Arquitetura e Organização de Computadores

Transcrição

1 Universidade Federal do Pampa Campus-Bagé Arquitetura e Organização de Computadores Aula 2 Revisão de Conceitos e Introdução a Desempenho Prof. Julio Saraçol juliosaracol@gmail.com Slide1

2 Aula 2 REVISANDO CONCEITOS Slide2

3 Modelo Básico de Computador Processa os dados e controla o sistema UCP (CPU) Memória armazena instruções e dados barramento do sistema auto-estrada para dados e instruções periféricos permite a entrada e a saída de dados Slide3

4 Programa: definição de alto nível Um programa é uma sequência finita de comandos (em alguma linguagem de programação), com o propósito de resolver um problema específico. Exemplo: #include <stdio.h> int mult(int *v, int cont) { int total=0; while( cont > 0 ){ total += *v; v++; cont--; } return total; } Slide4

5 Programa: definição de baixo nível Um programa é uma sequência finita de instruções (de um dado processador), com o propósito de resolver um problema específico. Exemplo: LDR A #0 LDR X 129 LDR B 128 JZ 16 ADD A 0, X ADD X #1 SUB B #1 JMP 6 STR A, 130 HLT Slide5

6 Fluxo de Desenvolvimento de um Programa Problema computacional algoritmo Editor de texto Linguagemde programação Pascal, C etc arquivo-fonte.pas.c etc TurboPascal, gcc, TurboC, BorlandC etc compilador Conjunto de Instruções Processador-alvo (i7, PPC, MIPS, etc.) arquivo binário (executável) Slide6.exe (depende do S.O.)

7 Fluxo de Desenvolvimento de um Programa - 2 Problema computacional Nível de abstração baixo algoritmo Editor simbólico arquivo-simbólico Conjunto de Instruções.asm etc. Processador-alvo (P4, PPC, MIPS, etc.) montador arquivo binário (executável) Slide7.exe (depende do S.O.)

8 Instrução de Máquina Uma instrução de máquina é uma operação básica que um processador é capaz de realizar Um conjunto de instruções de máquina forma um programa em código de máquina A geração do código de máquina pode ser feita a partir de um programa em alto nível ou de um programa em baixo nível: Alto nível: uma instrução é traduzida em muitas instruções de máquina Baixo nível: a tradução é praticamente um para um, ou seja, uma instrução de baixo nível (assembly) para cada instrução de máquina Slide8

9 Formato de Instrução Cada instrução é representada como um conjunto de bits Os bits são agrupados em campos, a fim de facilitar o projeto do bloco de controle Os campos definem o formato da instrução. Exemplo de formato: identifica a instrução indica o modo como a memória é acessada ou se o operando está num registrador endereço do operando (memória ou registrador) opcode modo endereço Slide9

10 Conjunto de Instruções Cada processador (modelo ou família de processador) possui um conjunto de instruções próprio. Ex: NEANDER. instrução NOP STA end LDA end ADD end OR end AND end NOT JMP end JN end JZ end HLT significado Nenhuma operação Armazena acumulador (store) Carrega acumulador (load) Soma OU lógico E lógico Inverte (complementa) acumulador Desvio incondicional (jump) Desvio condicional (jump on negative) Desvio condicional (jump on zero) Término de execução (halt) Slide10

11 Conjunto de Instruções Tipos de instruções: Instruções de transferência de dados load, store, move Instruções aritméticas e lógicas add, sub, mul, div, and, or, xor, not Instruções de teste e de desvio (ou de controle de execução) jump, jump on negative (JN), jump on zero (JZ), branch on equal (beq) Slide11

12 Endereçamento: Número de Operandos Muitas instruções realizam operações sobre operandos Exemplos: instruções aritméticas e lógicas Os operandos podem estar em qualquer posição da memória ou em qualquer registrador (entre os de propósito geral) Assim, instruções que definem uma operação sobre um operando precisam conter também o endereço do operando No caso de mais de um operando, cada operando pode ter um endereço diferente No caso de instruções de desvio, a instrução deve indicar para qual posição ou endereço de programa sequer desviar Slide12

