Architetture dei Calcolatori (Lettere

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1 Architetture dei Calcolatori (Lettere J-Z) Valutazione delle Prestazioni Ing.. Davide D AmicoD

2 Valutazione delle Prestazioni Misura/valutazione di un insieme di parametri quantitativi per caratterizzare le prestazioni di un un calcolatore Prestazioni ~ Tempo di esecuzione di un insieme di applicazioni Cosa significa il calcolatore A ha prestazioni migliori del calcolatore B? B Termina lo stesso compito in un tempo minore rispetto al calcolatore B Nello stesso periodo di tempo riesce ad eseguire più compiti Obiettivo: : Comprendere i fattori sia HW che SW - che determinano le prestazioni di un calcolatore Quali algoritmo/istruzioni sono usate da un certo programma Come l hardware l implementa il set di istruzioni Come il sistema di memoria-i/o opera Prestazioni 1

3 Tempo di risposta e throughput Tempo di risposta (o di esecuzione) Intervallo temporale che intercorre tra l inizio l ed il completamento di programma/job Inclusi tempo di esecuzione del processore, accessi al disco, accessi cessi in memoria, attività di I/O, overhead del sistema operativo, Esempio: durata dell esecuzione esecuzione di un programma Metrica di interesse per l utentel Throughput Ammontare complessivo di lavoro svolto in un dato intervallo temporale Esempio: numero di programmi eseguiti nell unit unità di tempo Metrica di interesse per l amministratore l del sistema Prestazioni 2

4 Prestazioni e Tempo di Esecuzione La frase X è più veloce di Y Y è usata per indicare che il tempo di risposta (o di esecuzione), per un dato lavoro, è minore in X che in Y Prestazione X =1/Tempo di esecuzione X Miglioramento delle prestazioni Diminuzione del tempo di esecuzione Prestazioni 3

5 Tempo di risposta e di CPU Tempo di risposta: : rappresenta la latenza per il completamento di un programma ed include accessi al disco, accessi alla memoria, attività di I/O, Tempo di CPU: : rappresenta il tempo speso dalla CPU per eseguire il programma dato: non include il tempo di attesa per I/O o per l esecuzione l di altri programmi Tempo di CPU = tempo di CPU di utente + tempo di CPU di sistema Tempo di CPU di utente: : tempo speso dalla CPU per eseguire le linee di codice che sono nel programma Tempo di CPU di sistema: tempo speso dal sistema operativo per eseguire i compiti richiesti dal programma Prestazioni 4

6 Ciclo di clock Durata del periodo di un oscillazione completa del segnale di sincronizzazione Spesso sostituisce i secondi come unità di misura del tempo di CPU Durata del ciclo di clock = tempo tra due impulsi consecutivi Secondi per ciclo Frequenza di clock = cicli di clock per secondo 1 Hz = sec -1 Esempio: un calcolatore con frequenza di clock pari a 4 GHz possiede un ciclo di clock di durata (4 * 10 9 ) - 1 = 0.25 * 10-9 = 0.25 nanosecondi Prestazioni 5

7 Tempo di CPU Per un dato programma Tempo di CPU= Cicli di Clock della CPU per il programma * Ciclo di Clock oppure Tempo di CPU= CiclidiClock dellacpu per ilprogramma Frequenza di Clock Per migliorare le prestazioni, a parità di tutto il resto, occorre: Ridurre il numero di cicli richiesti da un programma Ridurre la durata del ciclo di clock Aumentare la frequenza del clock Prestazioni 6

8 Durata di Diverse Istruzioni In genere, istruzioni di tipo diverso richiedono quantità diverse di tempo. Esempi: La moltiplicazione richiede più tempo dell addizione L accesso alla memoria richiede più tempo dell accesso ai registri Fissata la durata del ciclo di clock, varia il numero di cicli di d clock richiesti dalle diverse istruzioni Si può calcolare il numero medio di cicli di clock per istruzione di un dato programma (o frammento di programma) Prestazioni 7

9 Cicli di Clock per Istruzione (CPI) Per un dato programma CPI = CiclidiClock dellacpu per ilprogramma Numero Istruzioni Riscriviamo il Tempo di CPU Tempo di CPU= Numero Istruzioni * CPI * Ciclo di Clock Tempo di CPU = Numero Istruzioni * CPI Frequenza di Clock Prestazioni 8

10 Numero Totale di Cicli di Clock n CiclidiClock dellacpu per ilprogramma=σ (CPI i *I i ) i=1 n tipi di istruzioni diverse ALU, lw, sw, jump, branch, etc I i = numero di volte che l istruzione l di tipo i viene eseguita nel programma CPI i = numero di cicli di clock per l istruzione l di tipo i Possiamo quindi utilizzare questa formula per esprimere il tempo di CPU: Tempo di CPU=Ciclo di Clock * Σ (CPI i *I i ) i=1 n Prestazioni 9

11 Formula per CPI n Σ (CPI i *I i ) n I i=1 CPI = = Σ i CPI i * Numero Istruzioni i=1 Numero Istruzioni ( ) Ogni singolo CPI i viene moltiplicato per la frazione delle occorrenze nel programma - f i =I i /Numero Istruzioni - delle istruzioni di tipo i CPI = ( CPI i * f i ) Σ n i=1 Prestazioni 10

12 Esempio Si consideri un calcolatore in grado di eseguire le istruzioni indicate in tabella Calcolare CPI e tempo di CPU per eseguire un programma composto da 100 istruzioni, supponendo che la frequenza di clock sia 500 MHz Tempo di CPU= Numero Istruzioni * CPI * Ciclo di Clock CPI = Σ n ( CPI i * f i ) i=1 CPI=0.43*1+0.21*4+0.12*4+0.12*2+0.12*2=2.23 Tempo di CPU= 100 * 2.23* 2 (ns) =446 (ns) Prestazioni 11

