浅谈CPU性能问题

Posted 2021-11-30 mylearning-log

1.什么是性能：

我们需要有个标准来衡量。这个标准中主要有两个指标：

第一个是响应时间（Response time）或者叫执行时间（Execution time）。想要提升响应时间这个性能指标，你可以理解为让计算机“跑的更快”

第二个是吞吐率（Throughout）或者带宽（Bandwidth），想要提升这个指标，你可以理解为让计算机“搬得更多”。

我们一般把性能，定义成响应时间的倒数，也就是：性能 = 1 / 响应时间

2.计算机的计时单位：CPU时钟

由于时间这个性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执行时间变成CPU时钟周期数（CPU Cycles）和时钟周期时间（Clock Cycles）的乘积。

程序的CPU执行时间 = CPU时钟周期数 * 时钟周期时间

1）时钟周期时间：

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。这个2.8GHz，我们可以粗浅的认为，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。

在CPU内部，和我们平时戴的电子石英表类似，有一个叫晶体振荡器（Oscillator Crystal）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”，就是时间周期时间。

2）CPU时钟周期数：

我们再做一个分解，把他变成“指令数 * 每条指令的平均时间周期数（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，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 Cycles Time

因此，如果我们想要解决性能问题，其实就是要优化这三者。

1.时钟周期时间，就是计算机的主频，这个取决于计算机硬件。

2.每条指令的平均周期数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，现代的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CPU的优化，也是计算机组成和体系结构中的重要一环。

3.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。

入门书籍推荐：

《计算机是怎么跑起来的》和《程序是怎样跑起来的》着重后面那本，可以说是一个入门微缩版本的“计算机组成原理”。

以及Coursera上的北京大学免费公开课《Computer Organization》