Einführung in die Systemprogrammierung

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1 Einführung in die Systemprogrammierung Speedup: Grundlagen der Performanz Prof. Dr. Christoph Reichenbach Fachbereich 12 / Institut für Informatik 30. April 2015

2 Eine Aufgabe aus der Praxis Gegeben ein bestimmtes Programm: Machen Sie dieses Programm schneller. Neue Hardware? Neuer Compiler? Neues Betriebssystem? Neues Laufzeitsystem? Optimierungen? Neue Hardware + Installation kostet oft weniger als Entwicklerzeit

3 Speedup Definition: Beispiel: speedup(a, B) = Festgesetzte Aufgabe System A benötigt 1h System B benötigt 2h Benötigte Zeit für B Benötigte Zeit für A Speedup von System A über System B ist 2. Speedup gibt an, wieviele Probleme A in der Zeit lösen kann, in der B eines löst.

4 Auswahl neuerer Hardware Prozessor RegBit Kerne ISA Taktfrq. IBM Power PowerPC 4,2 GHz IBM z z/arch. 5,2 GHz (?) Oracle SPARC T SPARC V9 3,6 GHz AMD Piledriver FX x86/64 4,7 GHz Intel Xeon E v x86/64 3,7 GHz Intel Xeon Phi 7120X x86/64 1,2 GHz Samsung Exynos 7 Octa 64 8 ARM 1,5 Ghz (?) Qualcomm Snapdragon ARM 1,0 Ghz (?) Godson-3B (2011) MIPS64 1,0 GHz ISA = Instruction Set Architecture = Befehlssatzarchitektur Viele Unterscheidungskriterien!

5 Wie vergleichen wir die Prozessoren? Registergröße? Anzahl der Kerne? Befehlssatzarchitektur? Taktfrequenz? Andere Prozessoreigenschaften? Andere Eigenschaften des Systems? Meist sind viele Aspekte relevant

6 Mehr Prozessorkerne? Mehrere Berechnungen gleichzeitig: Jeder Kern hat eigene Register Kerne verwenden gleichen Speicher Programme müssen meist umgeschrieben werden, um zusätzliche Kerne zu nutzen

7 Prozessorkerne: Positives Beispiel Beispiel: Web-Suchmaschine Suchbegriffe sortierte Ergebnisse Webseiten Vier-Kern-CPU Ergebnisse müssen noch kombiniert werden, aber das ist relativ wenig Aufwand.

8 Prozessorkerne: Negatives Beispiel Element in sortiertem Binärbaum suchen Pfad durch Wurzelknoten deterministisch vorgegeben: schwer zu parallelisieren Zusätzliche Kerne sind hier u.u. nutzlos.

9 Höhere Taktfrequenz? Taktfrequenz (in Hz = 1 )) ist die Anzahl der Taktzyklen s pro Sekunde Jeder Maschinenbefehl benötigt eine bestimmte Anzahl von Taktzyklen Meist schnell: Logik, einfache Arithmetik Meist langsam: Division, Speicherzugriff Beispiel Blinkanlage: Annahme: 1 MHz-Prozessor Annahme: Jeder Befehl benötigt einen Taktzyklus Blinkprogramm 10 (und Wiederholung) Lampe wird Mal pro Sekunde an- und ausgeschaltet

10 Höhere Taktfrequenz? Nicht alle Operationen laufen in einem Taktzyklus ab. Beispiel SGI MIPS R10000 (1992): Operation Zyklen (32 Bit) Zyklen (64 Bit) Ganzzahl-Multiplikation 6 10 Ganze Zahl laden 2 2 Fließkommazahl laden 3 3 Fließkomma-Addition 2 2 Fließkomma-Multiplikation 2 2 Fließkomma-Division Fließkomma-Quadratwurzel 17 32

11 Taktfrequenz, Instruktionen, Zyklen Befehle benötigen mehrere Taktzyklen 1 Länge eines Zyklus: Taktfrequenz 1 GHz = 1 Zyklus benötigt 1 ns Kennwerte zur Analyse: CPI: Zyklen pro Instruktion (kleiner schneller) IPC: Instruktionen pro Zyklus (größer schneller) CPI = Zyklen Instruktionen IPC = Instruktionen Zyklen Moderne Prozessoren verfügen über Spezialbefehle, um Zyklen und Instruktionen zu messen

12 Taktfrequenz: Positives Beispiel Suche nach größtem gemeinsamem Teiler (ggt): { x x y, y mod x = 0 ggt(x, y) = ggt(x, z) x < y, (y mod x) = z, z > 0 Standardalgorithmus hängt nur von Prozessorgeschwindigkeit ab Eher seltene Situation in der Praxis

13 Taktfrequenz: Negatives Beispiel Webserver für statische Informationen: Erhält Anfrage aus Netzwerk Durchsucht Festplatte nach passender Datei Schickt Antwort über Netzwerk Aufwand primär bei: Festplatte Netzwerk Verbindung Prozessor/Geräte Prozessor nur periphär beteiligt

14 Andere Rechnerkomponenten DRAM-Speicher Flash-Speicher Festplatte Netzwerk Grafikchip Performanz realistischer Systeme hängt oft wesentlich von den Komponenten / Peripheriegeräten ab

15 Ahmdahls Gesetz Wert einer einzelnen Optimierung ist Speedup speedup = Laufzeit ohne Optimierung Laufzeit mit Optimierung Annahme: Eine-Komponente (Hardware/Software) nimmt k% der Gesamtlaufzeit Maximaler Speedup durch Optimierung: max. speedup = Laufzeit ohne Optimierung Laufzeit ohne Optimierungen * (1-k) = 1 1 k z.b.: Komponente braucht 20% Gesamtzeit, max. Speedup ist 1,25 Messen Sie die Wichtigkeit einer Komponente, bevor Sie optimieren!

16 Zusammenfassung speedup(a, B) = Benötigte Zeit für B Benötigte Zeit für A Performanz durch viele Faktoren beeinflußt: Taktfrequenz (aber: Vorsicht vor dem Megahertz-Mythos!) Anzahl Zyklen pro Befehl Anzahl Kerne (bei paralleler Software) DRAM, Festplatte, Graphikchip,... Software Instruktionen pro Zyklus (IPC) (bzw. Kehrwert, CPI) gibt ggf. nützliche Informationen über Prozessorauslastung Ahmdahls Gesetz: Komponente benötigt k der Laufzeit: max. speedup = 1 1 k

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