Organização e Arquitetura de Computadores. Aula 2 - Desempenho Juliana F. Camapum Wanderley.

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1 Organização e Arquitetura de Computadores Aula 2 - Desempenho 2002 Juliana F. Camapum Wanderley OAC Desempenho 1 Objetivo: como... Medir e relatar Fazer escolhas inteligentes Ter um bom julgamento em avaliações de marketing. Entender relação entre desempenho e arquitetura. Medidas de desempenho difícil Impossível de julgar pela análise do conjunto de instruções. Diferente métodos: diferente resultados. É importante entender os critérios, para poder fazer escolhas inteligentes. Comparação entre máquinas é importante para Compradores e Projetistas. OAC Desempenho 2

2 Desempenho Importância para projetistas: Saber se uma máquina é mais rápida que a outra. Saber porque isto acontece (hardware, set de instruções, etc.). Fatores que influenciam performance: Quão bem o programa usa as instruções de máquina. Quão bem o hardware implementa as instruções. Quão bem os sistemas de I/O funcionam. (i.e., Nós necessitamos de uma nova máquina ou um novo sistema operacional?) OAC Desempenho 3 Definindo desempenho Analogia com aviões: qual avião tem o melhor desempenho? Avião Passageiros Autonomia (mi) velocidade (mph) fluxo (passxmph) Boeing Boeing BAC/Sud Concorde Douglas DC Concorde comparado com 747 Velocidade: Concorde é o melhor. Capacidade: Boeing 747 é o melhor. Velocidade de fluxo de passageiros: Boeing 747é o melhor para um maior número de pessoas. Até 132 passageiros, o Concorde é o melhor. Autonomia: o DC-8-50 é o melhor. OAC Desempenho 4

3 Desempenho dos computadores: TIME, TIME... Tempo de Resposta (latência) Dois computadores rodando um programa: Qual deles roda o programa mais rápido? Demora para executar uma tarefa Espera de uma consulta a base de dados Fluxo (Throughput) Dois computadores rodando vários programas ao mesmo tempo: Quantos trabalhos a máquina pode rodar cada vez? Qual a taxa média de execução? Quantos trabalhos são concluídos? Se um novo processador é colocado na máquina o que nós melhoramos? Se uma nova máquina é colocada no laboratório o que melhoramos? OAC Desempenho 5 Tempo de relógio, tempo de resposta ou tempo decorrido Tempo total para uma tarefa incluindo acesso a disco, memória... Freqüentemente não é bom para comparações Tempo de CPU Não considera I/O ou tempo gasto por outros programas Pode ser dividido em: Tempo de CPU para usuário tempo gasto no programa Tempo de CPU do sistema operacional tempo gasto pelo sistema op. em apoio ao programa Difícil de separar estes tempos Nosso foco: tempo de CPU para usuário Desempenho de sistema: tempo decorrido Desempenho de CPU: tempo de CPU para usuário OAC Desempenho 6 Tempo de Execução

4 Definições de Desempenho Sempre usa um programa de teste Uma máquina X rodando determinado programa 1 Performanc ex = Tempo de Execução Se X é n vezes mais rápido que Y x Performance Performance X Y Tempo de Execução = Tempo de Execução Y X = n Problema: máquina A roda um programa em 10 ms e máquina B roda o mesmo programa em 20 ms Desempenho A =1/10ms=100, Desempenho B =1/20ms=50 OAC Desempenho 7 Ciclos de Clock Clock (relógio): usado em quase todos os computadores Período = duração do ciclo de clock (segundos), freqüência=ciclos por segundo = 1/período (Hertz) Podemos usar no lugar do tempo de execução do programa em segundos o número de ciclos no. de ciclos de clock Tempo de CPU = = Tempo de CPU duração do ciclo de clock f clock Para melhorar: Reduzir período do clock Reduzir número médio de ciclos por instrução Será visto que muitas vezes Redução do período de clock aumento no n o médio de ciclos. OAC Desempenho 8

