Arhitektura i organizacija racunara

1.

Iskazivanje Iskaziv anje performansi perfor mansi procesora proces ora

Računare možemo ocenjivati na osnovu različitih pokazatelja: po performansama, ceni, potrošnji energije, težini, pouzdanosti, dizajnu itd. Za većinu korisnika, performanse su, pored cene, najvažniji pokazatelj. toga je uloženo puno truda da se do!e do načina za iskazivanje i merenje performansi računara. "ada kažemo da jedan računar, recimo #, $rži od drugog računara, recimo %, imamo u vidu da računar # izvršava programe za kraće vreme od računara %. &ri tome kao meru koristimo vreme odziva 'response 'response time( odre!eno kao vremenski interval od početka do završetka izvršenja programa. )mesto ovog o$ično koristimo termin vreme izvršenja 'e*ecution 'e*ecution time(. ) računarskim centrima, koji dnevno izvršavaju veliki $roj programa, za meru će se radije koristiti  propusnost  propusnost 'throughput(, odre!en kao o$im posla o$avljen u jedinici vremena. "aže "ažemo mo da je računa računarr #, n puta $rži $rži od računara računara % ako je vreme vreme izvršenja izvršenja za računar računar #, n puta kraće od vremena izvršenja računara %:

Vreme + izvršenja n= Vreme + izvršenja

 y

 x

&ošto su performanse recipročne vremenu izvršenja:

 Performanse n=  Performanse

 x  y

"ako je i propusnost srazmerna recipročnoj vrednosti vremena izvršenja:

&r opusnost  n= &r opusnost 

 x  y

 performanse poboljšane to znači da su one  povećane, a ako kažemo da je vreme izvršenja "ada kažemo da su  performanse po$oljšano to znači da je smanjeno . vo vreme izvršenja je relativna veličina jer ono zavisi ne samo od vremena rada procesora, već i od vremena pristupa pristupa memoriji memoriji,, ulaznoulazno-izla izlazni znihh aktivno aktivnosti sti i interven intervencija cija operati operativno vnogg sistema. sistema. vo znači znači da se vreme vreme izvršenja mora preciznije definisati. Vreme Vreme izvršenj izvršenja a central centralnog nog proceso procesora ra '&) time( je vreme koje procesor utroši na izvršenje programa, isključujući čekanje na )-/ aktivnosti i izvršenje drugih programa. 0asno je da je vreme odziva programa duže od vremena rada centralnog procesora '&(, pa će se i performanse izračunate na osnovu ovih vremena razlikovati. 1reme rada &-a može se dalje rasčlaniti na vreme koje & provede u samom programu, korisničko vreme rada CP-a , i vreme koje & provede u operativnom sistemu, izvršavajući sistemske zadatke zahtevane od programa, sistemsko vreme rada CP-a  )ticaj drugih programa na mereno vreme odziva programa isključuje se na neopterećenom sistemu, koji izvršava samo taj program. &erformanse do$ijene u ovim uslovima na osnovu vremena odziva programa su  performanse  performanse sistema, a performanse do$ijene na osnovu vremena rada  performanse &-a. &-a su performanse &erformanse računara ili procesora možemo do$iti merenjem vremena odziva programa ili vremena rada &-a pri izvršenju programa. Za pore!enje performansi različitih proizvo!ača, tre$alo $i koristiti iste programe sa istim ulaznim podacima. 2i programi $i tre$alo da o$uhvataju ista programska rešenja kao i tipične aplikacije za namenu računara čije performanse odre!ujemo. &rogram koji se koristi u te svrhe sa pridruženim ulaznim poda podacim cimaa pozna poznatt je kao benčmark   '$enchmark(. 3enčmark programi su o$ično specijalno napravljeni za merenje performansi računara, procesora ili )-/ sistema računara i oni se nazivaju sintetički benčmark programi 's4nthetic $enchmarks(. ni se ne mogu koristiti u druge svrhe, kao aplikacioni programi. intetički $enčmark programi sadrže smešu instrukcija koja tre$a da odgovara učestanosti pojavljivanja operacije i operanada u velikom skupu realnih programa. sim realnih i sintetičkih programa, za merenje performansi koriste se i  jezgra  'kernels(. 0ezgra su mali delovi programa, koja se koriste samo za ocenu performansi. /zveštaji o performansama na osnovu &5 skupova $enčmark programa tre$a da sadrže kompletan opis računara i korišćenog softvera i $roj korisnika računara. vakav potpuni skup uslova u kojima je testiranje o$avljeno tre$a  ponovljivost  do$ijanja da o$ez$edi  ponovljivost   do$ijanja istih rezultata.

