Tema 4: Rendimiento del procesador.

Transcripción

1 Tea 4: Rendento del procesador Meddas del rendento de un coputador 2 Patrones de edda (Bencharks) 3 Influenca en el rendento de las alternatvas de dseño 4 Influenca de los copladores de lenguajes de alto nvel 5 Procesadores RISC y CISC Meddas del rendento de un coputador Cuando se queren coparar dferentes procesadores es necesaro establecer el crtero de edda que perta cuantfcar los resultados de la coparacón En este sentdo exsten dos conceptos que convene aclarar prevaente: la undad de edda y el patrón de edda El prero se refere a la étrca utlzada para cuantfcar la coparacón Y el segundo a la carga de trabajo respecto a la que se realza la coparacón El tepo es la undad de edda por excelenca cuando se coparan varos procesadores, aunque no sepre concdan los puntos de vsta de los dferentes observadores Así, el usuaro de un procesador puede decr que el procesador A es ejor que el procesador B cuando A ejecuta su prograa en enor tepo que B En cabo el responsable de un centro de cálculo entenderá que A es ejor que B s es capaz de ejecutar ayor núero de trabajos por undad de tepo El prero estará nteresado en el tepo de respuesta (response te) del procesador entras que el segundo lo estará en la productvdad (throughput) Pero en abos casos la clave es el tepo: el procesador que realza la sa cantdad de trabajo en el enor tepo posble será el ás rápdo, la dferenca estrba en s edos una tarea (tepo de respuesta) o uchas (productvdad) El patrón de edda ás sgnfcatvo es el conjunto de prograas reales que se ejecutan en los procesadores Sn ebargo aquí surge de nuevo y con ás ntensdad la dversdad de puntos de vsta En efecto, el usuaro de un edtor de texto querrá edr el rendento de un procesador respecto a la efcenca para ejecutar su prograa, que posbleente no concda con el punto de vsta del usuaro de un prograa de dseño gráfco Fjar de la fora ás objetva posble los patrones o prograas respecto a los cuales se da el rendento de un procesador será pues una tarea poléca y sepre cuestonada por la coundad de nteresados en los resultados de la edda Tepo de ejecucón El tepo que tarda un prograa en ser ejecutado por un coputador puede ser dfícl de edr, debdo a los Ssteas Operatvos Multtarea y a los dspostvos de E/S, que tenen tepos de respuesta que son ndependentes de la frecuenca de reloj del ordenador Por ello es necesaro dferencar entre el tepo que tarda una CPU en ejecutar el códgo de un prograa, el tepo que utlza el SO para realzar sus tareas, y el tepo necesaro para acceder a los dspostvos de E/S El tepo de ejecucón de un prograa lo dvdreos en las sguentes coponentes: Tepo de respuesta Tepo de CPU

2 A su vez, el tepo de CPU lo dvdos en: Tepo de CPU utlzado por el usuaro Tepo de CPU utlzado por el SO Tepo de respuesta Es el tepo necesaro para copletar una tarea, ncluyendo los accesos al dsco, a la eora, las actvdades de E/S y los gastos del SO Es el tepo que percbe el usuaro Tepo de CPU Es el tepo que tarda en ejecutarse un prograa, sn tener en cuenta el tepo de espera debdo a la E/S o el tepo utlzado para ejecutar otros prograas Se dvde en: Tepo de CPU utlzado por el usuaro Es el tepo que la CPU utlza para ejecutar el prograa del usuaro No se tene en cuenta el tepo de espera debdo a la E/S o el tepo utlzado para ejecutar otros prograas Tepo de CPU utlzado por el SO Es el tepo que el SO eplea para realzar su gestón nterna La funcón te de Unx produce una salda de la fora: 907u 29s 2:39 65%, donde: Tepo de CPU del usuaro 907 segundos Tepo de CPU utlzado por el sstea 29 segundos Tepo de CPU 907 seg+ 29seg 036 Tepo de respuesta 2 nutos 39 segundos 59 segundos Tepo de CPU 65% del tepo de respuesta 59 segundos* Tepo esperando operacones de E/S y/o el tepo ejecutando otras tareas 35% del tepo de respuesta 59 segundos* segundos El tepo de respuesta se utlza coo edda del rendento del sstea (con el sstea no cargado), entras que el rendento de la CPU noralente hace referenca al tepo de CPU del usuaro sobre un sstea no cargado El tepo de CPU de un prograa podeos expresarlo coo: Tepo_de_CPU Núero_de_cclos_de_reloj_de_la_ CPU Tc donde Tc Duracón_del_cclo_de_reloj Tepo _ de _ CPU Núero _ de _ cclos _ de _ reloj _ de _ la _ CPU Fc donde Fc Frecuenca_de_reloj /Tc Adeás del núero de cclos de reloj que necesta la ejecucón de un prograa, tabén se puede edr el núero de nstruccones NI ejecutadas, y podreos calcular el núero edo de Cclos de reloj Por Instruccón o CPI coo: CPI Núero _ de _ cclos _ de _ reloj _ de _ la _ CPU NI por lo que el tepo de CPU podeos expresarlo coo: Tepo_de_CPU NI CPI Tc o ben: 2

3 Tepo _ de _ CPU NI CPI Fc NI: depende del coplador y la arqutectura utlzada, y se expresa en nstruccones/prograa CPI: depende de la arqutectura y estructura (organzacón) de la áquna, y se expresa en cclos de reloj/nstruccón Tc: Depende de la estructura y la tecnología de la áquna, y se expresa en segundos/cclo de reloj En deternadas stuacones de dseño puede ser útl calcular el núero total de cclos de reloj de la CPU coo: Núero_de_cclos_de_reloj_de_la_CPU n CPI NI donde NI representa el núero de veces que el grupo de nstruccones es ejecutado en un prograa, y CPI representa el núero edo de cclos de reloj para el conjunto de nstruccones El tepo de CPU se evalúa en este caso edante una de las 2 sguentes expresones: Tepo_de_CPU n CPI NI Tc Tepo _ de _ CPU n CPI Fc NI El núero edo de cclos por nstruccón vendrá dado por: CPI n CPI NI n ( CPI NI NI NI ) Esta últa expresón calcula el CPI ultplcando cada CPI ndvdual por la fraccón de ocurrencas de las nstruccones en el prograa CPI debe ser eddo, y no calculado a partr de la tabla del anual de referenca, ya que se deben nclur los fallos de caché y otras nefcencas del sstea de eora Ejeplo Se consderan 2 alternatvas para pleentar el salto condconal en un procesador: CPU A: Una nstruccón de coparacón genera el códgo de condcón, y una de salto bfurca en funcón del valor de códgo generado CPU B: Una únca nstruccón de salto que ncluye la coparacón 3

