Aspectos gerais de arquitecturas de computadores

(1)

Tópicos Contexto geral Desempenho Arquitectura do conjunto de instruções

Aspectos gerais de arquitecturas de computadores

João Canas Ferreira

Março de 2004

João Canas Ferreira Aspectos gerais de arquitecturas de computadores Tópicos

Contexto geral Desempenho Arquitectura do conjunto de instruções

Contexto geral

Áreas de aplicação Tecnologia

Desempenho

Medir e descrever o desempenho Benchmarks

Princípios básicos do projecto de computadores Aspectos quantitativos

Arquitectura do conjunto de instruções

Características dos conjuntos de instruções Modos de endereçamento

(2)

Tópicos

Contexto geral

Desempenho Arquitectura do conjunto de instruções

Áreas de aplicação

Tecnologia

Tendências de mercado

Desktop computing

_{Gama 1000–10000 Euros}

_{Optimizar a razão desempenho/custo}

Servidores

_{Substituem mainframes}

_{Atributos: disponibilidade, escalabilidade, débito}

Computadores embebidos

_{Incluídos em outros produtos: fornos micro-ondas, telemóveis,} etc.

_{Atributos: preço, execução em tempo-real, memória, potência} _{Grande gama de preços}

João Canas Ferreira Aspectos gerais de arquitecturas de computadores

Tópicos

Contexto geral

Tecnologia

Prejuízos por downtime

Perdas anuais (106 $) com downtime de

Aplicação Prejuízo por

hora (103 $) 1% 0.5% 0.1% Corretagem 6450 565 283 56.5 Autor. C. Cred. 2600 228 114 22.8 Envio encomendas 150 13 6.6 1.3 Home shopping 113 9.9 4.9 1.0 Vendas p/catálogo 90 7.9 3.9 0.8 Reservas de avião 89 7.9 3.9 0.8 [Valores de 2000]

(3)

Tópicos

Contexto geral

Tecnologia

Características das três áreas

Atributo Desktop Servidores Embutidos

Preço sistema ($) 103–104 104–107 10–105

Preço CPU ($) 100–1000 200–2000 0.20–200

CPUs /ano [2000] 15× 107 4× 106 3× 108 (*) Aspectos críticos

custo/de-sempenho, desempenho gráﬁco débito, dispo-nibilidade, es-calabilidade preço, consu-mo de potên-cia

(*) Apenas processadores de 16 e 32 bits.

Tópicos

Contexto geral

Tecnologia

Tendências tecnológicas

Circuitos integrados

_{densidade de transístores:} ↑ 35% ao ano (4× em 4 anos) _{dimensão da pastilha:} ↑ 10%-20% ao ano

_{resultado: n}o _{de transístores} ↑ 55% ao ano (2× em 18 meses)

Memória DRAM

_densidade ↑ 40%–60% ao ano (4× em 3–4 anos) _{tempo de leitura} ↓ 30% em 10 anos

_{largura de banda} ↑ 33% em 5 anos

Discos magnéticos

_densidade ↑ 100% ao ano (4× em 2 anos) _{tempo de acesso} ↓ 33% em 10 anos

Redes de comunicações

_{Ethernet: 10 Mb} → 100 Mb em 10 anos; 100 Mb → 1 Gb em 5 anos

(4)

Tópicos Contexto geral

Desempenho

Arquitectura do conjunto de instruções

Medir e descrever o desempenho

Benchmarks

Princípios básicos do projecto de computadores Aspectos quantitativos

O que se deve medir?

➥ O que signiﬁca “é mais rápido que. . . ” ?

O que se pretende medir? Tempo de resposta, débito ? Deﬁnição:

n = tempo_execuçãoy tempo_execução_x

➥ A máquina X é n vezes mais rápida que a máquina Y.

desempenho = 1

tempo_execução n =

desempenho_x desempenho_y

➥ O computador mais rápido é aquele que executa a mesma quantidade de trabalho num intervalo mais curto.

Desempenho

Benchmarks

Tempo de resposta ou tempo transcorrido

tempo de resposta ou tempo transcorrido

Tempo total entre início e ﬁm da tarefa incluindo todos os factores (sistema operativo, etc.)

tempo de CPU

Não inclui tempo gasto com outros processos ou à espera de dados.

Nota: As medidas não são sempre ﬁáveis ou exactas. _{tempo de utilizador}

_{tempo de sistema} > time prog arg1 arg2 90.7u 12.9s 2:39 65% 65% = (90.7+12.9)/159

➥ Usar tempo de utilizador ou tempo de CPU? Existem bons argumentos para ambos. . .

(5)

Desempenho

Benchmarks

Benchmarks

Benchmark = indicação de altitude, cota de nível [Dic. PE] Tendência actual: usar um conjunto padronizado de programas para avaliar o desempenho.

Que programas?

_{sintéticos / núcleos de programas / programas completos}

Qual o peso de cada programa?

Condições de execução?

SPEC: Standard Performance Evaluation Corporation http://www.spec.org

PC benchmarks: Ziﬀ Davies, www.etestinglabs.com/benchmarks http://directory.google.com/Top/Computers/Performance_and_ Capacity/Benchmarking/

Desempenho

Benchmarks

Comparar e sumariar o desempenho

Tempos (s) Pesos A B C P(1) P(2) P(3) Prog. 1 1.00 10.00 20.00 0.50 0.909 0.999 Prog. 2 1000.00 100.00 20.00 0.50 0.091 0.001 Méd. arit. p(1) 500.50 55.00 20.00 Méd. arit. p(2) 91.91 18.19 20.00 Méd. arit. p(3) 2.00 10.09 20.00 p_i = 1 tempo_i ×n_i=1 1 tempo_i Os conjuntos de pesos P(2) e P(3) são inversamente proporcionais ao tempo de execução (em A e B, res-pectivamente).

