Organização e Projetos de Computadores
Capítulo 4
Hennessy • Patterson
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Desempenho
•
•
•
•
Meça, informe e resuma
Faça escolhas inteligentes
Veja através da propaganda de marketing
Vital para entender a motivação organizacional
subjacente
Por que alguns hardwares são melhores do que outros
para diferentes programas?
Que fatores do desempenho de sistema são
relacionados ao hardware? (por exemplo, precisamos
de uma nova máquina ou de um novo sistema
operacional?)
Como o conjunto de instruções da máquina afeta o
desempenho?
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Qual destes aviões possui o melhor
desempenho?
• O quanto mais rápido é o Concorde comparado com o 747?
• O quanto maior é o 747 do que o Douglas DC-8?
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Desempenho do computador: TEMPO,
TEMPO, TEMPO
•
Tempo de resposta (latência)
- Quanto tempo leva para meu trabalho ser realizado?
- Quanto tempo leva para realizar um trabalho?
- Quanto tempo preciso esperar para a consulta ao banco de
dados?
• Vazão (throughput)
- Quantos trabalhos a máquina pode realizar ao mesmo tempo?
- Qual é a velocidade de execução média?
- Quanto trabalho está sendo feito?
Se atualizarmos uma máquina com um novo processador, em que
melhoramos?
Se acrescentarmos uma máquina ao laboratório, em que melhoramos?
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Tempo de execução
•
•
•
Tempo decorrido
- conta tudo (acessos a disco e a memória, E/S etc.)
- um número útil, mas normalmente não é ideal para fins de
comparação
Tempo de CPU
- não conta E/S ou tempo gasto executando outros programas
pode ser dividido em tempo de sistema e tempo de usuário
Nosso foco: tempo de CPU do usuário
- tempo gasto executando as linhas de código que estão “em”
nosso programa
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Definição de desempenho do livro
• Para um programa sendo executado na máquina X,
DesempenhoX = 1 / Tempo_execuçãoX
• “X é n vezes mais rápido do que Y”
DesempenhoX / DesempenhoY = n
• Problema:
- a máquina A executa um programa em 20 segundos
- a máquina B executa o mesmo programa em 25
segundos
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Ciclos de clock
•
Em vez de informar o tempo de execução em segundos,
normalmente usamos ciclos
segundos
=
ciclos 
segundos
programa
programa
ciclos
•
Os ”tiques” de clock indicam quando iniciar as atividades (uma
abstração):
tempo
• tempo de ciclo = tempo entre os tiques = segundos por ciclo
• velocidade de clock (freqüência) = ciclos por segundo (1Hz. = 1
ciclo/segundo)
Um clock de 4Ghz possui um tempo de ciclo de
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Como melhorar o desempenho
segundos
programa
=
ciclos 
programa
segundos
ciclos
• Portanto, para melhorar o desempenho (tudo mais sendo
igual), você pode (aumentar ou diminuir?)
________ o número de ciclos necessários para um
programa, ou
________ o tempo de ciclo de clock ou, dito de outra
maneira,
________ a velocidade de clock.
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Quantos ciclos são necessários
para um programa?
• Poderíamos considerar que o número de ciclos é igual ao
número de instruções
6ª.
5ª.
4ª.
3ª. Instrução
2ª. Instrução
1ª. Instrução
Tempo
Essa suposição é incorreta; diferentes instruções levam a
diferentes períodos em diferentes máquinas.
Por quê? Dica: Lembre-se de que essas são instruções de
máquina, não linhas de código C.
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Diferentes números de ciclos
para diferentes instruções
Tempo
• A multiplicação leva mais tempo do que a adição
• As operações de ponto flutuante levam mais tempo do que
as operações de inteiros
• Acessar a memória leva mais tempo do que acessar os
registradores
• Importante: mudar o tempo de ciclo normalmente muda o
número de ciclos necessários para várias instruções (veja
mais posteriormente)
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Exemplo
•
Nosso programa favorito é executado em 10 segundos no
computador A, que possui um clock de 4GHz. Estamos tentando
ajudar um projetista de computador a construir uma nova máquina
B, que execute esse programa em 6 segundos. O projetista
determinou que um aumento substancial na velocidade de clock é
possível, mas esse aumento afetará o restante do projeto da CPU,
fazendo com que o computador B exija 1,2 vez mais ciclos de clock
do que o computador A para esse programa. Que velocidade de
clock devemos pedir para que o projetista almeje?