5 Exemplo Num programa de referência Máquina A (clock de 400MHz) Tempo CPU =10 segundos Máquina B (clock de?) Tempo CPU = 6 segundos Qual será o novo clock necessário? Solução usar a equação no. de ciclos de clock da CPU = Tempo de CPU f clock Outra equação de medida Programa várias instruções Cada instrução n o de ciclos CPI média de ciclos por instrução Equação alternativa: N o de ciclos de clock da CPU = Instruções por programa x CPI OAC Desempenho 9 Exemplo: duas máquinas tem duas implementações de uma mesma instruction set architecture (ISA) (mesmo conjunto de instruções) Máquina A: CLOCK:1ns CPI: 2,0 Máquina B: OAC Desempenho 10 CLOCK: 1,2ns CPI:1,2 Qual é a máquina mais rápida para este programa? Quão mais rápida? Solução Determinar tempo de CPU Usar equação do desempenho

6 Quantos ciclos são requeridos em um programa? Poderíamos assumir que # de ciclos = # de instruções 1st instruction 2nd instruction 3rd instruction 4th 5th 6th... time Esta afirmação é incorreta, instruções gastam tempos diferentes em máquinas diferentes. Como? lembrem -se que são instruções de máquina e não linhas de código C OAC Desempenho 11 Diferentes números de ciclos para diferentes instruções time Multiplicação gasta mais tempo que adição Operações de ponto flutuante são mais longas que inteiros Acesso a memória gasta mais tempo que acesso a registro OAC Desempenho 12

7 Exemplo Nosso programa roda em 10 segundos em um computador A, que tem um clock de 400 Mhz. Nós estamos ajudando alguém projetar uma nova máquina B, que deverá rodar este programa em 6 segundos. O projetista poderá usar uma nova (ou mais cara) tecnologia para melhorar substancialmente a freqüência de clock, mas ele tem a informação de que este aumento afetará o projeto do resto da CPU e por essa razão a máquina B requer 1,2 vezes mais ciclos de clock que a máquina A para um mesmo programa. Qual deverá ser a freqüência do clock da nova máquina? OAC Desempenho 13 Depois de entender ciclos Um dado programa requer várias instruções (instruções de máquina ) vários ciclos vários segundos Nós temos um vocabulário que relaciona estas grandezas: tempo de ciclo ou período (segundos por ciclo) Freqüência do clock (ciclos por segundo) CPI (ciclos por instrução) uma aplicação intensiva em ponto flutuante poderia ter um alto CPI MIPS (milhões de instruções por segundo) poderia ser bom para um programa usando instruções simples OAC Desempenho 14

8 Desempenho Desempenho é determinado pelo tempo de execução Como podemos quantificar o desempenho? # de ciclos para executar um programa # de instruções no programa # de ciclos por segundo média # de ciclos por instrução Média # de instruções por segundo Tempo de CPU = no. de ciclos de clock = f no. de clock f clock instruções CPI Erro comum: indicar uma das variáveis como desempenho quando ela realmente não é. OAC Desempenho 15 Equação alternativa no. de ciclos de clock Onde: CPI i = CPI para instruções de cada classe i C i = número de instruções de cada classe i Exemplo: Um projetista de compilador decidindo entre duas seqüências de código para uma máquina particular. = n i= 1 CPI i C i Baseado no Hardware da máquina Classe da Instrução CPI A 1 B 2 C 3 Seqüência Número de instruções A B C Qual a seqüência mais rápida? Quanto? Qual o CPI de cada seqüência? OAC Desempenho 16

9 MIPS - Exemplo Dois diferentes compiladores estão sendo testados para uma máquina de 100 MHz. A máquina tem três diferentes classes de instruções: Classe A, Classe B e Classe C, que requer um, dois e três ciclos respectivamente. Os compiladores são usados para produzir um grande bloco de software. O código do primeiro compilador usa 5 milhões de instruções da classe A, 1 milhão da classe B e 1 milhão da classe C. O código do segundo compilador usa 10 milhões de instruções da classe A, 1 milhão da classe B e 1 milhão da classe C. Qual a seqüência mais rápida de acordo com MIPS? Qual a seqüência mais rápida de acordo com tempo de execução? OAC Desempenho 17 Escolha de programas para avaliar performance Performance de vários computadores: Comparação de cada um com um computador de referência. Problema: Performance depende do programa. Qual é o melhor programa? Conjunto de programas típicos que o usuário tem contato: Engenheiros, Programadores, Público em geral. Pode depender do usuário. Programas de avaliação: benchmarks Problemas: algumas arquiteturas podem tentar melhorar desempenho nas benchmarks, sem melhorar o desempenho em geral. Exemplo: SPEC suite, 1989: Matrix300 - Referência: VAX-11/780 Melhor: programas reais. Entretanto: às vezes se usa programas pequenos, especialmente em começo de desenvolvimento, quando ainda não existem muitos programas. OAC Desempenho 18

