计算机组成原理学习笔记第1章 1.2——计算机系统性能评价

计算机组成原理学习笔记第1章 1.2——计算机系统性能评价

0️⃣思维导图(自制)

①思维导图下载

自制思维导图文件(可下载后打开编辑完善)——第1章 第1.2节
提取码请见评论置顶

②图示

1️⃣非时间指标

①机器字长

定义：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

定义：数据总线一次能并行传送的最大信息的位数

• 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 内外数据总线等宽；
• 8088 、 80386 SX 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

a.主存容量

定义： 是指一台计算机主存所包含的存储单元总数 。

b.存储带宽

定义： 指单位时间内与主存交换的二进制信息量
             ps：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 )

2️⃣时间指标

①主频 f/ 时钟周期T , 外频、 倍频

a.主频f

定义：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 际的运算能力之间不是唯一的、直接关系；

b.时钟周期T

定义：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；

c.f与T的关系

关系：互为倒数，f 越高， T就越小 （f=1/T）
例如：
f=100MHz 时   —>  T=10ns
f=1GHz时      —>    T=1ns

d.外频

定义：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);

e.倍频

定义：CPU主频与外频之间的倍数
公式关系：
主频 = 外频 × 倍频
如：
Pentium 4 2.4G CPU主频
2400M = 133M (外频 ) × 18 ( 倍频)

如何超频？

②CPI(Clock cycles Per Instruction)

a.定义

执行一条指令平均需要的时钟周期数(即T周期的个数)

b.补充

单条指令CPI 、一段程序中所有指令的 CPI 、指令系统 CPI 等

c.公式

CPI = 程序中所有指令的时钟周期数之和 / 程序指令总数 = 程序指令总数

d.CPI应用举例

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： CPI = 1 * 60% + 2 * 18% + 4 * 12% +8 * 10% = 2.24

补充：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 性能判断标准应该是：
CPU 性能 =IPC(CPU 每一时钟周期内所执行的指令多少) × 频率 (MHz 时钟速度)----由英特尔提出并被业界广泛认可。
例如：
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(英特尔的最高级系列 CPU) 与用于台式机的主频为1800MHz的奔腾4处理器进行对比。
主频为800MHz的安腾处理器 PK 主频为1800MHz的奔腾4处理器
PK结果：
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处理器还要强大。

③MIPS(Million Instructions Per Second)

a.定义

每秒钟CPU能执行的指令总条数 (单位：百万条/秒)

b.公式

c.MIPS应用举例

例如： 某计算机主频为1GHZ，在其上运行的目标代码包含 2x10^5 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%

④CPU时间

a.定义

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)。

b.公式

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(回顾汇编语言课程中延时子程序的设计原理)

c.CPU时间的计算方法

考虑CPI后的CPU时间：

考MIPS后的CPU时间:

d.CPU时间应用举例

例如：某计算机主频为1GHZ 在其上运行的目标代码包含 2 ×10^5 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%

方法1：

方法2：

3️⃣时间指标的应用思考

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映计算机的实际性能？
• 计算机性能指标是确定的吗？？
  

b.逻辑等效性

本节小结

计算机系统性能评价

• 1️⃣非时间指标
• 2️⃣时间指标
• 3️⃣时间指标的应用思考

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本篇笔记整理：Code_流苏

笔记内容学习资料：计算机组成原理微课版(谭志虎、秦磊华等编著)

课件资料及视频学习：MOOC计算机组成原理(华科大)

计算机组成原理笔记专栏

内容随着个人本学期课程学习进度而适时更新，本学期内会更完个人全部笔记，希望对大家有所帮助！能够学有所获！还请大家多多点赞与关注！