Bài giảng Kiến trúc máy tính - Tuần 2: Hiệu suất máy tính

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Tuần 2

HIỆU SUẤT MÁY TÍNH

03/2017

1

Hiệu suất

Mục tiêu:

Giới thiệu về các thông số liên quan và cách tính hiệu

suất của một bộ xử lý.

Slide được dịch và cá c hì nh được lấy từ sá ch tham khảo:

Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface,

Patterson, D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition,

2011.

03/2017

2

Hiệu suất

Thời gian đáp ứng (Response time): Cũng gọi là thời gian thực thi

(execution time), là tổng thời gian để máy tính hoàn thành một tác vụ

nào đó, bao gồm thao tác truy cập ổ đĩa, truy cập bộ nhớ, hoạt động

I/O, thời gian thực thi của hệ điều hành (operating system overhead),

v.v...

Thông năng/Hiệu suất (Throughput/Performance): Cũng gọi là

bandwidth, là số lượng tác vụ hoàn thành trong một đơn vị thời gian:

03/2017

3

Hiệu suất

◼ Hầu hết tất cả các máy tính đều cần một “đồng hồ”

để xác định khi nào một sự kiện/thao tác được thực

hiện trong phần cứng. Khối tạo ra các khoảng thời

gian định thời cho máy tính làm việc này được gọi là

khối tạo xung đồng hồ hay khối tao xung clock.

◼ Hai khái niệm liên quan đến xung đồng hồ:

• Chu kỳ xung đồng hồ/xung clock (Clock

cycle time/clock cycle/cycle time)

• Tần số xung đồng hồ/xung clock (Clock rate)

03/2017

4

Hiệu suất

◼ Chu kỳ xung đồng hồ và tần số xung đồng hồ

❖ Clock rate và Clock cycle time là nghịch đảo của nhau

03/2017

5

Hiệu suất

◼ Tính hiệu xuất dựa trên chu kỳ và tần số xung đồng hồ

• Dựa trên chu kỳ xung đồng hồ (Clock cycle/Clock cycle

time/cycle time):

• Dựa trên tần số xung đồng hồ (Clock rate):

03/2017

6

Hiệu suất

◼ CPI (clock cycle per instruction): Số chu kỳ xung clock cần để

thực thi một lệnh

03/2017

7

Hiệu suất

◼ MIPS (Million instructions per second): Một cách đo tốc độ thực

thi của chương trình dựa trên số lượng triệu lệnh trên giây. MIPS

được tính bằng số lượng lệnh chia cho tích của thời gian thực thi và

giá trị 10⁶.

IPS (Instructions per second): Số lệnh trên giây. Nếu đề bài chỉ yêu

cầu tính IPS thì không cần chia cho 10⁶

03/2017

8

Hiệu suất

Ví dụ 1.

Một chương trình máy tính chạy trong 10 giây trên máy tính A có

tần số xung clock 2GHz. Một nhà thiết kế mong muốn xây dựng máy

tính B chạy chương trình này chỉ trong 6 giây. Nhà thiết kế quyết định

tăng tần số xung clock cho máy tính B, nhưng việc tăng giá trị này ảnh

hưởng đến những phần thiết kế khác của CPU, khiến máy tính B yêu

cầu nhiều chu kỳ clock hơn máy tính A 1.2 lần để chạy chương trình.

Hỏi tần số xung clock nhà thiết kế dùng cho B là bao nhiêu?

03/2017

9

Hiệu suất

03/2017

10

Hiệu suất

Ví dụ 2.

Giả sử có hai cách hiện thực cho cùng một kiến trúc tập lệnh trên máy

tính A và máy tính B. Máy tính A có chu kỳ clock 250ps và CPI là 2.0

khi chạy một chương trình, và máy tính B có chu kỳ clock 500ps và

CPI 1.2 khi chạy cùng chương trình trên.

Máy tính nào chạy chương trình trên nhanh hơn và nhanh hơn bao

nhiêu?

03/2017

11

Hiệu suất

Lưu ý: Thời gian chạy

máy A nhỏ hơn máy B

thì máy A chạy nhanh

03/2017

12

hơn

.

