2.3. Быстродействие и производительность компьютеров

Оценка быстродействия и производительности компьютера представляет собой сложную задачу из-за отсутствия общепринятой меры вычислительной работы и эталона вычислительной работы. По этой причине вычислительную мощность компьютера нельзя охарактеризровать количеством операций, вычисляемых компьютером за секунду, поскольку все устройства компьютера (процессор, внешние запоминающие устройства, устройства передачи данных и т.д.) не могу работать отновременно, и в каждый момент времени используется лишь часть мощности компьютера.

В этой ситуации для оценки быстродействия и производительности компьютеров используется система показателей включающая с себя:

номинальное быстродействие;

комплексное быстродействие;

системная производительнось;

индекс производительности.

Номинальное быстродействие. Номинальное быстродействие – количество операций, выполняемых устройствами компьютера за секунду. Так, если компьютер состоит изNустройств 1,…,N, то номинальное быстродействие характеризуется векторомV = (V₁,…,V_N), гдеV₁,…,V_N – средние быстродействия устройств 1,…,N, входящих в состав компьютера. При этом предполагается, что все устройства работают со 100%-ой загрузкой, и каждое устройство выполняет в среднемV₁,…,V_Nопераций за секунду.

Среднее быстродействие устройства оценивается следующем образом. Если устройство, например процессор, выполняет Gопераций за времяτ₁,… ,τ_G и вероятности операций равныp₁,…,p_G . Среднее быстродействие устройства

Аналогично оценивается быстродействие и других устройств компьютера: внешних запоминающих устройств, устройств передачи данных и т.д.

Поцессоры общего назначения используются для решения двух основных типов задач:

1. научно-технических расчетов;

2. коммерческих расчетов.

Применительно к этому номинальное быстродействие принято характеризовать двумя значениями:

количеством миллионов коротких операций, выполняемых за секунду, (операций целочисленной арифметики) – MIPS (Million Instruction Per Second);

количеством миллионов операций с плавающей запятой, выполняемых за секунду,- MFLOPS (Million Floading – point Operation Per Second).

Номинальное быстродействие процессора (точнее системы процессор оперативная память) зависит от следующих факторов:

1. Быстродействия элементной базы процессора и оперативной памяти, т.е. времени переключения сигнала в полупроводниковых интегральных схемах, а быстродействие схем наиболее существенно зависит от используемой технологии. Уровень технологий определяет, во-первых, минимальный размер полупроводниковых элементов, уменьшение которого повышает быстродействия элементов, во-вторых, предельное количество элементов в одной интегральной схеме, увеличение числа которых позволяет создавать более высокопризводительные электронные структуры.

2. Структурной организации процессора, направленной на повышения быстродействия за счет совмещения во времени обработки потока команд и выполнения операций над.

3. Архитектуры компьютера и в первую очередь система команд процессора, т.е. состава реализуемых процессором операций, способов адресации и форм представления данных.

Номинальное быстродействие характеризует потенциальные возможности устройств, составляющих компьютер: процессора, внешних запоминающих устройств, устройств ввода-вывода и т.д.

Комплексная производительность.Все устройства связаны между собой и с общими для них ресурсами. Так, в структурах с общей шиной (см. рис.1.3.8) общая шина является общей для всех устройств ресурсом, и пропускная способность шины ограничивается возможностью одновременной работы устройств компьютера. Аналогично, в структурах с каналами ввода-вывода (см. рис.1.3.9) общим ресурсом, разделяемым процессором и каналами ввода-вывода, является оперативная память, и быстродействие оперативной памяти ограничивает и быстродействие процессора, и пропускную способность систем ввода-вывода.

Чтобы учесть влияние структурной организации компьютера и производительность совокупности устройств, работающих как единый комплекс, используется понятие комплексного быстродействия. Так, если пропускная способность общего ресурса (устройства или интерфейса) составляетV₀ байт/с, то суммарная пропускная способность всех устройств, использующих этот ресурс, не может превышатьV₀ байт/с:

,

где суммирование производится по всем устройствам n  {1,…,N} использующим общий ресурс. Если цикл оперативной памяти равен _оп=20 нс и длина слова составляет l_оп= 4 байта, то пропускная способность оперативной памятиV₀=l_оп /_оп= 200 М байт/с. Суммарная пропускная способность всех устройств, подключенных к памяти, ограничена этим значением.

Пример зависимости быстродействия процессораV₁и пропускной способности системы ввода-выводаV₂от интенсивности ввода-вывода₂байт/с представленна на рис. 2.1.При интенсивности ввода-вывода₂^’ <₂ быстродействие процессора V₁ уменьшается, умеренно. Когда интенсивность ввода-вывода ₂^” <₂ , быстродействие процессораV₁резко снижается, поскольку система ввода-вывода существенно загружает оперативную память, что приводит к простою процессора в период занятости оперативной памяти обслуживанием обращений от ввода-вывода.

Таким образом комплексная производительность всегда меньше значений, определяемых номинальным быстродействием устройств, входящих в состав компьютера.

Системная производительность.Системная произвоительность – количество вычисляемой работы (задач), выполняемой компьютером, работающим под управлением операционной системы (ОС), за единицу времени. ОС определяет порядок обслуживания вычислительной процессов аппаратурой компьютера: моменты загрузки программы, организацию обмена данными между оперативной и внешней памятью и т.д.

Системную производительность компьютеров принято оценивать на стандартных для заданного класса приложений наборах задач: научно-технических, коммерческих, специальных, и характеризовать временем решения заданного набора задач. Чем меньше время решения набора задач, тем выше системная производительность компьютера.

Системная производительность компьютера всегда меньше номинального и комплексного быстродействия. Это связано с тем, что процесс решения задач распадается на два этапа: процессорную обработку и ввод-вывод. В общем случае во время процессорной обработки устройства ввода-вывода простаивают, а когда работает устройство ввода-вывода, простаивает процессор. Поэтому когда компьютер обрабатывает задачу, то суммарная загрузка всех устройств компьютера

где n = 1, …, N– количество устройств компьютера и

- отношение времени работы устройства к времени решения задачи Т. Загрузкахарактеризует долю времени, в течение которого устройстваn = 1,…,Nзанято работой и одновременно вероятность того, что устройствоnработает. Значение

называется коэффициентом простоя устройства n = 1,…, N и характеризуют одновременно долю времени, в течение которого устройствоnпростаивает, и вероятность простоя устройства за времяТ.

Для повышения системной производительности компьютера используют режим мультипрограммирования – одновременную обработку компьютером нескольких задач. При этом в памяти компьютера размещается более одной программы (две, три и т.д.). После окончания процессорной обработки, управление передается процес ввода-вывода, реализуемого средствами операционной системы, и затем другой программе, ожидающей процессорной обработки. В результате загрузкаустройств возрастает и достигает значения

превышающего системную производительность при однопрограмном режиме обработки задач. Значение

определяет среднее количество задач, обрабатываемых компьютером, и характеризует пропускную способностькомпьютера на заданном классе задач.

Индекс производительности.В связи с отсутствием единицы и меры вычислительной работы системную производительность компьютера можно характеризовать на определенном классе задач с помощюиндекса производительности– отношение системной проиводительности компьютера к системной производительности компьютера _______ модели, способного обрабатывать тот же класс задач. Ясно, что индекс производительности – отностительная оценка системной производительности, характеризующая степень увеличения проиводительности компьютера по отношению производительности базовой модели компьютера. Естественно, что индекс производительности характеризует изменение производительности компьютера на фиксированном классе задач.