Thời gian thực hiện đợc tiêu chuẩn hoá và phơng tiện hình học.
1.6Các nguyên tắc thiết kế máy tính.
Ngày nay dờng nh chúng ta đã biết cách xác định, đo, thực hiện tổng thể, chúng ta cũng có khả năng khai thác các hớng dẫn và các nguyên tắc để thiết kế và phân tích máy tính có hiệu quả. Hơn nữa, phần này giới thiệu vài điều quan trọng về thiết kế và hiệu quả kinh tế cũng nh hai phơng pháp chúng ta có thể sử dụng để đánh giá việc lựa chọn thiết kế.
Tạo ra trờng hợp chung.
Nguyên tắc cơ bản và phổ biến nhất của thiết kế máy tính là tạo ra các trờng hợp chung. Nguyên tắc này cũng đợc áp dụng khi xác định cách thức sử dụng nguồn, tạo ra các sự kiện nhanh sẽ cao hơn các sự kiện thông thờng. Cải tiến các sự kiện thông th- ờng, hơn là các sự kiện hiếm gặp cũng làm tăng hiệu năng. Để áp dụng nguyên tắc đơn giản này, chúng ta phải quyết định các trờng hợp thông thờng khi đợc nâng cấp bằng phơng pháp chung sẽ có hiệu năng nh thế nào. Luật cơ bản đợc gọi là luật Amdahl đ- ợc sử dụng để xác định nguyên tắc này.
Việc tăng hiệu năng có thể đạt đợc bằng cách nâng cấp một vài bộ phận của máy tính đợc tính toán sử dụng luật Amdahl. Luật Amdahl nêu ra việc nâng cấp hiệu năng đợc bổ sung từ việc sử dụng một vài chế độ thờng trực nhanh đợc giới hạn bởi phân số của thời gian chế độ nhanh sử dụng. Luật Amdahl định nghĩa tăng tốc độ có thể đợc tăng bằng cách sử dụng các đặc tiónh đặc biệt. Vậy tăng tốc độ là gì? Giả sử chúng ta tăng thêm máy cũng làm tăng hiệu năng sử dụng. Tăng tốc là tỷ lệ.
Tăng tốc độ = Khả năng thực hiện nhiệm vụ có thể bổ sung Khả năng thực hiện nhiệm vụ không bổ sung Hoặc,
Tăng tốc độ = Thời gian thực hiện nhiệm vụ khi không bổ sung
Thời gian thực hiện nhiệm vụ khi bổ sung
Việc tăng tốc độ nói lên một nhiệm vụ sẽ đợc thực hiện nhanh hơn khi sử dụng máy đã đợc bổ sung cải tiến so với máy ban đầu. Luật Amdahl đa ra cách nhanh nhất để tăng tốc độ từ các việc bổ sung nâng cấp, nó phụ thuộc vào hai yếu tố:
1. Phân số của thời gian tính toán trong máy ban đầu sẽ đợc chuyển đổi để tạo thuận lợi cho việc bổ sung – Ví dụ, nếu 20s là thời gian thực hiện của chơng trình trong tổng có thể bổ sung 60s, thì phân số là 20/60. Giá trị này chúng ta gọi là Phân số đợc bổ sung, nó luôn bé hopn hoặc bằng 1.
