Chapter 1 Lectures 2013

COD4e greek slidesΔιαφνειες διδασκαλας του πρωττυπου βιβλου μεταφρασμνες στα ελληνικ (μετφραση, επιμλεια: Δημτρης Γκιζπουλος, Πανεπιστμιο Αθηνν)
Οργνωση και Σχεδαση Υπολογιστν Η Διασνδεση Υλικο και Λογισμικο, 4η κδοση
Κεφλαιο 1
Morgan Kaufmann Publishers
*
Διαφνειες διδασκαλας πρωττυπου βιβλου μεταφρασμνες στα ελληνικ (μετφραση, επιμλεια: Δημτρης Γκιζπουλος, Πανεπιστμιο Αθηνν)
Κεφλαιο 1 — Αφηρημνες ννοιες και τεχνολογα υπολογιστν — *
Επανσταση υπολογιστν
Καινοτμες εφαρμογς γνονται εφικτς
Παγκσμιος Ιστς (World Wide Web)
Μηχανς αναζτησης
*
Κατηγορες υπολογιστν
Ενσωματωμνοι (embedded) υπολογιστς
Αυστηρο περιορισμο ισχος/απδοσης/κστους
*
Η αγορ των επεξεργαστν
*
Τι θα μθετε
Και πς τα εκτελε το υλικ
Τη διασνδεση υλικο και λογισμικο
Τι καθορζει την απδοση των προγραμμτων
Και πς αυτ μπορε να βελτιωθε
Πς βελτινουν την απδοση οι σχεδιαστς του υλικο
Τι εναι η παρλληλη επεξεργασα
*
Κατανηση της απδοσης
Γλσσα προγραμματισμο, μεταγλωττιστς, αρχιτεκτονικ
Καθορζουν τον αριθμ των εντολν μηχανς που εκτελονται αν λειτουργα
Επεξεργαστς και σστημα μνμης
Σστημα Εισδου/Εξδου (περιλαμβνει και το Λειτουργικ Σστημα)
Καθορζει την ταχτητα εκτλεσης των λειτουργιν εισδου/εξδου
*
Κτω απ το πργραμμ σας
Λογισμικ εφαρμογν
Λογισμικ συστημτων
Λειτουργικ σστημα: κδικας υπηρεσιν
Υλικ
*
Εππεδα κδικα προγρμ/τος
Γλσσα υψηλο επιπδου
Παρχει παραγωγικτητα και φορηττητα
Συμβολικ γλσσα (assembly language)
Αναπαρσταση υλικο
*
Συστατικ ενς υπολογιστ
Επιτραπζιοι, διακομιστς, ενσωματωμνοι
Η εσοδος/ξοδος περιλαμβνει
ΓΕΝΙΚΗ εικνα
*
Ανατομα ενς υπολογιστ
*
Ανατομα ενς ποντικιο
Μικρ κμερα χαμηλς ανλυσης
Πλκτρα & τροχς
*
Μσα απ τον καθρφτη
*
Το νοιγμα του κουτιο
*
Μσα στον επεξεργαστ, CPU
λεγχος: ορζει την ακολουθα λειτουργιν στη διαδρομ δεδομνων, τη μνμη, ...
Κρυφ μνμη (cache memory)
*
Μσα στον Επεξεργαστ
*
Αφαιρσεις (Abstractions)
Κρβουν λεπτομρειες χαμηλο επιπδου
Η διασνδεση υλικο και λογισμικο
Δυαδικ διασνδεση εφαρμογς (application binary interface)
Η ISA και επιπλον η διασνδεση του λογισμικο συστημτων
Υλοποηση
*
Ασφαλς μρος για δεδομνα
Πτητικ (volatile) κρια μνμη
χει ρεμα
*
Δκτυα
Τοπικ δκτυο (local area network, LAN): Ethernet
Μσα σε να κτριο
Ασρματο δκτυο: WiFi, Bluetooth
*
Τσεις της τεχνολογας
Μεγαλτερη χωρητικτητα και απδοση
2.400.000
2005
6.200.000.000
*
Ορισμς της απδοσης
§1.4 Απδοση
*
Response time – Throughput
Διεκπεραιωτικ ικαντητα (throughput)
π.χ. εργασες/συναλλαγς/… αν ρα
Πς επηρεζονται ο χρνος απκρισης και η διεκπεραιωτικ ικαντητα απ
Αντικατσταση του επεξεργαστ με ταχτερη κδοση;
Προσθκη νων επεξεργαστν;
*
Σχετικ απδοση
παρδειγμα: χρνος εκτλεσης προγρ/τος
Χρνος εκτλεσηςB / Χρνος εκτλεσηςA
*
Μτρηση χρνου εκτλεσης
Καθορζει την απδοση του συστματος
Χρνος CPU (CPU time)
Ο χρνος επεξεργασας για μια συγκεκριμνη εργασας
Χωρς το χρνο εισδου/εξδου και την κοιν χρση απ λλες εργασες
Αποτελεται απ το χρνο CPU χρστη (user CPU time) και το χρνο CPU συστματος (system CPU time)
Διαφορετικ προγρμματα επηρεζονται διαφορετικ απ την απδοση της CPU και του συστματος
*
Χρονισμς CPU (clocking)
Η λειτουργα του ψηφιακο υλικο ρυθμζεται απ να ρολι σταθερο ρυθμο
Ρολι (κκλοι)
Συχντητα (ρυθμς) ρολογιο: κκλοι/second
*
Χρνος CPU (CPU time)
Η απδοση βελτινεται με
Αξηση του ρυθμο του ρολογιο
Ο σχεδιαστς του υλικο πρπει να κνει συχν συμβιβασμος μεταξ του ρυθμο ρολογιο και του πλθους των κκλων ρολογιο
*
Παρδειγμα χρνου CPU
Σχεδαση του υπολογιστ B
Στχος εναι χρνος CPU 6s
Μπορε το ρολι να εναι ταχτερο, αλλ προκαλε αξηση των κκλων 1.2 × κκλοι ρολογιο
Πσο ταχτερο μπορε να εναι το ρολι του Β;
*
Πλθος εντολν και CPI
Πλθος εντολν (Instruction Count) προγρμματος
Καθορζεται απ το πργραμμα, την αρχιτεκτονικ συνλου εντολν (ISA), και το μεταγλωττιστ
Μσος αριθμς κκλων αν εντολ (CPI – clocks per instruction)
Καθορζεται απ το υλικ της CPU
Αν οι διαφορετικς εντολς χουν διαφορετικ CPI
Το μσο CPI επηρεζεται απ το μγμα των εντολν
*
Παρδειγμα CPI
δια αρχιτεκτονικ συνλου εντολν (ISA)
Ποιος εναι ταχτερος, και κατ πσο;
A ταχτερος…
…κατ τσο
*
Το CPI με λεπτομρεια
Σταθμισμνο (weighted) μσο CPI
*
Παρδειγμα CPI
Ακολουθα 1: IC = 5
= 10
= 9
2
1
2
4
1
1
*
Σνοψη της απδοσης
Μεταγλωττιστς: επηρεζει το πλθος εντολν και το CPI
Αρχιτεκτονικ συνλου εντολν (ISA): επηρεζει το πλθος εντολν, το CPI, και την περοδο (συχντητα) του ρολογιο
*
Οι τσεις στην ηλεκτρικ ισχ
Στη τεχνολογα ολοκληρωμνων κυκλωμτων CMOS
§1.5 Το τεχος της ισχος
×1000
×30
*
Μεωση της ισχος
85% του φορτου χωρητικτητας (capacitive load) της παλις CPU
μειωμνη τση κατ 15% και συχντητα κατ 15%
