Desempenho em equipamentos informáticos

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Trabalho para a UC de Arquitetura de Computadores e Sistemas Operativos
Paulo Lima
IPCA, 2011

Publicada em: Engenharia
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Desempenho em equipamentos informáticos

  1. 1. 1 Desempenho em equipamentos informáticos Paulo Jorge Costa Lima Engenharia Eletrotécnica e Computadores, IPCA “O conhecimento passou a ser o principal fator de produção e geração de riqueza.” Bill Gates RESUMO Utilizando as ferramentas de Benchmarking, pretende-se avaliar e comparar o desempenho de seis computadores relativamente aos seus componentes individuais. Desta forma, é possível analisar a avaliação generalizada em sistemas computacionais. Os componentes individuais que servirão de comparativo serão a CPU, memória, disco e placa gráfica. De modo a se efetuarem tais análises comparativas ir-se-á recorrer a Softwares como o Sandra, Dr. Hardware e 3DMark06. No final do trabalho, dever-se-á ser capaz de definir qual o melhor tipo de computador para determinada aplicação pretendida, bem como o que globalmente apresenta melhor desempenho. I. INTRODUÇÃO Benchmarking é o ato de executar um programa de computador, um conjunto de programas ou outras operações, a fim de avaliar a performance relativa de um objeto, normalmente executando uma série de testes padrões e ensaios nele. Normalmente, Benchmarking é associado com avaliação de características de performance de um Hardware de computador como, por exemplo, a performance da operação de ponto flutuante de uma CPU, mas há circunstâncias em que a técnica também é aplicável a Software. O Benchmarking provém de um método de comparação da performance de vários subsistemas de entre as diferentes arquiteturas de chips e sistemas. É útil para o entendimento de como o gerenciador do banco de dados responde sob a variação de condições. Podem-se criar cenários que testam o tratamento de deadlock, performance dos utilitários, diferentes métodos de carregar dados, características da taxa de transição quando mais usuários são adicionados e ainda o efeito na aplicação usando uma nova versão do produto. Com a evolução das arquiteturas de computadores, ficou cada vez mais difícil comparar a performance de diferentes sistemas de computação somente olhando suas especificações. Por isso, testes foram desenvolvidos para serem feitos em diferentes sistemas, permitindo que esses resultados possam ser comparados entre as diferentes arquiteturas. Por exemplo, enquanto os processadores Pentium 4 geralmente operam a frequências de relógio mais altas que os processadores AMD Athlon XP, isso não necessariamente se traduz como maior poder computacional. Em outras palavras, um processador AMD mais lento, quanto a frequência de relógio, pode ter um desempenho tão bom nos testes de Benchmarking quanto um processador Intel operando a uma frequência mais elevada. II. COMPONENTES A unidade central de processamento (CPU), ou o processador, é o componente que executa as instruções de um programa de computador, e é o elemento primordial na execução das funções de um computador. Este termo tem sido usado na indústria de computadores pelo menos desde o início dos anos 60. A forma, desenho e implementação da CPU têm mudado dramaticamente desde os primeiros exemplos, mas o seu funcionamento fundamental permanece o mesmo. As primeiras CPU personalizadas foram concebidas como parte de um computador maior. No entanto, este método caro de fazer CPU personalizadas para uma determinada aplicação rumou para o desenvolvimento de processadores produzidos em massa que são feitos para um ou vários propósitos. Esta tendência de padronização em geral surgiu com os minicomputadores e o aparecimento dos transístores, acelerando rapidamente com a popularização dos circuitos integrados. Os circuitos integrados têm permitido processadores cada vez mais complexos para serem concebidos e fabricados em tamanhos da ordem de nanômetros. Tanto a miniaturização como a padronização dos processadores tem aumentado a presença destes dispositivos digitais na vida moderna, muito além da aplicação limitada dedicada a computadores. Os microprocessadores modernos aparecem em tudo, desde automóveis até celulares e brinquedos para crianças. A memória são todos os dispositivos que permitem a um computador guardar dados, de forma temporária ou permanente. Memória principal, também chamada de memória real, é aquela que o processador pode endereçar diretamente, sem a qual o computador não pode funcionar. Esta fornece geralmente uma ponte para a memória secundária, mas a sua função principal é a de conter a informação necessária para o processador num determinado momento. Esta informação pode ser, por exemplo, os programas em execução. Nesta
