1计算机系统概述_1.3计算机的性能指标

1.3.1 计算机的主要性能指标

1.字长

• 字长是指计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数，
• 通常与CPU的寄存器位数、加法器有关。字长一般等于CPU内寄存器的大小，
• 字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高。
• 计算机字长通常选定为字节(8位)的整数倍。

字长通常指的是ALU一次操作可以处理的最大数据长度，通常这个长度也等于CPU内寄存器的大小，
我们常说的32位、64位指的就是字长。
字长决定了CPU一次操作可以处理的数据长度.

2.数据通路带宽

• 数据通路带宽是指数据总线一次所能并行传送信息的位数。
• 这里所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽度，它与CPU内部的数据总线宽度（内部寄存器的大小）有可能不同。
  注意：各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路

3.主存容量

• 主存容量是指主存储器所能存储信息的最大容量，
• 通常以字节来衡量，也可用字数字长（如 512K×16位)来表示存储容量。
• 其中，MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储单元的字长
• 例如，MAR为16位，表示2^16=65536，即此存储体内有65536个存储单元（可称为64K内存，1K=1024),若MDR为32位，表示存储容量为64K×32位。

4.运算速度

(1)吞吐量和响应时间。

• 吞吐量
  ____指系统在单位时间内处理请求的数量。
  ____它取决于信息能多快地输入内存，CPU能多快地取指令,数据能多快地从内存取出或存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。
  ____几乎每步都关系到主存，因此系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。
• 响应时间
  ____指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的 等待时间。
  ____通常包括 CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与 等待时间（用于磁盘访 问、存储器访问、O操作、操作系统开销等的时间)

(2)主频和CPU时钟周期

• 主频(CPU时钟频率)。机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。
• 对于同一个型号的计算机，其主频越高，完成指令的一个执行步骤所用的时间越短，执行指令的速度越快。
  例如，常用CPU的主频有1.8Hz、2.4GHz、2.8gHz等
  注意：CPU时钟周期=1/主频，主频通常以Hz(赫兹)为单位，1Hz表示每秒1次
• CPU时钟周期通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数，它是CPU中最小的时间单位， 执行指令的每个动作至少需要1个时钟周期

(3)CPI(Cycle Per Instruction))

• 即执行一条指令所需的时钟周期数
• 不同指令的时钟周期数可能不同，因此对于一个程序或一台机器来说，其CPI指该 程序或该机器指令集 中的所有指令执行所需的平均时钟周期数，此时CPI是一个平均值。

(4)CPU执行时间

• 指运行一个程序所花费的时间。
  CPU执行时间=CPU时钟周期数/主频=（指令条数CPI)/主频

• 上式表明，CPU的性能(CPU执行时间)取决于三个要素：主频（时钟频率）、每条指令执行所用的时钟周期数(CPI)、指令条数

• 主频、CPI和指令条数是相互制约的。例如，更改指令集可以减少程序所含指令的条数，但同时可能引起CPU结构的调整，从而可能会增加时钟周期的宽度（降低主频）。有关主频、CPI 和指令条数的相互制约关系，相信读者在学完指令系统、数据通路设计后会有更深刻的认识。

(5)MIPS(Million Instructions Per Second)

• 即每秒执行多少百万条指令

MIPS=指令条数/(执行时间×10 ^ 6)=主频/(CPI×10 ^ 6)

• MIPS对 不同机器进行性能比较 是有缺陷的，因为不同机器的指令集不同，指令的功能也就不同，比如在机器M1上某条指令的功能也许在机器M2上要用多条指令来完成；
• 不同机器的CPI 和时钟周期也不同，因而同一条指令在不同机器上所用的时间也不同。

(6)MFLOPS 、GFLOPS 、TFLOPS 、PFLOPS 、EFLOPS 和ZFLOPS

• MFLOPS (Million Floating -point Operations Per Second),即每秒执行多少百万次浮点运算
  MFLOPS =浮点操作次数/（执行时间×10 ^ 6）

• GFLOPS (Giga Floating -point Operations Per Second ),即每秒执行多少十亿次浮点运算
  GFLOPS = 浮点操作次数（执行时间×10 ^ 6)

• TFLOPS (Tera Floating -point Operations Per Second ),即每秒执行多少万亿次浮点运算。
  TFLOPS = 浮点操作次数/（执行时间×10^12)

• PFLOPS = 浮点操作次数/(执行时间×10^15)

• ZFLOPS = 浮点操作次数/（执行时间×10^21)

注意：
在描述存储容量、文件大小等时，K、M、G、T通常用2的幂次表示
在描述速率、频率等时，k、M、G、T通常用10的幂次表示，
通常前者用大写的 K，后者用小写的k，但其他前缀均为大写，表示的含义取决于所用的场景

5.基准程序 （Benchmarks）

• 基准程序是专门用来进行性能评价的一组程序，能够很好地反映机器在运行实际负载时的性能，可以通过在不同机器上运行相同的基准程序来比较在不同机器上的运行时间，从而评测其性能。
• 对于不同的应用场合，应该选择不同的基准程序。
• 使用基准程序进行计算机性能评测也存在一些缺陷，因为基准程序的性能可能与某一小段的短代码密切相关，而硬件系统设计人员或编译器开发者可能会针对这些代码片段进行特殊的优化，使得执行这段代码的速度非常快，以至于得不到准确的性能评测结果。

1.3.2 专业术语

• 系列机
  具有基本相同的体系结构，使用相同基本指令系统的多个不同型号的计算机组成的一个产品系列。
• 兼容
  指软件或硬件的通用性，即运行在某个型号的计算机系统中的硬件/软件也能应用于另一个型号的计算机系统时，称这两台计算机在硬件或软件上存在兼容性。
• 软件可移植性
  指把使用在某个系列计算机中的软件直接或进行很少的修改就能运行在另一个系列计算机中的可能性。
• 固件
  ——将程序固化在 ROM（只读存储器） 中组成的部件称为固件。
  ——固件是一种具有软件特性的硬件，吸收了软硬件各自的优点，其执行速度快于软件，灵活性优于硬件，是软硬件结合的产物。
  ——例如，目前操作系统已实现了部分固化（把软件永恒地存储于ROM中）