4 En abos casos la nstruccón de salto consue 2 cclos de reloj, las deás nstruccones consuen cclo Se gnoran las pérddas debdas al sstea de eora En la CPU A, el 20% de las nstruccones ejecutadas son saltos condconales, y coo en esta CPU cada salto es preceddo por una coparacón, otro 20% de las nstruccones ejecutadas son coparacones Debdo a que la CPU A no ncluye la coparacón en el salto, su cclo de reloj es un 25% ás rápdo que el de la CPU B Bajo estas condcones Qué CPU es ás rápda? Solucón CPU A Coparacones 20 % CPU B Saltos 20 % 20 % Otras nstruccones 60 % % Tc_B/ Tc_A 25 > Tc_B 25 Tc_A NI_B 08 NI_A Tepo de CPU_A NI_A CPI_A Tc_A Tepo de CPU_B NI_B CPI_B Tc_B Tepo de CPU_B (0 8 NI_A ) CPI_B ( 25 Tc_ A ) Tepo de CPU_B (08 25) NI_A * CPI_B Tc_A CPI_A (NI_salto_A /NI_A) CPI_salto + (NI_resto_A/NI_A) CPI_resto (20/00) 2 + (80/00) CPI_B (NI_salto_B /NI_B) CPI_salto + (NI_resto_B/NI_B) CPI_resto (20/80) 2 + (60/80) Luego la alternatva de dseño correspondente a la CPU A sería ás rápda La gananca de velocdad de la alternatva A sobre la B valdrá: Tepo de CPU_A 2 NI_A Tc_A Tepo de CPU_B 25 NI_A Tc_A La gananca de velocdad valdrá: 4

5 Tepo de CPU_B Tepo de CPU_A Otros paráetros de rendento MIPS (Mllones de Instruccones Por Segundo) NI MIPS 6 6 Tepo _de _ejecucón 0 CPI * 0 * Tc Tepo _ de _ ejecucón NI 6 MIPS* 0 Fc CPI * 0 Los MIPS dependen del repertoro de nstruccones, por lo que resulta un paráetro dfícl de utlzar para coparar áqunas con dferente repertoro Varían entre prograas ejecutados en el so coputador Pueden varar nversaente al rendento, coo ocurre en áqunas con hardware especal para punto flotante, que eplean enor tepo que las que no dsponen de este hardware y por tanto tenen ejor rendento Sn ebargo presentan un enor valor de los MIPS porque ejecutan enor núero de nstruccones En defntva, los MIPS pueden fallar al dar una edda del rendento, puesto que no reflejan el tepo de ejecucón Por esta razón se han vendo utlzando los MIPS relatvos, que den cuantas veces ás tarda en ejecutarse un prograa en la áquna a edr que en una de referenca, que por defncón tene un MIPS (VAX-/780): MIPS Tepo de ejecucón en la áquna de referenca Tepo de ejecucón en la áquna a edr relatvos MIPS refeerenca MIPSrefeerenca (MIPS del VAX-/780) 22 MFLOPS (Mllones de operacones en punto FLOtante Por Segundo) 6 MFLOPS Núero de operacones en coa flotante de un Tepo de ejecucón 0 6 prograa Exsten operacones en coa flotante rápdas (coo la sua) o lentas (coo la dvsón), por lo que puede resultar una edda poco sgnfcatva Por ello se han utlzado los MFLOPS noralzados, que dan dstnto peso a las dferentes operacones Por ejeplo: sua, resta, coparacón y ultplcacón se les da peso ; dvsón y raíz cuadrada peso 4; y exponencacón, trgonoétrcas, etc peso 8: 23 Productvdad (throughput) Núero de tareas ejecutadas en la undad de tepo 24 Gananca de velocdad (speedup): Ley de Adahl Para calcular el auento de rendento que puede obtenerse al ejorar alguna parte de un coputador se utlza la Ley de Adahl: La ejora obtenda en el rendento global de un coputador al utlzar algún odo de ejecucón ás rápdo está ltada por la fraccón de tepo que se puede utlzar ese odo ás rápdo La gananca de velocdad global de un sstea se defne por el sguente cocente: 5

6 gv global Tepo _ de _ ejecucón _ sn _ ejora(tsn ) Tepo _ de _ ejecucón _ con _ ejora(tcon ) S llaaos f a la fraccón de tepo que puede utlzarse el odo de ejecucón ás rápdo, es decr, ntroducendo una ejora, y gvejora la gananca de velocdad propa del eleento o odo ejorado, la gananca de velocdad global del sstea vendrá dada por la sguente expresón: ( - f) * Tsn Tsn Tcon ( - f) * Tsn + f * Tsn / gv ejora tepo en que se puede utlzar la ejora f * Tsn tepo ahorrado en la ejora f * Tsn / gv ejora gv global Tsn Tcon ( f Tsn )* Tsn + f * Tsn gv ejora ( f ) + f gv ejora Esta expresón recoge la fora cuanttatva de la ley de Adahl S obteneos el líte cuando la gananca de velocdad del odo ejorado tende a nfnto, es decr, suponeos que el odo ejora nfntaente, obteneos lo sguente: l _ gv global f gv ejora Es decr, que la gananca de velocdad global se antene ltada por una expresón de la fraccón f 6

7 gv global /(-f ) gv ejora Ejeplo Un dsco agnétco 0 veces ás rápdo que en la áquna orgnal El dsco se utlza sólo el 40% del tepo de ejecucón Cual es la gananca de velocdad global? fr04 gv ejora 0 CPU gv global gvejora 0; f 04 > gvglobal ( 04) l gvglobal 666 (áxa gananca para velocdad del dsco nfnta) ( 04) gvejora --> 25 Rendento edo arónco Sean P, P2,, P,P un conjunto de prograas que representan odos de funconaento de una carga de trabajo Por ejeplo, P, puede representar el odo de funconaento entero, P2 el odo real, etc Sean r, r2,, r, r las velocdades de ejecucón en nstruccones/segundo de los prograas anterores, y t, t2,, t, t los tepos de ejecucón edos por nstruccón en segundos/nstruccón: t /r Se defnen los sguentes paráetros: Tepo de ejecucón edo artétco T a t r Velocdad de ejecucón eda arónca 7

8 8 a h r T R Tepo de ejecucón edo ponderado * a r f T con f, f2, f, f los pesos de los prograas P, P2,, P,P; f Velocdad de ejecucón eda arónca ponderada * a * h r f T R Velocdad de ejecucón eda artétca a r R Velocdad de ejecucón eda artétca ponderada a r * f R Problea cuando se proedan velocdades en lugar de tepos P ejecuta 0000 nstruccones en 5 segundos > r 2000 nstruccones/segundo P2 ejecuta 0000 nstruccones en 2 segundos > r nstruccones/segundo 0000 nstrucones 0000 nstruccones 5 segundos 2 segundos P P 2 Velocdad de ejecucón eda artétca Ra ( )/ nstruccones/segundo S con esta velocdad eda calculaos las nstruccones ejecutadas en 7 segundos 3500 * nstruccones 20000

9 Ta /2(5/ /0000) 7/20000 > Rh /Ta 20000/7 2857,4 S con esta velocdad eda arónca calculaos las nstruccones ejecutadas en 7 segundos 2857,4 * Ejeplo Se ejecutan 4 prograas P, P2, P3, P4 (que representan 4 odos de ejecucón de un prograa general) sobre 3 coputadores A, B y C Por cada prograa se ejecutan 0 8 nstruccones, resultando los sguentes tepos en segundos: Tepo de ejecucón (seg) Coputador Prograa A B C P P2 P3 P Cuál es el coputador ás rápdo? MIPS Los MIPS da cada procesador para cada prograa valdrán: Coputador Prograa A B C P P2 P3 P4 T a t 00 0, 0,2 0 0, 0,25 r Tepos de ejecucón edos artétcos Ta(A) /4*(/00+/0,+/0,2+) 6,0/4 4,002 Ta(B) /4*(/0++/0,+/0,25) 9,/4 4,775 Ta(C) /4*(/5+/5+/2+),9/4 0,475 Velocdades de ejecucón edas aróncas Rh(A) / Ta (A) 0,25 Rh(B) / Ta (B) 0,

