(ACH2055) Arquitetura de Computadores - Aula 02

Arquitetura de Computadores
ACH2055
Aula 02 – Medindo Desempenho
Norton Trevisan Roman
(norton@usp.br)
30 de agosto de 2019
Norton Trevisan Roman (norton@usp.br) 30 de agosto de 2019 1 / 46

Máquina de Von Neumann
Componentes Clássicos
Entrada
Sa´ıda
Memória
Processador
Datapath e
controle

Deﬁnindo Desempenho
Depende muito de seu
uso

Depende muito de seu
uso
Centros de Dados:
Importa a vaz˜ao
(throughput)
A quantidade total de
trabalho feito em um dado
tempo
Desempenho = Vaz˜ao

Usuário individual:
Importa o tempo de
resposta (ou de execu¸cão)
O tempo entre o in´ıcio e
finaliza¸cão de uma tarefa
Desempenho =
1
Tempo de Execu¸cão

Desempenho – Medindo Tempo
Qual tempo medir?

Qual tempo medir?
Tempo de resposta (ou
tempo transcorrido)
Tempo total para
completar uma tarefa
Inclui acessos a disco,
mem´oria, E/S etc

Qual tempo medir?
Tempo de CPU
Tempo que a CPU gasta
trabalhando na tarefa

Qual tempo medir?
Tempo de CPU
Tempo que a CPU gasta
trabalhando na tarefa
Subdivide-se em:
Tempo de CPU do
usu´ario: tempo de CPU
gasto no programa

Qual tempo medir?
Subdivide-se em
(cont.):
Tempo de CPU do
sistema: tempo de CPU
gasto no SO executando
tarefas por conta do
programa

Qual tempo medir?
Aqui focaremos no
Tempo de CPU do
usu´ario
Sem levar em conta
acesso a disco etc
Essa ser´a nossa medida de
desempenho da CPU

Medindo Tempo
Comparando computadores
DesempenhoX
DesempenhoY
= r
“X ´e r vezes mais r´apido que Y ”

Medindo Tempo
Comparando computadores
DesempenhoX
DesempenhoY
= r
“X é r vezes mais rápido que Y ”
DesempenhoX
DesempenhoY
=
Tempo de Execu¸cãoY
Tempo de Execu¸cãoX
= r
“O tempo gasto em Y é r vezes maior que o gasto
em X”

Desempenho da CPU
Projeto e Desempenho
Como determinar os efeitos de uma mudan¸ca de
projeto no desempenho (da CPU) experimentado
pelo usu´ario?

Desempenho da CPU
Como determinar os efeitos de uma mudan¸ca de
projeto no desempenho (da CPU) experimentado
pelo usuário?
tP = CP × tc, onde
tP é o tempo de execu¸cão de um programa P na CPU
CP é o número de ciclos de clock gastos no programa P
tc é o tempo de um ciclo de clock (seu per´ıodo)

Desempenho da CPU
Lembre que a frequˆencia do clock fc ´e dada por
fc =
1
tc

Desempenho da CPU
fc =
1
tc
Podemos ent˜ao reescrever tP = CP × tc:
tP =
CP
fc

Desempenho da CPU
fc =
1
tc
Podemos então reescrever tP = CP × tc:
tP =
CP
fc
Melhoramos o desempenho reduzindo o número de ciclos de
clock necessários para o programa, ou aumentando a
frequência do clock

Desempenho da CPU
Tempo de Execu¸c˜ao do Programa
tP = CP × tc
Como podemos medir o total de ciclos CP?

