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[DE]

[TITLE] Berechnungseffizienz von Eingebetteten Systemen
[AUTHOR] PD Stefan Bosse

# Vergleich von Rechnersystemen

[TOC]

>! In dieser Übung sollen verschiedene Rechnersysteme und Virtuelle Maschinen verglichen werden.

## Metriken

Die Bewertung von Rechnersystemen kann mit Benchmarks erfolgen. Gängige Benchmarks sind:

1. Bestimmung der Ganzzahl- oder Fliesskommarechenleitsung (primär des Mikroptozessors)
   + Anzahl der Operationen pro Sekunde: (M/G)IPS
   + Sehr einfache Operationen
2. Bestimmung der Rechenzeit für komplexere Operationen wie Berechnungen:
   + Z.B. Dhrystone Test
   + Enthält neben elementaren Berechnungen auch Funktionsaufrufe, Verarbeitung von Arrays, Records, Zeichenketten, und Speichermanagemenr (allocate und free)

>! Für die Bewertung der Eignung von Rechnersystemen für materialintegrierte Sensornetzwerke ist aber mehr als die reine Rechenleistung erforderlich.

Es müssen (weiterhin) berücksichtigt werden:

0. Rechenleistung *C*~I~, *C*~F~, *C*~D~ [IPS], mit *I*: Integeroperation, *F*:Fliesskommaoperation, *D*:Komplexe Dhrystone Berechnung
1. Gesamte Chipfläche *A* [mm^2^]
2. Mittlere Energiebedarf bzw. elektrische Aufnahmeleistung *P* [W]
3. Speichergröße (RAM/ROM) *M* [MB]
4. Kommunikationsfähigkeit *D* [Mb/s]

Die Recheneffizienz kann mit verschiedenen Effezienzzahlen verglichen werden:

$
%% ascii
epsilon_(C) = C/(A*P)
epsilon_(CM) = (CM)/(A*P)
epsilon_(CMD) = (CMD)/(A*P)
$

In der folgenden Übung sollen für verschiedene Rechnersysteme die obigen Effizienzzahlen bestimmt werden. Es wird betrachtet:

1. Eigenes Notebook
2. WEB Browser
3. Raspberry Pi 
3. C (`dhry-<platform>`)
3. JavaScript VM nodejs (`jystone.js`)
4. javaScript VM im Browser (`notebook.lua.html` und `notebook.lua.dhrystone.json`)
4. Lua VM lvm (`lystone.lua`)
5. Lua VM Fengari (Lua VM in JS VM) (`notebook.lua.html` und `notebook.lua.dhrystone.json`)
6. Python (2.7 oder höher) (`pystone.py`)

## Literatur

[EXERCISE] Literaturrecherche
1. Führe eine Recherche durch für unten aufgeführte Rechnersystem. 
2. Versuche die gesamte Chip Fläche des Rechnersystems abzuschätzen. Dazu gehört:
   + CPU (Herstellerangaben)
   + DRAM Speicher (abgeschätzt)
   + Ein Kommunikationskontroller (Auswahl des schnellsten Gerätes je nach Verfügbarkeit: WLAN, USB, Bluetooth, UART) 
3. Die Kommunikationsleistung wird durch das schnellste Geräte bestimmt
4. Berechne soweit möglich die Effizienzzahlen und trage alle Werte in folgende Tabelle ein.
[EXERCISE]

- Die Rechenleistung soll in MIPS angegeben werden und bezieht sich auf den Mikroprozessor. Faustformel ist bei modernen Prozessoren 1 IPS/Hz Taktfrequenz wenn kein Wert zu ermitteln ist.
- Es kann schwierig sein alle Werte zu finden. Schätzungen machen!
- Technische Datenblätter geben Auskunft über Kennzahlen und die vorhandenen/verwendeten Mikrochips (Internet Recherche!)
- Die Ausführung von folgendem Codesnippet berechnet die ε Werte in der Tabelle

[CODE] Berechnung Tabelle 1 { hide:true; lines:2 }
```js
function eC (A,C,P) { return C/(A*P) }
function eCM (A,C,P,M) { return C*M/(A*P) }
function eCMD (A,C,P,M,D) { return C*M*D/(A*P) }
var rows=Tables.table1.getRows();
rows.forEach(function (row) {
  var names = Object.keys(row), 
      values=names.map(function (name) { 
         return isNaN(Number(row[name]))?0:Number(row[name]) });
  if (values[1] && values[2] && values[3]) 
    row[names[6]]=String(eC(values[1],values[2],values[3]))
  if (values[1] && values[2] && values[3] && values[4]) 
    row[names[7]]=String(eCM(values[1],values[2],values[3],values[4]))
  if (values[1] && values[2] && values[3] && values[4] && values[5]) 
    row[names[8]]=String(eCMD(values[1],values[2],values[3],values[4],values[5]))
})
Tables.table1.setRows(rows);
```