10 Rh(C) / Ta (C) 2,2 Luego el ejor coputador (ás rápdo) es C, segudo de A, y segudo de B Velocdad de ejecucón eda geoétrca R g R / Velocdad de ejecucón eda geoétrca ponderada R * g R f Se utlza con eddas de rendento noralzadas con respecto a una áquna de referenca 2 Patrones de edda (Bencharks) Para evaluar el rendento de un coputador podeos utlzar dferentes técncas: Modelos analítcos (ateátcos) de la áquna Modelos de sulacón (algorítcos) de la áquna La áquna real Las dos preras alternatvas se utlzan cuando la áquna no está dsponble Los odelos analítcos tenen ltado su ábto de utlzacón por la dfcultad de expresar en fora de ecuacones ateátcas el coportaento detallado de la áquna y su carga de trabajo Se utlzan en fases uy tepranas de dseño para realzar estacones generales del rendento Los odelos de sulacón pueden construrse con ayor precsón, recogendo especfcacones detalladas de dseño Sn ebargo, estos odelos requeren una gran capacdad coputaconal cuando se ncorporan todos los coponentes báscos de la áquna En la tercera alternatva es la áquna o áqunas reales las que se evalúan con el fn de dsponer de algún crtero de eleccón En este caso (y posbleente en algunos odelos de sulacón) será necesaro dsponer de un conjunto de prograas representatvos de la carga real de trabajo que vaya a tener la áquna, y con respecto a los cuales se realcen las eddas Estos prograas patrones se denonan bencharks, y serán el objeto de estudo de este apartado Podeos utlzar dferentes crteros no excluyentes a la hora de clasfcar los bencharks que se utlzan en la actualdad para evaluar los coputadores Coenzareos con una clasfcacón general en funcón del ábto de aplcacón que representan, es decr, el tpo de recursos coputaconales que ayortaraente ntervenen en la evaluacón En este sentdo los clasfcareos en: Enteros: aplcacones en las que dona la artétca entera, ncluyendo procedentos de búsqueda, operacones lógcas, etc Por ejeplo, SPECnt2000 Punto flotante: aplcacones ntensvas en cálculo nuérco con reales Por ejeplo, SPECfp2000 y LINPACK Transaccones: aplcacones en las que donan las transaccones on-lne y off-lne sobre bases de datos Por ejeplo, TPC-C En segundo lugar los agrupareos por la naturaleza del prograa que pleentan: Prograas reales: Copladores, procesadores de texto, etc Perten dferentes 0

11 opcones de ejecucón Con ellos se obtenen las eddas ás precsas Núcleos (Kernels): Trozos de prograas reales Adecuados para analzar rendentos específcos de las característcas de una deternada áquna: Lnpack, Lverore Loops Patrones conjunto (bencharks suts) Conjunto de prograas que den los dferentes odos de funconaento de una áquna: SPEC y TPC Patrones reducdos (toy bencharks): Prograas reducdos (0-00 líneas de códgo) y de resultado conocdo Son fácles de ntroducr y ejecutar en cualquer áquna (Qucksort,) Patrones sntétcos (synthetc bencharks): Códgo artfcal no pertenecente a nngún prograa de usuaro y que se utlza para deternar perfles de ejecucón (Whetstone, Dhrystone) A contnuacón estudareos con algún detalle tres de los bencharks con ayor dfusón 2 LINPACK Es una coleccón de subrutnas Fortran que analzan y resuelven ecuacones lneales y probleas de ínos cuadrados Los ssteas de ecuacones lneales que contepla utlzan dferentes foras de las atrces: generales, en banda, sétrcas, trangulares etc Se dseñó para edr el rendento en supercoputadores a fnales de los 70 y prncpo de los 80 (Dongarra) Lo coponen las sguentes subrutnas: atrces generales atrces en banda atrces defndas postvas atrces en banda defndas postvas atrces ndefndas sétrcas atrces trangulares atrces trdagonales descoposcón de Cholesky descoposcón QR actualzacón de las descoposcones QR y Cholesky descoposcón valores sngulares La tabla sguente uestra los resultados de este benchark para algunos coputadores correndo bajo un sstea operatvo y utlzando un coplador concreto La prera coluna nuérca presenta el resultado en Mflops/segundo, es decr, en llones de operacones en punto flotante por segundo para una atrz de orden 00 La segunda para una atrz de orden 000, y la tercera presenta el rendento de pco de la áquna Para resolver un sstea de n ecuacones se realzan 2/3n 3 + 2n 2 Coputador OS/Coplador N00 Mflops/s N000 Mflops/s Peak Mflops/s Cray T96 (8 proc 22 ns) cf77 (60) -Zp -Wd Cray T96 (4 proc 22 ns) cf77 (60) -Zp -Wd Cray T96 (2 proc 22 ns) cf77 (60) -Zp -Wd Cray T96 ( proc 22 ns) cf77 (60) -Zp -Wd Cray C90 (6 proc 42 ns) CF Zp -Wd-e Cray C90 (8 proc 42 ns) CF Zp -Wd-e Cray 3-28 (4 proc 2 ns) CSOS 0 level Htach S-3800/480(4 proc 2 ns) Htach S-3800/380(3 proc 2 ns) Htach S-3800/280(2 proc Htach S-3800/80( proc 2 ns) OSF/ MJ FORTRAN:V Cray 3-28 (2 proc 2 ns) CSOS 0 level Cray C90 (4 proc 42 ns) CF Zp -Wd-e Cray C90 (2 proc 42 ns) CF Zp -Wd-e Cray C90 ( proc 42 ns) CF Zp -Wd-e

