计算机性能评价方法

Posted 2021-06-19 天界程序员

1. 性能评价方法

1.1 时钟频率法（android多核CPU没有ios单核流畅）

   时钟频率（时钟频率速度，clock rate），是指同步电路中时钟的基础频率，它以“若干次周期每秒”来度量，量度单位采用SI单位赫兹（Hz）。它是评定CPU性能的重要指标。

   计算机的时钟频率在一定程度上反映了机器速度，一般来讲，主频越高，速度越快。但是相同频率、不同体系结构的机器，其速度可能会相差很多倍。

扩展：
   在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称；频率的标准计量单位是Hz（赫兹）。

1.2 指令执行速度法

   在计算机发展的初期，曾用加法指令的运算速度来衡量计算机的速度，速度是计算机的主要性能指标之一。因为加法指令的运算速度大体上可反映出乘法、除法等其他算术运算的速度，而且逻辑运算、转移指令等简单指令的执行时间往往设计成与加法指令相同，因此加法指令的运算速度有一定代表性。

   表示机器运算速度的单位是KIPS(每秒千条指令)，后来随着机器运算速度的提高，计量单位由KIPS发展到MIPS(每秒百万条指令)。常用的有峰值 MIPS、基准程序MIPS和以特定系统为基准的MIPS。MFLOPS表示每秒百万次浮点运算速度，衡量计算机的科学计算速度，常用的有峰值MFLOPS和以基准程序测得的MFLOPS。

   MFLOPS可用于比较和评价在同一系统上求解同一问题的不同算法的性能，还可用于在同一源程序、同一编译器以及相同的优化措施、同样运行环境下以不同系统测试浮点运算速度。由于实际程序中各种操作所占比例不同，因此测得MFLOPS也不相同。MFLOPS值没有考虑运算部件与存储器、I/O系统等速度之间相互协调等因素，所以只能说明在特定条件下的浮点运算速度。

1.3 等效指令速度法（吉普森混合法）

  等效指令速度是在指令执行速度的基础之上进阶发展的一种评测标准。随着计算机指令系统的发展，指令的种类大大增加，用单位指令的MIPS值来表征机器的运算速度的局限性日益暴露，因此就出现了改进的办法，我们称之为吉普森(Gibson)混合法或混合比例计算法。

  等效指令速度法是通过各类指令在程序中所占的比例 w_i 进行计算得到的。若各类指令的执行时间为 t_i 则等效指令的执行时间，
$$T=\sum _{i=0}^n(w_i\ast t_i)$$

其中n为指令类型的种类数。

   当然采用等效指令速度法对某些程序来说可能严重偏离实际，尤其是对复杂的指令集，其中某些指令的执行时间是不固定的，数据的长度、cache的命中率、流水线的效率等都会影响计算机的运算速度，因此后来又发展了其他评价方法。

1.4 数据处理速率法（PDR）

  因为在不同程序中，各类指令使用频率是不同的，所以等效指令速度法存在着很大的局限性；而且数据长度与指令功能的强弱对解题的速度影响极大。同时这种方法也不能反映现代计算机中高速缓冲存储器、流水线、交叉存储等结构的影响。具有这种结构的计算机的性能不仅与指令的执行频率有关，而且也与指令的执行顺序和地址的分布有关。

  PDR法采用计算PDR值的方法来衡量机器性能，PDR值越大，机器性能越好。PDR与每条指令和每个操作数的平均位数以及每条指令的平均运算速度有关，其计算方法如下：
$$PDR=\frac{L}{R}$$

  其中，L=0.85G+0.15H+0.4J+0.15K，R=0.85M+0.09N+0.06P。式中G是每条定点指令的位数，M是平均定点加法时间，H是每条浮点指令的位数，N是平均浮点加法时间，J是定点操作数的位数，P是平均浮点乘法时间，K是浮点操作数的位数。

  此外，还做了如下规定：G＞20位，H＞30位；从主存取一条指令的时间等于取一个字的时间；指令与操作存放在主存，无变址或间址操作；允许有并行或先行取指令功能，此时选择平均取指令时间。PDR值主要对CPU和主存储器的速度进行度量，但不适合衡量机器的整体速度，因为它没有涉及cache、多功能部件等技术对性能的影响。

