Arquitectura de Computadores

Notas de estudo

Alberto José Proença

1999/00

Índice geral

1. Organização e arquitectura dum computador
2. Análise do funcionamento do CPU dum computador
3. Mecanismos para execução de programas
4. Modelo de programação dum processador
5. Metodologia de construção de programas em assembly
6. Alternativas às arquitecturas RISC genéricas
7. Computação aritmética
8. Arquitectura interna dum processador simples - o datapath
9. Interface do CPU com periféricos
10. Medição do desempenho de computadores
    1. Métricas
    2. Selecção de programas para o cálculo do desempenho
    3. SPEC Benchmark suite
    4. TPC Benchmark suite

Tendo-se concluído a apresentação da arquitectura típica de um computador - e respectivo modelo de programação ao nível da linguagem máquina - impõe-se agora uma introdução à análise dos factores que caracterizam e influenciam o desempenho dum computador, e das métricas normalmente usadas na sua medição. Este estudo das métricas é efectuado sob duas ópticas: a perspectiva do construtor de sistemas de computação que pretende introduzir melhorias no desempenho dos seus sistemas, e a do consumidor de informática que pretende efectuar comparações entre sistemas de diversos fornecedores, incluindo sistemas baseados em processadores distintos.

Embora este assunto seja tratado logo no início do livro seleccionado como consulta bibliográfica básica da disciplina (cap 2), a organização desta disciplina favorece a introdução deste tema apenas após a apresentação da estrutura da arquitectura típica dum computador. Deste modo, pensa-se que haverá maior sensibilização para os problemas relacionados com o desempenho dum computador, pois os conceitos básicos foram entretanto já introduzidos. As figuras referenciadas ao longo deste capítulo são as usadas na íntegra no livro recomendado.

Na selecção das métricas mais adequadas para uma eficiente e séria comparação entre sistemas de diversos fornecedores, sugere-se a consulta na Internet das home-pages das instituições governamentais mais conceituadas: a SPEC (http://www.spec.org) e a TPC (http://www.tpc.org).

As notas que seguem são essencialmente os acetatos apresentados nas aulas.

1. Métricas

Podemos socorrermo-nos de metáforas para uma melhos compreensão das dificuldades em definir qual a métrica mais adequada para nos caracterizar o desempenho de um sistema (neste caso, de computação); os exemplos apresentados na aula foram inspirados no caso do avião comercial e do automóvel, com recurso à fig. 2.1.

Quando se pretendo caracterizar as métricas mais adequadas na medição do desempenho dos sistemas de computação, então é possível identificar as seguintes:

• tempo de execução dum programa -> latência
• nº de tarefas executadas por unidade de tempo -> throughput

Quanto à medição do tempo de execução dum programa - e abstraindo a qualidade do programa/algoritmo e do compilador - podemos dizer que este deverá incluir:

• o tempo designado por CPU time, o qual contém:
  • a execução do código da aplicação no CPU;
  • os acessos à memória (para instruções e dados);
  • os acessos a periféricos externos (inc. discos)
• o tempo de espera de I/O; e
• o tempo de execução de outros programas.

Quanto ao desempenho do sistema - system performance - é possível quantificá-lo de acordo com a seguinte expressão:

CPUtime = user CPUtime + system CPUtime

Na medição do desempenho do processador - user CPUtime - há que:

• relacionar user CPUtime com parâmetros do sistema
  • para avaliar tecnologia electrónica e complexidade de cada instrução, por ex., com frequência do clock;
  • para avaliar simplicidade do instruction set e arquitectura do CPU/mem, por ex., com nº de instruções executadas por período de clock;
  • para avaliar riqueza do instruction set e tecnologia da compilação, por ex., com nº de instruções necessárias para execução do programa.

Equação para cálculo do user CPUtime para um dado programa:

CPUtime = Nº de instruções * Nº médio de ciclos de clock / instrução * período do clock

isto é, :

CPUtime = Nº instr * CPI * período do clock

Factores da arquitectura do CPU/memória que influenciam o seu desempenho:

• latência de execução de cada instrução: melhora-se com unidades funcionais mais rápidas;
• nº de instruções executadas por unidade de tempo (throughput): melhora-se com unidades funcionais encadeadas - pipeline, ou com paralelismo ao nível da instrução, superescalaridade;
• tempo de acesso à memória: melhora-se com hierarquia de memória e introdução de cache;
• largura de banda no acesso à memória: melhora-se com barramentos de dados mais largos ou com a introdução de acesso encadeado (pipeline), que no caso de acesso à memória se designa de interleaving.

Prós e contras de métricas populares: geralmente não consideram os 3 factores básicos no cálculo do CPUtime. vejamos alguns exemplos:

• MIPS - Milhões de Instruções Por Segundo

MIPS (nativo) = Nº instr / (Tempo execução * 10^6 )

= Nº instr / (Nº instr * CPI * período do clock * 10^6 )

= fclock / (CPI * 106 )

• inconvenientes desta métrica:
  • o valor depende do instruction set;
  • varia entre programas executados no mesmo computador;
  • pode variar inversamente com a o desempenho!
  • o conceito de peak MIPS é ainda mais perigoso.

• alternativa:

MIPS (relativo) = (Temporef / Tempomedido) * MIPSref

- mas continua a ser uma métrica incompleta...

• MFLOPS - Milhões de Floating-point Operations por Segundo

MFLOPS (nativo) = Nº op vírg flut / (Tempo execução * 106 )

• comentários a esta métrica:
  • apenas mede o desempenho na execução de operaçõs em vírgula flutuante;
  • menos dependendente do instruction set;
  • a definição de "op vírg flut" não é consistente através das arquitecturas;
  • há "op vírg flut" com pesos diferentes => normalized MFLOPS;
  • a confusão ainda aumenta com os peak MFLOPS...

1. Selecção de programas para o cálculo do desempenho

Uma boa suite de benchmarks deve possuir:

- um leque varaiado de aplicações reais

- aplicações que tentem simular o ambiente do utilizador

- aplicações que não encoragem optimizações específicas

- reproducibilidade de medição

i.e., uma descrição detalhada do sistema (h/w + s/w) usado na medição

- sumário simples e efectivo dos resultados

 

média aritmética

média aritmética pesada

média aritmética normalizada

média geométrica