Реферат: Тест на быстродействие микропроцессора
Реальная производительность
При выполнении реальных прикладных программ эффективная (реальная) производительность микропроцессора может весьма существенно (до нескольких раз) быть меньше пиковой. Это объясняется тем, что современные высокопроизводительные микропроцессоры имеют весьма сложную архитектуру (суперконвейерная и суперскалярная обработка, многоуровневая система памяти и так далее). Характеристики их функционирования на уровне внутренних устройств существенно зависят от программы и обрабатываемых данных. Поэтому не возможно с необходимой точностью оценить производительность только на основании тактовой частоты их работы, числа затрачиваемых на выполнение одной команды тактов процессора и числа устройств обработки.
Для оценки производительности различных вычислительных средств в мировой практике наибольшее распространение получило использование наборов характерных для той или иной области применения вычислительной техники задач. Время выполнения одной каждой из задач набора составляет основу для расчёта индекса производительности исследуемой вычислительной установки. Индекс производительности является относительной оценкой, несущей информацию о том, на сколько быстрее или медленнее исследуемая вычислительная установка выполняет подобные задачи по сравнению с некоторой широко распространенной ЭВМ (последнюю часто называют базовой или эталонной).
Способы измерения реальной производительности
При оценке производительности на тестах приходится решать три проблемы, связанные с анализом результатов контрольного тестирования производительности:
· отделение показателей, которым можно доверять безоговорочно, от тех, которые должны восприниматься с известной долей настороженности (проблема достоверности оценок);
· выбор конторольно-оценочных тестов, наиболее точно характеризующих производительность при обработке типовых задач пользователя (проблема адекватности оценок);
· правильное истолкование результатов тестирования производительности, особенно если они выражены в довольно экзотических единицах типа MWIPS, Drystoones/s и т.д. (проблема интерпретации).
Первую группу тестов измерения производительности составляют тесты производителей, разрабатываемые компаниями-изготовителями компьютеров для «внутреннего» применения – оценивая качества собственных продуктов. Главная особенность этих тестов заключается в том, что они ориентированы на сравнение ограниченного множества однотипных компьютеров, часто относящихся к одному семейству.
Пользовательские тесты создаются крупными компаниями, специализирующимися на внедрение компьютерных технологий, или совместными усилиями групп пользователей, объединённых сходством решаемых задач. Эти средства предназначены для выбора компьютеров и ПО, наиболее подходящие под определённые прикладные задачи. В принципе такой подход позволяет получить наиболее точные оценки производительности для конкретного класса приложений, хотя и сопряжён со значительными усилиями пользователей по созданию тестовых программ и проведению испытаний компьютеров.
Сегодня наиболее распространенными являются наборы тестов компании SPEC (Standard Performance Evolution Corporation) – SPEC (89, 92,95), которые и будут рассматриваться ниже
Пакет тестовых программ SPEC 89 включает в себя два тестовых набора – Cint 89, состоящий из четырёх программ с целочисленной обработкой, и Cfp 89, объединяющий шесть программ со значительным объемом информации над числами с плавающей точкой двойной точности.
Все десять модулей представляют собой достаточно сложные программы на языках C и FORTRAN с широким спектром решаемых задач – от оптимизации матриц булевой алгебры до моделирования замещения атомов в квантовой химии.
Пакет тестовых программ SPEC 92
SPEC 92 состоит из наборов тестовых пакетов Сint92 и Cfp92.
Пакет оценочных программ Cint92 предназначен для оценки производительности микропроцессоров при выполнении целочисленных операций, преимущественно в коммерческой области применения. В его состав входят 6 эталонных тестов, написанных на языке Си и представляющих собой задачу из теории сетей, интерпретатор языка Lisp, задачу логического проектирования, Unix – утилиту упаковки тестового файла размером 1 Мбайт \, который 20 раз подвергается сжатию, операции со строками и столбцами электронной таблицы и компилятор языка Си.
Пакет оценочных программ Cfp92 предназначен для оценки производительности микропроцессоров на операциях с плавающей точкой, преимущественно в технической и научной областях.
