Capítulo 4 Hennessy • Patterson

Como o conjunto de instruções da máquina afeta o desempenho? Meça, informe e resuma Faça escolhas inteligentes Veja através da propaganda de marketing Vital para entender a motivação organizacional subjacente 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? Hennessy • Patterson

Qual destes aviões possui o melhor desempenho? O quanto mais rápido é o Concorde comparado com o 747? O quanto maior é o 747 do que o Douglas DC-8? Hennessy • Patterson

Desempenho do computador: TEMPO, TEMPO, TEMPO Tempo de resposta (latência) - 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) - Quantos trabalhos a máquina pode realizar ao mesmo tempo? - Qual é a velocidade de execução média? - Quanto trabalho está sendo feito? Se atualizarmos uma máquina com um novo processador, em que melhoramos? Se acrescentarmos uma máquina ao laboratório, em que melhoramos? Hennessy • Patterson

Tempo de execução Tempo decorrido - 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 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 que estão “em” nosso programa Hennessy • Patterson

Definição de desempenho do livro Para um programa sendo executado na máquina X, DesempenhoX = 1 / Tempo_execuçãoX “X é n vezes mais rápido do que Y” DesempenhoX / DesempenhoY = n Problema: - a máquina A executa um programa em 20 segundos - a máquina B executa o mesmo programa em 25 segundos Hennessy • Patterson

Ciclos de clock Em vez de informar o tempo de execução em segundos, normalmente usamos ciclos segundos = ciclos  segundos programa programa ciclos Os ”tiques” de clock indicam quando iniciar as atividades (uma abstração): tempo tempo de ciclo = tempo entre os tiques = segundos por ciclo velocidade de clock (freqüência) = ciclos por segundo (1Hz. = 1 ciclo/segundo) Um clock de 4Ghz possui um tempo de ciclo de Hennessy • Patterson

Como melhorar o desempenho segundos = ciclos  segundos programa programa ciclos Portanto, para melhorar o desempenho (tudo mais sendo igual), você pode (aumentar ou diminuir?) ________ o número de ciclos necessários para um programa, ou ________ o tempo de ciclo de clock ou, dito de outra maneira, ________ a velocidade de clock. Hennessy • Patterson

Quantos ciclos são necessários para um programa? Poderíamos considerar que o número de ciclos é igual ao número de instruções 1ª. Instrução 2ª. Instrução 3ª. Instrução 4ª. 5ª. 6ª. Tempo Essa suposição é incorreta; diferentes instruções levam a diferentes períodos em diferentes máquinas. Por quê? Dica: Lembre-se de que essas são instruções de máquina, não linhas de código C. Hennessy • Patterson

Diferentes números de ciclos para diferentes instruções Tempo A multiplicação leva mais tempo do que a adição As operações de ponto flutuante levam mais tempo do que as operações de inteiros Acessar a memória leva mais tempo do que acessar os registradores Importante: mudar o tempo de ciclo normalmente muda o número de ciclos necessários para várias instruções (veja mais posteriormente) Hennessy • Patterson

Exemplo Nosso programa favorito é executado em 10 segundos no computador A, que possui um clock de 4GHz. Estamos tentando ajudar um projetista de computador a construir uma nova máquina B, que execute esse programa em 6 segundos. O projetista determinou que um aumento substancial na velocidade de clock é possível, mas esse aumento afetará o restante do projeto da CPU, fazendo com que o computador B exija 1,2 vez mais ciclos de clock do que o computador A para esse programa. Que velocidade de clock devemos pedir para que o projetista almeje? Não entre em pânico! Podemos resolver isso facilmente usando os princípios básicos Hennessy • Patterson

