Arquitetura de Computadores Princípios de Projeto de Computadores

Arquitetura de Computadores
Prof. Eduardo Simões de Albuquerque
Adaptado do material do
Prof. Fábio M. Costa
Instituto de Informática – UFG
1o. Semestre / 2006
Fundamentos
Parte 2
Princípios de Projeto de
Computadores
1

Três áreas de aplicação com
características diferentes
• Computação em desktop
◦ custo / desempenho – sistema dedicado
• Servidores
◦ custo / desempenho em relação a:
• confiabilidade, disponibilidade, throughput,
escalabilidade
• Computadores embarcados
◦ custo, consumo de energia (potência)
A tarefa do projetista...
• Determinar:
◦ requisitos funcionais
◦ metas de preço, potência e desempenho
◦ Influências importantes
• mercado, quantidade de software existente
• Otimizar o projeto
◦ de acordo com as métricas adotadas
• custo/desempenho (desktop)
• throughput e disponibilidade (servidor)
• consumo de energia (sistemas embarcados)
• etc.
2

A tarefa do projetista
• Combinando:
◦ Arquitetura do conjunto de instruções
• nível ISA – interface hardware/software
◦ Organização do computador
• componentes funcionais e sua interconexão
◦ Implementação de hardware
• circuitos, tecnologias de integração, etc.
Evolução do custo de
Memórias DRAM
3

Evolução do custo: Caso do
Pentium III
Custo de um circuito integrado
Intel Pentium 4
4

Custo de um circuito integrado
Wafer 8”
564 processadores
MIPS64 R20K
processo: 0.18µm
Distribuição do custo em um
sistema de computação
• Gabinete: 6%
◦ folha metálica, plástico: 2%
◦ fonte de alimentação, ventoinhas: 2%
◦ cabos, porcas, parafusos: 1%
◦ caixa de transporte, manuais: 1%
• Placa do processador: 37%
◦ processador: 22%
◦ DRAM (128MB): 5%
◦ Placa de vídeo: 5%
◦ Placa-mãe (E/S e rede on-board): 5%
• :Dispositivos de E/S: 37%
◦ teclado e mouse: 3%
◦ monitor: 19%
◦ disco rígido: 9%
◦ unidade de DVD: 6%
• SO + pacote office básico: 20%
Fonte: H&P, 2003
5

Custo X preço
Desempenho de Sistemas de
Computação
6

Métricas...
• tempo de resposta: sistema dedicado
• throughput: sistema compartilhado
• Medida mais confiável: tempo gasto na
execução de programas reais
Tempo de execução Y
= n => Computador X é n vezes mais Tempo de
execução X
rápido que Y
Métricas: tempo
• Inclui:
◦ acessos a disco
◦ acessos à memória
◦ atividades de entrada / saída
◦ tempo de escalonamento
◦ tempo de CPU
• tempo de usuário
• tempo de sistema: overhead do SO
• ex.: Unix time utility:
TUser TSys Latency %Utiliz.
90,7µs 12,9µs 2:39 65%
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Métodos para medição de
desempenho
• Aplicações reais
◦ Ex.: Word, Photoshop
• Aplicações modificadas
◦ scripts para simular interação, remoção de E/S
• Kernels
◦ fragmentos de uma aplicação ou programa real, usados
para isolar o desempenho de características individuais
da máquina
• Benchmarks de brinquedo
◦ exs.: quicksort, quebra-cabeças
• Benchmarks sintéticos
◦ código “artificial”, corresponde a um perfil médio de
execução
Benchmarks mais conhecidos:
desktop
• SPEC (Standard Performance Evaluation
Corporation)
◦ CPU: SPEC CPU2000, SPEC CPU 2004()
◦ Gráficos:
• SPECviewperf: OpenGL
• SPECapc: problemas específicos de modelagem de
sólidos e CAD 3D
◦ Processamento de alto desempenho
◦ Java
◦ Servidores (e-mail, arquivos, Web)
• www.spec.org
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Benchmarks mais conhecidos:
servidores
• SPEC:
◦ SPECrate – throughput de processamento
◦ SPECFS – servidor de arquivos
◦ SPECWeb – servidores Web
◦ Consideram as especificidades da arquitetura
de servidores (E/S eficiente,
multiprocessamento)
• Processamento de transações
◦ TPC (Transaction Processing Council)
• processamento de consultas em BDs, sistemas de
apoio a decisão, transações baseadas na Web
t
Benchmarks mais conhecidos:
sistemas embutidos
• Dificuldade em se ter um único benchmark
de uso amplo
• EEMBC (EDN Embedded Microprocessor
Benchmark Consortium) – 5 classes:
◦ automotiva / industrial
◦ eletrônica de consumo
◦ rede
◦ automação de escritório
◦ telecomunicações
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Benchmark Games
•An embarrassed Intel Corp. acknowledged Friday that a bug in a software
program known as a compiler had led the company to overstate the speed
of its microprocessor chips on an industry benchmark by 10 percent.
However, industry analysts said the coding error…was a sad commentary
on a common industry practice of “cheating” on standardized performance
tests…The error was pointed out to Intel two days ago by a competitor,
Motorola …came in a test known as SPECint92…Intel acknowledged that it
had “optimized” its compiler to improve its test scores. The company had
also said that it did not like the practice but felt to compelled to make the
optimizations because its competitors were doing the same thing…At the
heart of Intel’s problem is the practice of “tuning” compiler programs to
recognize certain computing problems in the test and then substituting
special handwritten pieces of code…
Saturday, January 6, 1996 New York Times
SPEC ‘89
• Compiler “enhancements” and performance
800
700
600
SPEC performance ratio
500
400
300
200
100
0
gcc
espresso
spice
doduc
nasa7
li
eqntott
matrix300
fpppp
tomcatv
Benchmark
Compiler
Enhanced compiler
10

