系统配置与性能评价

1. 系统性能设计——性能指标

1.1 字长和数据通路宽度

  字长：计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。早期的微型计算机的字长一般是8位和16位。现在大多是32位，大多数人都装64位的了。

   数据通路宽度：CPU内部的数据通路宽度一般等于基本字长,而外部的数据通路宽度取决于系统总线。

1.2 主存容量和存取速度

  主存容量：计算机的内存容量通常是指随机存储器（RAM)的容量，是内存条的关键性参数。内存的容量一般都是2的整次方倍，内存容量越大越有利于系统的运行。
按照计算机的二进制方式：1Byte=8bit；1KB=1024Byte；1MB=1024KB；1GB=1024MB；1TB=1024GB。

  存取速度：存取速度是指闪存卡在被写入数据或读取数据时的数据传输速度，同一块卡应用于不同的相机，也可能表现出速度的差异，这受到相机闪存卡接口性能差异的影响。

1.3 运算速度

  运算速度：运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。 通常所说的计算机运算速度（平均运算速度），是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令/秒”（MIPS，Million Instruction Per Second）来描述。

• 主频：即CPU的时钟频率，计算机的操作在时钟信号的控制下分步执行，每个时钟信号周期完成一步操作，时钟频率的高低在很大程度上反映了CPU速度的快慢。

• CPI：CPI（ Clock cycle Per Instruction）表示每条计算机指令执行所需的时钟周期，有时简称为指令的平均周期数。可以用来表示CPU的性能。

• IPC：IPC（instruction per clock) 表示每（时钟）周期运行多少个指令。

• MIPS：MIPS（Million Instruction Per Second）是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令/秒”。

• MFLOPS：MFLOPS（Million Floating-point Operations per Second）每秒百万个浮点操作。

   MIPS = 指令条数/(执行时间 X 10⁶) = 主频/CPI = 主频 X IPC

   MFLOPS = 浮点操作次数/(执行时间 X 10⁶)

1.4 吞吐量和吞吐率

   吞吐量：是指对网络、设备、端口、虚电路或其他设施，单位时间内成功地传送数据的数量（以比特、字节、分组等测量）。

   吞吐率：原指一个业务系统在单位时间内提供的产量（或服务量）。在计算机或数据通信系统，指的是单位时间内通过某通信信道（a communication channel）或某个节点成功交付数据的平均速率，通常以每秒比特数（bps， bits per second ）为单位。

1.5 响应时间与周转时间

  响应时间：在操作系统中，响应时间指用户发出请求或者指令到系统做出反应（响应）的时间。
  周转时间：从作业提交到作业完成的时间间隔。

1.6 兼容性

   兼容性：是指硬件之间、软件之间或是软硬件组合系统之间的相互协调工作的程度。兼容的概念比较广，相对于硬件来说，几种不同的电脑部件，如CPU、主板、显示卡等，如果在工作时能够相互配合、稳定地工作，就说它们之间的兼容性比较好，反之就是兼容性不好。

2. 阿姆达尔解决方案

  对系统中某组件采用某种更快的执行方式，所获得的系统性能的改变程度，取决于该组件被使用的频率，或所占总执行时间的比例。加速比计算公式如下：
$$R=\frac{Tp}{Ti}=\frac{1}{(1-Fe)+\frac{Fe}{Se}}$$
  其中，T_p 表示不使用改进组件时完成整个任务的时间，T_i 表示使用改进组件时完成整个任务的时间。加速比主要取决于两个因素：
（1）在原有的系统上，能被改进的部分在总执行时间中所占的比例。这个值称为改进比例，记为F_e ，它总是小于1。
（2）通过改进的执行速度会有多少提高，这个值等于在原来的条件下系统的执行时间与使用改进组件后系统的执行时间之比，记为S_e，它总大于1。

2.1 练习题

  在计算机系统中，某一功能的处理时间为整个系统运行时间的50%，若使该功能的处理速度加快10倍，根据Amdahl定律，这样做可以使整个系统的性能提高____倍。若要使整个系统的性能提高1.5倍，则该功能的处理速度应加快____倍。

解题思路：我们这里可以假设整个系统运行的某一段时间为10。

• 公式法

(1) 第一问


设可以使整个系统提高 x 倍。
x = 1/(1-50%+50%/10)
0.5x + 0.5x/10 = 1
5x + 0.5x = 10
5.5x = 10
x ≈ 1.82

答：1.82 倍


(2) 第二问


设该功能处理速度应该加快 x 倍。
1.5 = 1/(1-50%+50%/x)
3 = 2/(0.5 + 0.5/x)
1.5 + 1.5/x = 2
1.5/x = 0.5
3/x = 1
x = 3
答：3 倍

• 特值法

  (1) 第一问

  10 = 10 * 50% + (10 -10 * 50%)
  优化前一共处理时间是10个单位；
  某一功能消耗的是10 * 50%；
  其他功能消耗的是10 -10 * 50%；

  优化后某一功能的消耗是原来的10倍，那就是原来5个单位，提高10倍，变为0.5；
  其他功能消耗不变还是5个单位；
  优化后总耗时为：5 + 0.5 = 5.5；

  优化后提高了 10 / 5.5 ≈ 1.82

  (2) 第二问

  假设优化前整个系统耗时10个单位；
  其他功能耗时不进行优化，始终耗时5个单位；

  某一功能应加快x倍；
  那么优化后某一功能的耗时是5/x；
  优化后总耗时是5/x + 5；
  整个性能提高的1.5倍是，优化前耗时比上优化后耗时；

  10 / (5/x + 5) = 1.5
  20 /(5/x + 5) = 3
  20 = 15/x + 15
  3/x = 1
  x = 3