Hackfix and re-enable strtoull and wcstoull, see bug #3798.
[sdcc.git] / sdcc-extra / historygraphs / dhrystone-stm8 / RATIONALE
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3     Dhrystone Benchmark: Rationale for Version 2 and Measurement Rules
5         [published in SIGPLAN Notices 23,8 (Aug. 1988), 49-62]
8                  Reinhold P. Weicker
9                  Siemens AG, E STE 35
10                  [now: Siemens AG, AUT E 51]
11                  Postfach 3220
12                  D-8520 Erlangen
13                  Germany (West)
18 1.  Why a Version 2 of Dhrystone?
20 The Dhrystone benchmark  program  [1]  has  become  a  popular  benchmark  for
21 CPU/compiler   performance   measurement,   in   particular  in  the  area  of
22 minicomputers, workstations, PC's and microprocesors.  It apparently satisfies
23 a  need  for  an  easy-to-use  integer benchmark; it gives a first performance
24 indication which is more meaningful than MIPS numbers which, in their  literal
25 meaning  (million  instructions  per  second), cannot be used across different
26 instruction sets (e.g. RISC  vs.  CISC).   With  the  increasing  use  of  the
27 benchmark, it seems necessary to reconsider the benchmark and to check whether
28 it can still fulfill this function.  Version 2 of Dhrystone is the  result  of
29 such a re-evaluation, it has been made for two reasons:
31 o Dhrystone has been published in Ada [1], and Versions in Ada, Pascal  and  C
32   have  been  distributed  by  Reinhold Weicker via floppy disk.  However, the
33   version that was used most often for benchmarking has been the version  made
34   by  Rick  Richardson  by another translation from the Ada version into the C
35   programming language, this has been the version  distributed  via  the  UNIX
36   network Usenet [2].
38   There is an obvious need for a common C version of Dhrystone, since C is  at
39   present  the  most  popular  system  programming  language  for the class of
40   systems (microcomputers, minicomputers,  workstations)  where  Dhrystone  is
41   used  most.   There  should  be,  as  far as possible, only one C version of
42   Dhrystone such that results can be compared  without  restrictions.  In  the
43   past,  the  C  versions  distributed by Rick Richardson (Version 1.1) and by
44   Reinhold Weicker had small (though not significant) differences.
46   Together with the new C version, the  Ada  and  Pascal  versions  have  been
47   updated as well.
49 o As far as it is  possible  without  changes  to  the  Dhrystone  statistics,
50   optimizing   compilers   should   be  prevented  from  removing  significant
51   statements.  It has  turned  out  in  the  past  that  optimizing  compilers
52   suppressed  code  generation for too many statements (by "dead code removal"
53   or  "dead  variable  elimination").   This  has  lead  to  the  danger  that
54   benchmarking  results obtained by a naive application of Dhrystone - without
55   inspection of the code that was generated - could become meaningless.
57 The  overall  policiy  for  version  2  has  been  that  the  distribution  of
58 statements,  operand types and operand locality described in [1] should remain
59 unchanged as much as possible.  (Very few changes were necessary; their impact
60 should be negligible.)  Also, the order of statements should remain unchanged.
61 Although I am aware of some critical remarks on the benchmark - I  agree  with
62 several  of them - and know some suggestions for improvement, I didn't want to
63 change the benchmark into something different from what has  become  known  as
64 "Dhrystone"; the confusion generated by such a change would probably outweight
65 the benefits. If I were to write a new benchmark program, I wouldn't  give  it
66 the  name  "Dhrystone"  since  this  denotes  the  program  published  in [1].
67 However, I do recognize  the  need  for  a  larger  number  of  representative
68 programs  that can be used as benchmarks; users should always be encouraged to
69 use more than just one benchmark.
71 The new versions (version 2.1 for C, Pascal and Ada) will  be  distributed  as
72 widely as possible.  (Version 2.1 differs from version 2.0 distributed via the
73 UNIX Network Usenet in  March  1988  only  in  a  few  corrections  for  minor
74 deficiencies  found  by  users  of  version 2.0.)  Readers who want to use the
75 benchmark for their own measurements can obtain  a  copy  in  machine-readable
76 form on floppy disk (MS-DOS or XENIX format) from the author.
