Kiến trúc máy tính chương 2 : vai trò của hiệu suất docx

Khoa Khoa KH & KT KH & KT M M ỏ ỏ y y t t ớ ớ nh nh Bo Bo ọ ọ moõn moõn Kyừ Kyừ thua thua ọ ọ t t Ma Ma ự ự y y t t ớ ớ nh nh Pha Pha ù ù m m T T ử ử ụ ụ ứ ứ ng ng Ha Ha ỷ ỷ i i Nguyeón Nguyeón Quo Quo ỏ ỏ c c Tua Tua ỏ ỏ n n Kiến trúc Máy tính - Chap 02 2 Tài liệuthamkhảo  “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 Dẫnnhập  Làm sao để có thểđo đạc, đánh giá hiệusuất (performance) và định ra đượcnhững yếutố quyết định đếnhiệusuấtcủa 1 máy tính ?  Lý do chính để khảosátvề hiệusuấtlàvìhiệusuấtcủa phầncứng máy tính thường là yếutố mấuchốt quyết định đếntínhhiệuquả trong hoạt động của1 mộthệ thống bao gồmcả phầnc ứng lẫnphầnmềm  Hiệusuất luôn là mộtthuộc tính quan trọng trong việc lựachọn, mua bán các máy tính  đượccả người bán lẫnngười mua quan tâm !  Hiệusuất càng được các nhà thiếtkế máy tính (trong đó có chúng ta ☺ !) quan tâm Kiến trúc Máy tính - Chap 02 5 …  Việc đánh giá hiệusuất máy tính không hềđơngiản •Hiệusuất không chỉ có được do các cảitiếnphầncứng mà cũng có thể nhờ vào các phầnmềm thông minh hay cả hai • Tùy góc độ ứng dụng khác nhau, hiệusuất hoàn toàn có thể được đánh giá theo những phương cách, những chỉ số khác nhau  Ở góc độ nhà thiếtkế máy tính (phầncứng/phầnmềm), chúng ta cầnnắmrõ •Cácvấn đề liên quan đếnviệc đánh giá hiệusuấtmáytính •Hoạt động củacácthànhphần khác nhau (phầncứng/phần mềm) và ảnh hưởng của chúng đếnhiệusuất • Trong mỗi ứng dụng cụ thể, xác định phương pháp đánh giá hiệu suấtphùhợp Kiến trúc Máy tính - Chap 02 6  Định nghĩavề hiệusuất • Khi ta nói “máy tính này có hiệusuấtcaohơn máy tính kia”, điều đómangý nghĩagi? • Chúng ta xem xét thí dụ sau đây thử xác định máy bay có hiệusuấtcaonhất trong trường hợp:  Máy bay có tốc độ cao nhất?  Máy bay có dung lượng lớnnhất?  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 kếtluận máy nhanh hơnlàmáycó thể kết thúc thựcthichương trình sớmhơn  thờigianđáp ứng (response time) hay thờigianthựcthi (execution time), là thờigiantừ khi bắt đầu đếnkhikết thúc chương trình • Khi so sánh 2 hệ thống máy tính với nhau, ta kếtluậnhệ thống nhanh hơnlàhệ thống hoàn tấtthực thi nhiềuchương trình hơn trong cùng một ngày  throughput , là tổng số các chương trình thực thi xong trong một đơnvị thờigian • Thay đổinàosauđây ảnh hưởng đếnthờigianthựcthi, throughput hoặccả hai ?  Thay CPU hiệnhànhbằng 1 CPU nhanh hơn  Tăng số lượng CPU trong 1 máy chủ (server) có nhiềuCPU (giả sử mỗichương trình đượcthực thi trên 1 CPU) Kiến trúc Máy tính - Chap 02 8 •Trước tiên chúng ta đánh giá hiệusuất thông qua thờigianthực thi  Cực đại hóa hiệusuất đồng nghĩavớitốithiểuhóathờigianthựcthi  Quan hệ giữahiệusuấtvàthờigianthựcthiở máy tính X sẽ là • Ta nói máy tính X có hiệusuấtcaohơnmáytínhY n lần đồng nghĩavớimáytínhX nhanh hơn máy tính Y n lần •Thídụ: nếumáytínhA thựcthichương trình mất 10s và máy tính B thực thi cùng chương trình mất15s, A nhanh hơn B bao nhiêu lần? X timeExecution X ePerformanc 1 = n Y ePerformanc X ePerformanc = Kiến trúc Máy tính - Chap 02 9 2.2 Đo đạchiệusuất  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 )  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  thời gian trôi qua  Hiệu suất CPU  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 [...]