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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

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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

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Evolução do custo: Caso do Pentium III

Custo de um circuito integrado

Intel Pentium 4

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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

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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