Hiệu suất

Ví dụ 3. So sánh hiệu suất thực thi của đoạn mã chương trình:

Một người viết trình biên dịch (compiler) có hai đoạn/chuỗi code và đang cần

so sánh hai đoạn này với các thông tin như sau:

Tập lệnh máy tính chia làm ba nhóm lệnh và CPI của mỗi nhóm được nhà thiết

kế phần cứng của máy tính cung cấp:

Và hai đoạn code đang cần so sánh có số lượng lệnh tương ứng với mỗi nhóm

như sau:

Hỏi đoạn code nào tốn nhiều lệnh hơn? Đoạn code nào thực thi nhanh hơn? CPI của

mỗi đoạn?

03/2017

13

Hiệu suất

03/2017

14

Hiệu suất

03/2017

15

Hiệu suất

Tóm lại, những yếu tố cơ bản để quyết định hiệu suất máy

tính gồm:

Yếu tố

Đơn vị đo

Thời gian CPU thực thi một chương Giây (Seconds)

trình (CPU execution time)

Số lượng lệnh (Instruction count)

Số lượng lệnh được thực thi cho một

chương trình

CPI (Clock cycles per instruction)

Số lượng chu kỳ clock để thực thi một

lệnh

Thời gian một chu kỳ clock (Clock

Giây

cycle time)

03/2017

16

Hiệu suất

Hiệu suất của chương trình phụ thuộc vào thuật toán, ngôn ngữ, trình biên dịch, kiến trúc và phần

cứng máy tính. Bảng bên dưới tóm tắt sự ảnh hưởng của những yếu tố này lên hiệu suất của CPU.

Yếu tố phần

Tác động vào

Như thế nào?

cứng/phần mềm

gì?

Thuật toán

Số lượng

lệnh, và có

thể cả CPI

Thuật toán sẽ quyết định có bao nhiêu lệnh trong chương trình nguồn và theo

đó là số lượng lệnh mà CPU phải thực thi. Thuật toán cũng có thể ảnh hưởng

đến CPI về khía cạnh lệnh chạy nhanh hay chậm, ví dụ, nếu thuật toán có

nhiều phép tính trên số thực dấu chấm động (floating-point), khả năng sẽ có

CPI cao hơn.

Ngôn ngữ lập

trình

Số lượng

lệnh, CPI

Ngôn ngữ lập trình chắc chắn ảnh hưởng đến số lượng lệnh, vì các chương

trình viết bằng ngôn ngữ lập trình sẽ được chuyển thành lệnh cho bộ xử lý.

Ngoài ra, CPI cũng có thể bị ảnh hưởng, ví dụ, một ngôn ngữ có tính năng

hỗ trợ mạnh về trừu tượng hóa dữ liệu (như Java) sẽ có nhiều lời gọi lệnh

không trực tiếp, do đó sẽ sử dụng nhiều lệnh có CPI cao.

Trình biên dịch

Số lượng

lệnh, CPI

Vì trình biên dịch thực hiện việc chuyển các lệnh từ ngôn ngữ cấp cao sang

ngôn ngữ máy nên chắc chắn tác động đến số lượng lệnh và CPI. Vai trò của

trình biên dịch rất phức tạp và ảnh hưởng đến CPI theo một cách phức tạp.

Kiến trúc tập lệnh Số lượng

Kiến trúc tập lệnh tác động đến cả 3 yếu tố của hiệu năng CPU, vì nó quyết

định các lệnh cần để thực hiện một chức năng, số lượng chu kỳ cho một

lệnh, và tần số clock tổng quan của bộ xử lý.

lệnh, tần số

xung clock,

CPI

03/2017

17

Hiệu suất

Tổng kết:

Các khái niệm cơ bản liên quan đến hiệu suất của máy tính đã

được trình bày:

▪ Chu kỳ/Tần số xung clock

▪ Thời gian thực thi, hiệu suất

▪ CPI

▪ MIPS/IPS

03/2017

18

Hiệu suất

❖ Lý thuyết: Đọc sách tham khảo

• Mục 1.4

• Sách: Computer Organization and Design:

The Hardware/Software Interface,

Patterson, D. A., and J. L. Hennessy,

Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition,

2011.

❖ Bài tập: file đính kèm

03/2017

19