Количество циклов обработки, которые процессор выполняет за 1 секунду, равно

Обновлено: 21.11.2024

    Предположим, что при запуске программы А время ЦП пользователя составляет 3 секунды, истекшее время настенных часов составляет 4 секунды, а производительность системы составляет 10 млн флоп/сек. Предположим, что нет других процессов, требующих сколько-нибудь значительного времени, и компьютер либо выполняет вычисления в ЦП, либо выполняет ввод-вывод, но он не может делать и то, и другое одновременно. Теперь мы заменяем процессор на тот, который работает в шесть раз быстрее, но не влияет на скорость ввода-вывода. Каковы будут теперь время ЦП пользователя, время настенных часов и производительность MFLOP/сек?

Производительность ЦП B / производительность ЦП A = время ЦП A / время ЦП B

Время процессора пользователя = 0,5 секунды

Поскольку увеличение производительности не влияет на время ввода-вывода, для выполнения ввода-вывода по-прежнему требуется 1 секунда. Следовательно, выполнение программы A на более быстром процессоре занимает 1 + 0,5 = 1,5 секунды

Время настенных часов = 1,5 секунды

Производительность системы в MFLOPS = количество операций с плавающей запятой * 10 6 /Wallclock Time

Производительность новой системы = 40 * 10 6 /1,5

<УЛ>
  • Вы входите в группу разработчиков нового процессора. Тактовая частота процессора составляет 200 МГц. В следующей таблице приведены частоты выполнения инструкций для теста B, а также количество циклов выполнения инструкций для различных классов инструкций. Для этой проблемы мы предполагаем, что (в отличие от многих современных компьютеров) процессор выполняет только одну инструкцию за раз.

      • Рассчитайте CPI для эталона B.

    Если мы говорим, что инструкций 100, то:

    30 из них будут загружаться и храниться.

    50 из них будут арифметическими инструкциями.

    20 из них будут все остальные.

    (30 * 6) + (50 * 4) + (20 * 3) = 440 циклов/100 инструкций

    Поэтому на одну инструкцию приходится 4,4 цикла.

    Формула для расчета MIPS:

    MIPS = тактовая частота/(CPI * 10 6 )

    Тактовая частота составляет 200 МГц.

    MIPS = (200 * 10 6 )/(4,4 * 10 6 ) = 45,454545

    Время часов = 1/время цикла

    Время цикла = 1/время часов

    Время цикла = 1/(200 * 10 6 ) = 5 * 10 -9

    Время цикла увеличивается на 20 %:

    (5 * 10 -9 ) * 1,2 = 6 * 10 -9

    Таким образом, новая тактовая частота:

    1/(6 * 10 -9 ) = 166,667 * 10 6 или 166,667 МГц

    В части b было 100 инструкций, поэтому мы уменьшим количество загрузок и сохранений на

    половина, и это уменьшит общее количество инструкций. Таким образом, новый набор инструкций будет таким:

    15 загрузок и сохранений

    50 арифметических инструкций

    Общее количество инструкций теперь равно 85, поэтому ответ таков:

    ((15 * 6) + (50 * 4) + (20 * 3)) / 85 = 350 циклов/ 85 инструкций = 4,12 CPI

    Секунды ЦП = (количество инструкций * количество тактов на инструкции)/тактовая частота

    Первое, что нам нужно сделать, это подсчитать количество инструкций, которые выполняются за 11 секунд в новом эталонном тесте, где вдвое меньше операций загрузки и сохранения.

    Для этого нам нужно выяснить, сколько инструкций выполняется в исходном тесте за 11 секунд. Поскольку мы знаем MIPS или количество миллионов инструкций в секунду для исходного теста, мы говорим:

    (45,45 * 10 6 ) * 11 = 500 * 10 6 инструкций за 11 секунд

    Теперь нам нужно выяснить, сколько из них являются загрузками и хранилищами, поэтому:

    (500 * 10 6 ) * .3 = 150 * 10 6 являются инструкциями по загрузке и сохранению, поскольку на диаграмме указано, что 30% всех инструкций относятся к загрузке и сохранению. Теперь нам нужно сократить это число вдвое, потому что новый бенчмарк говорит, что у нас в два раза меньше количество загрузок и хранилищ, но время цикла увеличивается на 20%. Следовательно, есть только 75 * 10 6 загрузок и магазинов. Это также означает, что общее количество инструкций теперь меньше, всего 425 * 10 6 инструкций.

    Уравнение производительности анализирует время выполнения как произведение трех факторов, относительно независимых друг от друга.

