计算机系统性能评价
<1> 非时间指标
1）机器字长：指机器一次能处理的二进制位数
- 由加法器、寄存器的位数决定
- 一般与内部寄存器的位数相等(字长)
- 字长越长，表示的数据的范围就越大，精确度越高
- 目前常见的有32位和64位字长
2）总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息位数
- 一般指运算器与存储器之间的数据总线位数
- 有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致
- 8086、80286、80386内部数据总线等宽
- 8088、80386SX 外部总线宽度8位，内部总线宽度16位
- Pentium外总线64位，内总线32位（两条32位流水线）
3）主存容量与存储带宽
- 主存容量：是指一台计算机主存所包含的存储单元总数
- 存储带宽：指单位时间内与主存交换的二进制信息量，常用单位B/s（字节/秒）。（影响存储带宽的指标包括数据位宽和数据传输速率）
<2> 时间指标
1）主频f/时钟周期T，外频、倍频
- 主频f
– 指CPU内核工作的时钟频率，即CPU内数字脉冲信号振速率，与CPU实际的运算能力之间不是唯一的、直接关系 - 时钟周期
– 也称节拍周期，是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作 - f与T的关系
– 互为倒数，f越高，T就越小（f = 100MHz时 T = 10ns，f = 1GHz时T = 1ns） - 外频
– 指CPU(内存)与主板之间同步的时钟频率 - 倍频
– CPU主频与外频之间的倍数
主频 = 外频 × 倍频
如：Pentium 4 2.4G CPU主频
2400M = 133M(外频) × 18(倍频)
2）CPI(Clock cycles Per Instruction)
- 执行一条指令(平均)需要的时钟周期数(即T周期个数)
- 单条指令CPI、一段程序中所有指令的CPI、指令系统CPI等
CPI = 程序中所有指令的时钟周期数之和 / 程序中指令总数
= $\sum$(程序中各类指令的CPI × 程序中该类指令的比例)
CPI应用举例
例 某计算机指令系统中各类指令所占比例及CPI 如下表所示，求程序的CPI指令类型 | CPI | 指令比例
- | – | –
算术和逻辑 | 1 | 60%
Load/Store | 2 | 18%
转移 | 4 | 12%
Cache缺失访存 | 8 | 10%解： CPI = 1*60% + 2*18% + 4*12% + 8*10% = 2.24 - IPC（Instruction per Clock）
– 每个时钟周期内执行的指令条数（并行）
3）MIPS (Million Instructions Per Second)
- 每秒钟CPU能执行的指令总条数（单位：百万条/秒）
>MIPS = 指令条数 / (执行时间 × 10<sup>6</sup>)> = 指令条数 / ((所有指令CPU时钟周期之和 / f) × 10<sup>6</sup>)> = f / (CPI × 10<sup>6</sup>) (全性能公式)MIPS 应用举例
例 某计算机主频为1GHz，在其上运行的目标代码包含2×10<sup>5</sup>条指令，分4类，各类指令所占比例和各自CPI如下表所示，求程序的MIPS指令类型 | CPI | 指令混合比例
- | – | –
算术和逻辑 | 1 | 60%
Load/Store | 2 | 18%
转移 | 4 | 12%
Cache缺失访存 | 8 | 10%解： 根据CPU全性能公式： MIPS = f / (CPI × 10<sup>6</sup>)
CPI = 1*60% + 2*18% + 4*12% + 8*10% = 2.24
MIPS = f / (CPI × 10<sup>6</sup>) = 1* 10<sup>9</sup> / (2.24)*10<sup>6</sup> = 446.4
4）CPU时间
- 执行一段程序所需的时间
– （CPU时间 + I/O时间 + 存储访问时间 + 各类排队延时等
CPU时间 = 程序中所有指令的时钟周期数之和 × T
= 程序中所有指令的时钟周期数之和 / f
CPU时间的计算方法
考虑CPI后的CPU时间：
CPU时间 = 总指令数 × $\sum_{i=1}^n$(CPI<sub>i</sub> × IC<sub>i</sub> / 总指令数) × 时钟周期时间
= 总指令数 × CPI × T
考虑MIPS后的CPU时间：
MIPS = 指令数量 / (执行指令的时间 × 10<sup>6</sup>)
程序执行的时间 t = 指令数量 / (MIPS × 10<sup>6</sup>)
CPU时间应用举例
例 某计算机主频为1GHz，在其上运行的目标代码包含2×10<sup>5</sup>条指令，分4类，各类指令所占比例和各自CPI如下表所示，求该段程序的CPU时间
指令类型 | CPI | 指令混合比例
- | – | –
算术和逻辑 | 1 | 60%
Load/Store | 2 | 18%
转移 | 4 | 12%
Cache缺失访存 | 8 | 10%
解： 方法1： 利用CPI
CPU时间 = 2 × 10<sup>5</sup> × CPI / f
= (2 × 10<sup>5</sup> × 2.24 / 10<sup>9</sup>) = 4.48 × 10<sup>-4</sup>(秒)
解： 方法2： 利用MIPS
CPU时间 = 指令数量 / (MIPS × 10<sup>6</sup>) = 2 × 10<sup>5</sup> / ((10<sup>3</sup> / 2.24) × 10<sup>6</sup>) = 4.48 × 10<sup>-4</sup>(秒)
<3> 时间指标的应用思考
- 如何合理利用时间指标评测计算机性能
– f、CPI、MIPS、CPU时间在评价计算机性能方面的特点和不足？
– 如何科学合理测试计算机系统的综合性能？有哪些常用测试工具？测试结果能否真实反应计算机的实际性能？ - 计算机性能指标是确定的吗？
如何合理利用时间指标评测计算机性能
– f、CPI、MIPS、CPU时间在评价计算机性能方面的特点和不足？
– 如何科学合理测试计算机系统的综合性能？有哪些常用测试工具？测试结果能否真实反应计算机的实际性能？ - 计算机性能指标是确定的吗？