Определение производительности компьютерной техники

Производительность компьютера определяется с помощью специальных программных комплексов на базе стандартизированных методик. При применении тестовых программных продуктов производится сравнение скорости выполнения однотипных процессов на различных компьютерных системах. Каждая методика принимает какую-либо систему за эталонную, вычисляя коэффициент соотношения данной системы и эталонной. Очевидно, что более производительной будет система или ее звено, выполнившее за меньшее время наибольший объем вычислений. Производительность центрального процессора зависит от:

• частоты синхронизации;

• среднего количества тактов на команду;

• количества выполняемых команд.

Так как невозможно рассматривать данные факторы (они находятся в зависимости от аппаратной структуры процессора, функциональной организации, архитектуры системы команд, технологии компиляторов и так далее), то производятся сравнения компьютерных систем.

Для определения производительности компьютерной системы используется несколько единиц измерения: MIPS, MFLOPS, UNPACK, SPECint92, SPECfp92, SPECrate_int92, SPECrate_fp92, TPC-A, TPC-B, TPC-C и другие. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Единица измерения производительности процессора MIPS (миллион команд в секунду) представляет собой, как следует из названия, скорость операций в единицу времени, то есть более быстрые машины имеют более высокий рейтинг MIPS. Применяя систему MIPS, следует обратить внимание на зависимость данного соотношения от набора команд процессора, изменение величины от одной программы к другой и возможность изменения производительности и величины MIPS не линейно, а зачастую и в обратной пропорции.

Причиной уменьшения рейтинга MIPS при увеличении реальной производительности является использование в компьютерных системах сопроцессора для вычисления операций с плавающей точкой. Так как на одну команду с плавающей точкой требуется большее количество тактов синхронизации, чем на целочисленную, то операции с помощью сопроцессора выполняются за меньшее время, но, при этом, система имеет меньший рейтинг MIPS.

Появление MIPS оказалось исторически связано с компьютером DEC VAX 11/780, производительность которого была равна одному миллиону команд в секунду (1MIPS). Учитывая несовершенство MIPS, разработана система для оценки производительности только операций с плавающей точкой (MFLOPS).

MFLOPS представляет собой единицу вычисления производительности процессора для научно-технических задач, измеряемую в миллионах элементарных арифметических операции над числами с плавающей точкой, выполненных за секунду. В отличие от MIPS, рейтинг MFLOPS основан на количестве выполняемых операций, а не на количестве выполняемых команд, так как любая программа, работающая на различных компьютерах, будет выполнять различное количество команд, но одно и то же количество операций с плавающей точкой.

Другим методом оценки производительности является LINPACK или, так называемые Ливерморские циклы. LINPACK представляет собой набор фрагментов фортран-программ, из которых состоит реальная программная система из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США). Существует два варианта данного метода: состоящий из 24 (большой набор) циклов или из 14 (малый набор).

Данный метод характерен тем, что: во-первых, используется более 30 лет; во-вторых, используемые наборы программ являются типичными фрагментами программ численных задач; в третьих, применяются различные вычислительные алгоритмы (последовательные, сеточные, конвейерные и волновые).

Пакеты тестов SPECint92, SPECfp92, SPECrate_int92, SPECrate_fp92 разработаны корпорацией SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation), организованной в 1988 г. Данные тесты основаны на наиболее часто применяющихся программах и характеризуют производительность процессора и подсистем памяти при однозадачном режиме работы. SPEC разрабатывает и доводит до пользователей пакеты тестов, измеряющих производительность компьютеров, а также публикует ежеквартальный отчет о новостях SPEC и результатах тестирования «The SPEC Newsletter».

Результатом SPECint92 фактически является среднее геометрическое 6 результатов индивидуальных тестов из набора CINT92, измеряющих производительность процессора при обработке целых чисел. CINT92 представляет собой шесть программ на языке Си из различных прикладных областей: теория цепей, интерпретатор языка Лисп, компиляция программ, разработка логических схем, электронные таблицы и упаковка текстовых файлов.

