定量分析技术基础.ppt

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1、131定量分析技术基础 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望响应时间与性能成反比，上式变成响应时间与性能成反比，上式变成n=n=1.1.假设两台计算机为假设两台计算机为X X和和Y Y，“X X比比Y Y快快”的意思是的意思是 对于给定任务，对于给定任务，X X的响应时间比的响应时间比Y Y少。少。X X比比Y Y快快n n倍倍：=n =n331l 用户用户CPUCPU时间时间l 系统系统CPUCPU时间时间 2.CPU时间 CPUCPU工作的时间，不包

2、含工作的时间，不包含I/OI/O等待时间及运行等待时间及运行 其它程序的时间。其它程序的时间。1.5 定量分析技术基础4311.5.2 测试程序 1.目前常用的测试程序可以分为五类：（按测试可靠性由高至低的顺序列出）（按测试可靠性由高至低的顺序列出）(1)(1)实际应用程序实际应用程序 (2)(2)修正的（或者脚本化）应用程序修正的（或者脚本化）应用程序 (3)(3)核心测试程序核心测试程序 (3)(3)小测试程序小测试程序 (4)(4)合成测试程序合成测试程序 1.5 定量分析技术基础5312.测试程序组件 选择一组各个方面有代表性的测试程序，选择一组各个方面有代表性的测试程序，组成一个通用

3、测试程序集合。组成一个通用测试程序集合。最大优点：最大优点：避免了独立测试程序存在的片面性，尽避免了独立测试程序存在的片面性，尽 可能全面地测试了一个计算机系统的性能可能全面地测试了一个计算机系统的性能。最常见的测试程序组件是基于最常见的测试程序组件是基于UNIXUNIX的的SPECSPEC 主要版本包括主要版本包括SPEC89SPEC89、SPEC92SPEC92、SPEC95 SPEC95和和SPEC2000SPEC2000等。等。1.5 定量分析技术基础测试程序程序类型SPEC89SPEC92SPEC95SPEC2000gcc整数采用修正修正修正espresso整数采用修正舍弃li整数采

4、用修正修正舍弃eqntott整数采用舍弃spice浮点采用修正舍弃doduc浮点采用舍弃nasa7浮点采用舍弃fpppp浮点采用修正舍弃matrix300浮点采用舍弃tomcatv浮点采用修正舍弃compress整数采用修正舍弃sc整数采用舍弃mdljdp2浮点采用舍弃wave5浮点采用修正舍弃ora浮点采用舍弃mdljsp2浮点采用舍弃alvinn浮点采用舍弃ear浮点采用舍弃表1.7 SPEC不同版本所包含测试程序的演化过程 swm256(aka swim)浮点采用修正修正su2cor浮点采用修正舍弃hydro2d浮点采用修正舍弃go整数采用舍弃m88ksim整数采用舍弃ijpeg整数采用

5、舍弃perl整数采用修正vortex整数采用修正mgrid浮点采用修正applu浮点采用舍弃apsi浮点采用修正turb3d浮点采用舍弃表1.8 SPEC CPU2000测试程序组件中的程序 测试程序程序类型源码类型说 明gzip整数C使用Lempel-Ziv的压缩算法vpr整数CFPGA布局布线gcc整数C使用GNU C编译器生成优化的机器代码mcf整数C公交调度的组合优化crafty整数C下棋程序parser整数C英语句法分析eon整数C+一种图形学中的光线跟踪算法perlmbk整数C四个输入脚本的Perlgap整数C一个群论算法包vortex整数C一个面向对象的数据库系统bzip2整数C

6、一种块分类压缩算法twolf整数CTimberwolf:一种用于VLSI布局布线的模拟退火算法wupwise浮点F77量子色动力学的格群论模型swim浮点F77使用有限差分方程求解浅水方程mgrid浮点F77三维场上的多栅格解算机apply浮点F77抛物线和椭圆偏微分方程解算器mesa浮点C三维图形库galgel浮点F90流体动力学计算art浮点C使用神经网络对温度图进行图像识别equake浮点C地震波传播模拟facerec浮点C使用小波和图形匹配进行面像识别ammp浮点C一种水中蛋白质的分子动力学模拟lucas浮点F90进行Mersenne素数的基本测试fma3d浮点F90采用有限元方法的撞

