O Que Veremos. Introdução. Introdução. Definindo Desempenho. Definindo Desempenho. Avaliando e Compreendendo o Desempenho

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1 Ciência da Computação Arq. e Org. de Computadores Avaliando e Compreendendo o Desempenho O Que Veremos Avaliando e compreendendo o desempenho: Introdução Definindo desempenho Medindo o desempenho e seus fatores Prof. Sergio Ribeiro 2 Introdução Introdução Como medir, informar e resumir o desempenho. Principais fatores que determinam o desempenho. Desempenho do hardware é fundamental para eficiência de todo o sistema. Avaliar o desempenho pode ser complicado. Escala e complexidade do software, técnicas de melhoria de desempenho do hardware Por que alguns hardwares são melhores do que outros para diferentes programas? Que fatores do desempenho de sistema são relacionados ao hardware? (por exemplo, precisamos de uma nova máquina ou de um novo sistema operacional?) De que forma a arquitetura do conjunto de instruções da máquina afeta o desempenho? 3 4 Quando afirmamos que um computador tem melhor performance que outro, o que estamos querendo dizer? Reposta parece ser muito simples. Vamos fazer uma analogia com diversos modelos de aviões. Qual dos seguintes aviões tem o melhor desempenho? O quanto mais rápido é o Concorde comparado com o747? Oquantomaioréo747doqueoDouglasDC-8? 5 6 1

2 maior velocidade: Concorde maior capacidade: Boeing 747 maior alcance: DC-8 maior vazão: Boeing 747 Conclusão:desempenho pode ser definido de várias formas diferentes. 7 Tempo de resposta ou de execução(latência): Quanto tempo leva para meu trabalho ser realizado? Quanto tempo preciso esperar para a consulta ao banco de dados? Tempo necessário para o computador completar uma tarefa. Importante para usuário de computador individual. O tempo de execução leva em consideração: Acesso a disco Acesso à memória Atividade de E/S Sobrecarga do SO Tempo de execução da CPU 8 Vazão (throughput): Quantos trabalhos a máquina pode realizar ao mesmo tempo? Qual é a velocidade de execução média? Quanto trabalho está sendo feito? Quantidade total de trabalho feito em um determinado tempo. Importante para gerentes de CPDs. 9 Questão: As seguintes mudanças em um sistema computacional aumentam a vazão, diminuem o tempo de resposta ou as duas coisas? Se atualizarmos uma máquina com um novo processador? Se incluirmos processadores adicionais em um sistema multiprocessado usado para tarefas distintas? Na maioria dos sistemas computacionais, mudanças nos tempos de execução afetam o rendimento Arquitetura e vice-versa. 10 e Organização de Computadores - Facape Foco em tempo de resposta. Para maximizar o desempenho, devemos minimizar otempodeexecuçãodeumatarefa. Podemos relacionar o desempenho com o tempo de execução para um computador X da seguinte maneira: 1 Desempenho X = Tempo de Execução X DesempenhodeXénvezessuperioraY : Desempenho X Desempenho Y = n 11 SeXénvezesmaisrápidoqueY,entãoo tempo de execução de Y é n vezes maior doqueemx: Desempenho X Desempenho Y = Tempo de Execução Y Tempo de Execução X = n 12 2