Desempenho da CPU
tP = CP × tc
Dif´ıcil. Contudo, sabemos o n´umero de instru¸c˜oes do
programa

Desempenho da CPU
tP = CP × tc
programa
E sabemos quantos ciclos são necessários para cada
instru¸cão do circuito (a partir de seu projeto)

Desempenho da CPU
tP = CP × tc
programa
E sabemos quantos ciclos são necessários para cada
instru¸cão do circuito (a partir de seu projeto)
Logo, sabemos o número médio de ciclos por instru¸cão

Desempenho da CPU
Então CP = nP × CPIP, onde
CPIP é o número médio de ciclos de clock que cada
instru¸cão de P leva para executar
nP o número de instru¸cões do programa P

Desempenho da CPU
E tP = CP × tc
= nP × CPIP × tc

Desempenho da CPU
E tP = CP × tc
= nP × CPIP × tc
O tempo de execu¸c˜ao

Desempenho da CPU
E tP = CP × tc
= nP × CPIP × tc
O tempo de execu¸cão é o número de instru¸cões executadas

Desempenho da CPU
E tP = CP × tc
= nP × CPIP × tc
O tempo de execu¸cão é o número de instru¸cões executadas
multiplicado pelo tempo médio de cada instru¸cão

Desempenho da CPU
Equa¸c˜ao Cl´assica de Desempenho da CPU
tP = nP × CPIP × tc

Desempenho da CPU
Segundos
Programa
=
Instru¸c˜oes
Programa
×
Ciclos de clock
Instru¸c˜ao
×
Segundos
Ciclo de clock

Desempenho da CPU
Segundos
Programa
=
Instru¸c˜oes
Programa
×
Ciclos de clock
Instru¸c˜ao
×
Segundos
Ciclo de clock
Unimos, assim, os 3 fatores-chave que afetam o desempenho

Desempenho da CPU
Segundos
Programa
=
Instru¸c˜oes
Programa
×
Ciclos de clock
Instru¸c˜ao
×
Segundos
Ciclo de clock
Alternativamente
tP =
nP × CPIP
fc

Desempenho da CPU
Segundos
Programa
=
Instru¸cões
Programa
×
Ciclos de clock
Instru¸cão
×
Segundos
Ciclo de clock
Alternativamente
tP =
nP × CPIP
fc
Podemos então usar essas expressões para comparar
diferentes arquiteturas

Desempenho da CPU
É preciso ter em mente que a única medida
completa e confiável de desempenho é o tempo

Desempenho da CPU
Mudar o conjunto de instru¸cões (nP) para reduzir o número
de instru¸cões pode levar a uma organiza¸cão com um ciclo de
clock (tc) mais lento ou alto CPI, anulando assim a melhoria
na contagem de instru¸cões

Desempenho da CPU
Da mesma forma, uma vez que o CPI depende do tipo de
instru¸cão, um código que execute menos instru¸cões pode
não ser o mais rápido

Desempenho da CPU
Da mesma forma, uma vez que o CPI depende do tipo de
instru¸cão, um código que execute menos instru¸cões pode
não ser o mais rápido
Quando comparamos 2 computadores, devemos olhar os 3
componentes da equa¸cão em conjunto

Desempenho da CPU
E como medimos os termos da equa¸c˜ao?

Desempenho da CPU
E como medimos os termos da equa¸cão?
Podemos medir o tempo de execu¸cão diretamente,
rodando o programa
De fato, rodando múltiplas vezes e então tomando o tempo
médio

Desempenho da CPU
O per´ıodo do clock, por sua vez, ´e dado pelo
fabricante
Sua frequˆencia, na verdade

Desempenho da CPU
O per´ıodo do clock, por sua vez, é dado pelo
fabricante
Sua frequência, na verdade
O número de instru¸cões pode ser medido usando-se
ferramentas (profilers) que perfilam a execu¸cão
Que fazem a análise dinâmica do software

Desempenho da CPU
Dados tP, tc e nP, CPIP ´e obtido

Desempenho da CPU
Dados tP, tc e nP, CPIP é obtido
Outra alternativa é usar, quando dispon´ıveis no
processador, contadores dedicados a medir
estat´ısticas de execu¸cão
Número de instru¸cões executadas, CPI médio etc
Bastante úteis para alguns algoritmos do SO

Desempenho da CPU
E se n˜ao pudermos rodar o software para obter tP,
pelo hardware estar em projeto?
Nesse caso, os demais elementos precisam ser identiﬁcados

Desempenho da CPU
Mas, se j´a medimos tP, por que nos preocuparmos
com os demais componentes?

