(конспект по книге Performance Analysis and Tuning on Modern CPUs)
Я уже писал о показателе Instructions Per Cycle (IPC) (например тут и тут). Сейчас разберём детали глубже.
Instruction Per Cycle (IPC) — это среднее количество инструкций, завершённых за один такт процессора:
IPC = Retired Instructions / Core CyclesОпределим ключевые понятия.
Инструкции делятся на executed и retired.
- Executed инструкции уже выполнены, но результат ещё не записан в память. Они могут выполняться вне порядка (out of order) и быть отменены, например, из-за miss branch prediction;
- Retired инструкции полностью завершены, то есть и выполнены и их результаты записаны (committed). Отменить их уже нельзя.
Executed напрямую не отслеживаются, а для retired есть отдельный счётчик:
perf stat -e instructions -- ./a.exe
2173414 instructions # 0.80 insn per cycle
Cycles (циклы) процессора бывают двух видов:
- core;
- reference.
Разница важна при динамическом изменении частоты процессора:
1. если CPU работает на штатной частоте: core = reference.
2. если CPU разогнан: core > reference.
Core Cycles отражают реальную текущую, когда Reference Cycles базовую (по паспорту) частоту процессора.
perf stat -e cycles,ref-cycles -- ./a.exe
43340884632 cycles # 3.97 GHz <= Core Cycles
37028245322 ref-cycles # 3.39 GHz <= Reference Cycles
Следовательно IPC показывает единицу A) выполненной B) полезной работы в текущий момент.
IPC не зависит от изменения тактовой частоты, так как всегда рассчитывается на один цикл.
Факторы, ограничивающие IPC
(перечислены в случайном порядке, список неполный):
- скорость памяти и cache misses;
- архитектура процессора: скалярность, загрузка слотов пайплайна;
- тип и сложность инструкций;
- branch misprediction (пенальти на ошибку по 10–25 ns);
- ...
Скалярность ограничивает количество инструкций, которые процессор может обработать за один такт, и задаёт теоретический максимум IPC.
На практике этот максимум недостижим: процессор может одновременно выполнять только определённые типы инструкций. Например, в 6-wide архитектуре за такт можно провести четыре операции сложения/вычитания, одну загрузку и одну запись, но не шесть загрузок одновременно.
to be continued...
#cpu #theory