Capítulo 4 Rendimiento.

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1 Capítulo 4 Rendimiento

2 Rendimiento Relación entre el producto o el resultado obtenido y los medios utilizados. (Tomado del diccionario de la Real Academia Española)

3 Concepto de Rendimiento
En un contexto empresarial, el concepto de rendimiento hace referencia al resultado deseado efectivamente obtenido por cada unidad que realiza la actividad, donde el término unidad puede referirse a un individuo, un equipo, un departamento o una sección de una organización. En agricultura y economía agraria, rendimiento de la tierra o rendimiento agrícola es la producción dividida entre la superficie. La unidad de medida más utilizada es la tonelada por hectárea (Tm/Ha). Un mayor rendimiento indica una mejor calidad de la tierra (por suelo, clima u otra característica física) o una explotación más intensa, en trabajo o en técnicas agrícolas (abonos, regadío, productos fito sanitarios, semillas seleccionadas – transgénicos - etc.).

4 Concepto de rendimiento
En física y en el campo tecnológico, El rendimiento o la eficiencia de un dispositivo, máquina, ciclo termodinámico, etc. Expresa el cociente entre: La energía obtenida (energía útil) de su funcionamiento y la energía suministrada o consumida por la máquina o el proceso. El trabajo obtenido (trabajo útil) de su funcionamiento y el trabajo suministrado o consumido por la máquina o el proceso.

5 Rendimiento (Performance)
Mide, reporta y resume Tomar decisiones inteligentes Es un concepto para comprender la motivación organizacional ¿Porqué un hardware es mejor que otros para diferentes programas? ¿Cuáles son los factores de hardware más importantes en el rendimiento del sistema? Con su respuesta podríamos decir, necesitamos una máquina nueva o un nuevo sistema operativo ¿Cómo el conjunto de instrucciones afecta el rendimiento de la máquina?

6 ¿Cuál de estos aviones tiene mejor rendimiento?
Avión Pasajeros Rango (mi) Velocidad (mph) Boeing Boeing BAC/Sud Concorde Douglas DC ¿Qué tan rápido es el Concorde comparado con el 747? ¿Qué tan grande es un 747 con un Douglas DC-8-50? ¿Cuál sería el que tiene mayor rendimiento?

7 Definición de rendimiento

8 Variables involucradas en el rendimiento de un computador
Tiempo de respuesta Tiempo que transcurre entre el inicio y la conclusión de una tarea, también conocido como tiempo de ejecución. Throughtput o ancho de banda Cantidad total de trabajo realizado en un tiempo dado.

9 Rendimiento de un computador: tiempo, tiempo, tiempo
Tiempo de respuesta (latency) Es el tiempo que tarda una tarea en realizarse desde su inicio hasta el final. También se conoce como tiempo de ejecución. — ¿Cuánto tiempo tarda mi trabajo en correr? — ¿Cuánto tiempo se tarda en ejecutar mi trabajo? — ¿Cuánto tiempo debo esperar en la cola de la base de datos? Throughput Es la cantidad de trabajo realizado en un tiempo dado. — ¿Cuántos trabajos puede la máquina correr al mismo tiempo? — ¿Cuál es la razón de ejecución promedio? — ¿Qué tanto trabajo se ha realizado? CONCLUSIÓN Si disminuimos el tiempo de respuesta mejoramos la cantidad de trabajo por unidad de tiempo

10 Ejercicio CASO 1 Si actualizamos la máquina con un nuevo procesador, ¿qué es lo que incrementamos? Mejoramos el tiempo de respuesta por lo tanto mejoramos la cantidad de trabajo CASO 2 Si agregamos una nueva máquina a el laboratorio, ¿Qué es lo que incrementamos? No se mejora el tiempo de respuesta solo se mejorar la cantidad de trabajo. ¿Qué sucede si la demanda de trabajo aumenta? El trabajo de apila CONCLUSION En los computadores reales, si se cambia el tiempo de ejecución o el throughput se afectan entre ellos. Son variables que se relacionan entre ellas.

11 Rendimiento de un computador
El tiempo es la medida del rendimiento del computador. El computador que realiza la misma tarea en un tiempo menor es el más rápido.