2. Việc nâng cấp đợc bổ sung nhờ các chế độ thực hiện bổ sung; nó là, một nhiệm vụ đợc thực hiện nhanh hơn nếu nh chế độ bổ sung đợc thực hiện cho chơng trình – Giá trị này là thời gian ban đầu trên thời gian của chế độ bổ sung: nếu chế độ bổ sung là 2s cho một số phần của chơng trình có thể sử dụng chế độ một cách hoàn hảo, trong khi thời gian ban đầu cần 5 s cho cùng phần việc đó, nó đã đ-
ợc cải tiến là 5/2. Giá trị này luôn lớn hơn 1, chúng ta có thể gọi là Tăng tốc độ đợc bổ sung
Thời gian thực hiện đợc sử dụng bởi máy ban đầu với chế độ bổ sung sẽ là thời gian sử dụng phần đợc bổ sung của máy cộng với thời gian bổ sung
Thời gian thực hiện mới = Thời gian thực hiện cũ x [(1- Phân số đợc bổ sung) +
Phân số đợc bổ sung/ Tốc độ tăng lên đợc bổ sung
Toàn bộ tốc độ tăng lên là tỷ số của thời gian thực hiện:
Tốc độ tăng lên tổng thể = Thời gian thực hiện cũ/ Thời gian thực hiện
mới = 1
(1- Phân số đợc bổ sung) + Phân số đợc bổ sung/ Tốc độ tăng lên đợc bổ sung
Ví dụ: Giả sử chúng ta xem xét một phần bổ sung bộ xử lý của một hệ thống server đợc sử dụng cho trang Web. Một CPU mới là 10s trên tính toán khi ứng dụng trang web này nhanh hơn so với xử lý ban đầu. Khi CPU ban đầu bận theo tính toán 40% thời gian và chờ 60% thời gian cho I/O, liệu tốc độ tổng hợp đợc thêm vào nhờ vào các hỗ trợ bổ sung?
Trả lời: Thời gian thực hiện mới = 0.4 Tốc độ tăng lên mới = 10
Tốc độ tăng lên tổng thể = 1/(0.6 +0.4/10) = 1.56
Luật Amdahl thể hiện là luật phản hồi đợc giảm: Phần nâng cấp tốc độ lên đợc tăng nhờ việc nâng cấp bổ sung trong hiệu năng chỉ của phần giảm tính nâng cấp đợc bổ sung. Một hệ quả quan trọng của luật Amdahl là nếu nh một phần bổ sung chỉ đợc sử dụng cho một phân số của nhiệm vụ, chúng ta không thể tăng tốc độ nhiệm vụ bởi tơng hỗ lớn hơn 1 phút .
Một lỗi chung khi áp dụng luật Amdahl làm đảo lộn “phân số của thời gian đợc qui đổi sử dụng bổ sung” và “phân số thời gian sau bổ sung đợc sử dụng). Nếu thay vì đo thời gian chúng ta có thể sử dụng bổ sung trong tính toán, thì chúng ta đo thời gian sau bổ sung sử dụng, kết quả sẽ bị sai.
Luật Amdahl có thể sử dụng để hớng dẫn một phần bổ sung sẽ có hiệu năng nâng cấp bao nhiêu và làm thế nào để phân bổ nguồn để cải thiện chi phí/hiệu năng. Rõ ràng là mục đích là sử dụng nguồn vào thời gian nào. Luật Amdahl rất hữu ích trong thực tế để so sánh hiệu năng hệ thống tổng thể của 2 lựa chọn, nhng nó cũng có thể sử dụng để so sánh 2 thiết kế CPU.
Cân bằng hiệu năng CPU .
Tất cả các máy tính đợc cấu trúc sử dụng một đồng hồ hoạt động có tốc độ liên tục. Các sự kiện thời gian phân biệt đợc gọi là khoảnh khắc, khoảnh khắc đồng hồ, các chu kì đồng hồ, đồng hồ, chu trình hoặc chu trình đồng hồ. Các nhà thiết kế máy tính muốn thời gian của chu trình đồng hồ trong khoảng ( ví dụ 1 ns) hoặc tỷ lệ của nó (ví dụ 1 GHz). Thời gian CPU của chơng trình có thể biểu diện theo 2 cách:
CPU Thời gian = CPU chu trình đồng hồ của một chơng trình x đồng hồ chu trình thời gian,
Hoặc
CPU Thời gian = CPU chu trình đồng hồ của một chơng trình / Tỷ lệ đồng hồ .
