sdcc-extra/historygraphs/dhrystone-stm8/VARIATIONS

   1
   2             Understanding Variations in Dhrystone Performance
   3
   4
   5
   6           By Reinhold P. Weicker, Siemens AG, AUT E 51, Erlangen
   7
   8
   9
  10                                 April 1989
  11
  12
  13                       This article has appeared in:
  14
  15
  16         Microprocessor Report, May 1989 (Editor: M. Slater), pp. 16-17
  17
  18
  19
  20
  21 Microprocessor manufacturers tend to credit all the  performance  measured  by
  22 benchmarks to the speed of their processors, they often don't even mention the
  23 programming language and compiler used. In their detailed  documents,  usually
  24 called  "performance brief" or "performance report," they usually do give more
  25 details. However, these details are often lost in the press releases and other
  26 marketing  statements.  For serious performance evaluation, it is necessary to
  27 study the code generated by the various compilers.
  28
  29 Dhrystone was originally published in Ada (Communications  of  the  ACM,  Oct.
  30 1984).  However, since good Ada compilers were rare at this time and, together
  31 with UNIX, C became more and more popular, the C version of Dhrystone  is  the
  32 one  now  mainly  used in industry. There are "official" versions 2.1 for Ada,
  33 Pascal, and C,  which  are  as  close  together  as  the  languages'  semantic
  34 differences permit.
  35
  36 Dhrystone contains two statements  where  the  programming  language  and  its
  37 translation play a major part in the execution time measured by the benchmark:
  38
  39   o   String assignment (in procedure Proc_0 / main)
  40   o   String comparison (in function Func_2)
  41
  42 In Ada and Pascal, strings are arrays of characters where the  length  of  the
  43 string  is  part  of the type information known at compile time. In C, strings
  44 are also arrays of characters, but there  are  no  operators  defined  in  the
  45 language  for  assignment  and  comparison  of  strings.   Instead,  functions
  46 "strcpy" and "strcmp" are used. These functions are  defined  for  strings  of
  47 arbitrary  length, and make use of the fact that strings in C have to end with
  48 a terminating null byte. For general-purpose calls  to  these  functions,  the
  49 implementor  can  assume  nothing  about  the  length and the alignment of the
  50 strings involved.
  51
  52 The C version of Dhrystone spends a relatively large amount of time  in  these
  53 two  functions.  Some  time  ago, I made measurements on a VAX 11/785 with the
  54 Berkeley UNIX (4.2) compilers (often-used compilers,  but  certainly  not  the
  55 most  advanced).  In  the  C  version, 23% of the time was spent in the string
  56 functions; in the Pascal version, only 10%. On good RISC machines (where  less
  57 time is spent in the procedure calling sequence than on a VAX) and with better
  58 optimizing compilers, the percentage is higher; MIPS has reported 34%  for  an
  59 R3000.   Because  of this effect, Pascal and Ada Dhrystone results are usually
  60 better than C results (except when the optimization quality of the C  compiler
  61 is considerably better than that of the other compilers).
  62
  63 Several people have noted that the string operations are  over-represented  in
  64 Dhrystone,  mainly  because the strings occurring in Dhrystone are longer than
  65 average strings. I admit that this is true, and have said  so  in  my  SIGPLAN
  66 Notices  paper  (Aug.  1988);  however, I didn't want to generate confusion by
  67 changing the string lengths from version 1 to version 2.
  68
  69 Even if they are somewhat over-represented in Dhrystone, string operations are
  70 frequent  enough  that  it makes sense to implement them in the most efficient
  71 way possible, not only for benchmarking purposes.  This means  that  they  can
  72 and should be written in assembly language code. ANSI C also explicitly allows
  73 the strings functions to be implemented as macros, i.e. by inline code.
  74
  75 There is also a third way to speed up the "strcpy" statement in Dhrystone: For
  76 this  particular  "strcpy" statement, the source of the assignment is a string
  77 constant. Therefore, in contrast to calls to "strcpy" in the general case, the
  78 compiler  knows  the  length  and alignment of the strings involved at compile
  79 time and can generate code in the same efficient  way  as  a  Pascal  compiler
  80 (word instructions instead of byte instructions).
