arquitetura e organização de computadores 1 josé hiroki saito igor marçal botamede spadoni –...
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Arquitetura e Organização de Computadores 1José Hiroki Saito
Igor Marçal Botamede Spadoni – PESCD
Eficiência de um sistema inteiro Avaliar e compreender o desempenho
trata: Medir Informar Resumir Fatores determinantes
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É complexo avaliar o desempenho desse tipo de sistema Complexidade e escala dos softwares
modernos Ampla gama de técnicas de melhoria de
desempenho Impossível sentar com um manual do
conjunto de instruções e determinar a velocidade de execução de um sistema
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Desempenho é um fator importante para os projetistas O que determina o desempenho de um
computador?
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Analogia com aviões de passageiro
Desempenho determinado pela velocidade: Quão rápido é o Concorde comparado com o
747? 1 passageiro de um ponto a outro 450 passageiro de um ponto a outro
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Avião Passageiros Autonomia (mi) Velocidade (mph)
Boeing 777 375 4630 610Boeing 747 470 4150 610BAC/Sud Concorde 132 4000 1350Douglas DC-8-50 146 8720 544
Tempo de Resposta (latência) Quanto tempo leva para executar uma tarefa?
Throughput Quantas tarefas a máquina pode executar de
uma vez? O que é a taxa média de execução?
Qual o impacto, se substituir o processador por uma versão mais rápida?
Qual o impacto, se adicionarmos uma nova máquina no laboratório?
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Tempo de Resposta ou Tempo de Execução Tempo entre inicio e término de uma tarefa Diminuir o tempo de resposta quase
sempre melhora a vazão Dizer que uma máquina A é n vezes mais
rápida que uma máquina B significa que:
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nxecuçãotempo de e
xecuçãotempo de e
A
B
Desempenho é definido como o inverso do tempo de execução
Desempenho Relativo
8
AA
1desempenho
xecuçãotempo de e
B
A
A
B
A
B1
1
desempenho
desempenho
desempenho
desempenho
xecuçãotempo de e
xecuçãotempo de en
Problema: máquina A executa um programa em 10
segundos máquina B executa o mesmo programa em
15 segundosCalcular n
5,110
15A
B
B
A
n
n
xecuçãotempo de e
xecuçãotempo de e
desempenho
desempenhon
Tempo decorrido Tempo de CPU gasto no SO realizando as
tarefas a pedido do programa Tempo de CPU
Não conta E/S ou tempo dispendido rodando outros programas
significa o tempo que a CPU consome computando
Nosso foco: tempo de CPU do usuário tempo gasto executando linhas de código que
estão “dentro” do nosso programa
Caracterizado por limitações de tempo real
Dois tipos de limitações Tempo real rígido
Define um limite fixo para responder ou processar um evento (ex: freio antitravamento)
Tempo real flexível Uma resposta média ou uma resposta dentro
de um tempo limitado a uma grande fração dos eventos (ex: manipular quadros de vídeos em um sistema de reprodução)
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Métricas utilizadas Ciclos de clock Tempo de ciclo Instruções por programa Média dos ciclos de clock por instrução
ou
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cloempo do ci clock x t ciclos dexecução tempo de e
de clockvelocidade
clockciclos de xecuçãotempo de e
Porém nas equações anteriores não fazemos referência ao número de instruções necessárias para o programa, logo o número de ciclos de clock pode ser estendido como:
Ciclos de clock por instrução pode ser chamado como CPI
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rução por instama o progr iclosédia dos cs para x m Instruçõeclock ciclos de
cloempo do cie Inst x t CPIx Nº dxecução tempo de e
Ao invés de reportar o tempo de execução em segundos, geralmente usa-se ciclos
Um “tick” de clock indica quando se inicia uma atividade Tempo de ciclo = tempo entre ticks =
segundos por ciclo Taxa de clock (frequência) = ciclos por
segundo (1 Hz. = 1 ciclo/s)
Assumir que # de ciclos = # de instruções
Essa consideração é apenas uma aproximação, pois diferentes instruções levam diferentes tempos para serem executadas.
time
1st
inst
ruct
ion
2nd
inst
ruct
ion
3rd
inst
ruct
ion
4th
5th
6th ...