12 Tiempo de ejecución Tiempo de ejecución de un programa se mide en segundos por programa Elapsed Time, tiempo de respuesta Es el tiempo que se tarda en realizar la tarea Cuenta todo (accesos a memoria y disco, I/O , etc.) Un dato de mucha ayuda, pero no siempre se puede utilizar para comparar. En el caso de multitarea. Tiempo de CPU Es el tiempo que tarda el CPU en realizar una tarea No se cuenta con I/O o el tiempo en la ejecución de otros programas. Se puede dividir en: Tiempo que el CPU invierte en el programa (tiempo de usuario de CPU) Tiempo de CPU que invierte en el rendimiento de las tareas del sistema operativo (tiempo del sistema de CPU)

13 Propósito Nuestro propósito: Tiempo de CPU del usuario
Tiempo invertido en la ejecución de las líneas de código que contiene mi programa

14 Ejemplo Algunos sistemas operativos suministran información referente al tiempo de CPU.

15 Ejemplo

16 Ejemplo El comando time –p (pipeline) en Linux ofrece la siguiente información Usuario seg Syst seg Real seg El tiempo de respuesta es: = seg El porcentaje del tiempo de respuesta es: 0.01/0.11 = o sea un 9.0% CONCLUSION: Un 91% aproximadamente estuvo esperando por I/O, corriendo otros programas o ambos

17 Definición de Rendimiento
Para algunos programas que corren en la máquina X, RendimientoX = 1 / Tiempo de ejecuciónX "X es “n” veces más rápida que Y" RendimientoX / RendimientoY = n

18 EJEMPLO Problema: ¿Qué tan rápida es A con respecto a B?
Máquina A corre un programa en 10 segundos. Máquina B corre el mismo programa en 15 segundos. ¿Qué tan rápida es A con respecto a B?

19 SOLUCIÓN PARA LA MAQUINA A Rendimiento de A PARA LA MAQUINA B
La relación de rendimiento será: O sea la máquina A es 1.5 veces más rápida que la máquina B.

20 Hacer distinción entre
El rendimiento basado en el tiempo de respuesta (rendimiento del sistema) El rendimiento basado en el tiempo de ejecución del CPU (rendimiento del CPU)

21 Reloj Los eventos en el procesador ocurren bajo la sincronización del reloj. Los intervalos de tiempo en que ocurren los eventos se llaman ciclos de reloj (pulsos, pulsos de reloj, reloj, ciclos) Con el término períodos de reloj nos referimos a: El tiempo para un ciclo completo. Por ejemplo 20 segundos La razón de reloj. Por ejemplo 500 MHz, el cual es el inverso del período de reloj

22 Ciclos de reloj En lugar de utilizar segundos para los tiempos de ejecución, utilizamos ciclos. Los pulsos de reloj indican cuando se deben realizar las actividades: Tiempo de ciclo = tiempo entre pulsos = segundos por ciclo Razón de reloj (frecuencia) = ciclos por segundo (1 Hz. = 1 ciclo/segundo) Un reloj de 200 Mhz. Tiene un tiempo de ciclo de: time

23 Mediciones Recuerde para medir el rendimiento es necesario conocer el tiempo de ejecución del CPU Los siguientes modelos relacionan el CPU con los pulsos de reloj O sea CONCLUSIÓN: Los ingenieros en diseño de hardware pueden mejorar el rendimiento reduciendo el tiempo de ciclo de reloj o el número de ciclos de reloj requeridos por el programa. Las técnicas para decrementar el número de ciclos de reloj incrementan el tiempo de ciclo del reloj.

24 Ejemplo Nuestro programa favorito corre en 10 segundos en el computador A, el cual tiene un reloj de 400 MHz. Estamos tratando de ayudar a un diseñador de computadoras a desarrollar una máquina B, que corra el programa en 6 segundos. El diseñador puede utilizar una nueva tecnología para incrementar la razón de reloj, pero nos informó que esto podría afectar el resto del diseño del CPU, haciendo que la máquina B requiera de 1.2 veces más que los ciclos de reloj de la máquina A para el mismo programa. ¿Qué relación de reloj debemos decirle al diseñador que utilice?