79 2.  Overall Characteristics of Version 2
81 In general, version 2  follows  -  in  the  parts  that  are  significant  for
82 performance  measurement,  i.e.   within  the measurement loop - the published
83 (Ada) version and the C versions previously distributed.  Where  the  versions
84 distributed  by  Rick Richardson [2] and Reinhold Weicker have been different,
85 it  follows  the  version  distributed  by  Reinhold  Weicker.  (However,  the
86 differences  have  been  so  small  that their impact on execution time in all
87 likelihood has been negligible.)  The initialization and UNIX  instrumentation
88 part  -  which  had  been  omitted  in  [1] - follows mostly the ideas of Rick
89 Richardson [2].  However, any changes in the initialization part  and  in  the
90 printing  of  the  result have no impact on performance measurement since they
91 are outside the measaurement loop.  As a concession to older compilers,  names
92 have been made unique within the first 8 characters for the C version.
94 The original publication of Dhrystone did not contain any statements for  time
95 measurement  since  they  are necessarily system-dependent. However, it turned
96 out that it is not enough just to inclose the main procedure of Dhrystone in a
97 loop  and  to  measure the execution time.  If the variables that are computed
98 are not used somehow, there is the danger that the compiler considers them  as
99 "dead  variables" and suppresses code generation for a part of the statements.
100 Therefore in version 2 all variables of "main" are printed at the end  of  the
101 program.  This also permits some plausibility control for correct execution of
102 the benchmark.
104 At several places in the benchmark, code has been added, but only in  branches
105 that  are  not  executed. The intention is that optimizing compilers should be
106 prevented from moving code out of the measurement loop, or from removing  code
107 altogether.  Statements that are executed have been changed in very few places
108 only.  In these cases, only the role of some operands has been changed, and it
109 was   made  sure  that  the  numbers  defining  the  "Dhrystone  distribution"
110 (distribution of statements, operand types and locality) still hold as much as
111 possible.   Except for sophisticated optimizing compilers, execution times for
112 version 2.1 should be the same as for previous versions.
114 Because of the self-imposed limitation that the order and distribution of  the
115 executed  statements  should  not  be  changed,  there  are  still cases where
116 optimizing compilers may not generate code for some statements. To  a  certain
117 degree,  this  is  unavoidable  for  small synthetic benchmarks.  Users of the
118 benchmark are advised to check code listings whether code is generated for all
119 statements of Dhrystone.
121 Contrary to the suggestion in the published paper and its realization  in  the
122 versions previously distributed, no attempt has been made to subtract the time
123 for the measurement loop overhead. (This calculation has proven  difficult  to
124 implement  in  a  correct  way,  and  its omission makes the program simpler.)
125 However, since the loop check is now part of the benchmark, this does have  an
126 impact  -  though a very minor one - on the distribution statistics which have
127 been updated for this version.
130 3.  Discussion of Individual Changes
132 In this section, all changes are described that affect  the  measurement  loop
133 and  that  are  not  just  renamings  of variables. All remarks refer to the C
134 version; the other language versions have been updated similarly.
136 In addition to adding  the  measurement  loop  and  the  printout  statements,
137 changes have been made at the following places:
139 o In procedure "main", three statements have been added  in  the  non-executed
140   "then" part of the statement
142         if (Enum_Loc == Func_1 (Ch_Index, 'C'))
144   they are
146         strcpy (Str_2_Loc, "DHRYSTONE PROGRAM, 3'RD STRING");
147         Int_2_Loc = Run_Index;
148         Int_Glob = Run_Index;
150   The string assignment prevents  movement  of  the  preceding  assignment  to
151   Str_2_Loc  (5'th  statement  of  "main")  out  of the measurement loop (This
152   probably will not happen for the C version, but it did happen  with  another
153   language   and  compiler.)   The  assignment  to  Int_2_Loc  prevents  value
154   propagation for Int_2_Loc, and the assignment to Int_Glob makes the value of
155   Int_Glob possibly dependent from the value of Run_Index.
157 o In the three arithmetic computations at the end of the measurement  loop  in
158   "main  ",  the  role  of  some  variables has been exchanged, to prevent the
159   division from just cancelling out the multiplication as it was  in  [1].   A
160   very   smart  compiler  might  have  recognized  this  and  suppressed  code
161   generation for the division.
163 o For Proc_2, no code has been changed, but the values of the actual parameter
164   have changed due to changes in "main".
166 o In Proc_4, the second assignment has been changed from
168         Bool_Loc = Bool_Loc | Bool_Glob;
170   to
172         Bool_Glob = Bool_Loc | Bool_Glob;
174   It now assigns a value to a global variable  instead  of  a  local  variable
175   (Bool_Loc);   Bool_Loc  would  be  a  "dead  variable"  which  is  not  used
176   afterwards.
