Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Hiệu suất - Võ Tấn Phương
dce
2015
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
KHOA HỌC & KỸ THUẬT MÁY TÍNH
BK
TP.HCM
Võ Tấn Phương
dce
2015
Chương 2
Hiệu suất
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
2
dce
2015
Hiệu suất ???
Chúng ta lựa chọn máy tính theo tiêu chí gì?
Tại sao máy tính chạy chương trình này tốt nhưng
không tốt đối với chương trình khác?
Làm sao để đo hiệu suất của một máy tính?
Phần cứng và phần mềm ảnh hưởng như thế nào?
Tập lệnh của máy tính ảnh hưởng như thế nào?
Hiểu hiệu suất sẽ biết được động cơ của việc cải tiến sẽ
tập trung vào công việc gì
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
3
dce
2015
Thời gian đáp ứng & Thông lượng
Thời gian đáp ứng (response time)
Khoản thời gian từ lúc bắt đầu đến khi kết thúc một công việc
Response Time = CPU Time + Waiting Time (I/O, OS scheduling, etc.)
Thông lượng (throughput)
Số lượng công việc giải quyết trong một khoản thời gian
Giảm thời gian thực thi sẽ cải thiện thông lượng
Ví dụ: sử dụng bộ xử lý nhanh hơn
Thời gian thực hiện một công việc ít nhiều công việc được thực hiện
Tăng thông lượng cũng giảm thời gian đáp ứng
Ví dụ: Tăng số lượng nhân của bộ xử lý
Nhiều công việc thực thi song song
Thời gian thực thi của một công việc (CPU Time) không thay đổi
Thời gian chờ trong hàng đợi định thời giảm (OS scheduling)
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
4
dce
2015
Định nghĩa hiệu suất (performance)
Một chương trình A chạy trên máy tính X
1
PerformanceX =
Execution timeX
X nhanh hơnY n lần (cùng chạy chương trình A)
PerformanceX
PerformanceY
Execution timeY
Execution timeX
=
= n
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
5
dce
2015
Thời gian thực thi “Execution Time”?
Thời gian trôi qua (elapsed time)
Tính tấc cả:
. CPU time, Waiting time, Input/output, disk access, OS scheduling,
… etc.
Con số hữu ích, nhưng không phù hợp cho mục đích
đánh giá CPU
Execution Time ~ CPU Execution Time
Chỉ tính thời gian thực thi các lệnh của chương trình
Không tính: thời gian chờ I/O hoặc OS scheduling
Được tính bằng “giây”, hoặc
Thể hiện thông qua số lượng chu kỳ xung nhịp khi CPU
thực thi chương trình A (CPU clock cycles)
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
6
dce
2015
Số chu kỳ xung nhịp (Clock Cycles)
Clock cycle = Clock period = 1 / Clock rate
Cycle 1
Cycle 2
Cycle 3
Clock rate = Clock frequency = Cycles per second
1 Hz = 1 cycle/sec
1 KHz = 103 cycles/sec
1 MHz = 106 cycles/sec 1 GHz = 109 cycles/sec
2 GHz clock has a cycle time = 1/(2×109) = 0.5
nanosecond (ns)
Dùng số chu kỳ xung nhịp thể hiện CPU execution time
Clock cycles
=
CPU Execution Time = Clock cycles × cycle time
Clock rate
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
7
dce
2015
Cải tiến hiệu suất
Để cải tiến hiệu suất:
Giảm số chu kỳ xung nhịp cần thiết để thực thi một chương
trình, hoặc
Giảm thời gian một chu kỳ (tăng tần số xung nhịp)
Ví dụ:
Chương trình A chạy mất 10 giây trên máy tính X với tần số 2 GHz
Số lượng chu kỳ xung nhịp để chạy chương trình A trên máy X ?
Yêu cầu thiết kế máy tính Y chạy cùng chương trình A trong 6 giây
Máy tính Y cần thêm 10% số chu kỳ xung nhịp
Hỏi máy tính Y cần xung nhịp có tần số bao nhiêu ?
Lời giải:
Clock cycles trên máy X = 10 sec × 2 × 109 cycles/s = 20 × 109
Clock cycles trên máy Y = 1.1 × 20 × 109 = 22 × 109 cycles
Clock rate cho máy Y = 22 × 109 cycles / 6 sec = 3.67 GHz
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
8
dce
2015
Clock Cycles per Instruction (CPI)
Chương trình là một chuỗi các lệnh
CPI là số trung bình của số chu kỳ xung nhịp trên lệnh
I1
I2
I3 I4 I5 I6
I7
CPI = 14/7 = 2
cycles
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
9
dce
2015
Thời gian thực thi
Thông tin từ chương trình A được thực thi …
Số lượng lệnh (lệnh dạng ngôn ngữ máy hoặc hợp ngữ)
Số lượng chu kỳ xung nhịp CPU thực thi
Thời gian thực thi
Liên hệ giữa CPU clock cycles đến Instruction Count
CPU clock cycles = Instruction Count × CPI
Thời gian thực thi: (liên quan đế số lượng lệnh)
Time = Instruction Count × CPI × cycle time
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
10
dce
2015
Ví dụ
Máy A và B có chung kiến trúc tập lệnh (ISA)
Chương trình P chạy trên A và P
Máy A có clock cycle time: 250 ps và CPI: 2.0
Máy B có clock cycle time: 500 ps và CPI: 1.2
Máy nào chạy P nhanh hơn và bao nhiêu lần?