[TABLE] { label:"table1" }
| Plattform | A [mm2] | C [MIPS] | P[W] | M [MB] | D [Mb/s] |  εC | εCM | εCMD |
|:--|:--|:--|:--|:--|:--|:--|
| Panasonic CF-AX2 | 0 | 0 | 0 | 4096 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Raspberry PI Zero | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Raspberry PI 3B | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| M3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ELM | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| AT Tiny 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Hitachi Smart Dust | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ESP8266 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |

## Experiment

[EXERCISE] Experiment
1. Führe den dhrystone Benchmark auf den unten aufgeführte Rechnersystemen durch (sofern vorhanden). 
2. Berechne soweit möglich die Effizienzzahlen und trage alle Werte in folgende Tabelle ein.
[EXERCISE]

- Beim eigenen Notebook können die A/P Werte vom obigen CF-AX2 übernommen werden
- Die dhrystone Benchmark Programme und  VMs können hier herunter geladen werden: http://edu-9.de/Lehre/miss3k (Software)
- Die Ausführung von folgendem Codesnippet berechnet die ε Werte in der Tabelle

[CODE] Berechnung Tabelle 2 { hide:true; lines:2 }
```js
function eC (A,C,P) { return C/(A*P) }
var rows=Tables.table2.getRows();
rows.forEach(function (row) {
  var names = Object.keys(row), 
      values=names.map(function (name) { 
         return isNaN(Number(row[name]))?0:Number(row[name]) });
  if (values[1] && values[2] && values[3]) 
    row[names[4]]=String(eC(values[1],values[2],values[3]))
})
Tables.table2.setRows(rows);
```

[TABLE] { label:"table2" }
| Plattform | C [DMIPS] | A [mm2] | P[W] | εC |
|:--|:--|:--|
| Notebook C | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Notebook lvm | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Notebook nodejs | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Notebook quickjs | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Notebook python | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Notebook Browser JS | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Notebook Browser LUA | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Raspberry PI C | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Raspberry PI lvm | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Raspberry PI nodejs | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Raspberry PI quickjs | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Raspberry PI python | 0 | 0 | 0 | 0 |

---

[BUTTON] Hilfe { action:post; label:Absenden; style:"color:red" }
```
{
  url:'edu-9.de:28888',
  // url:'localhost:28888',
  form:['Name','Email','Pin','Frage'],
  email:{from:'$Email', to:'sbosse@uni-bremen.de', name:'$Name'},
  subject:'Hilfe Kurs MISS $TITLE',
  message:'$Name: $Frage',
  attachments:[{filename:'$FILE.json',content:'$CODE'}],
  pin:1827,
}
```

[BUTTON] Einreichung (Assignment #04-29217) { action:post; label:Absenden; style:"color:green" }
```
{
  url:'edu-9.de:28888',
  // url:'localhost:28888',
  form:['Name','Email','Pin','Kommentar'],
  submit: { from:'$Email', to:'sbosse@uni-bremen.de' },
  assignment:'04-29217',
  name : '$Name',
  comment : '$Kommentar',
  attachments:[{filename:'$FILE.json',content:'$CODE'}],
  pin:1827,
}
```

[BUTTON] Prüfen { action:post; label:Laden; style:"color:browm" }
```
{
  url:'edu-9.de:28888',
  // url:'localhost:28888',
  form:['ID','Pin'],
  load: { id:'$ID' },
  pin:[1827,9223],
}
```

[BUTTON] Bewerten (Lehrer) { action:post; label:Absenden; style:"color:blue" }
```
{
  url:'edu-9.de:28888',
  // url:'localhost:28888',
  form:['ID','Marking','Pin','Remarks'],
  submit: { id:'$ID', from:'sbosse@uni-bremen.de', name:'$Name' },
  marks : '$Marking',
  remarks : '$Remarks',
  attachments:[{filename:'$FILE.json',content:'$CODE'}],
  pin:9223,
}
```

---

Vergleich von Rechnersystemen

Inhalt.

Vergleich von Rechnersystemen

Metriken

Literatur

Experiment

In dieser Übung sollen verschiedene Rechnersysteme und Virtuelle Maschinen verglichen werden.

Metriken

Die Bewertung von Rechnersystemen kann mit Benchmarks erfolgen. Gängige Benchmarks sind:

Bestimmung der Ganzzahl- oder Fliesskommarechenleitsung (primär des Mikroptozessors)
- Anzahl der Operationen pro Sekunde: (M/G)IPS
- Sehr einfache Operationen
Bestimmung der Rechenzeit für komplexere Operationen wie Berechnungen:
- Z.B. Dhrystone Test
- Enthält neben elementaren Berechnungen auch Funktionsaufrufe, Verarbeitung von Arrays, Records, Zeichenketten, und Speichermanagemenr (allocate und free)

Für die Bewertung der Eignung von Rechnersystemen für materialintegrierte Sensornetzwerke ist aber mehr als die reine Rechenleistung erforderlich.

