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Arquitetura de Computadores
Prof. Eduardo Simões de AlbuquerqueAdaptado do material do
Prof. Fábio M. CostaInstituto de Informática – UFG1o. Semestre / 2006
FundamentosParte 2
Princípios de Projeto deComputadores
2
Três áreas de aplicação comcaracterísticas diferentes
Computação em desktopcusto / desempenho – sistema dedicado
Servidorescusto / desempenho em relação a:
confiabilidade, disponibilidade, throughput,escalabilidade
Computadores embarcadoscusto, consumo de energia (potência)
A tarefa do projetista...
Determinar:requisitos funcionaismetas de preço, potência e desempenhoInfluências importantes
mercado, quantidade de software existente
Otimizar o projetode acordo com as métricas adotadas
custo/desempenho (desktop)throughput e disponibilidade (servidor)consumo de energia (sistemas embarcados)etc.
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A tarefa do projetista
Combinando:Arquitetura do conjunto de instruções
nível ISA – interface hardware/softwareOrganização do computador
componentes funcionais e sua interconexãoImplementação de hardware
circuitos, tecnologias de integração, etc.
Evolução do custo deMemórias DRAM
4
Evolução do custo: Caso do Pentium III
Custo de um circuito integrado
Intel Pentium 4
5
Custo de um circuito integrado
Wafer 8”564 processadoresMIPS64 R20Kprocesso: 0.18µm
Distribuição do custo em umsistema de computação
Gabinete: 6%folha metálica, plástico: 2%fonte de alimentação, ventoinhas: 2%cabos, porcas, parafusos: 1%caixa de transporte, manuais: 1%
Placa do processador: 37%processador: 22%DRAM (128MB): 5%Placa de vídeo: 5%Placa-mãe (E/S e rede on-board): 5%
:Dispositivos de E/S: 37%teclado e mouse: 3%monitor: 19%disco rígido: 9%unidade de DVD: 6%
SO + pacote office básico: 20% Fonte: H&P, 2003
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Custo X preço
Desempenho de Sistemas deComputação
7
Métricas...
tempo de resposta: sistema dedicadothroughput: sistema compartilhado
Medida mais confiável: tempo gasto na execução de programas reais
Tempo de execuçãoY= n => Computador X é n vezes mais Tempo de
execuçãoX rápido que Y
Métricas: tempo
Inclui:acessos a discoacessos à memóriaatividades de entrada / saídatempo de escalonamentotempo de CPU
tempo de usuáriotempo de sistema: overhead do SOex.: Unix time utility:
TUser TSys Latency %Utiliz.90,7µs 12,9µs 2:39 65%
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Métodos para medição dedesempenho
Aplicações reaisEx.: Word, Photoshop
Aplicações modificadasscripts para simular interação, remoção de E/S
Kernelsfragmentos de uma aplicação ou programa real, usados para isolar o desempenho de características individuais da máquina
Benchmarks de brinquedoexs.: quicksort, quebra-cabeças
Benchmarks sintéticoscódigo “artificial”, corresponde a um perfil médio deexecução
Benchmarks mais conhecidos: desktop
SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation)
CPU: SPEC CPU2000, SPEC CPU 2004(?)Gráficos:
SPECviewperf: OpenGLSPECapc: problemas específicos de modelagem desólidos e CAD 3D
Processamento de alto desempenhoJavaServidores (e-mail, arquivos, Web)
www.spec.org
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Benchmarks mais conhecidos:servidores
SPEC:SPECrate – throughput de processamentoSPECFS – servidor de arquivosSPECWeb – servidores WebConsideram as especificidades da arquiteturade servidores (E/S eficiente,multiprocessamento)
Processamento de transaçõesTPC (Transaction Processing Council)
processamento de consultas em BDs, sistemas deapoio a decisão, transações baseadas na Web
t
Benchmarks mais conhecidos:sistemas embutidos
Dificuldade em se ter um único benchmark de uso amploEEMBC (EDN Embedded Microprocessor Benchmark Consortium) – 5 classes:
automotiva / industrialeletrônica de consumoredeautomação de escritóriotelecomunicações
