第一章（下）——计算机的性能指标

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一、性能指标相关概念

（一）作用

（二）与软硬件关系

（三）性能指标

二、基本性能指标

（一）机器字长

（二）主存容量

（三）吞吐量

（四）响应时间

三、与运算相关的性能指标

（一）CPU时钟频率和时钟周期

（二）CPI

（三）CPU执行时间

（四）IPC

（五）MIPS

（六）MFLOPS

四、使用基准程序进行性能评估

一、性能指标相关概念

（一）作用

计算机系统的性能指标是用来衡量计算机系统在各种操作和任务的工作效率、执行速度以及处理能力的标准
计算机系统的性能指标可以帮助人们评估计算机系统的整体表现，从而更好的了解系统在不同方面的优势和限制

（二）与软硬件关系

综上所述，计算机系统的性能指标涵盖了软件和硬件俩个层面，他们之间密切相关。优化硬件可以提供更加强大的计算和传输能力，而优化软件可以更有效的利用这些硬件资源，从而实现更好的系统性能。正确的硬件选择能为软件提供更好的执行环境，反之亦然。

（三）性能指标

二、基本性能指标

（一）机器字长

1、机器字长是指CPU一次能够处理的二进制数据的位数，也就是二进制比特数

机器字长与CPU内部用于整数运算的ALU的位数以及通用寄存器的宽度相等

2、机器字长对计算机性能的主要影响如下：

字节越长，数的表示范围就越大、精度越高
字节越长，计算精度也越高
字节还会影响计算速度

3、随着硬件技术的发展，计算机的字长已经从早期的8位逐渐增加到16位，32位、64位甚至更高

（二）主存容量

1、主存容量是指主存储器（内存）能够存储的最大信息量。

假设主存包含M个存储单元，每个存储单元可存储N个二进制位，可以通过以下方式计算主存容量：

2、增加主存容量可以减少程序运行时对外存的访问，由于访问内存的速度远远大于访问外存速度，因此可以提高程序的执行效率，进而提高计算机性能。

（三）吞吐量

1、吞吐量是指计算机系统在单位时间内能够处理的信息量。
2、影响吞吐量的主要因素如下：

CPU的处理能力。
内存（主存）的访问速度。
外存（辅存，例如硬盘）的访问速度。

（四）响应时间

响应时间是指从向计算机系统提交作业开始，到系统完成作业为止所需要的时间。

三、与运算相关的性能指标

（一）CPU时钟频率和时钟周期

CPU时钟信号是一个基本定时信号，它是一种固定频率的脉冲信号，用于驱动计算机内部各组件协调工作。

这种脉冲信号的频率被称为CPU时钟频率（Clock Rate)，基本单位为赫兹（Hz)。
CPU时钟周期（Clock Cycle或ClockTick，也可简称为clock或tick）是CPU时钟频率的倒数，基本单位为秒（s)。

（二）CPI

CPI(Cycles Per Instruction）的意思是执行一条指令所需要的时钟周期数量。
■ 由于不同指令的功能不同，即使功能相同的指令还可能有不同的寻址方式，因此每条指令执行所需的时钟周期数量也可能不同。
□针对一条指令、一类指令、一个程序，它们各自CPI的含义如下：

一条指令的CPI：该指令执行所需要的时钟周期数量。
一类指令（例如算术运算类指令）的CPI：构成该类指令的所有指令执行所需要时钟周期数量的平均值。
一个程序的CPI：构成该程序的所有指令执行所需要时钟周期数量的平均值。

CPI=程序执行所需时钟周期/程序所包含的指令数量

如果知道某个程序中共有n类不同类型的指令、每类指令的CPI（用CPIi表示）、每类指令地数量在程序所包含的指令数量中所占的比列（用Pi表示），则该程序的CPI可用以下公式计算：

【例1】某个程序包含A、B、C和D共4类指令，它们各自在该程序中所占比例依次为60%、18%、12%、10%,A类指令的CPI为1,B类指令的CPI为2,C类指令的CPI为4,D类指令的CPI为8，则该程序的CPI是多少？

（三）CPU执行时间

CPU执行时间是指真正用于用户程序的执行时间，而不包括为执行用户程序而花费在操作系统、访问主存（内存）、访问辅存（外存）、访问外部设备上的时间。

【例2】机器M1与M2是基于相同指令集体系结构ISA设计的两台不同的计算机。M1的时钟周期为2ns，程序P在M1上运行时的CPI为3;M2的时钟周期为4ns，程序P在M2上运行时的CPI为2。对于程序P而言,M1与M2的运行速度关系是？

【例3】假设某计算机有A、B、C共3类指令，A类指令的CPI为1,B类指令的CPI为2,C类指令的CPI为3。现有两种不同的编译器将同一高级语言的语句编译成S1和S2两种不同类型的代码序列。S1包含A、B、C这3类指令的数量分别为2、1、2;S2包含A、B、C这3类指令的数量分别为4、1、1。S1与S2的运算速度关系是？

根据本例可以看出：仅仅通过计算机编译后目标代码中包含的指令数量来评估计算机性能是不准确的。在本例中，尽管S2包含的指令数量（4+1+1=6）比S1(2+1+2=5）多，但是由于S2中CPI小的指令（即CPI为1的A类指令）所占比例（4/6)，比 S1 中CPI小的指令（即CPI为1的A类指令）所占比例（2/5）高，因此指令数量更多的 S2 实际上比指令数量较少的 S1 执行速度更快。