Desempenho da CPU
Mas, se já medimos tP, por que nos preocuparmos
com os demais componentes?
Considere o seguinte problema
Um determinado programa leva 15s para rodar em um
computador
Um novo compilador é lan¸cado, compilando esse programa
com 60% do número de instru¸cões de antes, porém
aumentando a CPI em 10%
Quanto tempo podemos esperar que essa nova versão do
programa rode no mesmo computador?

Desempenho da CPU
Temos ent˜ao que:
tP1 = 15
ninstr2 = 0, 6ninstr1
CPI2 = 1, 1CPI1

Desempenho da CPU
Temos ent˜ao que:
tP1 = 15
ninstr2 = 0, 6ninstr1
CPI2 = 1, 1CPI1
E
tP2 = ninstr2 × CPI2 × tc
= 0, 6ninstr1 × 1, 1CPI1 × tc
= 0, 6 × 1, 1 × ninstr1 × CPI1 × tc
= 0, 66 × tP1 = 9, 9s

Desempenho da CPU
Assim a equa¸cão se mostra útil também para
estimativa de mudan¸cas
Seja em hardware, seja em software, via recompila¸cão

Desempenho da CPU
Assim a equa¸cão se mostra útil também para
estimativa de mudan¸cas
Seja em hardware, seja em software, via recompila¸cão
Considere esse outro problema:
Um determinado processador possui o seguinte CPI para
cada classe de suas instru¸cões:
Fonte: [1]

Desempenho da CPU
Um projetista de compilador está tentando decidir qual
sequência de instru¸cões usar para representar um
determinado comando. Suas op¸cões são:
Fonte: [1]

Desempenho da CPU
Um projetista de compilador está tentando decidir qual
sequência de instru¸cões usar para representar um
determinado comando. Suas op¸cões são:
Fonte: [1]
Qual sequência executa o maior número de instru¸cões? Qual
será mais rápida? Qual o CPI de cada sequência?

Desempenho da CPU
Qual sequência executa o maior número de
instru¸cões?
Fonte: [1]

Desempenho da CPU
instru¸c˜oes?
Fonte: [1]
nS1 = 2 + 1 + 2 = 5

Desempenho da CPU
instru¸c˜oes?
Fonte: [1]
nS1 = 2 + 1 + 2 = 5 nS2 = 4 + 1 + 1 = 6

Desempenho da CPU
Qual ´e a mais r´apida?
Fonte: [1]

Desempenho da CPU
Fonte: [1]
N˜ao sabemos. Precisamos calcular quantos ciclos de clock
cada sequˆencia gasta (lembre que tP = CP × tc)

Desempenho da CPU
Para isso, usamos que CSj =
Ncl
i=1
(CPIi × ni ), onde
CSj é o número de ciclos de clock da sequência Sj
CPIi é o CPI da classe de instru¸cões i
ni é o número de instru¸cões da classe i nessa sequência
Ncl é o total de diferentes classes de instru¸cões

Desempenho da CPU
Ent˜ao...
Fonte: [1]
CS1 = 1 · 2 + 2 · 1 + 3 · 2
= 10

Desempenho da CPU
Ent˜ao...
Fonte: [1]
CS1 = 1 · 2 + 2 · 1 + 3 · 2
= 10
CS2 = 1 · 4 + 2 · 1 + 3 · 1
= 9

Desempenho da CPU
Fonte: [1]
Uma vez que tP = CP × tc, e tc é idêntico por estarem na
mesma máquina, S2 (com o menor CS ) é a mais rápida

Desempenho da CPU
Fonte: [1]
Note que, embora seja a mais rápida, S2 não é a menor
sequência, possuindo mais instru¸cões que S1

Desempenho da CPU
Qual o CPI de cada sequˆencia?
Fonte: [1]

Desempenho da CPU
Qual o CPI de cada sequˆencia?
Fonte: [1]
Uma vez que S2 usa menos ciclos de clock e executa 1
instru¸c˜ao a mais, seu CPI deve ser menor que o de S1

Desempenho da CPU
E como calculamos o CPI de cada sequˆencia?