(6)

Desempenho

Medir e descrever o desempenho Benchmarks

Princípios básicos do projecto de computadores

Aspectos quantitativos

Cinco princípios básicos

1. Melhorar o caso mais frequente (simples)

Nota: o caso frequente é muitas vezes o mais simples.

2. Lei de Amdahl

O aumento de desempenho a ganhar de uma dada melhoria está limitado pela fração de tempo em que a melhoria pode ser efectivamente aplicada.

3. Equação de desempenho do CPU

T_exec = N_instr × t_ciclo × CPI

4. Princípio da localidade (proximidade)

90% do tempo em 10% do código (já foi 80%-20%)

localidade espacial e "localidade temporal"

5. Explorar o paralelismo

Desempenho

A lei de Amdahl

O aumento de desempenho a ganhar de uma dada melhoria está limitado pela fração de tempo em que a melhoria pode ser

efectivamente aplicada.

Speedup= Desempenho com melhoria Desempenho sem melhoria

Fracção do tempo original que beneﬁcia da melhoria: F_enh

Ganho proporcionado pela melhoria: S_enh = T_melhor/T_a Tempo de execução: T_novo = T_o × (1 − Fenh) + Fenh S_enh Speedup total: S_total = 1

(7)

Desempenho

Equação de desempenho do CPU

T_exec = no de ciclos do programa× T_ciclo

Ciclos por instrução CPI = no total de ciclos do programa_N

instr

T_exec = N_instr × t_ciclo × CPI

Os três parâmetros são interdependentes, porque tecnologias de base também o são.

Tempo de ciclo tecnologia de hardware e organização

CPI organização e ACI

No de instruções ACI e tecnologia de compilação

Tópicos Contexto geral Desempenho

Características dos conjuntos de instruções

Modos de endereçamento Valores imediatos

Arquitecturas de conjuntos de instruções

1. Arquitectura do conjunto de instruções: a parte de um computador que o programador/compilador “vê”.

2. Ordenamento conceptual (classiﬁcação).

3. Adaptação à área de utilização (DSP, multimédia: MMX, SSE, AltiVec. . . ).

4. Compatibilidade “binária”: benção ou desgraça?

5. Descendência histórica.

Blaauw, Gerrit A.; Brooks, Jr., Frederick P., "Computer Architecture: Concepts and Evolution", Addison-Wesley, 1997 (Cota: 004.2/BLAg/COM)

(8)

Classificação de conjuntos de instruções

A maneira de armazenar dados internos é o critério mais básico de diferenciação.

pilha (stack architecture)

acumulador (accumulator architecture)

conjunto de registos de uso genérico

Origem dos operandos

Mem. Max. ops. Arquitectura Exemplos

0 3 reg-reg Alpha, MIPS, SPARC

1 2 reg-mem IBM 360/370, Intel 80x86

2 2 mem-mem VAX

3 3 mem-mem VAX

Tipo Vantagens Desvantagens

reg-reg Codiﬁcação simples, compri-mento único. Geração de código simpliﬁcada. Duração similar.

Número de instruções superior. Programas maiores.

reg-mem Acesso a dados sem “load” em separado. Tendem a ter boa co-diﬁcação de formatos.

Operandos não são equivalentes. Duração varia com a localização dos operandos. Pode restringir o número de registos codiﬁcáveis. mem-mem Compacto. Não desperdiça

re-gistos com resultados temporá-rios.

Comprimento de instruções muito variável. Complexidade de instruções muito variável. Acesso a memória é crítico.

(9)

Modos de endereçamento

Valores imediatos

Modos de endereçamento

Modo Exemplo Signiﬁcado

registo _{add R4, R3} _{r[R4]:=r[R4]+r[R3]}

imediato _{add R4,#3} _r[R4]+3

deslocamento add R4,100(R1) r[R4]:=r[R4]+mem[100+r[R1]] registo indirecto add R4,(R1) r[R4]:=r[R4]+mem[r[R1]]

indexado add R3,(R1+R2) r[R3]:=r[R3]+mem[r[R1]+r[R2]] directo add R1,(1001) r[R1]:=r[R1]+mem[1001]

mem indirecto add R1,@(R3) r[r1]:=r[r1]+mem[mem[r[R3]]] auto-incremento add R1,(R2)+ r[R1]:=r[R1]+mem[r[R2]]

r[R2]:=r[R2]+d auto-decremento _{add R1,-(R2)} _{r[R2]:=r[R2]-d}

r[R1]:=r[R1]+mem[r[R2]]

escalado _{add R1,200(R2)[R3]} _{r[R1]:=r[R1]+mem[200+r[R2]+r[3]*d]}

Frequência de modos de endereçamento

(10)

Gama de deslocamentos

Processador Alpha: CINT2000 (inteiros) e CFP2000 (vírgula ﬂutuante) são subconjuntos de SPEC CPU2000.

Características dos conjuntos de instruções Modos de endereçamento

Utilização de operandos imediatos

(11)

Características dos conjuntos de instruções Modos de endereçamento

Distribuição de valores imediatos

Programas e processador são os mesmos da folha anterior. O processador Alpha só suporta valores imediatos até 16 bits.