深入浅出计算机组成原理：通过你的CPU主频，我们来谈谈“性能”究竟是什么？（第3讲）

Posted 2021-11-26 luoahong

 一、性能到底指的是什么？

买新电脑的时候，我们会说："原来的电脑性能跟不上了"
写程序的时候，我们会说："这个程序西能需要优化一下"

1、"性能"到底指的是什么？

在计算机组成原理乃至体系结构中"性能"都是最重要的一个主题。我在前面说过学习和研究计算机组成原理，就是在理解计算机是怎么运作的，

以及为什么要这么运作。"为什么"？所要解决的事情，很多时候就是提升"性能"

2、性能有几个指标？分别是什么

计算机的性能，其实和我们干体力劳动很像，好比是我们要搬东西，对于计算机的性能，我们需要有个标准来衡量这个标准中主要有两个指标

响应时间

 

响应时间：第一个是响应时间或者叫执行事假，要想提升响应时间这个性能指标，你可以理解为计算机"跑的更快"

响应时间指的就是，我们执行一个程序，到底需要花多少时间，花的时间越少，自然性能就越好

吞吐率

 

吞吐率：第二个是吞吐率或者带宽，想要提升这个指标，你可以理解为让计算机"搬得更多"

服务器使用的网络带宽，通常就是一个吞吐率性能指标，

吞吐率是指我们在一定的时间范围内，到底能处理多少事情，这里的"时间"，在计算机里就是处理数据或者执行的程序指令

3、如何提高性能？

1、缩短程序的相应时间能提高吞吐率吗？

和搬东西来比，如果我们的响应时间短，跑得快，我们可以来回多跑几趟多搬几趟，所以说，缩短程序的响应时间，一般来说都会提升吞吐率

2、除了缩短响应时间，我们还有别的方法吗？

当然有，比如说，我们还可以多找几人一起来搬，这就是类似现代的服务器都是8核、16核的人多力量大，同时处理数据，在单位时间内就可以处理更多的数据，吞吐率自然就上去了

二、CPU跑分软件

各大CPU和服务器厂商组织了一个叫SPEC的第三方机构，专门用来指定各种"跑分"的规则

提供的CPU基准测试程序，就好像CPU届的"高考"，通过数十个不同的计算机程序，对于的性能给出一个最终评分，

三、计算机的计时单位：时钟

虽然时间是一个很自然的用来衡量性能的指标、但是用时间来衡量时，有两个问题

第一就是时间“不准”

第一就是时间不准 如果你随便写的一个程序，来统计程序运行的时间，每一次统计结果不会完全一样。有可能这一次花了45ms，下一次变成了53ms

1、但是计算机可能同时运行着好多程序，CPU实际上不停地在各个程序之间进行切换。在这些走掉的时间里，很可能CPU切换去运行别的程序了，

2、而且，游戏程序在运行的时候，可能要从网络、硬盘去读取数据，要等网络和应哦按把数据读出来，给到内存和CPU
所以说：要想准确统计某个程序运行时间，进而去比较两个程序的实际性能，我们得把这些时间给刨删掉

 

 

[[email protected] ~]# time seq 1000000 | wc -l
1000000

real	0m0.101s　　 #Wall Clock Time 也就是运行程序整个过程中流失的时间
user	0m0.031s 　　#CPU在运行你的程序，在用户态运行指令的时间，
sys	0m0.016s　　 #CPU在运行你的程序，在操作系统内核里运行指令的时间

而程序实际花费的CPU执行时间，就是User Time加上sys Time

在我给的这个例子里，你可以看到，实际上程序用了0.101s，但是CPU Time只有0.031+0.016=0.047s。运行程序的时间里，
只有不到一半是是花在这个程序上的

其次、及时我们已经拿到了CPU时间，我们也不一定可以直接"比较"出两个程序的性能差异

即使在统一台计算机上，CPU可能满载运行也可能降频运行，降频运行的时间自然花的时间会多一些

除了CPU之外，时间这个西能指标还会受到主板、内存这些其他相关硬件的影响，所以我们需要对"时间"这个我们可以感知的指标进行拆解
把程序的CPU执行时间编程CPU时钟周期数C和时钟周期时间的乘积

程序的CPU执行时间=CPU时钟周期数*时间周期时间

四、什么是时钟周期时间？

比如我手头这台电脑就是Intel Core-i7-7700HQ 2.8GHz，这里2.8GHz就是电脑的主频，可以先粗浅地认为cpu1秒时间内，可以执行的简单质量的数量是2.8G条

准确一点描述2.8GHz就代表CPU的一个“钟表”能识别出来的最小的时间间隔，就像我们挂在墙上的挂钟的最小能够识别单位就是秒

在这个的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，

1、超频

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

2、程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI×Clock Cycle Time

如果能够减少程序需要的CPU时钟周期数，一样能够提升程序性能

每条指令的平均时钟周期数，不同指令需要的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。

在这样拆分了之后，我们的程序的 CPU 执行时间就可以变成这样三个部分的乘积

程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI×Clock Cycle Time

1、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，现在手头的笔记本就有2.8GHz，在主频层面，就提升了将近100倍

2、每条指令的平均时钟周期数CPI

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，在后面讲解CPU结构的时候，我们会看到，现代CPU

通过流水线技术，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重要的一环

3、指令数

指令数，代表执行我们的程序到底需要多少条指令，用那些指令。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，就有格子能够不同的表示方式

 

我们可以把自己想像成一个CPU，坐在那里写程序。计算机主频就好像是你打字的速度，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，

指令相当于你的程序设计的够合理，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

五、课后题以及问题

1、课后题

每次有新手机发布的时候，总会有一些对于手机的跑分结果的议论。乃至于有“作弊”跑分或者“针对跑分优化”的说法。我们能针对“
“跑分”作弊么？怎么做到呢？“作弊”出来的分数对于手机性能还有参考意义？

2、经典答案

可以通过超频作弊，也就是老师说的调高时钟，这种做法事不顾功耗专门针对跑分来全力冲刺，不能作为日常使用的标准，不过依然能反应出机器性能的极限，如果用户可以选择进入超频状态，一些发烧友有特殊需求时是能用上的。
不太清楚跑分测试的机制，似乎是送样机给相关机构，是不是还能直接给出特殊机型来作弊呢？这种就完全是欺骗了。
2019-04-29
作者回复: ??只要有考试，总会出现有作弊的情况的。不过现在已经很罕见了，大家对于跑分也没有那么关注了

 3、问题：为什么user + sys 运行出来会比real time 多呢

[[email protected] ~]# time seq 1000000 | wc -l
1000000

real	0m0.058s   #Wall Clock Time 也就是运行程序整个过程中流失的时间
user	0m0.047s   #CPU在运行你的程序，在用户态运行指令的时间，
sys		0m0.044s	#CPU在运行你的程序，在操作系统内核里运行指令的时间

4、作者回复

 我知道原因了，这个的确是因为“并行原因”的运行的。虽然seq和wc这两个命令都是单线程运行的，但是这两个命令在多核cpu运行的情况下，会分别分配到两个不同的cpu，

于是user和sys的时间都是两个cpu上运行的时间之和，就可能超过real的时间。你可以这样来快速验证运行

time seq 100000000 | wc -l &

让这个命令多跑一会儿，并且在后台运行。

然后利用 top 命令看不同进程的cpu占用情况，你会在top的前几行里看到seq和wc的cpu占用都接近100，实际是各被分配到了一个不同的cpu执行。

我写文稿测试的时候开了一个1u的最小的虚拟机，只有一个cpu所以不会遇到这个问题。