Multiplicação leva mais tempo que soma Operações de ponto flutuante levam
mais tempo que operações de inteiros Acessar memória leva mais tempo que
acessar registradores Importante: alterando o tempo de ciclo muitas vezes
altera o número de ciclos requerido para várias instruções
tempo
Computador A executa um programa em 10 segundos e tem um clock de 4 GHz
Computador B execute esse programa em 6 segundos e B exija 1,2 vez mais ciclos de clock do que o computador A
Qual a velocidade de clock de B?
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18GHz de clockvelocidade
xx, de clockvelocidadex s
de clockvelocidade
clockxciclos dexecuçãotempo de e
xclockciclos de
x
clockciclos de
de clockvelocidade
clockciclos de xecuçãotempo de e
B
B
B
AB
A
A
A
AA
8
104021 6
2,1
ciclos 1040
104 s 10
9
9
9
Um dado programa irá requerer Certo número de instruções (instruções de
máquina)
Certo número de ciclos
Certo tempo em segundos
A única medida completa e confiável do desempenho é o tempo
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ograma
SegundosTempo
clockCiclos de
SegundosX
Instruções
clockCiclos de X
ograma
InstruçõesTempo
Pr
Pr
Componentes de desempenho Unidades de medidaTempo de execução da CPU de um programa Segundos para o programa
Contagem de instruções Instruções executadas para o programa
CPINúmero médio de ciclos de clock por instrução
Tempo do ciclo de clock Segundos por ciclo de clock
MIPS Milhões de instruções por segundo
Número de instruções de código de máquina que o processador pode executar em um segundo
Porém não é possível usá-lo como medida de desempenho
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610xecução X Tempo de E
ruçõesNº de InstMIPS
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Componente de hardware ou software
Afeta o quê? Como?
Algoritmo
Contagem de instruções,
possivelmente o CPI
Determina o Nº de instruções do programa fonte executadas.
Pode favorecer instruções mais lentas ou rápidas.
Linguagem de Programação
Contagem de instruções e CPI
Instruções da linguagem traduzidas em instrução do processador.
Pode usar chamadas indiretas (CPI mais altos).
CompiladorContagem de
instruções e CPI
Afeta a contagem de instruções e a média de CPI já que determina a
tradução da linguagem de programação para instrução
Conjunto de instruções
Contagem de instruções,
velocidade de clock e CPI
Afeta as instruções necessárias para função, o custo em ciclos de cada instrução e a velocidade geral do
processador.
O desempenho é determinado pelo tempo de execução
As variáveis abaixo não determinam o desempenho: N° de ciclos para executar um programa; N° de instruções num programa; N° de ciclos por segundo; N° médio de ciclos por instrução; e N° médio de instruções por segundo.
Considerar que temos duas implementações da mesma arquitetura do conjunto de instruções (ISA). Para certo programa:Máquina A tem um tempo de ciclo de clock de 250 ps e um CPI de 2.0 Machine B tem um tempo de ciclo de clock de 500 ps e um CPI de 1.2
Qual máquina é mais rápida para esse programa, e por quanto?
25
2,1500
600
6005002,1
5002500,2
21
02
A
B
xIps
xIps
xecuçãotempo de e
xecuçãotempo de en
xIpspsxIx
clock ciclo de x tempo doclockciclos de Tempo
xIpspsxIx
clock ciclo de x tempo doclockciclos de Tempo
,Ixclockciclos de
,Ixclockciclos de
BBB
AAA
B
A
Um projetista de compilador está tentando decidir entre duas sequências de código para uma máquina particular. Baseado numa implementação de hardware, existem 3 classes diferentes de instruções: Classe A, Classe B, e Classe C, que requerem um, dois e três ciclos (respectivamente).
A primeira sequência tem 5 instruções: 2 de A, 1 de B, e 2 de CA segunda sequência tem 6 instruções: 4 de A, 1 de B, e 1 de C.
Qual sequência será mais rápida? Quanto?Qual o CPI para cada sequência?
Determinação melhor do desempenho executando aplicações reais Usa programas típicos de carga de trabalho (workload) desejada Ou, típicos de classes de aplicações desejadas
ex., compiladores/editores, aplicações científicas, gráficos, etc.
