O Papel da Performance

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O Papel da Performance
Capítulo 01 - “Organização e Projeto de 
Computadores: A Interface 
Hardware/Software”
● Eficiência de um sistema inteiro
● Avaliar e compreender o desempenho 
trata:
– Medir
– Informar
– Resumir
– Fatores determinantes
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O Papel da Performance
O Papel da Performance
● É complexo avaliar o desempenho 
desse tipo de sistema
– Complexidade e escala dos softwares 
modernos
– Ampla gama de técnicas de melhoria de 
desempenho
● Impossível sentar com um manual do 
conjunto de instruções e determinar a 
velocidade de execução de um sistema
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● Desempenho é um fator importante para os 
projetistas
– O que determina o desempenho de um 
computador?
4
O Papel da Performance
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Avião Passageiros Autonomia (mi) Velocidade (mph)
Boeing 777 375 4630 610
Boeing 747 470 4150 610
BAC/Sud Concorde 132 4000 1350
Douglas DC-8-50 146 8720 544
●Analogia com aviões de passageiro
●Desempenho determinado pela velocidade:
● Quão rápido é o Concorde comparado 
com o 747?
● 1 passageiro de um ponto a outro
● 450 passageiro de um ponto a outro
Definição de Desempenho
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Latência e Vazão
●Tempo de Resposta (Latência)
● Quanto tempo leva para executar uma tarefa?
●Throughput (Vazão)
● Quantas tarefas a máquina pode executar de uma 
vez?
● O que é a taxa média de execução?
● Qual o impacto, se substituir o processador 
por uma versão mais rápida?
● Qual o impacto, se adicionarmos uma nova 
máquina no laboratório?
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tempo de execuçãoB
tempo de execuçãoA
=n
Latência e Vazão
●Tempo de Resposta ou Tempo de 
Execução
● Tempo entre inicio e término de uma 
tarefa
● Diminuir o tempo de resposta quase 
sempre melhora a vazão
● Dizer que uma máquina A é n vezes mais 
rápida que uma máquina B significa que:
● Desempenho é definido como o inverso 
do tempo de execução
● Desempenho Relativo
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1
tempo de execuçãoA
=desempenhoA
n=
tempo de execuçãoB
tempo de execução A
=
1
desempenhoB
1
desempenhoA
=
desempenho A
desempenhoB
Desempenho
● Problema:
– máquina A executa um programa em 10 
segundos
– máquina B executa o mesmo programa em 
15 segundos
Calcular n:
n=
desempenhoA
desempenhoB
=
tempo de execução B
tempo de execução A
n=15
10
n=1,5
Desempenho
● Tempo decorrido
– Tempo de CPU gasto no SO realizando as 
tarefas a pedido do programa.
● Tempo de CPU 
– Não conta E/S ou tempo dispendido rodando 
outros programas.
– Significa o tempo que a CPU consome 
computando.
● Nosso foco: tempo de CPU do usuário 
– tempo gasto executando linhas de código que 
estão “dentro” do nosso programa.
Tempo de Execução
● Caracterizado por limitações de tempo 
real
● Dois tipos de limitações
– Tempo real rígido
● Define um limite fixo para responder ou 
processar um evento (ex: freios ABS)
– Tempo real flexível
● Uma resposta média ou uma resposta dentro de 
um tempo limitado a uma grande fração dos 
eventos (ex: manipular quadros de vídeos em 
um sistema de reprodução)
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Desempenho - Detalhado
● Métricas utilizadas
– Ciclos de clock (ciclos)
– Tempo de ciclo (nanoseg.)
– Instruções por programa
– Média dos ciclos de clock por instrução
ou
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tempo de execução = ciclos de clock x tempo do ciclo
tempo de execução= ciclos de clockvelocidade de clock
Desempenho - Fatores
● Porém nas equações anteriores não 
fazemos referência ao número de 
instruções necessárias para o programa, 
logo o número de ciclos de clock pode 
ser estendido como:
● Ciclos de clock por instrução pode ser 
chamado como CPI
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ciclos de clock = Instruções para x média dos ciclos
 o programa por instrução
tempo de execução = CPI x Nº de Inst x tempo do ciclo
Desempenho - Fatores
● Ao invés de reportar o tempo de 
execução em segundos, geralmente 
usa-se ciclos.
● Um “tick” de clock indica quando se 
inicia uma atividade 
– Tempo de ciclo = tempo entre ticks = 
segundos por ciclo.
– Taxa de clock (frequência) = ciclos por 
segundo (1 Hz = 1 ciclo/s).
