Aula 2

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Organização de Computadores I
DCC006
Prof. Omar Paranaiba Vilela Neto
Aula 2 – Desempenho
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• Medidas, Relatórios e Resumos
• Escolhas inteligentes
• marketing 
• Organização
 
Porque um hardware é melhor que outros para diferentes programas?
Quais fatores do desempenho são relacionados com o hardware?
(i.e., Nós necessitamos de uma nova máquina ou um novo sistema 
operacional?)
Como um conjunto de instruções afeta o desempenho?
Desempenho
Por que nos preocupamos com o desempenho dos 
computadores?
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Qual o avião tem o melhor desempenho?
Avião Passageiros Autonomia (mi) velocidade (mph)
Boeing 737-100 101 630 598
Boeing 747 470 4150 610
BAC/Sud Concorde 132 4000 1350
Douglas DC-8-50 146 8720 544
 Concorde comparado com o 747
 747 comparado com o DC-8
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• Tempo de Resposta (latency)
— Demora para uma tarefa rodar
— Demora para executar uma tarefa
— Espera de uma consulta a base de dados
• Throughput (vazão)
— Quantos jobs a máquina pode rodar cada vez?
— Qual a taxa média de execução?
— Quantos trabalhos são concluídos?
Se um novo processador é colocado na máquina o que nós melhoramos?
Se uma nova máquina é colocada no laboratório o que melhoramos?
Desempenho dos computadores: TIME, TIME...
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• Tempo decorrido 
– Tempo total para uma tarefa incluindo acesso a disco, 
memória, I/O, ... 
– Freqüentemente não é bom para comparações
• Tempo de CPU
– Não considera I/O ou tempo gasto por outros programas
– pode ser dividido em system time, e user time
• Nosso foco: Tempo de CPU do Usuário 
– tempo despendido para executar a linha de código em 
nosso programa
Tempo de Execução
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• Para vários programas rodando em uma máquina X, 
DesempenhoX = 1 / Tempo de execuçãoX
• "X é n vezes mais rápido que Y"
DesempenhoX / DesempenhoY = n
• Problema:
– máquina A roda um programa em 20 segundos 
– máquina B roda o mesmo programa em 30 segundos
– O quanto A é mais rápido que B
Definições de Desempenho
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Ciclos de Clock
• Podemos usar no lugar do tempo de execução em segundos o 
número de ciclos
• Pulso de Clock indica quando iniciar atividades:
• tempo de ciclo = tempo entre pulsos = segundos por ciclo 
– 2 nanoseg.
• taxa de clock (freqüência) = ciclos por segundo (1 Hz. = 1 ciclo/seg)
clock a 200 Mhz. tem tempo de ciclo 
time
seconds
program
=
cycles
program
×
seconds
cycle
 
1
200 × 106 
× 109 = 5 nanoseconds
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Para melhorar o desempenho nós podemos:
Como melhorar o desempenho 
seconds
program
=
cycles
program
×
seconds
cycle
 melhorar o # de ciclos requerido por um programa 
ou
 melhorar o tempo de ciclo de clock ou (taxa de clock)
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• Poderíamos assumir que # de ciclos = # de instruções
Esta afirmação é incorreta,
instruções gastam tempos diferentes em máquinas diferentes.
Como? lembrem -se que são instruções de máquina e não linhas de código C 
Quantos ciclos são requeridos em um programa?
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• Multiplicação gasta mais tempo que adição
• Operações de ponto flutuante são mais longas que inteiros
• Acesso a memória gasta mais tempo que acesso a registro 
• Ponto importante: Mudanças no tempo de ciclo freqüentemente muda o 
número de ciclos requeridos por várias instruções (mais tarde)
tempo
Diferentes números de ciclos para diferentes instruções
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• Nosso programa roda em 10 segundos em um computador A, que 
tem um clock de 4 Ghz. Nós estamos ajudando alguém projetar uma 
nova máquina B, que deverá rodar este programa em 6 segundos. O 
projetista poderá usar uma nova (ou mais cara) tecnologia para 
melhorar substancialmente a taxa de clock, mas ele tem a informação 
de que este aumento afetará o projeto do resto da CPU e por essa 
razão a máquina B requer 1,2 vezes mais ciclos de clock que a 
máquina A para um mesmo programa. Qual a taxa de clock a nova 
máquina deverá ser projetada?
Exemplo
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Exemplo - Resposta
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• Um dado programa requer
– várias instruções (instruções de máquina )
– vários ciclos
– vários segundos
• Nós temos um vocabulário que relaciona estas grandezas:
– tempo de ciclo (segundos por ciclo)
– taxa de clock (ciclos por segundo)
– CPI (# médio de ciclos por instrução) 
 uma aplicação intensiva em ponto flutuante poderia ter um alto CPI 
– MIPS (milhões de instruções por segundo)
poderia ser bom para um programa usando instruções simples 
Depois de entender ciclos
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Desempenho
• Desempenho é determinado pelo tempo de execução 
• Como podemos quantificar o desempenho?
– # de ciclos para executar um programa
– # de instruções no programa
– # de ciclos por segundo
– média # de ciclos por instrução
– Média # de instruções por segundo
• Erro comum: indicar uma das variáveis como desempenho 
quando ela realmente não é. 
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• Suponha que você tem duas implementações de um mesmo 
conjunto de instruções. 
Máquina A tem um tempo de ciclo de clock de 250 ps. e CPI de 2.0 
Máquina B tem um tempo de ciclo de clock de 500 ps. e CPI de 1.2 
Qual a máquina mais rápida para este programa e quanto?
CPI - Exemplo
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CPI – Exemplo – Resposta
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• Um projetista de compilador decidindo entre duas seqüências de 
código para uma máquina particular. Baseado em implementações 
de hardware, existem três diferentes classes de instruções (classe A, 
classe B e classe C, que necessitam de um, dois e três ciclos 
respectivamente). 
A primeira seqüência de código tem 5 instruções: 2 de A, 1 de B e 2 
de C
A segunda seqüência tem 6 instruções: 4 de A, 1 de B e 1 de C.
Qual a seqüência mais rápida? Quanto?
Qual o CPI de cada seqüência?
# de Instruções - Exemplo
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# de Instruções – Exemplo – Resultado 
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• Dois diferentes compiladores estão sendo testados para uma 
máquina de 4 GHz. A máquina tem três diferentes classes de 
instruções: Classe A, Classe B e Classe C, que requer um, dois e 
três ciclos respectivamente. Os compiladores são usados para 
produzir um grande bloco de software.
O código do primeiro compilador usa 5 bilhões de instruções da 
classe A, 1 bilhão da classe B e 1 bilhão da classe C. 
O código do segundo compilador usa 10 bilhões de instruções da 
classe A, 1 bilhão da classe B e 1 bilhão da classe C.
• Qual a seqüência mais rápida de acordo com MIPS?
• Qual a seqüência mais rápida de acordo com tempo de execução?
 