Desempenho da CPU
De posse do total de ciclos CSj de uma sequência Sj, bem
como de seu número de instru¸cões nSj , seu CPI pode ser
calculado como CPISj =
CSj
nSj

Desempenho da CPU
CSj
nSj
E
CPIS1 =
10
5
= 2

Desempenho da CPU
CSj
nSj
E
CPIS1 =
10
5
= 2 CPIS2 =
9
6
= 1, 5

Desempenho da CPU
Comparando Arquiteturas
Vimos como comparar o desempenho de sequências
de código ou programas inteiros
Em diferentes máquinas (medindo seu tP)
Na mesma máquina (via varia¸cões no nP, CPIP ou tc)

Desempenho da CPU
Vimos como comparar o desempenho de sequências
de código ou programas inteiros
Em diferentes máquinas (medindo seu tP)
Na mesma máquina (via varia¸cões no nP, CPIP ou tc)
Mas isso realmente compara a arquitetura de forma
ampla?
Ou contém um viés em dire¸cão ao programa (ou segmento)
usado no teste?

Desempenho da CPU
Para compararmos 2 arquiteturas precisamos de um
conjunto de programas que represente o
comportamento de um usu´ario

Desempenho da CPU
Para compararmos 2 arquiteturas precisamos de um
conjunto de programas que represente o
comportamento de um usuário
Precisamos de um conjunto de trabalho
Um conjunto de programas que, ou correspondem ao
conjunto rodado pelo usuário, ou são constru´ıdos de modo a
aproximar esse conjunto
Um conjunto de trabalho t´ıpico especifica tanto os
programas quanto suas frequências relativas

Desempenho da CPU
Assim, basta medir o tempo de execu¸cão do
conjunto de trabalho em outra máquina para decidir
qual é a melhor

Desempenho da CPU
qual é a melhor
Isso, naturalmente, pressupõe o acesso a essa
máquina

Desempenho da CPU
qual é a melhor
máquina
O que fazer quando não há realmente como testar o
conjunto de trabalho em outra máquina?

Desempenho da CPU
qual é a melhor
máquina
O que fazer quando não há realmente como testar o
conjunto de trabalho em outra máquina?
Como tomar uma decisão baseada em desempenho?

Desempenho da CPU
Deve-se usar algum conjunto padrão, na esperan¸ca
que reflita o desempenho do conjunto de trabalho
do usuário

Desempenho da CPU
Deve-se usar algum conjunto padrão, na esperan¸ca
que reflita o desempenho do conjunto de trabalho
do usuário
Precisamos então de benchmarks
Programas escolhidos especificamente para medir o
desempenho
Formam um conjunto de trabalho que espera-se possam
prever o desempenho do conjunto de trabalho do usuário

Desempenho da CPU
Benchmarks têm um papel cr´ıtico na defini¸cão de
estruturas de computadores
A ponto de merecerem um esfor¸co, por parte de vários
fabricantes, para criar padrões de benchmarks – SPEC
(System Performance Evaluation Cooperative)

Desempenho da CPU
Benchmarks têm um papel cr´ıtico na defini¸cão de
estruturas de computadores
A ponto de merecerem um esfor¸co, por parte de vários
fabricantes, para criar padrões de benchmarks – SPEC
(System Performance Evaluation Cooperative)
Em geral, os fabricantes informam o desempenho de
suas máquinas de acordo com algum desses
benchmarks padrão

Desempenho da CPU
Outras Medidas
Uma alternativa ao tempo de execu¸cão é MIPS
Milhões de Instru¸cões Por Segundo
MIPS =
nP
tP × 106
Quanto maior, mais rápido o processador

Desempenho da CPU
Outras Medidas
Uma alternativa ao tempo de execu¸cão é MIPS
Milhões de Instru¸cões Por Segundo
MIPS =
nP
tP × 106
Quanto maior, mais rápido o processador
Problemas:
Não temos como comparar computadores com conjuntos
distintos de instru¸cões, pois nP certamente será diferente