12 NEC SX-3/44R (4 proc 25 ns) NEC SX-3/42R (4 proc 25 ns) NEC SX-3/4R (4 proc 25 ns) NEC SX-3/34R (3 proc 25 ns) NEC SX-3/32R (3 proc 25 ns) NEC SX-3/3R (3 proc 25 ns) NEC SX-3/24R (2 proc 25 ns) NEC SX-3/22R (2 proc 25 ns) NEC SX-3/2R (2 proc 25 ns) NEC SX-3/4R ( proc 25 ns) f77sx 040 R22 -p*:* NEC SX-3/2R ( proc 25 ns) f77sx 040 R22 -p*:* Cray 3-28 ( proc 2 ns) CSOS 0 level NEC SX-3/44 (4 proc 29 ns) NEC SX-3/24 (2 proc 29 ns) NEC SX-3/42 (4 proc 29 ns) NEC SX-3/22 (2 proc 29 ns) NEC SX-3/4 ( proc 29 ns) f77sx 020 R3 -p*:* NEC SX-3/2 ( proc 29 ns): f77sx 020 R3 -p*:* Cray Y-MP/832 (8 proc 6 ns) CF Zp -Wd-e Fujtsu VP2600/0 (32 ns) FORTRAN77 EX/VP VL Cray Y-MP/832 (4 proc 6 ns) CF Zp -Wd-e Fujtsu VPP500/( proc 0 ns) FORTRAN77EX/VP V2L Cray Y-MP M98 (8 proc 6 ns) CF Zp -Wd-e Fujtsu VP2200/0 (32 ns) FORTRAN77 EX/VP V2L Cray 2S/4-28 (4 proc 4 ns CSOS 0 level SPEC: (Syste Perforance and Evaluaton Cooperatve) SPEC es una socedad sn áno de lucro cuya són es establecer, antener y dstrbur un conjunto estandarzado de bencharks que se pueden aplcar a las últas generacones de procesadores Se han suceddo ya 4 generacones de bencharks: SPEC89, SPEC92, SPEC95 y SPEC2000 En lo que sgue nos ltareos a la últa, que es la únca en vgor 22 SPEC SPEC CPU2000 Los dseña el OSG (Open Systea Group) de SPEC que es el encargado de los bencharks de coponentes y ssteas En este apartado se encuentran los SPECnt2000 y SPECfp2000, representatvos de las aplcacones enteras y reales (punto flotante) Dentro de SPEC exsten otros dos grupos HPG (Hgh Perforance Group) y GPCG (Graphcs Perforance Caracterzaton Group) La áquna de referenca de los SPEC CPU2000 es la UltraSPARC0 con un procesador UltraSPARC II, a 300 MHz y 256 MB de eora Esto sgnfca que todos los resultados se calculan coo ratos frente a la áquna de referenca, que por defncón tene SPECnt , y SPECfp SPECnt2000 Lo ntegran los sguentes prograas: gzp: prograa de copresón de datos que utlza el algorto de Lepel-Zv (LZ77) vpr(versatl place and route): pleenta los procesos de ubcacón (placeent) y conexonado (routng) de un crcuto dgtal sobre bloques lógcos de FPGAs Pertenece a la clase de prograas de optzacón cobnatora Utlza sulated annealng coo procedento de optzacón gcc: coplador de C que genera códgo para el procesdor Motorola 8800 cf: Prograa de planfcacón teporal (schedulng) de transporte públco que utlza el códgo MFC del étodo splex de red (versón especalzada del algorto splex de prograacón lneal) 2

13 crafty: prograa de juego de ajedrez por coputador con un núero sgnfcatvo de operacones enteras y lógcas tales coo AND, OR, XOR y desplazaentos parser: analzador sntáctco de nglés basado en graátcas de enlace (lnk graar) con un dcconaro de as de palabras eon: trazador de rayos (ray tracer) que transte un núero de líneas 3D (rayos) sobre un odelo polgonal 3D, calcula la nterseccón entre las líneas y los polígonos, y genera nuevas líneas para calcular la luz ncdente en los puntos de nterseccón El resultado fnal es una agen vsta por cáara perlbk: versón del lenguaje de scrpt Perl en el que se han elnado las característcas específcas del SO gap: pleenta un lenguaje dseñado para coputar en grupos (GAP: Groups, Algorth and Prograng) vortex: procede de un OODBMS (sstea de gestón de bases de datos orentado a objetos) que se ha adaptado para conforarlo a las exgencas de SPEC2000 bzp2: basado en la versón 0 de bzpb twolf: paquete de ubcacón (placeent) y conexonado (routng) en el proceso de dseño de crcutos ntegrados basados en celdas standard Utlza el algorto de sulated annealng 223 SPECffp2000 Lo ntegran los sguentes prograas: wupwse: croodnáca cuántca sw: odelado del agua superfcal grd: resolutor ult-alla: capo potencal 3D applu: ecuacones dferencales parcales elíptcas/parabólcas esa: lbrería gráfca 3D galgel: dnáca de fludos art: reconocento de ágenes/redes neuronales equake: sulacón de propagacón de ondas síscas facerec: procesaento de agen: reconocento del rostro ap: quíca coputaconal lucas: teoría de núeros/prueba de núeros pros fa3d: sulacón de choques por eleentos fntos sxtrack: dseño de aceleradores de físca nuclear de alta energía aps: eteorología: dstrbucón de contanantes CINT2000 Result Copyrght Standard Perforance Evaluaton Corporaton Tepo en una UltraSPARC0 con procesador UltraSPARCII, 300 MHz y 256 MB de eora Intel Corporaton Intel D850MD otherboard (20A GHz, Pentu 4 processor) SPECnt2000 SPECnt_base SPEC Tested by: lcense # 3 Intel Corporaton Test date: Nov-200 Hardware Jan-2002 Aval: Software Aval: Oct- 200 Benchark Reference Te Base Base Runte Rato Runte Rato 3

14 64gzp vpr gcc cf crafty parser eon perlbk gap vortex bzp twolf SPECnt_base SPECnt Vendor: Intel Corporaton Software Model Nae: Intel D850MD otherboard (20A GHz, Pentu 4 processor) CPU: CPU MHz: 2000 FPU: CPU(s) enabled: Pentu 4 processor (20A GHz, 400 MHz bus) Integrated Operatng Syste: Copler: Fle Syste: Syste State: Wndows XP Professonal(Buld 2600) Intel C++ Copler 50 Buld 00525Z Mcrosoft Vsual C++ 60 SP5(for lbrares) FAT32 Default CPU(s) orderable: Parallel: Prary Cache: Secondary Cache: L3 Cache: No 2k cro-ops I + 8KBD on chp 52KB(I+D) on chp N/A 4

15 Other Cache: Meory: Dsk Subsyste: Other Hardware: N/A 256 MB (2 28 MB PC800 RDRAM non-ecc odules) IBM DTLA ATA-00 None CINT2000 Result Copyrght Standard Perforance Evaluaton Corporaton Intel Corporaton Intel VC820 (0 GHz Pentu III) SPECnt2000 SPECnt_base SPEC lcense # 3 Tested by: Intel Corporaton Test date: Mar Hardware Aval: Mar-2000 Software Aval: Benchark Reference Te Base Base Runte Rato Runte Rato 64gzp vpr gcc cf crafty parser eon perlbk gap vortex bzp twolf

16 SPECnt_base SPECnt Hardware Vendor: Intel Corporaton Software Model Nae: CPU: CPU MHz: FPU: CPU(s) enabled: CPU(s) orderable: Intel VC820 (0 GHz Pentu III) 0 GHz Pentu III processor 0 GHz Integrated Operatng Syste: Wndows 2000 (Buld 295) Copler: Fle Syste: Syste State: Intel C Copler 45 for Wndows 2000 Mcrosoft Vsual C++ 60 C lbrares, SartHeap lbrary FAT32 Default Parallel: Prary Cache: Secondary Cache: L3 Cache: Other Cache: Meory: Dsk Subsyste: No 6KBI + 6KBD on-de 256KB(I+D) on-de ECC N/A N/A 256 MB PC800 RDRAM non- ECC IBM DJNA ATA-66 Other Hardware: Daond Multeda Vper 770 Ultra TNT2 AGP CFP2000 Result Copyrght Standard Perforance Evaluaton Corporaton Intel Intel D850EMV2 otherboard (20A GHz, Pentu 4 processor) Corporaton SPECfp SPECfp_base SPEC lcense # 3 Tested by: Intel Corporaton Test date: May Hardware Aval: May-2002 Software Aval: Apr-2002 Benchark Reference Te Base Base Runte Rato Runte Rato 68wupwse sw