Agora que entendemos os ciclos Um determinado programa exigirá - um determinado número de instruções (instruções de máquina) - um determinado número de ciclos - um determinado número de segundos Temos um vocabulário que relaciona essas quantidades: - tempo de ciclo (segundos por ciclo) - velocidade de clock (ciclos por segundo) - CPI (ciclos por instrução) — uma aplicação com excessivo uso de ponto flutuante pode ter uma CPI mais alta MIPS (milhões de instruções por segundo) — isso seria mais alto para um programa usando instruções simples Hennessy • Patterson

Desempenho O desempenho é determinado pelo tempo de execução Qualquer uma das outras variáveis igualam o desempenho? - número de ciclos para executar o programa? - número de instruções no programa? - número de ciclos por segundo? - número médio de ciclos por instrução? - número médio de instruções por segundo? Armadilha comum: pensar que uma das variáveis é indicadora do desempenho, quando na realidade não é. Hennessy • Patterson

Exemplo de CPI Suponha que tenhamos duas implementações da mesma arquitetura do conjunto de instruções (ISA) Para um determinado programa, A máquina A tem um tempo de ciclo de clock de 250 ps e uma CPI de 2,0 A máquina B tem um tempo de ciclo de clock de 500 ps e uma CPI de 1,2 Que máquina é mais rápida para esse programa e o quanto? Se duas máquinas possuem a mesma ISA, qual de nossas quantidades (por exemplo, velocidade de clock, CPI, tempo de execução, número de instruções, MIPS) será sempre idêntica? Hennessy • Patterson

Exemplo de número de instruções Um projetista de compilador está tentando decidir entre duas seqüências 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 seqüência de código possui 5 instruções: 2 de A, 1 de B e 2 de C. A segunda seqüência possui 6 instruções: 4 de A, 1 de B e 1 de C. Que seqüência será mais rápida? O quanto mais rápida? Qual é a CPI para cada seqüência? Hennessy • Patterson

Exemplo de MIPS Dois compiladores diferentes estão sendo testados para uma máquina de 4GHz com três classes diferentes de instruções: Classe A, Classe B e Classe C, e elas exigem um, dois e três ciclos, respectivamente. Ambos os compiladores são usados para produzir código para um grande software. O código do primeiro compilador usa 5 milhões de instruções da Classe A, 1 milhão de instruções da Classe B e 1 milhão de instruções da Classe C. O código do segundo compilador usa 10 milhões de instruções da Classe A, 1 milhão de instruções da Classe B e 1 milhão de instruções da Classe C. Que seqüência será mais rápida de acordo com o MIPS? Que seqüência será mais rápida de acordo com o tempo de execução? Hennessy • Patterson

Benchmarks A melhor forma de determinar desempenho é executando uma aplicação real - Usa programas típicos do workload esperado - Ou, típico da classe de aplicações esperada — por exemplo, compiladores/editores, aplicações científicas, design gráfico etc. Benchmarks pequenos - ótimos para arquitetos e projetistas - fácil de padronizar - pode ser forçado SPEC (System Performance Evaluation Cooperative) - as empresas concordaram sobre um conjunto de programas e entradas reais - valioso indicador do desempenho (e da tecnologia do compilador) - ainda pode ser forçado Hennessy • Patterson

Jogos de benchmark ]A Intel reconheceu, envergonhada, na sexta-feira que um bug em um programa de software conhecido como um compilador levou a empresa a anunciar uma velocidade 10 por cento maior dos seus chips microprocessadores em um benchmark da área. Entretanto, os analistas do setor disseram que o erro de codificação foi um comentário infeliz sobre uma prática comum de “mentir” nos testes de desempenho padronizados. O erro foi atribuído à Intel dois dias atrás pela concorrente Motorola, em um teste conhecido como SPECint92. A Intel reconheceu que havia “otimizado” seu compilador para melhorar suas pontuações de teste. A empresa também havia dito que não gostava da prática, mas que foi forçada a fazer as otimizações por que seus concorrentes estavam fazendo o mesmo. No coração do problema da Intel está a prática de “ajustar” os programas de compilador para reconhecerem certos problemas de computação no teste e, então, substituir por partes especiais do código escritas a mão. Sábado, 6 de janeiro de 1996 — New York Times Hennessy • Patterson