3 Exemplo: Se computador A executa um programa em 10s e B o executa em 15s, o quanto A é mais rápido doqueb? Desempenho A Tempo de Execução B 15 = = = 1,5 Desempenho B Tempo de Execução A 10 Desempenho A = 1,5 Desempenho B A é 1,5 vezes mais rápido do que B. 13 Tempo de relógio, ou decorrido: Conta tudo (acessos a disco e a memória, E/S etc.) Número útil, mas normalmente não é ideal para fins de comparação. Tempo de CPU: Tempo real que a CPU gasta computando uma tarefa específica. Não conta E/S ou tempo gasto executando outros programas. Pode ser dividido em tempo de usuário e tempo de sistema. Tempo de usuário tempo gasto na execução das instruções do programa. Tempo de sistema tempo que o sistema gasta em tarefas requeridas pelo programa (ex: acesso a disco). 14 Clock Relógio que trabalha em uma velocidade constante e determina quando os eventos ocorrem no hardware. Período de clock É a duração de cada ciclo de clock. Ex: 2ns O intervalo de tempo entre duas transições consecutivas dos pulsos do clock. Usuários e projetistas enxergam a performance sob diferentes métricas: Usuários: tempo medido em segundos. Projetistas: tempo medido em períodos do clock. Paraosprojetistasotamanhodeumperíododo clock pode ser: Tempo necessário para completar um ciclo de clock (Ex:2ns). Frequênciadoclock,queéoinversodociclodeclock (Ex: 500MHz) Exercícios Ciclos de clock Tempo para cada período de clock Velocidade de clock (freqüência) = ciclos por segundo(1hz = 1 ciclo/segundo). Velocidade de clock e tempo de ciclos são inversamente proporcionais. Exemplo: um clock de 4Ghzpossui um tempo deciclode 1 / (4 x 10 9 ) = 0,25 x 10-9 = 250 x = 250ps 1. O desempenho do computador C é 4 vezes melhor do que o computador B, que leva 28 segundos para executar uma determinada aplicação. Quanto tempo C levará para executar essa aplicação?

4 Exercícios 2. Desejamos comparar o desempenho de duas máquinas diferentes, M1 e M2. As medidas a seguir foram realizadas nestas máquinas: a) Qual das máquinas é mais rápida na execução de cada um dos programas? Escolhida a mais rápida, calcule quão mais rápida ela é. b) Se considerarmos o tempo gasto na execução dos três programas, como ficaria o resultado? 19 Exercícios 3. Desejamos comparar o desempenho de duas máquinas diferentes, M1 e M2. As medidas a seguir foram realizadas nestas máquinas: Programa Tempo em M1 Tempo em M segundos 5 segundos 2 3 segundos 4 segundos a) Qual das máquinas é mais rápida na execução de cada um dos programas? Escolhida a mais rápida, calcule quão mais rápida ela é. b) Se considerarmos o tempo gasto na execução dos dois programas, como ficaria o resultado? 20 Medida de desempenho corresponde, grosso modo, à medida da velocidade com que um determinado software vai rodar em uma máquina. Não é possível determinar a velocidade com que um dado software roda em uma máquina apenas analisando o seu conjunto de instruções. É necessário conhecer os fatores que influenciam o desempenho. É necessário conhecer as medidas de desempenho e suas limitações. 21 Algumas características ligadas ao hardware, que têm influência na execução de um programa: Maneira como o compilador utiliza as instruções da máquina, na hora de gerar o código executável. Maneira como as instruções estão implementadas no hardware(organização do processador). Maneira como a memória e os dispositivos de E/S se comportam durante o processamento do programa. 22 Desempenho é examinado usando diferentes métricas. Se métricas pudessem ser relacionadas, poderíamos determinar os efeitos de uma mudança de projeto no desempenho. Fórmula que relaciona métricas de CPU: TempodeexecuçãodaCPUparaumprograma= Ciclos de clock da CPU para um programa Tempodociclodeclock. Outra alternativa (velocidade de clocke tempo de ciclo são inversos): Tempo de execução da CPU para um programa = Como melhorar o desempenho? Reduzindo a duração do ciclo de clock. Ciclos de clock de CPU para um programa Velocidade de clock Reduzindo o número de ciclos de clocknecessário para um programa

5 Exemplo: Um programa é executado em 10snocomputadorA,comclockde4GHz. Um computador B está sendo construído para executar este programa em 6s. Entretanto, B exigirá 1,2 vezes mais ciclos de clock do que A. Qual a velocidade de clock necessária para B? Primeiro passo:quantos ciclos de CPU são necessários em A? Tempo de CPU A = Ciclos de clock da CPU A Velocidade de clock A Ciclos de clock da CPU A = Velocidade de clock A Tempo de CPU A Ciclos de clock da CPU A = ciclos 10 segundos segundo Ciclos de clock da CPU A = ciclos Tempo de CPU para B: Tempo de CPU B = 1,2 Ciclos de clock da CPU A Velocidade de clock B Poderíamos considerar que o número de ciclos é igual ao número de instruções? Velocidade de clock B = Velocidade de clock B = Velocidade de clock B = 1,2 Ciclos de clock da CPU A Tempo de CPU B 1, ciclos 6 segundos ciclos = 8 GHz segundo Essa suposição é incorreta! Diferentes instruções levam a diferentes períodos em diferentes máquinas Multiplicação leva mais tempo do que adição. Operações de ponto flutuante levam mais tempo do que operações com inteiros. Acessar memória leva mais tempo do que acessar registradores. Importante: mudar o tempo de ciclo normalmente muda o número de ciclos necessários para várias instruções. 29 Tempo de execução pode ser expresso em função do número de instruções executadas: Ciclos de clock da CPU = Instruções para um programa x Média dos ciclos de clock por instrução. Médiadosciclosdeclockporinstrução CPI CPI permite comparar duas implementações diferentes do mesmo conjunto de instruções. 30 5

