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

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 × 10⁶)
           = 指令条数 / ((所有指令CPU时钟周期之和 / f) × 10⁶)
           = f / (CPI × 10⁶)          (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2×10⁵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

解： 根据CPU全性能公式： MIPS = f / (CPI × 10⁶)
CPI = 1*60% + 2*18% + 4*12% + 8*10% = 2.24
MIPS = f / (CPI × 10⁶) = 1* 10⁹ / (2.24)*10⁶ = 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_i × IC_i / 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 × 10⁶)
    程序执行的时间 t = 指令数量 / (MIPS × 10⁶)

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2×10⁵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

解： 方法1： 利用CPI
                      CPU时间 = 2 × 10⁵ × CPI / f
                                      = (2 × 10⁵ × 2.24 / 10⁹) = 4.48 × 10^-4(秒)

解： 方法2： 利用MIPS
                      CPU时间 = 指令数量 / (MIPS × 10⁶) = 2 × 10⁵ / ((10³ / 2.24) × 10⁶) = 4.48 × 10^-4(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？
  

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