Aspectos gerais de arquitecturas de computadores

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1 Março de 2004 Áreas de aplicação Tecnologia

2 Áreas de aplicação Tecnologia Tendências de mercado Desktop computing Gama Euros Optimizar a razão desempenho/custo Servidores Substituem mainframes Atributos: disponibilidade, escalabilidade, débito Computadores embebidos Incluídos em outros produtos: fornos micro-ondas, telemóveis, etc. Atributos: preço, execução em tempo-real, memória, potência Grande gama de preços Áreas de aplicação Tecnologia Prejuízos por downtime Perdas anuais (10 6 $) com downtime de Aplicação Prejuízo por hora (10 3 $) 1% 0.5% 0.1% Corretagem Autor. C. Cred Envio encomendas Home shopping Vendas p/catálogo Reservas de avião [Valores de 2000]

3 Áreas de aplicação Tecnologia Características das três áreas Atributo Desktop Servidores Embutidos Preço sistema ($) Preço CPU ($) CPUs /ano [2000] (*) Aspectos críticos custo/desempenho, desempenho gráfico débito, disponibilidade, escalabilidade preço, consumo de potência (*) Apenas processadores de 16 e 32 bits. Áreas de aplicação Tecnologia Tendências tecnológicas Circuitos integrados densidade de transístores: 35% ao ano (4 em 4 anos) dimensão da pastilha: 10%-20% ao ano resultado: n o de transístores 55% ao ano (2 em 18 meses) Memória DRAM densidade 40% 60% ao ano (4 em 3 4 anos) tempo de leitura 30% em 10 anos largura de banda 33% em 5 anos Discos magnéticos densidade 100% ao ano (4 em 2 anos) tempo de acesso 33% em 10 anos Redes de comunicações Ethernet: 10 Mb 100 Mb em 10 anos; 100 Mb 1Gbem 5anos

4 O que se deve medir? O que significa é mais rápido que...? O que se pretende medir? Tempo de resposta, débito? Definição: n = tempo_execução y tempo_execução x AmáquinaXén vezes mais rápida que a máquina Y. desempenho = 1 tempo_execução n = desempenho x desempenho y O computador mais rápido é aquele que executa a mesma quantidade de trabalho num intervalo mais curto. Tempo de resposta ou tempo transcorrido tempo de resposta ou tempo transcorrido Tempo total entre início e fim da tarefa incluindo todos os factores (sistema operativo, etc.) tempo de CPU Não inclui tempo gasto com outros processos ou à espera de dados. Nota: As medidas não são sempre fiáveis ou exactas. tempo de utilizador tempo de sistema > time prog arg1 arg2 90.7u 12.9s 2:39 65% 65% = ( )/159 Usar tempo de utilizador ou tempo de CPU? Existem bons argumentos para ambos...

5 Benchmark = indicação de altitude, cota de nível [Dic. PE] Tendência actual: usar um conjunto padronizado de programas para avaliar o desempenho. Que programas? sintéticos / núcleos de programas / programas completos Qual o peso de cada programa? Condições de execução? SPEC: Standard Performance Evaluation Corporation PC benchmarks: Ziff Davies, Capacity/Benchmarking/ Comparar e sumariar o desempenho Tempos (s) Pesos A B C P(1) P(2) P(3) Prog Prog Méd. arit. p(1) Méd. arit. p(2) Méd. arit. p(3) p i = 1 tempo i n i=1 ( ) 1 tempo i Os conjuntos de pesos P(2) e P(3) são inversamente proporcionais ao tempo de execução (em A e B, respectivamente).