В его состав входят 14 различных прикладных программ, две из которых написаны на языках Си и 12 – на языке Фортран. В пакет входят программы схемного проектирования, проектирования термодинамики ядерного реактора методом Monte-Carlo, задачи квантовой химии и физики, решение уравнения Максвелла, преобразование координат, трассировка оптических лучей, задачи робототехники и нейросетей, моделирование человеческого уха, решение уравнения Навье-Стокса для определения параметра межгалактического газа, семь библиотечных функций обработки матриц (умножение, обращение и т.д.) и ряд других.
Пакет SPEC 92 имеет одно новшество. Речь идёт о характеристиках мультипрограммной обработки SPECrate, формируемых в рамках метода одной нагрузки. Суть последнего заключается в следующем: тестируемый компьютер выполняет задание, состоящее из множества копий одной программы, а показателем производительности многопроцессорной обработки служит количество копий, завершенных за определённый интервал времени. Для получения оценки SPECrate используются те же программы, что и для расчёта показателей SPECint92 и SPECfp92. Разница только в том, что тестовый модуль реализуется как несколько копий, образующих одно задание, а результатом измерений является нормированное общее время выполнения всех копий задания. Подобной процедуре подвергается каждая из 20 тестовых программ, что позволяет получить шесть частных оценок SPECratio, для программ целочисленной обработки, и 14 – для программ обработки вещественных чисел.
Таким образом, SPECrateint 92 и SPECratfp 92 оценивают среднюю скорость выполнения задачи в многопроцессорном режиме работы системы. Кроме того, эти показатели позволяют получить представление о возможностях компилятора по организации параллельного мультизадачного кода, а также операционной системы – по эффективному динамическому распределению ресурсов системы (в частности, процессоров) между выполняемыми параллельными программами. Это делает оценки SPECrateint 92 и SPECratfp 92 особенно представительными для SMP-систем коллективного пользования, работающих в пакетном режиме.
Сводные сведения о программах, входящих в SPEC 89 и SPEC 92, приведены ниже в таблице.
Перечень программ наборов SPEC89, SPEC92.
| Программа |
Тест, язык, тип данных |
| Моделирование ПЛМ (PLA) | 89+92, С, ФТ |
| Lisp – интерпретатор | 89+92, С, ФТ |
| Формирование логических таблиц истинности | 89+92, С, ФТ |
| Unix – утилита упаковки тестового файла размером 1Мбайт, который 20 раз подвергается сжатию | 92, С, ФТ |
| Операция со строками и столбцами электронной таблицы | 92, С, ФТ |
| Компилятор GNU, трансляция 19 программ на Си в оптимизированный код ассемблера | 89+92, С, ФТ |
| Моделирование аналоговых цепей с высокой интенсивностью обменов с памятью | 89+92, Фортран, ПТ, ДВ |
| Моделирование термодинамики ядерного реактора методом Монте-Карло; содержит большое число ветвлений и коротких циклов | 89+92, Фортран, ПТ, ДВ |
| Задача квантовой химии для системы из 500 атомов | 92, Фортран, ПТ, ДВ |
| Версия теста Mdijdp2 для одинарной точности | 92, Фортран, ПТ, ОТ |
| Решение уравнений Максвелла | 92, Фортран, ПТ, ДВ |
| Генерация сетки при моделировании процессов обтекания; программа ориентирована на тестирование параллельных систем | 89+92, Фортран, ПТ, ДВ |
| Моделирование управления движением робота с использованием видеосистемы | 92, С, ПТ |
| Решение сеточной задачи shallow – water для сетки 256х256 | 92, Фортран, ПТ |
| Задача квантовой физики вычисления массы элементарных частиц с использованием метода Монте-Карло; хорошо векторизуется и ориентирована на тестирование параллельных систем | 92, Фортран, ПТ, ДВ |
| Решение уравнение Навье-Стокса для определения параметра межгалактического газа; программа хорошо векторизуется и ориентирована на тестирование параллельных систем | 92, Фортран, ПТ, ДВ |
| Семь библиотечных функций обработки матриц (умножение, обращение и т.д.) | 89+92, Фортран, ПТ, ДВ |
| Моделирование процесса замещения атомов на сериях Гаусса; программа плохо распараллеливается и содержит большой объем ввода/вывода | 89+92, Фортран, ПТ, ДВ |
| Синтетический тест, имитирующий различные алгоритмы умножения матриц | 89, Фортран, ПТ, ДВ |
| Моделирование уха человека | 92, С, ПТ, ДВ |
Пакет тестовых программ SPEC 95
Появление нового набора программ обусловлено развитием микропроцессоров (повышение производительности и увеличением объёма внутрикристальной памяти), совершенствование компиляторов, стремление учесть требования стандартов открытых систем, атак же скорректированным после появления SPEC 92 представлением об актуальности различных областей приложения.