10 800 SPEC 89 (System Performance Evaluation Cooperative) Índice para performance da máquina IBM Powerstation SPEC performance ratio gcc espresso spice doduc nasa7 li eqntott matrix3 00 fpppp tom c atv OAC Desempenho 19 Benchmark Com piler Enhanced compiler Documentação Incluir todos os detalhes (máquina, compilador, programas, S.O., etc.). Exemplo: OAC Desempenho 20

11 Comparação Definir um grupo de benchmarks. Decidir: tempo ou fluxo. Melhor: uma avaliação para cada. Mas: pessoas muitas vezes preferem uma soma, média aritmética ou ponderada do tempo de execução. Exemplo: Comparação individual Programa 1: B é 10 vezes mais rápido que A. Programa 2: A é 10 vezes mais rápido que B. Total Performance B TempoA 1001 = = = 9,1 Performance Tempo 110 OAC Desempenho 21 A B Benchmark mais popular SPEC 95 aplicada a processadores recentes Criadores: grupo de companhias Método Comparação: SPARCstation 10/40 Divide tempo da SPARCstation pelo tempo do computador que está sendo avaliado 8 programas inteiros, 10 de ponto flutuante Desempenho de cada um é reportado Média usada: geométrica OAC Desempenho 22

12 SPEC 95 grupo de programas Benchmark Description go Artificial intelligence; plays the game of Go m88ksim Motorola 88k chip simulator; runs test program gcc The Gnu C compiler generating SPARC code compress Compresses and decompresses file in memory li Lisp interpreter ijpeg Graphic compression and decompression perl Manipulates strings and prime numbers in the special-purpose programming language Perl vortex A database program tomcatv A mesh generation program swim Shallow water model with 513 x 513 grid su2cor quantum physics; Monte Carlo simulation hydro2d Astrophysics; Hydrodynamic Naiver Stokes equations mgrid Multigrid solver in 3-D potential field applu Parabolic/elliptic partial differential equations trub3d Simulates isotropic, homogeneous turbulence in a cube apsi Solves problems regarding temperature, wind velocity, and distribution of pollutant fpppp Quantum chemistry wave5 Plasma physics; electromagnetic particle simulation OAC Desempenho 23 SPEC 95 exemplo Pentium e Pentium Pro SPECint Dobrando a taxa de clock dobra o desempenho? Uma máquina com uma freqüência de clock menor pode ter melhor desempenho? SPECfp Clock rate (MHz) Pentium Pro: 1,4 a 1,5 x mais rápido OAC Desempenho Pentium Pentium Pro Clock rate (MHz) Pentium Pentium Pro Pentium Pro: 1,7 a 1,8 x mais rápido

13 Lei de Amdahl Perigo: Esperar que uma melhoria aumente o desempenho da máquina de forma proporcional ao tamanho da melhoria Tempo de execução após melhoria = Tempo de execução não afetado + (Tempo de execução afetado / melhoria ) Falha: Uso do parâmetro MIPS como métrica da performance Diferentes máquinas possuem diferentes quantidade de instruções para executar o mesmo programa Princípio: Faça o caso comum mais rápido são mais simples de otimizar OAC Desempenho 25 Exemplo Suponha que todas as instruções em ponto flutuante sejam melhoradas rodando 5 vezes mais rápido. Se o tempo de execução de alguns benchmark antes da melhora no ponto flutuante é de 10 segundos. Qual será o aumento da velocidade se metade dos 10 segundos são gastos executando instruções em ponto flutuante? OAC Desempenho 26

14 Exemplo Nós estamos procurando um benchmark para demonstrar a nova unidade de ponto flutuante descrita acima, e queremos que o benchmark tenha um aumento de velocidade de 3. Considerando um benchmark que tem um tempo de execução de 100 segundos com o hardware antigo de ponto flutuante. Quanto do tempo de execução deve ser gasto com instruções em ponto flutuante para que o benchmark tenha o aumento de velocidade desejado? OAC Desempenho 27 Relembrando Desempenho é específico para um programa particular Tempo total de execução é um resumo consistente do desempenho Para uma dada arquitetura o desempenho aumenta quando: Aumento da freqüência de clock (sem efeitos adversos no CPI) Melhorias na organização do processador que diminuam o CPI Melhorias no compilador que diminuam o CPI e/ou número de instruções Falha: Melhorias de desempenho em um aspecto da máquina afetará o desempenho total OAC Desempenho 28