17 72grd applu esa galgel art equake facerec ap lucas fa3d sxtrack aps SPECfp_base SPECfp Intel Corporaton Software Model Nae: CPU: CPU MHz: 2000 FPU: CPU(s) enabled: CPU(s) orderable: Intel D850EMV2 otherboard (20A GHz, Pentu 4 processor) Pentu 4 processor (20A GHz, 400 MHz bus) Integrated Operatng Syste: Copler: Fle Syste: Syste State: Wndows XP Professonal(Buld 2600) Intel C++ Copler 60 Buld 02032Z Intel Fortran Copler 60 Buld 02032Z Mcrosoft Vsual C++ 60 SP5(for lbrares) FAT32 Default Parallel: Prary Cache: Secondary Cache: L3 Cache: No 2k cro-ops I + 8KBD on chp 52KB(I+D) on chp N/A 7

18 Other Cache: Meory: N/A 256 MB (2 28 MB PC RDRAM non-ecc odules) Dsk Subsyste: IBM 20GXP 80 GB IC35L080AVVA07-0 ATA-00 La sguente gráfca uestra la evolucón de los procesadores en los últos años caracterzados por su valor de SPECnt con referenca en el VAX / TPC (Transacton Processng Perforance Councl) TPC es un consorco de 47 fabrcantes de software y hardware entre los que se encuentran Copaq, Dgtal, IBM, NCR, Sun, Inforx, Intel, Mcrosoft y Oracle dedcado al dseño de bencharks para la edda de rendento de los ssteas nforátcos Estos bencharks analzan la ayoría de los aspectos del sstea en relacón con el procesaento de transaccones, es decr, accesos de consulta y actualzacón a bases de datos Tene el nconvenente de la cantdad de tepo que requeren las pruebas (eses) hacendo que su coste sea elevado (llones de pesetas) Los bencharks TPC-A, TPC-B y TPC-C ya están en desuso TPC-D fue susttudo en abrl de 999 por TPC-H y TPC-R TPC-H: es un benchark de soporte a la decsón Consta de un conjunto preguntas (queres) específcas, orentadas a la actvdad coercal TPC-R: es slar a TPC-H pero perte optzacones adconales basadas en el conocento de las preguntas Adeás, TPC ha ntroducdo un benchark para edr las transaccones en la WEB: TPC-W: La carga de trabajo se confgura en un entorno de coerco que sula las actvdades de un servdor de WEB orentado a las transaccones coercales Estudareos con ás detalle en los sguentes parágrafos los actuales TPC-R y TPC-H TPC-R y TPC-H Los bencharks TPC-R y TPC-H fueron ntroducdos para susttur al TPC-D coo estándar ndustral para aplcacones coercales Los dos son uy slares ya que odelan la sa aplcacón coercal (base de datos, preguntas y funcones de refresco) Se dferencan en las reglas 8

19 de pleentacón, ya que entras TPC-H lta el uso de índces y esqueas de partcones, TPC-R no lta el uso de estas estructuras en la base de datos 23 Base de Datos La base de datos de TPC-H y TPC-R utlza un esquea en la 3ª fora noral y responde al dagraa relacón-entdad de la sguente fgura (8 tablas): part partsupp lnete suppler custoer orders naton regon TPC dspone de un generador de datos para todas las tablas de la base dependendo del factor de escala SF El factor de escala deterna el taaño de los datos de la base, por ejeplo, SF00 sgnfca que la sua de todas las tablas de la base es gual a 00 GB Las dos tablas ayores son lnete y orders que contenen el 83% de los datos El taaño de todas las tablas excepto naton y regon tenen un taaño proporconal al factor de escala 232 Carga de Trabajo Las cargas de trabajo para abos bencharks constan de los sguentes coponentes: Construccón de la base de datos Ejecucón de 22 preguntas de solo-lectura en odo onousuaro y ultusuaro Ejecucón de 2 funcones de refresco La construccón de la base de datos ncluye todos los tepos de respuesta para crear las tablas, cargar los datos, crear índces, defnr y valdar restrccones, etc Las 22 preguntas están defndas en SQL-92 coo plantllas (teplates), por lo que antes de ser ejecutada sobre la base de datos se tene que realzar la susttucón de paráetros Se han elegdo para ostrar la capacdad del sstea utlzando todos los recursos en contextos onousuaro y ultusuaro Las dos funcones de refresco (RF y RF2) odelan la carga de nueva nforacón (RF) y la elnacón de nforacón obsoleta (RF2) RF nserta nuevas flas en la tabla lnete y orders, entras que RF2 elna el so núero de flas de las sas tablas 233 Métrca de rendento La prncpal étrca de rendento de TPC es la étrca de rendento copuesta (QphH/QphR) Para calcular la étrca copuesta de un sstea para un factor de escala dado, hay que ejecutar un test de potenca segudo por un test de capacdad de procesaento (throughput) Después se cobnan los resultados de abos tests para calcular la étrca copuesta En un test de potenca se ejecuta la funcón de refresco RF, seguda por la ejecucón de las 22 preguntas en odo de únco usuaro, y por la ejecucón de la funcón de refresco RF2 9

20 En el test de capacdad se ejecutan las 22 preguntas (flujos de preguntas S) en orden predefndo en últples sesones concurrentes Adeás en una sesón separada se ejecuta secuencalente un par de actualzacones (RF, RF2) por cada flujo de preguntas tepo Test de Potenca Test de Capacdad (throughput) Insercón RF S S2 Sn RF Flujo de preguntas Q Q2 Q3 Q2 Q22 RF2 RF Borrado RF2 RF2 El núero íno de flujos depende del factor de escala, según la tabla sguente: Factor Escala (SF) de s (S) Flujo Los resultados de los test de potenca y capacdad se utlzan para calcular la potenca de procesaento (Powre@Sze) y la capacdad de procesaento (Throughput@Sze) La potenca de procesaento se calcula coo la eda geoétrca de los tepos de respuesta correspondentes a las preguntas y funcones de refresco La undad es preguntas/hora La eda geoétrca reduce los efectos de las preguntas con tepos de respuesta uy cortos y uy largos Para un factor de escala SF dado, la potenca de procesaento se calcula coo: Sze SF QI(,0) * j 2 j RI( j,0) 20

21 ,2,22;j,2 QI(,0): tepo de respuesta en segundos de la query Q del test de potenca (power) RI(j,0): tepo de respuesta en segundos de la funcón de refresco RFj 3600: segundos ( hora) La capacdad de procesaento se calcula coo la razón del núero total de preguntas ejecutadas a lo largo del ntervalo de ejecucón La undad es preguntas/hora Para un factor de escala SF vene dada por: Sze S SF T S Ts:tepo de respuesta de la ejecucón ult flujo S: núero de flujos 3600: segundos ( hora) 22: núero de preguntas por flujo La étrca de rendento copuesta (QphH para TPC-H y QphR para TPC-R) se calcula coo: Sze, QphR@ Sze Power@ Sze Throughput@ Sze TPC-H y TPC-R tabén defnen una étrca preco/rendento coo la dvsón del preco total del sstea por el resultado de la étrca copuesta 00 GB Results Rank Copany Syste QphH Prce/QphH Syste Avalablty Database Operatng Syste Date Subtted Cluste r HP AlphaServer 5, US $ 07/5/02 ES45 Model 68/000 Oracle 9R2 w/real Applcaton Cluste HP Tru64 Unx V5A/IPK 07/5/02 Y 2 IBM eserver x350 wth 2, US $ 06/20/02 DB2 UDB IBM DB2 Turbolnux UDB 72 7 Servers 02/0/02 Y 3 SGI 450 Server wth 2, US $ 0/3/0 DB2 UDB EEE v72 IBM UDB 72 DB2 EEE Lnux //0 Y 4 HP Prolant DL760 X900, US $ 2/3/02 Mcrosoft Mcrosoft SQL Server Wndows 2000 NET Enterprse Enterprse Edton Server 07/3/02 N 5 ProLant 8000-X700-8P,699 6 US $ 08/0/00 Mcrosoft SQL 2000 Mcrosoft Wndows /2/00 N 6 HP Prolant DL580 G2, US $ 06/26/02 Mcrosoft Mcrosoft SQL Server Wndows Enterprse Advanced 06/26/02 N 2