SPEC CPU2000
SPEC 2000
Does doubling the clock rate double the performance
Can a machine with a slower clock rate have better performance
1400
1200
1000
Pentium 4 CFP2000
Pentium 4 CINT2000
1.6
1.4
1.2
Pentium M @ 1.6/0.6 GHz
Pentium 4-M @ 2.4/1.2 GHz
Pentium III-M @ 1.2/0.8 GHz
800
1.0
600
0.8
400
200
Pentium III CINT2000
Pentium III CFP2000
0.6
0.4
0
0.2
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0.0
Clock rate in MHz
SPECINT2000 SPECFP2000 SPECINT2000 SPECFP2000 SPECINT2000 SPECFP2000
Always on/maximum clock Laptop mode/adaptive
clock
Minimum power/minimum
clock
Benchmark and power mode
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Princípios de projeto...
• Tornar rápido o caso comum
◦ gastar mais tempo otimizando as partes do
sistema que são usadas com mais
freqüência
• Lei de Amdahl:
◦ melhorias de desempenho de partes de um
sistema são diluídas no cálculo da
melhoria incremental do sistema completo
Fração aperfeiçoada
Tempo de execução novo = Tempo de execução antigo X (1-Fração aperfeiçoada ) +
Aceleração aperfeiçoada
A lei de Amdahl: Exemplo
• Suponha que um programa gaste 100s para
executar em uma certa máquina, com
operações de multiplicação respondendo
por 80s do total. Por quanto devemos
melhorar a velocidade de operações de
multiplicação se quisermos que o programa
execute 4 vezes mais rápido
• E para executar 5 vezes mais rápido
Fração aperfeiçoada
Tempo de execução novo = Tempo de execução antigo X (1-Fração aperfeiçoada ) +
Aceleração aperfeiçoada
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Princípios de projeto
• Melhorar a equação de desempenho da
CPU:
Instruções Ciclos de clock Segundos
X X = Tempo de CPU(seg/progr.)
Programa Instrução Ciclo de clock
Dependências
◦ tempo de ciclo de clock: tecnologia de
hardware e organização
◦ CPI (ciclos por instrução): organização e
arquitetura do conjunto de instruções
◦ Contagem de instruções (por programa):
arquitetura do conjunto de instruções e
tecnologia de compiladores
Ciclos de clock
• Relatar o desempenho em termos do número de ciclos gastos ao
invés de tempo:
segundos ciclos segundos
= X
programa programa ciclo
• “Tics” de clock indicam quando iniciar alguma atividade
• Tempo de ciclo = tempo entre ticks = segundos por ciclo
• Taxa de clock (freqüência) = ciclos por segundo
◦ (1Hz = 1 ciclo/segundo)
• Ex.: processador de 2.4GHz tem um tempo de ciclo de:
time
1
= 0,42 x 10 9 s = 0,42ns
2.4 x 10 9
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Formas de melhorar a
eficiência
segundos ciclos segundos
= X
programa programa ciclo
• Reduzir o número de ciclos por programa
◦ otimizações feitas pelo compilador
◦ conjunto de instruções otimizado
• Reduzir o tempo de clock (i.e., aumentar a
freqüência)
◦ tecnologia de hardware
◦ organização da máquina
Número de ciclos gastos em
um programa
• Poderia assumir que o número de ciclos é igual ao número de
instruções do programa:
1st instruction
2nd instruction
3rd instruction
4th
5th
6th
...
• Mas:
◦ algumas instruções são mais complexas do que outras, gastando mais
tempo
◦ instruções diferentes gastam tempos diferentes em máquinas diferentes
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Diferentes números de ciclos
para diferentes instruções
• Multiplicação gasta mais tempo do que
adição
• Operações de ponto flutuante gastam mais
tempo que operações de inteiros
• Acesso à memória toma mais tempo do que
acesso a registradores
Exercício: tempo de clock
• “Our favorite program runs in 10 seconds on computer
A, which has a 400 Mhz. clock. We are trying to help a
computer designer build a new machine B, that will run