    Это уравнение остается в силе, если единицы времени изменены в обеих частях уравнения. Левая и правая стороны обсуждаются в следующих разделах.

    Эти три фактора по порядку называются количество инструкций (IC), количество часов на инструкцию (CPI) и время часов (КТ). CPI рассчитывается как действующее значение.

    Уравнение производительности

    Уравнение производительности

    Уравнение производительности анализирует время выполнения как произведение трех факторов, относительно независимых друг от друга.

    Количество инструкций

    Компьютерные архитекторы могут сократить количество инструкций, добавив в набор инструкций более мощные инструкции. Однако это может увеличить либо CPI, либо время часов, либо и то, и другое.

    Часы на инструкцию

    Компьютерные архитекторы могут снизить CPI, используя больше параллелизма на уровне инструкций. Если они добавляют более сложные инструкции, это часто увеличивает CPI.

    Часы

    Время такта зависит от скорости транзистора и сложности работы, выполняемой за один такт. Тактовое время может быть уменьшено при уменьшении размера транзистора. Однако энергопотребление увеличивается, когда тактовое время уменьшается. Это увеличивает количество выделяемого тепла.

    Количество инструкций

    На количество инструкций влияет мощность набора инструкций. Различные наборы инструкций могут выполнять разный объем работы в одной инструкции. Инструкции процессора CISC часто могут выполнять целых две или три инструкции процессора RISC. Некоторые инструкции процессора CISC имеют встроенный цикл, так что они могут выполнять до нескольких сотен инструкций RISC.

    Чтобы предсказать влияние добавочных изменений, архитекторы используют трассировки выполнения тестовых программ, чтобы получить количество инструкций. Если инкрементальное изменение не меняет набор инструкций, то количество инструкций обычно не меняется. Если в наборе инструкций есть небольшие изменения, можно использовать информацию трассировки для оценки изменения количества инструкций.

    В целях сравнения можно сравнить две машины с разными наборами инструкций на основе компиляции одного и того же кода языка высокого уровня на двух машинах.

    Часы на инструкцию

    Часы на инструкцию (CPI) — это эффективное среднее значение. Он усредняется по всем выполненным командам в программе.

    CPI зависит от параллелизма на уровне инструкций и сложности инструкций. Без параллелизма на уровне инструкций выполнение простых инструкций обычно занимает 4 или более тактов. Инструкции, выполняющие циклы, занимают по крайней мере один такт на итерацию цикла. Конвейерная обработка (перекрывающееся выполнение инструкций) может снизить среднее время выполнения простых инструкций почти до 1 такта на инструкцию. Конвейерная суперскалярная обработка (выдача нескольких инструкций за такт) может сократить среднее время до доли такта на инструкцию.

    Для расчета количества часов на инструкцию в качестве эффективного среднего случаями являются категории инструкций, такие как переходы, загрузки и сохранения. Частоты для категорий могут быть извлечены из трасс выполнения. Знание того, как архитектура обрабатывает каждую категорию, дает количество тактов на инструкцию для этой категории.

    Часы

    Время часов (CT) — это период часов, который синхронизирует схемы в процессоре. Это величина, обратная тактовой частоте.

    Например, время цикла процессора с частотой 1 ГГц составляет 1 нс, а время цикла процессора с частотой 4 ГГц – 0,25 нс.

    Время часов зависит от схемотехники и сложности работы, выполняемой одними часами. Логические вентили не срабатывают мгновенно. У вентиля есть задержка распространения, которая зависит от количества входов в вентиль (разветвление на входе) и количества других входов, подключенных к выходу вентиля (разветвление на выходе). Увеличение либо входного, либо выходного вентилятора замедляет время распространения. Время цикла устанавливается равным наихудшему общему времени прохождения через логические элементы, которые производят сигнал, требуемый в следующем цикле. Общее время распространения в наихудшем случае происходит по одному или нескольким путям прохождения сигнала через схему. Эти пути называются критическими путями.

    За последние 35 лет на технологию интегральных схем сильно повлияло уравнение масштабирования, которое говорит, как должны изменяться размеры отдельных транзисторов по мере уменьшения общих размеров. Уравнения масштабирования предсказывают увеличение скорости и уменьшение потребляемой мощности на транзистор с уменьшением размера. Технологии усовершенствовались настолько, что примерно каждые 3 года линейные размеры уменьшались в 2 раза. В аналогичный раз уменьшалась потребляемая мощность транзисторов. Примерно до 2005 года скорость увеличивалась примерно на тот же коэффициент. В то время энергопотребление достигло точки, когда воздушного охлаждения было недостаточно для охлаждения процессоров, если они работали на максимально возможной тактовой частоте.