... mean) Kiến trúc Máy tính - Chap 02 R= n i =1 m n ⎜ ⎟ ∑ ⎛ 1R ⎞ 1 ⎝ i n 1 R n R=∏ ⎠ 1 17 Sử dụng giá trị trung bình nào cho thích hợp ? Thí d : 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 Máy A Máy B Máy C C trình P1 2 1 4 C trình P2 3 5 2 So sánh hiệu suất các máy trên và cho biết chúng hơn kém nhau bao nhiêu lần ? Kiến trúc Máy tính. .. 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 ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 15 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... 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 ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 11 CPI (clock cycle per instruction) số chu kỳ clock trung bình cần thiết để thực thi 1 câu lệnh CPU clock cycles = Instructions for a program × CPI Thí d : 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... trên và cho biết chúng hơn kém nhau bao nhiêu lần ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 18 Bài tập “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L Hennessy & David A Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC 1998 2. 1 , 2. 2 , 2. 3 , 2. 4 2. 10 , 2. 13 2. 15 , 2. 18 2. 26 Kiến trúc Máy tính - Chap 02 19 ... ? Thời gian CPU thực thi chương trình Chu kỳ clock Kiến trúc Máy tính - Chap 02 13 Tập lệnh có thể được phân chia thành các nhóm lệnh n Có thể tính toán hiệu suất CPU clock cycle = ∑ (CPI × C ) i i i =1 theo các nhóm lệnh Nhóm lệnh CPI A 1 B 2 Thí d : C 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 Mã... chương trình tổng hợp: Whetstone, Dhrystone, Kiến trúc Máy tính - Chap 02 16 2. 5 So sánh và tổng hợp hiệu suất Việc đo đạt hiệu suất được thực hiện trên một tập hợp nhiều chương trình 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 1 n Trung bình số học (arithmetic mean)... người sử dụng máy tính nào cũng có thể xác định được workload để đánh giá hiệu suất máy tính của mình 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 t : Spec, Splash, Các chương trình tổng hợp: Whetstone,... Compiler 1 2 1 2 Compiler 2 4 1 1 Đoạn mã nào thực hiện nhiều câu lệnh hơn ? chạy nhanh hơn ? Tính CPI cho từng đoạn mã lệnh ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 14 Một chỉ số hiệu suất khác là MIPS (million instructions per second) Instruction count MIPS = Execution time × 106 Thí d : Cũng với thí dụ vừa rồi, xét bảng số liệu sau Số câu lệnh (109) theo nhóm lệnh Mã lệnh A B C Compiler 1 5 1 2 Compiler 2 10 1... 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 ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 12 Tính CPU time theo CPI CPU time CPU time = Instruction count × CPI × Clock cycle time = Instruction count.. .2. 3 Liên quan đến các hệ đo Tính CPU time theo xung đồng hồ CPU execution time for a program = CPU clock cycles × for program Clock cycle time hay CPU execution time for a program = CPU clock cycles for a program Clock rate Thí d : 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 . sánh hiệu suất các máy trên và cho biết chúng hơn kém nhau bao nhiêu lần ? 25 3C. trình P 2 412C. trình P 1 Máy CMáy BMáy A Kiến trúc Máy tính - Chap 02 19 Bài tập  2. 1 , 2. 2 , 2. 3 , 2. 4  2. 10. thể, xác định phương pháp đánh giá hiệu suấtphùhợp Kiến trúc Máy tính - Chap 02 6  Định nghĩavề hiệusuất • Khi ta nói máy tính này có hiệusuấtcaohơn máy tính kia”, điều đómangý nghĩagi? •. Architecture: a quantitative approach”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Third Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 20 02 Kiến trúc Máy tính - Chap 02 3 Chương 2. Kiến trúc Máy tính