7、击模拟sixtrack浮点F77设计高能加速器的模拟器apsi浮点F77大气污染的气象学方法模拟1031 SPEC2000SPEC2000测试程序组件，除了含有测试测试程序组件，除了含有测试CPUCPU的的 SPEC CPU2000SPEC CPU2000，还包括其他一系列测试程序组，还包括其他一系列测试程序组 件：件：l SPECviewperfSPECviewperf 用于测试图形系统支持用于测试图形系统支持OpenGLOpenGL库的性能库的性能l SPECapcSPECapc 测试图形密集型应用的性能测试图形密集型应用的性能l SPECSFSSPECSFS 基于基于NFSNFS文件系统

8、的文件服务器测试程文件系统的文件服务器测试程l SPECWebSPECWeb Web Web服务器测试程序服务器测试程序 1.5 定量分析技术基础1131 TPCTPC测试程序组件测试程序组件 事务处理（事务处理（Transaction-processingTransaction-processing，TPTP）测试程序主要测试在线事务处理系统的性能。测试程序主要测试在线事务处理系统的性能。核心内容：核心内容：数据库访问和相关的信息决策能力。数据库访问和相关的信息决策能力。l TPC-ATPC-Al TPC-CTPC-C 模拟一个复杂队列环境。模拟一个复杂队列环境。l TPC-HTPC-H 一

9、一个个特特别别的的决决策策支支持持模模型型，其其队队列列执执 行时间特别长。行时间特别长。1.5 定量分析技术基础1231l TPC-RTPC-R 模模拟拟面面向向一一组组标标准准队队列列的的商商业业决决策策支支持持 系统，涉及到系统，涉及到DBMSDBMS的优化。的优化。l TPC-WTPC-W 基于基于WebWeb的商业事务处理活动。的商业事务处理活动。面向事务处理的测试程序组件主要用于测试服面向事务处理的测试程序组件主要用于测试服务器的性能。务器的性能。测试基于测试基于MicrosoftMicrosoft公司的公司的WindowsWindows系列操系列操 作系统平台的测试组件作系统平台

10、的测试组件 1.5 定量分析技术基础1331l PCMark04 PCMark04 包括中央处理器测试组、内存测试组、图包括中央处理器测试组、内存测试组、图 形芯片测试组、硬盘测试组等。形芯片测试组、硬盘测试组等。l Business Winstone 2004 Business Winstone 2004 主要用于测试计算机系统商业应用的综合主要用于测试计算机系统商业应用的综合 性能。性能。l Multimedia Content Creation Winstone 2004 主主要要用用于于测测试试计计算算机机系系统统多多媒媒体体应应用用的的综综合性能。合性能。1.5 定量分析技术基础14

11、31l SiSoft Sandra Pro 2004 SiSoft Sandra Pro 2004 拥有超过拥有超过3030种以上的分析与测试模组，种以上的分析与测试模组，主要包括有主要包括有CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O接口（如接口（如SCSISCSI、APM/ACPI APM/ACPI、网络等）、网络等）、I/OI/O设备（如设备（如CD-CD-ROM/DVD ROM/DVD、鼠标、键盘、打印机等）、主板、鼠标、键盘、打印机等）、主板 等。等。1.5 定量分析技术基础1531l 3DMark03 3DMark03 主要测试显卡性能和主要测试显卡性能和DirectXDirectX

12、的性能。的性能。l Prime95 Prime95 用来估计分布式计算程序的通信情况，用来估计分布式计算程序的通信情况，可使计算机高负荷运转，所以也用来测试计可使计算机高负荷运转，所以也用来测试计 算机的稳定性。算机的稳定性。l SuperPi/SuperESuperPi/SuperE 计算圆周率计算圆周率/自然指数自然指数e e的软件，通常的软件，通常 用来测试用来测试CPUCPU的稳定性。的稳定性。一些专门的一些专门的性能指标测试程序性能指标测试程序 1.5 定量分析技术基础16311.5.3 性能设计和评测的基本原则 三条基本原则和方法：三条基本原则和方法：1.大概率事件优先的原则 对于

13、大概率事件（最常见的事件），赋予对于大概率事件（最常见的事件），赋予 它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的 最优结果。最优结果。2.2.AmdahlAmdahl定律定律 加快某部件执行速度所获得的系统性能加快某部件执行速度所获得的系统性能 加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。1.5 定量分析技术基础(1)(1)加速比加速比 系统加速比依赖于两个因素：系统加速比依赖于两个因素：可改进比例可改进比例：可改进部分在原系统计算时间中所占的：可改进部分在原系统计算时间中所占的 比例，它总是小于等于比例，它总是小于