    Постановка задачи

    Предположим, что программе (или программной задаче) требуется 1 миллиард инструкций для выполнения на процессоре, работающем на частоте 2 ГГц. Предположим также, что 50 % инструкций выполняются за 3 такта, 30 % — за 4 такта и 20 % — за 5 тактов. Каково время выполнения программы или задачи?

    Решение

    Предположим, что программе (или программной задаче) требуется 1 миллиард инструкций для выполнения на процессоре, работающем на частоте 2 ГГц. Предположим также, что 50 % инструкций выполняются за 3 такта, 30 % — за 4 такта и 20 % — за 5 тактов. Каково время выполнения программы или задачи?

    У нас есть количество инструкций: 10 9 инструкций. Время на часах можно быстро вычислить, исходя из скорости часов, которая составляет 0,5×10 -9 секунд. Таким образом, нам нужно только вычислить такты на инструкцию как эффективное значение:

    Время выполнения = 1,0 × 10 9 × 3,7 × 0,5 × 10 -9 с = 1,85 с.

    Постановка задачи

    Предположим, что процессор в предыдущем примере переработан так, что все инструкции, которые первоначально выполнялись за 5 тактов, теперь выполняются за 4 такта. Из-за изменений в схеме тактовая частота должна быть снижена с 2,0 ГГц до 1,9 ГГц. Каково общее процентное улучшение?

    Форма решения

    Предположим, что процессор в предыдущем примере переработан так, что все инструкции, которые первоначально выполнялись за 5 тактов, теперь выполняются за 4 такта. Из-за изменений в схеме тактовая частота должна быть снижена с 2,0 ГГц до 1,9 ГГц. Никаких изменений в набор инструкций не вносится. Каково общее процентное улучшение?

    Мы можем быстро определить процентное улучшение, сначала найдя соотношение между производительностью до и после. Уравнение производительности подразумевает, что это соотношение будет произведением трех факторов: коэффициента производительности для количества инструкций, коэффициента производительности для CPI или его обратной величины, пропускной способности команд и коэффициента производительности для тактового времени или его обратной величины, тактовой частоты. Мы можем игнорировать первый фактор в этой проблеме, так как он равен 1.0: количество инструкций не изменилось. Нам осталось определить коэффициент производительности для CPI и, поскольку нам заданы тактовые частоты, коэффициент производительности для тактовых частот.

    Решение

    Предположим, что процессор в предыдущем примере переработан так, что все инструкции, которые первоначально выполнялись за 5 тактов, теперь выполняются за 4 такта. Из-за изменений в схеме тактовая частота должна быть снижена с 2,0 ГГц до 1,9 ГГц. Никаких изменений в набор инструкций не вносится. Каково общее процентное улучшение?

    Коэффициент производительности для частот должен быть меньше 1,0: если другие факторы одинаковы, более низкая тактовая частота означает худшую производительность. Таким образом, этот коэффициент коэффициента улучшения должен быть 1,9/2,0.

    Для тактов на инструкцию у нас было значение 3,7 до изменения. Мы вычисляем такты на инструкцию после изменения как действующее значение:

    Значение Частота Продукт
    3 0,5 1.5
    4 0,3 1,2
    5 0,2 1,0
    ИПЦ = 3,7
    < tr>
    Значение Частота Продукт
    3 0,5 1,5
    4 0,3 1,2
    4 0,2 0,8
    ИПЦ = 3.5

    Теперь более низкие тактовые частоты на инструкцию означают более высокую пропускную способность инструкций и, следовательно, лучшую производительность, поэтому мы ожидаем, что эта часть коэффициента производительности будет больше 1,0; то есть 3,7/3,5.

    Я читал книгу о процессоре компьютера. И я столкнулся с некоторыми терминами, такими как тактовые импульсы, тактовый цикл и тактовая частота, которые мне очень трудно понять. Буду очень признателен, если кто-то объяснит это простым языком. Заранее спасибо!

    Клещи кусаются. Не используйте это слово. Часы делают цикл. Тактовый цикл — это количество пикосекунд, прошедших между импульсами тактового сигнала (количество миллиметров, на которое распространяется пакет фотонов). Плюс можно сделать цикл в 2 раза короче, обнаруживая как подъемы, так и спады сигнала. Также есть множители и так далее.