this program in 6 seconds. The designer can use new (or
perhaps more expensive) technology to substantially
increase the clock rate, but has informed us that this
increase will affect the rest of the CPU design, causing
machine B to require 1.2 times as many clock cycles as
machine A for the same program. What clock rate
should we tell the designer to target”
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Tempo de clock e desempenho
Dobrar a freqüência de clock dobra o desempenho
Pode uma máquina com clock mais lento ter um desempenho melhor
10
9
8
7
10
9
8
7
SPECint
6
5
4
SPECfp
6
5
4
3
2
1
3
2
1
0
0
50
100
150
200 250
50
100
150
200 250
Clock rate (MHz)
Pentium
Clock rate (MHz)
Pentium
Pentium Pro
Pentium Pro
Exercício: CPI
• Suponha que temos duas máquinas implementando a
mesma arquitetura de conjunto de instruções
• Para um certo programa:
◦ a máquina A tem um período de clock de 10ns e uma CPI = 2,0
◦ a máquina B tem um período de clock de 20ns e uma CPI = 1,2
• Qual das duas máquinas é mais rápida para este
programa Qual a diferença entre elas
• Se duas máquinas têm a mesma ISA, qual das seguintes
quantidades é sempre idêntica
◦ freqüência de clock, CPI, tempo de execução, número de instruções por
programa, MIPS
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Exemplo: Número de
instruções por programa
• Um projetista de compilador está tentando se decidir
entre duas seqüências de código para uma máquina
particular.
• Baseado na implementação de hardware, há três classes
distintas de instruções: Classe A, Classe B e Classe C,
que requerem respectivamente um, dois e três ciclos de
clock.
◦ A primeira seqüência tem 5 instruções: 2 de A, 1 de B e 2 de C
◦ A segunda seqüência tem 6 instruções: 4 de A, 1 de B e 1 de C
◦ Qual seqüência será mais rápida Qual a diferença
◦ Qual é a CPI para cada seqüência
MIPS
• Milhões de instruções por segundo
◦ mais alto para programas que usam
instruções simples
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Exemplo: MIPS
• Dois compiladores diferentes estão sendo testados para uma
máquina de 100MHz com três classes diferentes de instruções:
Classe A, Classe B, e Classe C, que requerem 1, 2 e 3 ciclos de
relógio respectivamente. Ambos os compiladores são usados
para produzir código para um programa em grande escala.
◦ O código do primeiro compilador usa 2 milhões de instruções
Classe A, 1 milhão de instruções Classe B, e 2 milhões de
instruções Classe C.
◦ O código do segundo compilador usa 4 milhões de instruções
Classe A, 1 milhão de instruções Classe B e 1 milhão de
instruções classe C.
• Qual seqüência será mais rápida de acordo com MIPS
• Qual seqüência será mais rápida de acordo com o tempo de
exec.
Resumindo
• Desempenho é específico para cada programa
◦ o tempo de execução total é a medida de desempenho consistente
• Para uma dada arquitetura, melhorias de desempenho
resultam de:
◦ melhoria na freqüência de relógio
◦ melhorias na arquitetura e na organização do processador para reduzir a
contagem de CPI
◦ melhorias nos compiladores para reduzir tanto a CPI quanto a contagem
de instruções/programa
• Armadilha: esperar que melhorias no desempenho de um
aspecto da máquina vão afetar seu desempenho global
na mesma proporção
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Outros princípios de projeto
visando desempenho
• Explorar o “princípio da localidade”
• Explorar as oportunidades de
paralelismo
• Empregar técnicas de otimização no
compilador
Bibliografia
Hennessy & Patterson
Cap. 1: Fundamentos do
Projeto de Computadores
Patterson & Hennessy
Cap. 2: O Papel da Performance
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