25 SOLUCIÓN PARA EL PROGRAMA A PARA EL PROGRAMA B CONCLUSIÓN
Como la máquina B requiere 1.2 veces ciclos de reloj más que la máquina A entonces: CONCLUSIÓN La máquina B debe correr al doble de la razón de reloj de la máquina A

26 ¿Cómo se mejora el rendimiento?
Entonces para mejorar el rendimiento (conservando el resto igual) se podría : _______ El número de ciclos requeridos por el programa, o _______ El tiempo de ciclo del reloj _______ La razón del reloj.

27 ¿Cuántos ciclos requiere el programa?
Si asumimos que: # de ciclos = # de instrucciones I Instrucción II Instrucción III Instrucción IV Instrucción V Instrucción VI Instrucción ... tiempo Este supuesto es incorrecto. Las instrucciones tienen tiempos diferentes en diferentes máquinas. PORQUE: Recuerde estas son líneas de instrucciones

28 Diferentes número de ciclos para diferentes instrucciones
tiempo La multiplicación toma más tiempo que la suma. Las operaciones en punto flotante toman más tiempo que las enteras. El acceso a memoria que el acceso a registros ASPECTO IMPORTANTE: Cambiar el tiempo de ciclo algunas veces cambia el número de ciclos requeridos para varias instrucciones.

29 Ahora que entendemos los ciclos
Un programa dado requiere Un número de instrucciones (instrucciones máquina) Algún número de ciclos Algún número de segundos Tenemos un vocabulario que nos relaciona estas cantidades: Tiempo de ciclo (segundos por ciclo) Relación de reloj (ciclos por segundo) CPI (ciclos por instrucción) Es el número de promedio de ciclos de reloj que cada instrucción tarda en ejecutarse Las aplicaciones intensivas en punto flotante podrían tener un alto CPI MIPS (Millions of Instructions Per Second) para un programa esto podría ser alto si se utilizan instrucciones simples

30 Rendimiento El rendimiento se determina utilizando el tiempo de ejecución ¿Cualquiera de las otras variables igual rendimiento? # de ciclos para ejecutar el programa? # de instrucciones en el programa? # de ciclos por segundo? # promedio de ciclos por instrucción? # promedio de instrucciones por segundo? Error: pensar que una variable es significativa en el rendimiento cuando en realidad no lo es.

31 CPI Ejemplo Suponga que tenemos dos implementaciones de la misma arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA). Para un programa, Máquina A tiene un tiempo de ciclo de reloj de 1 ns. y un CPI de 2.0 Máquina B tiene un tiempo de ciclo de reloj de 2 ns. y un CPI de ¿Cuál máquina es más rápida ejecutando ese programa, y que tan rápida? Si las dos máquina tienen el mismo ISA, ¿Cuál de las variables (relación de reloj, CIP, tiempo de ejecución, # de instrucciones, MIPS) podrían ser siempre identicas?

32 SOLUCION MAQUINA B MAQUINA A CPI=1.2 CPI=2.0 CLOCKSCPU=2.0*I
CPUTIME=1.2*I*2 CPUTIME=2.4*I MAQUINA A CPI=2.0 CLOCKSCPU=2.0*I CPUTIME=2.0*I*1 CPUTIME=2.0*I CONCLUSION: La máquina A es 1.2 veces más rápida que la B

33 # de instrucciones (Ejemplo)
Un diseñador de un compilador trata de decidir entre dos secuencias de código para una máquina en particular. Basados en la la implementación del hardware, hay tres diferentes tipos de instrucciones: Clase A, Clase B, Clase C y requieren de un, dos y tres ciclos respectivamente. La primera secuencia de código tiene 5 instrucciones: 2 de la Clase A, 1 de la B y 2 de la C. La segunda secuencia tiene 6 instrucciones: 4 de la Clase A, 1 de la B y 1 de la C. ¿Cuál secuencia es más rápida? ¿Qué tan rápida? ¿Cuál es el CPI para cada una de las secuencias?

34 SOLUCIÓN SECUENCIA 1 SECUENCIA 2 CONCLUSION
CPUciclos reloj =2*1+1*2+2*3=10 ciclos SECUENCIA 2 CPUciclos reloj =4*1+1*2+1*3=9 ciclos CONCLUSION Este ejemplo muestra un peligro si solo se utiliza un factor (número de instrucciones) para el cálculo del rendimiento. Cuando se comparan dos máquinas, debe tomarse en cuenta los tres componentes, los cuales se combinan para calcular el tiempo de ejecución. Si alguno de los factores son idénticos, como la razón de reloj (como en el ejemplo anterior), el rendimiento puede determinarse comparando los factores no idénticos. Como el CPI varía por la mezcla de instrucciones el número de instrucciones y el CPI deben compararse, aunque las razones de reloj sean idénticas.