22 Edton Server 7 e-@cton Enterprse Server ES5085R, US $ 0/3/0 Mcrosoft Mcrosoft SQL Server Wndows /22/00 N 8 Netfnty 8500R, US $ 08/0/00 Mcrosoft Mcrosoft SQL Server Wndows /23/00 N 9 ProLant P, US $ 08/0/00 Mcrosoft SQL 2000 Mcrosoft Wndows /05/00 N 0 NetServer LXr8500,29 95 US $ 08/8/00 Mcrosoft Mcrosoft SQL Server Wndows /8/00 N 300 GB Results Rank Copany Syste QphH Prce/QphH Syste Avalablty Database Operatng Syste Date Subtted Cluste r Copaq ProLant DL760 x900-64p 2, US $ 06/20/02 IBM DB2 UDB 72 Mcrosoft Wndows 2000 Advanced Server 04/09/0 2 Y 2 NUMA-Q , US $ 08/5/00 IBM DB2 UDB 7 DYNIX/pt x 45 05/03/0 0 N 3 Copaq AlphaServe r ES45 5, US $ 06/0/02 Model 68/000 Oracle 9 Copaq R2 Tru64 Enterprse Unx Edton V5A/IPK 05/05/0 2 Y 4 NUMA-Q , US $ 09/05/00 IBM DB2 UDB 7 DYNIX/pt x 45 09/05/0 0 N 5 Unsys ES7000 Oron 30 4, US $ 03/3/03 Enterprse Server Mcrosoft Mcrosoft Wndows SQL NET Server Server Enterprse Datacenter Ed 64-bt Edt 0/7/0 2 N 6 NUMA-Q , US $ 09/05/00 IBM DB2 UDB 7 DYNIX/pt x 45 09/05/0 0 N 7 AlphaServe r ES40 2,832,058 US $ 02/4/0 Model 6/667 Inforx Copaq XPS 83 Tru64 FD UNIX V5 2/9/0 0 Y 8 ProLant P, US $ /7/00 Mcrosoft SQL Server 2000 Mcrosoft Wndows 2000 /7/0 0 N 22

23 9 NetServer LXr 8500, US $ 08/8/00 Mcrosoft SQL Server 2000 Mcrosoft Wndows /8/0 0 N,000 GB Results Rank Copany Syste QphH Prce/QphH Syste Avalablty Database Operatng Syste Date Subtted Cluste r HP 9000 Superdoe 25,80 Enterprse 5 Server 23 US $ 0/30/02 Oracle Database Enterprse Edton v HP UX 64- bt 06/24/0 2 N 2 Copaq ProLant DL760 X900-28P 22, US $ 06/20/02 IBM UDB 72 DB2 Mcrosoft Wndows 2000 Advanced Server 02/06/0 2 Y 3 Sun Fre[TM] 5K server 8, US $ 07/7/02 Oracle Database Enterprse Edton 9 Sun Solars 8 0/7/0 2 N 4 WorldMar k , US $ 07/27/0 Teradata V2R4 MP-RAS /09/0 Y 5 HP 9000 Superdoe 3,6 Enterprse 0 Server 564 US $ 09/05/0 HP UX Orcacle Enterprse Ed bt 08/06/0 N 6 IBM RS/6000 SP 550 2, US $ 08/5/00 IBM UDB 7 DB2 IBM AIX /5/0 Y 7 HP 9000 Superdoe 9, US $ 02/3/0 Enterprse Server Inforx Extended Parallel 83FD HP UX 64- Ser bt 02/3/0 N 8 Sun 6800 Fre 4, US $ 0/3/0 IBM DB2 Sun UDB EEE 72 Solars 8 06//0 N 3000 GB Results Rank Copany Syste QphH Prce/QphH Syste Avalablty Database Operatng Syste Date Subtted Cluster HP 9000 Superdoe Enterprse 27, US $ 0/30/02 Oracle Database Enterprse Edton 9 HP UX 64- bt 08/26/02 N 23

24 Server v Sun Fre[TM] 23,8 5K Server wth 3 Oracle9 R2 237 US $ 0/30/02 Oracle 9 R2 Enterprse Edton Sun Solars 9 06/26/02 N 3 Copaq 2,05 ProLant DL760 3 X900-28P 29 US $ 06/20/02 IBM DB2 UDB 72 Mcrosoft Wndows /06/02 Y Advanced Server 4 WorldMark , US $ 07/27/0 Teradata V2R4 MP-RAS /09/0 Y 5 HP 9000 Superdoe Enterprse Server 7, US $ 05/5/02 Oracle Database Enterprse Edton 9 HP UX 64- bt 2/7/0 N 6 Sun Starfre Enterprse 0, wth 4 Oracle9,250 US $ 06/9/0 Oracle9 Database Ent Sun Solars 8 04/3/0 Y Edton GB Results ^ Copany Syste QphR Prce/QphR Syste Avalablty Database Date Subtted PowerEdge 6600/6 GHz Xeon MP 4,452 4 US $ 04/04/03 Oracle 9 R2 Enterprse Edton 0//02,000 GB Results ^ Copany Syste QphR Prce/QphR Syste Avalablty Database Date Subtted WorldMark , US $ 02/5/00 NCR Teradata V2R30 08/23/99 WorldMark , US $ 08/3/00 NCR Teradata V2R40 03/06/00 24 Otros bencharks 24 Whetstone: Benchark sntétco representatvo de la prograacón nuérca escalar (punto flotante) Está forado por un conjunto de bucles con una alta localdad de referenca, lo que favorece a las cache pequeñas Utlza uchas llaadas a lbrería, lo que posblta ejorar los resultados optzando estas lbrerías El resultado se expresa en whetstone/segundo, es decr, nstruccones del benchark/segundo Se basa en una estadístca recogda por Bran Wchann del Natonal Physcal Laboratory de Inglaterra, utlzando un coplador Algo 60 que traducía Algo a nstruccones de la áquna agnara Whetstone, una pequeña cudad a las afueras de Lecester 24