14、等于的。的。例如例如:一个需运行一个需运行6060秒的程序中有秒的程序中有2020秒的运算秒的运算 可以加速，那么该比例就是可以加速，那么该比例就是20/6020/60。系统加速比系统加速比=1831 部件加速比：部件加速比：可改进部分改进以后的性能提高，可改进部分改进以后的性能提高，一般情况下它是大于的一般情况下它是大于的 。例如例如:系统改进后执行程序，其中可改进部分花系统改进后执行程序，其中可改进部分花 费费2 2秒的时间，而改进前该部分需花费秒的时间，而改进前该部分需花费5 5秒，秒，则性能提高为则性能提高为5/25/2。1.5 定量分析技术基础总执行时间总执行时间改进后改进后=(1-

15、=(1-可改进比例可改进比例)总执行时间总执行时间改进前改进前 +=(1-=(1-可改进比例可改进比例)+)+总执行时间总执行时间改进前改进前 总执行时间总执行时间改进后改进后 =不可改进部分的执行时间不可改进部分的执行时间+可改进部分改进后的执行时间可改进部分改进后的执行时间系统加速比系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比为改进前与改进后总执行时间之比:系统加速比系统加速比=2131(2)Amdahl(2)Amdahl定律：定律：性能递减规则性能递减规则 如果仅仅对计算机中的一部分做性能改如果仅仅对计算机中的一部分做性能改 进，则改进越多，系统获得的效果越小。进，则改进越多，系统获得的效果

16、越小。推论：推论：如果只针对整个任务的一部分进行优化，如果只针对整个任务的一部分进行优化，那么所获得的加速比不大于那么所获得的加速比不大于1/(1-fe)1/(1-fe)。(3)(3)一个一个“好好”的计算机系统：具有高性价比的计的计算机系统：具有高性价比的计 算机系统是一个带宽平衡的系统，而不是看它算机系统是一个带宽平衡的系统，而不是看它 使用的某些部件的性能使用的某些部件的性能 。1.5 定量分析技术基础2231 3.程序的局部性原理 程序在执行时所访问地址的分布不是随机程序在执行时所访问地址的分布不是随机 的，而是相对地簇聚；这种簇聚包括指令和数的，而是相对地簇聚；这种簇聚包括指令和数

17、据两部分。据两部分。程序的时间局部性：程序的时间局部性：程序即将用到的信息很程序即将用到的信息很 可能就是目前正在使用的信息。可能就是目前正在使用的信息。程序的空间局部性：程序的空间局部性：程序即将用到的信息很程序即将用到的信息很 可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者 临近。临近。1.5 定量分析技术基础23311.5.4 CPU的性能1.将程序执行的时间进行分解 (1)(1)计算机工作的计算机工作的时钟频率时钟频率 计算机系统中与实现技术和工艺有关的因素。计算机系统中与实现技术和工艺有关的因素。单位是单位是MHz(f)MHz(f)。(2)(2)总时

18、钟周期数总时钟周期数 程序执行的程序执行的cpucpu时间时间:CPU时间=总时钟周期数/时钟频率 1.5 定量分析技术基础24312.“指令时钟数”CPI(Cycles Per Instruction)Cycles Per Instruction)一个与计算机体系结构有关的参数。一个与计算机体系结构有关的参数。CPI=总时钟周期数/IC 3.程序执行的CPU时间可以写成 总CPU时间=CPI IC/时钟频率 时钟频率：时钟频率：反映了计算机实现技术、生产工艺反映了计算机实现技术、生产工艺 和计算机组织。和计算机组织。ICIC：程序执行过程中所处理的指令数。：程序执行过程中所处理的指令数。1.

19、5 定量分析技术基础2531 CPICPI：反映了计算机实现技术、计算机指令集反映了计算机实现技术、计算机指令集 的结构和计算机组织。的结构和计算机组织。ICIC：反映了计算机指令集的结构和编译技术。反映了计算机指令集的结构和编译技术。1.5 定量分析技术基础2631假设假设：计算机系统有：计算机系统有n n种指令；种指令；CPICPIi i ：第第i i种指令的处理时间；种指令的处理时间；ICICi i ：在程序中第在程序中第i i种指令出现的次数；种指令出现的次数；则程序执行时间为则程序执行时间为CPUCPU时间时间=(CPI(CPIi i IC ICi i)/)/时钟频率时钟频率CPI=

