1.3.1 计算机的主要性能指标

衡量计算机性能时，常见指标包括：吞吐量、响应时间、主频、时钟周期、CPI、IPS、CPU 执行时间、MIPS 和 FLOPS。

吞吐量与响应时间

吞吐量（Throughput）

吞吐量是系统在单位时间内完成的任务或处理的请求数量，例如每秒处理的请求数、事务数或数据块数。

系统吞吐量会受到多个部分影响：

  • CPU 的处理能力；
  • 主存访问速度；
  • I/O 设备速度；
  • 磁盘和网络速度；
  • 软件及操作系统的调度效率。

重点： 系统吞吐量取决于整个系统中的瓶颈，而不只是主存。

响应时间（Response Time）

响应时间是从用户发出请求，到系统完成请求并返回结果所经历的总时间：

响应时间=CPU 执行时间+各种等待时间\text{响应时间}=\text{CPU 执行时间}+\text{各种等待时间}

等待时间可能包括 I/O 等待、磁盘访问、内存访问，以及操作系统调度和排队等待等。

吞吐量关注“单位时间能完成多少任务”，响应时间关注“一个任务多久完成”，二者并不完全等价。例如，增加处理器数量可能明显提高系统吞吐量，但单个程序的响应时间未必同比缩短。

主频与 CPU 时钟周期

CPU 时钟周期

CPU 内部由时钟信号驱动工作。**时钟周期（Clock Cycle）**是相邻两个时钟有效边沿之间的时间，可作为同步 CPU 工作的基本时间尺度，通常记作 TT。

我今天就背了个新的周期单词，但我忘记了。

常用单位包括 s、ms、μs\mu s 和 ns。时间换算很重要⭐️：

1 s=103 ms=106 μs=109 ns\boxed{1\,s=10^3\,ms=10^6\,\mu s=10^9\,ns}

因此，1 ns=10−9 s1\,ns=10^{-9}\,s。

主频（CPU 时钟频率）

主频是 CPU 时钟信号的频率，单位为 Hz。它与时钟周期互为倒数：

f=1T\boxed{f=\frac{1}{T}}

其中，ff 表示主频，TT 表示时钟周期。因此，主频越高，时钟周期越短。

不能只看主频判断性能

只有在架构、程序、CPI 等其他因素基本相同时，主频越高通常才意味着执行时间越短。

不同 CPU 之间不能只根据 GHz 判断性能，因为 CPU 性能还会受到 CPI、微体系结构、缓存、流水线和并行程度等因素影响。

CPI 与 IPS

CPI

CPI（Cycles Per Instruction）表示平均执行一条指令需要的时钟周期数：

CPI=总时钟周期数指令条数\boxed{CPI=\frac{\text{总时钟周期数}}{\text{指令条数}}}

IPS

IPS（Instructions Per Second）表示 CPU 每秒能够执行的指令条数：

IPS=主频平均 CPI\boxed{IPS=\frac{\text{主频}}{\text{平均 CPI}}}

从单位上看，主频表示“时钟周期/秒”，CPI 表示“时钟周期/指令”，因此：

时钟周期/秒时钟周期/指令=指令/秒\frac{\text{时钟周期}/\text{秒}}{\text{时钟周期}/\text{指令}} =\text{指令}/\text{秒}

CPU 执行时间

这是性能计算中最重要的公式之一：

TCPU=CPU 时钟周期数f=IC×CPIf=IC×CPI×Tclk\boxed{ T_{CPU} =\frac{\text{CPU 时钟周期数}}{f} =\frac{IC\times CPI}{f} =IC\times CPI\times T_{clk} }

其中：

  • ICIC：Instruction Count，指令条数；
  • CPICPI：平均每条指令所需的时钟周期数；
  • ff：主频；
  • TclkT_{clk}：时钟周期。

因此，CPU 性能主要受指令条数 ICIC、CPI 和主频 ff 三个因素影响。执行时间越短，性能越高：

Performance∝1TCPU\boxed{Performance\propto\frac{1}{T_{CPU}}}

CISC、RISC 与三个指标

  • CISC： 指令较复杂，一个复杂操作可能只需较少指令，因此 ICIC 可能降低，但复杂指令也可能使 CPU 实现更加复杂。
  • RISC： 指令较简单，一个复杂任务可能需要更多条简单指令，因此 ICIC 可能升高。

最终性能仍应根据 TCPU=IC×CPIfT_{CPU}=\dfrac{IC\times CPI}{f} 综合判断，任何一个变量发生变化，都可能影响执行时间。

MIPS

MIPS（Million Instructions Per Second）表示每秒执行的百万条指令数。

MIPS 不适合直接比较不同 ISA 的计算机性能。例如，一台机器可能用一条指令完成 A+B×CA+B\times C，另一台机器则需要多条指令。即使后一台机器每秒执行的指令更多，也不代表它完成相同任务更快。

此外，不同机器的指令功能、CPI 和时钟周期都可能不同，因此跨体系结构比较时，MIPS 很容易产生误导。

重点： MIPS 衡量的是指令执行数量，而不是这些指令实际完成了多少工作。

FLOPS

FLOPS（Floating-point Operations Per Second）表示每秒能够执行的浮点运算次数。

重点： FLOPS 衡量的是浮点运算次数，而不是指令条数。

常见单位如下：

名称 含义 数量级
MFLOPS Million FLOPS 10610^6
GFLOPS Giga FLOPS 10910^9
TFLOPS Tera FLOPS 101210^{12}
PFLOPS Peta FLOPS 101510^{15}
EFLOPS Exa FLOPS 101810^{18}
ZFLOPS Zetta FLOPS 102110^{21}

例如，1 TFLOPS=10121\,TFLOPS=10^{12} 次浮点运算/秒。

FLOPS 特别适合衡量以浮点计算为主的系统和任务，例如科学计算、矩阵运算、超级计算机、GPU 和 AI 计算。

基准程序（Benchmark）

基准程序是一组专门用于计算机性能测试的典型程序，目的是尽量模拟实际应用中的工作负载，从而评价计算机在真实使用场景中的性能。

评价方法

一种直接的评价方式是在不同机器上运行相同的基准程序，比较其执行时间。在任务相同的情况下，执行时间越短，通常说明性能越高。

局限性

某些基准程序的性能可能高度依赖少数关键代码片段。硬件厂商或编译器开发者如果专门针对这些代码进行优化，可能获得非常漂亮的测试结果，但这种优化不一定能代表机器处理一般程序时的真实性能。

Benchmark 成绩≠所有实际应用的真实性能\boxed{\text{Benchmark 成绩}\neq\text{所有实际应用的真实性能}}