code
  104. altogether.  Statements that are executed have been changed in very few places
  105. only.  In these cases, only the role of some operands has been changed, and it
  106. was   made  sure  that  the  numbers  defining  the  "Dhrystone  distribution"
  107. (distribution of statements, operand types and locality) still hold as much as
  108. possible.   Except for sophisticated optimizing compilers, execution times for
  109. version 2.1 should be the same as for previous versions.
  110.  
  111. Because of the self-imposed limitation that the order and distribution of  the
  112. executed  statements  should  not  be  changed,  there  are  still cases where
  113. optimizing compilers may not generate code for some statements. To  a  certain
  114. degree,  this  is  unavoidable  for  small synthetic benchmarks.  Users of the
  115. benchmark are advised to check code listings whether code is generated for all
  116. statements of Dhrystone.
  117.  
  118. Contrary to the suggestion in the published paper and its realization  in  the
  119. versions previously distributed, no attempt has been made to subtract the time
  120. for the measurement loop overhead. (This calculation has proven  difficult  to
  121. implement  in  a  correct  way,  and  its omission makes the program simpler.)
  122. However, since the loop check is now part of the benchmark, this does have  an
  123. impact  -  though a very minor one - on the distribution statistics which have
  124. been updated for this version.
  125.  
  126.  
  127. 3.  Discussion of Individual Changes
  128.  
  129. In this section, all changes are described that affect  the  measurement  loop
  130. and  that  are  not  just  renamings  of variables. All remarks refer to the C
  131. version; the other language versions have been updated similarly.
  132.  
  133. In addition to adding  the  measurement  loop  and  the  printout  statements,
  134. changes have been made at the following places:
  135.  
  136. o In procedure "main", three statements have been added  in  the  non-executed
  137.   "then" part of the statement
  138.  
  139.         if (Enum_Loc == Func_1 (Ch_Index, 'C'))
  140.  
  141.   they are
  142.  
  143.         strcpy (Str_2_Loc, "DHRYSTONE PROGRAM, 3'RD STRING");
  144.         Int_2_Loc = Run_Index;
  145.         Int_Glob = Run_Index;
  146.  
  147.   The string assignment prevents  movement  of  the  preceding  assignment  to
  148.   Str_2_Loc  (5'th  statement  of  "main")  out  of the measurement loop (This
  149.   probably will not happen for the C version, but it did happen  with  another
  150.   language   and  compiler.)   The  assignment  to  Int_2_Loc  prevents  value
  151.   propagation for Int_2_Loc, and the assignment to Int_Glob makes the value of
  152.   Int_Glob possibly dependent from the value of Run_Index.
  153.  
  154. o In the three arithmetic computations at the end of the measurement  loop  in
  155.   "main  ",  the  role  of  some  variables has been exchanged, to prevent the
  156.   division from just cancelling out the multiplication as it was  in  [1].   A
  157.   very   smart  compiler  might  have  recognized  this  and  suppressed  code
  158.   generation for the division.
  159.  
  160. o For Proc_2, no code has been changed, but the values of the actual parameter
  161.   have changed due to changes in "main".
  162.  
  163. o In Proc_4, the second assignment has been changed from
  164.  
  165.         Bool_Loc = Bool_Loc | Bool_Glob;
  166.  
  167.   to
  168.  
  169.         Bool_Glob = Bool_Loc | Bool_Glob;
  170.  
  171.   It now assigns a value to a global variable  instead  of  a  local  variable
  172.   (Bool_Loc);   Bool_Loc  would  be  a  "dead  variable"  which  is  not  used
  173.   afterwards.
  174.  
  175. o In Func_1, the statement
  176.  
  177.         Ch_1_Glob = Ch_1_Loc;
  178.  
  179.   was added in the non-executed "else" part of the "if" statement, to  prevent
  180.   the suppression of code generation for the assignment to Ch_1_Loc.
  181.  
  182. o In Func_2, the second character comparison statement has been changed to
  183.  
  184.         if (Ch_Loc == 'R')
  185.  
  186.   ('R' instead of 'X') because  a  comparison  with  'X'  is  implied  in  the
  187.   preceding "if" statement.
  188.  
  189.   Also in Func_2, the statement
  190.  
  191.         Int_Glob = Int_Loc;
  192.  
  193.   has been added in the non-executed part of the last "if" statement, in order
  194.   to prevent Int_Loc from becoming a dead variable.
  195.  
  196. o In Func_3, a non-executed "else" part has been added to the "if"  statement.