6 Exemplo: Suponha que tenhamos duas implementações da mesma arquitetura do conjunto de instruções (ISA). Para um determinado programa, a máquinaatem um tempo de ciclo de clock de 250ps eumacpide2,0 e a máquinabtem um tempo de ciclo de clock de 500ps eumacpide1,2. Que máquina é mais rápida para esse programa e o quanto? 31 SOLUÇÃO: Mesmo número de instruções (I). Número de ciclos de clock para cada computador: Ciclos de clockda CPU A = I 2,0 Ciclos de clockda CPU B = I 1,2 Tempo de CPU para cada computador: Tempo de CPU A = Ciclos de Clockda CPU A Tempo de Ciclo. de Clock A I 2,0 x 250ps = (500 x I)ps Tempo de CPU B = Ciclos de Clockda CPU B Tempo de Ciclo. de Clock B I 1,2 x 500ps = (600 x I)ps 32 Aé mais rápido, mas o quanto? Desempenho A Tempo de Execução = B = n Desempenho B Tempo de Execução A (600 I)ps (500 I)ps = 1,2 Fórmula de desempenho em função do número de instruções, CPI e tempo de ciclo de clock: Tempo de CPU = Número de instruções CPI Tempo de ciclo de clock ou Número de instruções CPI Tempo de CPU = Velocidade de clock Estes são três fatores chaves para a avaliação de desempenho Como determinar esses valores? TempodeCPU execuçãodoprograma. Tempodeciclodeclock manuais. Contagem de instruções ferramentas de trace de execução, simulador de arquitetura, contadores de hardware. CPI contadores de hardware. Varia por aplicação e entre implementações do mesmo conjunto de instruções. 35 É possível calcular ciclos de clockda CPU usando contagem de ciclos individuais: = onde: C i é a contagem do número de instruções da classe i executadas, CPI i é a média dos ciclos por instrução para a classe i, e né o número de classes de instrução. CPI geral depende do número de ciclos para cada tipo de instrução e de suas frequências de execução. 36 6

7 Exercício Um projetista de compilador está tentando decidir entre duas sequências de código para um determinada máquina. Baseado na implementação de hardware, existem três classes diferentes de instruções: Classe A, Classe B e Classe C, e elas exigem um, dois e três ciclos, respectivamente. A primeira sequência de código possui 5 instruções: 2 de A, 1 de B e 2 de C. A segunda sequência possui 6 instruções:4dea,1debe1dec. Que sequência será mais rápida? O quanto mais rápida? QualéaCPIparacadaseqüência? 37 MIPS é uma medida de performance. MIPS Milhões de Instruções Por Segundo Número de instruções MIPS = Tempo de execução x 10 6 Problemas com MIPS: Não leva em conta o tipo das instruções. Computadores com diferentes conjuntos de instruções terão número de instruções diferentes para um mesmo programa. MIPS pode variar inversamente com o desempenho. 38 Exercício Considere o computador com três classes de instruções e as mesmas medições de CPI do exercício anterior. Agora suponha que, medindo o código gerado por dois compiladores diferentes para o mesmo programa, obtivemos os seguintes dados: Código do compilador 1 gerou 5 bilhões de instruções da classe de instruções A, 1 bilhão de B e 1 bilhão de C; o compilador 2 gerou 10 bilhões de instruções da classe A, 1 bilhão de B e 1 bilhãodec.considereocomputadorcomclockde4ghz. Que sequência de código será executada mais rápido de acordo com o MIPS? E de acordo com o tempo de execução? Arquitetura e Organização de Computadores -Facape 39 7

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