13 Endereçamento: Número de Operandos O número de campos de endereço no formato de instrução depende da organização interna do processador e do seu número de registradores Tipos de organização: Organização com acumulador Organização com múltiplos registradores Organização de pilha Slide13

14 Endereçamento: Número de Operandos Para analisar o impacto do número de campos de endereço de memória e do número de operandos na memória, consideremos que se deseje programar a seguinte equação: X=(A+B)*(C+D) onde X, A, B, C e D são endereços de memória. Consideremos também que tenhamos as seguintes instruções disponíveis: ADD, SUB, MUL, MOVE (ou LOAD e STORE) e HALT (fim de programa) Slide14

15 Formato de Instrução com 4 Endereços opcode end1 end2 end3 end4 identifica a instrução localização dos dois operandos-fonte localização do operando-destino endereço da próxima instrução endereço instrução execução i1 ADD A, B, Y, i2 Mem[Y] Mem[A] + Mem[B], vai para i2 i2 ADD C, D, Z, i3 Mem[Z] Mem[C] + Mem[D], vai para i3 i3 MUL Y, Z, X, i4 Mem[X] Mem[Y] + Mem[Z], vai para i4 i4 HALT Fim do programa Vantagem: não há necessidade de instruções de desvio do fluxo de execução (jump, branch) Desvantagem: os programas são sequenciais, i.e., na maior parte das vezes, a próxima instrução está no próximo endereço de memória Slide15

16 Formato de Instrução com 3 Endereços opcode end1 end2 end3 identifica a instrução localização dos dois operandos-fonte localização do operando-destino endereço instrução execução i1 ADD A, B, Y Mem[Y] Mem[A] + Mem[B] i2 ADD C, D, W Mem[W] Mem[C] + Mem[D] i3 MUL Y, W, X Mem[X] Mem[Y] * Mem[W] i4 HALT Fim do programa Usa um registrador apontador de programa (PC), o qual é incrementado para apontar para a próxima instrução a ser executada (exceto nos desvios) No conjunto de instruções deve haver instruções de desvio do fluxo de execução (jump, branch) Slide16

17 Formato de Instrução com 2 Endereços opcode end1 end2 identifica a instrução localização de um operando-fonte localização do outro operando-fonte que também é destino endereço instrução execução i1 ADD B, A Mem[A] Mem[A] + Mem[B] i2 ADD D, C Mem[C] Mem[C] + Mem[D] i3 MUL C, A Mem[A] Mem[A] * Mem[C] i4 MOVE A, X Mem[X] Mem[A] i5 HALT Fim do programa A e C são sobrescritos! Slide17

18 Formato de Instrução com 1 Endereço opcode end1 identifica a instrução localização de um operando-fonte Há um registrador chamado acumulador (abreviado por AC), que contém o segundo operando O acumulador também é o destino do resultado As instruções de movimentação de dados são LOAD e STORE, as quais são definidas em relação ao acumulador (AC) Slide18

19 Formato de Instrução com 1 endereço endereço instrução execução i1 LOAD A AC Mem[A] i2 ADD B AC AC + Mem[B] i3 STORE Y Mem[Y] AC i4 LOAD C AC Mem[C] i5 ADD D AC AC + Mem[D] i6 MUL Y AC AC * Mem[Y] i7 STORE X Mem[X] AC i8 HALT Fim do programa Usa uma posição de memória (Y) para armazenamento temporário! Slide19

20 Formato de Instrução com 0 endereço identifica a instrução opcode Não existe referência sobre a localização dos operandos (memória ou registrador) A localização dos operandos se dá de maneira implícita, quando a arquitetura foi definida Uma possibilidade é colocar os operandos em uma área específica da memória e fazer uso de um mecanismo específico para a localização Slide20

