NY Paris Velocidad Througput Avión Pasajeros horas mph p/mph

Transcripción

1 Universidad Autónoma de San Luis Potosí Facultad de Ciencias Departamento de Electrónica Unidad Unidad El papel del Dra. Ruth M. Aguilar Ponce Primavera 0 Midiendo el Métricas Relacionadas Escogiendo los programas para evaluar el desempeño Comparando el desempeño Tiempo de Respuesta Es el tiempo entre el inicio de la tarea y su termino También referido como el Througput La cantidad de trabajo realizado en un tiempo determinado Tareas reallizadas por dia, por hora o por segundo Avión NY Paris horas Velocidad mph Pasajeros Througput p/mph Boeing ,700 Concorde ,00 Tiempo del Concorde vs. Boeing 747? Concorde es 350 mph / 60 mph =. veces mas rápido (6.5 horas / 3 horas) Throughput del Concorde vs. Boeing 747? Concorde es 78,00 pmph / 86,700 pmph = 0.6 veces mas rápido Boeing es 86,700 pmph / 78,00 pmph =.6 veces mas rápido Boeing es.6 veces ( 60% ) mas rápido en términos de throughput Concord es. veces ( 0% ) mas rápido en términos del tiempo de vuelo Nuestro enfoque es primordialmente en el tiempo de ejecución de un solo trabajo. 3 4 Ejercicio Los siguientes cambios, pueden aumentar el througput o disminuyen el tiempo de ejecución. Reemplazar el procesador del sistema de computo por una versión mas rápida. Adicionar procesadores extra a un sistema de múltiples procesadores para tareas separadas, por ejemplo: el manejo de un sistema de reservación de boletos en una aerolínea. Definición de las métricas El enfoque en la primera parte del curso es en disminuir el tiempo de respuesta Maximizar el desempeño entonces significara minimizar el tiempo de respuesta o ejecución Medimos el desempeño con relación al tiempo de ejecución de una computadora como: 5 6

2 Comparación de Relativo La maquina tiene un mejor desempeño que Y si Y Lo cual indica que es mas rápida que Y Y Para saber que tan rápida una es con respecto de la otra, entonces Y Y 7 : Si una maquina A corre un programa en 0 seg y la maquina B corre el mismo programa en 5 seg. Cual es mas rápida? A es n veces mas rápido que: A B A es.5 veces mas rápida que B B A Métricas del en el CPU Applicación Lenguaje de Programación Respuesta por mes Operaciones utiles por segundo CPU (Central Processor Unit) Unidad de Procesamiento Central o Procesador. Compilador ISA Datapath Control Unidades Funcionales Transistores Conexiones Pines (milliones) de Instructiones por segundo MIPS (milliones) de (F.P.) operaciones por segundo MFLOP/s Megabytes por segundo Ciclos por segundo (velocidad del reloj) Cada métrica tiene un lugar y propósito y cada una puede ser mal usada 9 El tiempo de Ejecución en el CPU o también llamado. Es el tiempo que el CPU usa para ejecutar una tarea sin tomar en cuento el tiempo de espera por operaciones de entrada y salida o corriendo otros programas. 0 El tiempo de CPU se divide en: del usuario Es el tiempo usado en la ejecución del programa del sistema Es el tiempo usado en ejecución de tareas relacionadas al sistema operativo que dan soporte a la ejecución del programa Realizar la diferencia entre ambos tiempos es difícil debido a la dificultad de distinguir entre tiempo del sistema operativo dedicado a un programa particular : En Unix, el comando time regresa la siguiente información: 90.7u.9s :39 65% Esto indica que el tiempo de usario es 90.7 seg, mientras que el tiempo del sistema es.9 seg, el tiempo transcurrido es min 39 seg = 59 seg El porcentaje de tiempo de CPU es 65% El 35% del tiempo es usado esperando operaciones de E/S o ejecución de otros programas

