Sia per la II prova intercorso che per le prove di esame è necessaria la PRENOTAZIONE

Transcript

1 Seconda Prova Intercorso ed Esami di Febbraio Lezione 24 Valutazione delle Prestazioni Vittorio Scarano rchitettura Corso di Laurea in Informatica Università degli Studi di Salerno Seconda prova intercorso: 29 Gennaio 24, ore 9-2, aule F2, F3, F4, F5, F7 (Fisciano) Primo appello di Febbraio: Febbraio 24, ore 9-2, aule F2, F3, F4, F5, F7 (Fisciano) Secondo appello di Febbraio: 24 Febbraio 24, ore 9-2, aule F2, F3, F4, F5, F7 (Fisciano) 27 Sia per la II prova intercorso che per le prove di esame è necessaria la PRENOTZIONE 2 La sede di Fisciano Un quadro della situazione ttenzione: l orario di inizio (ore 9) è rigido! Pianificate l arrivo in sede con il dovuto anticipo! 3 Input/Output Sistema di Interconnessione Registri Central Processing Unit Principale Interconnessione interna alla CPU Unità di Controllo Unità ritmetico Logica Cosa abbiamo fatto progettazione del processore e della unità di controllo Dove stiamo andando.. pipeline Perché: per comprendere come possono essere incrementate le prestazioni 4

2 Dove siamo nel corso Progettazione della unità di elaborazione con pipeline Organizzazione della lezione La valutazione delle prestazioni Le metriche Codifica della informazione Logica Digitale Unità ritmetico Logica (LU) Il set delle istruzioni Processore: unità di elaborazione Processore: unità di controllo Processore: pipeline Valutazione delle prestazioni 5 La valutazione delle prestazioni Una visione opposta Cosa significa questo calcolatore ha prestazioni migliori di un altro calcolatore? Dipende da cosa si intende per prestazioni migliori un computer ha prestazioni migliori se termina lo stesso compito in tempo minore rispetto ad un altro computer un computer ha prestazioni migliori se nello stesso periodo di tempo riesce ad eseguire più compiti Un paragone: cosa ha prestazioni migliori: la Ferrari di Schumacher oppure un autobus di linea? tempo di risposta: tempo che intercorre tra inizio e completamento di un lavoro parametro che interessa l utente throughput quantità di lavoro eseguita per unità di tempo parametro che interessa l amministratore Devo fare presto! Il mio sistema sta lavorando molto! 7 8

3 Prestazioni e tempo di esecuzione Il tempo come misura Consideriamo il tempo di risposta Prestazioni e tempo di risposta sono inversamente proporzionali: Prestazion i Tempo_di_esecuzione Date due macchine e Y, allora le prestazioni di sono migliori di Y se: Prestazioni Tempo_di_esecuzione > Prestazioni Tempo_di_esecuzione Y Y > Tempo_di_esecuzione > Tempo_di_esecuzione Y 9 Il tempo di esecuzione di un programma in secondi Due misurazioni diverse: Tempo assoluto, tempo di risposta, tempo trascorso il tempo totale per compiere un task (compreso tutto: S.O., accesso ai dischi, sovraccarico per altri task, etc.) tempo che la CPU ha speso per il programma suddivisibile ulteriormente in: tempo di CPU relativo all utente (tempo per esecuzione programma) tempo di CPU relativo al sistema (tempo speso dal S.O. per compiti richiesti dal programma) Il comando in Unix Prestazioni del sistema Permette di sapere, per ogni comando eseguito il tempo dedicato all utente il tempo dedicato al sistema il tempo totale trascorso Quindi se il comando restituisce qualcosa come: questo significa che 9.7 secondi sono stati dedicati all utente, 2.9 al sistema e 59 (2 minuti e 39 secondi) è il tempo trascorso quindi il 5% è stato dedicato al comando ( )/59,5 mentre il resto è passato per altri utenti, I/O etc. Uso di una misura relativa alla velocità con cui la CPU esegue operazioni Ciclo di clock frequenza costante all interno della macchina usato per sincronizzare le operazioni Periodo di clock tempo necessario per completare un ciclo di clock espresso in tempi: (2 nanosecondi 2-9 ) espresso in frequenza: 5 Mhz (5 Megahertz) come numero di operazioni compiute in un secondo 2

4 Le metriche necessarie Cosa può fare un progettista.. Ciclo di clock e tempo di ciclo sono legati da: relativo a un programma cicli di clock di CPU relativi al programma periodo di ciclo di clock Poiché la frequenza è il reciproco del tempo di ciclo: relativo a un programma cicli di clock di CPU relativi al programma frequenza di clock relativo a un programma Per incrementare le prestazioni, si deve diminuire il tempo di CPU di un programma E quindi il progettista può: cicli di clock di CPU relativi al programma diminuire i cicli di clock di CPU relativi al programma e quindi progettare set di istruzioni che richiedano meno cicli di clock per le varie istruzioni (unità di elaborazioni complesse) aumentare la frequenza di clock unità di elaborazione più semplici frequenza di clock 3 4 Un esempio - Un esempio - 2 Un programma viene eseguito da (con clock a 4 Mhz) in secondi Come si deve progettare un computer B che possa eseguire il programma in secondi scegliendo una maggiore frequenza di clock, che però richiederà un fattore,2 cicli di clock in più per eseguire il programma Facciamo i calcoli.. 5 s Cicli di Cicli di Clock di CPU frequenza Cicli di Clock di CPU 4 cicli/s Clock di CPU s 4 cicli/s 4 cicli,2 Cicli di Clock di CPU B frequenzab,2 4 cicli s frequenzab,2 4 cicli 8 cicli frequenzab 8 Mhz s s