  2. 2. 2 categoria insere-se a memória RAM, memória ROM, registadores e memória cache. Memória secundária é um tipo de memória que não pode ser endereçada diretamente. A informação precisa ser carregada em memória principal antes de poder ser tratada pelo processador. Não é estritamente necessária para o funcionamento do computador. É, geralmente não volátil, permitindo guardar os dados permanentemente. Inclui-se, nesta categoria, os discos rígidos, CD, DVD e disquetes. Memórias voláteis são as que requerem energia para manter a informação armazenada. São fabricadas com base em duas tecnologias: dinâmica e estática. A memória dinâmica é a mais barata delas e, portanto, a mais utilizada nos computadores, sendo aquelas que foram popularizadas como memórias RAM. Este atributo vem do nome inglês Random Acess Memory (memória de acesso aleatório), que significa que os dados nela armazenada podem ser acedidos a partir de qualquer endereço. As memórias RAM contrapõem-se com as de acesso sequencial, que exigem que qualquer acesso seja feito a iniciar pelo primeiro endereço e, sequencialmente, vai saltando de um em um até atingir o objetivo. Na realidade, existem outras memórias de acesso aleatório nos computadores, inclusive não voláteis, portanto, é importante ter o conhecimento de que o nome RAM é apenas uma popularização do nome da memória principal dos computadores, utilizada para armazenar os programas e dados no momento da execução. A memória estática não necessita ser analisada ou recarregada a cada momento. Fabricada com circuitos eletrónicos conhecidos como latch, guardam a informação por todo o tempo em que estejam a receber alimentação. De um modo geral os computadores encontram-se limitados nas quantidades de memória que podem conter. A esse limite chamado de capacidade de expansão corresponde o valor máximo de memória que um sistema específico pode conter. Existem limitações quanto ao Hardware e ao Software. No que respeita às limitações de Hardware, a quantidade de memória é limitada pelo espaço de endereçamento do processador. Um processador que utilize endereços de 32 bits, por exemplo, só poderá endereçar 2³² palavras de memória. Esta é a razão pela qual os computadores que utilizam processadores de 32 bits (x86) são limitados a 4GB de memória. Atualmente, os processadores de 64 bits gerenciam até 128GB de memória RAM e 16TB de memória virtual. O sistema operacional também deve ser de 64 bits para trabalhar com esses valores. Um determinado Software (como o sistema operativo) pode ter sido desenhado para permitir uma quantidade limitada de memória. O limite de capacidade de expansão de memórias RAM também é limitado pela motherboard do computador, que prevê um certo número de fendas para as cartas de memória, bem como o chipset necessário para aceder à memória principal. Popularmente chamado de HD, o disco é a parte do computador onde são armazenados os dados. O disco rígido é uma memória não volátil, ou seja, as informações não são perdidas quando o computador é desligado, sendo considerado o principal meio de armazenamento de dados em massa. Por ser uma memória não volátil, é um sistema necessário para se ter um meio de executar novamente programas e carregar arquivos contendo os dados inseridos anteriormente quando ligamos o computador. Nos sistemas operativos mais recentes, ele é também utilizado para expandir a memória RAM, através da gestão de memória virtual. Existem vários tipos de discos rígidos diferentes: IDE/ATA, Serial ATA, SCSI, etc. Os discos magnéticos de um disco rígido são recobertos por uma camada magnética extremamente fina. Na verdade, quanto mais fina, for a camada de gravação, maior será sua sensibilidade, e consequentemente maior será a densidade de gravação permitida por ela. Poder-se-á, então, armazenar mais dados num disco do mesmo tamanho, criando HD de maior capacidade. A placa gráfica é um componente de um computador que envia sinais deste para o monitor, de forma que possam ser apresentadas imagens ao utilizador. Normalmente possui memória própria, com capacidade medida em octetos. Nos computadores de baixo custo, as placas de vídeo estão incorporadas na motherboard, não possuem memória dedicada, e por isso utilizam a memória viva do sistema. A isso denomina-se memória partilhada. Como a memória viva do sistema é geralmente mais lenta do que as utilizadas pelos fabricantes de placas de vídeo, e ainda dividem o barramento com o processador e outros periféricos para acedê-la, este método torna o sistema mais lento. Isso é notado especialmente quando se usam recursos tridimensionais ou de alta definição. Em computadores mais sofisticados, o adaptador de vídeo pode ter um processador próprio, o GPU ou acelerador gráfico. Trata-se de um processador capaz de gerar imagens e efeitos visuais tridimensionais, e acelerar os bidimensionais, aliviando o trabalho do processador principal e gerando um resultado final melhor e mais rápido. Esse processador utiliza uma linguagem própria para descrição das imagens tridimensionais, é interpretado e executado, gerando o resultado final, que é a imagem da vista pelo observador virtual.