Taxa de desempenho SPEC “Melhorias” e desempenho de compilador Taxa de desempenho SPEC Compilador Compilador melhorado Hennessy • Patterson

SPEC CPU2000 Hennessy • Patterson

SPEC 2000 Dobrar a velocidade de clock dobra o desempenho? Uma máquina com uma velocidade de clock mais lenta pode ter um desempenho melhor? Hennessy • Patterson

Experiência Telefone para um grande vendedor de computadores e diga que você está com dificuldade de decidir entre dois computadores diferentes, especificamente, que está confuso quanto aos pontos fortes e fracos dos processadores (Por exemplo, entre Pentium 4 2Ghz e Celeron M 1.4Ghz) Que tipo de resposta você provavelmente receberá? Que tipo de resposta você poderia dar a um amigo com a mesma dúvida? Hennessy • Patterson

Lei de Amdahl Tempo de execução após melhoria = Tempo de execução não afetado + (Tempo de execução afetado / Quantidade de melhoria) Exemplo: “Suponha que um programa seja executado em 100 segundos em uma máquina, com multiplicação responsável por 80 segundos desse tempo. O quanto precisamos melhorar a velocidade da multiplicação se queremos que o programa seja executado 4 vezes mais rápido?” Que tal torná-lo 5 vezes mais rápido? Princípio: Torne o caso comum rápido Hennessy • Patterson

Exemplo Suponha que melhoramos uma máquina fazendo todas as instruções de ponto flutuante serem executadas cinco vezes mais rápido. Se o tempo de execução de algum benchmark antes da melhoria do ponto flutuante é 10 segundos, qual será o aumento de velocidade se metade dos 10 segundos é gasta executando instruções de ponto flutuante? Estamos procurando um benchmark para mostrar a nova unidade de ponto flutuante descrita acima e queremos que o benchmark geral mostre um aumento de velocidade de 3 vezes. Um benchmark que estamos considerando é executado durante 100 segundos com o hardware de ponto flutuante antigo. Quanto do tempo de execução as instruções de ponto flutuante teriam que considerar para produzir nosso aumento de velocidade desejado nesse benchmark? Hennessy • Patterson

Lembre O desempenho é específico a um determinado programa - O tempo de execução total é um resumo consistente do desempenho Para uma determinada arquitetura, os aumentos de desempenho vêm de: - aumentos na velocidade de clock (sem efeitos de CPI adversos) - melhorias na organização do processador que diminuem a CPI - melhorias no compilador que diminuem a CPI e/ou a contagem de instruções - escolhas de algoritmo/linguagem que afetam a contagem de instruções Armadilha: Esperar que a melhoria em um aspecto do desempenho de uma máquina afete o seu desempenho total Hennessy • Patterson

Vamos construir um processador Estamos quase prontos para entrar no Capítulo 5 e iniciar a construção de um processador Primeiro, vamos revisar a lógica booleana e construir a ALU de que precisaremos (material do Apêndice B) Hennessy • Patterson

Revisão: álgebra booleana e portões Problema: Considere uma função lógica com três entradas: A, B e C. - A saída D é verdadeira se pelo menos uma entrada for verdadeira - A saída D é verdadeira se exatamente duas entradas forem verdadeiras - A saída F é verdadeira apenas se todas as três entradas forem verdadeiras Mostre a tabela de verdade para essas três funções. Mostre as equações booleanas para essas três funções. Mostre a implementação consistindo de portões inversores, AND e OR Hennessy • Patterson

Uma ALU (unidade lógica aritmética) Vamos construir uma ALU para dar suporte às instruções andi e ori construiremos apenas uma ALU de 1 bit e usaremos 32 deles Operação resultado Implementação possível (soma-dos-produtos): Hennessy • Patterson

