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Arquitetura e Organização de Computadores 1 José Hiroki Saito Igor Marçal Botamede Spadoni – PESCD.

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1 Arquitetura e Organização de Computadores 1 José Hiroki Saito Igor Marçal Botamede Spadoni – PESCD

2 Eficiência de um sistema inteiro Avaliar e compreender o desempenho trata: Medir Informar Resumir Fatores determinantes 2

3 É complexo avaliar o desempenho desse tipo de sistema Complexidade e escala dos softwares modernos Ampla gama de técnicas de melhoria de desempenho Impossível sentar com um manual do conjunto de instruções e determinar a velocidade de execução de um sistema 3

4 Desempenho é um fator importante para os projetistas O que determina o desempenho de um computador? 4

5 Analogia com aviões de passageiro Desempenho determinado pela velocidade: Quão rápido é o Concorde comparado com o 747? 1 passageiro de um ponto a outro 450 passageiro de um ponto a outro 5 Avião Passageiros Autonomia (mi) Velocidade (mph) Boeing Boeing BAC/Sud Concorde Douglas DC

6 Tempo de Resposta (latência) Quanto tempo leva para executar uma tarefa? Throughput Quantas tarefas a máquina pode executar de uma vez? O que é a taxa média de execução? Qual o impacto, se substituir o processador por uma versão mais rápida? Qual o impacto, se adicionarmos uma nova máquina no laboratório? 6

7 Tempo de Resposta ou Tempo de Execução Tempo entre inicio e término de uma tarefa Diminuir o tempo de resposta quase sempre melhora a vazão Dizer que uma máquina A é n vezes mais rápida que uma máquina B significa que: 7

8 Desempenho é definido como o inverso do tempo de execução Desempenho Relativo 8

9 Problema: máquina A executa um programa em 10 segundos máquina B executa o mesmo programa em 15 segundos Calcular n

10 Tempo decorrido Tempo de CPU gasto no SO realizando as tarefas a pedido do programa Tempo de CPU Não conta E/S ou tempo dispendido rodando outros programas significa o tempo que a CPU consome computando Nosso foco: tempo de CPU do usuário tempo gasto executando linhas de código que estão dentro do nosso programa

11 Caracterizado por limitações de tempo real Dois tipos de limitações Tempo real rígido Define um limite fixo para responder ou processar um evento (ex: freio antitravamento) Tempo real flexível Uma resposta média ou uma resposta dentro de um tempo limitado a uma grande fração dos eventos (ex: manipular quadros de vídeos em um sistema de reprodução) 11

12 Métricas utilizadas Ciclos de clock Tempo de ciclo Instruções por programa Média dos ciclos de clock por instrução ou 12

13 Porém nas equações anteriores não fazemos referência ao número de instruções necessárias para o programa, logo o número de ciclos de clock pode ser estendido como: Ciclos de clock por instrução pode ser chamado como CPI 13

14 Ao invés de reportar o tempo de execução em segundos, geralmente usa-se ciclos Um tick de clock indica quando se inicia uma atividade Tempo de ciclo = tempo entre ticks = segundos por ciclo Taxa de clock (frequência) = ciclos por segundo (1 Hz. = 1 ciclo/s)

15 Assumir que # de ciclos = # de instruções Essa consideração é apenas uma aproximação, pois diferentes instruções levam diferentes tempos para serem executadas. time 1st instruction2nd instruction3rd instruction4th 5th6th...

16 Multiplicação leva mais tempo que soma Operações de ponto flutuante levam mais tempo que operações de inteiros Acessar memória leva mais tempo que acessar registradores Importante: alterando o tempo de ciclo muitas vezes altera o número de ciclos requerido para várias instruções tempo

17 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? 17

18 18

19 Um dado programa irá requerer Certo número de instruções (instruções de máquina) Certo número de ciclos Certo tempo em segundos

20 A única medida completa e confiável do desempenho é o tempo 20 Componentes de desempenhoUnidades de medida Tempo de execução da CPU de um programaSegundos para o programa Contagem de instruçõesInstruções executadas para o programa CPINúmero médio de ciclos de clock por instrução Tempo do ciclo de clockSegundos por ciclo de clock