  3. 3. 3 O resultado final normalmente é medido considerando-se o número de vezes por segundo que o computador consegue redesenhar uma cena, cuja unidade é o FPS (frames per second). A frequência de relógio indica a velocidade a que um computador realiza suas operações mais básicas, como somar dois números ou transferir o valor de um registo para outro. Mede-se em ciclos por segundo (Hertz). Os diferentes circuitos integrados de um computador podem funcionar a diferentes frequências de relógio, de modo que quando se usa o termo frequência de relógio aplicado a um computador, geralmente entende-se que se refere à velocidade de funcionamento do processador principal. O barramento é um conjunto de linhas de comunicação que permite a interligação entre dispositivos, como a CPU, a memória e outros periféricos. Esses fios estão divididos em três conjuntos: via de dados, via de endereços e via de controlo. Através da via de dados, processa-se o tráfego de dados, enquanto através da via de endereços se processo o tráfego de endereços. A via de controlo processa sinais que permitem a sincronização das duas vias anteriores. O desempenho do barramento é medido pela sua largura de banda, que é a quantidade de bits que podem ser transmitidos ao mesmo tempo, geralmente em potências de 2 (8, 16, 32, 64 bits). III. DESCRIÇÃO Para a realização dos testes de Benchmarking, foram utilizados seis computadores com diferentes caraterísticas. O computador C é referido como “Máquina personalizada”, uma vez que este foi montado componente a componente pelo seu utilizador. A referência da sua motherboard é ASUS P5G41T-MLX. IV. TESTES E RESULTADOS Foram aplicados aos diferentes computadores, através do Software Sandra, os seguintes testes: Processor Arithmetic, Physical Discs, Memory Bandwidth e Cache and Memory. Os tempos de resposta para cada teste variaram entre 1 e 2 minutos consoante o computador testado. No final, os principais resultados foram agrupados na seguinte tabela, que compara o desempenho entre os seis computadores comparados. De igual modo, desenvolveu-se um gráfico comparativo do desempenho de modo a se obter uma maior compreensão dos resultados obtidos. O computador que de forma geral mais se destaca é a Máquina personalizada, uma vez que apresenta os melhores valores para todos os fatores de avaliação. Apenas não se destaca no tempo de acesso ao disco, mas de referir que a sua capacidade em disco é de longe muito superior a todas as outras.
