(计算机组成原理)第一章计算机系统概述-第四节：计算机的性能指标

Posted 2021-08-10 快乐江湖

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• 一：主存容量指标
• 二：运算速度指标
• • （1）CPU主频（时钟频率）
  • （2）CPU时钟周期
  • （3）CPI
  • （4）CPU执行时间
  • （5）IPS
• 三：系统整体性能指标

一：主存容量指标

• MAR位数：反映存储单元的个数（最多支持多少个）
• MDR位数：它等于存储字长，等于每个存储单元的大小

因此总容量=存储单元个数×存储字长(bit)=存储单元个数×(存储字长/8)(Byte)
例如MAR为32位，MDR为8位，则总容量为$2^{32}\times 8bit=4GB$

注意以下$2^n$数值应该记忆

二：运算速度指标

（1）CPU主频（时钟频率）

你在买电脑的时候，一定关注过 CPU 的主频。比
如我手头的这台电脑就是 Intel Core-i7-7700HQ 2.8GHz，这里的 2.8GHz 就是电脑的主频（Frequency/Clock Rate）。这个 2.8GHz，我们可以先粗浅地认为，CPU 在 1 秒时间内，可以执行的简单指令的数量是 2.8G 条。

如果想要更准确一点描述，这个 2.8GHz 就代表，我们 CPU 的一个“钟表”能够识别出来的最小的时间间隔。就像我们挂在墙上的挂钟，都是“滴答滴答”一秒一秒地走，所以通过墙上的挂钟能够识别出来的最小时间单位就是秒

而在 CPU 内部，和我们平时戴的电子石英表类似，有一个叫晶体振荡（OscillatorCrystal）的东西，简称为晶振。我们把晶振当成 CPU 内部的电子表来使用。晶振带来的每一次“滴答”，就是时钟周期时间。

（2）CPU时钟周期

在我这个 2.8GHz 的 CPU 上，这个时钟周期时间，就是 1/2.8G。我们的 CPU，是按照这个“时钟”提示的时间来进行自己的操作。主频越高，意味着这个表走得越快，我们的CPU 也就“被逼”着走得越快。

如果你自己组装过台式机的话，可能听说过“超频”这个概念，这说的其实就相当于把买回来的 CPU 内部的钟给调快了，于是 CPU 的计算跟着这个时钟的节奏，也就自然变快了。当然这个快不是没有代价的，CPU 跑得越快，散热的压力也就越大。就和人一样，超过生理极限，CPU 就会崩溃了

CPU主频（时钟频率）=1/CPU时钟周期，主频单位为Hz，时钟周期单位为微秒或纳秒

（3）CPI

对于 CPU 时钟周期数，我们可以再做一个分解，把它变成“指令数×每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，简称 CPI）”。不同的指令需要的 Cycles 是不同的，加法和乘法都对应着一条 CPU 指令，但是乘法需要的 Cycles 就比加法要多，自然也就慢。

（4）CPU执行时间

CPI会受到非常多的影响，因此以它作为评判CPU速度的指标是不合理的，所以我们按照下面的公式计算机CPU执行时间

CPU执行时间=指令数×CPI×时钟周期=(指令数×CPI)/主频

例如问：某CPU主频为1000Hz，某程序包含100条指令，平均来看指令的CPI=3，文该程序要要执行多长时间

答：$100\times 3\times \frac{1}{1000}=0.3s$

因此，如果我们想要解决性能问题，其实就是要优化这三者。

• 时钟周期时间，就是计算机主频，这个取决于计算机硬件。我们所熟知的摩尔定律就一直在不停地提高我们计算机的主频。比如说，我最早使用的 80386 主频只有 33MHz，现在手头的笔记本电脑就有 2.8GHz，在主频层面，就提升了将近 100 倍。
• 每条指令的平均时钟周期数 CPI，就是一条指令到底需要多少 CPU Cycle。现代的 CPU 通过流水线技术（Pipeline），让一条指令需要的 CPU Cycle 尽可能地少。因此，对于 CPI 的优化，也是计算机组成和体系结构中的重要一环。
• 指令数，代表执行我们的程序到底需要多少条指令、用哪些指令。这个很多时候就把挑战交给了编译器。同样的代码，编译成计算机指令时候，就有各种不同的表示方式。

我们可以把自己想象成一个 CPU，坐在那里写程序。计算机主频就好像是你的打字速度，打字越快，你自然可以多写一点程序。CPI 相当于你在写程序的时候，熟悉各种快捷键，越是打同样的内容，需要敲击键盘的次数就越少。指令数相当于你的程序设计得够合理，同样的程序要写的代码行数就少。如果三者皆能实现，你自然可以很快地写出一个优秀的程序，你的“性能”从外面来看就是好的。

（5）IPS

• IPS(Instructions Per Second)：每秒可以执行多少条指令。$IPS=\frac{主频}{平均CPI}$
• FLOPS(Floating-point Operation Per Second)：每秒执行多少次浮点运算

需要注意的是IPS前面可以加入K或M称为KIPS和MIPS分别表示每秒可以多少千条指令和每秒可以执行多少百万条指令

而FLOPS前面加入M表示每秒执行多少百万次浮点运算(浮点操作次数/执行时间×$10^6$)；加入G表示每秒执行多少十亿次浮点运算(浮点操作次数/执行时间×$10^9$)；加入T表示每秒执行多少万亿次浮点运算(浮点操作次数/执行时间×$10^{12}$)

• 在描述容量、文件大小时，K、M、G、T通常用2的幂次表示。如1Kb=$2^{10}$b
• 在描述速率、频率时，k、M、G、T通常用10的幂次表示，如1kb/s=$10^3$b/s

三：系统整体性能指标

• 数据通路带宽：是指数据总线一次所能并行传送信息的位数。这里所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽度，它与CPU内部的数据总线宽度有可能不同
• 吞吐量：指信息流入、处理和流出系统的速率。它取决于CPU能够多快的取指令，数据能够多快地从内存取出或存入，以及所得结果能够多块地从内存送到输出设备。这些决定因素中的任何一步都与主存息息相关，因此吞吐量主要取决于主存的存取周期
• 响应时间：指的是用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求作出相应并获得所需结果的等待时间。通常包括CPU时间（运行程序花费）与等待时间（例如I/O操作）