б) процессор прекращает выполнять основную задачу;

в) происходит сохранение положения, на котором остановилась основная программа;

г) выполняется прерывание;

д) процессор восстанавливает запомненное состояние;

е) продолжает выполнение основной задачи.

Надо заметить, что процессор тратит много времени на сохранение своего текущего состояния и восстановление.

Решение: во время вычисления больших объёмов информации можно запретить некоторые аппаратные прерывания ниже IRQ 0 (таймер). Запрещённые прерывания не будут останавливать процессор, соответственно скорость выполнения возрастёт. Недостатки: могут потеряться некоторые данные, например символы, которые вводятся с клавиатуры – прерывание IRQ 1.

§4. Алгоритм решения

Рассмотрим недостаток № 3. Затрачивание времени на обмен данными.

§5. Описание алгоритма

Блок 1-7. Подсчёт времени на выполнение выбранной операции на языке высокого уровня. В данном случае применяется язык Pascal.

Блок 1. Начало программы.

Блок 2. Вводятся два числа с клавиатуры.

Блок 3. Выбираем операцию из предложенных на экране. Если это операция сложения, то выполняется алгоритм суммирования ряда, если умножение, то выполняется вычисление факториала.

Ввели N, то рад сложения выглядит следующим образом:

1+2+3+…+N=СУММА

Умножения

1*2*3*…*N=ПРОИЗВЕДЕНИЕ

Блок 4. Включаем таймер и запоминаем начальное значение.

Блок 5. Выполняем выбранную операцию на Pascal.

Блок 6. Выключаем таймер и запоминаем считанное значение

Блок 7. Находим разницу между начальным значением времени и конечным

Блок 8-14. Подсчёт времени на выполнение выбранной операции на языке низкого уровня. Применяется язык Assembler.

Блок 8. Переменные, которые мы вводим с клавиатуры, находятся в памяти. Чтобы начать вычисления мы должны из памяти (ОЗУ) поместить значения в регистры процессора. Это мы делаем до включения таймера, чтобы время, затраченное на это действие, не вошло в результат.

Блок 9. Считываем начальное значение времени.

Блок 10. Выполняем операцию

Блок 11. Считываем конечное время

Блок 12. Находим время выполнения операции – это разница между конечным значением и начальным.

Блок 13. Выводим значение времен на экран и делаем выводы.

Блок 14. Выход из программы.

§6. Листинг программы

Program Test_of_CPU_for_Zuev;

uses crt;

var

vid:byte;

t1,t2,NN:word;

time1,time2:real;

Procedure Add_Pascal(N:word); {Сложение на Pascal}

var i:word;

Summa:integer;

Begin

summa:=0;

t1:=0;

t2:=0;

asm

in al,40h

mov bl,al

in al,40h {Считываем начальное значение тиков от таймера}

mov bh,al

mov t1,bx

end;

for i:=1 to N do

summa:=summa+i;

asm

in al,40h

mov bl,al {Конечное количество тиков}

in al,40h

mov bh,al

mov t2,bx

end;

Time1:=t1/(65536*18.2);

time2:=t2/(65536*18.2);

writeln('Время выполнения сложения на Pascal: ',(time2-time1):6:12);

end;

Procedure Add_Asm(N:word);

var i:word;

Proisv:integer;

Begin

t1:=0;

t2:=0;

asm

in al,40h

mov ah,al

in al,40h

xchg ah,al

mov t1,ax

xor ax,ax

xor dx,dx

@@q: {Выполняем сложение}

inc dx

add ax,dx

loop @@q

in al,40h

mov cl,al

in al,40h

mov ch,al

mov t2,cx

end;

Time1:=t1/(65536*18.2);

time2:=t2/(65536*18.2);

writeln('Время выполнения сложения на Assembler: ',(time2-time1):6:12);

end;

{=================================================================}

Procedure Mul_Pascal(N:word); {Умножение на Assembler}

var i:word;

Proisv:integer;

Begin

t1:=0;t2:=0;

asm

in al,40h

mov bl,al

in al,40h {Считываем начальное значение тиков от таймера}

mov bh,al

mov t1,bx

end;

for i:=1 to N do

proisv:=proisv*i;

asm

in al,40h

mov bl,al {Конечное количество тиков}

in al,40h

mov bh,al

mov t2,bx

end;

Time1:=t1/(65536*18.2);

time2:=t2/(65536*18.2);

writeln('Время выполнения умножения на Pascal: ',(time2-time1):6:12);

end;

Procedure Mul_Asm(N:word);

var Proisv:integer;

Begin

t1:=0;

t2:=0;

asm

in al,40h

mov bl,al

in al,40h {Считываем начальное значение тиков от таймера}

mov bh,al

mov t1,bx

xor ax,ax

xor bx,bx

@@q: {Выполняем сложение}

inc dx

mul dx

loop @@q

in al,40h

mov bl,al

in al,40h {Конечное количество тиков}

mov bh,al

mov t2,bx

end;

Time1:=t1/(65536*18.2);

time2:=t2/(65536*18.2);

writeln('Время выполнения умножения на Assembler: ',(time2-time1):6:12);

end;

Begin

clrscr;

{Определяем вид операции}

textcolor(11);

Writeln('Сделайте выбор операции и нажмите клавишу ENTER:');

Writeln('1) Сложение');

Writeln('2) Умножение');

Readln(vid);

textcolor(10);

Case vid of

1: begin

write('Введите сумму ряда, не более 2-х байт (65535: )');

Readln(NN);

Writeln;

textcolor(3);

Add_Pascal(NN);

Add_Asm(NN);

end;

2: begin

write('Введите произведение ряда, не более 2-х байт (65535: )');

Readln(NN);

Writeln;

textcolor(3);

Mul_Pascal(NN);

Mul_Asm(NN);

end;

end;

readln;

End.

