Компьютерный Дом. Что такое производительность компьютера и как ее узнать

Сравнение компьютеров между собой обычно начинают с оценки их производительности. Это потребовало введения соответствующих единиц измерения производительности и разработки стандартных методов ее оценки.

Методы оценки производительности вычислительных систем должны отвечать определенным требованиям. Прежде всего, они должны быть общепризнанными, максимально полно оценивать вычислительные системы и соответствовать задачам пользователя. Должна быть обеспечена их доступность для независимой и самостоятельной экспертизы.

В основе используемых в настоящее время методов оценки и сравнения производительности вычислительных систем лежит время.

"Ливерморские циклы" представляют собой типичный набор фрагментов программ на языке FORTRAN . [ , ] В этих программах реализованы разные вычислительные алгоритмы:

• сеточные;
• волновые;
• последовательные.

Их выбор был основан на богатом опыте создания суперкомпьютеров и проведения сложнейших научных и инженерных расчетов Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL ) Министерства энергетики США

При тестировании используется либо малый набор (14 циклов), либо большой набор (24 цикла ).

Коэффициент распараллеливания применяемых алгоритмов лежит в диапазоне от 0 до 1. Это позволяет использовать "Ливерморские циклы" для оценки производительности вычислительных систем, имеющих различную архитектуру. Тест практически не используется.

Тесты LINPACK представляют собой программы я решения систем линейных алгебраических уравнений большой размерности. Они написаны на языке программирования FORTRAN [

Быстродействие процессора - это одна из важнейших его характеристик, определяющая эффективность работы всей микропроцессорной системы в целом. Быстродействие процессора зависит от множества факторов, что затрудняет сравнение быстродействия даже разных процессоров внутри одного семейства, не говоря уже о процессорах разных фирм и разного назначения.

Выделим важнейшие факторы, влияющие на быстродействие процессора.

Прежде всего, быстродействие зависит от тактовой частоты процессора. Все операции внутри процессора выполняются синхронно, тактируются единым тактовым сигналом. Понятно, что чем больше тактовая частота, тем быстрее работает процессор, причем, например, двукратное увеличение тактовой частоты какого-то процессора снижает вдвое время выполнения команд этим процессором.

Однако надо учитывать, что разные процессоры выполняют одинаковые команды за разное количество тактов, причем количество тактов, затрачиваемых на команду, может изменяться от одного такта до десятков или даже сотен. В некоторых процессорах за счет распараллеливания микроопераций на команду тратится даже меньше одного такта.

Количество тактов, затрачиваемых на выполнение команды, зависит от сложности этой команды и от методов адресации операндов. Например, быстрее всего (за меньшее число тактов) выполняются команды пересылки данных между внутренними регистрами процессора. Медленнее всего (за большое число тактов) выполняются сложные арифметические команды с плавающей запятой, операнды которых хранятся в памяти.

Первоначально для количественной оценки производительности процессоров применялась единица измерения MIPS (Mega Instruction Per Second), соответствовавшая количеству миллионов выполняемых инструкций (команд) за секунду. Естественно, изготовители микропроцессоров старались ориентироваться на самые быстрые команды. Понятно, что подобный показатель не слишком удачен. Для измерения производительности при выполнении вычислений с плавающей запятой (точкой) чуть позже была предложена единица FLOPS (Floating point Operations Per Second), но она по определению узкоспециальная, так как в некоторых системах операции с плавающей запятой просто не используются.

Другой аналогичный показатель быстродействия процессора - время выполнения коротких (быстрых) операций. Для примера в таблице 3.1 представлены показатели быстродействия нескольких 8-разрядных и 16-разрядных процессоров. В настоящее время этот показатель практически не используется, как и MIPS.

Время выполнения команд - важный, но далеко не единственный фактор, определяющий быстродействие. Большое значение имеет также структура системы команд процессора. Например, некоторым процессорам для выполнения какой-то операции понадобится одна команда, а другим процессорам - несколько команд. Какие-то процессоры имеют систему команд, позволяющую быстро решать задачи одного типа, а какие-то - задачи другого типа. Важны и методы адресации, разрешенные в данном процессоре, и наличие сегментирования памяти, и способы взаимодействия процессора с устройствами ввода/вывода и т.д.