3 Ciclos de Reloj Debido a lo inexacto del tiempo de CPU del sistema, no será tomado en cuenta para obtener el desempeño del sistema. El desempeño basado en el tiempo de CPU del sistema es conocido como del Sistema. El desempeño basado en el tiempo de CPU del usuario es conocido como del CPU y será en el que nos enfocaremos. 3 Todas las computadoras son construidas usando un reloj que corre en una razón constante y determina cuando un evento toma lugar en el hardware Este tiempo discreto es conocido como ciclo de reloj. Se toma el ciclo de reloj como el tiempo que tarda en completar un ciclo o la frecuencia del reloj. frecuencia Tiempo 4 Relación de las Métricas El tiempo de CPU puede ser definido en términos del ciclo de reloj del sistema para un programa Ciclos de Reloj del CPU para un programa También, puede ser definido en términos de la frecuencia del reloj para un programa = = Ciclo de Reloj Ciclos de Reloj del CPU para un programa Frecuencia de Reloj : Un programa se ejecuta en 0 seg en la computadora A que trabaja a GHz. Se quiere construir una computadora B que corra el programa en 6 seg. El diseñador considera que la frecuencia de reloj puede ser aumentada, sin embargo el aumento de la frecuencia causa diversos cambios resultando en que la maquina B toma. veces mas ciclos de reloj que la maquina A. 5 6 : Cual será la frecuencia de reloj apropiada para que la máquina B ejecute el programa en 6 seg? Ciclos de Reloj de CPU El número de instrucciones de un programa puede ser incorporado en la medidas de desempeño Ciclos de Reloj de CPU = Instrucciones por programa Ciclos de Reloj Promedio por Instrucción Donde el promedio de ciclos de reloj por instrucción es comúnmente referido como Ciclos de Reloj por Instrucción () 7 8 3

4 : Ciclos de CPU No.de Instrucciones Suponga que tenemos dos implementaciones del mismo conjunto de instrucciones. Ambas maquinas ejecutan el mismo programa Cual maquina es mas rápida para este programa y por cuanto? Maquina Ciclo de Reloj A.0 50 ps B. 500 ps El tiempo de CPU puede ser calculado en base al número de instrucciones de un programa de la siguiente manera: Tiempo de CPU Número de Instrucciones O equivalentemente Tiempo de CPU = = Número de Instrucciones Frecuencia de Reloj Ciclo de Reloj 9 0 Componentes del Componentes del para un programa Numero de Instrucciones Ciclos de Reloj por Instrucción () Ciclo de Reloj Ciclos de Reloj de CPU Unidad de Medida Segundos para el programa Instrucciones ejecutadas por el programa Promedio de ciclos de reloj por instrucción Segundos por ciclo de Reloj n i C i i Un diseñador de compiladores esta tratando de decidir entre dos secuencia para una maquina particular. La maquina tiene las siguientes características Clases de Instrucción por Clase A B C 3 Para una instrucción en alto nivel, el diseñador de compiladores esta considerando dos secuencias de código que requieren las siguientes instrucciones: Código Numero de instrucciones por clase A B C 4 Cual secuencia de código ejecuta mas instrucciones? Cual será mas rápida? Cual es el para cada secuencia? Solución Cual secuencia de código ejecuta mas instrucciones? Cual será mas rápida? Cual es el para cada secuencia? Clases de Instrucción por Clase A B C 3 Código Numero de instrucciones por clase A B C

5 Aspectos del tiempo de Ejecución Mejorar el = Numero de Instrucciones x x Ciclo de Reloj Depende de: Programa Compilador ISA Organización del CPU Numero de Instrucciones Depende de: Programa Compilador ISA Ciclo de Reloj Depende de: Organización del CPU Tecnología Dada una arquitectura del conjunto de instrucciones, los incrementos en desempeño de CPU pueden venir de tres fuentes: Incrementar la frecuencia del reloj Mejorar la organización del procesador para obtener un mas bajo Mejorar el compilador para bajar el numero de instrucciones o generar instrucciones con un mas bajo (i. e. usar instrucciones mas simples) 5 6 Tendencia en Potencia En tecnología IC CMOS Potencia Cargacapacitiva Voltaje Frecuencia 30 5V V 000 Reduciendo la potencia Suponga que un nuevo CPU tiene 85% de la capacitancia de carga del viejo CPU Reducción del 5% en voltaje y 5% en frecuencia Pnew C 0.85(V 0.85) F P C V F Muro de la potencia No podemos reducir mas el voltaje de alimentación De que otra forma podemos aumentar el desempeño? del Uniprocesador Multiprocesadores Restringido por potencia, paralelismo a nivel de instrucción y latencia de memoria Multicore microprocesadores Mas de un procesador por chip Requiere programación paralela explicita Comparado con paralelismo a nivel de instrucción Hardware ejecuta múltiples instrucciones al mismo tiempo Oculto al programador Difícil de hacer Programar para lograr un mayor desempeño Balancear la carga Optimizar comunicación y sincronización 5