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Benchmark Games•An embarrassed Intel Corp. acknowledged Friday that a bug in a software program known as a compiler had led the company to overstate the speed of its microprocessor chips on an industry benchmark by 10 percent. However, industry analysts said the coding error…was a sad commentary on a common industry practice of “cheating” on standardized performance tests…The error was pointed out to Intel two days ago by a competitor, Motorola …came in a test known as SPECint92…Intel acknowledged that it had “optimized” its compiler to improve its test scores. The company had also said that it did not like the practice but felt to compelled to make the optimizations because its competitors were doing the same thing…At the heart of Intel’s problem is the practice of “tuning” compiler programs to recognize certain computing problems in the test and then substituting special handwritten pieces of code…
Saturday, January 6, 1996 New York Times
SPEC ‘89
Compiler “enhancements” and performance
0
100
200
300
400
500
600
700
800
tomcatvfppppmatrix300eqntottlinasa7doducspiceespressogcc
BenchmarkCompiler
Enhanced compiler
SP
EC
per
form
ance
ratio
11
SPEC CPU2000
SPEC 2000
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
SPECINT2000 SPECFP2000 SPECINT2000 SPECFP2000 SPECINT2000 SPECFP2000
Always on/maximum clock Laptop mode/adaptiveclock
Minimum power/minimumclock
Benchmark and power mode
Pentium M @ 1.6/0.6 GHzPentium 4-M @ 2.4/1.2 GHzPentium III-M @ 1.2/0.8 GHz
Clock rate in MHz
500 1000 1500 30002000 2500 35000
200
400
600
800
1000
1200
1400
Pentium III CINT2000
Pentium 4 CINT2000
Pentium III CFP2000
Pentium 4 CFP2000
Does doubling the clock rate double the performance?
Can a machine with a slower clock rate have better performance?
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Princípios de projeto...
Tornar rápido o caso comumgastar mais tempo otimizando as partes dosistema que são usadas com mais freqüência
Lei de Amdahl:melhorias de desempenho de partes de umsistema são diluídas no cálculo da melhoria incremental do sistema completo
FraçãoaperfeiçoadaTempo de execuçãonovo = Tempo de execuçãoantigo X (1-Fraçãoaperfeiçoada) +Aceleraçãoaperfeiçoada
A lei de Amdahl: Exemplo
Suponha que um programa gaste 100s para executar em uma certa máquina, comoperações de multiplicação respondendo por 80s do total. Por quanto devemos melhorar a velocidade de operações demultiplicação se quisermos que o programaexecute 4 vezes mais rápido?E para executar 5 vezes mais rápido?
FraçãoaperfeiçoadaTempo de execuçãonovo = Tempo de execuçãoantigo X (1-Fraçãoaperfeiçoada) +Aceleraçãoaperfeiçoada
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Princípios de projeto
Melhorar a equação de desempenho daCPU:
tempo de ciclo de clock: tecnologia de hardware e organizaçãoCPI (ciclos por instrução): organização earquitetura do conjunto de instruçõesContagem de instruções (por programa):arquitetura do conjunto de instruções etecnologia de compiladores
Instruções Ciclos de clock SegundosX X = Tempo de CPU(seg/progr.)
Programa Instrução Ciclo de clock
Dep
endê
ncia
s
Ciclos de clockRelatar o desempenho em termos do número de ciclos gastos ao invés de tempo:
“Tics” de clock indicam quando iniciar alguma atividade
Tempo de ciclo = tempo entre ticks = segundos por cicloTaxa de clock (freqüência) = ciclos por segundo
(1Hz = 1 ciclo/segundo)Ex.: processador de 2.4GHz tem um tempo de ciclo de:
segundos ciclos segundos= X
programa programa ciclo
time
1= 0,42 x 10 9s = 0,42ns
2.4 x 10 9
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Formas de melhorar aeficiência
Reduzir o número de ciclos por programaotimizações feitas pelo compiladorconjunto de instruções otimizado
Reduzir o tempo de clock (i.e., aumentar afreqüência)
tecnologia de hardwareorganização da máquina
segundos ciclos segundos= X
programa programa ciclo
Número de ciclos gastos emum programa
Poderia assumir que o número de ciclos é igual ao número deinstruções do programa:
Mas:algumas instruções são mais complexas do que outras, gastando maistempoinstruções diferentes gastam tempos diferentes em máquinas diferentes
1st i
nstru
ctio
n
2nd
inst
ruct
ion
3rd
inst
ruct
ion
4th
5th
6th ...