Современные процессоры выполняют решение тестов SPEC 92 в течение интервалов времени от одной до нескольких секунд, что вносит большие погрешности в измерения производительности. Объём кода программ и данных SPEC 92 таков, что программы и данные могут разместиться в кэш памяти процессора. Это вообще не позволяет получить сколько-нибудь достоверные оценки реальной производительности.
Индексы производительности в SPEC 95 даются по отношению к эталонной машине SPARC-station 10/40 в конфигурации с кэш памятью второго уровня.
Используются два тестовых набора CINT 95 и CFP 95, состоящие из 8 и 10 программ соответственно.
Таблица 2. Перечень программ набора CINT
Область приложения |
Спецификация задачи |
| Моделирование | Моделирование кристалла Motorola 88100 |
| Компиляция | Компиляция программы на Си и компиляция оптимизированного кода для процессора SPARC |
| Искусственный интеллект | Игра Го – игра сама против себя |
| Компрессия | Компрессия текстового файла размером 16 Мбайт |
| Интерпретация | Lisp-интерпретатор |
| Обработка изображений | Сжатие графических объектов(JPEG) с различными параметрами |
| Манипулирование текстовыми строками | Shell-интерпретатор |
| Базы данных | Построение таблиц и манипулирование с ними |
При испытаниях компьютеров формируются:
· индексы производительности SPEC int 95, SPEC fp 95 и SPEC int base 95, SPEC fp base 95, для фиксированной и плавающей точки в оптимизированном режиме компиляции и без оптимизации соответственно.
· индексы пропускной способности SPEC int rate 95, SPEC fp rate 95 и SPEC int rate base 95, SPEC fp rate base 95 для оценки многозадачных режимов и SMP архитектур при оптимизированном режиме компиляции и без оптимизации соответственно.
Все интегральные индексы производительности формируются как среднее геометрическое индексов по отдельным тестам.
Корпорация SPEC не даёт никаких рекомендаций по установления соответствия между значениями индексов SPEC 92 и ЫЗУС 95.
Таблица3. Перечень набора программ набора CFP
|
Область приложения |
Спецификация задачи |
| Гидродинамика, геометрический аспект | Генерация двумерной координатной сетки в произвольной области |
| Предсказание погоды | Моделирование водной поверхности методом конечных элементов (вещественная арифметика с одинарной точностью) |
| Квантовая физика | Вычисление масс элементарных частиц методом Монте-Карло |
| Астрофизика | Расчет межгалактических газов по уравнениям Навье-Стокса |
| Электромагнетизм | Расчет трехмерного поля потенциалов |
| Гидродинамика | Решение системы уравнений в частных производных |
| Моделирование | Моделирование турбулентности в кубическом объеме |
| Предсказание погоды | Вычисление статистики температур, воздушных потоков и уровней загрязнения |
| Квантовая химия | Порождение потока электронов |
| Электромагнетизм | Решение уравнения Максвелла |
1) При решении различных задач прикладными программами ресурсы микропроцессора расходуются зачастую неэкономно. В результате этого процессору приходится совершать огромное количество команд, которые могли быть заменены несколькими. Вина лежит не на программных продуктах, а на тех системах программирования, с помощью которых эти программы создавались.