  197.   While  the  program  would  not be incorrect without this "else" part, it is
  198.   considered bad programming practice if a function  can  be  left  without  a
  199.   return value.
  200.  
  201.   To compensate for this change, the (non-executed) "else" part  in  the  "if"
  202.   statement of Proc_3 was removed.
  203.  
  204. The distribution statistics have been changed only  by  the  addition  of  the
  205. measurement loop iteration (1 additional statement, 4 additional local integer
  206. operands) and by the change in Proc_4  (one  operand  changed  from  local  to
  207. global).  The distribution statistics in the comment headers have been updated
  208. accordingly.
  209.  
  210.  
  211. 4.  String Operations
  212.  
  213. The string operations (string assignment and string comparison) have not  been
  214. changed, to keep the program consistent with the original version.
  215.  
  216. There has been some concern that the string operations are over-represented in
  217. the  program,  and that execution time is dominated by these operations.  This
  218. was true in particular when optimizing compilers removed too much code in  the
  219. main part of the program, this should have been mitigated in version 2.
  220.  
  221. It should be noted that this is a  language-dependent  issue:   Dhrystone  was
  222. first  published  in  Ada, and with Ada or Pascal semantics, the time spent in
  223. the string operations is,  at  least  in  all  implementations  known  to  me,
  224. considerably smaller.  In Ada and Pascal, assignment and comparison of strings
  225. are operators defined in the language, and the upper  bounds  of  the  strings
  226. occuring  in  Dhrystone  are part of the type information known at compilation
  227. time.  The compilers can therefore generate  efficient  inline  code.   In  C,
  228. string  assignemt  and comparisons are not part of the language, so the string
  229. operations must be expressed in terms of the C library functions "strcpy"  and
  230. "strcmp".   (ANSI  C  allows  an  implementation  to use inline code for these
  231. functions.)  In addition to the overhead caused by additional function  calls,
  232. these  functions  are  defined for null-terminated strings where the length of
  233. the strings is not known at compilation time; the function has to check  every
  234. byte for the termination condition (the null byte).
  235.  
  236. Obviously, a C library which includes efficiently coded "strcpy" and  "strcmp"
  237. functions  helps to obtain good Dhrystone results. However, I don't think that
  238. this is unfair since string  functions  do  occur  quite  frequently  in  real
  239. programs  (editors, command interpreters, etc.).  If the strings functions are
  240. implemented efficiently,  this  helps  real  programs  as  well  as  benchmark
  241. programs.
  242.  
  243. I admit that the  string  comparison  in  Dhrystone  terminates  later  (after
  244. scanning  20  characters)  than most string comparisons in real programs.  For
  245. consistency with the original benchmark, I didn't change the  program  despite
  246. this weakness.
  247.  
  248.  
  249. 5.  Intended Use of Dhrystone
  250.  
  251. When Dhrystone is used, the following "ground rules" apply:
  252.  
  253. o Separate compilation (Ada and C versions)
  254.  
  255.   As mentioned in [1], Dhrystone was written  to  reflect  actual  programming
  256.   practice  in  systems  programming.   The  division into several compilation
  257.   units (5 in the Ada version, 2 in the C version)  is  intended,  as  is  the
  258.   distribution of inter-module and intra-module subprogram calls.  Although on
  259.   many systems there will be no difference in execution time  to  a  Dhrystone
  260.   version  where  all  compilation units are merged into one file, the rule is
  261.   that separate compilation should  be  used.   The  intention  is  that  real
  262.   programming  practice,  where  programs  consist  of  several  independently
  263.   compiled units, should  be  reflected.   This  also  has  implies  that  the
  264.   compiler,  while  compiling  one  unit,  has no information about the use of
  265.   variables, register allocation etc.  occuring in  other  compilation  units.
  266.   Although  in  real  life  compilation  units  will  probably  be larger, the
  267.   intention is that these effects  of  separate  compilation  are  modeled  in
  268.   Dhrystone.
  269.  
  270.   A few language systems have post-linkage optimization available (e.g., final
  271.   register allocation is performed after linkage).  This is a borderline case:
  272.   Post-linkage  optimization  involves  additional  program  preparation  time
  273.   (although  not  as  much  as  compilation in one unit) which may prevent its
  274.   general use in practical programming.  I think that  since  it  defeats  the
  275.   intentions given above, it should not be used for Dhrystone.
  276.  
