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 охарактеризовать количеством операций, выполняемых компьютером за секунду, поскольку все устройства компьютера (процессор, внешние запоминающие устройства, устройства передачи данных и т.д.) не могу работать одновременно, 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;

комплексную производительность;

системную производительность;

индекс производительности.

Номинальное быстродействие. Номинальное быстродействие – количество операций, выполняемых устройствами компьютера за секунду. Так, если компьютер состоит из N устройств 1,…,N, то номинальное быстродействие характеризуется вектором V = (V₁,…,V_N), где V₁,…,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 среднем V₁,…,V_N операций за секунду.

Среднее быстродействие устройства оценивается следующем образом. Если устройство, например процессор, выполняет G операций за время τ₁,…,τ_G и вероятности операций равны p₁,…,p_G , то среднее быстродействие устройства

, операций/с,

где n=1,…,N – номер устройства компьютера. Аналогично оценивается быстродействие и других устройств компьютера: внешних запоминающих устройств, устройств передачи данных и т.д.

Процессоры общего назначения используются для решения двух основных типов задач: научно-технических расчетов и коммерческих расчетов. Применительно к этому номинальное быстродействие принято характеризовать двумя значениями:

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

количеством миллионов операций с плавающей запятой, выполняемых за секунду,– MFLOPS (Million Floaping 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 технологии 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 высокопроизводительные электронные структуры.

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

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, сверхоперативной и оперативной памяти, 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.1.11) общая шина является общим для всех устройств ресурсом, и пропускная способность шины ограничивает возможность одновременной работы устройств компьютера. Аналогично, в структурах с каналами ввода-вывода (см. рис.1.13) общим ресурсом, разделяемым процессором и каналами ввода-вывода, является оперативная память, и быстродействие оперативной памяти ограничивает и быстродействие процессора, и пропускную способность системы ввода-вывода.

Чтобы учесть влияние структурной организации компьютера на производительность совокупности устройств, работающих как единый комплекс, используется понятие комплексная производительность. Так, если пропускная способность общего ресурса (устройства или интерфейса) составляет V₀ байт/с, то суммарная пропускная способность всех устройств, использующих этот ресурс, не может превышать V₀ 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 памяти V₀ = l_оп/_оп = 200 Мбайт/с. Суммарная пропускная способность всех устройств, подключенных к памяти, ограничена этим значением. Пример зависимости быстродействия процессора V₁ и пропускной способности системы ввода-вывода V₂ от интенсивности ввода-вывода ₂ байт/с представлен на рис. 2.1. При интенсивности ввода-вывода ₂₂ быстродействие процессора V₁ не уменьшается. Когда интенсивность ввода-вывода ₂<₂<₂, быстродействие процессора V₁ резко 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 производительность – количество вычислительной работы (задач), выполняемой компьютером, работающим под управлением операционной системы, за единицу времени. Операционная система определяет порядок обслуживания вычислительных 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 быстродействия и комплексной производительности компьютера. 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. Загрузка характеризует долю времени, в течение которого устройство n = 1,…,N занято работой, и одновременно вероятность того, что устройство n работает. Значение

,

называется коэффициентом простоя устройства n = 1,…,N и характеризуют одновременно долю времени, в течение которого устройство n простаивает, и вероятность простоя устройства за время Т.

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 процессу ввода-вывода, реализуемого средствами операционной системы, и затем другой программе, ожидающей процессорной обработки. В результате загрузка устройств возрастает и достигает значений

,

превышающего системную производительность при однопрограммном режиме обработки задач.

Значение определяет среднее количество задач, обрабатываемых компьютером и характеризует системную производительность компьютера 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 помощью индекса производительности – отношения системной производительности компьютера к системной производительности компьютера базовой модели, способного обрабатывать тот же класс задач. Ясно, что индекс производительности – относительная оценка системной производительности, характеризующая степень увеличения производительности компьютера по отношению к производительности базовой модели компьютера. Естественно, что индекс производительности характеризует изменение производительности компьютера на фиксированном классе задач.