Ciclos de Clock
● Assumir que # de ciclos = # de 
instruções
– Essa consideração é apenas uma aproximação, pois 
diferentes instruções levam diferentes tempos para 
serem executadas. 
time
1ª inst rução
2ª in strução
3ª in struçã o 4ª 5ª 6ª
...
Quantos ciclos são requeridos por 
um programa?
● Multiplicação leva mais tempo que 
soma.
● Operações de ponto flutuante levam 
mais tempo que operações de inteiros.
● Acessar memória leva mais tempo que 
acessar registradores.
– Importante: alterando o tempo de ciclo muitas vezes 
altera o número de ciclos requerido para várias 
instruções.
tempo
Diferentes números de ciclos para 
diferentes instruções
● Computador A executa um programa em 
10 segundos e tem um clock de 4 GHz
● Computador B execute esse programa 
em 6 segundos e B exija 1,2 vez mais 
ciclos de clock do que o computador A
● Qual a velocidade de clock de B?
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Desempenho - Exemplos
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tempo de execução A=
ciclos de clock A
velocidade de clock A
10 s =
ciclos de clock A
4x109
A= 40 x109 ciclos
ciclos de clock
tempo de execuçãoB=
1,2 xciclos de clock A
velocidade de clock B
6 sxvelocidade de clock B=1,2 x 40 x10
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velocidade de clock B=8 GHz
Desempenho - Exemplo
● Um dado programa irá requerer
– Certo número de instruções (instruções de 
máquina)
– Certo número de ciclos
– Certo tempo em segundos
Agora que compreendeu-se o 
ciclo
● A única medida completa e confiável do 
desempenho é o tempo:
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Tempo= InstruçõesPr ograma X
Ciclos de clock
Instruções X
Segundos
Ciclos de clock
Tempo= Segundos
Pr ograma
Componentes de desempenho Unidades de medida
Tempo de execução da CPU de um programa Segundos para o programa
Contagem de instruções Instruções executadas para o programa
CPI Número médio de ciclos de clock por instrução
Tempo do ciclo de clock Segundos por ciclo de clock
Combinando os Fatores
● MIPS Milhões de instruções por segundo
● Número de instruções de código de 
máquina que o processador pode 
executar em um segundo
● Porém não é possível usá-lo como 
medida de desempenho
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MIPS= Nº de Instruções
Tempo de Execução X 106
Medida MIPS
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Component
e de 
hardware 
ou software
●Afeta o quê? ●Como?
● Algoritmo
● Contagem de 
instruções, 
possivelmente o CPI
● Determina o Nº de instruções do programa 
fonte executadas. 
● Pode favorecer instruções mais lentas ou 
rápidas.
● Linguagem de 
Programação
● Contagem de 
instruções e CPI
● Instruções da linguagem traduzidas em 
instrução do processador. 
● Pode usar chamadas indiretas (CPI mais 
altos).
● Compilador
● Contagem de 
instruções e CPI
●Afeta a contagem de instruções e a média de 
CPI já que determina a tradução da 
linguagem de programação para instrução
● Conjunto de 
instruções
● Contagem de 
instruções, velocidade 
de clock e CPI
●Afeta as instruções necessárias para função, 
o custo em ciclos de cada instrução e a 
velocidade geral do processador.
Desempenho de um Programa
● O desempenho é determinado pelo 
tempo de execução.
● As variáveis abaixo não determinam o 
desempenho:
– N° de ciclos para executar um programa;
– N° de instruções num programa;
– N° de ciclos por segundo;
– N° médio de ciclos por instrução; e
– N° médio de instruções por segundo.
Desempenho
● Considerar que temos duas implementações da 
mesma arquitetura do conjunto de instruções (ISA). 
Para certo programa:
Máquina A tem um tempo de ciclo de clock de 250 ps 
e um CPI de 2.0 
Machine B tem um tempo de ciclo de clock de 500 pse um CPI de 1.2 
● Qual máquina é mais rápida para esse programa, e 
por quanto?
Exemplo de CPI
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ciclos de clock A=Ix 2,0
ciclos de clock B=Ix 1,2
TempoA =ciclos de clock A x tempo do ciclo de clock A
Ix 2,0 x 250 ps=500 xIps
TempoB=ciclos de clock B x tempo do ciclo de clockB
Ix1,2 x 500 ps= 600 xIps
n=
tempo de execução B
tempo de execução A
=600 xIps
500 xIps
=1,2
● Um projetista de compilador está tentando decidir 
entre duas sequências de código para uma máquina 
particular. Baseado numa implementação de 
hardware, existem 3 classes diferentes de instruções: 
Classe A, Classe B, e Classe C, que requerem um, 
dois e três ciclos (respectivamente). 