21 Formato de Instrução com 0 Endereço Exempo: uma pilha os operandos são sempre retirados do topo da pilha o resultado é colocado no topo da pilha PUSH (coloca no topo da pilha) POP (retira do topo da pilha) Slide21

22 Formato de Instrução com 0 Endereço endereço instrução execução i1 PUSH A topo Mem[A] i2 PUSH B topo Mem[B] i3 ADD topo (Mem[A] + Mem[B]) (A e B são retirados do topo da pilha) i4 POP X Mem[X] topo i5 PUSH C topo Mem[C] i6 PUSH D topo Mem[D] i7 ADD topo (Mem[C] + Mem[D]) (C e D são retirados do topo da pilha) i7 PUSH X topo Mem[X] i8 MUL topo ((Mem[C] + Mem[D]) * (Mem[A] + Mem[B])) i9 POP X Mem[X] topo i10 HALT Fim do programa Slide22

23 Modos de Endereçamento Imediato Slide23

24 Modos de Endereçamento Direto Slide24

25 Modos de Endereçamento Indireto Slide25

26 Modos de Endereçamento Registrador Slide26

27 Modos de Endereçamento Registrador Indireto Slide27

28 Modos de Endereçamento Base + Deslocamento Slide28

29 Modelos Arquiteturais Arquitetura de Von Neumann Arquitetura de Harvard Slide29

30 Arquitetura de Von Neumann Arquitetura com programa armazenado em memória Antes, programas eram inseridos com chaves Base para a maioria dos computadores até a atualidade Usa dados e instruções em memória Slide30

31 Arquitetura de Von Neumann Proposto pela equipe de projeto do EDVAC (usado no projeto Manhatan) A idéia da arquitetura foi de J. Presper Eckert e John Mauchly, mas John von Neumann se voluntariou para escrever o relatório, em 1945 John von Neumann era um matemático brilhante, mas com ética questionável No relatório final, ele excluiu o nome dos verdadeiros autores da idéia e, desde então, este modelo arquitetural é chamado de Von Neumann Slide31

32 Performance Conceitos de Arquitetura de Computadores Gargalo de Von Neumann 1000 CPU µproc 60%/yr Processor-Memory Performance Gap: (grows 50% / year) DRAM DRAM 7%/yr. Slide32

33 Gargalo de Von Neumann Slide33

34 Gargalo de Von Neumann Como podemos minimizar este problema? Mais registradores (para evitar acesso à memória) Reduzir (ou eliminar) o número de instruções que podem buscar operadores na memória Explorar reuso de dados e instruções com o uso de caches Usar hierarquia de memória com vários níveis Ainda assim existem gargalos intransponíveis (veremos melhor quando estudarmos o MIPS) Novo modelo arquitetural: Arquitetura Harvard Slide34

35 Arquitetura de Harvard Duas memórias, uma para dados e outra para instruções É possível ler uma instrução e ler ou escrever um dado ao mesmo tempo! Duplica a taxa de transferência memória <=> processador, Aumenta a eficiência da cache Problemas? Slide35

36 Modelo Híbrido É mais usado atualmente Memória RAM é comum para dados e instruções (Von Neumann) Memórias caches separadas para dados e instruções (Harvard) Processadores atuais seguem este modelo Pentium Slide36

37 Modelo Híbrido Core i7 Slide37

38 AULA 2: INTRODUÇÃO SOBRE DESEMPENHO Slide38

39 Desempenho (Performance) Meça, informe e resuma Faça escolhas inteligentes Veja através da propaganda de marketing Vital para entender a motivação organizacional subjacente (Organização do hardware) Slide39

40 Desempenho (Performance) 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?) Como o conjunto de instruções da máquina afeta o desempenho? Slide40

41 Algumas considerações Medidas de performance: difícil Impossível de julgar apenas pela análise do conjunto de instruções Diferentes métricas -> diferentes resultados É importante entender os critérios, para poder fazer escolhas inteligentes Comparação entre máquinas: Importante para: Compradores Projetistas Slide41