•
Não entre em pânico! Podemos resolver isso facilmente usando
os princípios básicos
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Agora que entendemos os ciclos
•
Um determinado programa exigirá
- um determinado número de instruções (instruções de
máquina)
- um determinado número de ciclos
- um determinado número de segundos
• Temos um vocabulário que relaciona essas quantidades:
- tempo de ciclo (segundos por ciclo)
- velocidade de clock (ciclos por segundo)
- CPI (ciclos por instrução) — uma aplicação com excessivo
uso de ponto flutuante pode ter uma CPI mais alta
•
MIPS (milhões de instruções por segundo) — isso seria mais alto
para um programa usando instruções simples
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Desempenho
• O desempenho é determinado pelo tempo de execução
• Qualquer uma das outras variáveis igualam o
desempenho?
- número de ciclos para executar o programa?
- número de instruções no programa?
- número de ciclos por segundo?
- número médio de ciclos por instrução?
- número médio de instruções por segundo?
• Armadilha comum: pensar que uma das variáveis é
indicadora do desempenho, quando na realidade não é.
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Exemplo de CPI
•
Suponha que tenhamos duas implementações da mesma
arquitetura do conjunto de instruções (ISA)
Para um determinado programa,
A máquina A tem um tempo de ciclo de clock de 250 ps e uma
CPI de 2,0
A máquina B tem um tempo de ciclo de clock de 500 ps e uma
CPI de 1,2
Que máquina é mais rápida para esse programa e o quanto?
•
Se duas máquinas possuem a mesma ISA, qual de nossas
quantidades (por exemplo, velocidade de clock, CPI, tempo de
execução, número de instruções, MIPS) será sempre idêntica?
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Exemplo de número de instruções
• Um projetista de compilador está tentando decidir entre
duas seqüências de código para um determinada
máquina. Baseado na implementação de hardware,
existem três classes diferentes de instruções: Classe A,
Classe B e Classe C, e elas exigem um, dois e três
ciclos, respectivamente.
A primeira seqüência de código possui 5 instruções: 2
de A, 1 de B e 2 de C. A segunda seqüência possui 6
instruções: 4 de A, 1 de B e 1 de C.
Que seqüência será mais rápida? O quanto mais
rápida? Qual é a CPI para cada seqüência?
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Exemplo de MIPS
•
Dois compiladores diferentes estão sendo testados para uma
máquina de 4GHz com três classes diferentes de instruções:
Classe A, Classe B e Classe C, e elas exigem um, dois e três
ciclos, respectivamente. Ambos os compiladores são usados
para produzir código para um grande software.
O código do primeiro compilador usa 5 milhões de instruções da
Classe A, 1 milhão de instruções da Classe B e 1 milhão de
instruções da Classe C.
O código do segundo compilador usa 10 milhões de instruções
da Classe A, 1 milhão de instruções da Classe B e 1 milhão de
instruções da Classe C.
•
•
Que seqüência será mais rápida de acordo com o MIPS?
Que seqüência será mais rápida de acordo com o tempo de
execução?
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Benchmarks
•
A melhor forma de determinar desempenho é executando uma
aplicação real
- Usa programas típicos do workload esperado
- Ou, típico da classe de aplicações esperada — por exemplo,
compiladores/editores, aplicações científicas, design gráfico etc.