Desempenho da CPU
Outras Medidas
Problemas:
MIPS varia entre programas no mesmo computador
MIPS =
nP
tP × 106
=
nP
nP × CPIP × tc × 106
=
1
CPIP × tc × 106
=
fc
CPIP × 106
Ao usarem instru¸c˜oes distintas, o CPI pode variar entre 2 programas

Desempenho da CPU
Outras Medidas
Problemas:
MIPS varia entre programas no mesmo computador
MIPS =
nP
tP × 106
=
nP
nP × CPIP × tc × 106
=
1
CPIP × tc × 106
=
fc
CPIP × 106
Ao usarem instru¸cões distintas, o CPI pode variar entre 2 programas
Se um novo programa executa mais instru¸cões, sendo que
cada instru¸cão é mais rápida, MIPS pode variar
independentemente do desempenho

Desempenho da CPU – Armadilhas
Lei de Amdahl
Uma armadilha comum ´e esperar que a melhoria de
um aspecto do computador melhore o desempenho
geral pelo mesmo tanto

Lei de Amdahl
Uma armadilha comum é esperar que a melhoria de
um aspecto do computador melhore o desempenho
geral pelo mesmo tanto
Considere o seguinte exemplo
Um programa roda em 100s (tP = 100), com opera¸cões de
multiplica¸cão sendo responsáveis por 80s deste tempo
Quanto teremos que aumentar a velocidade de cada
multiplica¸cão para que o programa rode 5× mais rápido?

Lei de Amdahl
O tempo de execu¸cão do programa após a melhoria
é dado pela Lei de Amdahl:
tP =
tA
r
+ tNA, onde
tP é o tempo de execu¸cão do programa P após a melhoria
tA é o tempo de execu¸cão afetado pela melhoria
r é a taxa de melhoria feita
tNA é o tempo de execu¸cão não afetado pela melhoria

Lei de Amdahl
O tempo de execu¸cão do programa após a melhoria
é dado pela Lei de Amdahl:
tP =
tA
r
+ tNA, onde
tP é o tempo de execu¸cão do programa P após a melhoria
tA é o tempo de execu¸cão afetado pela melhoria
r é a taxa de melhoria feita
tNA é o tempo de execu¸cão não afetado pela melhoria
Ou seja, a melhoria no desempenho com uma melhoria está
limitada ao tanto que o fator melhorado é usado

Lei de Amdahl
Outra forma de ver é:
Qualquer redu¸cão de tempo é limitada pela contribui¸cão da
parte afetada para o tempo total

Lei de Amdahl
Outra forma de ver é:
Qualquer redu¸cão de tempo é limitada pela contribui¸cão da
parte afetada para o tempo total
O tempo total é
tP =
N
i=1
ti
onde ti é a contribui¸cão para tP da i-ésima parte do
programa

Lei de Amdahl
Então, se modificamos o tempo da parte j para
k × j, sua contribui¸cão a tP será
tP = k × tj +
N
i=1,i=j
ti

Lei de Amdahl
Então, se modificamos o tempo da parte j para
k × j, sua contribui¸cão a tP será
tP = k × tj +
N
i=1,i=j
ti
Ou seja, o tempo de execu¸cão da parte afetada + o tempo
da parte não afetada pela modifica¸cão

Lei de Amdahl
Voltando ao nosso problema
tP =
tA
r
+ tNA =
80
r
+ (100 − 80)

Lei de Amdahl
tP =
tA
r
+ tNA =
80
r
+ (100 − 80)
Como queremos que fique 5× mais rápido, então
tP = tP/5 = 20, e
20 =
80
r
+ 20 ⇒ 0 =
80
r

Lei de Amdahl
tP =
tA
r
+ tNA =
80
r
+ (100 − 80)
Como queremos que fique 5× mais rápido, então
tP = tP/5 = 20, e
20 =
80
r
+ 20 ⇒ 0 =
80
r
E não há como obter tal melhoria

Desempenho da CPU: Inﬂuˆencias
Fonte: [1]

Referˆencias
1 Patterson, D.A.; Hennessy, J.L. (2013): Computer
Organization and Design: The Hardware/Software Interface.
Morgan Kaufmann. 5a
ed.

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