5 Cicli di clock per istruzione Esempio Le istruzioni vanno eseguite in un numero di cicli di clock diversi Cicli di clock per istruzione (CPI) definito come la media del numero di cicli di clock per le diverse istruzioni (che compongono un programma) Esempio: siano dati due calcolatori e B che eseguono un programma P con ciclo di clock e CPI 2, per P B con ciclo di clock e CPI,2 per P quale è il più veloce ad eseguire P? Sia I il numero di istruzioni di P Cicli di clock della CPU I 2, Cicli di clock della CPU B I,2 Cicli di clock della CPU I 2, 2 I ns B Cicli di clock della CPU B I,2 2,4 I ns Quindi è più veloce di un fattore: 2,4 I ns / 2 I ns,2 clock clock B 7 8 Prestazioni dei sistemi a ciclo singolo - Prestazioni dei sistemi a ciclo singolo - 2 IF: Instruction fetch PC 4 ress M ux Instruction memory Instruction ID: Instruction decode/ register fileread register register 2 Registers 2 register Sign extend 32 E: Execute/ address calculation Shift left 2 M ux result Zero LU LU result MEM: Memory access ress Data memory WB: back M ux 9 Si assuma che: le prestazioni delle componenti sono: Unità di memoria LU e sommatori Banco dei registri (lettura o scrittura) ns che il programma tipico abbia 24% di load, 2% di store, 44% di formato-r, 8% di salti condizionati e 2% di salti incondizionati Quale delle seguenti implementazioni è più veloce: una istruzione in ciclo di clock di lunghezza fissa una istruzione in ciclo di clock ma di lunghezza variabile e dipendente dal tempo necessario per ogni istruzione 2

6 La risposta - La risposta - 2 Ricordiamo che: La durata di ogni istruzione dipende dalle unità usate relativo a un programma Tempo di CPU Tempo di CPU cicli di clock di CPU relativi al programma numero di x CPI x istruzioni numero di x x istruzioni periodo di ciclo di clock periodo di clock periodo di clock Quanto vale? Istruzioni Formato R Load Store Branch Jump istruzioni Lettura Registri LU dati ns Scrittura registri Il sistema a clock fissato, avrà il clock fissato a 8 ns (percorso critico della Load Word) Quanto varrebbe il clock variabile? Totale ns 8 ns 7 ns 5 ns 2 22 La risposta - 3 Prestazioni dei sistemi a ciclo multiplo - Date la frequenza delle varie operazioni, il clock variabile sarebbe in media pari a: 8 24% + 7 2% + 44% + 5 8% + 2 2%,3 ns Il rapporto di prestazioni tra le due ipotesi è quindi: 8 /,3,27 Quindi la architettura a clock variabile sarebbe più veloce del 27% Problema: le architetture a clock variabile sono estremamente difficili da realizzare Memory address computation 2 LUSrc LUSrcB LUOp 3 4 (Op 'LW') Mem IorD Memory access (Op 'SW') 5 -back step Start Mem IorD Memory access Instruction fetch Mem LUSrc IorD IR LUSrcB LUOp PC PCSource (Op'LW') or (Op 'SW') 7 Execution LUSrc LUSrcB LUOp RegDst Reg MemtoReg R-type completion (Op R-type) Branch completion 8 LUSrc LUSrcB LUOp PCCond PCSource (Op 'BEQ') Instruction decode/ register fetch 9 LUSrc LUSrcB LUOp (Op 'J') Jump completion PC PCSource 23 RegDst Reg MemtoReg 24

7 Prestazioni dei sistemi a ciclo multiplo - 2 La risposta Quale è il valore medio del CPI per la architettura a ciclo multiplo, assumendo che la frequenza di ogni istruzione è: Load 22% Store% Formato R 49% Branch% Jump2% Il CPI (medio) si può calcolare usando le frequenze: 5 22% + 4 % % + 3 % + 3 2% 5,22 + 4, + 4,49 + 3, + 3,2 4,4 Quindi il ciclo multiplo permette di avere una macchina che esegue (in media) i programmi tipici in maniera più veloce rispetto al caso pessimo cioè che tutte le istruzioni richiedono il massimo numero di cicli (5) 25 2 Prestazioni della unità con pipeline - Prestazioni della unità con pipeline - 2 PC 4 ress M u x Instruction memory IF/ID ID/E E/MEM MEM/WB Instruction register register 2 Registers 2 register Sign extend 32 Shift left 2 M u x result Zero LU LU result ress Data memory M u x 27 Istruzioni Formato R Load Store Branch Jump istruzioni Lettura Registri LU dati Ogni stadio della pipeline deve essere lungo deve poter contenere l operazione più lenta Nel ciclo singolo istruzioni richiedevano 8 ns E nella pipeline? ns Scrittura registri Totale ns 8 ns 7 ns 5 ns 28

8 La risposta lcune considerazioni finali sulla pipeline Nella pipeline, la prima istruzione richiede 4 stadi per per essere eseguita, quindi 8 ns La pipeline aumenta il throughput e non il tempo di esecuzione di ogni istruzione partire dalla seconda istruzione, però, tutte le istruzioni terminano la loro esecuzione dopo un singolo stadio () quindi il resto delle istruzioni prende: 999 2ns 998 ns Il tempo totale è quindi: ns Nel ciclo singolo queste istruzioni avrebbero richiesto 8 ns, quindi un miglioramento di quasi 4 Due esigenze contrastanti: Le prestazioni sono direttamente proporzionali alla lunghezza della pipe: maggiore è la lunghezza migliori sono le prestazioni Per i problemi della esecuzione condizionale, sarebbe bene che la pipeline non sia troppo lunga Una scelta di compromesso si rende necessaria pari al numero degli stadi della pipeline 29 3