15 aumento do clock: 21 vezes (66 a 1400Mhz) aumento da performance = 55 vezes Intel P e AMD Athlon 1400 são aproximadamente iguais na adição com inteiros OAC Desempenho 29 AMD K x PII 333: O AMD tem um clock 5% mais alto porém ele é 36% mais lento. Althon: 10% mais cálculos do que o Intel Pentium III rodando na mesma freqüência. Pentium não atendeu as expectativas. Pentium mostrou um desempenho razoável. OAC Desempenho 30

16 Instruções MMX foram introduzidas pela Intel com a CPU Pentium166 O Pentium 4 teve um baixo desempenho para cálculos MMX (Surpresa!!!) MMX (MultiMedia extension) na realidade não aumenta a funcionalidade do processamento Multimedia como foi anunciado As instruções utilizam operações lógicas e matemáticas processa dados maiores (64 bits) em um tempo menor Processa vários blocos inteiros simultaneamente por uma única CPU Difícil de usar poucos aplicativos usam todos os benefícios das instruções MMX OAC Desempenho 31 WinChip C6 X Pentium A Intel aumentou o tamanho da memória cache L1 (cache interno) do Pentium de 16 KB para 32 KB no Pentium MMX. Só isto faz com que o Pentium MMX seja mais rápido que um Pentium não-mmx. Programas que não possuem instruções MMX: ganho de performance médio do Pentium-200 MMX sobreo Pentium-200 é de 11,30% Programas que possuem instruções MMX: ganho de performance médio do Pentium-200 MMX sobre o Pentium-200 é de 239% São poucos os programas que utilizam instruções MMX. Um programa conhecido que já possui versão MMX é o PhotoShop. OAC Desempenho 32

17 Pentium 4 (MMX, SSE, SSE2) x Athlon (MMX, 3DNow) MP3 encoding Windows 2000 FPU intensive OAC Desempenho 33 VAX arquitetura CISC, MIPS arquitetura RISC OAC Desempenho 34

18 OAC Desempenho 35 RISC x CISC RISC sobre CISC Instruções Load/Store um ciclo (mais rápida) Controle por conexões físicas (fiação); complexidade reduzida do chip Hardware mais simples, mais fácil de projetar e mais barato para produzir Mais registradores/menor acesso a MEMÓRIA INSTRUÇÕES com formato fixo, menor número de instruções Mais fácil de projetar compiladores otimizados Software mais complexo, programas maiores CISC: 75% do mercado (Intel, AMD, padrão x86) PowerPC 601 (RISC) mais instruções do que o Pentium (CISC) CISC atuais usam muitas técnicas do RISC As diferenças estão diminuindo Sobre o MIPS e VAX Fortes similaridades organizacionais Ex: Abstrações do Pipeline da CPU se encaixam VAX microinstruções possui muitas características do RISC MIPS possui Int-Cache e Data-Cache - VAX tem uma única Cache com Inst+Data MIPS tem páginas maiores (MEM) MIPS tem acesso mais rápido a MEM, operações em FP (ponto flutuante) OAC Desempenho 36

19 Spec Benchmarks usados para MIPS/VAX 3 benchmarks inteiros (em C) Espresso Eqntott Li 7 benchmarks ponto flutuante (em fortran ) Spice2g6 Matrix300 Nasa7 Fpppp Tomcatv doduc Compiladores usados: VAX Cv3.1, CCv2.0 Compiladores usados: VAX Fortran V5.0-1, MIPS f77 v2.0 OAC Desempenho 37 Instruções e CPI (Fator RISC) MIPS/VAX INST VAX/MIPS CPI MIPS/VAX DESEMP OAC Desempenho 38 MIPS VAX DESEMP (CPI INST) = (CPI INST) VAX MIPS = VAX MIPS CPI MIPS VAX INST

20 MIPS/VAX Performance e Instruções OAC Desempenho 39