Desempenho

$$Desempenh{o}_X=\frac{1}{{\text{Tempo de execuc¸a˜o}}_X}$$

Normalmente queremos relacionar o desempenho e dois computadores diferentes quantitativamente. Usaremos a frase “X é n vezes mais rápido que Y” - ou, “X tem n vezes a velocidade de Y” - para indicar:

$$\frac{{\text{Desempenho}}_X}{{\text{Desempenho}}_Y}=n$$

Se X for n vezes mais rápido que Y, então o tempo de execução em Y é n vezes maior do que em X

$$\frac{{\text{Desempenho}}_X}{{\text{Desempenho}}_Y}=\frac{{\text{Tempo de execuc¸a˜o}}_Y}{{\text{Tempo de execuc¸a˜o}}_X}=n$$

Exemplo §

Se o computador A executa um programa em 10 segundos e o computador B executa o mesmo programa em 15 segundos, o quanto A é mais rápido que B?

Resposta §

Sabemos que A é n vezes mais rápido que B se: §

$$\frac{{\text{Desempenho}}_A}{{\text{Desempenho}}_B}=\frac{{\text{Tempo de execuc¸a˜o}}_B}{{\text{Tempo de execuc¸a˜o}}_A}=n$$

$$\frac{15}{10}=1,5$$

Portanto, A é 1,5 vezes mais rápido que B. §

Medindo o desempenho §

Tempo de execução de CPU

O tempo real que a CPU gasta calculando para uma tarefa específica

Tempo de CPU do usuário

O Tempo de CPU gasto em um programa propriamente dito

Tempo de CPU do sistema

Tempo de CPU gasto no sistema operacional realizando tarefas em favor do programa

Quase todos os computadores são construídos usando-se um clock que determina quando os eventos ocorrem no hardware. Esses intervalos de tempo discretos são chamados de Ciclos de Clock.

Desempenho da CPU e seus fatores §

Uma formula simples para medir o desempenho final (baseado no tempo de execução da CPU) relaciona as métricas mais básicas (ciclos de clock e tempo do ciclo de clock) ao tempo da CPU:

$$\text{Tempo de execuc¸a˜o da CPU para um programa}$$

$$=$$

$$\text{Ciclos de clock da CPU para um programa X Tempo do ciclo de clock}$$

Melhorando o desempenho §

A fórmula mencionada anteriormente deixa claro que o desempenho pode melhorar reduzindo o número de clocks necessários para o programa ou reduzindo o tamanho do ciclo de clock.

Exemplo §

Um determinado programa executa em 10 segundos no computador A, que tem um clock de 2GHz. Estamos tentando ajudar um engenheiro a montar um computador B, que executará esse programa em 6 segundos. O projetista determinou que é possível haver um aumento considerável na taxa de clock(Hz), mas esse aumento afetará o restante do projeto da CPU, fazendo com que o computador B exija $1.2$ vezes a quantidade de ciclos de clock do computador A para esse programa. Que taxa de clock o projetista deve ter como alvo?

Resposta §

Vamos primeiro achar o número de ciclos de clock exigidos para o programa em A §

$${\text{Tempo de CPU}}_A=\frac{{\text{Ciclos de clock de CPU}}_A}{{\text{Taxa de clock}}_A}$$

$$\text{10 segundos}=\frac{{\text{Ciclos de clock de CPU}}_A}{2\ast 10^9\text{ciclos por segundo}}$$

$${\text{Ciclos de clock de CPU}}_A=10\text{segundos}\ast 2\ast 10^9\frac{ciclos}{segundo}=20\ast 10^9\text{ciclos}$$

$$\text{Ciclos de clock exigidos pelo programa no computador A: }20\ast 10^9$$

Agora vamos decobrir o tempo de CPU para B: §

$${\text{Tempo de CPU}}_B=\frac{1,2\ast {\text{Ciclos de CPU}}_A}{{\text{Taxa de clock}}_B}$$

$$\text{6 segundos}=\frac{1,2\ast 20\ast 10^9\text{ciclos}}{{\text{Taxa de clock}}_B}$$

$${\text{Taxa de clock}}_B=\frac{1,2\ast 20\ast 10^9\text{ciclos}}{\text{6 segundos}}=\frac{0,2\ast 20\ast 10^9\text{ciclos}}{\text{segundos}}=\frac{4\ast 10^9\text{ciclos}}{\text{segundos}}=4\text{GHz}$$

Para executar o programa em 6 segundos, B deverá ter o dobro de taxa de clock de A §

Desempenho da instrução §

O tempo de execução é igual ao número de instruções executas multiplicado pelo tempo médio por instrução

Números de ciclos de clock exigidos para um programa pode ser escrito como:

$$\text{Ciclos de clock de CPU}$$

$$=$$

$$\text{Instruc¸o˜es para um programa}\ast \text{Ciclos de clock meˊdios por instruc¸a˜o}$$

O termo ciclos de clock por instrução, que é o número médio de ciclos de clock que cada instrução leva para executar, normalmente é abreviado como CPI

Exemplo §

Suponha que tenhamos duas implementações da mesma arquitetura de conjunto de instruções. O computador A tem um tempo de ciclo de clock de 250 ps e um CPI de 2.0 para um programa, e o computador B tem um tempo de ciclo de clock de 500 ps e um CPI de 1.2 para o mesmo programa. Qual computador é mais rápido para este programa e por quanto?

Resposta §

Sabemos que cada computador executa o mesmo número de instruções para o programa. Vamos chamar esse número de I. Primeiro, encontramos o números de ciclos de clock do processador para cada computador

$${\text{Ciclos de clock de CPU}}_A=I\ast 2,0$$

$${\text{Ciclos de clock de CPU}}_B=I\ast 2,0$$

Agora, podemos calcular o tempo de CPU para cada computador

$${\text{Tempo de CPU}}_A={\text{Ciclos de clock de CPU}}_A\ast \text{Tempo de ciclo de clock}=I\ast 2,0\ast 250ps=500\ast I\text{ps}$$