•
Benchmarks pequenos
- ótimos para arquitetos e projetistas
- fácil de padronizar
- pode ser forçado
•
SPEC (System Performance Evaluation Cooperative)
- as empresas concordaram sobre um conjunto de programas e
entradas reais
- valioso indicador do desempenho (e da tecnologia do compilador)
- ainda pode ser forçado
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Jogos de benchmark
•
]A Intel reconheceu, envergonhada, na sexta-feira que um bug em um
programa de software conhecido como um compilador levou a empresa
a anunciar uma velocidade 10 por cento maior dos seus chips
microprocessadores em um benchmark da área. Entretanto, os analistas
do setor disseram que o erro de codificação foi um comentário infeliz
sobre uma prática comum de “mentir” nos testes de desempenho
padronizados. O erro foi atribuído à Intel dois dias atrás pela concorrente
Motorola, em um teste conhecido como SPECint92. A Intel reconheceu
que havia “otimizado” seu compilador para melhorar suas pontuações de
teste. A empresa também havia dito que não gostava da prática, mas
que foi forçada a fazer as otimizações por que seus concorrentes
estavam fazendo o mesmo. No coração do problema da Intel está a
prática de “ajustar” os programas de compilador para reconhecerem
certos problemas de computação no teste e, então, substituir por partes
especiais do código escritas a mão.
Sábado, 6 de janeiro de 1996 — New York Times
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SPEC ‘89
• “Melhorias” e desempenho de compilador
Taxa de desempenho SPEC
Compilador
Compilador melhorado
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SPEC CPU2000
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SPEC 2000
•
•
Dobrar a velocidade de clock dobra o desempenho?
Uma máquina com uma velocidade de clock mais lenta pode ter um
desempenho melhor?
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Experiência
• Telefone para um grande vendedor de computadores e
diga que você está com dificuldade de decidir entre
dois computadores diferentes, especificamente, que
está confuso quanto aos pontos fortes e fracos dos
processadores
(Por exemplo, entre Pentium 4 2Ghz e Celeron M
1.4Ghz)
• Que tipo de resposta você provavelmente receberá?
• Que tipo de resposta você poderia dar a um amigo
com a mesma dúvida?
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Lei de Amdahl
Tempo de execução após melhoria =
Tempo de execução não afetado + (Tempo de execução afetado /
Quantidade de melhoria)
•
Exemplo:
“Suponha que um programa seja executado em 100 segundos em
uma máquina, com multiplicação responsável por 80 segundos
desse tempo. O quanto precisamos melhorar a velocidade da
multiplicação se queremos que o programa seja executado 4
vezes mais rápido?”
Que tal torná-lo 5 vezes mais rápido?
•
Princípio: Torne o caso comum rápido
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Exemplo
•
Suponha que melhoramos uma máquina fazendo todas as
instruções de ponto flutuante serem executadas cinco vezes mais
rápido. Se o tempo de execução de algum benchmark antes da
melhoria do ponto flutuante é 10 segundos, qual será o aumento
de velocidade se metade dos 10 segundos é gasta executando
instruções de ponto flutuante?
•
Estamos procurando um benchmark para mostrar a nova unidade
de ponto flutuante descrita acima e queremos que o benchmark
geral mostre um aumento de velocidade de 3 vezes. Um
benchmark que estamos considerando é executado durante 100
segundos com o hardware de ponto flutuante antigo. Quanto do
tempo de execução as instruções de ponto flutuante teriam que
considerar para produzir nosso aumento de velocidade desejado
nesse benchmark?
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Lembre
•
O desempenho é específico a um determinado programa
- O tempo de execução total é um resumo consistente do
desempenho
• Para uma determinada arquitetura, os aumentos de desempenho
vêm de:
- aumentos na velocidade de clock (sem efeitos de CPI
adversos)
- melhorias na organização do processador que diminuem a
CPI
- melhorias no compilador que diminuem a CPI e/ou a
contagem de instruções
- escolhas de algoritmo/linguagem que afetam a contagem
de instruções
•
Armadilha: Esperar que a melhoria em um aspecto do
desempenho de uma máquina afete o seu desempenho total
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Vamos construir um processador
•
•
Estamos quase prontos para entrar no Capítulo 5 e iniciar a
construção de um processador
Primeiro, vamos revisar a lógica booleana e construir a ALU de que
precisaremos (material do Apêndice B)
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Revisão: álgebra booleana e portões
•
Problema: Considere uma função lógica com três entradas: A, B e
C.
- A saída D é verdadeira se pelo menos uma entrada for
verdadeira
- A saída D é verdadeira se exatamente duas entradas forem
verdadeiras
- A saída F é verdadeira apenas se todas as três
entradas forem verdadeiras
•
Mostre a tabela de verdade para essas três funções.