    2 ответа 2

    Скорость компьютерного процессора или центрального процессора определяется тактовым циклом, то есть количеством времени между двумя импульсами генератора. Вообще говоря, чем больше число импульсов в секунду, тем быстрее процессор компьютера сможет обрабатывать информацию. Тактовая частота измеряется в Гц, обычно либо в мегагерцах (МГц), либо в гигагерцах (ГГц). Например, процессор с частотой 4 ГГц выполняет 4 000 000 000 тактовых циклов в секунду. Компьютерные процессоры могут выполнять одну или несколько инструкций за такт, в зависимости от типа процессора. Ранние компьютерные процессоры и более медленные процессоры могут выполнять только одну инструкцию за такт, но более быстрые и продвинутые процессоры могут выполнять несколько инструкций за такт, обрабатывая данные более эффективно.

    И, с другой стороны, тактовая частота (иногда называемая тактовой частотой) относится к числу импульсов в секунду, генерируемых генератором, который устанавливает темп для процессора. Тактовая частота обычно измеряется в МГц (мегагерцах или миллионах импульсов в секунду) или ГГц (гигагерцах или миллиардах импульсов в секунду). Современные персональные компьютеры работают с тактовой частотой в сотни мегагерц, а некоторые превышают один гигагерц. Тактовая частота определяется кварцевой схемой, похожей на те, что используются в радиокоммуникационном оборудовании.

    Спасибо за вашу помощь. Ну, я искал больше о Clock Cycle. Не могли бы вы объяснить мне более подробно о тактовом цикле, пожалуйста. ?

    Гц равен 1/с.Таким образом, вы можете перевести длину тактового цикла в какое-то время. Я не уверен, что вы стреляете в это.

    На всякий случай, если кого-то еще это смутит, как и меня, в абзаце 1 выделен тактовый цикл, но затем большая часть объяснения посвящена тактовой частоте. Я бы подумал, что тактовый цикл будет обратным значением тактовой частоты (период против частоты) и будет измеряться в наносекундах или чем-то еще.

    ЦП не может работать в одиночку, когда мы одновременно передаем ему огромное количество данных и инструкций. Для работы ему нужны другие компоненты, а для этого нужны часы, которые синхронизируют все компоненты системы.

    Скорость, с которой процессор завершает свой полный цикл обработки за одну секунду, называется его «тактовой частотой». Он также известен как тактовая частота. Производительность ЦП оказывает большое влияние на скорость загрузки и последующего выполнения программы. Обычно она измеряется в мегагерцах или гигагерцах. В современных процессорах мы измеряем тактовую частоту в гигагерцах.

    • ЦП с тактовой частотой 4,2 МГц выполняет 4,2 миллиона циклов в секунду.
    • ЦП с тактовой частотой 4,2 ГГц выполняет 4,2 миллиарда циклов в секунду.

    Говорят, что чем выше тактовая частота, тем быстрее процессор. Но это может быть не единственная причина более быстрого процессора. За этим стоит множество факторов, таких как количество процессоров, скорость ОЗУ, скорость шины, размер кеша и т. Д. Для выполнения некоторых инструкций требуется больше циклов от ЦП. В зависимости от архитектуры ЦП тактовая частота может быть более или менее важной. Некоторые процессоры на самом деле могут работать быстрее при более низкой тактовой частоте, в то время как архитектура некоторых процессоров больше ориентирована на высокую тактовую частоту с небольшим количеством инструкций за цикл.

    Скорость процессора определяет количество вычислений, которые он может выполнить за одну секунду. Однако тактовая частота ЦП для вычислительной мощности может быть увеличена путем «разгона». Но когда вы повышаете тактовую частоту, могут возникнуть проблемы со стабильностью, и ваша система может выйти из строя. Более высокие тактовые частоты могут генерировать больше тепла, поэтому, чтобы избежать опасного перегрева, процессоры будут снижать частоту при перегреве. Это может произойти, когда вы не даете достаточно мощности вашему процессору. Разгон также может привести к перенапряжению.

    Перенапряжение — это повышение напряжения, подаваемого на микросхему, для увеличения тактовой частоты.

    Altair 8800, первый коммерческий ПК, использующий процессор Intel 8080 с тактовой частотой 2 МГц (2 миллиона циклов в секунду) и Intel P5 Pentium с тактовой частотой 100 МГц (100 миллионов циклов в секунду). В 2000 году AMD стал первым процессором, достигшим частоты 1 ГГц (1 миллиард циклов/сек). В 2002 году Intel Premium 4 стал первым ЦП с тактовой частотой 3 ГГц (3 миллиарда циклов в секунду).

    Читайте также: