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

Tuần 2 
HIỆU SUẤT MÁY TÍNH 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
1 
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 
Hiệu suất 
Mục tiêu: 
Giới thiệu về các thông số liên quan và cách tính hiệu suất của một bộ xử lý. 
2 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Slide được dịch và các hình được lấy từ sách tham khảo: 
Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface , Patterson, D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011 . 
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: 
3 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
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) 
T ần số xung đồng hồ / xung clock (Clock rate) 
4 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Hiệu suất 
Chu kỳ xung đồng hồ và tần số xung đồng hồ 
5 
 Clock rate và Clock cycle time là nghịch đảo của nhau 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
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 ): 
6 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
CPI (clock cycle per instruction) : Số chu kỳ xung clock cần để thực thi một lệnh 
Hiệu suất 
7 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
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 10 6 . 
IPS (Instructions per second): Số lệnh trên giây. Nếu đề bài chỉ yêu cầu tính IPS thì không cần chia cho 10 6 
Hiệu suất 
8 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
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? 
9 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Hiệu suất 
10 
03/2017 
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? 
11 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Hiệu suất 
12 
Lưu ý: Thời gian chạy máy A nhỏ hơn máy B thì máy A chạy nhanh hơn. 
03/2017 
Hiệu suất 
Ví dụ 3. So sánh hiệu suất thực thi của đoạn mã chương trình: 
13 
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 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Hiệu suất 
14 
03/2017 
Hiệu suất 
15 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
Hiệu suất 
Tóm lại, những yếu tố cơ bản để quyết định hiệu suất máy tính gồm: 
16 
Yếu tố 
Đơn vị đo 
Thời gian CPU thực thi một chương trình (CPU execution time) 
Giây (Seconds) 
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 c hu kỳ clock (Clock cycle time) 
Giây 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
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. 
17 
Yếu tố phần cứng/phần mềm 
Tác động vào gì? 
Như thế nào? 
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 lệnh, tần số xung clock, CPI 
Kiến trúc tập lệnh tác động đến cả 3 yếu tố của hiệu năng CPU, v ì 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. 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
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 
18 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
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 
19 
03/2017 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.