13 Fattori che influiscono sulle prestazioni Algoritmo Influisce sul numero di istruzioni (CI) Numero di istruzioni nel programma sorgente Influisce su CPI Uso di istruzioni più veloci o più lente Linguaggio di programmazione Influisce sul numero di istruzioni (CI) Influisce su CPI Caratteristiche del linguaggio (es( es: : astrazione dei dati) Compilatore Influisce sul numero di istruzioni (CI) e su CPI Insieme di istruzioni dell architettura Influisce sul numero di istruzioni (CI), su CPI e sulla frequenza del ciclo di clock Prestazioni 12

14 Principi quantitativi di progettazione dei calcolatori Rendere veloce il caso più comune Si deve favorire il caso più frequente a discapito di quello più raro Il caso più frequente è spesso il più semplice e può essere reso più veloce del caso infrequente Legge di Amdahl Il miglioramento di prestazione che può essere ottenuto usando alcune modalità di esecuzione più veloci è limitato dalla frazione di tempo nella quali tali modalità sono impiegate La legge di Amdahl permette di calcolare questo guadagno di prestazione Prestazioni 13

15 Speedup oppure Lo speedup fornisce informazioni su quanto più velocemente un lavoro verrà eseguito usando il calcolatore con la miglioria rispetto al calcolatore originale Prestazioni 14

16 Legge di Amdahl Frazione migliorato ( 1), ovvero la frazione del tempo di calcolo che può essere modificato per avvantaggiarsi dei miglioramenti Esempio: se 20 sec del tempo di esecuzione di un programma che dura 60 sec possono essere modificati grazie al miglioramento, la frazione è 20/60 Speedup migliorato ( 1), ovvero il miglioramento ottenuto dal modo di esecuzione più veloce Esempio: se il modo di esecuzione più veloce è 2 sec, mentre il modo originale è 5 secondi per la stessa porzione di programma, lo speedup è 5/2 Prestazioni 15

17 Esempio 1 Si consideri un miglioramento di un processore di un sistema utilizzato per servizi Web, tale che la nuova CPU sia 10 volte più veloce di quella originale per le applicazioni Web. Assumendo che la CPU originale è occupata nella computazione per il 40% del tempo ed è in attesa dell I/O per il 60%, quale è lo speedup globale? Frazione migliorato = 0.4 Speedup migliorato = 10 Speedup globale = 1/( /10) = 1/ Speedup globale Prestazioni 16

18 Esempio 2 Supponiamo di potere aumentare la velocità della CPU della nostra macchina di un fattore 5 (senza influenzare le prestazioni di I/O) con un costo 5 volte superiore Assumiamo inoltre che la CPU sia utilizzata per il 50% del tempo ed il rimanente sia destinato ad attesa per operazioni di I/O. Se S la CPU è un terzo del costo totale del computer, è un buon investimento da un punto di vista costo/prestazioni aumentare di un fattore 5 la velocità della CPU? L incremento di costo è quindi maggiore del miglioramento di prestazioni: la modifica non migliora il rapporto costo/prestazioni Prestazioni 17

19 Corollario della legge di Amdahl Se un miglioramento è utilizzabile solo per una frazione del lavoro complessivo, allora non è possibile accelerare il lavoro più del reciproco di uno meno tale frazione Prestazioni 18

20 Osservazioni sulla legge di Amdahl Per ottenere un miglioramento evidente delle prestazioni, occorre intervenire sulle componenti della macchina che influiscono sul tempo di esecuzione di una frazione elevata dell esecuzione esecuzione Anche così,, il miglioramento relativo non sarà proporzionale a quello globale Non ci si può aspettare che il miglioramento di una delle componenti della macchina produca un aumento delle prestazioni proporzionale al miglioramento Esempio L esecuzione di un programma richiede 100 sec e le moltiplicazioni sono responsabili dell 80% di tale tempo. Quanto si deve migliorare la velocità della moltiplicazione perché il programma abbia un tempo di esecuzione di 20 sec? 100/20 = ( (1-0.8) + 0.8/Speedup migliorato ) -1 4/Speedup migliorato = 0 Speedup migliorato Prestazioni 19

21 L indice MIPS MIPS = milioni di istruzioni per secondo Poiché MIPS rappresenta la frequenza delle operazioni per unità temporale, le prestazioni delle macchine più veloci che hanno elevati valori di MIPS possono essere specificate come l inverso l del tempo di esecuzione Caratteristica positiva L indice MIPS è intuitivo da comprendere: le macchine più veloci hanno valori più elevati Prestazioni 20

22 Problemi dell indice MIPS Dipende dall insieme di istruzioni dell architettura È difficile confrontare architetture con diversi insiemi di istruzioni Varia, anche sulla stessa macchina, a seconda del programma considerato A seconda del sottoinsieme di istruzioni usato più frequentemente Può variare in maniera inversamente proporzionale al tempo di esecuzione del programma! Esempio: due calcolatori, uno dei quali senza unità per i calcoli in virgola mobile (FPU) Le istruzioni in virgola mobile richiedono più tempo rispetto alle istruzioni su interi Il calcolatore con FPU impiega meno tempo per eseguire un programma, ma ha un MIPS più basso Il calcolatore senza FPU esegue semplice istruzioni con il risultato di avere un MIPS più elevato, ma ha un tempo di esecuzione più elevato Prestazioni 21