25 242 Dhrystone: Benchark sntétco que utlza un juego de palabras relatvas a su antecesor whetstone y es representatvo de prograas generales (enteros) escrtos orgnaraente en Fortran Reúne operacones artétcas de enteros, trataento de caracteres y punteros Está consttudo por un bucle de gran taaño El resultado se expresa en dhrystone/segundo, es decr, núero de ejecucones del bucle por segundo En la actualdad está tabén dsponble en ADA, Pascal y C 3 Influenca en el rendento de las alternatvas de dseño Revsareos en este apartado las alternatvas de dseño de los repertoros de nstruccones (ISA) estudadas en los teas anterores con el objeto de selecconar aquellas que aportan ayor rendento al procesador En uchos casos las alternatvas se conteplan junto con datos reales de su presenca en el códgo áquna que generan los copladores para prograas reales El resultado será la caracterzacón de un repertoro (ISA) que defnrá las propedades generales de los procesadores de tpo RISC Nosotros proyectareos estas propedades sobre un procesador hpotétco denonado DLX, que es un copendo de las prncpales característcas de los actuales procesadores RISC: MIPS, Power PC, Precson Archtecture, SPARC y Alpha 3 2 Tpo de eleentos de eora en la CPU Tres alternatvas: Tpo de áquna Ventajas Inconvenentes Pla Acuulador Instruccones cortas Elevado tráfco con Meora Regstros Mayor flexbldad para los copladores Más velocdad (sn acceso a Meora) Instruccones ás largas El tráfco con eora es uno de los cuellos de botella ás portantes para el funconaento del procesador Se dsnuye este tráfco con nstruccones que operen sobre regstros, ya que el acceso es ás rápdo y las referencas a los regstros se codfcan con enor núero de bts (nstruccones ás cortas) Conclusón Se opta por el tpo de áquna con regstros de propósto general (RPG) 32 Referencas a eora en nstruccones ALU Tres alternatvas: Tpo de áquna Ventajas Inconvenentes Regstro-Regstro Nnguna referenca a Meora Mayor núero de Codfcacón fja > forato nstruccones por prograa sple Generacón de códgo sple Regstro-Meora Menor núero de nstruccones Mayor tráfco con Meora Forato ás coplejo Meora-Meora Muchos tpos de drecconaento Nnúero íno de nstruccones por prograa Conclusón Mucho acceso a eora Forato coplejo 25

26 Dentro de las áqunas con regstros de propósto general, las que operan en la nstruccones ALU de regstro - regstro (RR) son las que optzan el uso de regstros, quedando el acceso a eora ltado a las nstruccones de carga y alacenaento Regstros Genearales R0 R R2 Alacenaento ALU R3 Carga Meora Rn 33 Orden de ubcacón de los datos Dos alternatvas: bg-endan ltle-endan Conclusón Seleccón basada en otvos de copatbldad Es ndferente desde el punto de vsta del rendento Serán otvos de copatbldad con otros procesadores los que deternen una eleccón 34 Alneaento de datos Dos alternatvas: acceso alneado ás rápdo acceso no alneado ás lento en general ayor flexbldad Conclusón Datos alneados, o s el procesador perte lo no alneados, será el coplador quen genere sepre datos alneados 35 Drecconaentos Los odos de drecconaento pueden reducr sgnfcatvaente el núero de nstruccones de un prograa Sn ebargo, añaden coplejdad al repertoro auentando con ello el CPI (núero edo de cclos por nstruccón) En la gráfca sguente aparecen los resultados de edr los odos de drecconaento que utlzan 3 prograas del SPEC89 sobre la arqutectura VAX (una de las que ás odos de drecconaento dspone): Tex, Spce y gcc Coo puede observarse en la gráfca, los drecconaentos nedato y con desplazaento donan con dferenca sobre los deás No se ha ncludo el drecconaento relatvo que se utlza cas exclusvaente en las nstruccones de bfurcacón 26

27 Indrecto eora % % 6% 0% Indexado 6% 6% Indrecto regstro Inedato 3% % 7% 24% 39% 43% TeX Spce gcc Desplazaento 32% 40% 55% 0% Otros 3% 3% 0% 0% 20% 30% 40% 50% 60% Frecuenca de los odos de drecconaento El drecconaento regstro + desplazaento alcanza ás del 75% El taaño de los desplazaentos no aparece en la gráfca pero varía de 2 a 6 bts en un porcentaje que va del 75% al 99% El taaño del capo nedato vara de 8 a 6 bts en un porcentaje que va del 50% al 80% Conclusones Una áquna efcente, que favorezca los casos frecuentes (que coo heos vsto por la ley de Adahl son los que ás aportan a la gananca de velocdad global de la áquna) debería soportar: Drecconaentos regstro + desplazaento y el nedato Taaños de los desplazaentos de 2 a 6 bts Taaño del dato nedato de 8 a 6 bts La supresón de los odos coplejos no afectan decddaente al rendento 36 Datos operando La sguente fgura uestra el porcentaje de referencas en los bencharks anterores a los objetos de datos as usuales: byte, eda palabra, palabra y doble palabra Se desprende que los accesos a datos de longtud palabra o doble palabra donan sobre los deás S a ello añados la necesdad de acceder al eleento íno que defne la resolucón del drecconaento, así coo el soporte del tpo carácter, es decr, el byte; y la exstenca en la ayoría de los procesadores de operacones hardware en punto flotante, llegaos a las sguentes Conclusones enteros de 6 y 32 bts flotantes de 64 bts caracteres de 8 bts 27

28 Doble Palabra 0% 0% 66% Palabra Meda Palabra 0% 0% 4% 34% 89% 9% TeX Spce gcc BYTE % 0% 5% 0% 20% 40% 60% 80% 00% Frecuenca de la referenca 37 Operacones Se cuple en la práctca que las operacones ás sples son las que ás se repten en los prograas, concretaente las operacones de carga, salto condconal, coparacón, alacenaento, sua, and, resta, transferenca entre regstros y saltos-retornos de subrutna se llevan el 96% de las ocurrencas, para el caso de prograas enteros ejecutándose sobre la fala x86, tal coo uestra la sguente tabla: Conclusones orde nacón nstruccón x86 carga salto condconal coparacón alacenaento sua and resta transferenca RR salto a subrutna retorno de subrutna TOTAL % total ejecutadas 22% 20% 6% 2% 8% 6% 5% 4% % % El repertoro ISA de un procesador efcente no debera nclur uchas ás operacones que las aparecdas en la tabla anteror 38 Sentencas de salto condconal 96% 28

29 En la sguente fgura teneos el porcentaje de aparcón de los tres tpos de sentencas de ruptura de secuenca Coo se puede observar las bfurcacones condconales ocupan el prer lugar (un 75%), por lo que resulta portante dseñar de fora efcente el ecanso de generacón de condcones y salto sobre el valor de las sas Llaada/retorno Bfurcacón Condconal 6% 3% 0% 8% 2% 2% 66% 75% 78% TeX Spce gcc 0% 0% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% Frecuenca de un salto de este tpo S analzaos la dstrbucón de los saltos condconales observaos (fgura sguente) que ás de un 70% son saltos sobre gual o dferente, y un gran núero son coparacones con cero Esto justfca que algunos procesadores ncorporen un regstro cuyo contendo es sepre gual a cero LT/GE GT/LE EQ/NE 0% % 3% 0% 25% 25% 72% 75% 89% TeX Spce gcc 0% 20% 40% 60% 80% 00% Frecuenca de tpos de coparacones en saltos PC: La gráfca sguente uestra la dstrbucón del desplazaento (núero de bts) relatva al punto flotante enteros bts del desplazaento