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Diferentes números de ciclos para diferentes instruções
Multiplicação gasta mais tempo do que adiçãoOperações de ponto flutuante gastam maistempo que operações de inteirosAcesso à memória toma mais tempo do que acesso a registradores
Exercício: tempo de clock
“Our favorite program runs in 10 seconds on computer A, which has a 400 Mhz. clock. We are trying to help a computer designer build a new machine B, that will run this program in 6 seconds. The designer can use new (or perhaps more expensive) technology to substantially increase the clock rate, but has informed us that this increase will affect the rest of the CPU design, causing machine B to require 1.2 times as many clock cycles as machine A for the same program. What clock rate should we tell the designer to target?”
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Tempo de clock e desempenho
Clock rate (MHz)
SP
EC
int
2
0
4
6
8
3
1
5
7
9
10
200 25015010050
Pentium
Pentium Pro
PentiumClock rate (MHz)
SPEC
fp
Pentium Pro
2
0
4
6
8
3
1
5
7
9
10
200 25015010050
Dobrar a freqüência de clock dobra o desempenho?
Pode uma máquina com clock mais lento ter um desempenho melhor?
Exercício: CPI
Suponha que temos duas máquinas implementando amesma arquitetura de conjunto de instruções
Para um certo programa:a máquina A tem um período de clock de 10ns e uma CPI = 2,0a máquina B tem um período de clock de 20ns e uma CPI = 1,2
Qual das duas máquinas é mais rápida para este programa? Qual a diferença entre elas?
Se duas máquinas têm a mesma ISA, qual das seguintes quantidades é sempre idêntica?
freqüência de clock, CPI, tempo de execução, número de instruções por programa, MIPS
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Exemplo: Número deinstruções por programa
Um projetista de compilador está tentando se decidir entre duas seqüências de código para uma máquinaparticular.Baseado na implementação de hardware, há três classesdistintas de instruções: Classe A, Classe B e Classe C,que requerem respectivamente um, dois e três ciclos de clock.
A primeira seqüência tem 5 instruções: 2 de A, 1 de B e 2 de CA segunda seqüência tem 6 instruções: 4 de A, 1 de B e 1 de C
Qual seqüência será mais rápida? Qual a diferença?Qual é a CPI para cada seqüência?
MIPS
Milhões de instruções por segundomais alto para programas que usam instruções simples
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Exemplo: MIPSDois compiladores diferentes estão sendo testados para uma máquina de 100MHz com três classes diferentes de instruções:Classe A, Classe B, e Classe C, que requerem 1, 2 e 3 ciclos derelógio respectivamente. Ambos os compiladores são usados para produzir código para um programa em grande escala.
O código do primeiro compilador usa 2 milhões de instruções Classe A, 1 milhão de instruções Classe B, e 2 milhões deinstruções Classe C.O código do segundo compilador usa 4 milhões de instruções Classe A, 1 milhão de instruções Classe B e 1 milhão deinstruções classe C.
Qual seqüência será mais rápida de acordo com MIPS?Qual seqüência será mais rápida de acordo com o tempo de exec.?
Resumindo
Desempenho é específico para cada programao tempo de execução total é a medida de desempenho consistente
Para uma dada arquitetura, melhorias de desempenho resultam de:
melhoria na freqüência de relógiomelhorias na arquitetura e na organização do processador para reduzir acontagem de CPImelhorias nos compiladores para reduzir tanto a CPI quanto a contagemde instruções/programa
Armadilha: esperar que melhorias no desempenho de umaspecto da máquina vão afetar seu desempenho globalna mesma proporção
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Outros princípios de projeto visando desempenho
Explorar o “princípio da localidade”
Explorar as oportunidades deparalelismo
Empregar técnicas de otimização nocompilador
Bibliografia
Hennessy & PattersonCap. 1: Fundamentos doProjeto de Computadores
Patterson & HennessyCap. 2: O Papel da Performance