Bài giảng môn Kiến trúc máy tính - Chương 2: Vai trò của hiệu suất

Nội dung text: Bài giảng môn Kiến trúc máy tính - Chương 2: Vai trò của hiệu suất

1. KhoaKhoa KHKH && KTKT MMááyy ttíínhnh BoBoää moânmoân KyõKyõ thuathuaätät MaMaùyùy ttíínhnh PhaPhaïmïm TTööôôøngøng HaHaûiûi NguyeãnNguyeãn QuoQuoácác TuaTuaánán
2. Tài liệuthamkhảo “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 1998 “Computer Architecture: a quantitative approach”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Third Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 2002 Kiến trúc Máy tính - Chap 02 2
3. Chương 2. Kiến trúc Máy tính - Chap 02 3
4. 2.1 Dẫnnhập Làm sao để có thểđo đạc, đánh giá hiệusuất (performance) và định ra đượcnhững yếutố quyết định đếnhiệusuấtcủa 1 máy tính ? Lý do chính để khảosátvề hiệusuấtlàvìhiệusuấtcủa phầncứng máy tính thường là yếutố mấuchốt quyết định đếntínhhiệuquả trong hoạt động của1 mộthệ thống bao gồmcả phầncứng lẫnphầnmềm Hiệusuất luôn là mộtthuộc tính quan trọng trong việc lựachọn, mua bán các máy tính đượccả người bán lẫnngười mua quan tâm ! Hiệusuất càng được các nhà thiếtkế máy tính (trong đó có chúng ta ☺ !) quan tâm Kiến trúc Máy tính - Chap 02 4
5. Việc đánh giá hiệusuất máy tính không hềđơngiản •Hiệusuất không chỉ có được do các cảitiếnphầncứng mà cũng có thể nhờ vào các phầnmềm thông minh hay cả hai • Tùy góc độ ứng dụng khác nhau, hiệusuất hoàn toàn có thể được đánh giá theo những phương cách, những chỉ số khác nhau Ở góc độ nhà thiếtkế máy tính (phầncứng/phầnmềm), chúng ta cầnnắmrõ •Cácvấn đề liên quan đếnviệc đánh giá hiệusuấtmáytính •Hoạt động củacácthànhphần khác nhau (phầncứng/phần mềm) và ảnh hưởng của chúng đếnhiệusuất • Trong mỗi ứng dụng cụ thể, xác định phương pháp đánh giá hiệu suấtphùhợp Kiến trúc Máy tính - Chap 02 5
6. Định nghĩavề hiệusuất • Khi ta nói “máy tính này có hiệusuấtcaohơn máy tính kia”, điều đómangý nghĩagi? • Chúng ta xem xét thí dụ sau đây Airplane Passenger capacity Cruising range (mile) Cruising speed (m.p.h) Boeing 777 375 4630 610 Boeing 747 470 4150 610 BAC/Sud Concorde 132 4000 1350 Douglas DC-8-50 146 8720 644 thử xác định máy bay có hiệusuấtcaonhất trong trường hợp: Máy bay có tốc độ cao nhất? Máy bay có dung lượng lớnnhất? Máy bay chuyên chở nhanh nhất? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 6
7. • Khi chúng ta chạy cùng 1 chương trình trên 2 máy trạm (workstation) khác nhau, ta kếtluận máy nhanh hơnlàmáycó thể kết thúc thựcthichương trình sớmhơn thờigianđáp ứng (response time) hay thờigianthựcthi (execution time), là thờigiantừ khi bắt đầu đếnkhikết thúc chương trình • Khi so sánh 2 hệ thống máy tính với nhau, ta kếtluậnhệ thống nhanh hơnlàhệ thống hoàn tấtthực thi nhiềuchương trình hơn trong cùng một ngày throughput , là tổng số các chương trình thực thi xong trong một đơnvị thờigian • Thay đổinàosauđây ảnh hưởng đếnthờigianthựcthi, throughput hoặccả hai ? Thay CPU hiệnhànhbằng 1 CPU nhanh hơn Tăng số lượng CPU trong 1 máy chủ (server) có nhiềuCPU (giả sử mỗichương trình đượcthực thi trên 1 CPU) Kiến trúc Máy tính - Chap 02 7
8. •Trước tiên chúng ta đánh giá hiệusuất thông qua thờigianthực thi Cực đại hóa hiệusuất đồng nghĩavớitốithiểuhóathờigianthựcthi Quan hệ giữahiệusuấtvàthờigianthựcthiở máy tính X sẽ là 1 Performance = X Execution time X • Ta nói máy tính X có hiệusuấtcaohơnmáytínhY n lần đồng nghĩavớimáytínhX nhanh hơn máy tính Y n lần Performance X = n Performance Y •Thídụ: nếumáytínhA thựcthichương trình mất 10s và máy tính B thực thi cùng chương trình mất15s, A nhanh hơn B bao nhiêu lần? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 8
9. 2.2 Đo đạchiệusuất Thời gian được sử dụng làm thước đo cho hiệu suất máy tính Tuy nhiên thời gian ở đây được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau, tùy theo mục đích đo đạc •Thời gian theo đồng hồ •Thời gian đáp ứng (response time) •Thời gian trôi qua (elapsed time) Các máy tính hoạt động theo nguyên lý chia thời gian (timesharing), bộ xử lý làm việc đồng thời cho nhiều chương trình Thời gian thực thi chương trình bao gồm thời gian thực thi bởi CPU lẫn các thiết bị khác (bộ nhớ, đĩa cứng, v.v ) Có thể chỉ giới hạn xem xét đối với CPU mà thôi Kiến trúc Máy tính - Chap 02 9
