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Die CPU-Laufzeit folgt aus ausgeführten Instruktionen, mittleren Takten pro Instruktion und Taktfrequenz.
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Formel
TCPU in s; I Instruktionen; CPI Takte/Instruktion; fCLK in Hz
| Symbol | Bedeutung | Einheit |
|---|---|---|
| TCPU | Ausführungszeit des CPU-Programms | s |
| Tatsächlich ausgeführte Instruktionen | Instruktionen | |
| Mittlere Taktzyklen pro Instruktion | Zyklen/Instruktion | |
| fCLK | Taktfrequenz | Hz |
T_{CPU}=I\cdot CPI\cdot t_{CLK}=\frac{I\cdot CPI}{f_{CLK}}Die Laufzeit ist Instruktionszahl mal mittlere Zyklen je Instruktion mal Dauer eines Takts. CPI ist ein Mittelwert über den dynamischen Instruktionsmix und die konkrete Mikroarchitektur; er ist nicht für jede Instruktion gleich. Speicherwartezeiten und Betriebssystemanteile müssen passend zur Messdefinition berücksichtigt werden. Eine höhere Taktfrequenz allein beweist keine kürzere Laufzeit, wenn I oder CPI steigen.
Die Laufzeit ist Instruktionszahl mal mittlere Zyklen je Instruktion mal Dauer eines Takts. CPI ist ein Mittelwert über den dynamischen Instruktionsmix und die konkrete Mikroarchitektur; er ist nicht für jede Instruktion gleich. Speicherwartezeiten und Betriebssystemanteile müssen passend zur Messdefinition berücksichtigt werden. Eine höhere Taktfrequenz allein beweist keine kürzere Laufzeit, wenn I oder CPI steigen.
Die CPU-Laufzeit folgt aus ausgeführten Instruktionen, mittleren Takten pro Instruktion und Taktfrequenz.
CPI aus Laufzeit
CPI ist ein Mittelwert für den dynamischen Instruktionsmix.
Erkläre am Beispiel zu CPU-Laufzeit aus Instruktionen, CPI und Takt, welche Eingabegrößen zur gesuchten Ausgabe führen.
Das Beispiel verknüpft konkrete Eingaben mit dem Ergebnis.
Die CPU-Laufzeit folgt aus ausgeführten Instruktionen, mittleren Takten pro Instruktion und Taktfrequenz.
Gültig ist die Beziehung nur unter den genannten Voraussetzungen.
Die Beziehung ohne ihre angegebenen Voraussetzungen auf einen anderen Fall übertragen.
Prüfe vor dem Einsetzen den Gültigkeitsbereich: Die Laufzeit ist Instruktionszahl mal mittlere Zyklen je Instruktion mal Dauer eines Takts. CPI ist ein Mittelwert über den dynamischen Instruktionsmix und die konkrete Mikroarchitektur; er ist nicht für jede.
Formelcluster
Die CPU-Laufzeit folgt aus ausgeführten Instruktionen, mittleren Takten pro Instruktion und Taktfrequenz.
Für I=109 Instruktionen, CPI=1,5 und fCLK=3 GHz gilt TCPU=1,5·109/(3·109 s−1)=0,5 s.
Architekturen oder Compiler optimieren und Laufzeitursachen in Instruktionszahl, CPI und Takt aufteilen.
Eine typische Aufgabe Schritt für Schritt: CPU-Laufzeit aus Instruktionen, CPI und Takt (TCPU = I·CPI/fCLK).
Aufgabe
Erkläre am Beispiel zu CPU-Laufzeit aus Instruktionen, CPI und Takt, welche Eingabegrößen zur gesuchten Ausgabe führen.
Rechenweg
Das Beispiel verknüpft konkrete Eingaben mit dem Ergebnis.
Die CPU-Laufzeit folgt aus ausgeführten Instruktionen, mittleren Takten pro Instruktion und Taktfrequenz.
Gültig ist die Beziehung nur unter den genannten Voraussetzungen.