178 o In Func_1, the statement
180         Ch_1_Glob = Ch_1_Loc;
182   was added in the non-executed "else" part of the "if" statement, to  prevent
183   the suppression of code generation for the assignment to Ch_1_Loc.
185 o In Func_2, the second character comparison statement has been changed to
187         if (Ch_Loc == 'R')
189   ('R' instead of 'X') because  a  comparison  with  'X'  is  implied  in  the
190   preceding "if" statement.
192   Also in Func_2, the statement
194         Int_Glob = Int_Loc;
196   has been added in the non-executed part of the last "if" statement, in order
197   to prevent Int_Loc from becoming a dead variable.
199 o In Func_3, a non-executed "else" part has been added to the "if"  statement.
200   While  the  program  would  not be incorrect without this "else" part, it is
201   considered bad programming practice if a function  can  be  left  without  a
202   return value.
204   To compensate for this change, the (non-executed) "else" part  in  the  "if"
205   statement of Proc_3 was removed.
207 The distribution statistics have been changed only  by  the  addition  of  the
208 measurement loop iteration (1 additional statement, 4 additional local integer
209 operands) and by the change in Proc_4  (one  operand  changed  from  local  to
210 global).  The distribution statistics in the comment headers have been updated
211 accordingly.
214 4.  String Operations
216 The string operations (string assignment and string comparison) have not  been
217 changed, to keep the program consistent with the original version.
219 There has been some concern that the string operations are over-represented in
220 the  program,  and that execution time is dominated by these operations.  This
221 was true in particular when optimizing compilers removed too much code in  the
222 main part of the program, this should have been mitigated in version 2.
224 It should be noted that this is a  language-dependent  issue:   Dhrystone  was
225 first  published  in  Ada, and with Ada or Pascal semantics, the time spent in
226 the string operations is,  at  least  in  all  implementations  known  to  me,
227 considerably smaller.  In Ada and Pascal, assignment and comparison of strings
228 are operators defined in the language, and the upper  bounds  of  the  strings
229 occuring  in  Dhrystone  are part of the type information known at compilation
230 time.  The compilers can therefore generate  efficient  inline  code.   In  C,
231 string  assignemt  and comparisons are not part of the language, so the string
232 operations must be expressed in terms of the C library functions "strcpy"  and
233 "strcmp".   (ANSI  C  allows  an  implementation  to use inline code for these
234 functions.)  In addition to the overhead caused by additional function  calls,
235 these  functions  are  defined for null-terminated strings where the length of
236 the strings is not known at compilation time; the function has to check  every
237 byte for the termination condition (the null byte).
239 Obviously, a C library which includes efficiently coded "strcpy" and  "strcmp"
240 functions  helps to obtain good Dhrystone results. However, I don't think that
241 this is unfair since string  functions  do  occur  quite  frequently  in  real
242 programs  (editors, command interpreters, etc.).  If the strings functions are
243 implemented efficiently,  this  helps  real  programs  as  well  as  benchmark
244 programs.
246 I admit that the  string  comparison  in  Dhrystone  terminates  later  (after
247 scanning  20  characters)  than most string comparisons in real programs.  For
248 consistency with the original benchmark, I didn't change the  program  despite
249 this weakness.
252 5.  Intended Use of Dhrystone
254 When Dhrystone is used, the following "ground rules" apply:
256 o Separate compilation (Ada and C versions)
258   As mentioned in [1], Dhrystone was written  to  reflect  actual  programming
259   practice  in  systems  programming.   The  division into several compilation
260   units (5 in the Ada version, 2 in the C version)  is  intended,  as  is  the
261   distribution of inter-module and intra-module subprogram calls.  Although on
262   many systems there will be no difference in execution time  to  a  Dhrystone
263   version  where  all  compilation units are merged into one file, the rule is
264   that separate compilation should  be  used.   The  intention  is  that  real
265   programming  practice,  where  programs  consist  of  several  independently
266   compiled units, should  be  reflected.   This  also  has  implies  that  the
267   compiler,  while  compiling  one  unit,  has no information about the use of
268   variables, register allocation etc.  occuring in  other  compilation  units.