42 Considerações sobre a medição Importância para projetistas/engenheiros: Saber se uma máquina é mais rápida que a outra. Saber o porquê disto acontecer (hardware, set de instruções, etc.). Fatores que influenciam na 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. Slide42

43 Qual destes aviões possui o melhor desempenho? O quanto mais rápido é o Concorde comparado com o 747? O quanto maior é o 747 em relação ao Douglas DC-8? Slide43

44 Exercitando as métricas Critérios: velocidade, capacidade, etc. Velocidade: Concorde é o melhor Capacidade: Boeing 777 é o melhor Alcance: o DC-8-50 é o melhor Slide44

45 Mas nem tudo é tão simples Vazão (capacidade x velocidade) de passageiros Até 132 passageiros, o Concorde é o melhor Concorde leva 132 passageiros a 1350 mph 132 x 1350 = Boeing 747 teria 132 passageiros a 610 mph 132 x 610 = Entretanto, para 470 passageiros (capacidade do Boeing 747), este seria melhor (já que o Concorde não atende) 470 x 610 = Portanto, dependendo do problema, um determinado SISTEMA pode ser ou não o melhor segundo uma determinada MÉTRICA Slide45

46 Desempenho do computador: TEMPO, TEMPO, TEMPO Tempo de resposta (latência) tempo entre início-término da tarefa - Quanto tempo leva para meu trabalho ser realizado? - Quanto tempo leva para realizar um trabalho? - Quanto tempo preciso esperar para a consulta ao banco de dados? Vazão (throughput) *** Trabalho pode ser um programa!! - Quantos trabalhos a máquina pode realizar ao mesmo tempo? - Qual é a velocidade de execução média? - Quanto trabalho está sendo feito? Slide46

47 Desempenho do computador: TEMPO, TEMPO, TEMPO O que melhoramos... Se atualizarmos uma máquina com um novo processador, qual métrica melhoraremos? Se acrescentarmos uma máquina ao laboratório, qual delas melhoraremos? OBS.: IMPORTÂNCIA DE UMA MÉTRICA DEPENDE DO PROBLEMA Slide47

48 Tempo de execução Tempo decorrido (tempo de relógio ou tempo de resposta) conta tudo (acessos a disco e a memória, E/S etc.) um número útil, mas normalmente não é ideal para fins de comparação Tempo de execução da CPU (tempo de CPU) não conta E/S ou tempo gasto executando outros programas pode ser dividido em tempo de sistema e tempo de usuário Nosso foco: tempo de CPU do usuário tempo gasto executando as linhas de código (traduzidas em instruções de baixo nível) que estão em nosso programa Slide48

49 Definição de desempenho do livro Para um programa sendo executado na máquina X, DesempenhoX = 1 / Tempo_execuçãoX X é n vezes mais rápida do que Y DesempenhoX / DesempenhoY = n Problema: - a máquina A executa um programa em 10 segundos - a máquina B executa o mesmo programa em 15 segundos O quanto A é mais rápida que B? Slide49

50 Observações sobre nomenclaturas Comparação: mais rápido que. Variação: Melhorar desempenho/performance. Melhorar tempo de execução. Ao invés de: Aumentar desempenho/performance. Diminuir tempo de execução. EVITEMOS ESTES TERMOS!!! Slide50

51 Ciclos de clock Em vez de informar o tempo de execução em segundos, normalmente usamos ciclos segundos = ciclos segundos programa programa ciclos Os tiques (tics) de clock indicam quando iniciar as atividades (uma abstração): tempo tempo de ciclo = tempo entre os tiques = segundos por ciclo velocidade de clock (frequência) = ciclos por segundo (1Hz = 1 ciclo/segundo) Um clock de 4 GHz possui um tempo de ciclo de 1 / 4*10 9 = 250 ps (picoseg) Slide51

52 Perguntas para Refletir O desempenho do computador C é 4 vezes PIOR do que o desempenho do computador B, que executa uma determinada aplicação em 28 segundos. Quanto tempo o computador C levará para executar essa aplicação? Slide52