20、CPI=(CPI(CPIi i IC ICi i)/IC=)/IC=(CPI(CPIi i IC ICi i/IC)/IC)其中：其中：(IC(ICi i/IC)/IC)反映了第反映了第i i种指令在程序中所占的种指令在程序中所占的 比例。比例。i=1i=1i=1nnn1.5 定量分析技术基础4.对CPU性能公式进行进一步细化2731例例1.11.1假设我们考虑条件分支指令的两种不同设计方法如下：假设我们考虑条件分支指令的两种不同设计方法如下：(1)(1)CPUCPUA A：通过比较指令设置条件码，然后测试条通过比较指令设置条件码，然后测试条 件码进行分支。件码进行分支。(2)(2)CPUCP

21、UB B：在分支指令中包括比较过程在分支指令中包括比较过程 在两种在两种CPUCPU中，条件分支指令都占用中，条件分支指令都占用2 2个时钟周个时钟周期而所有其它指令占用期而所有其它指令占用1 1个时钟周期，对于个时钟周期，对于CPUCPUA A，执，执行的指令中分支指令占行的指令中分支指令占20%20%；由于每个分支指令之前；由于每个分支指令之前都需要有比较指令，因此比较指令也占都需要有比较指令，因此比较指令也占20%20%。由于。由于CPUCPUA A1.5 定量分析技术基础2831在分支时不需要比较，因此假设它的时钟周期时间在分支时不需要比较，因此假设它的时钟周期时间比比CPUCPUB

22、B快快1.251.25倍。哪一个倍。哪一个CPUCPU更快？如果更快？如果CPUCPUA A的时钟的时钟周期时间仅仅比周期时间仅仅比CPUCPUB B快快1.11.1倍，哪一个倍，哪一个CPUCPU更快呢？更快呢？解：解：我们不考虑所有系统问题，所以可用我们不考虑所有系统问题，所以可用CPUCPU性能公式。占用性能公式。占用2 2个时钟周期的分支指令占总指令个时钟周期的分支指令占总指令的的20%20%，剩下的指令占用，剩下的指令占用1 1个时钟周期。所以个时钟周期。所以 CPICPIA A=0.2=0.2 2+0.80 2+0.80 1=1.2 1=1.2则则CPUCPU性能为：性能为：总总C

23、PUCPU时间时间A A=IC=IC 1.2 1.2 时钟周期时钟周期A A1.5 定量分析技术基础2931根据假设，有：根据假设，有：时钟周期时钟周期B B=1.25 =1.25 时钟周期时钟周期A A在在CPUCPUB B中没有独立的比较指令，所以中没有独立的比较指令，所以CPUCPUB B的程序量为的程序量为CPUCPUA A的的80%80%，分支指令的比例为：，分支指令的比例为：20%/80%=25%20%/80%=25%这些分支指令占用这些分支指令占用2 2个时钟周期，而剩下的个时钟周期，而剩下的75%75%的指的指令占用令占用1 1个时钟周期，因此：个时钟周期，因此：CPICPIB

24、 B=0.25=0.25 2+0.75 2+0.75 1=1.25 1=1.25因为因为CPUCPUB B不执行比较，故：不执行比较，故：ICICB B=0.8 =0.8 IC ICA A1.5 定量分析技术基础3031因此因此CPUCPUB B性能为：性能为：总总CPUCPU时间时间B B=IC=ICB B CPI CPIB B 时钟周期时钟周期B B =0.8 =0.8 IC ICA A 1.25 1.25 (1.25 (1.25 时钟周期时钟周期A A)=1.25 =1.25 IC ICA A 时钟周期时钟周期A A 在这些假设之下，尽管在这些假设之下，尽管CPUCPUB B执行指令条数

25、较少，执行指令条数较少，CPUCPUA A因为有着更短的时钟周期，所以比因为有着更短的时钟周期，所以比CPUCPUB B快。快。1.5 定量分析技术基础3131如果如果CPUCPUA A的时钟周期时间仅仅比的时钟周期时间仅仅比CPUCPUB B快快1.11.1倍，则倍，则 时钟周期时钟周期B B=1.10 =1.10 时钟周期时钟周期A ACPUCPUB B的性能为：的性能为：总总CPUCPU时间时间B B=IC=ICB B CPI CPIB B 时钟周期时钟周期B B =0.8 =0.8 IC ICA A 1.25 1.25 (1.10 (1.10 时钟周期时钟周期A A)=1.10 =1.10 IC ICA A 时钟周期时钟周期A A因此因此CPUCPUB B由于执行更少指令条数，比由于执行更少指令条数，比CPUCPUA A运行更快。运行更快。1.5 定量分析技术基础