Thêm vào các con số của chu trình đồng hồ cần thiết để thực hiện một chơng trình, chúng ta cũng có thể tính số của hớng dẫn đợc thực hiện - độ dài phần hớng dẫn hoặc tính toán phần hớng dẫn (IC). Nếu chúng ta biết số của chu trình đồng hồ và IC, chúng ta có thể tính số trung bình của chu trình đồng hồ hớng dẫn (CPI). Bởi vì nó sẽ thực hiện đợc dễ dàng hơn và vì chúng ta sẽ tiếp cận với các phân xử lý đơn giản trong chơng này, chúng ta sử dụng CPI. Thỉnh thoảng các nhà thiết kế cũng sử dụng Hớng dẫn cho đồng hồ hoặc IPC là chuyển đổi của CPI.
CPI đợc tính nh sau:
CPI = CPU các chu trình đồng hồ của một chơng trình/ Hớng dẫn tính toán.
Con số CPU này cung cấp các dạng khác nhau của các bộ hớng dẫn và thực hiện, và chúng ta sẽ sử dụng nó để phát triển cho chơng tiếp theo.
Nhờ phép tính hớng dẫn trong công thức trên, các chu trình đồng hồ có thể đợc xác định là IC xCPI. Sau đây chúng ta sẽ sử dụng CPI trong công thức thời gian thực hịên:
CPU thời gian = Hớng dẫn tính toán x Đồng hồ chu trình thời gian x Chu trình của một hớng dẫn.
Hoặc
CPU thời gian = Hớng dẫn tính toán x Đồng hồ chu trình thời gian/ Tốc độ đồng hồ
Mở rộng công thức đầu tiên vào các khối đo và chuyển đổi tốc độ đồng hồ chỉ ra : H ớng dẫn x Các chu trình đồng hồ x các giây = các giây Chơng trình hớng dẫn Các chu trình đồng hồ Chơng trình
= CPU thời gian.
Công thức này chứng minh, hiệu năng CPU phụ thuộc vào 3 yếu tố: Chu trình đồng hồ (hoặc tốc độ), các chu trình đồng hồ cho một hớng dẫn, và hớng dẫn tính toán. Hơn nữa, CPU thời gian là phụ thuộc một cách cân bằng vào 3 yếu tố này: 10% nâng cấp 1 trong 3 yếu tố đó cũng sẽ dẫn đến 10% nâng cấp CPU thời gian. Thật khó khăn để thay đổi một tham số độc lập hoàn thành từ các tham số khác vì công nghệ cơ bản thu hút sự thay đổi từng tham số là liên kết phụ thuộc:
- Thời gian chu trình đồng hồ – Công nghệ phần cứng và tổ chức.
- CPI – Cấu trúc bộ tổ chức và hớng dẫn.
- Hớng dẫn tính toán – Cấu trúc bộ hớng dẫn và đáp ứng công nghệ
Thật may mắn, công nghệ nâng cấp hiệu năng có xu hơng nâng cấp một thành phần của hiệu năng CPU với phần nhỏ hoặc dự báo đồng bộ
Đôi khi rất có ích khi thiết kế CPU để tính toán tổng số các chu trình đồng hồ CPU nh sau:
CPU các chu trình đồng hồ = ∑ ICi x CPIi
Trong đó ICi là số lần mô tả của thời gian hớng dẫn thứ i đợc thực hiện trong một chơng trình và CPIi thể hiện số trung bình của các hớng dẫn cho một đồng hồ của hớng dẫn thứ i. Công thức này cũng có thể đợc sử dụng để thể hiện CPU thời gian nh .
CPU thời gian = [∑ ICi x CPIi] x thời gian chu trình đồng hồ Và CPI tổng thể nh:
CPI = = [∑ ICi x CPIi]/Hớng dẫn tính = [∑ ICi/Hớng dẫn tính] x CPIi
Công thức sau của phép tính CPI sử dụng .