Lời giải:
Chung ISA => chung số lệnh IC
CPU execution time (A) = IC × 2.0 × 250 ps = 500 × IC ps
CPU execution time (B) = I C × 1.2 × 500 ps = 600 × IC ps
600 × IC
Máy A nhan hơn máy B =
= 1.2
500 × IC
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
11
dce
2015
Xác định CPI
Phân biệt CPI trung bình của chương trình và lệnh
CPIi = số chu kỳ xung nhịp của loại lệnh i
Ci
= số lệnh của loại lệnh i
n
(CPI × C)
∑
i
i
n
i = 1
CPI =
CPU cycles = (CPI × C)
∑
n
i
i
i = 1
C
∑
i
i = 1
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
12
dce
2015
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
13
dce
2015
Ví dụ: CPI trung bình
Sau khi biên dịch 1 chương trình với 3 loại lệnh
A, B, C cho kết quả:
Kết quả biên dịch 1: IC = 5
Kết quả biên dịch 2: IC = 6
Clock Cycles
= 2×1 + 1×2 + 2×3
= 10
Clock Cycles
= 4×1 + 1×2 + 1×3
= 9
Avg. CPI = 10/5 = 2.0
Avg. CPI = 9/6 = 1.5
14
© Fall 2015
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
14
dce
2015
Ví dụ 2
Cho các thông số của chương trình như bảng dưới
CPI trung bình?
Tỉ lệ % thời gian của từng nhóm lệnh?
%Time
Classi
Freqi
CPIi CPIi × Freqi
0.5/2.2 = 23%
1.0/2.2 = 45%
0.3/2.2 = 14%
0.4/2.2 = 18%
ALU
50%
20%
10%
20%
1 0.5×1 = 0.5
5 0.2×5 = 1.0
3 0.1×3 = 0.3
2 0.2×2 = 0.4
Load
Store
Branch
Average CPI = 0.5+1.0+0.3+0.4 = 2.2
Tính speed up trong trường hợp CPI của lệnh load = 2?
Tính speed up trong trường hợp 2 lệnh ALU thực thi trong
1 chu kỳ xung nhịp?
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
15
dce
2015
Thông số MIPS – Triệu lệnh trên giây
MIPS: Millions Instructions Per Second
Được dùng làm thông số đo hiệu suất
Máy chạy nhanh hơn MIPS lớn hơn
MIPS đo tốc độ xử lý lệnh
Instruction Count
Execution Time × 106
Clock Rate
CPI × 106
MIPS =
=
Thời gian thực thi tính theo MIPS
Inst Count × CPI
Inst Count
MIPS × 106
Execution Time =
=
Clock Rate
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
16
dce
2015
Hạn chế của thông số MIPS
Ba vấn đề của thông số MIPS
1. Không tính đến số lượng lệnh
Không thể dung MIPS để so sánh các máy tính có tập lệnh khác
nhau vì IC sẽ khác
2. MIPS thay đổi trên cùng một máy tính
Một máy tính không thể có thông số MIPS chung cho tất cả
chương trình
3. MIPS có thể đối lập với thông số hiệu suất
MIPS cao không đồng nghĩa hiệu suất tốt hơn
Xem ví dụ ở slide kế
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
17
dce
2015
Ví dụ về thông số MIPS
Hai compiler được so sánh khi biên dịch cùng một
chương trình chạy trên một máy tính 4 GHz với 3 nhóm
lệnh: Class A, Class B và Class C; CPI tương ứng 1, 2
và 3 chu kỳ xung nhịp
Compiler 1 sinh ra 5 tỉ lệnh Class A, 1 tỉ lệnh Class B và
1 tỉ lệnh Class C.
Compiler 2 sinh ra 10 tỉ lệnh Class A, 0.5 tỉ lệnh Class B
và 1 tỉ lệnh Class C.
Compiler nào sinh ra chương trình có thông số MIPS
cao hơn?
Compiler nào sinh ra chương trình có thời gian thực thi
tốt hơn?
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
18
dce
2015
Lời giải
Số chu kỳ xung nhịp tương ứng
CPU cycles (compiler 1) = (5×1 + 1×2 + 1×3)×109 = 10×109
CPU cycles (compiler 2) = (10×1+0.5×2+1×3)×109 = 14×109
Thời gian thực thi tương ứng
Execution time (compiler 1) = 10×109 cycles / 4×109 Hz = 2.5 sec
Execution time (compiler 2) = 14×109 cycles / 4×109 Hz = 3.5 sec
Compiler1 sinh ra chương trình chạy nhanh hơn
Thông số MIPS tương ứng
MIPS = Instruction Count / (Execution Time × 106)
MIPS (compiler 1) = (5+1+1) × 109 / (2.5 × 106) = 2800
MIPS (compiler 2) = (10+0.5+1) × 109 / (3.5 × 106) = 3286
Compiler2 sinh ra chương trình có thông số MIPS cao hơn!!!
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
19
dce Các yếu tố tác động đến thời gian thực thi
2015
Time = Instruction Count × CPI × cycle time
I-Count
CPI
Cycle
Program
Compiler
ISA
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Organization
Technology
Kiến trúc Máy tính– Chương 2
© Fall 2015
20
Tải về để xem bản đầy đủ
22 trang
15700
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Hiệu suất - Võ Tấn Phương", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_kien_truc_may_tinh_chuong_2_hieu_suat_vo_tan_phuon.pdf
