106 计算机的性能指标

计算机的性能指标

计算机性能指标是用来衡量计算机系统在各种操作和任务中的工作效率、执行速度以及处理能力的标准

软硬件与系统性能的关系

相关性能指标

• 基本性能指标
  • 机器字长
  • 主存容量
  • 吞吐量
  • 响应时间
• 运算速度相关的性能指标
  • CPU 时钟频率和时钟周期
  • CPI
  • CPU 执行时间
  • IPC
  • MIPS
  • MFLOPS

字长

• 机器字长（字长）：计算机进行一次整数运算所能处理的二进制的位数
  • 字长一般等于通用寄存器的位数或 ALU 的宽度
  • 字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高
  • 字长通常选定为字节（8 位）的整数倍

数据通路带宽

• 外部数据总线一次能并行传送信息的位数，非 CPU 内部数据总线宽度
• 各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路

主存容量

• 主存储器所能存储信息的最大容量：
• 通常以字节来衡量（1 B=8 bit）
• 也可以用 字数*字长 表示
  • MAR 为 16 位，$2^{16}=65536b$，即存储体内有 65536 个存储单元（可称作 $64Kb$，$1K=1024$)
  • MDR 为 32 位，表示存储容量为 $64K\ast 32b=256KB$
• 增加主存容量可以减少程序运行期间对辅存的访问，因此可以提高程序执行速度

吞吐量和响应时间

• 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量
• 响应时间：指用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间
  • 通常包括 CPU 时间和等待时间

主频和 CPU 时钟周期

• 主频（CPU 时钟频率）：机器内部主时钟的频率，代表每秒执行多少个时钟周期数
  • 值越大代表一个操作所需时间越少，CPU 运行速度越快
• CPU 时钟周期：机器内部主时钟脉冲信号的宽度，节拍脉冲或 T 周期，即主频的倒数
  • 是 CPU 工作的最小的时间单位，每个动作至少需要 1 个时钟周期
  • 时钟脉冲信号
• 时钟周期 = 1 / 主频，如主频为 2.4 GHz，则时钟周期 = 1 / 2.4 G 秒

CPI

• 执行一条指令所需要的时钟周期数
• CPI 是一个平均值
• CPI 与系统结构，指令集，计算机组织有关，与时钟频率无关
• CPI：$\frac{时钟周期数量}{指令数量}$
• 加权 CPI：${\sum }_{i=1}^n(CP{I}_i\cdot P_i)$，其中 $P_i$ 表示第 i 类指令在程序中的占比
• IPS：处理器每秒执行的指令数 $IPS=\frac{f}{CPI}=\frac{\text{时钟频率(Hz)}}{\text{平均CPI}}$

CPU 执行时间

• 运行一个程序所花费的时间
• $执行时间=时钟周期数量\times 时钟周期=\frac{时钟周期数量}{主频}=\frac{指令条数\times CPI}{主频}$

MIPS

• MIPS：每秒执行多少百万条指令【Million instructions per second】
  • $MIPS=\frac{指令条数}{执行时间\times 10^6}=\frac{主频}{CPI\times 10^6}$
• MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点运算
  • $MFLOPS=\frac{浮点操作数次数}{执行时间\times 10^6}$
• GFLOPS：每秒执行多少十亿次浮点运算
  • $GFLOPS=\frac{浮点操作数次数}{执行时}\times 10^9$
• TFLOPS：每秒执行多少万亿次浮点运算
  • $TFLOPS=\frac{浮点操作数次数}{执行时间\times 10^{12}}$

其他换算