Es müssen (weiterhin) berücksichtigt werden:

Rechenleistung C_I, C_F, C_D [IPS], mit I: Integeroperation, F:Fliesskommaoperation, D:Komplexe Dhrystone Berechnung
Gesamte Chipfläche A [mm²]
Mittlere Energiebedarf bzw. elektrische Aufnahmeleistung P [W]
Speichergröße (RAM/ROM) M [MB]
Kommunikationsfähigkeit D [Mb/s]

Die Recheneffizienz kann mit verschiedenen Effezienzzahlen verglichen werden:

\[ \epsilon_{{{C}}}=\frac{{C}}{{{A}\cdot{P}}}\\ \epsilon_{{{C}{M}}}=\frac{{{C}{M}}}{{{A}\cdot{P}}}\\ \epsilon_{{{C}{M}{D}}}=\frac{{{C}{M}{D}}}{{{A}\cdot{P}}} \]

In der folgenden Übung sollen für verschiedene Rechnersysteme die obigen Effizienzzahlen bestimmt werden. Es wird betrachtet:

Eigenes Notebook
WEB Browser
Raspberry Pi
C (dhry-<platform>)
JavaScript VM nodejs (jystone.js)
javaScript VM im Browser (notebook.lua.html und notebook.lua.dhrystone.json)
Lua VM lvm (lystone.lua)
Lua VM Fengari (Lua VM in JS VM) (notebook.lua.html und notebook.lua.dhrystone.json)
Python (2.7 oder höher) (pystone.py)

Literatur

Aufgabe. Literaturrecherche

Führe eine Recherche durch für unten aufgeführte Rechnersystem.
Versuche die gesamte Chip Fläche des Rechnersystems abzuschätzen. Dazu gehört:
- CPU (Herstellerangaben)
- DRAM Speicher (abgeschätzt)
- Ein Kommunikationskontroller (Auswahl des schnellsten Gerätes je nach Verfügbarkeit: WLAN, USB, Bluetooth, UART)
Die Kommunikationsleistung wird durch das schnellste Geräte bestimmt
Berechne soweit möglich die Effizienzzahlen und trage alle Werte in folgende Tabelle ein.

Die Rechenleistung soll in MIPS angegeben werden und bezieht sich auf den Mikroprozessor. Faustformel ist bei modernen Prozessoren 1 IPS/Hz Taktfrequenz wenn kein Wert zu ermitteln ist.
Es kann schwierig sein alle Werte zu finden. Schätzungen machen!
Technische Datenblätter geben Auskunft über Kennzahlen und die vorhandenen/verwendeten Mikrochips (Internet Recherche!)
Die Ausführung von folgendem Codesnippet berechnet die ε Werte in der Tabelle

Berechnung Tabelle 1

function eC (A,C,P) { return C/(A*P) }
function eCM (A,C,P,M) { return C*M/(A*P) }
function eCMD (A,C,P,M,D) { return C*M*D/(A*P) }
var rows=Tables.table1.getRows();
rows.forEach(function (row) {
  var names = Object.keys(row), 
      values=names.map(function (name) { 
         return isNaN(Number(row[name]))?0:Number(row[name]) });
  if (values[1] && values[2] && values[3]) 
    row[names[6]]=String(eC(values[1],values[2],values[3]))
  if (values[1] && values[2] && values[3] && values[4]) 
    row[names[7]]=String(eCM(values[1],values[2],values[3],values[4]))
  if (values[1] && values[2] && values[3] && values[4] && values[5]) 
    row[names[8]]=String(eCMD(values[1],values[2],values[3],values[4],values[5]))
})
Tables.table1.setRows(rows);

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Experiment

Aufgabe. Experiment

Führe den dhrystone Benchmark auf den unten aufgeführte Rechnersystemen durch (sofern vorhanden).
Berechne soweit möglich die Effizienzzahlen und trage alle Werte in folgende Tabelle ein.

Beim eigenen Notebook können die A/P Werte vom obigen CF-AX2 übernommen werden
Die dhrystone Benchmark Programme und VMs können hier herunter geladen werden: http://edu-9.de/Lehre/miss3k (Software)
Die Ausführung von folgendem Codesnippet berechnet die ε Werte in der Tabelle

Berechnung Tabelle 2

function eC (A,C,P) { return C/(A*P) }
var rows=Tables.table2.getRows();
rows.forEach(function (row) {
  var names = Object.keys(row), 
      values=names.map(function (name) { 
         return isNaN(Number(row[name]))?0:Number(row[name]) });
  if (values[1] && values[2] && values[3]) 
    row[names[4]]=String(eC(values[1],values[2],values[3]))
})
Tables.table2.setRows(rows);

▸

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Hilfe

Einreichung (Assignment #04-29217)

Prüfen

Bewerten (Lehrer)

Created by the NoteBook Compiler Ver. 1.14.1 (c) Dr. Stefan Bosse (Sat Nov 06 2021 12:56:46 GMT+0100 (CET))