Informatika | Számítógép-architektúrák » CPU teljesítmények, processzorok ciklusideje

3. CPU teljesítmények, processzorok ciklusideje Minden mi krocsip - legyen a z mi kroprocesszor v agy me móriacsip, v agy akár k ülönleges f unkciókat e llátó integrált á ramkör - tulajdonképpen h atalmas mennyiségű tranzisztor olyan együttese, amelyeket a feladatok elvégzéséhez különbözőképpen összekapcsolnak. Manapság kb 15 millió tranzisztor helyezhető el egy lapkába. A bináris információk előállítása tulajdonképpen a lapka bizonyos pontjai magas ill. alacsony feszültségszintjeinek előállításából vagy a feszültségszintek változásának előállításából áll, viszont a mikrocsip áramköreiben a jelek átalakítása, lefutása időigényes. A m ikrocsip - köztük a C PU - ún. ciklusokban működik, valamilyen frekvenciával A ciklusok közben tranziens állapotok vannak, a ciklusok végén állnak be a 0, 1 bit információt hordozó feszültségszintek vagy szintváltozások. A mikroprocesszor valamilyen óraeszközről leosztva

kapja a meghajtó frekvenciát, amivel működik. Így pl beszélhetünk 25 MHz-es Intel 386-os mikroprocesszorról stb. Minél magasabb a f rekvencia, annál „gyorsabb” a mikroprocesszor. Egy-egy gépi instrukció v égrehajtására e gy, k ét, né hány t íz, vagy a kár néhány száz ciklusra is szükség lehet. 3. 1 Processzor teljesítmények (Processor performance) Egy C PU t eljesítménye mé rhető azzal az idővel, ami egy meghatározott feladat (program, algoritmus, benchmark test) teljesítéséhez szükséges. F = C * T I [ idő / feladat ] ahol: C: utasításra eső ciklusok száma, T: ciklus ideje (óra sebesség), I: feladatra eső utasítások száma. Bármelyik tényező csökkentése növeli a teljesítményt. 3. 2 Teljesítmény értékelési módok 3. 2 1 MIPS: Million Instruction per Second MIPSi: az i. u tasítást 1 sec alatt hány milliószor tudja végrehajtani a processzor MIPSi = 1 / ( T * Ci) Egy példa: 32 MHz 80386 T = 31.25 nsec i C MIPSi

Register to Register 2 16 MIPS Register to Memory 7 4.5 MIPS Protected Mode Task Switch 200 - 300 0.1 MIPS Látható: elég nagy az eltérés az egyes utasítások MIPS értékei között. A gyártók „átlag” MIPS-et adnak meg: valahogy meghatározzák az utasítások valószínűségét, és ezzel súlyozott átlagot adnak. Így pl a gyártója 4.5 MIPS-et állít erről a CPU-ról Egyszerű és a felhasználó által is érthető mérőszám. A gyorsabb gépek nagyobb M IPS-szel r endelkeznek, a mi me gfelel a s zándéknak. A problémák viszont a következők: - a MIPS függ az utasításkészlettől, ezért nehezen vethetők össze a különböző utasításkészletű gépek; - a MIPS ugyanazon a gépen is más programnál más értékű; - a MIPS a teljesítménnyel fordított arányban is változhat. Erre a klasszikus példa az opcionális lebegőpontos processzorral rendelkező gép. Mivel a lebegőpontos műveletek lebegőpontos utasításonként több

óraciklust igényelnek, mint a fixpontos utasítások, ezért a lebegőpontos programok a lebegőpontos szoftver-rutinok h elyett a z o pcionális le begőpontos hardvert használva rövidebb idő alatt futnak le, de alacsonyabb MIPS értéket érnek el. A szoftver lebegőpontos feldolgozás egyszerűbb utasításokat ha jt v égre, me ly ma gasabb MI PS é rtéket e redményez, de annyival tö bb u tasítást kell végrehajtania, h ogy a teljes végrehajtási idő hosszabb lesz. Fajtái: 1) Eredeti (native) MIPS Erről beszéltünk korábban. 2) Csúcs (peak) MIPS Ez az alapértelmezés: a p rocesszor hány milliót tud megcsinálni a l eggyorsabb műveletéből (ilyen például a NOP), tehát nem csinál semmit. Végső soron csalás, a processzor semmilyen számítást nem végez. 3) EDM MIPS, Dhrystone MIPS Speciális célú tesztprogramokat futtatunk. 4) Relatív MIPS - IBM 370/158-on futó kis program futási ideje volt az első - ezt s ikerre a V AX 11/ 780-on f utó p

