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计算机性能的基本指标

思维导图

计算机性能的基本指标

完成单个任务的时间

响应时间(response time)：

完成单个任务所需的总时间，由 2 部分组成

  • 响应时间短的场合： 事务处理系统(存/取款的速度要快)

  • CPU 执行时间(CPU time) 执行时间(Execution time) CPU 真正花费在程序执行上的时间

  • 用户 CPU 时间: 用来运行用户代码的时间

  • 系统 CPU 时间： 为执行用户程序而需运行一些操作系统代码的时间

  • 其他时间

  • 等待 I/O 操作完成

  • CPU 花在其他用户程序的时间

单位时间完成的任务量

吞吐率(throughput)

  • 吞吐率高的场合： 多媒体应用(音/视频播放要流畅)

  • 不同层次上对吞吐率性能的度量

  • ISA

    • MIPS Million Instructions Per Seconds 因为每条指令执行时间不同，所以 MIPS 是一个平均值， 指令使用的频度动态变化

    • MIPS = Instruction Counts / ( Execution Time ×10^6 ) = Clock Rate / ( CPI × 10^6 ) = 1 / ( Clock Cycle × CPI × 10^6 )

    • 用 MIPS 数表示性能有局限

      • 不同机器的指令集不同

      • 程序由不同的指令混合而成

      • 指令使用的频度动态变化

    • MFLOPS Million Floating-point Operations Per Second

    • MFLOPS = FP Operations / ( Execution Time × 10^6 )

    • Peak MIPS 取一组指令组合,使得得到的平均 CPI 最小,由此得到的 MIPS 就是峰值 MIPS(Peak MIPS) (不实用)

  • Datapath Control

    • Megabytes per second(带宽)

  • Function Units

    • Transistors
    • Wires

    • Pins

    • Cycles per second (频率)

带宽(bandwidth)

系统性能

(System performance) 表示系统响应时间，与 CPU 之外的其他部分都有关系

影响系统性能的硬件技术指标

  • 主频

  • 定义

    • CPU 的工作节拍是由时钟控制的，时钟不断产生固定频率的时钟脉冲，这个时钟的频率就是 CPU 的主频

  • 主频越高，CPU 的工作节拍就越快，运算速度就越高

  • 主频通常用一秒钟内处理器所能发出电子脉冲数来表示，单位一般为 GHz

  • 芯片的功耗与频率成正比

  • 运算速度

  • 定义

    • 每秒钟所能执行的指令条数

  • 计量单位

    • MIPS

    • MFLOPS

  • 计算方法

    • 吉布森混合法：各类指令根据出现频率加权求平均

    • 计算各种指令的执行速度

    • 计算典型程序的运算速度

    • 模型分析和模拟等其他方法

  • 运算精度

  • 定义

    • 计算机能直接处理的二进制位数

  • 一般和 CPU 中存储的数据寄存器的位数是相同。位数越多，精度越高

  • 参与运算的操作数的基本位数称之为基本字长 。早期的微机字长为 8 位或 16 位，现为 32 位或 64 位

  • 存储容量

  • 主存容量

    • 存储单元个数 × 存储字长

    • 主存越大，处理问题的速度越快

    • 与辅存交换次数越少，访存效率越高

  • 辅存容量

CPU 性能

(CPU performance) 表示用户 CPU 时间 衡量指标是: CPU time

一个程序的 CPU 执行时间(CPU time)

执行时间(Execution time) = 一个程序的 CPU 时钟周期数 × 时钟周期时间 = 一个程序的 CPU 时钟周期数 ÷ 时钟频率 = 程序的指令数 × CPI × 时钟周期时间 = 程序的指令数 × CPI ÷ 时钟频率 = Instruction Counts / ( MIPS × 10^6 )

  • 一个程序的 CPU 时钟周期数 ＝程序的指令数 × CPI

Clock Cycle Counts = Instructions Counts × CPI

- CPI (avg. clock Cycles Per Instruction)

每条指令的平均时钟周期数

    - 对于某一条特定的指令而言，其CPI是一个确定的值

    - 对于某一类指令、或一个程序、或一台机器而言，其CPI是一个平均值

- 程序包含的指令数量 (Instruction Counts)

- CPI

  • 时钟周期 × 时钟频率 = 1

  • 时钟周期 (Clock Cycle)

  • 时钟频率 (Clock Rate)

改善性能的措施

  • 采用更复杂的指令

  • 减少指令数

  • 可能导致 CPI 升高

  • 可能导致时钟周期增大

  • 采用更简单的指令

  • 可降低 CPI

  • 可能导致指令数增加

  • 可能缩短时钟周期

  • 减少每个指令执行的周期数

  • 可降低 CPI

  • 每个时钟周期需完成的操作更多，时钟周期可能需要增大

  • 缩短时钟周期

  • 每个周期内完成的操作有限，可能导致 CPI 提高

影响因素

  • 算法

  • 指令数

    • 算法决定源程序的指令条数，因此决定了处理器执行的指令条数

  • CPI

    • 算法由于对慢速或快速指令的不同倾向性而同样影响了 CPI

  • 编程语言

  • 指令数

    • 由于编程语言中的语句被翻译成 CPU 指令，而后者决定了指令条数，因此编程语言势必会影响指令条数

  • CPI

    • 由于编程语言的自身特点，它可能同样影响 CPI。例：强支持数据抽象的语言(如 Java)要求间接调用，而这往往会用到具有高 CPI 的指令

  • 编译器

  • 指令数

  • CPI

  • IS/指令集/体系结构 /ISA

  • 指令数

  • CPI

  • 时钟频率/时钟周期

Amdahl 定律

吞吐率高且响应时间短的场合：

ATM、文件服务器、Web 服务器等