• Mostre as equações booleanas para essas três funções.
• Mostre a implementação consistindo de portões inversores, AND
e OR
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Uma ALU (unidade lógica aritmética)
•
Vamos construir uma ALU para dar suporte às instruções andi e ori
– construiremos apenas uma ALU de 1 bit e usaremos 32 deles
Operação
resultado
Implementação possível (soma-dos-produtos):
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Revisão: O multiplexador
• Seleciona uma das entradas para ser a saída,
com base em uma entrada de controle
Nota: chamamos isso de um máximo de duas
entradas, mesmo que ele tenha três entradas!
• Vamos construir nossa ALU usando um MUX:
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Diferentes implementações
Não é fácil decidir a “melhor” maneira de construir algo
- não queremos entradas demais em um único portão
- não queremos ter que atravessar muitos portões
- para nossos objetivos, a facilidade de compreensão é
importante
• Vejamos uma ALU de 1 bit para adição:
•
•
Como poderíamos construir uma ALU de 1 bit para add, and e or?
• Como poderíamos construir uma ALU de 32 bits?
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Construindo uma ALU de 32 bits
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E quanto à subtração (a  b)?
•
•
•
Método do complemento a dois: simplesmente negue b e some.
Como negamos?
Uma solução muito inteligente:
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Acrescentando uma função NOR
• Também podemos escolher inverter a. Como
obtemos um “a NOR b”?
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Adequando a ALU ao MIPS
• Precisamos oferecer suporte à instrução set-on-
less-than (slt)
- lembre-se: slt é uma instrução aritmética
- produz um 1 se rs < rt e produz um 0 em
caso contrário
- use subtração: (a-b) < 0 implica a < b
• Precisamos aceitar teste de igualdade (beq $t5,
$t6, $t7)
- use subtração: (a-b) = 0 implica a = b
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Suporte a slt
• Podemos imaginar a idéia?
• Use esta ALU para o bit mais significativo
Todos os outros bits
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Suporte a slt
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Teste de igualdade
•
Observe as linhas de controle:
Nota: zero é um 1 quando o resultado é zero!
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Conclusão
•
•
•
Podemos construir uma ALU para aceitar o conjunto de instruções MIPS
- idéia básica: usar um multiplexador para selecionar a saída que
desejamos
- podemos realizar subtração eficientemente usando o
complemento a dois
- podemos duplicar uma ALU de 1 bit para produzir uma ALU de 32
bits
Pontos importantes sobre hardware
- todos os portões estão sempre operando
- a velocidade de um portão é influenciada pelo número de entradas do
portão
- a velocidade de um circuito é influenciada pelo número de portões na
série (no “caminho crítico” ou no “nível mais profundo da lógica”)
Nosso foco principal: compreensão; entretanto,
- Mudanças inteligentes na organização podem melhorar o
desempenho (semelhante a usar melhores algoritmos no software)
- Vimos isso na multiplicação; agora vejamos na adição
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Problema: o somador com carry ripple
é lento
• Uma ALU de 32 bits é tão rápida quanto uma ALU de 1
bit?
• Existe mais de uma maneira de fazer adição?
- dois extremos: carry ripple e soma-de-produtos
Você consegue ver o ripple? Como você se livraria
dele?
Inviável! Por quê?
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Somador com carry look-ahead
Um método intermediário entre nossos dois extremos
• Motivação:
- Se não soubéssemos o valor do carry-in, o que
poderíamos fazer?
- Quando sempre geraríamos um carry?
- Quando propagaríamos o carry?
• Nos livramos do ripple?
• Viável! Por quê?
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Use princípio para construir somadores
maiores
• Não podemos construir um somador de 16
bits dessa maneira... (grande demais)
• Poderíamos usar o carry ripple dos
somadores CLA de 4 bits
• Melhor ainda: Use o princípio CLA
novamente!
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Resumo da ALU
•
•
•
•
Podemos construir uma ALU para aceitar adição MIPS
Nosso foco está na compreensão, não do desempenho
Processadores reais usam técnicas mais sofisticadas para aritmética
Onde o desempenho não é vital, as linguagens de descrição de hardware permitem que
os projetistas automatizem completamente a criação do hardware!
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