A primeira sequência tem 5 instruções: 2 de A, 1 de 
B, e 2 de C
A segunda sequência tem 6 instruções: 4 de A, 1 de 
B, e 1 de C.
Qual sequência será mais rápida? Quanto?
Qual o CPI para cada sequência?
Exemplo de Nº de Instruções
● Determinação melhor do desempenho executando 
aplicações reais 
– Usa programas típicos de carga de trabalho (workload) desejada
– Ou, típicos de classes de aplicações desejadas
ex., compiladores/editores, aplicações científicas, gráficos, etc.
● Pequenos benchmarks
– Bom para arquitetos e projetistas
– Fácil para padronização
– Podem ser abusados (usados erroneamente)
● SPEC (System Performance Evaluation Cooperative)
– As companhias adotam um conjunto de programas reais 
– Podem ser abusados 
Benchmarks
● Gráfico de “melhoramento” do 
compilador 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
 ra
tio
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 Shallow water 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
SPEC'95
Dobrando a taxa de clock dobra o desempenho?
 Uma máquina com uma taxa de clock lenta pode 
ter um melhor desempenho? 
Clock rate (MHz)
S
P
E
C
in
t
2
0
4
6
8
3
1
5
7
9
10
200 25015010050
Pentium
Pentium Pro
Pentium
Clock rate (MHz)
S
P
E
C
fp
Pentium Pro
2
0
4
6
8
3
1
5
7
9
10
200 25015010050
SPEC'95
● As decisões de projeto devem favorecer 
os casos mais frequentes: tornar rápido 
o caso mais comum
● A lei de Amdahl define o speed-up (S), 
que consiste do ganho em desempenho 
que pode ser obtido ao melhorar 
determinada característica do 
computador.
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Lendas e Falhas
● Speed Up (S)
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S= desempenho de toda a operação usando a melhoriadesempenho de toda a operação sem usar a melhoria
S= tempo de execução de toda a operação sem usar a melhoriatempo de execução de toda a operação usando a melhoria
O Speed-up
● O speed up a partir de alguma melhoria 
depende de dois fatores
● A fração do tempo de computação na máquina 
original que pode tirar vantagem da melhoria 
(Fmelhoria): se 20s do tempo de execução de 
um programa, que leva 60s para ser executado, 
podem ser melhorados, a fração é 20/60;
● O ganho obtido com a execução da melhoria 
(Smelhoria): se a melhoria leva 2s para ser 
executada e a original leva 5s, o ganho é 5/2.
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Armadilha - Speed-UP
● O tempo de execução usando a 
máquina original com a melhoria (tenovo) 
será igual ao tempo gasto usando a 
parte da máquina sem melhoria mais o 
tempo gasto usando a melhoria
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tenovo =teantigo×((1−Fmelhoria )+ FmelhoriaSmelhoria )
Armadilhas - Speed-up
● O speed up total (Stotal) é a razão entre os 
tempos de execução
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S total=
teantigo
tenovo
= 1
(1−Fmelhoria)+
Fmelhoria
Smelhoria
Armadilhas - Speed-up
● Suponha uma melhoria que executa 10 
vezes mais rápido do que o original, mas 
é utilizada somente 40% do tempo
● A lei de Amdahl serve como um indicativo de quanto uma 
melhoria irá aumentar o desempenho total e como distribuir 
recursos para melhorar a relação custo/desempenho.
● O objetivo é investir recursos proporcionalmente aonde o tempo 
é gasto
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Fmelhoria=0 . 4
Smelhoria=10
S total=
1
0 .6+ 0 . 4
10
=
1
0 .64≈1. 56⇒
Armadilhas – Exemplo de Speed-up
Desempenho é específico a um 
programa particular.
O tempo de execução total é um 
resultado do desempenho.
Para que uma dada arquitetura 
melhore deve-se:
Aumentar a taxa de clock (sem afetar o 
CPI)
Melhorar a organização do processador 
para diminuir o CPI
Melhorar o compilador para diminuir o 
CPI e/ou número de instruções.
Conclusões
● Cuidado: não esperar que a melhoria do 
desempenho num aspecto de uma 
máquina melhore sempre o seu 
desempenho total!
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Conclusão
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	Slide 8
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	Slide 24
	Slide 25
	Slide 26
	Slide 27
	Slide 28
	Slide 29
	Slide 30
	Slide 31
	Slide 32
	Slide 33
	Slide 34
	Slide 35
	Slide 36
	Slide 37
	Slide 38