计算机的性能指标解析：从机器字长到MFLOPS

计算机的性能指标解析：从机器字长到MFLOPS

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_61628700/article/details/144583083

计算机系统的性能指标是衡量计算机系统性能的重要依据。本文将从基本性能指标和运算速度相关的性能指标两个方面，详细介绍计算机系统的性能指标，包括机器字长、主存容量、吞吐量、响应时间、CPU时钟频率和时钟周期、CPI、CPU执行时间、IPC、MIPS、MFLOPS等。

5.计算机系统的性能指标

5.1 基本性能指标

5.1.1 机器字长

• 定义：机器字长指CPU一次能够处理的二进制数据的位数，也就是构成二进制数据的比特（bit/b）数量。
• 关系：机器字长=CPU用于整数运算的ALU位数=通用寄存器的宽度
• 影响：
  1. 字长越长，数的表示范围越大、精度越高。
  2. 字长越长，计算精度越高。
  3. 字长会影响计算速度。

5.1.2 主存容量

• 定义：主存容量是指主存储器（内存）能够存储的最大信息量。
• 计算公式：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，则主存容量为：
  主存容量 = N * M (位或b)
  ∵存储单元的数量M等于2的MAR的位数次方，而存储字长N等于MDR的位数，所以：
  主存容量 = 2^MAR * MDR
• 影响：增加主存（内存）容量可减少程序运行期间对辅存（外存）的访问，由于访问内存的速度远大于访问外存的速度，因此可提高程序的执行速度，进而提高计算机系统的性能。

5.1.3 吞吐量

• 定义：吞吐量是指计算机系统在单位时间内能够处理的信息量。
• 影响因素：
  1. CPU的处理能力。
  2. 内存的访问速度。
  3. 外存的访问速度。

5.1.4 响应时间

• 定义：响应时间是指从向计算机系统提交作业开始，到完成作业为止所需时间。
• 组成：响应时间包括作业提交时间、作业处理时间和作业完成时间。

5.2 运算速度相关的性能指标

5.2.1 CPU时钟频率和时钟周期

• 引入：计算机执行一条指令的过程：取指 ==》分析 ==》执行。上述过程每一步都需要特定的控制信号进行控制。控制信号的发出时机、持续时间都需要响应的定时信号来调控。而CPU时钟信号就是一个基本定时信号。
• 定义：CPU时钟信号是一个基本的定时信号，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，单位赫兹（Hz）。CPU时钟周期=CPU时钟频率的倒数，单位秒（s）。
  
• 影响：对于同类型的计算机，同一指令执行所需的CPU时钟周期的数量是一样的，因此CPU的时钟周期频率越高，该指令的执行速度就越快。

5.2.2 CPI

• 定义：CPI（Cycles Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数量。因为指令的功能、寻址方式不同，因此每条指令执行所需的时钟周期数量也不同。对于一类指令或一个程序的的CPL=所有指令执行所需时钟周期数量的平均值。
• 计算公式：
• 公式一：CPI = 程序执行所需时钟周期数量 / 程序所包含的指令数量
• 公式二：已知某个程序中有n类不同类型的指令、每类指令的CPI、每种指令占比P，则该程序的CPI计算公式：CPI = ∑(CPIi * Pi)

5.2.3 CPU执行时间

• 定义：CPU执行时间：真正用于用户程序的执行时间。

5.2.4 IPC

• 定义：IPC：每个时钟周期能够执行的指令数量。IPC是CPI的倒数。IPC与CPU架构、指令集、指令流水线技术密切相关。目前IPC的值可大于1。

5.2.5 MIPS

• 定义：MIPS：每秒执行多少百万条指令。
• 计算公式：MIPS = CPU时钟频率 / CPI
• 注：用MIPS对机器性能比较会不准确。因为不同机器指令集不同，CPI和时钟周期也不同。

5.2.6 MFLOPS

• 定义：MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点运算。
• 计算公式：MFLOPS = (浮点运算次数 ÷ 测试程序的执行时间) ÷ 10^6
• 注：MFLOPS不能全面反映计算机性能，只能反映浮点运算速度。