Основные эксплуатационные характеристики эвм

Основные эксплуатационные характеристики ЭВМ отражают параметры ЭВМ и особенности ее архитектуры, определяющие вычислительные возможности машины:

• производительность процессора и ЭВМ в целом;

• состав и емкость памятей (число байт);

• состав периферийных устройств (ПУ):

- жесткий диск;

- накопители (НГМД, оптический привод CD,DVD);

- дисплей (формат, разрешение, число отображаемых цветов);

- устройства ввода информации;

- видеоподсистема;

- аудиоподсистема;

- коммуникации (модем, сетевой адаптер);

- порты ввода-вывода;

а также следующие архитектурные характеристики:

• способ организации системы обмена информацией между процессором и ПУ;

• пропускная способность этой системы (число байт/сек);

• формы представления данных в ЭВМ;

• способы адресации;

• особенности системы команд и другие.

Также оговаривается используемая ОС и программное обеспечение.

Важнейшими эксплуатационными характеристиками ЭВМ являются производительность Р и общий коэффициент эффективности машины:

Э = Р / (Сэвм + Сэкспл.),

- отношение производительности Р к сумме стоимости самой ЭВМ и затрат на ее эксплуатацию за определенный период времени (например, период окупаемости капитальных затрат). Или упрощенно: Э = Р / Сэвм.

В общем случае под производительностью понимают количество вычислительной работы (число задач), выполняемых ЭВМ в единицу времени.

На практике существует множество методик расчета производительности процессора, каждая из которых имеет свои особенности и недостатки, так как учитывают только некоторые архитектурные особенности компьютера. Рассмотрим методы измерения производительности, которые наиболее часто пользуются в настоящее время в зависимости от структуры процессора.

• Пиковая (техническая) производительность микропроцессора (МкПр) - это теоретический максимум быстродействия компьютера при идеальных условиях. Данный максимум определяется как число вычислительных операций, выполняемое в единицу времени всеми имеющимися в процессоре АЛУ.

Так как современные процессоры и АЛУ строятся по конвейерному принципу, и большинство команд выполняется за один такт, то предельное быстродействие достигается при обработке бесконечной последовательности и не связанных между собой и не конфликтующих при доступе в память команд (без нарушения работы конвейера и его простоев). При этом предполагается, что все операнды выбираются из внутренней кэш-памяти данных, а команды - из кэш-памяти команд.

Разумеется такая ситуация для реальных задач является чисто гипотетической, однако пиковая производительность является единственным, объективным параметром для сравнения процессоров по техническим характеристикам т.к.:

0. совершенно не зависит от типа выполняемой программы и стиля программирования;

1. для определения пиковой производительности необходимо знать всего несколько параметров:

• тактовую частоту процессора, т.к. любая команда выполняется за один такт (или несколько тактов в первых моделях) в конвейере команд:

• число арифметических конвейеров;

• разрядность обрабатываемых данных.

Тогда для 1 МГц пиковая производительность одного конвейера составляет 1 MFLOPSдля операций с ПЗ и 1 MIPSпиковой производительности для операций целочисленной арифметики (ФЗ).

Чтобы избежать некорректного сравнения производительности 32- и 64-разрядных данных необходимо учитывать число конвейеров. Например, АЛУ Pentiumкаждый такт может формировать один полно разрядный результат операции с ПЗ (64 бита) или два результата по 32 бита целочисленных операций.

Следовательно, для Pentium/90 пиковая производительность равна 90MFLOPSпри выполнении вычислений с ПЗ и 180MIPSпри целочисленной 32-разрядной обработке.

Рр = F*m,

где F- тактовая частота работы процессора;

m- количество параллельно выполняемых операций.

Достоинством пиковой производительности является удобство для сравнения возможностей процессоров в первом приближении.

• Существует методика использования показателя составной теоретической производительности (СТР), измеряемого вMtops- миллионах теоретических операций в секунду. СТР зависит только от аппаратных средств компьютера с учетом обращений к ОП и нарушений работы конвейера команд, т.е.:

• тактовой частоты;

• набора функциональных устройств в составе процессора;

• пропускной способности и набора внутренних шин;

• длины разрядной сетки и т.п.

К недостатку рассмотренных методик расчета производительности микропроцессора можно отнести тот факт, что при выполнении реальных прикладных программ эффективная (реальная) производительность может весьма существенно (в несколько раз) быть меньше пиковой.