Sắp xếp toàn bộ: Việc thực hiện và giá thực hiện cho từng CPIi
riêng biệt và phân số của các sự kiện của hớng dẫn trong chơng trình. CPIi có thể đợc đo và không chỉ đợc tính từ một bảng phía sau của hớng dẫn tham khảo, nó phải bao gồm các hiệu quả đờng dẫn, các suy hao dự trữ, và hệ thống bộ nhớ hiệu quả kém. Cân nhắc ví dụ trên, ở đây các sửa đổi đợc sử dụng để độ tần số của các hớng dẫn và các giá trị CPI hớng dẫn, trong đó trên thực tế nó đợc bao gồm sự mô phỏng hoặc giới thiệu phần cứng.
Để sử dụng hiệu năng CPU nh một công cụ thiết kế, chúng ta cần phải đo một loạt các yếu tố. Đối với một bộ xử lý hiện tại, dễ dàng thu đợc thời gian thực hiện từ phơng pháp đo, và cũng biết đợc tốc độ của đồng hồ. Thách thức ở việc tìm hớng dẫn tính toán hoặc CPI. Các bộ xử lý mới nhất bao gồm các bộ đo cho cả hai h- ớng dẫn và cho các chu trình đồng hồ. Để giám sát các bộ đo theo chu kỳ, cũng có khả năng tiếp cận thời gian thực hiện và hớng dẫn đo để phân ra từng mã số, nó sẽ có ích để lập trình và để có thể hiểu và khớp với hiệu năng của một ứng dụng. Thông thờng, một nhà thiết kế hoặc một nhà lập trình sẽ mong muốn hiểu đợc hiệu năng tại một vài mức thêm vào hơn là khả năng từ các phần cứng bộ đếm. Ví dụ, chúng ta muốn biết CPI là gì, trong trờng hợp đó, các công nghệ mô phỏng này đợc áp dụng cho các bộ xử lý đợc thiết kế và sử dụng.
Có 3 lớp công nghệ mo phỏng chung đợc sử dụng. Nhìn chung, các công nghệ phức tạp tạo ra độ chính xác hơn, khả thi hơn cho các cấu trúc hiện nay, và thời gian thực hiện sẽ lâu hơn. Công nghệ đầu tiên và đơn giản nhất và giá thành thấp nhất, là cơ sở s lợc, mô hình không đổi. Trong công nghệ này, sơ lợc thực hiện năng động của chơng trình, nó chỉ ra làm thế nào việc hớng dẫn đợc thực hiện thờng xuyên, có thể tìm đợc nhờ một trong 3 phơng pháp sau:
1. Nhờ sử dụng các bộ đo phần cứng trên bộ xử lý, đợc lơu một cách thờng xuyên. Công nghệ này thờng đa ra các profile t- ơng ứng, nhng một đã bao gồm độ chính xác vài % .
2. Nhờ sử dụng thực hiện đợc hớng dẫn, trong đó các mã số hớng dẫn phải phù hợp với chơng trình. Mã số này đợc sử dụng để tăng các bộ nhớ, đa ra một profile chính xác. (Công nghệ này cũng đợc sử dụng để tạo một phần nhỏ địa chỉ bộ nhớ đợc truy nhập, nó có ích cho các công nghệ mô phỏng khác)
3. Nhờ việc dịch các chơng trình tại mức bộ hớng dẫn, phù hợp với các bộ đếm hớng dẫn trong xử lý.
Một profile tìm đợc, nó đợc sử dụng để phân tích chơng trình theo mẫu không đổi bằng cách tìm kiếm các mã sô. Thông thờng với một profile, các bộ hớng dẫn tổng dễ dàng tìm đợc. Nó dễ dàng tìm đợc tổng hợp các hớng dẫn năng động chi tiết, với các dạng hớng dẫn đợc thực hiện thờng xuyên. Cuối cùng, đối với các bộ xử lý đơn giản, có khả năng tính tơng đối với CPI. Sự tơng đối đợc tính bởi các mô hình và phân tích việc thực hiện cho từng khối cơ bản và sau đó dự tính tổng thể CPI hoặc các chu trình tính tổng hợp nhờ dự tính cho từng khối bằng số lợng thời gian đ- ợc thực hiện.