6 Comparando El primer paso para comparar el desempeño de dos o mas computadoras es la selección del programa o grupo de programas. El grupo de programas que es seleccionado específicamente para medir el desempeño son llamados benchmark o banco de pruebas El siguiente paso es acordar cual será la medida de desempeño: tiempo o througput 3 Escogiendo Programas para Evaluar el Carga de Trabajo Real de la maquina bajo estudio: Aplicaciones que corren sobre la maquina que se esta estudiando Benchmark de Programas Completos: Selecciona una mezcla o suite de programas que son típicamente usados en la maquina bajo estudio (ejemplo: SPEC95, SPEC CPU000). Benchmark de Pequeños Núcleos : Piezas claves computacionalmente intensas extraídas de programas reales. : Factorización matricial, FFT, búsqueda de árbol, etc. Son mejores para probar aspectos específicos de una maquina. Microbenchmarks: Programas pequeños, especialmente escritos para aislar un aspecto especifico del desempeño tal como: procesamiento de enteros, operaciones de punto flotante, memoria local, entrada/salida, etc. 3 Tipos de benchmarks Pros Representativo Portable. Ampliamente usado Medidas usadas en la realidad. Fácil ejecución Temprano en el ciclo de diseño Identifica el desempeño mas alto y los posibles cuellos de botella. Carga de Trabajo Real Benchmark de Programas Completos Benchmark de Pequeños Núcleos Microbenchmarks Cons Muy especifico No-portable. Complejo: Difícil de ejecutar o medir Menos representativas que la carga de trabajo real. Fácil de engañar diseñando hardware para correrlo eficientemente. s altos puede ser muy distintos del desempeño en aplicaciones reales 33 SPEC (System Performance Evaluation Cooperative) El mas popular conjunto de benchmarks estándar para la industria SPECmarks, 989: 0 programas. SPEC9, 99: SPECInt9 (6 programas enteros) and SPECfp9 (4 programas en punto flotante). SPEC95, 995: SPECint95 (8 programas enteros): go, m88ksim, gcc, compress, li, ijpeg, perl, vortex SPECfp95 (0 programas intensivos de punto flotante): tomcatv, swim, sucor, hydrod, mgrid, applu, turb3d, apsi, fppp, wave5 SPEC CPU000, 999: CINT000 ( programas enteros). CFP000 (4 programas intensivos de punto flotante) 34 Resultados del SPECint95 Computadora A Computadora B Programa (seg) 0 Programa (seg) Tiempo total 00 0 Las siguientes enunciados son correctos, pero no nos dan una comparación absoluta A es 0 veces mas rápida que B para el programa B es 0 veces mas rápida que A para el programa Para obtener una comparación absoluta tomamos la media aritmética 35 Source URL:

7 MIPS (Millions Instrucción Per Second) Para un programa especifico corriendo sobre una computadora especifica, MIPS es una medida de cuantos millones de instrucciones son ejecutadas por segundo: MIPS = Numero de Instrucciones / ( x 0 6 ) = Numero de Instrucciones / (CPU clocks x Cycle time x 0 6 ) = (Numero de Instrucciones x Clock rate)/(numero de Instrucciones x x 0 6 ) = Clock rate / ( x 0 6 ) rápido usualmente implica una clasificación de MIPS rápida MIPS (Millions Instrucción Per Second) Problemas con la clasificación MIPS: No toma en cuenta el conjunto de instrucciones usado. Es dependiente del programa: Una maquina no tiene una sola clasificación MIPS debido a que esta clasificación depende del programa usado para su elaboración. Es fácil abusar de esta medida: generalmente el programa usado para obtener la clasificación es a menudo omitido. No puede ser usado para comparar computadoras con diferente conjunto de instrucciones. Una clasificación MIPS alta en algunos casos puede no significar un alto desempeño o mejor tiempo de ejecución. i. e. debido a las variaciones del compilador MFLOPS (Millions FLOating point operations Per Second) Una operación de punto-flotante es una suma, resta, multiplicación o división realizado sobre números representados en simple o doble precisión de punto flotante. MFLOPS, es medida para un programa especifico corriendo sobre una computadora MFLOPS = Number of floating-point operations (Execution time x 0 6 ) MFLOPS (Millions FLOating point operations Per Second) MFLOPS es una mejor medida de comparación entre diferentes maquinas que. Dependiente del Programa: Diferentes programas tiene diferentes porcentajes de operaciones de punto flotante presente. i.e. los compiladores no tiene operaciones de punto flotante y nos da MFLOPS de cero. Depende del tipo de operaciones de puntos flotantes presente en el programa Ley de Amdahl La mejora del desempeño debida a la mejora del diseño esta limitada a la frecuencia de uso de la característica mejorada Before: Execution Time without enhancement E: Unaffected, fraction: (- F) Affected fraction: F Unchanged Unaffected, fraction: (- F) After: Execution Time with enhancement E: Execution Time without enhancement E Speedup(E) = = Execution Time with enhancement E ( - F) + F/S F/S 4 7