6 Cinco princípios básicos 1. Melhorar o caso mais frequente (simples) Nota: o caso frequente é muitas vezes o mais simples. 2. Lei de Amdahl O aumento de desempenho a ganhar de uma dada melhoria está limitado pela fração de tempo em que a melhoria pode ser efectivamente aplicada. 3. Equação de desempenho do CPU T exec = N instr t ciclo CPI 4. Princípio da localidade (proximidade) 90% do tempo em 10% do código (já foi 80%-20%) localidade espacial e "localidade temporal" 5. Explorar o paralelismo A lei de Amdahl O aumento de desempenho a ganhar de uma dada melhoria está limitado pela fração de tempo em que a melhoria pode ser efectivamente aplicada. Speedup = com melhoria sem melhoria Fracção do tempo original que beneficia da melhoria: F enh Ganho proporcionado pela melhoria: S enh = T melhor /T a Tempo de execução: Speedup total: T novo = T o S total = ( (1 F enh )+ F ) enh S enh 1 (1 F enh )+(F enh /S enh )

7 EquaçãodedesempenhodoCPU T exec = n o de ciclos do programa T ciclo Ciclos por instrução CPI = no total de ciclos do programa N instr T exec = N instr t ciclo CPI Os três parâmetros são interdependentes, porque tecnologias de base também o são. Tempo de ciclo CPI N o de instruções tecnologia de hardware e organização organização e ACI ACI e tecnologia de compilação Arquitecturas de conjuntos de instruções 1. : a parte de um computador que o programador/compilador vê. 2. Ordenamento conceptual (classificação). 3. Adaptação à área de utilização (DSP, multimédia: MMX, SSE, AltiVec... ). 4. Compatibilidade binária : benção ou desgraça? 5. Descendência histórica. Blaauw, Gerrit A.; Brooks, Jr., Frederick P., "Computer Architecture: Concepts and Evolution", Addison-Wesley, 1997 (Cota: 004.2/BLAg/COM)

8 Classificação de conjuntos de instruções A maneira de armazenar dados internos é o critério mais básico de diferenciação. pilha (stack architecture) acumulador (accumulator architecture) conjunto de registos de uso genérico Origem dos operandos Mem. Max. ops. Arquitectura Exemplos 0 3 reg-reg Alpha, MIPS, SPARC 1 2 reg-mem IBM 360/370, Intel 80x mem-mem VAX 3 3 mem-mem VAX Tipo Vantagens Desvantagens reg-reg Codificação simples, comprimento único. Geração de código simplificada. Duração similar. reg-mem Acesso a dados sem load em separado. Tendem a ter boa codificação de formatos. mem-mem Compacto. Não desperdiça registos com resultados temporários. Número de instruções superior. Programas maiores. Operandos não são equivalentes. Duração varia com a localização dos operandos. Pode restringir o número de registos codificáveis. Comprimento de instruções muito variável. Complexidade de instruções muito variável. Acesso a memória é crítico.

9 Modo Exemplo Significado registo add R4, R3 r[r4]:=r[r4]+r[r3] imediato add R4,#3 r[r4]+3 deslocamento add R4,100(R1) r[r4]:=r[r4]+mem[100+r[r1]] registo indirecto add R4,(R1) r[r4]:=r[r4]+mem[r[r1]] indexado add R3,(R1+R2) r[r3]:=r[r3]+mem[r[r1]+r[r2]] directo add R1,(1001) r[r1]:=r[r1]+mem[1001] mem indirecto add r[r1]:=r[r1]+mem[mem[r[r3]]] auto-incremento add R1,(R2)+ r[r1]:=r[r1]+mem[r[r2]] r[r2]:=r[r2]+d auto-decremento add R1,-(R2) r[r2]:=r[r2]-d r[r1]:=r[r1]+mem[r[r2]] escalado add R1,200(R2)[R3] r[r1]:=r[r1]+mem[200+r[r2]+r[3]*d] Frequência de modos de endereçamento Computador VAX; três programas de SPEC89.

10 Gama de deslocamentos Processador Alpha: CINT2000 (inteiros) e CFP2000 (vírgula flutuante) são subconjuntos de SPEC CPU2000. Utilização de operandos imediatos Programas e processador são os mesmos da folha anterior.

11 Distribuição de valores imediatos Programas e processador são os mesmos da folha anterior. O processador Alpha só suporta valores imediatos até 16 bits.