Архитектура ЭВМ

При выполнении реальных прикладных программ эффективная (реальная) производительность микропроцессора может весьма существенно (до нескольких раз) быть меньше пиковой. Это объясняется тем, что современные высокопроизводительные микропроцессоры имеют весьма сложную, архитектуру (суперконвейерная и суперскалярная обработка, многоуровневая система памяти и так далее). Характеристики их функционирования на уровне внутренних устройств существенно зависят от программы и обрабатываемых данных. Поэтому не возможно с необходимой точностью оценить производительность только на основании тактовой частоты их работы, числа затрачиваемых на выполнение одной команды тактов процессора и числа устройств обработки.

Для оценки производительности различных вычислительных средств в мировой практике наибольшее распространение получило использование наборов характерных для той или иной области применения вычислительной техники задач. Время выполнения одной каждой из задач набора составляет основу для расчёта индекса производительности исследуемой вычислительной, установки.

Индекс производительности, является относительной оценкой, несущей информацию о том, на сколько быстрее или медленнее исследуемая вычислительная установка выполняет подобные задачи по сравнению с некоторой широко распространенной ЭВМ (последнюю часто называют базовой или эталонной).

7.1 Сравнение производительности процессоров по индексу iCOMP Index 2.0

Для сравнения производительности процессоров применяются различные способы измерения. Для сравнения процессоров с одинаковой архитектурой (или близких по системе команд и совпадающих по разрядности операндов) применялся показатель, равный усредненному числу операций, выполняемых за единицу времени. Чтобы по возможности не привязываться к быстродействию памяти, операции обычно подразумевали регистровые операнды. На таком принципе построена единица измерения MIPS (Mega Instruction Per Second), означающая число миллионов выполненных инструкций за секунду. Во времена процессоров 80/86 и 80/26 их производительность (вместе с указанием типа) достаточно четко характеризовалась тактовой частотой. В последующих моделях процессоров стали появляться довольно значительные изменения архитектуры, в результате которых тактовая частота перестала быть почти единственным фактором, определяющим производительность.

Для измерения производительности при выполнении вычислений с плавающей точкой вместо единицы MIPS применяется FLOPS (FLoating point Operations Per Second) со всеми возможными десятичными приставками - MFLOPS, GFLOPS, TFLOPS…

Для сравнения производительности 32-битных процессоров с архитектурой х86 фирма Intel в 1992 году предложила свою единицу измерения: iCOMP Index (Intel COmparative Microprocessor Performance). Эти измерения позволяют дать конечному пользователю упрощенный способ определения относительной мощности конкретного процессора. Для определения производительности определяется скорость выполнения определенной смеси 16- и 32- битных операций 4-ч категорий: целочисленных, с плавающей точкой, скорость обработки графики и видео. Измерения проводятся при установке процессора в системную плату, оптимальную для его архитектуры. Полученные относительные скорости входят в общий показатель с определенными весовыми коэффициентами. В качестве базового процессора, по отношению к которому определяются относительные скорости, был принят i486SX-25, его индекс равен 100.

Таблица 1: Индексы производительности iCOMP Index

В 1996 году была введена новая единица: iCOMP Index 2.0, отличающаяся набором показателей и весовыми коэффициентами, а также выбором базового процессора. Им теперь стал Pentium 120 Мгц, принятый в качестве процессора начального уровня (по прежней шкале его производительность составляла 1000 единиц). Значения индекса iCOMP 2.0 нельзя сравнивать со значениями, полученными при оценке с использованием более ранних версий iCOMP, так как использовались разные наборы тестов.

Появление нового показателя вызвано общей тенденцией преобладающего применения 32-битных операций, в результате чего из тестовой смеси исключили 16-битные инструкции.

Таблица 2: Соотношение 16 и 32 битных приложений в iCOMP Index и iCOMP Index 2.0

Существуют три основные тенденции развития рынка и роста производительности, которые нашли свое отражение в формуле расчета производительности.

Развитие современных эталонных тестов, которые наилучшим образом отражают реальную работу популярных приложений.

Ускорение перехода к 32-битным операционным системам и приложениям на настольных системах.

Внедрение средств мультимедиа, телекоммуникаций и 3-мерной графики.

Значения индекса iCOMP 2.0 основаны на результатах оценки производительности процессора при выполнении целочисленных операций, операций с плавающей запятой, обработки мультимедиа. В свою очередь, оценка производительности операций с мультимедиа складывается из четырех компонентов - производительности аудиосистемы, производительности видеосистемы, производительности системы обработки изображений и производительности трехмерной графики.

В общем виде формула подсчета индекса представлена ниже:

Индекс iCOMP 2.0 дает простую относительную меру производительности. Это не эталонный тест, а совокупность результатов эталонных тестов, использованных для вычисления индекса относительной производительности процессоров. Индекс измеряет производительность на традиционных и “тяжелых” (high-end) деловых приложениях, используя тесты CINT и CFP95 от SPEC, CPUmark32 от Ziff-Davis и Norton SI32 от фирмы Symantec.

