Kiến trúc máy tính - Chương 2 - Vai trò của hiệu suất

Khoa KH & KT Máy tính Boää moânâ Kyõõ thuaäät Maùùy tính Phaïïm Töôøøng Haûûi Nguyeãnã Quoáác Tuaáán Kiến trúc Máy tính - Chap 02 2 Tài liệu tham khảo ) “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 1998 ) “Computer Architecture: a quantitative approach”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Third Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 2002 Kiến trúc Máy tính - Chap 02 3 Chương 2. Kiến trúc Máy tính - Chap 02 4 2.1 Dẫn nhập ) Làm sao để có thể đo đạc, đánh giá hiệu suất (performance) và định ra được những yếu tố quyết định đến hiệu suất của 1 máy tính ? ) Lý do chính để khảo sát về hiệu suất là vì hiệu suất của phần cứng máy tính thường là yếu tố mấu chốt quyết định đến tính hiệu quả trong hoạt động của 1 một hệ thống bao gồm cả phần cứng lẫn phần mềm )Hiệu suất luôn là một thuộc tính quan trọng trong việc lựa chọn, mua bán các máy tính Ö được cả người bán lẫn người mua quan tâm ! )Hiệu suất càng được các nhà thiết kế máy tính (trong đó có chúng ta ☺ !) quan tâm Kiến trúc Máy tính - Chap 02 5 … )Việc đánh giá hiệu suất máy tính không hề đơn giản • Hiệu suất không chỉ có được do các cải tiến phần cứng mà cũng có thể nhờ vào các phần mềm thông minh hay cả hai • Tùy góc độ ứng dụng khác nhau, hiệu suất hoàn toàn có thể được đánh giá theo những phương cách, những chỉ số khác nhau )Ở góc độ nhà thiết kế máy tính (phần cứng/phần mềm), chúng ta cần nắm rõ • Các vấn đề liên quan đến việc đánh giá hiệu suất máy tính • Hoạt động của các thành phần khác nhau (phần cứng/phần mềm) và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất • Trong mỗi ứng dụng cụ thể, xác định phương pháp đánh giá hiệu suất phù hợp Kiến trúc Máy tính - Chap 02 6 ... )Định nghĩa về hiệu suất • Khi ta nói “máy tính này có hiệu suất cao hơn máy tính kia”, điều đó mang ý nghĩa gi ? • Chúng ta xem xét thí dụ sau đây thử xác định máy bay có hiệu suất cao nhất trong trường hợp: * Máy bay có tốc độ cao nhất ? * Máy bay có dung lượng lớn nhất ? * Máy bay chuyên chở nhanh nhất ? 6448720146Douglas DC-8-50 13504000132BAC/Sud Concorde 6104150470Boeing 747 6104630375Boeing 777 Cruising speed (m.p.h)Cruising range (mile)Passenger capacityAirplane Kiến trúc Máy tính - Chap 02 7 ... • Khi chúng ta chạy cùng 1 chương trình trên 2 máy trạm (workstation) khác nhau, ta kết luận máy nhanh hơn là máy có thể kết thúc thực thi chương trình sớm hơn Ö thời gian đáp ứng (response time) hay thời gian thực thi (execution time), là thời gian từ khi bắt đầu đến khi kết thúc chương trình • Khi so sánh 2 hệ thống máy tính với nhau, ta kết luận hệ thống nhanh hơn là hệ thống hoàn tất thực thi nhiều chương trình hơn trong cùng một ngày Ö throughput , là tổng số các chương trình thực thi xong trong một đơn vị thời gian • Thay đổi nào sau đây ảnh hưởng đến thời gian thực thi, throughput hoặc cả hai ? * Thay CPU hiện hành bằng 1 CPU nhanh hơn * Tăng số lượng CPU trong 1 máy chủ (server) có nhiều CPU (giả sử mỗi chương trình được thực thi trên 1 CPU) Kiến trúc Máy tính - Chap 02 8 ... • Trước tiên chúng ta đánh giá hiệu suất thông qua thời gian thực thi * Cực đại hóa hiệu suất đồng nghĩa với tối thiểu hóa thời gian thực thi * Quan hệ giữa hiệu suất và thời gian thực thi ở máy tính X sẽ là • Ta nói máy tính X có hiệu suất cao hơn máy tính Y n lần đồng nghĩa với máy tính X nhanh hơn máy tính Y n lần • Thí dụ: nếu máy tính A thực thi chương trình mất 10s và máy tính B thực thi cùng chương trình mất 15s, A nhanh hơn B bao nhiêu lần ? XtimeExecution XePerformanc 1= n YePerformanc XePerformanc = Kiến trúc Máy tính - Chap 02 9 2.2 Đo đạc hiệu suất ) Thời gian được sử dụng làm thước đo cho hiệu suất máy tính ) Tuy nhiên thời gian ở đây được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau, tùy theo mục đích đo đạc • Thời gian theo đồng hồ • Thời gian đáp ứng (response time) • Thời gian trôi qua (elapsed time) )Các máy tính hoạt động theo nguyên lý chia thời gian (timesharing), bộ xử lý làm việc đồng thời cho nhiều chương trình ) Thời gian thực thi chương trình bao gồm thời gian thực thi bởi CPU lẫn các thiết bị khác (bộ nhớ, đĩa cứng, v.v...) Ö Có thể chỉ giới hạn xem xét đối với CPU mà thôi Kiến trúc Máy tính - Chap 02 10 ... )Có thể đo đạc hiệu suất qua thời gian thực thi của CPU (CPU execution time) hay còn gọi là thời gian