计算机系统性能评价

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>)

>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;= 指令条数 / ((所有指令CPU时钟周期之和 / f) × 10<sup>6</sup>)

>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;= f / (CPI × 10<sup>6</sup>)  &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;(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 × 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

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 × 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？