269   Although  in  real  life  compilation  units  will  probably  be larger, the
270   intention is that these effects  of  separate  compilation  are  modeled  in
271   Dhrystone.
273   A few language systems have post-linkage optimization available (e.g., final
274   register allocation is performed after linkage).  This is a borderline case:
275   Post-linkage  optimization  involves  additional  program  preparation  time
276   (although  not  as  much  as  compilation in one unit) which may prevent its
277   general use in practical programming.  I think that  since  it  defeats  the
278   intentions given above, it should not be used for Dhrystone.
280   Unfortunately, ISO/ANSI  Pascal  does  not  contain  language  features  for
281   separate  compilation.   Although  most  commercial Pascal compilers provide
282   separate compilation in some way, we cannot use it for Dhrystone since  such
283   a  version  would  not  be portable.  Therefore, no attempt has been made to
284   provide a Pascal version with several compilation units.
286 o No procedure merging
288   Although Dhrystone contains some very short procedures where execution would
289   benefit  from  procedure  merging (inlining, macro expansion of procedures),
290   procedure merging is not to be used.  The reason is that the  percentage  of
291   procedure  and  function  calls  is  part of the "Dhrystone distribution" of
292   statements contained in [1].  This restriction does not hold for the  string
293   functions  of  the  C  version  since ANSI C allows an implementation to use
294   inline code for these functions.
296 o Other optimizations are allowed, but they should be indicated
298   It is often hard to draw an exact line between "normal code generation"  and
299   "optimization"  in  compilers:  Some compilers perform operations by default
300   that are invoked in other compilers only  when  optimization  is  explicitly
301   requested.  Also, we cannot avoid that in benchmarking people try to achieve
302   results that look as good as possible.  Therefore,  optimizations  performed
303   by  compilers  -  other  than  those  listed  above - are not forbidden when
304   Dhrystone execution times are measured.  Dhrystone is  not  intended  to  be
305   non-optimizable  but  is  intended  to  be  similarly  optimizable as normal
306   programs.   For  example,  there  are  several  places  in  Dhrystone  where
307   performance   benefits   from   optimizations   like   common  subexpression
308   elimination, value  propagation  etc.,  but  normal  programs  usually  also
309   benefit  from  these  optimizations.   Therefore,  no  effort  was  made  to
310   artificially  prevent  such  optimizations.   However,  measurement  reports
311   should  indicate  which  compiler  optimization  levels  have been used, and
312   reporting results with different levels of  compiler  optimization  for  the
313   same hardware is encouraged.
315 o Default results are those without "register" declarations (C version)
317   When Dhrystone results are quoted  without  additional  qualification,  they
318   should  be  understood  as  results  obtained  without use of the "register"
319   attribute. Good compilers should be able to make good use of registers  even
320   without explicit register declarations ([3], p. 193).
322 Of course, for experimental  purposes,  post-linkage  optimization,  procedure
323 merging and/or compilation in one unit can be done to determine their effects.
324 However,  Dhrystone  numbers  obtained  under  these  conditions   should   be
325 explicitly  marked as such; "normal" Dhrystone results should be understood as
326 results obtained following the ground rules listed above.
328 In any case, for serious performance evaluation, users are advised to ask  for
329 code  listings  and  to  check  them carefully.  In this way, when results for
330 different systems are  compared,  the  reader  can  get  a  feeling  how  much
331 performance  difference is due to compiler optimization and how much is due to
332 hardware speed.
335 6.  Acknowledgements
337 The C version 2.1 of Dhrystone has been developed  in  cooperation  with  Rick
338 Richardson  (Tinton  Falls,  NJ), it incorporates many ideas from the "Version
339 1.1" distributed previously by him over the UNIX network Usenet.  Through  his
340 activity with Usenet, Rick Richardson has made a very valuable contribution to
341 the dissemination of the benchmark.  I also thank  Chaim  Benedelac  (National
342 Semiconductor),  David Ditzel (SUN), Earl Killian and John Mashey (MIPS), Alan
343 Smith and Rafael  Saavedra-Barrera  (UC  at  Berkeley)  for  their  help  with
344 comments on earlier versions of the benchmark.
347 7.  Bibliography
350    Reinhold P. Weicker: Dhrystone: A Synthetic Systems Programming Benchmark.
351    Communications of the ACM 27, 10 (Oct. 1984), 1013-1030
354    Rick Richardson: Dhrystone 1.1 Benchmark Summary (and Program Text)
355    Informal Distribution via "Usenet", Last Version Known  to  me:  Sept.  21,
356    1987
359    Brian W. Kernighan and Dennis M. Ritchie:  The C Programming Language.
360    Prentice-Hall, Englewood Cliffs (NJ) 1978