Home 计算机科学 计算机组成原理

# 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