ARQUITETURA DE COMPUTADORES

Transcrição

1 ARQUITETURA DE COMPUTADORES Desempenho Prof Daves Martins Msc Computação de Alto Desempenho

2 Fundamentos de Organização de Computadores Desempenho

3 Avaliação de Desempenho

4 Introdução Tempo de relógio real necessário para execução de um programa: acessos a disco atividades de I/O overhead do sistema operacional, da rede,... no entanto, seguidamente um sistema executa diversos programas simultaneamente throughput é uma medida do número de tarefas executada por unidade de tempo O que otimizar? tempo de resposta de um programa isolado? throughput do sistema?

5 Introdução Distinção entre tempo de: relógio real gasto em um programa, e CPU efetivamente gasto com tarefas específicas do programa não inclui tempo de execução de outros programas, tempo de espera por I/O,... O tempo de CPU está dividido em tempo de: usuário: tempo gasto executando instruções do programa do usuário sistema: tempo gasto com tarefas do S.O. necessárias para a execução do programa do usuário

6 Introdução O desempenho é conseqüência de otimizações feitas em 3 dimensões do hardware: arquitetura: processadores e instruções otimizadas organização: paralelismo e memória cache tecnologia: velocidade de chaveamento das portas lógicas e tempo de acesso à memória O desempenho também depende no entanto do compilador geração de código otimizada bom aproveitamento dos recursos da organização

7 Métricas Básica ciclos de clock = intervalos básicos de tempo nos quais são executadas as operações elementares de uma instrução transferências de valores entre registradores operações aritméticas na ULA período do clock T = tempo de duração de um ciclo de clock. Por exemplo: 1 ns frequência de operação f = número de ciclos de clock por unidade de tempo f = 1 / T se T = 1 ns então f = 1 / = 10 9 = 1 GHz

8 Métricas Básicas tempo de CPU = nº de ciclos de clock X período do clock de um programa do programa por exemplo: programa gasta ciclos período do clock é 1 ns ( ) tempo de CPU do programa = x = = 10 ms alternativamente: tempo de CPU de um programa = nº de ciclos de clock do programa freqüência do clock

9 Métricas Básicas Múltiplo Equivalente decimal Nome Símbolo ,001 milissegundo ms , microssegundo µs , nanossegundo ns , picossegundo ps , fentossegundo fs , atossegundo as , zeptossegundo zs , yoctossegundo ys

10 Métricas Básicas Formas de aumento do desempenho: diminuir o período do clock (tecnologia, organização) diminuir nº de ciclos necessários para execução do programa (organização, arquitetura)

11 Métricas Básicas nº de ciclos de = nº médio de ciclos de X nº instruções instrução clock do programa clock por instrução do programa O nº médio de ciclos de clock por instrução (CPI) é uma média sobre todas as instruções executadas no programa. Exercício: duas máquinas implementam o mesmo conjunto de instruções um mesmo programa é rodado em ambas as máquinas máquina A tem período de clock de 1 ns e CPI = 2.0 para este programa máquina B tem período de clock de 2 ns e CPI = 1.2 para o mesmo programa qual máquina é mais rápida?

12 Resolvendo o exemplo Exercício: duas máquinas implementam o mesmo conjunto de instruções um mesmo programa é rodado em ambas as máquinas máquina A tem período de clock de 1 ns e CPI = 2.0 para este programa máquina B tem período de clock de 2 ns e CPI = 1.2 para o mesmo programa Sabemos que: nº de ciclos de = nº médio de ciclos de X nº instruções instrução clock do programa clock por instrução do programa tempo de CPU = nº de ciclos de clock de um programa do programa X período do clock Portanto: tempo de CPU = nº médio de ciclos de X nº instruções instrução X período do clock de um programa clock por instrução do programa

13 Resolvendo o exemplo Exercício: um mesmo programa é rodado em ambas as máquinas (mesmo número de instruções - I) máquina A tem período de clock de 1 ns e CPI = 2.0 para este programa máquina B tem período de clock de 2 ns e CPI = 1.2 para o mesmo programa tempo de CPU = nº médio de ciclos de X nº instruções instrução X período do clock de um programa clock por instrução do programa Máquina A: tempo de CPU = 2.0 X I (nro. instruções) de um programa tempo de CPU = 2.0xI ns de um programa X 1 ns Máquina B: tempo de CPU = 1.2 X I (nro. instruções) X 2 ns de um programa tempo de CPU = 2.4xI ns de um programa Portanto: a máquina A é mais rápida!

14 Métricas Básicas tempo de CPU = nº de instruções X CPI X período do clock tempo de CPU = nº de instruções X CPI freqüência do clock Como obter estes valores? tempo de CPU é medido executando-se o programa período (ou frequência) do clock é divulgado pelo fabricante nº de instruções e CPI são mais difíceis de obter nº de instruções depende da arquitetura e do compilador CPI depende da organização e do programa conhecendo-se nº de instruções ou CPI, pode-se determinar o outro a partir da fórmula

15 Performance

16 INTRODUÇÃO Para entendermos performance, ou qual máquina tem a melhor, primeiro precisamos definir o que o mesmo significa. Resumidamente, a performance de uma máquina é responsável pela eficácia de todo o sistema, composto pelo hardware e pelo software. Vamos então descrever em detalhes os principais fatores que influenciam positivamente e negativamente a performance de uma máquina, já que é um dos fatores mais importantes, tanto para quem irá comprar quanto pra que irá projetar o mesmo.