SPECfp92 – среднее геометрическое 14 результатов индивидуальных тестов из набора CFP92. Тесты CFP92 измеряют производительность процессора при обработке чисел с плавающей точкой. Они состоят из 14 программ, выбранных из таких областей, как: разработка аналоговых схем, моделирование методом Монте-Карло, квантовая химия и физика, оптика, астрофизика, робототехника, прогноз погоды и другие.

Новая, комбинированная, версия пакета SPEC CPU 2000 состоит из двух наборов тестов: SPECint2000, предназначенного для измерения и сравнения целочисленной производительности, и SPECfp2000, предназначенного для измерения и сравнения производительности вычислений с плавающей запятой. Первая и вторая части пакета SPEC CPU 2000 состоят из тестов компонентного уровня, измеряющих производительность центрального процессора, памяти и компилятора. Как отмечают разработчики, тесты основываются на фрагментах исходных кодов реальных приложений и тестов, функционирующих на различных платформах.

Для измерения производительности систем, работающих в многозадачном режиме (одно- и многопроцессорные системы), используется пакет тестов SPECrate. При использовании техники данного назначения следует производить оценку пропускной способности системы, оценить то количество заданий, которое система способна выполнить за определенный интервал времени. Здесь повышение производительности зависит от количества процессоров, емкости оперативной и кэш-памяти, пропускной способности шины. Тест основан на последовательном выполнении программ SPECrate_int92 и SPECrate_fp92, в результате чего вычисляется, какое количество раз данные программы смогли быть выполнены и с какой скоростью.

Термин «транзакция» (transaction), с точки зрения компьютерной индустрии, означает любой вид взаимодействия или обмена информацией. С позиции современной экономики, данный термин определяется немного иначе, как обмен товарами с целью получения прибыли, то есть, услугами или деньгами. Однако, к началу XXI в. коммерческий обмен немыслим без помощи компьютерной техники. В силу этого, оценка производительности работы таких систем становится все более актуальной.

Тесты, оценивающие производительность обработки транзакций в сфере бизнеса OLTP (On-Line Transaction Processing) – ТРС-А, ТРС-В и ТРС-С предложены Советом по оценке производительности обработки транзакций (ТРС – Transaction Processing Performance Council).

С 1989 г. для оценки производительности систем, работающих в среде интенсивно обновляемых баз данных, типичной для приложений интерактивной обработки данных (OLDP – on-line data processing), применялись тестовые комплексы ТСР-А и ТРС-В, последний из которых измеряет пропускную способность системы в транзакциях в секунду (tpsB).

После выпуска в 1995 г. тестового комплекса ТРС-С тесты ТРС-А и ТРС-В не применяются. Кроме того, тогда же были выпущены комплексы TPC-D (для оценки производительности систем принятия решений) и ТРС-Е (для оценки систем масштаба предприятия).

Консорциумом Business Applications Performance Corporation (BAPCo), объединяющим производителей персональных компьютеров, поставщиков программного обеспечения, производителей микросхем и отраслевые издания, разработан набор тестов SYSmark.

SYSmark 2000 измеряет производительность системы при работе с приложениями, которые часто используются в бизнесе. Результаты тестирования различных систем приведены в п. «Центральный процессор».

Рис. 145. Логотип Winstone 98

Одним из программных пакетов определения производительности компьютерной системы является комплекс тестов Winstone 98. Комплекс Winstone 98 был создан фирмами ZiiT-Davis Benchmark Operation и исследовательским подразделением Ziff-Davis. Данный тест представляет собой набор сценариев, измеряющих производительность компьютера. Объем комплекса составляет около 200 Мбайт из-за того, что в состав продукта входят сами тестируемые приложения [32; 1]. Результаты теста отражают эффективность работы компьютера как базового настольного ПК (Business Winstone) и как рабочей станции (High-End Winstone).

В число тестовых приложений Winstone 98 входят как программы общего пользования, так и профессиональные:

• Базы данных/электронные таблицы: Quattro Pro 7 корпорации Corel, 1-2-3 97 корпорации Lotus Development, Access 97 и Excel 97 корпорации Microsoft.

• Текстовые процессоры: WordPerfect 7 корпорации Corel и Word 97 корпорации Microsoft.

• Деловая графика: CorelDraw 7 корпорации Corel и PowerPoint 97 корпорации Microsoft.

• Браузер: Navigator 3.01 корпорации Netscape Communications.