   PDR主要是对CPU和主存数据处理速度进行计算而得出的，它允许并行处理和指令预取的功能，这时，所取的是指令执行的平均时间。带有cache的计算机，因为存取速度加快，其PDR值也就相应提高。PDR不能全面反映计算机的性能，但它曾是美国及巴黎统筹委员会用来限制计算机出口的系统性能指标估算方法。1991年9月停止使用PDR，取而代之的是CTP(综合理论性能)。

1.5 综合理论性能法（CTP）

  CTP是美国政府为限制较高性能计算机出口所设置的运算部件综合性能估算方法。CTP以每秒百万次理论运算MTOPS表示，从1991年9月1日起启用。

  CTP的估算方法为首先算出处理部件每一计算单元(如定点加法单元、定点乘法单元、浮点加单元、浮点乘法单元)的有效计算率R，再按不同字长加以调整，得出该计算单元的理论性能TP，所有组成该处理部件的计算单元TP的总和即为综合理论性能CTP。

1.6 基准程序法（Benchmark，跑分软件）

  上述性能评价方法主要是针对CPU(有时包括主存)它没有考虑诸如I/O结构、操作系统、编译程序的效率等系统性能的影响，因此难以准确评价计算机的实际上作能力。

  基准程序法是目前一致承认的测试性能的较好方法，有多种多样的基准程序，如主要测试整数性能的基准程序逻辑、测试浮点性能的基准程序等。

1.6.1 Dhrystone基准程序

   Dhrystone是测量处理器运算能力的最常见基准程序之一，常用于处理器的整型运算性能的测量。程序是用C语言编写的，因此C编译器的编译效率对测试结果也有很大影响。

   Dhrystone的计量单位为每秒计算多少次Dhrystone，后来把在VAX-11/780机器上的测试结果1757 Dhrystones/s定义为1 Dhrystone MIPS(百万条指令每秒)。

  不足：Dhrystone不仅不适合于作为嵌入式系统的测试向量，甚至在其大多数场合下都不适合进行应用。Dhrystone还有许多漏洞，例如：易被非法利用、人为痕迹明显、代码长度太短、缺乏验证及标准的运行规则等。

1.6.2 Linpack基准程序

  1976年由美国田纳西大学杰克·唐加拉（JackDongarra）教授开发的一组求解密集线性方程组的程序包。用以衡量计算机系统的数值计算能力，其基本单位是FLOPS（每秒执行多少次浮点操作），世界超级计算机500强排行榜就是采用该基准程序进行评测排序。

1.6.3 Whetstone基准程序

  Whetstorte基准程序是HJ.Curnow和BA. Wiehmarm在1976年研制成的。它是ALGOL语句混合 (statement mix) 的一种发展。

  它的基本原则是∶在程序编译后生成的机器指令中，各种指令出现的频度应
和统计数据中指令出现频度相符合。

1.6.4 SPEC基准程序

   SPEC基准程序系列是由名为Standard Performance Evaluation Corporation作盈利公司所开发的。SPEC强调开发实际应用基准程序以求更确切地反映实际工作负载，而不采用小的合成核心。对每个基准程序和基准程序组，SPEC定义了少量的（大多数情况为2个）指标以测量整个系统的总性能。

   SPEC以测量CPU性能的基准程序作为出发点，但已向客户机/服务器计算，商业应用以及I/O广系统等方面扩展。

• SPECmark（SPEC分数）
• SPECint （SPEC整数）
• SPECfp (SPEC浮点数)
• SPECrate (SPECint_rate、SPECfp_rate)

1.6.5 TPC基准程序

  1989年由事务处理性能委员会（TransactionProcessingPerformanceCouncil，TPC）制定并发布的一种商用基准测试程序组。其中早期发布的TPC-A和TPC-B已被废弃不用。

• TPC-A：OLTP环境下的数据库和硬件的性能
• TPC-B：不包括网络的纯事务处理，模拟企业计算环境
• TPC-C：联机订货系统
• TPC-D、TPC-H和TPC-R：决策支持系统
• TPC-E：大型企业信息服务系统
• TPC-W：通过Internet进行市场服务和销售的商业行为

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结束语：播下一种行动，你将收获一种习惯；播下一种习惯，你将收获一种性格；播下一种性格，你将收获一种命运。大千世界中的芸芸众生，为什么有的人春风得意，有的人却黯然无光？为什么有的人财运亨通，有的人却一贫如洗？正是由于每个人的性格不同，才导致每个人具有不同的命运。