Revisão: O multiplexador Seleciona uma das entradas para ser a saída, com base em uma entrada de controle Nota: chamamos isso de um máximo de duas entradas, mesmo que ele tenha três entradas! Vamos construir nossa ALU usando um MUX: Hennessy • Patterson

Diferentes implementações Não é fácil decidir a “melhor” maneira de construir algo - não queremos entradas demais em um único portão - não queremos ter que atravessar muitos portões - para nossos objetivos, a facilidade de compreensão é importante Vejamos uma ALU de 1 bit para adição: Como poderíamos construir uma ALU de 1 bit para add, and e or? Como poderíamos construir uma ALU de 32 bits? Hennessy • Patterson

Construindo uma ALU de 32 bits Hennessy • Patterson

E quanto à subtração (a  b)? Método do complemento a dois: simplesmente negue b e some. Como negamos? Uma solução muito inteligente: Hennessy • Patterson

Acrescentando uma função NOR Também podemos escolher inverter a. Como obtemos um “a NOR b”? Hennessy • Patterson

Adequando a ALU ao MIPS Precisamos oferecer suporte à instrução set-on-less-than (slt) - lembre-se: slt é uma instrução aritmética - produz um 1 se rs < rt e produz um 0 em caso contrário - use subtração: (a-b) < 0 implica a < b Precisamos aceitar teste de igualdade (beq $t5, $t6, $t7) - use subtração: (a-b) = 0 implica a = b Hennessy • Patterson

Suporte a slt Podemos imaginar a idéia? Use esta ALU para o bit mais significativo Todos os outros bits Hennessy • Patterson

Suporte a slt Hennessy • Patterson

Teste de igualdade Observe as linhas de controle: Nota: zero é um 1 quando o resultado é zero! Hennessy • Patterson

Conclusão Podemos construir uma ALU para aceitar o conjunto de instruções MIPS - idéia básica: usar um multiplexador para selecionar a saída que desejamos - podemos realizar subtração eficientemente usando o complemento a dois - podemos duplicar uma ALU de 1 bit para produzir uma ALU de 32 bits Pontos importantes sobre hardware - todos os portões estão sempre operando - a velocidade de um portão é influenciada pelo número de entradas do portão - a velocidade de um circuito é influenciada pelo número de portões na série (no “caminho crítico” ou no “nível mais profundo da lógica”) Nosso foco principal: compreensão; entretanto, - Mudanças inteligentes na organização podem melhorar o desempenho (semelhante a usar melhores algoritmos no software) - Vimos isso na multiplicação; agora vejamos na adição Hennessy • Patterson

Problema: o somador com carry ripple é lento Uma ALU de 32 bits é tão rápida quanto uma ALU de 1 bit? Existe mais de uma maneira de fazer adição? - dois extremos: carry ripple e soma-de-produtos Você consegue ver o ripple? Como você se livraria dele? Inviável! Por quê? Hennessy • Patterson

Somador com carry look-ahead Um método intermediário entre nossos dois extremos Motivação: - Se não soubéssemos o valor do carry-in, o que poderíamos fazer? - Quando sempre geraríamos um carry? - Quando propagaríamos o carry? Nos livramos do ripple? Viável! Por quê? Hennessy • Patterson

Use princípio para construir somadores maiores Não podemos construir um somador de 16 bits dessa maneira... (grande demais) Poderíamos usar o carry ripple dos somadores CLA de 4 bits Melhor ainda: Use o princípio CLA novamente! Hennessy • Patterson

Resumo da ALU Podemos construir uma ALU para aceitar adição MIPS Nosso foco está na compreensão, não do desempenho Processadores reais usam técnicas mais sofisticadas para aritmética Onde o desempenho não é vital, as linguagens de descrição de hardware permitem que os projetistas automatizem completamente a criação do hardware! Hennessy • Patterson