Обновленная версия пакета Winstone 99 имеет ряд отличий, включая другие программные продукты:

• Adobe Photoshop 4.

• Adobe Premiere 4.2.

• AVS/Express 3.4.

• Microsoft FrontPage 98.

• Microsoft Visual C++ 5.0.

• Sound Forge 4.0.

• MicroStation SE.

Доля каждого приложения учитывается в интегральном показателе в соответствии с рыночной долей программы. Далее, время выполнения сценария сопоставляется с аналогичным временем для базового ПК. Базовым ПК, к примеру для Winstone 98, создатели тестов выбрали Pentium 133 МГц с 32 Мбайт оперативной памяти.

Последний фактор – объём оперативной памяти – оказывает одно из самых значительных влияний на производительность современного компьютера. Специалисты отмечают, что если убрать 10% оперативной (или дисковой) памяти ПК, время выполнения задачи может увеличится вдвое, если не больше. Это объясняется тем, что, когда любая ресурсоемкая задача пересекает критический порог величины и сложности, подсистема виртуальной памяти сталкивается с необходимостью перекачивать информацию из ОЗУ на диск и обратно. В течение последних 15 лет происходит рост потребности компъютеров в ОЗУ. В 1984г. компьютер с 640 Кбайт ОЗУ соответствовал всем требованиям работы под DOS, в 1988 уже нужно было ставить 4 Мбайт, к 1992 г. нормальное ОЗУ имело 24 Мбайт. Если проанализировать такие темпы, то для систем 1998 года, учитывая баланс между объёмом ОЗУ и мощностью процессора, предпочтительный объём ОЗУ увеличивается до 128 Мбайт (и не менее 2 Гбайт на жестком диске) [88;29].

Специалисты отмечают, что если в компьютере с объемом памяти 32 Мбайт заменить микропроцессор Pentium II 233 МГц на Pentium II 300 МГц, то это даст определённый рост производительности (по тестам Winstone 97), однако этот показатель будет ещё выше в том случае, если просто увеличить объем памяти в два раза [26;26].

Производительность компьютера с одним и тем же процессором, но в разных операционных системах может существенно различаться. Вместе с тем, многие программы тестирования, в том числе и Winstone, которые предназначены для сравнения производительности готовых компьютерных систем, могут применяться в сравнительном тестировании отдельных компонентов, если идентичны все остальные устройства, составляющие тестируемый компьютер. В ряде случаев процессоры (например, 6x86MX и Pentium II) не могут быть установлены в одну и ту же системную плату. Тогда, при определении производительности используют наиболее быстродействующие платы для обоих процессоров [8;46].

Кроме тестового комплекса Winstone существуют ряд других аналогичных пакетов, одним из которых является WinBench 97. Тест WinMark, входящий в данный пакет, отражает эффективность работы отдельных компонентов компьютера (дисковод CD-ROM, винчестер, видеоадаптер). Тесты CPUmark 16 и CPUmark 32 отражают работу подсистемы «процессор – материнская плата – память».

Пакет тестов CPUmark 99 как отдельный программный продукт компании Ziff-Davis также предназначен для измерения производительности процессора, встроенной кэш-памяти (первого и второго уровней), внешней кэш- и оперативной памяти при работе в операционной системе Windows.

К менее известным тестам общесистемного уровня можно отнести: компиляцию ядра Linux, сжатие и распаковку данных с помощью программы bzip, обработку пакетного задания из пакета BYTE UNIX bench стандартным интерпретатором shell, обращение матрицы. К редко используемым тестам процессорного уровня относятся: двоичный поиск, арифметическая компрессия-декомрессия, вычисление квадратного корня из числа 2 с точностью до 2000 знака, тест на выполнение рекурсивных алгоритмов, пакет Bytemark [8;47].

Сравнение производительности ПК и Macintosh на различных процессорах приведено в следующей таблице [218;95]:

Таблица 39

Интересными представляются результаты тестирования (рис. 146) компьютерных систем при выполнении офисных программ на тесте Winstone 98.

Рис. 146. Результаты тестирования производительности

Источник: Эйпики С. Пришло время ВХ – время высоких скоростей // Компьютер и мы. – 1998.–№ 8.– С. 19.