35 ECUACION BASICA DEL RENDIMIENTO

36 COMPONENTES DEL RENDIMIENTO
UNIDADES Tiempo de CPU en ejecución de un programa Segundos por programa Número de instrucciones Instrucciones ejecutadas por el programa CPI (Ciclos de reloj por Instrucción) Valor promedio de los ciclos de reloj por instrucción Tiempo de ciclo del reloj Segundos por ciclo de reloj

37 RESUMEN La única medida en el rendimiento es el tiempo.
Si se reduce el conjunto de instrucciones nos conduciría a una arquitectura con un tiempo de ciclo menor que nos mejorará la cantidad de instrucciones

38 ¿Cómo se pueden determinar los valores de estos factores en la ecuación general del rendimiento?
Se puede medir el tiempo de ejecución de CPU de un programa. El tiempo de ciclo del reloj, el cual aparece en las hojas de datos de la máquina El número de instrucciones y CPI pueden ser un poco difíciles de obtener. Se puede utilizar un programa para medir la cantidad de instrucciones Recuerde que la cantidad de instrucciones depende de la arquitectura de la máquina.

39 Cálculo de los ciclos de reloj
Los ciclos de reloj del CPU se pueden calcular como: Donde : Ci = es el número de instrucciones ejecutadas de la clase i CPIi = número promedio de ciclos por el tipo de instrucción n = cantidad de tipos de instrucciones RECUERDE El CPI de un programa depende del número de ciclos de cada tipo de instrucción y de la frecuencia de cada tipo de instrucción en el programa que se ejecuta.

40 Benchmarks El rendimiento es mejor determinarlo corriendo una aplicación real. Utilice programas típicos para sobre carga esperada. Una clase de aplicaciones esperada como: compiladores/editores, aplicaciones científicas, gráficos, etc. Pequeños rendimientos Para arquitectos e ingenieros Fácil de estandarizar Puede ser un abuso SPEC (System Performance Evaluation Cooperative) Las compañías tienen gran credibilidad en un conjunto de programas reales y de entradas. Puede seguir siendo un abuso (otra pulga de Intel) Es un indicador de rendimiento y tecnología de compiladores.

41 ¿Qué es SPEC? SPEC es el acrónico de “Standard Performance Evaluation Corporation” Una organización sin fines de lucro compuesta por fabricantes de computadores, integradores de sistemas, universidades, centros de investigación, editoriales y consultores con el objetivo de establecer, mantener y estandarizar un conjunto de pruebas para los computadores. Ningún conjunto de pruebas puede caracterizar el rendimiento completo del sistema. SPEC cree que la comunidad de usuarios se puede ver beneficiada de una serie objetiva de pruebas que pueden servir como punto de referencia.

42 ¿Qué mide SPEC CPU2000? SPEC CPU2000 se concentra en medir el rendimiento intensivo de los computadores, las pruebas se especializan en el rendimiento de: El procesador del computador (CPU), La arquitectura de la memoria El compilador Es importante recordar que la contribución de los dos últimos componentes, pues el rendimiento es más que solo el microprocesador. SPEC CPU2000 esta compuesto por dos componentes que se especializan en dos tipos diferentes para el cálculo intensivo del rendimiento del computador: CINT2000 para medir y comparar el rendimiento entero e intensivo del computador. CFP2000 para medir y comparar el rendimiento intensivo en punto flotante del computador.

43 SPEC ‘95

44 Pruebas Para procesadores Ejemplo

45 Ley de Amdahl EJEMPLO: Suponga que un programa corre en 100 segundos en una máquina con responsabilidades de multiplicación durante 80 segundos de ese tiempo. ¿Cuánto debemos de mejorar la velocidad de multiplicación si queremos que el programa corra cuatro veces más rápido?