Za projektante računara i upućene korisnike neophodno je da znaju koji činioci utiču na vreme rada procesora pri izvršenju izvršenju programa programa.. Rad najvećeg najvećeg $roja $roja savreme savremenih nih računar računaraa diktiran diktiran je taktnim signalima! taktovima! 'clock( fiksne učestanosti. 2akt je periodični signal, sa odre!enom  periodom takta  ili ciklusom takta ' "  (. avremeni procesori rade na više stotina 67z do nekoliko 87z, stoga su i odgovarajuće periode takta od nekoliko ns do ispod jedne ns. 1reme rada procesora pri izvršenju programa može se izraziti kao: Vreme + rada + CP = $roj + taktni# + ciklusa + za + program ×  Perioda + takta ili C 

Vreme + rada + CP

=

$roj + taktni# + ciklusa +  za +  program %ces tan ost  + takta

.

sim merenja $roja taktnih ciklusa pri izvršenju programa programa '32(, možemo meriti i $roj izvršenih izvršenih instrukcija u programu '3/(. Znajući $roj taktnih ciklusa pri izvršenju programa i $roj izvršenih instrukcija u programu, možemo izračunati prosečan $roj taktni# ciklusa po instrukciji , &/ 'c4cles per instruction(: $"C 

CP&  =

$& 

1eličina &/ pruža informacije o stilu skupa instrukcija računara i njegovoj implementaciji. " CP = $&  × CP&  ×" C  , gde je "   vreme rada procesora. davde se vidi da performanse procesora zavise od $roja instrukcija u programu, taktnih ciklusa po instrukciji i periode takta ili učestanosti takta. 1rednosti ovih parametara uslovljeni su $rojem instrukcija, &/-em i periodom takta. "ada u izvršavanom programu imamo grupe instrukcija sa istom vrednosti &/, $roj taktnih ciklusa procesora možemo izračunati kao: CP

n

$"C  =

∑ CP& i ⋅$& i , gde $&   predstavlja $roj pojavljivanja instrukcija sa vrednošću i

CP& i  u programu.

i= 9

MIPS MI PS i MFLO M FLOPS PS 'Million Instructions Per Second(  je $roj miliona izvršenih instrukcija u sekundi. Za dati program 6/& se 2.

do$ija kao:  '&P( =

br.instrukcija vreme + izvrsenja × $( nosi oznaku n-1. $a rešenja imaju prednosti i nedostatke. &rvo rešenje, u kom$inaciji sa adresiranjem repa, daje konzistentan redosled $ajtova i $itova u podatku. /sto važi i za drugo rešenje u kom$inaciji sa adresiranjem glave. Erugo rešenje, me!utim, ima taj nedostatak da pri posmatranju n-to $itnog podatka kao $inarnog $roja, cifra u poziciji i ima težinu A n-i- ime 0B>R 47

3ranch if eTual zero and link 'grananje i povezivanje ako je nula(

35ZB> 4, u koje se smeštaju rezultati operacija množenja, deljenja, i množenja i akumuliranja, &rogramski $rojač &, koji nije arhitekturno vidljivi registar, na koji se samo indirektno utiče nekim instrukcijama ?A =& registra opšte namene '=&R(, koji o$razuju polje =& registaraU svi =& registri raspoloživi su za korišćenje u operacijama sa =& podacima jednostruke preciznostiU =& podaci dvostruke preciznosti čuvaju se u paru susednih =& registara, od kojih je prvi sa parnim a drugi sa neparnim indeksom K =& upravljačkih registara, čija je uloga da identifikuju =& jedinicu i upravljaju njome. Registri koje definiše 6/&?A prikazani su na slici. Eva od ?A 8&R registra imaju pose$ne namene: R9 je ožičen na sadržaj 9 'on zapravo i nije pravi registar(U on se može koristiti kada je potre$na vrednost 9 ili kao odredišni registar kada rezultat tre$a od$aciti, R?< je odredišni registar u instrukcijama 0B>, 3>2ZB>, 3>B2ZB>>, 385ZB> i 385ZB>> $ez njegovog eksplicitnog navo!enja u ovim instrkcijamaU van njih on se koristi kao i drugi 8&R registri. •

• •

• •

•

•

•

•

•