Существенно влияет на быстродействие системы в целом и то, как процессор «общается» с памятью команд и памятью данных, применяется ли совмещение выборки команд из памяти с выполнением ранее выбранных команд.

Быстродействие и производительность ЭВМ.

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО ʼʼТверской государственный технический университетʼʼ

Аппаратные средства вычислительных комплексов.

Конспект лекций.

Тверь 2012ᴦ.

Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов.

История развития ЭВМ.

Первой действующей ЭВМ стал ENIAC (США, 1945-46 гᴦ.). ENIAC содержал 18000 электронных ламп и потреблял 150 квт электроэнергии. При этом, эта машина еще не использовала принцип хранимой программы. Большой вклад в разработку ЭВМ внес американский математик Джон фон Нейман. Один из важнейших принципов конструирования ЭВМ предложенный Нейманом - принцип хранимой программы был впервые реализован в Англии в 1949 году в машинœе EDSAC и используется и в современных компьютерах. Этот принцип требует, чтобы программа вводилась в память компьютера также, как в нее вводятся данные.Первая отечественная ЭВМ (МЭСМ) была создана в 1951 ᴦ. под руководством С.А. Лебедева. В серединœе 60-х создана машина БЭСМ, бывшая базовой в СССР в научных, оборонных, космических исследованиях. Из других ЭВМ следует упомянуть "Минск", "Урал", "Мир" и др., созданные под руководством И.С. Брука, В.М. Глушкова и других.В истории развития вычислительной техники принято выделять поколения ЭВМ. Переход от одного поколения к другому связан со сменой элементной базы на которой построен компьютер.
Размещено на реф.рф
Выделяют следующие четыре поколения ЭВМ:

· первое поколение: 1946-1957 годы; элементная база – электронные вакуумные лампы; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – до 100 байт; быстродействие - до 10000 операций в секунду;

· второе поколение: 1958-1964 годы; элементная база – транзисторы; ОЗУ - до 1000 байт; быстродействие - до 1 млн. операций в секунду;

· третье поколение: 1965-1975 годы; элементная база – малые интегральные схемы; ОЗУ - до 10 Кбайт; быстродействие – до 10 млн. операций в секунду;

· четвертое поколение: 1976 год; элементная база - большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы; ОЗУ - от 100 Кбайт и выше; быстродействие - свыше 10 млн. операций в секунду.

Следует заметить, что граница между третьим и четвертым поколениями ЭВМ по признаку элементной базы достаточно условна: произошло, скорее количественное изменение параметров элементной базы.

Основные характеристики ЭВМ.

Быстродействие и производительность ЭВМ.

Вместе с тем, единица измерения быстродействия компьютера "операции в секунду" устарела. Она не достаточно правильно отражает быстродействие. Для компьютеров первых поколений под "операцией" часто понимали сложение двух целых чисел определœенной длины. Операция умножения выполнялась в десятки раз медленнее, чем сложение. По этой причине для современных компьютеров чаще используется характеристика - тактовая частота. Тактовая частота - ϶ᴛᴏ количество импульсов в секунду (герц), генерируемых тактовым генератором компьютера. Тактовая частота - более мелкая единица измерения, чем операции в секунду. Фирмы - производители компьютеров стремятся к тому, чтобы уменьшить количество тактов, необходимых для выполнения базовых операций, и, тем самым, повысить быстродействие компьютеров.Современные персональные компьютеры характеризуются быстродействием свыше 2 Ггц и ОЗУ - более 256 Мбайт.Классификация компьютеров, исходящая из производительности и функционального назначения показана на рисунке 1.1.

Рис. 1.1.Классификация компьютеров по производительности.

Определœение характеристик быстродействия и производительнос­ти представляет собой очень сложную инженерную и научную зада­чу, до настоящего времени не имеющую единых подходов и методов решения.

Казалось бы, что более быстродействующая вычислительная тех­ника должна обеспечивать и более высокие показатели производитель­ности. При этом практика измерений значений этих характеристик для разнотипных ЭВМ может давать противоречивые результаты. Основ­ные трудности в решении данной задачи заключены в проблеме вы­бора: что и как измерять. Укажем лишь наиболее распространенные подходы.

