Résumé #2: Le rôle des performances

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2.1 Introduction

- Il est important de comprendre les différents facteurs influençant les performances de façon à motiver/expliquer les choix de conception.

- La notion de performance dépend du contexte, de l'application, des objectifs poursuivis:

• Pour le processeur: Temps de réponse (d'exécution) = durée s'écoulant entre le début et la terminaison d'une tâche.
• Pour les E/S: Débit = Quantité totale de travail effectuée en un temps donné.

- Performances = 1 Temps exécution: Plus le temps d'exécution est court, plus les performances sont grandes.

- Performances > Performances Temps < Temps

- est n fois plus rapide que

Performances / Performances = n

1 Temps / 1 Temps = n

Temps / Temps = n

2.2 La mesure des performances

- Deux points de vue pour mesurer le temps:

A)

Externe (usager): durée en secondes.

B)

Interne (concepteur): durée en cycles d'horloge.

A) Point de vue externe:

Différents temps mesurables:

• Temps écoulé = Temps UC + Temps d'attente (E/S, autres usagers, etc.).
• Temps UC = Temps UC usager + Temps UC système.
• Temps UC usager = Temps consacré par l'UC à travailler sur notre tâche (en excluant le temps pour les E/S, les attentes, le temps du noyau du S.E., etc.).
• Temps UC système: Temps consacré par l'UC à l'exécution de code du système d'exploitation (noyau) lié à l'exécution de notre programme.
• Performances UC: Définies en fonction du temps UC usager seulement.

B) Point de vue interne:

- Rôle de l'horloge = Fonctionne à un rythme constant et détermine à quels moments les divers événements du niveau matériel se produisent.

- Deux façons de présenter la vitesse de l'horloge:

Période = Durée d'un cycle complet. Ex.: 10 ns.

Fréquence = Nombre de cycles par seconde. Ex.: 100 MHz. (1 Hz = 1 cycle/sec.)

Remarque: Fréquence = 1 Période. Période = 1 Fréquence.

2.3 Relier les métriques entre elles

- Temps UC = Nombre de cycles UC Durée d'un cycle (période).

- Nombre de cycles UC = Nombre d'instructions exécutées Nombre de cycles par instruction.

- Nombre de cycles par instruction: Pour une architecture donnée, ce nombre peut varier parce qu'il dépend de la mise en oeuvre du processeur. De plus, des instructions différentes peuvent nécessiter, dans certaines mises en oeuvre, un nombre différent de cycles pour leur exécution.

- CPI = Nombre moyen de cycles par instruction.

(Moyenne pondérée: pour chaque classe d'instructions, on détermine le nombre de cycles machines requis pour l'exécution des instructions ainsi que la fréquence moyenne -- via simulations et/ou expérimentations -- d'utilisation de ces instructions.)

- Formules liant les 3 facteurs:

Temps UC

= Nombre d'instructions exécutées CPI Période de l'horloge

Temps UC

= Nombre d'instructions exécutées CPI Fréquence horloge

2.4 Quelques métriques de performances très répandues

- MIPS:

• Millions d'Instructions Par Seconde.
• Avantages: Facile à comprendre et simple: machine plus rapide MIPS + élevé.
• Désavantages: Ne permet pas de comparer des machines avec des jeux d'instructions différents. Ne tient pas compte de tous les facteurs influençant la performance (nombre d'instructions exécutées) peut varier à l'inverse de la performance, i.e., MIPS plus élevé mais temps plus long (sic).
• MIPS = Meaningless Indication of Processor Speed.

- MFLOPS:

• Millions of FLoating-point Operations Per Second (megaflops).
• Mesure motivée par le développpement des super-ordinateurs: calcul scientifique opérations sur matrices de nombres point-flottants dominent.
• Désavantages: Applicable seulement pour programmes avec opérations point-flottantes. Très variable d'une machine à l'autre pcq. les jeux d'instructions point-flottantes varient beaucoup (e.g., émulation de certaines instructions en logiciel). De plus, toutes les instructions n'ont pas la même durée (une division est beaucoup plus longue qu'une addition).

2.5 Quels programmes pour évaluer les performances?

- Programmes ``benchmarks'' = Programmes qui vont permettre de prédire les performances d'une machine pour une charge de travail typique.

- Différents types de programmes ``benchmarks'':

A)

Programmes jouets: Petits programmes (10 à 100 lignes).

B)

Noyaux = Petites parties clés de programmes réels. Ex.: Boucles Livermore, Linpack.

C)

Programmes synthétiques: Code créé artificiellement (bidon) pour correspondre à un profil d'exécution moyen. Ex.: Whetstone, Dhrystone.

D)

Programmes réels. Ex.: SPEC (System Performance Evaluation Cooperative) = Ensemble de programmes et de données définis par un groupe de constructeurs. Comprend un ensemble de programmes sans opérations point-flottantes (SPECint) et un autre avec (SPECfp). (Cf. TP#1.)

- Les différents types de programme en ordre décroissant de fiabilité de prédiction (du + fiable au moins fiable):

D)

Programmes réels.

B)

Noyaux.

A)

Programmes jouets.

C)

Programmes synthétiques.

- De nos jours:

• Généralement accepté que les programmes choisis pour comparer les performances doivent être des applications réelles. L'utilisation des programmes SPECs (SPEC rating) est donc devenue courante.
• Interprétation des indices SPEC: indice SPEC = n \ Pour les programmes SPEC, la machine est n fois plus rapide, en moyenne, qu'un VAX-11/780 (SPEC-1992) ou qu'un Sun SPARCstation 10/40 (SPEC-1995).

- Rapport de performances pour une machine: Tous les paramètres (matériel, logiciel, compilateur, système d'exploitation) doivent être indiqués, de façon à ce que les résultats puissent être reproduits.

2.6 Comparer er résumer les performances

- Différentes mesures valables pour établir les performances d'une machine sur un ensemble de programmes:

• temps total d'exécution;
• moyenne pondérée des temps d'exécution;
• moyenne géométrique des quotients de performances à la SPEC (cf. énoncé du TP#1).

- Utilisation de la moyenne pondérée: Les coefficients de pondération (0 p 1) doivent refléter l'importance des divers programmes dans la charge de travail typique.