  81
  82 This is not allowed in the case of the "strcmp" call: Here, the addresses  are
  83 formal  procedure  parameters, and no assumptions can be made about the length
  84 or alignment of the strings.  Any such assumptions would indicate an incorrect
  85 implementation.  They  might work for Dhrystone, where the strings are in fact
  86 word-aligned  with  typical  compilers,  but  other  programs  would   deliver
  87 incorrect results.
  88
  89 So, for an apple-to-apple  comparison  between  processors,  and  not  between
  90 several  possible  (legal  or  illegal)  degrees of compiler optimization, one
  91 should check that the systems are comparable with  respect  to  the  following
  92 three points:
  93
  94   (1) String functions in assembly language vs. in C
  95
  96       Frequently used functions such as the string functions can and should be
  97       written  in  assembly language, and all serious C language systems known
  98       to me do this. (I list this point  for  completeness  only.)  Note  that
  99       processors  with an instruction that checks a word for a null byte (such
 100       as AMD's  29000  and  Intel's  80960)  have  an  advantage  here.  (This
 101       advantage  decreases  relatively if optimization (3) is applied.) Due to
 102       the length of the strings involved in Dhrystone, this advantage  may  be
 103       considered  too  high  in  perspective, but it is certainly legal to use
 104       such instructions - after all,  these  situations  are  what  they  were
 105       invented for.
 106
 107   (2) String function code inline vs. as library functions.
 108
 109       ANSI  C  has  created  a  new  situation,  compared   with   the   older
 110       Kernighan/Ritchie  C.  In  the  original C, the definition of the string
 111       function was not part of the  language.  Now  it  is,  and  inlining  is
 112       explicitly  allowed.  I  probably  should have stated more clearly in my
 113       SIGPLAN  Notices  paper  that  the  rule  "No  procedure  inlining   for
 114       Dhrystone"  referred  to  the  user level procedures only and not to the
 115       library routines.
 116
 117   (3) Fixed-length and alignment assumptions for the strings
 118
 119       Compilers should be allowed to optimize in these cases if (and only  if)
 120       it  is safe to do so. For Dhrystone, this is the "strcpy" statement, but
 121       not the  "strcmp"  statement  (unless,  of  course,  the  "strcmp"  code
 122       explicitly   checks   the  alignment  at  execution  time  and  branches
 123       accordingly).  A "Dhrystone switch" for the  compiler  that  causes  the
 124       generation  of  code  that  may  not work under certain circumstances is
 125       certainly inappropriate for comparisons. It has been reported in  Usenet
 126       that some C compilers provide such a compiler option; since I don't have
 127       access to all C compilers involved, I cannot verify this.
 128
 129       If the fixed-length and word-alignment assumption can be  used,  a  wide
 130       bus  that permits fast multi-word load instructions certainly does help;
 131       however, this fact by itself should not make a really big difference.
 132
 133 A check of  these  points  -  something  that  is  necessary  for  a  thorough
 134 evaluation  and  comparison  of  the  Dhrystone  performance claims - requires
 135 object code listings as well as listings for  the  string  functions  (strcpy,
 136 strcmp) that are possibly called by the program.
 137
 138 I don't pretend that Dhrystone is  a  perfect  tool  to  measure  the  integer
 139 performance  of microprocessors. The more it is used and discussed, the more I
 140 myself learn about aspects that I hadn't noticed yet when I wrote the program.
 141 And  of  course,  the  very success of a benchmark program is a danger in that
 142 people may tune their compilers and/or hardware to it, and  with  this  action
 143 make it less useful.
 144
 145 Whetstone and Linpack have their critical points also:  The  Whetstone  rating
 146 depends  heavily on the speed of the mathematical functions (sine, sqrt, ...),
 147 and Linpack is sensitive to data alignment for some cache configurations.
 148
 149 Introduction of a standard set of public domain benchmark software  (something
 150 the  SPEC  effort attempts) is certainly a worthwhile thing.  In the meantime,
 151 people will continue to use whatever is available and widely distributed,  and
 152 Dhrystone  ratings  are probably still better than MIPS ratings if these are -
 153 as often in industry - based on  no  reproducible  derivation.   However,  any
 154 serious  performance  evaluation  requires  more than just a comparison of raw
 155 numbers; one has to make sure  that  the  numbers  have  been  obtained  in  a
 156 comparable way.
 157