10. Có thể đo đạc hiệu suất qua thời gian thực thi của CPU (CPU execution time) hay còn gọi là thời gian CPU (CPU time) •User CPU time • System CPU time Thí dụ đo đạc thời gian khi thực thi lệnh time trên hệ điều hành Unix 90.7u 12.9s 2 : 39 65% user CPU time phần trăm thời gian có ích system CPU time elapsed time Hiệu suất hệ thống thời gian trôi qua Hiệu suất CPU thời gian CPU Thời gian còn có thể đo thông qua xung đồng hồ (clock) Kiến trúc Máy tính - Chap 02 10
11. 2.3 Liên quan đến các hệ đo Tính CPU time theo xung đồng hồ CPU execution time CPU clock cycles = × Clock cycle time for a program for program hay CPU execution time CPU clock cycles for a program = for a program Clock rate Thí dụ: Thời gian thực thi chương trình trên máy tính A, tần số 400MHz, là 10s. Chúng ta muốn thiết kế máy tính B có thể thực thi chương trình trên trong 6s. Để đạt được điều này, cần phải tăng tần số clock của máy B và vì vậy số chu kỳ clock thực thi chương trinh bị tăng lên 1,2 lần. Hãy xác định tần số clock của máy B ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 11
12. CPI (clock cycle per instruction) số chu kỳ clock trung bình cần thiết để thực thi 1 câu lệnh Instructions for a CPU clock cycles = × CPI program Thí dụ: Xét 2 máy tính A và B có cùng kiến trúc tập lệnh. Máy A có chu kỳ clock là 1ns và đạt được CPI là 2,0 khi chạy chương trình P. Máy B có chu kỳ clock là 2ns và đạt được CPI bằng 1,2 khi chạy chương trình P. Máy nào thực thi chương trình P nhanh hơn và nhanh hơn bao nhiêu lần ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 12
13. Tính CPU time theo CPI CPU time =Instruction count × CPI × Clock cycle time Instruction count × CPI CPU time = Clock rate Đơn vị đo Tham số Đơn vị đo Cách đo Thời gian CPU thực thi chương trình giây ? Số câu lệnh số nguyên ? CPI số nguyên ? Chu kỳ clock giây ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 13
14. Tập lệnh có thể được phân chia thành các nhóm lệnh Có thể tính toán hiệu suất n CPU clock cycle = ∑()CPIi ×Ci theo các nhóm lệnh i =1 Nhóm lệnh CPI A 1 Thí dụ: B 2 Xét 1 máy tính có đặc điểm tập lệnh như sau: C 3 Khi biên dịch cùng 1 chương trình nguồn bằng 2 compiler khác nhau, ta được 2 đoạn mã lệnh như sau Mã lệnh Số câu lệnh theo nhóm lệnh A B C Compiler 1 2 1 2 Compiler 2 4 1 1 Đoạn mã nào thực hiện nhiều câu lệnh hơn ? chạy nhanh hơn ? Tính CPI cho từng đoạn mã lệnh ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 14
15. Một chỉ số hiệu suất khác là MIPS (million instructions per second) Instruction count MIPS = Execution time × 106 Thí dụ: Cũng với thí dụ vừa rồi, xét bảng số liệu sau Mã lệnh Số câu lệnh (109) theo nhóm lệnh A B C Compiler 1 5 1 2 Compiler 2 10 1 1 giả sử máy trên có tần số clock là 500MHz. Cho biết đoạn mã nào thực thi nhanh hơn nếu tính theo thời gian thực thi ? nếu tính theo MIPS ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 15
16. 2.4 Chọn chương trình để đo Tập hợp các chương trình tiêu biểu mà người sử dụng phải thực thi hàng ngày được gọi là workload Có thể đánh giá hiệu suất của 2 máy tính bằng cách đo thời gian thực thi cùng 1 workload của 2 máy tính này Trong thực tế, không phải người sử dụng máy tính nào cũng có thể xác định được workload để đánh giá hiệu suất máy tính của mình dựa vào các chương trình mà người ta hy vọng có thể làm workload trong một số trường hợp, các benchmark Các thể loại benchmark •Các chương trình ngắn: érastosthène, puzzle, sort, • Các nhân chương trình: Livermore, Linpack, •Các ứng dụng thực tế: Spec, Splash, •Các chương trình tổng hợp: Whetstone, Dhrystone, Kiến trúc Máy tính - Chap 02 16
17. 2.5 So sánh và tổng hợp hiệu suất Việc đo đạt hiệu suất được thực hiện trên một tập hợp nhiều chương trình cần phải tổng hợp kết quả Kết quả tổng hợp phải có thể được sử dụng để so sánh hiệu suất giữa nhiều máy tính với nhau Sử dụng giá trị trung bình (mean) để tổng hợp và so sánh hiệu suất 1 n Trung bình số học (arithmetic mean) R = ∑Ri n i =1 m R = Trung bình hài n ⎛ 1 ⎞ (harmonic mean) ∑⎜ R ⎟ 1 ⎝ i ⎠ Trung bình hình học n 1 R = ∏R n (geometric mean) 1 Kiến trúc Máy tính - Chap 02 17
18. Sử dụng giá trị trung bình nào cho thích hợp ? Thí dụ: Cho cả 3 máy tính A, B và C thực thi lần lượt các chương trình P1 , P2 người ta đo được các CPI theo bảng sau Máy A Máy B Máy C C. trình P1 2 1 4 C. trình P2 3 5 2 So sánh hiệu suất các máy trên và cho biết chúng hơn kém nhau bao nhiêu lần ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 18
19. Bài tập “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 1998 2.1 , 2.2 , 2.3 , 2.4 2.10 , 2.13 2.15 , 2.18 2.26 Kiến trúc Máy tính - Chap 02 19