Одной из альтернативных единиц измерения быстродействия была и остается величина, измеряемая в MIPS (Million Instructions Per Se­cond - миллион операций в секунду). В качестве операций здесь обыч­но рассматриваются наиболее короткие операции типа сложения. MIPS широко использовалась для оценки больших машин второго и третье­го поколений, но для оценки современных ЭВМ применяется доста­точно редко по следующим причинам:

‣‣‣ набор команд современных микропроцессоров может включать сотни команд, сильно отличающихся друг от друга длительнос­тью выполнения;

‣‣‣ значение, выраженное в MIPS, меняется исходя из особен­ностей программ;

‣‣‣ значение MIPS и значение производительности могут противоре­чить друг другу, когда оцениваются разнотипные вычислители (к примеру, ЭВМ, содержащие сопроцессор для чисел с плавающей точкой и без такового).

При решении научно-технических задач в программах резко уве­личивается удельный вес операций с плавающей точкой. Опять же для больших однопроцессорных машин в данном случае использова­лась и продолжает использоваться характеристика быстродействия, выраженная в MFPOPS (Million Floating Point Operations Per Se­cond - миллион операций с плавающей точкой в секунду). Для персональных ЭВМ данный показатель практически не применяется из-за особенностей решаемых задач и структурных характеристик ЭВМ.

Быстродействие и производительность ЭВМ. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Быстродействие и производительность ЭВМ." 2017, 2018.

Надежность

Отказы компьютера могут оказать критическое влияние на работу системы управления или информационно-справочной системы. Отказ компьютера в информационно-справочной системе приводит к задержке получения ответа, иногда весьма значительной. Эта задержка может вызвать значительные экономические потери. Задержка в выдаче управляющего воздействия в результате отказа компьютера приводит к потере управления, разрушению технологических установок, срыву выполнения задания, т.е. к весьма значительным потерям, а в некоторых случаях к экологическим катастрофам.

Современные технологии не позволяют полностью избавиться от отказов в аппаратуре и от ошибок в программах даже при значительных затратах, но ряд мер технического и организационного характера способны снизить их интенсивность.

Надежность компьютера – это свойство сохранять свою работоспособность, т.е. выполнять возложенные на него функции. Однако в работе компьютера возможны ошибки, которые подразделяют на систематические, возникающие в результате отказов, и случайные, возникающие в результате сбоев. Отказ – это утрата возможности выполнения требуемой функции, а сбой – кратковременное нарушение правильной работы аппаратуры (это нарушение может быть вызвано искрением, вибрацией, внешними помехами и т.п.).

Как правило, надежность принято характеризовать вероятностью безотказной работы.

Производительность компьютера

Производительностью называют способность машины выполнять некоторый объем работы по обработке данных за единицу времени. На производительность компьютера оказывает влияние множество факторов – характер выполняемых задач, архитектура и параметры процессора, характеристики основной и внешней памяти, наличие дополнительных устройств обработки, быстродействие соединительных шин, способ подключения различных устройств и т.п. Поэтому при оценке производительности используют стандартные методики, служащие только для непосредственного сравнения различных компьютеров между собой.

Для оценки производительности часто используют понятие времени прохождения задачи, времени ответа или времени выполнения . Под временем прохождения задачи понимают интервал от момента поступления задачи на выполнение до момента представления результатов ее решения пользователю. Это время включает буквально все – работу ЦП, обращения к оперативной памяти и дискам, операции ввода-вывода, накладные расходы, связанные с работой операционной системы и т.п. В мультипрограммном режиме, т.е. когда процессор компьютера выполняет несколько программ, во время ожидания завершения процедуры ввода-вывода для какой-либо программы ЦП может выполнять другую программу, поэтому время прохождения задачи не будет постоянным. Обычно производительность компьютера в целом характеризуется «средним» временем прохождения задачи.

