Vitajte na [www.pocitac.win] Pripojiť k domovskej stránke Obľúbené stránky
CPI (hodinové cykly na inštrukciu) je kritická metrika v počítačovej architektúre, ktorá sa používa na meranie výkonu procesora. Predstavuje priemerný počet hodinových cyklov potrebných na vykonanie jednej inštrukcie . Nižšie CPI vo všeobecnosti naznačuje lepší výkon, pretože procesor dokončuje viac pokynov na jednotku času.
Tu je rozdelenie kľúčových komponentov a funkcií CPI:
1. Komponenty prispievajúce k CPI:
CPI je ovplyvnené rôznymi faktormi vrátane:
* Architektúra set inštrukcií (ISA): Zložitosť ISA priamo ovplyvňuje CPI. Zložitejšie pokyny si často vyžadujú viac cyklov na vykonanie. Architektúry RISC s jednoduchšími pokynmi sa vo všeobecnosti zameriavajú na nižšie CPI ako architektúry CISC.
* Dizajn procesora (mikroarchitektúra): Špecifický návrh procesora, vrátane potrubia, vykonávania mimo objednávky, predikcie pobočky a hierarchie vyrovnávacej pamäte, významne ovplyvňuje CPI.
* Popappelining: Cieľom ideálneho potrubia je dosiahnuť CPI takmer 1 prekrývaním vykonávacích fáz viacerých pokynov. Potrubné stánky v dôsledku závislostí od údajov, kontrolných nebezpečenstiev (vetiev) a štrukturálnych nebezpečenstiev môžu zvýšiť CPI.
* Vykonanie mimo objednávky (oooe): Oooe umožňuje procesoru vykonávať pokyny v inom poradí, ako sa objaví v programe, ak to umožňujú závislosti na údajoch. To môže znížiť stánky a nižšie CPI.
* predpoveď pobočky: Nesprávne predpovede pobočky spôsobujú, že potrubie sa začne a reštartuje, čím sa zvyšuje CPI. Presná predpoveď vetvy je rozhodujúca pre udržiavanie nízkych CPI.
* cache hierarchia: Cache Misses (prístup k údajom, ktoré nie sú v vyrovnávacej pamäti), nútia procesor k prístupu pomalšieho pamäte (RAM), čo spôsobuje značné oneskorenia a zvyšuje CPI. Väčšie a rýchlejšie vyrovnávacie pamäte môžu znížiť mieru chýb a nižšie CPI.
* SuperScalar Pecving: Procesory, ktoré môžu vykonávať viac pokynov paralelne (SuperScalar), ideálne nižšie CPI dokončením ďalších pokynov za cyklus. Skutočný dosiahnutý CPI závisí od paralelizmu na úrovni výučby programu (ILP).
* Pamäťový systém: Rýchlosť a organizácia pamäťového systému sú rozhodujúce. Pomalý prístup pamäte sa výrazne zvyšuje. Zahŕňa to RAM, cache (L1, L2, L3) a dokonca aj pevný disk virtuálnej pamäte.
* Optimalizácia kompilátora: Kompilátor môže generovať efektívnejší kód, ktorý efektívne využíva registre, minimalizuje prístup k pamäti a vyhýba sa zbytočným pobočkám, čím prispieva k nižšiemu CPI.
* Charakteristiky programu: Úlohu hrá samotná povaha programu. Programy s častými prístupmi pamäte, vetvami alebo zložitými výpočtami môžu vykazovať vyššie CPI ako programy s jednoduchými a priamymi pokynmi.
2. Funkcie CPI v počítačovej architektúre:
CPI slúži niekoľkým kľúčovým funkciám:
* Hodnotenie výkonnosti: CPI je rozhodujúcou metrikou na hodnotenie výkonu procesora. Pomáha porovnávať rôzne architektúry a implementácie.
* Identifikácia prekážky výkonu: Analýza CPI umožňuje architektom identifikovať prekážky výkonu v systéme. Pochopením, ktoré komponenty alebo udalosti najviac prispievajú k CPI, sa môžu zamerať na optimalizáciu týchto oblastí. Napríklad vysoké CPI v dôsledku častých chýb vyrovnávacej pamäte by naznačovalo, že sú potrebné vylepšenia hierarchie vyrovnávacej pamäte.
* Optimalizácia dizajnu: CPI sa používa na usmernenie rozhodnutí o návrhu počas vývoja nového procesora. Architekti môžu simulovať rôzne výbery dizajnu a zmerať ich vplyv na CPI na optimalizáciu výkonu.
* Spätná väzba na optimalizáciu kompilátora: CPI môže poskytnúť spätnú väzbu autorom kompilátorov o efektívnosti ich stratégií generovania kódu. Môžu analyzovať CPI pre rôzne sekvencie kódu, aby identifikovali príležitosti na zlepšenie.
* Predpovedanie času vykonávania: Vzhľadom na CPI, frekvenciu hodín a počet pokynov pre program je možné odhadnúť celkový čas vykonávania. Je to cenné pre predpoveď výkonnosti a plánovanie kapacít.
vzorec pre CPI a jeho vzťah k času vykonávania:
* cpi =(celkové hodiny cyklov) / (počet pokynov)
* Čas vykonávania =(počet pokynov) * CPI * (Čas pre hodiny cyklu)
* Kde čas cyklu hodín =1 / (frekvencia hodín)
Príklad:
Predpokladajme, že program má 10 miliónov pokynov, hodinovú frekvenciu 2 GHz a CPI 2.
* Čas vykonávania =(10 000 000 pokynov) * 2 * (1 /2 000 000 000 Hz)
* Čas vykonávania =0,01 sekundy alebo 10 milisekúnd
Obmedzenia CPI:
Zatiaľ čo CPI je hodnotnou metrikou, má obmedzenia:
* Ignoruje zložitosť výučby: CPI považuje všetky pokyny za rovnaké, aj keď niektoré pokyny môžu byť výrazne zložitejšie ako iné.
* architektúra špecifická: CPI je špecifická pre architektúru. Porovnanie CPI v rôznych architektúrach môže byť zavádzajúce, ak sú návrhy ISA a procesorov veľmi odlišné.
* Priemerné opatrenie: CPI je priemerné opatrenie a skutočný počet cyklov pre jednotlivé pokyny sa môže výrazne líšiť. Skryje distribúciu časov vykonávania inštrukcií.
Záver:
CPI je základný koncept v počítačovej architektúre, ktorý poskytuje cennú mieru výkonu procesora. Pochopenie faktorov, ktoré prispievajú k CPI, umožňuje architektom a programátorom optimalizovať návrh systému a kód pre zlepšený výkon. Je však nevyhnutné zapamätať si jeho obmedzenia a používať ich v spojení s inými metrikami výkonnosti na úplné hodnotenie.