Το τεχος της ισχος (power wall)
Δεν μπορομε να μεισουμε λλο την τση
Δεν μπορομε να απαγγουμε τη θερμτητα
Πς αλλις μπορομε να βελτισουμε την απδοση;
*
Απδοση μονοεπεξεργαστν
Περιορζεται απ την ισχ, την παραλληλα επιπδου εντολς (instruction-level parallelism), το λανθνοντα χρνο μνμης (memory latency)
*
Πολυεπεξεργαστς
Απαιτε ρητ παρλληλο προγραμματισμ (explicitly parallel programming)
Σγκριση με παραλληλα επιπδου εντολς (instruction level parallelism – ILP)
Το υλικ εκτελε πολλς εντολς ταυτχρονα
Ο προγραμματιστς δεν το γνωρζει
Μεγλες δυσκολες
*
Κατασκευ ολοκληρωμνων
Εσοδεα (yield): ποσοστ τσιπ αν πλακδιο (wafer) που λειτουργον σωστ
§1.7 Πραγματικτητα: ο AMD Opteron X4
*
AMD Opteron X2 Wafer
X4: τεχνολογα 45nm
*
Κστος Ολοκληρωμνων
Μη γραμμικ εξρτηση απ την επιφνεια (area) και το ρυθμ ατελειν (defect rate)
Κστος και επιφνεια πλακιδου (wafer): σταθερ
Ρυθμς ατελειν (defect rate) εξαρτται απ τη διαδικασα κατασκευς
Επιφνεια τσιπ (die/chip area): εξαρτται απ την αρχιτεκτονικ και τη σχεδαση του κυκλματος
*
Μετροπρογρμματα SPEC CPU
Υποτθεται τυπικ για να πραγματικ φορτο εργασας (workload)
Standard Performance Evaluation Corp (SPEC)
Αναπτσσει μετροπρογρμματα (benchmarks) για CPU, εσοδο/ξοδο, Ιστ, …
SPEC CPU2006
Αμελητα εσοδος/ξοδος, ρα εστιζουν στην απδοση της CPU
Κανονικοποηση σε σχση με μια μηχαν αναφορς (reference machine)
Σνοψη ως γεωμετρικς μσος (geometric mean) των λγων απδοσης (performance ratios)
CINT2006 (integer) and CFP2006 (floating-point)
*
CINT2006 για Opteron X4 2356
Υψηλο ρυθμο αστοχας κρυφς μνμης (cache misses)
νομα
Περιγραφ
*
Μετροπρογρμματα SPEC Power
Απδοση: ssj_ops/sec
*
SPECpower_ssj2008 για X4
*
Παγδα: νμος του Amdahl
Η βελτωση μιας πλευρς ενς υπολογιστ και η αναμον ανλογης βελτωσης της συνολικς απδοσης
§1.8 Πλνες και Παγδες
Παρδειγμα: ο πολ/σμς εναι τα 80s/100s
Πση βελτωση της απδοσης του πολ/σμο στε η συνολικ απδοση να 5-πλασιαστε;
Πρισμα: κνε τη συνηθισμνη περπτωση γργορη
*
Πλνη: Χαμηλ ισχς αδρνειας
Στο 100% του φορτου: 295W
Στο 50% του φορτου: 246W (83%)
Στο 10% του φορτου: 180W (61%)
Κντρο δεδομνων Google
Με φορτο 100% σε λιγτερο απ 1% του χρνου
Σκεφθετε τη σχεδαση επεξεργαστν με κατανλωση ισχος ανλογη με το φορτο
*
Παγδα: μτρο απδοσης MIPS
Δε λαμβνει υπψη:
*
Συμπερασματικς παρατηρσεις
Ιεραρχικ εππεδα αφαρεσης
Αρχιτεκτονικ συνλου εντολν (Instruction set architecture – ISA)
Η διασνδεση υλικο και λογισμικο
Χρνος εκτλεσης: το καλτερο μτρο απδοσης
Η ισχς εναι περιοριστικς παργοντας
Χρση παραλληλας για βελτωση της απδοσης
§1.9 Συμπερασματικς παρατηρσεις
*
0100200300400500
Douglas
DC-8-50
BAC/Sud
Concorde
0100000200000300000400000
n
εκτλεσης
Χρνος
εκτλεσης
Χρονος
Απδοση
Απδοση
X
Y
Y
X

Documents

Chapter 1 Lectures 2013