rogram v itte, m elyet 198 0-as évek végétől VUP (VAX Unit of Performance)-nak hívtak - később a legelterjedtebb a PC-XT teljesítményét egységként kezelő programok, pl. a Checkit is használja, s ennél a következő eredmények adódtak: Típus CPU MATH 386, 25 MHz 18,89 18,50 486, 66 MHz 85,49 1730,29 Pentium 133 MHz 341,94 5974,74 A második sor utolsó oszlopában lévő szám azt mutatja, hogy ennek a sebessége 1730,29-szorosa a PC-XT-jének. Nyilvánvaló, hogy ez a hatalmas (százszoros!) növekmény a beépített lebegőpontos aritmetikának köszönhető. A MIPS egyszerű és népszerű sebesség jelző. Gond, hogy a felhasználók „workload”-ja ritkán egyezik a gyártókéval! Pl. más ez tudományos számításokra, más adatbázis kezelésre További go nd a MI PS-szel: a z a rchitektúrák n em vethetők össze igazán. (Pl. a z e gyiknél v an „ cache” ha sználat, a másiknál nincs, e gyiknél v an „pipe-line”, másiknál nincs).

3. 2 2 MFLOPS: Million FLoating-point Operations Per Second) Nyilvánvaló, hogy a MFLOPS sebesség függ mind a géptől, mind pedig a programtól. Mivel e mértékegység szándéka a lebegőpontos műveletek mérése, ezért ez nem alkalmazható ezen a körön kívül. Egy extrém példa: a compiler 0-hoz közeli MFLOPS értékkel rendelkezik. Érdektelen, hogy az architektúra m ilyen g yors, m ivel a c ompiler ritkán használ lebegőpontos műveletet. Ez a mértékegység műveleteken alapul, s nem pedig utasításokon s a célja a különféle gépek e lfogultságmentes ö sszehasonlítása. Az a z e redeti elképzelés, hogy ugyanaz a program különböző gépeken futva különféle számú utasítást hajt végre ugyan, de azért ugyanolyan számú lebegőpontos műveletet végez el. - Sajnálatos m ódon a M FLOPS a z u tasítás-készlettől mégsem függetleníthető, mivel a lebegőpontos utasításkészlet a különféle gépek között nem konzisztens. Például míg

a Cray-2-nek nincs lebegőpontos osztása, addig a Motorola 68882 rendelkezik osztással, négyzetgyökvonással, sinus és cosinus művelettel - A másik probléma, hogy a MFLOPS sebesség nem csupán az integer és lebegőpontos műveletek keverési arányával változik, hanem a gyors és lassú lebegőpontos műveletek arányával is. (Egy 100%-ig lebegőpontos összeadást tartalmazó program gyorsabb lesz, mint egy 100%-ig csak lebegőpontos osztást tartalmazó program.) Mindkét pr obléma megoldása, ho gy a f orrásprogram t artalmazzon egy stabil számú lebegőpontos műveletet és azt osszuk el a végrehajtási idővel. A Livermore Loops benchmark szerzői a programonkénti normalizált lebegőpontos műveletek számát számítják, a forráskódban éppen megtalált műveleteknek megfelelően Például egy olyan utasítássorozat, amely tartalmaz egy ADD, egy DIVIDE és e gy S IN m űveletet, az 13 normalizált lebegőpontos műveletként jön számításba. Í gy a

natív MFLOPS nem egyezik me g a no rmalizált M FLOPS értékkel. 3. 2 3 Korszerűbb sebességmeghatározások „Benchmark”-okon a lapulnak. K ialakítanak szabványos (standard) te rhelés-osztályokat, és ezek idejét mérik Ilyenek: 3. 2 3 1 Whetstone Benchmark Kidolgozó: National Physical Laboratory in Whetstone, GB, 1970-76. Kisméretű, mérnöki és tudományos programokat reprezentáló benchmarkot állítottak elő single- és do uble pr ecision F ORTRAN pr ogramként. A z eredményeket KW IPS-ben (thousands o f W hetstone i nstruction pe r second) mérik. 3. 2 3 2 Livermore Loops Benchmark Kidolgozó: Lawrence National Laboratory in Livermore, CA. (1980-86) Nagy, s zuper-számítógép r endszerek be nchmark-ja. Ú gy i s is mert, m int Livermore FORTRAN Kernel. Alkalmas széleskörű tudományos feladatokhoz, beleértve az I/O-t, grafikát és a memória menedzselési feladatokat 24 r utinja a z er edményeket MF LOPS-okban a dja (Millions F loating-Point