30 Conclusones Instruccones que ntegren el test sobre la condcón y el correspondente salto Regstro cuyo contendo es nalterable gual a cero Desplazaento de 8 bts 39 Llaadas a procedentos (subrutnas) Aunque las nstruccones de llaada a procedentos no son tan frecuentes coo las de bfurcacón condconal, su consuo de tepo en los LAN es elevado debdo a la gestón de los regstros de actvacón (RA) que deben de realzar Resulta, pues, convenente optzar la ejecucón de estas nstruccones Del análss de los datos se deducen los sguentes hechos: Más del 98% de las llaadas utlzan enos de 6 paráetros Más del 92% de las llaadas utlzan enos de 6 varables locales La varacón del nvel de andaento en la que se ueve un prograa se antene relatvaente pequeña a lo largo de una secuenca de llaadas/retorno, coo se uestra en la sguente fgura: tepo en undades de llaada/retorno retorno t 33 llaada w 5 profunddad de andaento Puede observarse que la varacón del nvel de andaento se ha antendo dentro de un valor w 5 durante una secuenca de t 33 llaadas/retornos de procedentos Conclusones Este coportaento de los prograas en lo relatvo a las llaadas a procedentos se ha explotado en algunos procesadores (por ejeplo, SPARC) utlzando una ventana de regstros para soportar los entornos, arcos o regstros de actvacón (RA) Este ecanso lo analzaos en el punto sguente 30 Regstros de propósto general: ventanas para soportar llaadas a procedentos El procesador dspone de n regstros físcos r0, r, rn de los que en cada oento sólo son vsbles para el prograador (ventana) de ellos: R0, R,, R ( < n) Cuando todavía no se ha realzado nngún salto a subrutna, los regstros vsbles concden con los preros regstros físcos Cuando se ejecuta una nstruccón de salto, los regstros vsbles se desplazan sobre los físcos de tal anera que se da un solapaento entre los últos antes del salto y los preros después del salto Es en los regstros de solapaento donde se realza el paso de paráetros a la rutna y la devolucón de resultados 30

31 r0 r regstros físcos de la áquna r rn Ventana de regstros vsbles R0 R R paráetros R var locales R teporales salto R0 R paráetros R var locales R teporales R ventana de solapaento salto 2 R0 R R paráetros R var locales R teporales ventana de solapaento 2 El conjunto de regstros tene una estructura de buffer crcular, de tal anera que cuando se agota su capacdad se lleva a eora el conjunto de regstros del entorno (regstro de actvacón) que prero se ntrodujo (prera llaada) El taaño del buffer se elge de anera tal que perta soportar un nvel de andaento actvo (en regstros) de acuerdo a los datos epírcos que uestran los prograas En nuestro caso vos que una varacón de nvel gual a 5 se antenía durante 33 llaadas/retorno, lo que sgnfca que durante esas 33 llaadas todos los regstros de actvacón se hubesen soportado en un sstea con 5 ventanas ventana salvada Aloc Bn Aout Bloc Cn Bout ventana actual An restauracón salvaguarda 3 Ejeplo 32 En la sguente fgura se presenta el dseño de un sstea de regstros con ventana de solapaento que dspone de 32 regstros físcos, r0, r, r3, y una ventana de 8 regstros: R0, R,, R7 El solapaento es de 2 regstros 3

32 JSR + - RTS r0 r r2 r3 r4 r5 R0 R R2 R3 R4 R5 r6 R6 R Lógca cobnaconal dreccón del regstro vsble Suador r7 r8 r9 r0 r R7 R R2 R3 R4 R5 r2 R6 r3 R7 r3 4 Influenca de los copladores de lenguajes de alto nvel Las prestacones de los actuales coputadores al ejecutar un prograa dependen sgnfcatvaente del coplador que se utlce Cuando se dseña el repertoro de nstruccones se tene en ente en todo oento la tecnología de dseño de copladores Las decsones arqutectóncas afectan drectaente a la coplejdad de dseño de un buen coplador Un coplador consta de una sere de etapas, las cuales transforan representacones abstractas de alto nvel, en representacones de ás bajo nvel, hasta llegar al repertoro de nstruccones Un coplador busca en prer lugar la exacttud de la traduccón (antenento de la seántca del prograa en la transforacón), en segundo lugar la velocdad del códgo generado, en tercer lugar el taaño del códgo, en cuarto lugar la velocdad del coplador, y en qunto lugar el soporte a la depuracón Desde el punto de vsta del rendento que ahora nos ocupa, la velocdad del códgo generado es el factor a optzar Las optzacones realzadas por los copladores odernos podeos resurlas en las sguentes: Optzacón de alto nvel: realzadas en el códgo fuente Integracón de procedentos: susttuye la llaada a un procedento por el cuerpo de éste (expansón de acros) Optzacones locales: afectan a fragentos de códgo lneal (sn bfurcacones) Elnacón de subexpresones counes Propagacón de constantes 32

33 Reduccón del taaño de la pla en la evaluacón de expresones reorganzando su estructura Optzacones globales: afectan al prograa copleto, son ás coplejas de pleentar Optzacón de bucles Elnacón de subexpresones counes de alcance global (ncluyendo saltos) Propagacón de copas: susttuye todas las nstancas de una varable asgnada Optzacón del uso de regstros: es una de las que reporta ayor ncreento de rendento La estudareos con ás detalle a contnuacón Optzacones dependentes de la áquna: Aprovechan el conocento de las arqutecturas específcas Multplcacón por una constante y susttucón por suas y desplazaentos Eleccón del desplazaento ás corto en los saltos Por últo convene destacar que las dos ayudas ás portantes que la arqutectura de un procesador puede prestar al dseño del coplador son: Regulardad del repertoro, es decr, ortogonaldad de sus eleentos para splfcar la generacón de códgo Proporconar funcones prtvas, no solucones codfcadas en las nstruccones, pues estas resultan dfícl de utlzar cuando el caso se aparta lgeraente del que orgnó su dseño 4 Optzacón de regstros El uso optzado de los regstros de una áquna es responsabldad del coplador cuya són es antener en regstros ( y no en eora) los operandos necesaros para el ayor núero posble de cálculos, nzando las operacones de carga/alacenaento de regstros que requeren el acceso a eora El proceso de asgnacón ópta de regstros se realza en dos fase: ) Dseño del grafo de nterferencas entre las varables del prograa: nodos: las varables arcos: entre varables que están actvas sultáneaente en el prograa 2) Coloreado del grafo Se ntenta colorear el grafo con n colores, sendo n el nº de regstros dsponbles en la áquna A los nodos no coloreados se le asgnan poscones de eora y se utlzan nstruccones de carga/alacenaento Coo se sabe este es un problea NP-duro que requere el uso de heurístcas uy elaboradas para acortar el tepo de proceso Ejeplo Asgnacón de las 6 varables (V,V6) que aparecen en el segento de prograa de la sguente fgura, en la que se ndca de fora gráfca sus nterferencas Se dsponen de 3 regstros en la áquna: R, R2 y R3 ) Se construye el grafo de nterferencas tal coo se uestra en la sguente fgura 2) Se colorea el grafo asgnando a los nodos los tres regstros de anera que no se asgne el so regstro a dos nodos conectados por un arco en el grafo 3) Los nodos que no pueden ser asgnados a regstros se asgnan a eora (V7) 33