Was ist Rechnerleistung

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Rudolph Bösch
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1 Was ist Rechnerleistung Leistung im engeren Sinne: Leistung gemessen in seltsamen Einheiten, bestimmt vorwiegend von der Zentraleinheit: MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde) FLOPS (Floating Point Operations Per Second - Fließkommaoperationen pro Sekunde) SPECMARCS(Integer oder Float) LISP-Rate (Logical Inferences Per Second - Logische Schlußfolgerungen pro Sekunde) Leistung im weiteren Sinne: Leistung gemesssen im täglichen Einsatz, in Benchmark-Tests, bestimmt durch alle Komponenten des Systems: Durchsatz bei normalen Büroaufgaben; z.b. BABCo Suite, arbeitet mit 8 Programmen (WORD, Corel etc.) automatisch eine Reihe von Aufgaben ab. Antwortzeit (response time) - Reaktionszeit auf Eingaben im interaktiven Betrieb Speicherplatzbedarf Anzahl Nutzer gleichzeitig, z.b. Computererzeugte Testlast bis Leistungsgrenze des Systems erreicht ist. Spezialkomponenten DVS Weihenstephan / Nov. 98 Seite 3.1 -

2 Leistungssteigerung I Geschwindigkeit Der Prozessor arbeitet mit festem Takt, gesteuert von einem Taktgeber. Jeder Maschinenbefehl braucht eine feste Anzahl von Takten. Angabe in Hz; 1 MHz = Hz Probleme: Temperatur Bauteilekosten, alle Komponenten müssen schnell sein (Waitstate) Packungsdichte Leitungslänge DVS Weihenstephan / Nov. 98 Seite 3.2 -

3 Leistungssteigerung II Vektorrechner - Fließbandprinzip mehrere Arbeitsschritte verzahnen (Vektorrechner, Fließbandprinzip) 1. Bereitstellen der Operanden 2. Subtraktion der Exponenten 3. Anpassen der Mantissen 4. Addition der Mantissen 5. Normalisieren 6. Abliefern des Ergebnis \ Takt: Operation \ n n+1 n+2 n+3 n+4 n Bereitstellen x1 x2 x3 x4 x5 x6 xn 2. Subtraktion x1 x2 x3 x4 x5 xn-1 xn 3. Anpassen x1 x2 x3 x4 xn-2 xn-1 xn 4. Addition x1 x2 x3 xn-3 xn-2 xn-1 xn 5. Normalisieren x1 x2 xn-4 xn-3 xn-2 xn-1 xn 6. Abliefern x1 xn-5 xn-4 xn-3 xn-2 xn-1 xn SPEEDUP kennzeichnet das Verhältnis von skalarer zu vektorieller Ausführung: Speedup = (n* p) n+ p -1 mit: n Vektorlänge p Pipelänge für n>>p gilt: Speedup --> p DVS Weihenstephan / Nov. 98 Seite 3.3 -

4 Leistungssteigerung III mehrere Arbeitsschritte parallel -- (VLIW-Rechner (Very Long Instruction Word-Rechner), Parallelrechner) Hohe Rechenleistung durch Verknüpfung mehrerer einfacher Prozessoren. Die Zerlegung der durchzuführenden Bearbeitungsschritte in Teilaufgaben nennt man Bereichsdekomposition Probleme: Kommunikation der Prozessoren Zugriff auf Speicher (Gültigkeit der Daten) Gemeinsamer Speicher: Viele Verbindungen nötig, gemeinsamer Zugriff möglich Bussystem zum Speicher: keine unnötigen Verbindungen, aber hohe Last am Bus Omega-Netze: Wenige Leitungen, aber Verlang-samung Parallelisierbarkeit der Programme resp. Probleme DVS Weihenstephan / Nov. 98 Seite 3.4 -

5 Leistungssteigerung IV Besser optimierte Maschinenbefehle (RISC) RISC = Reduced Instruction Set Computer Zentraleinheit kennt nur wenige einfache, aber hoch-opti-mierte Befehle CISC = Complex Instruction Set Computer Zentraleinheit kennt viele Spezialbefehle für viele komplexe Instruktionen, die Befehle sind aber nicht hochoptimiert DVS Weihenstephan / Nov. 98 Seite 3.5 -

6 Leistungssteigerung V Spezialprozessoren math. Koprozessor, Grafikprozessor, Videokompression, Plattenprozessoren Parallel arbeitende Funktionseinheiten teilfunktionale Prozessoren (Instruction Unit + Branch Processor + Fixed Point Unit + Floating Point Unit + Storage Control Unit + Data Cache Unit + I/O Unit Detailkonzepte im Prozessor Sprungzielvorhersage (branch prediction): Der Prozessor arbeitet schon mal auf Verdacht in einer möglichen Sprungrichtung weiter. Notfalls wird korrigiert, aber sehr oft liegt die Sprungzielvorhersage richtig und spart so Rechenzeit. Spekulative Ausführung (speculative execution), Prozessor arbeitet schon mal vor, auch wenn noch nicht feststeht, ob ein Verarbeitungsschritt tatsächlich gebraucht wird. Mehrprozessormaschinen Workstations, die mit 2 (4 oder 8) Prozessoren bestückt sind. Das Betriebssystem muß dies unterstützen und die Aufgaben (Tasks, besser Threads) verteilen können. z.b. symmetrisches Multiprocessing unter Windows NT DVS Weihenstephan / Nov. 98 Seite 3.6 -

7 Leistungssteigerung VI Vernetzte Systeme Dieser Ansatzpunkt zur Verbesserung der Systemleistung wird in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Zur Zeit werden entsprechende Netzprotokolle (Kommunikationsvereinbarungen) festgelegt, die unter dem Stichwort DCE = Distributed Computing Environment vereinfacht folgende Kernleistungen bieten: Nutzung entfernter Rechner innerhalb eines Programms für Teilrechnungen Nutzung netzweiter Dateisysteme Durchgängige Zugangskontrollen in einer Netzumgebung Verminderter Verwaltungsaufwand in heterogenen Netzumgebungen DVS Weihenstephan / Nov. 98 Seite 3.7 -

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