Operation per Second). 3. 2 3 3 Dhrystone Benchmark Kidolgozó:Dr. Reinold Weicker, Siemens (1984) ADA programként Átírta: Rick Richarson (1986) C nyelvre. Méri a p rocessor és a f ordító ( compiler) h atékonyságát. R endszerprogramozási környezetet reprezentál Mértékegysége: Dhrystone instruction per second. Megkülönböztetünk Dhrystone V1 és V2 változatokat. A V1 tartalmaz soha nem f utó u tasításokat (d ead c ode) is, m elyeket a f ordító (o ptimizing compi-ler) kiszűrhet. A V2-ben minden utasítást fordítanak, futtatnak: egy jó fordító magasabb Dhrystone rátát ad a V1-re, mint a V2-re. 3. 2 3 4 Linpack 100 *100 és 1000 1000 Benchmark (1981) A L inpack F ORTRAN-ban í rt l ineáris e gyenletrendszer-megoldó pr ogram, mátrixok lebegőpontos összeadásait és szorzásait tartalmazza. Az eredményeket MFLOPS-ban adja. 3. 2 3 5 TPC Benchmark A Kidolgozó: Transaction Processing Performance Council (1988). Kereskedelmi tranzakció feldolgozó

rendszerekhez kidolgozott teljesítmény mérő rendszer. Olyan komponenseket tartalmaz, amelyek on-line tranzakció f eldolgozási k örnyezet f eladatainak m érését b iztosítják, h angsúlyt h elyezve az adatbázis szolgáltatásokra (ezen belül is az intenzív update-ra) Az o n-line tr anzakció f eldolgozási környezetek (O n-Line T ransaction Processing: OLTP environments) a következőkkel jellemezhetők: • többszörös te rminál ü lések (m ultiple o n-line te rminal s essions) lé teznek, • jelentős a diszk I/O, • mérsékelt a rendszer és alkalmazás végrehajtási idő, • a tranzakció integritás biztosítandó. A TPC-A mérőszámai a tpsA, illetve a $/tpsA. A TPC Benchmark A specifikáció előírja, hogy az eredmények mellett közölni kell a mért rendszer részletes H W és S W le írását is (P l. D EC 3 000/800S AX P C /S h ardveren DEC OSF/1 AXP V13A-4 operációs rendszer mellett ORACLE V7.013 adatbázis-kezelővel a tpsA=18602, ill a

$/tpsA=6503) 3. 2 3 6 Dongarra teszteredmények Dongarra je lentése s zámítógép teljesítményeket h asonlít ö ssze lin eáris egyenletrendszereket me goldó pr ogramokkal. Az ö sszehasonlításba m integy s záz g épet v ett b e, a C RAY Y -MP s zuperszámítógéptől kezdve, az Apol-lo és Sun munkaállomásokon át egészen az IBM személyi számítógépekig. Az összehasonlításhoz használja a • LINPACK 100*100 Benchmark-ot (eredmények Mflops/s-ban), • a T PP-t (A L INPACK 1 000*1000 e gy módosított v áltozatát) (e redmények Mflops/s-ban) és az • „elméleti c súcs te ljesítmény” (t heoretical p eak p erformance) é rtéket (Mflops/s). Ezekből az elméleti csúcs teljesítményt kell magyarázni. Ez azon lebegőpontos ös szeadás é s sz orzás i nstrukciók sz áma, m elyeket 1 se c al att k é- pes a gép elvégezni. Ezt az értéket a számítógépgyártók gyakran emlegetik, és ez tulajdonképpen a teljesítmény felső határát

reprezentálja: garantált, hogy ezt az értéket nem haladhatják meg a valós programok (ha úgy tetszik, ez az adott gép „fény sebessége”). Például, a C RAY Y -MP/8 c iklusideje 6 nsec. Egy c iklus a latt 2 ö sszeadást, ill. 2 szorzást képes egy processzor elvégezni Ezzel egy proc elm csúcs telj.=(2 operáció/1 ciklus)*(1 cikus/6 nsec)=333 Mflops/s. Mivel a C RAY Y -MP/8 8 p rocesszort ta rtalmaz, a z e lméleti c súcs teljesítménye: 2667 Mflops/s. 3. 2 3 7 SPEC Benchmark Suites (SPEC készletek) SPEC: S tandard Pe rformance E vaulation C orporation, 1 989-ban a HP , a MIPS, Su n é s a z Apollo a lapította. 1 990-ben a z I BM, F ujitsu, Siemens, DEC, Intel, Motorola, AT&T, Unisyc csatlakozott. A c él a z, h ogy a lkalmazás o rientált, o bjektív te szteket (w orkload-okat) alakítsanak ki, azonosítsanak, melyek egy közös referencia géphez viszonyítva alkalmasak a különböző rendszerek teljesítményeinek összevetésére. K ezdetben 1 0 t esztet

(r eal w orkload-ot) á llítottak ö ssze, m elyek e lég nagyok (nem lehet az egészet a cache-ből kiszolgálni!). Egy-egy teszt minősítő mértéke az ú.n SPEC ratio: SPEC ratio = futási idő / DEC VAX-11-780 futási idő azaz, referencia gépnek a DEC VAX-11-780-as gépét választották. (Ez egy nagyon elterjedt gép volt, és ez volt az ú.n 1 MIPS-es gép!) Amikor egy gépet jellemezni akarunk, meg kell adni a 10 SPEC ratio értéket, illetve ezek geometriai átlagát, ami az ú.n SPEC mark érték 1995-ben - a kor igényeinek megfelelően - megújították a SPEC összehasonlítási rendszert. A SPECint95, vagy egyszerűen CINT95 a CINT92 továbbfejlesztése, és természetesen megújult a SPECfp (CFP95) is A v iszonyító g ép (amire „ normalizálnak”) a Su n SP ARCstation 1 0840 g ép le tt (40MHz-es SuperSparc processzorral, L2 Cache nélkül). A SP ECint95-höz, S PECfp95-höz t artozik e gy alap (baseline) minősítő szám i s, en nek n evei r endre S PECint

base95, S PECfp base95. A z SPECxxx base95 minősítés és a SPECxxx95 (baseline) minősítés közötti különbség tulajdonképpen az, hogy baseline esetén a teszteket „konzervatív” optimáló fordítóval fordítják, míg az egyszerűnél agresszív optimáló compilerrel. A CINT95 tesztjei a következők: • 099.go - AI, go játékprogram • 124.m88ksim - Moto88K chip szimulátor • 126.gcc -GCC egy verziója • 129.compess - (memóriában) fájl tömörítés/kitömörítés • 130.li - LISP interpreter • 132.ijpeg - grafikus kompresszió/dekompresszió • 134.perl - szöveg manipulálás (anagrammák, prímszámok) • 147.vortex - egy AB program Ezekkel a SPECint95: a 8 te szt n ormalizált e redményének (a lapgéphez v iszonyított hányad) geometriai átlaga, agresszív fordítás mellett. SPECint base95: a 8 t eszt e redményének ( a v iszonyszámnak) geometriai átlaga, k onzervatív (n ormális, n em k ülönleges) o ptimálás mellett. A

SPEC95-ben 10 lebegőpontos tesztet határoztak meg. Ezek: • 101.tomcat - hálógeneráló • 102.swim - 1024*1024 griden hullámzó víz modell • 103.su2cor - Monte-Carlo szimuláció quantumfizikában • 104.hydro2d - hidrodinamikai egyenletek megoldása • 107.mgrid - 3D feszültségmező számítások • 110.applu - parciális diff egyenletek megoldása • 125.turb3d - csőben turbulencia szimulálása • 141.apsi - meteorológiai szimuláció (hő, szél, pollenszennyezés) • 145.fpppp - quantum-kémiai problémamegoldás • 146.wave5 - elektromágneses tér szimuláció (plazmafizika) Ezek után a SPECfp95: a 10 teszt normalizált eredményének (alapgéphez viszonyított hányad) geometriai átlaga, agresszív fordítás mellett. SPECfp base95: a 10 teszt eredményének (a viszonyszámnak) geometriai átlaga, k onzervatív (n ormális, n em k ülönleges) o ptimálás mellett. Megjegyezzük, hogy a SPECxxx95 mérőszámok ún. sebesség