§7. Описание программы

Программа написана на алгоритмическом языке Pascal. Состоит из двух блоков. В каждом блоке две процедуры: первая – это выполнение операции на языке Pascal, а вторая – выполнение этой же операции на языке Assembler.

Первый блок.

Состоит из двух процедур, которые выполняют сложение на языке Pascal и Assembler. Производится суммирование ряда чисел. Измерение времени происходит с помощью микросхемы таймера 8253. Сначала считываем начальное число тиков, затем выполняем операцию и снова считываем число с микросхемы. Разница, разделенная на произведение 65535*18,2 и будет временем выполнения операции.

asm

in al,40h

mov bl,al

in al,40h {Считываем начальное значение тиков от таймера}

mov bh,al

mov t1,bx

end;

{Выполняем операцию}

asm

in al,40h

mov bl,al

in al,40h {Конечное количество тиков}

mov bh,al

mov t2,bx

end;

Time = t2-t1/(65536*18.2); {ВРЕМЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ОПЕРАЦИИ}

Второй блок.

Аналогичен первому блоку, с той лишь разницей, что здесь выполняется другая операция – вычисление факториала.

§8. Экспериментальные данные

Для проведения эксперимента вводятся числа:

10;100;1000;5000;10000;15000;20000;25000;30000;35000;50000;60000;65000;

Данные вводятся как для суммирования ряда, так и для вычисления факториала.

§9. Полученные результаты

Все вычисления выполнялись на микропроцессоре AMD Athlon 1000 MHz

Средняя температура процессора при вычислении 64 °С

Вычисление суммы ряда.

СЛОЖЕНИЕ
Введенное знвчение	Pascal	Assembler
10	1,34143E-05	1,84447E-05
100	1,67679E-05	1,34143E-05
1000	4,19198E-05	2,17983E-05
5000	0,000157618	5,19805E-05
10000	0,000301822	9,22234E-05
15000	0,000444349	0,000132466
20000	0,00059023	0,000171033
25000	0,000734434	0,000211276
30000	0,000875284	0,000249842
35000	0,001021165	0,000290085
50000	0,001483959	0,000410814
60000	0,001742185	0,00050136
65000	0,001884712	0,000528189

Вычисление факториала.

УМНОЖЕНИЕ
Введенное знвчение	Pascal	Assembler
10	1,50911E-05	1,34143E-05
100	2,85054E-05	1,34143E-05
1000	0,000159295	2,51519E-05
5000	0,000749525	7,2102E-05
10000	0,001482282	0,000132466
15000	0,002216716	0,000191154
20000	0,002994747	0,000251519
25000	0,003687261	0,000338712
30000	0,00443511	0,000368894
35000	0,005157806	0,000429258
50000	0,007403028	0,000608675
60000	0,00887525	0,000727727
65000	0,009579501	0,000786415

§10. Выводы

Начиная анализировать полученные результаты, хотелось бы привести график роста производительности при увеличении числа итераций.

Проанализируем для каждого из двух случаев:

Сложение.

При применении языка Assembler рост производительности наблюдается от 10 итераций до 25000 и дальше стремиться к постоянному значению равному ~3,7. Даже такое увеличение производительности заметно скажется на работе некоторых приложений, использующих большие вычисления.

Умножение.

С умножением дело обстоит немного иначе: производительность резко увеличивается (от 1 до 10,3) при изменении числа итераций от 10 до 5000 и дальше выравнивается, стремясь к постоянному значению. Можно заметить, что даже при небольшом объеме вычисления наблюдается колоссальный рост производительности. По сравнению со сложением, производительность гораздо выше, хотя время выполнения этих операций в отдельности имеет несущественное различие, но при выполнении этих операций в цикле лидирующее положение занимает умножение.

При имеющихся у нас данных мы можем смело сделать выводы, что компилятор языка Pascal (и многих других языков программирования) расходует ресурсы микропроцессора неэкономно, тратя много времени на различные «лишние» действия, которые приводят, как мы заметили, к заметному снижению производительности.

Проанализируем порядок выполнения операции на языке Pascal, чтобы найти так называемые «лишние» действия.

Вводятся значения и располагаются в оперативной памяти компьютера. Далее мы должны выделить память, так же в ОЗУ, для переменной, в которой будет накапливаться результат (для нашего случая – сумма ряда, либо значение факториала). Затем при выполнении операции мы должны наши входные значения переписать в соответствующие регистры, выполнить операцию и вернуть значение обратно в память. Далее возвращённое значение потребуется для совершения следующей итерации – необходимо опять все значения из ОЗУ переписать в регистры и выполнить операцию и т.д.

Как следствие всех этих операций много времени затрачивается на пересылку данных в регистры для совершения соответствующих операций и возвращение их обратно.