Pequenos benchmarks Bom para arquitetos e projetistas Fácil para padronização Podem ser abusados (usados erroneamente)
SPEC (System Performance Evaluation Cooperative) As companhias adotam um conjunto de programas reais
Podem ser abusados
Gráfico de “melhoramento” do compilador e desempenho
0
100
200
300
400
500
600
700
800
tomcatvfppppmatrix300eqntottlinasa7doducspiceespressogcc
BenchmarkCompiler
Enhanced compiler
SPEC
perform
ance
ratio
Benchmark Description
go Artificial intelligence; plays the game of Gom88ksim Motorola 88k chip simulator; runs test programgcc The Gnu C compiler generating SPARC codecompress Compresses and decompresses file in memoryli Lisp interpreterijpeg Graphic compression and decompressionperl Manipulates strings and prime numbers in the special-purpose programming language Perlvortex A database program
tomcatv A mesh generation programswim Shallow water model with 513 x 513 gridsu2cor quantum physics; Monte Carlo simulationhydro2d Astrophysics; Hydrodynamic Naiver Stokes equationsmgrid Multigrid solver in 3-D potential fieldapplu Parabolic/elliptic partial differential equationstrub3d Simulates isotropic, homogeneous turbulence in a cubeapsi Solves problems regarding temperature, wind velocity, and distribution of pollutantfpppp Quantum chemistrywave5 Plasma physics; electromagnetic particle simulation
Dobrando a taxa de clock dobra o desempenho?
Uma máquina com uma taxa de clock lenta pode ter um melhor desempenho?
Clock rate (MHz)
SP
EC
int
2
0
4
6
8
3
1
5
7
9
10
200 25015010050
Pentium
Pentium Pro
PentiumClock rate (MHz)
SP
EC
fp
Pentium Pro
2
0
4
6
8
3
1
5
7
9
10
200 25015010050
As decisões de projeto devem favorecer os casos mais freqüentes: tornar rápido o caso mais comum
A lei de Amdahl define o speed up (S), que consiste do ganho em desempenho que pode ser obtido ao melhorar determinada característica do computador
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Speed Up (S)
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melhoria ausar sem operação a todade desempenho
melhoria a usando operação a todade desempenhoS
melhoria a usando operação a todade execução de tempomelhoria ausar sem operação a todade execução de tempoS
O speed up a partir de alguma melhoria depende de dois fatores
A fração do tempo de computação na máquina original que pode tirar vantagem da melhoria (Fmelhoria): se 20s do tempo de execução de um programa, que leva 60s para ser executado, podem ser melhorados, a fração é 20/60;
O ganho obtido com a execução da melhoria (Smelhoria): se a melhoria leva 2s para ser executada e a original leva 5s, o ganho é 5/2.
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O tempo de execução usando a máquina original com a melhoria (tenovo) será igual ao tempo gasto usando a parte da máquina sem melhoria mais o tempo gasto usando a melhoria
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melhoria
melhoriamelhoriaantigonovo S
FFtete 1
O speed up total (Stotal) é a razão entre os tempos de execução
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melhoria
melhoriamelhoria
novo
antigototal
S
FFte
teS
1
1
Suponha uma melhoria que executa 10 vezes mais rápido do que o original, mas é utilizada somente 40% do tempo
A lei de Amdahl serve como um indicativo de quanto uma melhoria irá aumentar o desempenho total e como distribuir recursos para melhorar a relação custo/desempenho.
O objetivo é investir recursos proporcionalmente aonde o tempo é gasto
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4.0melhoriaF
10melhoriaS
56.164.01
104.0
6.0
1
totalS
Desempenho é específico a um programa particular
O tempo de execução total é um resultado do desempenhoPara que uma dada arquitetura melhore
deve-se:Aumentar a taxa de clock (sem afetar o CPI)Melhorar a organização do processador para
diminuir o CPIMelhorar o compilador para diminuir o CPI e/ou
número de instruções
Cuidado: não esperar que a melhoria do desempenho num aspecto de uma máquina melhore sempre o seu desempenho total!
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FIM
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40