  4. 4. 4 O fato de a Máquina personalizada ser o computador que apresenta os melhores resultados não é surpreendente, na medida que é um computador montado componente a componente de forma a obter maior performance global. Contrariamente, o computador que apresenta os resultados mais baixos é o Sony Vaio VGN-TX3XP, tratando-se de um computador já bastante desatualizado comparativamente com as outras máquinas testadas. Em seguida, utilizou-se o Software Dr. Hardware e foram aplicados os seguintes testes: CPU/Memory, Multi Processor, Video, Harddisks e ASPI drives. Os tempos de resposta para cada teste variaram entre 30 e 50 segundos consoante o computador testado. No final, os principais resultados foram agrupados no seguinte gráfico, que compara o desempenho entre os seis computadores comparados. Mais uma vez, o computador que se destaca sem surpresas é a Máquina personalizada, exceto na componente gráfica onde os melhores resultados são obtidos pelo Sony Vaio VGN-FE31H e num patamar ainda superior o Dell Inspiron 14R Laptop. Os testes efetuados pelo Dr. Hardware reforçam basicamente os já analisados pelo Sandra, não havendo elementos antagónicos para análise. Com isto pode-se concluir que as diversas ferramentas de Benchmarking são complementares, ou seja, diferentes ferramentas não vão obter diferentes resultados em equipamentos iguais. Até este ponto, o computador mais atrativo pelo seu desempenho global é a Máquina personalizada pois é a que apresenta os melhores resultados, e para ser usada para fins não específicos apresenta-se como a melhor escolha, se não se atender a relações de qualidade preço, variáveis com que não se está a entrar em jogo. O computador Sony Vaio VGN- TX3XP apresenta-se na atualidade como a pior escolha de todas as seis, mas sabe-se de antemão tratar-se de uma máquina antiga que utiliza tecnologias ultrapassadas, não devendo no entanto ser posta de parte para certas aplicações menos exigentes a nível de CPU, gráfica e velocidade. Por último, utilizou-se o Software 3DMark06. Os tempos de resposta para cada teste variaram entre 25 e 30 minutos consoante o computador testado. No final, os principais resultados foram agrupados no seguinte gráfico, que compara o desempenho entre os cinco computadores comparados. O teste com o Software 3DMark06, apenas foi aplicado a cinco computadores, uma vez que não foi possível executar o teste no Sony Vaio VGN-TX3XP. Este computador devido à sua fraca capacidade impossibilitou qualquer resultado, gerando inclusive vários erros ao longo da tentativa de correr o programa. Apenas três computadores apresentaram resultados viáveis neste teste. Os restantes não o conseguiram por incapacidade das suas placas gráficas. Dentro dos computadores que apresentaram resultados, destaca-se o Dell Latitude E4300 com uma boa vantagem relativamente aos outros em todos os aspetos comparativos. Refira-se que a Máquina personalizada não foi concebida a nível de gráfica, mas sim com outros intuitos, logo apesar do seu poderio noutros campos, aqui ela não apresenta resultados. V. CONCLUSÕES Após a realização deste trabalho, é possível fazer um balanço e retirar algumas conclusões importantes. Na prática, o Benchmarking é um processo onde se comparam diversas máquinas de forma a se poder otimizar um processo, neste caso a escolha dum equipamento ou que componentes se devem atualizar numa máquina de forma a melhorar o seu rendimento. Para se fazer esses comparativos existem diversas ferramentas que são complementares, apresentando resultados aproximadamente semelhantes desde que aplicados nas mesmas máquinas.
  5. 5. 5 Deve-se ter em conta que dois testes iguais aplicados na mesma máquina vão obter resultados ligeiramente diferentes, mas esses resultados nunca poderão ter uma diferença numa ordem de grandeza demasiado elevada. Essas diferenças devem-se aos programas em execução paralelos que correm ao mesmo tempo do teste, ou seja, os recursos de sistema que estão a ser consumidos paralelamente enquanto decorrem os testes. Quanta mais memória estiver a ser gasta por programas em espera pior resultados irá gerar num teste à memória RAM por exemplo. No caso dos nossos computadores em estudo se quiséssemos fazer uma escolha, que é o objetivo do Benchmarking, se quiséssemos um computador somente para executar processos que envolvesse apenas velocidade de processador e capacidade de disco, o computador a escolher seria a Máquina personalizada. Se desejássemos uma máquina com poder gráfica para fins visuais a escolha acertada seria o Dell Inspiron 14R Laptop que por si só já apresenta resultados muito bons, mas se excluirmos a componente gráfica não consegue mesmo assim atingir os resultados da máquina personalizada que é uma máquina feita à medida do consumidor final para atingir determinados objetivos. A máquina personalizada em título de curiosidade, foi montada em ambiente informático recorrendo a processos de melhoria de desempenho (Benchmarking). VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] [Online]: http://www.pcworld.com/article/231738/sandra_2011_lite [2] [Online]: http://www.dr-hardware.com [3] [Online]: http://www.futuremark.com/benchmarks/legacy [4] [Online]: http://www.wikipedia.org

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