Способность компьютера выполнять определенное количество операций в единицу времени называют быстродействием . В большинстве случаев время выполнения операций, или быстродействие можно определить в виде числа тактов генератора, частота которого становится, таким образом, важнейшей характеристикой быстродействия. При этом оценивается быстродействие только процессора . Время выполнения программы в ЦП зависит от трех параметров: длительности такта синхронизации (или тактовой частоты), числа тактов синхронизации, необходимого для выполнения каждой команды, и общего числа команд в программе. Для характеристики быстродействия персональных компьютеров особенно часто пользуются частотой. Сегодня она достигает 3,5 ГГц и выше, а фирмы-изготовители, например, Intel или AMD, продолжают ее наращивать.

Кроме того, быстродействие можно оценить по:

длительности выполнения операций определенного типа (обычно в качестве параметра быстродействия фирмы-производители приводят число наиболее коротких арифметических операций, выполняемых за секунду; это так называемое «пиковое» быстродействие процессора);

средней длительности выполнения операции из некоторого стандартного набора операций, называемого смесью; это «номинальное» быстродействие;

средней длительности выполнения представительной задачи; при этом, если в затратах времени учитывается только время обработки, то такую задачу принято называть ядром, а если учитывается и время на ввод-вывод, то эталонной задачей, или бенчмарком. Время на организацию вычислительного процесса не учитывается. Это «системная» производительность.

Показатели быстродействия.

Быстродействие компьютера, имеющего традиционную архитектуру и призванного решать задачи с большим числом логических операций, принято оценивать числом команд, выполняемых за единицу времени, т.е. числом MIPS (миллион инструкций в секунду). Этот показатель прост для понимания – для более «быстрого» компьютера характерно более высокое значение этого показателя. Тем не менее, применение MIPS в качестве «универсального» показателя наталкивается на ряд трудностей.

Во-первых, каждый компьютер обладает структурой, ориентированной на обработку слов определенного формата и разрядности, т.е. инструкции в разных компьютерах определяют различный объем работы.

Во-вторых, этот показатель не учитывает сложность выполняемой команды. Поэтому при наличии в компьютере дополнительного «сопроцессора», призванного выполнять операции с плавающей точкой, этот показатель снижается. При отсутствии сопроцессора операции над числами с плавающей точкой реализуются посредством подпрограмм, состоящих из нескольких достаточно простых команд целочисленной арифметики, и показатель MIPS имеет высокое значение. Довольно сложная команда сопроцессора выполняется достаточно долго (хотя и значительно быстрее, чем соответствующая подпрограмма), поэтому показатель MIPS снижается. Этот показатель имеет и ряд других недостатков.

Особый интерес вызывает оценка быстродействия компьютеров, призванных решать научно-технические задачи, в которых широко используется арифметика с плавающей точкой. Обычно их быстродействие оценивают в миллионах операций с плавающей точкой в секунду – MFLOPS. Многие программисты считают, что одна и та же программа, написанная для различных компьютеров, выполняет разное число команд, однако число операций над числами с плавающей точкой в этих программах одинаково. Поэтому MFLOPS может служить для сравнения разных компьютеров между собой при выполнении одной и той же программы. Однако и этот показатель не универсален, поскольку в компьютерах используются разные системы (или наборы) команд. Таким образом, хотя очень соблазнительно характеризовать машину единственным показателем, это сделать невозможно без указания программы, выполняемой в компьютере.

В настоящее время разработано два набора тестов, предназначенных для измерения производительности процессора, системы памяти, а также эффективности формирования программы компилятором. Этими тестами служат наборы SPECintХХ и SPECfpХХ, где символами ХХ обозначен год разработки теста; время на операции ввода-вывода ничтожно мало. Тест SPECintХХ состоит из нескольких программ для различных прикладных областей (теория цепей, разработка логических схем, упаковка текстовых файлов, электронные таблицы и т.п.). Программы написаны на языке Си. Тест определяет производительность процессора при работе с целыми числами. Тест SPECfpХХ служит для оценки производительности при наличии операций с плавающей точкой.

Кроме этих часто обновляемых тестов (поэтому после названия указывается год) существует и ряд других, в частности для оценки производительности многопроцессорных систем (SPECrate), для оценки машин при обработке транзакций (TPC), рабочих станций, серверов и т.п. (AIM). Эти тесты стремятся учесть влияние, оказываемое на производительность машины различными ее компонентами, а не только процессором.