MIPS - Exemplo
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MIPS – Exemplo – Resultado 
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• O desempenho pode ser melhor determinado rodando uma aplicação 
real
– Usando programas tipicamente utilizados
– Ou, classe de aplicações típicas 
i.e., compiladores/editores, aplicações científicas, gráficas, etc.
• Pequenos benchmarks
– bom para projetistas 
– fácil padronização
– pode ser reutilizado 
• SPEC (System Performance Evaluation Cooperative)
– empresas fornecem um conjunto de programas reais e entradas
– pode ser reutilizado 
– indicador de desempenho válido 
Benchmarks
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SPEC ‘89
• Melhorias nos compiladores e desempenho
0
100
200
300
400
500
600
700
800
tomcatvfppppmatrix300eqntottlinasa7doducspiceespressogcc
Benchmark
Compiler
Enhanced compiler
S
P
E
C
 p
er
fo
rm
an
ce
 r
at
io
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SPEC ‘95
Benchmark Description
go Artificial intelligence; plays the game of Go
m88ksim Motorola 88k chip simulator; runs test program
gcc The Gnu C compiler generating SPARC code
compress Compresses and decompresses file in memory
li Lisp interpreter
ijpeg Graphic compression and decompression
perl Manipulates strings and prime numbers in the special-purpose programming language Perl
vortex A database program
tomcatv A mesh generation program
swim Shallowwater model with 513 x 513 grid
su2cor quantum physics; Monte Carlo simulation
hydro2d Astrophysics; Hydrodynamic Naiver Stokes equations
mgrid Multigrid solver in 3-D potential field
applu Parabolic/elliptic partial differential equations
trub3d Simulates isotropic, homogeneous turbulence in a cube
apsi Solves problems regarding temperature, wind velocity, and distribution of pollutant
fpppp Quantum chemistry
wave5 Plasma physics; electromagnetic particle simulation
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Tempo de execução após melhoria = 
Tempo de execução não afetado +(Tempo de execução afetado / melhoria )
• Princípio: Faça o caso comum mais rápido
Lei de Amdahl
“O maior aumento de desempenho possível introduzindo 
melhorias numa determinada característica é limitado pela 
percentagem em que essa característica é utilizada”
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Exemplo
Exemplo: Considere um programa com Texec=100 seg, 
sendo 20% adições. Qual o ganho se a adição for 4 
vezes mais rápida?
E se for o resto 2 vezes mais rápida?
sTexec 85804
20
=+= 18.1
85
100
==ganho
sTexec 602
8020 =+= 67.160
100
==ganho
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• Desempenho é especifico para um programa particular
– Tempo total de execução é um resumo consistente do 
desempenho 
• Para uma dada arquitetura o desempenho aumenta quando:
– Aumento da taxa de clock (sem efeitos adversos no CPI)
– Melhorias na organização do processador que diminuam o CPI
– Melhorias no compilador que diminuam o CPI e/ou número de 
instruções
• Armadilha: Melhorias de desempenho em um aspecto da máquina 
afetará o desempenho total
Relembrando
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