21 MIPS Milhões de instruções por segundo Número de instruções de código de máquina que o processador pode executar em um segundo Porém não é possível usá-lo como medida de desempenho 21

22 22 Componente de hardware ou software Afeta o quê?Como? Algoritmo Contagem de instruções, possivelmente o CPI Determina o Nº de instruções do programa fonte executadas. Pode favorecer instruções mais lentas ou rápidas. Linguagem de Programação Contagem de instruções e CPI Instruções da linguagem traduzidas em instrução do processador. Pode usar chamadas indiretas (CPI mais altos). Compilador Contagem de instruções e CPI Afeta a contagem de instruções e a média de CPI já que determina a tradução da linguagem de programação para instrução Conjunto de instruções Contagem de instruções, velocidade de clock e CPI Afeta as instruções necessárias para função, o custo em ciclos de cada instrução e a velocidade geral do processador.

23 O desempenho é determinado pelo tempo de execução As variáveis abaixo não determinam o desempenho: N° de ciclos para executar um programa; N° de instruções num programa; N° de ciclos por segundo; N° médio de ciclos por instrução; e N° médio de instruções por segundo.

24 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?

25 25

26 Um projetista de compilador está tentando decidir entre duas sequências de código para uma máquina particular. Baseado numa implementação de hardware, existem 3 classes diferentes de instruções: Classe A, Classe B, e Classe C, que requerem um, dois e três ciclos (respectivamente). A primeira sequência tem 5 instruções: 2 de A, 1 de B, e 2 de C A segunda sequência tem 6 instruções: 4 de A, 1 de B, e 1 de C. Qual sequência será mais rápida? Quanto? Qual o CPI para cada sequência?

27 Determinação melhor do desempenho executando aplicações reais Usa programas típicos de carga de trabalho (workload) desejada Ou, típicos de classes de aplicações desejadas ex., compiladores/editores, aplicações científicas, gráficos, etc. Pequenos benchmarks Bom para arquitetos e projetistas Fácil para padronização Podem ser abusados (usados erroneamente) SPEC (System Performance Evaluation Cooperative) As companhias adotam um conjunto de programas reais Podem ser abusados

28 Gráfico de melhoramento do compilador e desempenho

29

30 Dobrando a taxa de clock dobra o desempenho? Uma máquina com uma taxa de clock lenta pode ter um melhor desempenho?

31 As decisões de projeto devem favorecer os casos mais freqüentes: tornar rápido o caso mais comum A lei de Amdahl define o speed up (S), que consiste do ganho em desempenho que pode ser obtido ao melhorar determinada característica do computador 31

32 Speed Up (S) 32

33 O speed up a partir de alguma melhoria depende de dois fatores A fração do tempo de computação na máquina original que pode tirar vantagem da melhoria (Fmelhoria): se 20s do tempo de execução de um programa, que leva 60s para ser executado, podem ser melhorados, a fração é 20/60; O ganho obtido com a execução da melhoria (Smelhoria): se a melhoria leva 2s para ser executada e a original leva 5s, o ganho é 5/2. 33

34 O tempo de execução usando a máquina original com a melhoria (te novo ) será igual ao tempo gasto usando a parte da máquina sem melhoria mais o tempo gasto usando a melhoria 34

35 O speed up total (S total ) é a razão entre os tempos de execução 35

36 Suponha uma melhoria que executa 10 vezes mais rápido do que o original, mas é utilizada somente 40% do tempo A lei de Amdahl serve como um indicativo de quanto uma melhoria irá aumentar o desempenho total e como distribuir recursos para melhorar a relação custo/desempenho. O objetivo é investir recursos proporcionalmente aonde o tempo é gasto 36

37 Desempenho é específico a um programa particular O tempo de execução total é um resultado do desempenho Para que uma dada arquitetura melhore deve-se: Aumentar a taxa de clock (sem afetar o CPI) Melhorar a organização do processador para diminuir o CPI Melhorar o compilador para diminuir o CPI e/ou número de instruções

38 Cuidado: não esperar que a melhoria do desempenho num aspecto de uma máquina melhore sempre o seu desempenho total! 38

39 FIM 39

40 40


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