Die CPU-Zeit ergibt sich aus ausgeführten Instruktionen I mal mittlerer Zyklenzahl CPI pro Instruktion und Taktperiodendauer. Da Taktfrequenz der Kehrwert der Periodendauer ist, lässt sich auch TCPU=I·CPI/fCLK schreiben. Die drei Faktoren trennen Programmumfang, Effizienz des Instruktionsmixes und Taktrate. Sie helfen, eine vermeintliche Hardwareverbesserung von Compiler- oder Algorithmuseffekten zu unterscheiden. Die Messung muss denselben Programmabschnitt und dieselbe Definition von CPU-Zeit verwenden. Vergleiche nicht statische Codegröße mit ausgeführter Instruktionszahl und beziehe Takt- sowie Speicherverhalten ein. Prozessor, Compiler, Eingabe und Warm-up sollten für faire Messungen kontrolliert werden. Trenne CPU-Zeit von Warte- und I/O-Zeit.
I zählt Instruktionen, CPI zählt Zyklen pro Instruktion und fCLK zählt Zyklen pro Sekunde. Beim Ausdruck I·CPI/fCLK kürzen sich Instruktionen und Zyklen, sodass Sekunden bleiben. Bei I=109, CPI=1,5 und f=3·109 Hz erhältst du 1,5·109/(3·109 s−1)=0,5 s. Eine Einheitenprobe deckt häufig einen falsch verwendeten Taktperiodenwert auf. Die Messung muss denselben Programmabschnitt und dieselbe Definition von CPU-Zeit verwenden. Vergleiche nicht statische Codegröße mit ausgeführter Instruktionszahl und beziehe Takt- sowie Speicherverhalten ein. Prozessor, Compiler, Eingabe und Warm-up sollten für faire Messungen kontrolliert werden. Trenne CPU-Zeit von Warte- und I/O-Zeit.
CPI mittelt die Zyklen über tatsächlich ausgeführte Instruktionen. Ein Programm mit vielen einfachen Additionen kann einen anderen Wert haben als eines mit Cache-Misses oder komplizierten Operationen. Auch Pipeline, Speicherhierarchie, Datenabhängigkeiten und Compileroptimierung verändern den dynamischen Mix. Veröffentliche deshalb den Messkontext; ein einzelner CPI-Wert charakterisiert nicht alle Programme auf einem Prozessor. Die Messung muss denselben Programmabschnitt und dieselbe Definition von CPU-Zeit verwenden. Vergleiche nicht statische Codegröße mit ausgeführter Instruktionszahl und beziehe Takt- sowie Speicherverhalten ein. Prozessor, Compiler, Eingabe und Warm-up sollten für faire Messungen kontrolliert werden. Trenne CPU-Zeit von Warte- und I/O-Zeit.
Bei konstantem I und CPI verkürzt eine höhere Frequenz die berechnete Zeit. In realen Prozessoren können jedoch CPI, Leistungsaufnahme, Temperatur oder Speicherwartezeit gleichzeitig steigen. Ein langsamerer Takt mit besserem CPI kann ein Programm daher schneller ausführen. Vergleiche gemessene Laufzeiten oder alle drei Faktoren, nicht nur GHz-Angaben. Die Messung muss denselben Programmabschnitt und dieselbe Definition von CPU-Zeit verwenden. Vergleiche nicht statische Codegröße mit ausgeführter Instruktionszahl und beziehe Takt- sowie Speicherverhalten ein. Prozessor, Compiler, Eingabe und Warm-up sollten für faire Messungen kontrolliert werden. Trenne CPU-Zeit von Warte- und I/O-Zeit.
I ist die dynamische Anzahl der tatsächlich ausgeführten Maschineninstruktionen im betrachteten Programmlauf. Sie ist nicht die statische Zahl der Befehle in einer Programmdatei. Schleifen, Verzweigungen und Bibliotheksaufrufe können Instruktionen mehrfach oder bedingt ausführen. Zwei Compiler können deshalb für denselben Quelltext verschiedene I und CPI erzeugen. Halte Eingabe und Compilerbedingungen beim Vergleich konstant. Die Messung muss denselben Programmabschnitt und dieselbe Definition von CPU-Zeit verwenden. Vergleiche nicht statische Codegröße mit ausgeführter Instruktionszahl und beziehe Takt- sowie Speicherverhalten ein. Prozessor, Compiler, Eingabe und Warm-up sollten für faire Messungen kontrolliert werden. Trenne CPU-Zeit von Warte- und I/O-Zeit.
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