mérőszámok: a zt mo ndják meg, ho gy a célgép milyen gyorsan o ld me g feladatotokat, v agy há nyszor gy orsabban o ldja me g a f eladatokat a z a lapgéphez viszonyítva. Ezek a mérőszámok alapvetően egy processzoros gépek jellemzésére, ö sszehasonlítására al kalmasak csak ! N em al kalmasak több processzoros gépek összevetésére. 3. 2 10 Többprocesszoros gépek összevetése 1992-ben bejelentette, és 1995-ben továbbfejlesztette a többprocesszoros gépek ö sszehasonlítására i s al kalmas m érési r endszerét a S PEC. A SPECxxx ratexx mérőszámok nem sebességet, hanem munkavégzési képességet m érnek (viszonyítva persze az alapgéphez). A módszer a tesztprogram szövetre alapozva azt méri, hogy adott idő alatt mennyi munkát tud a rendszer elvégezni. Az ú j mérték a SP ECrate, e z kapacitás mérték, nem azt adja, milyen gyorsan tud elvégezni a rendszer valamilyen feladatot, hanem, hogy mennyit tud elvégezni egy feladatból egy adott

idő alatt. Egy teszt SPECrate-jának kiszámítási formulája: SPECrate = #CopiesRun * ReferenceFactor UnitTime / Elapsed ExecutionTime A SPECint rate92 a CINT92 6 benchmark SPECrate-jának geometriai átlaga, m íg a SPECfp rate92 a C FP92 k észlet 2 2 te szt SP ECrate-jának ge ometriai átlaga. A mostani mérőszámok megvannak a konzervatív és az agresszív o ptimálással is, így is merünk S PECint rate95-öt, SPECint rate base95-öt, S PECfp rate95-öt, v égül S PECfp rate base95 mérőszámot is. 3. 3 A CPU teljesítmény növelés módszerei Nem strukturális módszerek 1. Az órajel frekvencia növelése (T csökkentése) Ma már kaphatók 1,5-2 GHz-es processzorok 2. Az instrukciók számának csökkentése a feladathoz (I csökkentés): optimált fordítás (compilálás) Strukturális módszerek 1. Az utasításokra eső ciklusok számának csökkentése (C csökkentés) 2. Párhuzamos architektúrák, átlapolt feldolgozás 3. 4 A CISC és a RISC

architektúrák 3. 4 1 CISC: Complex Instruction Set Computer Történelmileg a számítógépiparban a C ISC architektúrájú gépek do mináltak. A piac nyomására, hogy megőrizzék a kompatibilitást, megtartva a régi utasításkészletet, egyre bonyolultabb gépi instrukciókat vezettek be a CPU családokon belül, ahol is a so kféle instrukcióval kényelmes gépi kódú programozás lehetséges, és megfelelő hatékonyságú kódot lehet generálni a magasszintű nyelveken írt programokhoz is. A nagy instrukciókészlet viszont nagy belső mikroprogramtárat igényel. A CISC jellemzői: • Sok, akár néhány száz, közöttük több összetett instrukció: sokminden a mikrokódban, amit a VLSI technika lehetővé is tesz. • Bonyolultabb címzési módok lehetségesek, emiatt viszont • változó h osszúságúak a z i nstrukciók. Ez m int látni f ogjuk, n ehezíti a pipe-line feldolgozást. • A gépi instrukciók változó ciklusidőt, a komplexebbek

