[计算机组成原理]计算机系统性能评价

一、非时间指标

1、机器字长：指机器一次能处理的二进制位数

（1）由加法器、寄存器的位数决定；
（2）一般与内部寄存器的位数相等（字长）；
（3）字长越长，表示数据的范围就越大，精确度越高；
（4）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的位数

（1）一般指运算器与存储器之间的数据总线位数。
（2）有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致

• 8086、80286、80386内外数据总线等宽；
• 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）

二、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内数字脉冲信号振荡的速率，与CPU实际的运算能力之间不是唯一的、直接关系；

时钟周期T 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（系统总线的工作频率）；

倍频 CPU主频与外频之间的倍数；

$主频=外频\times 倍频$
如：Pentium 4 2.4G CPU主频
$2400M=133M（外频）\times 18（倍频）$

2、CPI（Clock cycles Per Instruction）

• 执行一条指令（平均）需要的时钟周期数（即T周期的个数）
• 单条指令CPI，一段程序中所有指令的CPI、指令系统CPI等

$CPI=\frac{程序中所有指令的时钟周期数之和}{程序指令总数}=\sum (程序中各类指令的CPI\times 程序中该类指令的比例)$

CPI举例

例1 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 根据公式可知

$CPI=1\ast 60\%+2\ast 18\%+4\ast 12\%+8\ast 10\%=2.24$

IPC（Instruction Per Clock）
每个时钟周期内执行的指令条数（并行）

实际上频率和IPC在真正影响CPU性能
准确的CPU性能判断应该是：

$CPU性能=IPC(CPU每一时钟周期内所执行的指令多少)\times 频率(MHz时钟速度)$

-----由英特尔提出并被业界广泛认可

如果将英特尔用于企业级服务器的主频为800MHz的安腾处理器（英特尔最高系列CPU）与用于台式机的主频为1800MHz的奔腾4处理器进行对比，我们就会发现：主频仅为800MHz的安腾处理器在性能上竟然比主频高达1800MHz的奔腾4处理器还强大。

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）

$MIPS=\frac{指令条数}{执行时间\times 10^6}=\frac{指令条数}{\frac{所有指令CPU时钟周期数之和}{f}\times 10^6}$ = $\frac{f}{CPI\times 10^6}$（全性能公式）

MIPS应用举例

例2 某计算机主频为1GHz，在其上运行的目标代码包括2×10⁵条指令，分4类，各类指令所占比例和各自CPI和例1中一致，求程序的MIPS。
解 根据CPU全性能公式：

$MIPS=\frac{f}{CPI\times 10^6}=\frac{1\times 10^9}{2.24\times 10^6}=446.4$

4、CPU时间

$执行一段程序所需的时间=CPU时间+I/O时间+存储访问时间+各类排队时延等$

$CPU时间=程序中所有指令的时钟周期数之和\times T=\frac{程序中所有指令的时钟周期数之和}{f}$
（回顾汇编语言课程中延时子程序的设计原理）

CPU时间的计算方法

（1）考虑CPI后的CPU时间

$CPU时间=总指令数\times {\sum }_{i=1}^n(CP{I}_i\times \frac{I{C}_i}{总指令数})\times 时钟周期时间=总指令数\times CPI\times T$

（2）考虑MIPS后的CPU时间

$MIPS=\frac{指令条数}{执行指令的时间\times 10^6}$

$程序的执行时间t=\frac{指令数量}{MIPS\times 10^6}$

CPU时间应用举例

例3 在例2的基础上求程序的CPU时间。
解 方法1：利用CPI

$CPU时间=\frac{2\times 10^5\times CPI}{f}=\frac{2\times 10^5\times 2.24}{10^9}=4.48\times 10^{-4}（秒）$

方法2：利用MIPS

$CPU时间=\frac{指令数量}{MIPS\times 10^6}=\frac{2\times 10^5}{\frac{10^3}{2.24}\times 10^6}=4.48\times 10^{-4}（秒）$

三、时间指标的应用思考

1、如何合理利用时间指标评测计算机性能
2、f、CPI、MIPS、CPU时间在评价计算机性能方面的特点和不足？
3、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映计算机的实际性能？

计算机性能指标是确定的吗？

硬件或软件指标	影响什么	如何影响
算法	CPI、MIPS、CPU时间	影响指令数量和指令类型
编程语言	CPI、MIPS、CPU时间	指令数量和指令类型
编译程序	CPI、MIPS、CPU时间	影响指令数量和指令类型
指令集体系结构	f/T、CPI、MIPS、CPU时间	全面影响