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单核双发射5级流水CPU的IPC性能分析

分析结论

单核双发射5级流水的CPU， 跑随机指令的IPC 大约为0.06

CPU模型说明

Cpu模型采用gem5中的minorCPU, RISCV64架构。这是一个顺序五级流水的双发射CPU。 整个仿真系统主要由CPU，Icache, Dcache, itlb, dtlb, membus, memctrls, DDR3 构成。

gem5_monor

重点参数如下：

  • L1 Dcache : 256KB缓存，8路组相联，cache line 64字节
  • BPU： 静态非token分支预测器
  • FU: IntFU x 2, IntMulFU x 1, IntDivFU x 1, FloatSimdFU x 1, PredFU x 1, MemFU x 1

测试case说明

根据RandomX算法的说明, 参考RandomX specs文档，有如下统计

指令类型 条数占比 比例
Integer instructions 120/256 46%
Floating point instructions 92/256 36%
Control instructions 26/256 10%
Store instruction 16/256 6%

测试case使用随机指令生成器根据XMR特性进行生成。配置随机指令发生器，使其产生的case中各种指令的比重接近于RandomX 的各种指令占比。 测试case中的指令有如下特点：

  • 访存物理地址范围大小为4MB
  • 指令类型所占比例与RandomX差距不大，但细分类型有出入（从详细统计中能够看出）

测试结果

根据gem5的统计，指令共计1873条,花费29392个cycle, case中各种指令比例如下：

统计类 统计值 比例
Integer 840 44.84%
Floating 611 32.62%
control 215 11.48%
memory 204 10.89%

如下为详细统计：

具体类型 条数 比例
system.cpu.numCycles 29392
system.cpu.numInsts 1873
system.cpu.numOps 1873
system.cpu.numDiscardedOps 231
system.cpu.numFetchSuspends 0
system.cpu.cpi 15.692472
system.cpu.ipc 0.063725
system.cpu.committedInstType_0::No_OpClass 3 0.16%
system.cpu.committedInstType_0::IntAlu 1055 56.33%
system.cpu.committedInstType_0::IntMult 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::IntDiv 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::FloatAdd 108 5.77%
system.cpu.committedInstType_0::FloatCmp 128 6.83%
system.cpu.committedInstType_0::FloatCvt 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::FloatMult 49 2.62%
system.cpu.committedInstType_0::FloatMultAcc 225 12.01%
system.cpu.committedInstType_0::FloatDiv 52 2.78%
system.cpu.committedInstType_0::FloatMisc 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::FloatSqrt 49 2.62%
system.cpu.committedInstType_0::SimdAdd 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdAddAcc 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdAlu 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdCmp 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdCvt 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdMisc 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdMult 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdMultAcc 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdShift 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdShiftAcc 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdDiv 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdSqrt 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatAdd 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatAlu 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatCmp 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatCvt 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatDiv 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatMisc 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatMult 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatMultAcc 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatSqrt 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdReduceAdd 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdReduceAlu 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdReduceCmp 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatReduceAdd 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdFloatReduceCmp 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdAes 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdAesMix 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdSha1Hash 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdSha1Hash2 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdSha256Hash 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdSha256Hash2 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdShaSigma2 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdShaSigma3 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::SimdPredAlu 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::MemRead 165 8.81%
system.cpu.committedInstType_0::MemWrite 39 2.08%
system.cpu.committedInstType_0::FloatMemRead 0 0.00%
system.cpu.committedInstType_0::FloatMemWrite 0 0.00%