CPU (CPU time) • User CPU time • System CPU time ) Thí dụ đo đạc thời gian khi thực thi lệnh time trên hệ điều hành Unix 90.7u 12.9s 2 : 39 65% )Hiệu suất hệ thống Õ thời gian trôi qua )Hiệu suất CPU Õ thời gian CPU ) Thời gian còn có thể đo thông qua xung đồng hồ (clock) user CPU time system CPU time elapsed time phần trăm thời gian có ích Kiến trúc Máy tính - Chap 02 11 2.3 Liên quan đến các hệ đo ) Tính CPU time theo xung đồng hồ hay ) Thí dụ: Thời gian thực thi chương trình trên máy tính A, tần số 400MHz, là 10s. Chúng ta muốn thiết kế máy tính B có thể thực thi chương trình trên trong 6s. Để đạt được điều này, cần phải tăng tần số clock của máy B và vì vậy số chu kỳ clock thực thi chương trinh bị tăng lên 1,2 lần. Hãy xác định tần số clock của máy B ? CPU execution time for a program = CPU clock cycles for program Clock cycle time× CPU execution time for a program = CPU clock cycles for a program Clock rate Kiến trúc Máy tính - Chap 02 12 ... )CPI (clock cycle per instruction) Ö số chu kỳ clock trung bình cần thiết để thực thi 1 câu lệnh ) Thí dụ: Xét 2 máy tính A và B có cùng kiến trúc tập lệnh. Máy A có chu kỳ clock là 1ns và đạt được CPI là 2,0 khi chạy chương trình P. Máy B có chu kỳ clock là 2ns và đạt được CPI bằng 1,2 khi chạy chương trình P. Máy nào thực thi chương trình P nhanh hơn và nhanh hơn bao nhiêu lần ? CPU clock cycles = CPIInstructions for a program × Kiến trúc Máy tính - Chap 02 13 ... )Tính CPU time theo CPI )Đơn vị đo CPU time = CPIInstruction count × Clock cycle time× CPU time = CPIInstruction count × Clock rate giây số nguyên số nguyên giây Đơn vị đo ?Chu kỳ clock ?CPI ?Số câu lệnh ?Thời gian CPU thực thi chương trình Cách đoTham số Kiến trúc Máy tính - Chap 02 14 ... ) Tập lệnh có thể được phân chia thành các nhóm lệnh )Có thể tính toán hiệu suất theo các nhóm lệnh ) Thí dụ: Xét 1 máy tính có đặc điểm tập lệnh như sau: Khi biên dịch cùng 1 chương trình nguồn bằng 2 compiler khác nhau, ta được 2 đoạn mã lệnh như sau Đoạn mã nào thực hiện nhiều câu lệnh hơn ? chạy nhanh hơn ? Tính CPI cho từng đoạn mã lệnh ? ( )∑ ×= = n i ii CCPI 1 cycle clock CPU 3C 2B 1A CPINhóm lệnh 114Compiler 2 212Compiler 1 CBA Số câu lệnh theo nhóm lệnhMã lệnh Kiến trúc Máy tính - Chap 02 15 ... )Một chỉ số hiệu suất khác là MIPS (million instructions per second) ) Thí dụ: Cũng với thí dụ vừa rồi, xét bảng số liệu sau giả sử máy trên có tần số clock là 500MHz. Cho biết đoạn mã nào thực thi nhanh hơn nếu tính theo thời gian thực thi ? nếu tính theo MIPS ? MIPS = 106Execution time × Instruction count 1110Compiler 2 215Compiler 1 CBA Số câu lệnh (109) theo nhóm lệnhMã lệnh Kiến trúc Máy tính - Chap 02 16 2.4 Chọn chương trình để đo ) Tập hợp các chương trình tiêu biểu mà người sử dụng phải thực thi hàng ngày được gọi là workload )Có thể đánh giá hiệu suất của 2 máy tính bằng cách đo thời gian thực thi cùng 1 workload của 2 máy tính này ) Trong thực tế, không phải người sử dụng máy tính nào cũng có thể xác định được workload để đánh giá hiệu suất máy tính của mình Ö dựa vào các chương trình mà người ta hy vọng có thể làm workload trong một số trường hợp, các benchmark )Các thể loại benchmark • Các chương trình ngắn: érastosthène, puzzle, sort, ... • Các nhân chương trình: Livermore, Linpack, ... • Các ứng dụng thực tế: Spec, Splash, ... • Các chương trình tổng hợp: Whetstone, Dhrystone, ... Kiến trúc Máy tính - Chap 02 17 2.5 So sánh và tổng hợp hiệu suất )Việc đo đạt hiệu suất được thực hiện trên một tập hợp nhiều chương trình Ö cần phải tổng hợp kết quả )Kết quả tổng hợp phải có thể được sử dụng để so sánh hiệu suất giữa nhiều máy tính với nhau )Sử dụng giá trị trung bình (mean) để tổng hợp và so sánh hiệu suất ) Trung bình số học (arithmetic mean) ) Trung bình hài (harmonic mean) ) Trung bình hình học (geometric mean) ∑ = = n i iRn R 1 1 ∑ ⎟⎠⎞⎜⎝⎛ = n iR mR 1 1 ∏= n nRR 1 1 Kiến trúc Máy tính - Chap 02 18 ... )Sử dụng giá trị trung bình nào cho thích hợp ? ) Thí dụ: Cho cả 3 máy tính A, B và C thực thi lần lượt các chương trình P1 , P2 người ta đo được các CPI theo bảng sau So sánh hiệu suất các máy trên và cho biết chúng hơn kém nhau bao nhiêu lần ? 253C. trình P2 412C. trình P1 Máy CMáy BMáy A Kiến trúc Máy tính - Chap 02 19 Bài tập ) 2.1 , 2.2 , 2.3 , 2.4 ) 2.10 , 2.13 ) 2.15 , 2.18 ) 2.26 “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 1998