Это связано с тем, что современный компьютер включает:

0. высокопроизводительные микропроцессоры со сложной архитектурой(суперконвейерная и суперскалярная обработка, многоуровневая память с различными техническими характеристиками по назначению, емкости и быстродействию и т.д.);

1. характеристики их функционированияна уровне внутренних устройствсущественно зависят от программы и обрабатываемых данных.

Поэтому невозможно оценить производительность процессора только на основании тактовой частоты, количества тактов на выполнение одной команды и числа устройств обработки.

• Для оценки производительности наибольшее распространение получило использование наборов характерных задачдля той или иной области применения ЭВМ: научные расчеты, статобработка (работа с базами данных) и т.д. или наборов операций с различными видами адресации и типов обрабатываемых данных (ФЗ и ПЗ) (коэффициенты Гибсона).

Таким образом, время выполнения каждой из задач набора тестовых программ составляет основу для расчета индекса реальной производительности для каждой вычислительной установки.

Индекс производительности является относительной оценкой, характеризующей на сколько быстрее или медленнее исследуемая ЭВМ выполняет набор эталонных задач, по сравнению с некоторой широко распространенной базовой ЭВМ:

Ip=tu/tэ,

где tu- время выполнения набора тестов исследуемой ЭВМ;

tэ, - время выполнения набора тестов эталонной ЭВМ.

Кроме того, если каким-либо образом определить абсолютную производительность базовой (эталонной) ЭВМ, выражаемую числом выполняемых операций в секунду, то нет труда перейти от индексов производительности к абсолютным значениям оценок производительности процессоров ЭВМ:

Ра = Ip*Pэ,

где Рэ - абсолютную производительность базовой (эталонной) ЭВМ (оп./сек).

При оценке производительностина тестах приходится решатьтри проблемы, связанные с анализом результатов контрольного тестирования производительности:

0. проблема достоверности оценок, т.е. выделение показателей, которым можно доверять безоговорочно;

1. проблема адекватности оценок, т.е. выбор контрольно-оценочных тестов, наиболее точно характеризующих производительность при обработке типовых задач пользователя;

2. проблема интерпретации, т.е. правильное истолкование результатов тестирования производительности, особенно, если они выражены в довольно экзотических единицах типаMWIPS,Drystoones/sи т.п.

• Все тесты для измерения производительности можно разделить на группы, отличающиеся по назначению.

I группа - тесты производителей средств ВТ, которые разрабатываются компаниями-изготовителями компьютеров для "внутреннего" применения - оценки качества собственных продуктов, т.е. ориентированы на сравнение множества однотипных компьютеров одного семейства.

Например, для оценки производительности микропроцессоров с архитектурой х86 предложен индекс производительности iCOMP(IntelComparativeMicroprocessorPerformance). В качестве эталона принят микропроцессорi486SX-25, значение индекса, для которого равно 100.Индекс iCOMP определяется для смеси операций:

0. операции над 16-разрядными целыми - 67 %;

1. операции над 16-разрядными числами с ПЗ - 3 %;

2. операции над 32-разрядными целыми - 25 %;

3. операции над 32-разрядными числами с ПЗ - 5 %,

т.к. в ряде ЭВМ время выполнения операций с ФЗ и ПЗ сильно отличается.

Тогда для микропроцессоров i486SX2-50,Pentium-100 иPentium-166 индексы производительности равны 180, 815 и 1308 соответственно. Следует учитывать, что индексiCOMPоценивает производительность только центральных процессоров (ЦП), а не ЭВМ в целом, включающей также оперативную память (ОП) и внешние устройства (ВУ), т.е. это комбинация пиковой производительности через индекс производительности.

Существуют и другие тестовые пакеты для измерения производительности внутри одного семейства (LSPR- для серверов,RAMP-C- для компьютеровAS-4000).

II группа -стандартные тесты, разработанныедля сравнения широкого спектра показателей компьютеров.Так как их разработчиками являются независимые аналитики, то это исключает их ориентацию на конкретного поставщика, например, для оценки серверов тестовый набор ТРС-С (TransactionProcessingPerformanceCouncil). Оценка ведется в числе транзакций в минуту (tpmC).