17 DEFININDO PERFORMANCE No computador a performance pode ser definida de várias maneiras diferentes. Se você rodar o mesmo programa em duas estações de trabalho diferentes, é lícito afirmar que a mais rápida será a que terminar primeiro. Se você estiver analisando as instalações de um centro de processamento com dois computadores que funcionam em regime de tempo compartilhado rodando tarefas por diversos usuários, podemos afirmar que a máquina mais rápida é a que consegue executar o maior número de programas por dia.

18 DEFININDO PERFORMANCE Se você se colocar no papel de usuário de um computador, seu principal interesse será reduzir o tempo de resposta definido como tempo decorrido entre o início e o fim do seu programa -, tempo esse conhecido como tempo de execução. Porém, se você estiver desempenhando o papel de gerente do centro de computação, seu principal interesse será a quantidade total de trabalho executado em um determinado intervalo de tempo, incluindo aí as maneiras de maximizá-lo, que é o throughput. Resumindo, performance de um computador esta ligado à atuação e desempenho.

19 DEFININDO PERFORMANCE Alguns dos fatores que influenciam a performance do computador, são por exemplo, velocidade do CPU, RAM disponível, velocidade e capacidade do disco rígido.

20 MEDIDAS DE PERFORMANCE Em computação, nos interessa o tempo de resposta, expressões que definem o tempo total para se completar uma determinada tarefa computacional, incluindo os acessos a disco e à memória, as atividades de I/O, o overhead introduzido pela ação do sistema operacional, e tudo o mais. O tempo em um computador é compartilhado e o processador pode trabalhar em mais de um programa simultaneamente.

21 MEDIDAS DE PERFORMANCE O tempo de processador é o tempo gasto por ele na execução das instruções dedicadas a um programa e não inclui o tempo gasto com I/O, nem o tempo gasto para executar outros programas diferentes, no caso dos sistemas que compartilham o tempo do processador. O conceito de tempo de processador reconhece a distinção entre o tempo gasto por ele para executar instruções de determinado programa, e o tempo total gasto na execução desse programa que inclui o tempo de I/O, o tempo de acesso a disco e a memória, e o tempo dedicado ao SO e a outros programas.

22 Escolha de Programa para Avaliar a Performance Uma alternativa para avaliar a performance da máquina é a utilização de benchmarks, que são programas desenvolvidos especialmente para trabalhar na medida da performance. Na verdade, formam um wordload(carga de trabalho) cujo objetivo é estimar a performance do wordload real, utilizado por grupos de usuários.

23 Escolha de Programa para Avaliar a Performance O uso de benchmarks cuja performance dependa de segmentos de código muito pequenos estimula a realizações de otimização tanto na arquitetura quanto no compilador, fazendo com que o sistema tenha uma ótima performance quando executa o pequeno trecho do benchmarck. O conjunto de benchmarks para processador mais conhecido atualmente é o o SPEC (System Performance Evaluation Cooperative).

24 SPEC 89 Gráfico de melhoramento do compilador e desempenho SPEC performance ratio g cc e sp res so s p ice do du c na sa 7 li eq ntott m a trix3 00 fp pp p to m ca tv B en ch m ark C o m piler E n h an ce d co m piler

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26 MELHORAR A PERFORMANCE Tarefa Gerenciar os programas de inicialização Descrição Alguns programas são iniciados automaticamente quando você inicia o Windows. Muitos desses programas abrindo ao mesmo tempo podem tornar o computador lento. Para desabilitar esses programas da inicialização e melhorar o desempenho, use o Windows Defender. Ajustar efeitos visuais Você pode otimizar o desempenho alterando o modo de exibição dos menus e janelas. Ajustar opções de indexação As opções de indexação podem ajudá-lo a localizar o que você está procurando de forma rápida e fácil no computador. Ajustar as configurações de energia Limpeza de Disco Altere as configurações relacionadas à energia, de forma que o computador retorne às configurações de economia de energia com mais eficiência, e ajuste o uso da bateria para computadores portáteis. Esta ferramenta exclui arquivos desnecessários ou temporários no disco rígido, para que você possa aumentar a quantidade de espaço de armazenamento que possui.

27 Desempenho exemplo 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? 27

28 Desempenho exemplo ciclos de velocidade clock A de clock tempo de e xecução ciclos de clock 10 s = 9 4 x10 9 ciclos de clock A = 40 x10 A = A ciclos A tempo de e xecução 6 s x velocidade velocidade B 1,2 xciclos de clock = velocidade de clock de clock de clock B B = 1, 2 x40 x10 = 8GHz 9 A B 28

29 Exemplo de CPI 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?

30 ciclos de clock Ix2, 0 A = ciclos de clock B = Ix1, 2 Tempo A = ciclos de clock A x tempo do ciclo de clock A = Ix2,0x250 ps = 500xIps Tempo B = ciclos de clock B x tempo do ciclo de clock B = Ix1,2 x500 ps = 600xIps n = tempo de execução tempo de execução A 600xIps 500xIps B = = 1,2 30