46 Ejemplo Suponga que reforzamos la máquina implementando instrucciones de punto flotante que hacen la máquina cinco veces más rápida. Si el tiempo de ejecución de algunas pruebas antes de la implementación del punto flotante es de 10 segundos, ¿Cuál sería la velocidad final si la mitad de eso 10 segundos se invierten en la ejecución de instrucciones de punto flotante?. Andamos en la búsqueda de una prueba que muestre la unidad de punto flotante de la sección anterior, y se quieren realizar pruebas para mostrar su velocidad de 3. una prueba que se esta considerando corre por 100 segundos con el hardware de la máquina vieja. ¿Cuánto del tiempo de ejecución deben de consumir las instrucciones de punto flotante, en este programa para cumplir con las especificaciones?

47 MIPS Es el acrónico para million instructions per second.
Es un viejo método para medir la velocidad y la potencia de un computador. MIPS mide el número de instrucciones máquina que un computador puede ejecutar en un segundo. No hay un método estándar para medir los MIPS ya que hay instrucciones que requieren más o menos tiempo que otras para ser ejecutadas. Adicionalmente, MIPS se refiere solo a la velocidad del procesador, mientras que las aplicaciones reales son limitadas por otros factores como la velocidad de los periféricos de entrada salida. Una máquina con un alto MIPS, no necesariamente corre una aplicación particular más rápido que una máquina con un bajo MIPS. Por estas razones las mediciones MIPS se dejaron de utilizar. Olvidándose de estos problemas las mediciones MIPS nos dan una idea general de la velocidad del computador. El computador IBM PC/XT (basado en el procesador (8088/86), presenta un MIPS de ¼, mientras que un PC basado en Pentium corre a más de 100 MIPS.

48 MIPS COMO METODO DE MEDICION
Es una relación ejecución de instrucciones. Especifica el rendimiento en forma inversa al tiempo de ejecución. Las máquinas rápidas tienen un alto MIPS. Los problemas son: No toma en cuenta las capacidades de las instrucciones. (No se pueden comparar máquinas con diferente conjunto de instrucciones) El valor del MIPS varía entre programas en el mismo computador. (No hay una calificación para todos los programas) MIPS puede variar inversamente con el rendimiento.

49 Ejemplo Dos compiladores diferentes se están probando en una máquina de 100 MHz. Con tres tipos diferentes de instrucciones: Clase A, Clase B y Clase C, las cuales requieren de uno, dos y tres ciclos respectivamente. Ambos compiladores son utilizados para generar código para una gran pieza de software. El código del primer compilador utiliza 5 millones de instrucciones clase A, 1 millón de la clase B, y un millón de la clase C. El código del segundo compilador utiliza 10 millones de instrucciones de la clase A, 1 millón de la clase B y 1 millón de la clase C. ¿Cuál secuencia es más rápida de acuerdo a MIPS? ¿Cuál secuencia podría ser más rápida de acuerdo al tiempo de ejecución?

50 CPU CICLOS DE RELOJ= (5*1+1*2+1*3)*109=10*109
COMPILADOR 1 Utilizando el modelo de ciclos de reloj del CPU CPU CICLOS DE RELOJ= (5*1+1*2+1*3)*109=10*109 El tiempo de ejecución para el compilador es: Aplicando el modelo MIPS:

51 CPU CICLOS DE RELOJ= (10*1+1*2+1*3)*109=15*109
COMPILADOR 2 Utilizando el modelo de ciclos de reloj del CPU CPU CICLOS DE RELOJ= (10*1+1*2+1*3)*109=15*109 El tiempo de ejecución para el compilador es: Aplicando el modelo MIPS:

52 CONCLUSION El código del compilador 2 tiene un MIPS mayor.
El código del compilador 1 corre más rápido. Este es un ejemplo donde el método MIPS nos da una visión equivocada de la máquina, aunque se comparen dos versiones del mismo programa en la misma máquina.

53 Recuerde El rendimiento es específico para programas particulares
El tiempo total de ejecución es un resumen consistente del rendimiento. Para una arquitectura dada el incremento en el rendimiento está dado por: Incrementos en la razón de reloj (sin efectos colaterales en el CPI) Mejoras en la organización del procesador para lograr un CPI bajo. El compilador mejora bajos CPI y o cuenta de instrucciones. Error: tener la expectativa en las mejoras de un aspecto del rendimiento de la máquina creyendo que afecta el rendimiento total