В таблице представлена информация о категории тестов, их весовых коэффициентах и значениях .

Таблица 3: Эталонные значения в iCOMP Index 2.0

Приведем таблицу, содержащую значения всех тестов, включенных в iCOMP Index 2.0, для процессора Intel Pentium Processor 200 MHz.

Таблица 4: Результаты тестов для Pentium Processor 200 MHz

Используя формулу расчета индекса iCOMP Index 2.0, значения из таблицы 3 и таблицы 4, самостоятельно получим индекс производительности iCOMP Index 2.0 для процессора Pentium Processor 200 MHz.

Вычислив это выражение, получим 142,3775364. После округления, iCOMP Index 2.0 для процессора Pentium Processor 200 MHz равен 142.

Сравним этот ответ с табличным, приведенным в таблице 5.

Таблица 5: Индексы производительности iCOMP Index 2.0

Тесты производительности при выполнении целочисленных операций эмулируют работу пользователей с повседневными типовыми приложениями типа текстовых процессоров, электронных таблиц, финансовых, презентационных программ и др.

Традиционные наборы тестовых программ не были разработаны для измерения производительности систем при работе с современными приложениями, богатыми графикой, звуком и видео. Наборы тестовых мультимедиа-программ были специально разработаны для эмуляции работы стандартного пользователя с такими средствами, как видео MPEG1 и MPEG2, цифровой звук Dolby, файлы в формате AVI, обработка изображений или видеоконференции, а также с аналогичными приложениями, насыщенными различными данными.

Приложения, применяющие технику трехмерной визуализации, такие как игры, все чаще используют улучшенную производительность операций с плавающей точкой, чтобы поддерживать насыщенные текстуры и расширенные эффекты освещения. Производительность операций с плавающей точкой - критический фактор для прикладных программ автоматизированного рабочего места типа CAD (CAD - Computer Aided Design).

8. Система команд: операции над целыми числами

Система команд -- соглашение о предоставляемых архитектурой средствах программирования, а именно: определённых типах данных, инструкций, системы регистров, методов адресации, моделей памяти, способов обработки прерываний и исключений, методов ввода и вывода.

Система команд представляется спецификацией соответствия (микро)команд наборам кодов (микро)операций, выполняемых при вызове команды, определяемых (микро)архитектурой системы. (При этом, на системах с различной (микро)архитектурой может быть реализована одна и та же система команд. Например, Intel Pentium и AMD Athlon имеют почти идентичные версии системы команд x86, но имеют радикально различный внутренний дизайн.)

Базовыми командами являются, как правило, следующие:

- арифметические, например «сложения» и «вычитания»;

- битовые, например «логическое и», «логическое или» и «логическое не»;

- присваивание данных, например «переместить», «загрузить», «выгрузить»;

- ввода-вывода, для обмена данными с внешними устройствами;

- управляющие инструкции, например «переход», «условный переход», «вызов подпрограммы», «возврат из подпрограммы».

В процессе развития IA-32 производилось расширение возможностей обработки данных, представленных в различных форматах (рис. 6). Процессоры i386 выполняли обработку только целочисленных операндов. Для обработки чисел с “плавающей точкой” использовался внешний сопроцессор i387, подключаемый к микропроцессору. В состав процессоров i486 и последующих моделей Pentium введён специальный блок FPU (Floating-Point Unit), выполняющий операции над числами с “плавающей точкой”. В процессорах Pentium MMX была впервые реализована групповая обработка нескольких целочисленных операндов разрядностью 1, 2, 4 или 8 байт с помощью одной команды. Такая обработка обеспечивается введением дополнительного блока MMX (Milti-Media Extension -- Мультимедийное Расширение). Название блока отражает его направленность на обработку видео- и аудиоданных, когда одновременное выполнение одной операции над несколькими операндами позволяет существенно повысить скорость обработки изображений и звуковых сигналов. Начиная с модели Pentium III, в процессоры вводится блок SSE (Streaming SIMD Extension -- Потоковое SIMD-расширение) для групповой обработки чисел с “плавающей точкой”.

Рис. 6. Эволюция архитектуры IA-32

9. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шагурин И.И., Бердышев Е.М. «Процессоры семейства Intel P6, Pen-tium I, Pentium II, Pentium III и др. Архитектура, программирование, интерфейс».

2. Быков Е.А. «Архитектура и интерфейсы персональных компьютеров». - М.: Центр СКС, 1993 г.

3. Леонтьев В.П. «Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2002». - М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2002 г.

4. Методическое пособие 20/8/2 «Архитектура ЭВМ и систем». Москва 2004 г.

5. Руководство пользователя «ВАРИАНТ 2», ПО 086.00.00.000М

6. Лекционные занятия «Архитектура ЭВМ и систем». Самме Г.В. Москва 2008 г.

7. http://www.lessons-tva.info/edu/e-inf1/e-inf1-2-4.html

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Система_команд

Размещено на Allbest.ru