meglehetősen nagy ciklusszámot igényelnek. Ez is nehezíti az átlapolt feldolgozást • Az assembly programozás feltétlenül egyszerűbb: a komplex instrukciók v alóban k omplex f eladatokat o ldanak m eg. A compilerek í rása i s könnyű. • Viszonylag kevés regiszter van. Neves CISC processzorok az Intel 286/386/486 és a Pentiumok, a Motorola 68000 család processzorai, a DEC VAX processzora stb. 3. 4 2 RISC: Reduced Instruction Set Computer Újabb f elfogás sz erint a teljesítmény növelhető redukált instrukciószámú processzorokkal, a hol v iszont a h ardver, a f irmware é s s zoftver k özött sokkal kifinomultabb és igényesebb együttműködés lehetséges. A koncepció statisztikai felmérések alapján merült fel, amikor azt vizsgálták, hogy a szoftverek hogyan használják a processzor erőforrásait. Kiderült, hogy túlnyomórészt az egyszerűbb instrukciók dominálnak még a CISC architektúrákban is. Hiába implementálták a komplex

instrukciókat, azokat ritkán használják Egy csökkentett instrukciókészletű processzor, ami tipikusan 5 0-80 instrukciót jelent, és a melynél s zemben a C ISC f elépítéssel a z instrukciók dekódolására fix logikát alkalmaznak, nagyságrenddel nagyobb ütemezési sebességgel tud dolgozni. Az amúgy is domináló egyszerű instrukciók mellet a felmerülő komplexebb feladatok - kicsivel több kóddal, de optimált compilálással segítve - azért elvégezhetőek maradnak. Valószínűleg hosszabb lesz a kód, de a cache memória ezen is segíthet, a háttértároló kapacitás pedig egyre kevesebb gond a fejlődés során A RISC fejlődést teszi lehetővé az a tény is, hogy a gyorsító memóriák (cache) is fejlődnek, a processzor mikrokód helyettesíthető az egyre gyorsabb cache memóriákkal. A RISC architektúrák jellemzői: • Csak a legalapvetőbb instrukciók léteznek gépi szinten, viszont • meglehetősen sok regiszter van. Ennek előnye

nyilvánvaló, kevesebb a tárművelet, sok a regiszterművelet. • fix a kódhosszúság, egyszerűek a címzési módok: biztosított az ortogonalitás és a szisztematikus kódolás és ezek miatt • egyszerű a dekódolás és gyors is. Az utóbbi három pont eredménye, hogy a C kicsi! • A R ISC p rocesszorokat e leve az o perációs r endszerekhez é s a compilerekhez igazítottan tervezik. Ezért az I kicsi • Az egyszerű instrukciók nemcsak egyforma hosszúságúak, hanem egyforma ciklusidőt igényelnek, ezért az ún. „pipe-line” feldolgozás könynyű Ez azt jelenti, hogy kicsi lehet a T • Egyetlen h átrány lá tszik: a b onyolultabb f eladatokat in strukció- szekvenciákkal k ell m egoldani, e z a p rogramok m éretét, - hosszát növelheti. Híres RISC processzorok A D EC c ég 21064 Alpha p rocesszora 200 M Hz-es ó rajellel 400 M IPS-re, 200 MFLPOS-ra képes. A MIPS cég R3000 RISC processzora működik a Silicon Graphics Indigo

munkaállomásaiban. Az SGI Power Series (zeus) 4 db R3000 processzort tartalmaz. Az Indi2-ben R4000 van, stb A He wlet P ackard h íres R ISC p rocesszorai a P A-RISC p rocesszorcsalád tagjai. A HP-9000 munkaállomások mind PA-RISC architektúrájúak A S UN S PARCstation m unkaállomások, S PARCserverek p rocesszorai a SPARC RISC processzorok. Az IBM is előrukkolt; ismerjük a RISC/6000 POWER processzorcsaládját (gold, silver), a PowerPC processzorát. Néhány 64 bites RISC processzor jellemzői: Mikroprocesszor Alpha 21164 MIPS 10000 PowerPC 620 Gyártó DEC MIPS IBM&Motorola SUN 32/32 32/32 16/16 A lapkán lévő adat/instr. 8/8 primary cache, KB 96 secondary UltraSparc Címtartomány 240 240 240 241 A független egységek száma (int, fp stb) 4 5 6 9 Max instr./ciklus 4 4 4 4 Instr. átrendezés Nem Igen Igen Igen Előrehozott elágazás figyelés Nem Igen Igen Igen Óra sebesség, MHz 300 200 133 167 Memória busz szélesség

128 64 128 128 Becsült SPECint92 330 300 225 275 Becsült SPECfp92 500 600 300 305 Tranzisztorok száma, mill 9.3 6.4 7 3.8 Teljesítményfelvétel, W 30 30 30 50