III группа - пользовательские тесты, создаваемые крупными компаниями, специализирующимисяна внедрении компьютерных технологий, или пользователями, объединенных сходством решаемых задач.Эти тесты предназначены специально для выбора компьютеров и ПО, наиболее подходящих под определенные прикладные задачи. Этот подход позволяет получить точные оценки производительности для конкретных приложений.

Наибольшее распространение получили наборы тестов компании SPEC(StandardPerformanceEvaluationCorporation) -SPEC- 89, 92 и 95 с учетом истории развития структуры и режимов работы.

• Пакеты тестовых программ включают два набора: Cint- целочисленной обработки и Сfp- для чисел с ПЗ. Тестовые программы представляют собой достаточно сложные программы на языках С иFortranс широким спектром решаемых задач - от оптимизации матриц булевой логики до моделирования замещения атомов квантовой химии.

Число тестовых программ

Cint Cfp

SPEC-89 4 6

SPEC-92 6 14

SPEC-95 8 10

1. Методика оценок производительности SPEC89предполагает 4 вида показателей:

0. 10 дифференциальных оценок SPECration, каждая из которыхопределяется как отношение времени выполнения программы № i из наборов Cint89 и Cfp89на тестируемом компьютере ко времени выполнения той же программы на ЭВМDECVAX11/780;Ip[i] =tu[i] /tэ,

• интегральная оценка производительностиSPECmark, являющаясясредним геометрическим всех десяти частных оценок SPECratio;

Ip = ПIp[i] / i, (i=10)

0. оценки SPECint89 и SPECfp89, которыераздельно характеризуют быстродействие компьютера при обработке целочисленных данных и вещественных чисел.Рассчитываются аналогичноSPECmarkкак среднее геометрическое частных оценокSPECratioраздельно для тестов целочисленных и вещественных чисел:i=j+k= 4 + 6 =10.

2. Методика расчета основных характеристик производительности SPEC92не отличается отSPEC89, т.е. черезSPECratioс учетом увеличения числа тестовых программ и их набора,т.к. пакетSPECint92 предназначен для оценки производительности в коммерческой области применения, аSPECfp92 - в технической и научной областях применения.

SPEC92 имеет одну дополнительную оценку производительностив режиме мультипрограммной обработки SPECrate в рамках метода однородной нагрузки путем выполнения задания, состоящего из множества копий одной программы, а показателем производительности многопроцессорной обработки служитколичество копий, завершенных за определенный интервал времени. Результатом измерений являетсянормированное общее время выполнения всех копий задания.

Таким образом, SPECrateint92 и SPECratefp92 оценивают среднюю скорость выполнения задач в мультипроцессорном режиме работы системы.Кроме того, эти показатели позволяют получить представление о возможностях компилятора по организации параллельного мультизадачного кода, также ОС - по эффективному динамическому распределению ресурсов системы (процессоров) между выполняемыми параллельными программами.

3. Появление пакета тестов SPEC95обусловлено развитием микропроцессоров:

• повышением их производительности;

• увеличением емкости внутренней кэш-памяти и наличием внешней кэш-памяти;

• совершенствованием компиляторов;

• актуальностью применения в различных областях приложений,

т.к. последние БИС ЦП выполняют тесты SPEC92 от долей секунд до нескольких секунд, что вносит в измерения большие погрешности, обусловленные тем, что объем программ и данныхSPEC92 может полностью разместиться в кэш-памяти процессора, что дает недостоверные оценки производительности.

Индексы производительности в SPEC95 даются по отношению к эталонной машинеSPARC-station10/40 в конфигурации с внешней кэш-памятью (второго уровня).

Оценками SPEC95являются:

0. индексы производительности SPECint95, SPECfp95и SPECint base95, SPECfp base95для чисел с ФЗ и ПЗ в оптимизированном режиме компиляции и без оптимизации соответственно;

1. индексы пропускной способности SPECint rate95, SPECfp rate95и SPECint rate base95, SPECfp rate base95 для оценки многозадачных режимов иSMPархитектур в оптимизированном режиме компиляции и без оптимизации соответственно.

Все интегральные индексы производительности формируются как среднее геометрическое индексов по отдельным тестам.

Все перечисленные показатели реализуются, если ЭВМ работоспособна. Поэтому суждение о реальных возможностях ЭВМ выполнять определенные функции может быть вынесено только с учетом характеристик эксплуатационной надежности машины.