  277.   Unfortunately, ISO/ANSI  Pascal  does  not  contain  language  features  for
  278.   separate  compilation.   Although  most  commercial Pascal compilers provide
  279.   separate compilation in some way, we cannot use it for Dhrystone since  such
  280.   a  version  would  not  be portable.  Therefore, no attempt has been made to
  281.   provide a Pascal version with several compilation units.
  282.  
  283. o No procedure merging
  284.  
  285.   Although Dhrystone contains some very short procedures where execution would
  286.   benefit  from  procedure  merging (inlining, macro expansion of procedures),
  287.   procedure merging is not to be used.  The reason is that the  percentage  of
  288.   procedure  and  function  calls  is  part of the "Dhrystone distribution" of
  289.   statements contained in [1].  This restriction does not hold for the  string
  290.   functions  of  the  C  version  since ANSI C allows an implementation to use
  291.   inline code for these functions.
  292.  
  293. o Other optimizations are allowed, but they should be indicated
  294.  
  295.   It is often hard to draw an exact line between "normal code generation"  and
  296.   "optimization"  in  compilers:  Some compilers perform operations by default
  297.   that are invoked in other compilers only  when  optimization  is  explicitly
  298.   requested.  Also, we cannot avoid that in benchmarking people try to achieve
  299.   results that look as good as possible.  Therefore,  optimizations  performed
  300.   by  compilers  -  other  than  those  listed  above - are not forbidden when
  301.   Dhrystone execution times are measured.  Dhrystone is  not  intended  to  be
  302.   non-optimizable  but  is  intended  to  be  similarly  optimizable as normal
  303.   programs.   For  example,  there  are  several  places  in  Dhrystone  where
  304.   performance   benefits   from   optimizations   like   common  subexpression
  305.   elimination, value  propagation  etc.,  but  normal  programs  usually  also
  306.   benefit  from  these  optimizations.   Therefore,  no  effort  was  made  to
  307.   artificially  prevent  such  optimizations.   However,  measurement  reports
  308.   should  indicate  which  compiler  optimization  levels  have been used, and
  309.   reporting results with different levels of  compiler  optimization  for  the
  310.   same hardware is encouraged.
  311.  
  312. o Default results are those without "register" declarations (C version)
  313.  
  314.   When Dhrystone results are quoted  without  additional  qualification,  they
  315.   should  be  understood  as  results  obtained  without use of the "register"
  316.   attribute. Good compilers should be able to make good use of registers  even
  317.   without explicit register declarations ([3], p. 193).
  318.  
  319. Of course, for experimental  purposes,  post-linkage  optimization,  procedure
  320. merging and/or compilation in one unit can be done to determine their effects.
  321. However,  Dhrystone  numbers  obtained  under  these  conditions   should   be
  322. explicitly  marked as such; "normal" Dhrystone results should be understood as
  323. results obtained following the ground rules listed above.
  324.  
  325. In any case, for serious performance evaluation, users are advised to ask  for
  326. code  listings  and  to  check  them carefully.  In this way, when results for
  327. different systems are  compared,  the  reader  can  get  a  feeling  how  much
  328. performance  difference is due to compiler optimization and how much is due to
  329. hardware speed.
  330.  
  331.  
  332. 6.  Acknowledgements
  333.  
  334. The C version 2.1 of Dhrystone has been developed  in  cooperation  with  Rick
  335. Richardson  (Tinton  Falls,  NJ), it incorporates many ideas from the "Version
  336. 1.1" distributed previously by him over the UNIX network Usenet.  Through  his
  337. activity with Usenet, Rick Richardson has made a very valuable contribution to
  338. the dissemination of the benchmark.  I also thank  Chaim  Benedelac  (National
  339. Semiconductor),  David Ditzel (SUN), Earl Killian and John Mashey (MIPS), Alan
  340. Smith and Rafael  Saavedra-Barrera  (UC  at  Berkeley)  for  their  help  with
  341. comments on earlier versions of the benchmark.
  342.  
  343.  
  344. 7.  Bibliography
  345.  
  346. [1]
  347.    Reinhold P. Weicker: Dhrystone: A Synthetic Systems Programming Benchmark.
  348.    Communications of the ACM 27, 10 (Oct. 1984), 1013-1030
  349.  
  350. [2]
  351.    Rick Richardson: Dhrystone 1.1 Benchmark Summary (and Program Text)
  352.    Informal Distribution via "Usenet", Last Version Known  to  me:  Sept.  21,
  353.    1987
  354.  
  355. [3]
  356.    Brian W. Kernighan and Dennis M. Ritchie:  The C Programming Language.
  357.    Prentice-Hall, Englewood Cliffs (NJ) 1978
  358.  
  359.