news 2026/6/23 20:51:30

计算机组成原理 (四)计算机性能

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张小明

前端开发工程师

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计算机组成原理 (四)计算机性能

衡量计算机性能的两个基本指标

吞吐率和响应时间
那么什么是吞吐率呢?
吞吐率又叫做带宽:衡量系统在一定时间内能处理多少工作量的能力。
通常以每秒处理的任务数量或者数据传输量来表示。
响应时间(CPU的执行时间和用户等待时间):从用户发起一个请求或指令到系统完成该请求并给出反馈所需要的时间。
需求不同,指标也不同,对于我们这种个人用户来讲,响应时间更重要。但对于数据中心来讲吞吐率更重要,吞吐率和响应时间这两者往往相互权衡。

CPU性能指标

我们知道CPU在计算机中至关重要,CPU的性能往往很大程度上是决定计算机的性能。
那么CPU是怎么进行操作的呢?
硬件通过晶振(石英晶体振荡器)发出主脉冲信号(高电平和低电平),根据信号的节奏来决定硬件的操作

信号完成一次完整的震荡所需要的时间称为时钟周期T
每秒震荡多少次称为时钟频率f。
T=1/f因此
CPU的执行时间=程序所含有的时钟周期数时钟周期。
也等于程序所含有的时钟周期数
时钟频率
CPU的执行时间也分为两部分:
用户CPU时间(执行用户程序的时间)
系统CPU时间(为了执行用户程序而需要CPU执行操作系统程序的时间)
CPU和指令也密切相关,因此我们也要讨论指令的性能。
因此:
CPU的执行时间=程序所含有的时钟周期数*时钟周期。
也等于程序所含有的时钟周期数 * 时钟频率
等于指令数 * CPI(一条指令所需要的时间周期数) * 时钟周期
等于指令数 * CPI(一条指令所需要的时间周期数) */时钟频率
由这些公式我们可以知道CPU的性能由主频,CPI,指令数三者制约决定。
通常更改指令集可以减少指令数,但也可能会引起CPU架构的调整,从而增加时钟周期长度,降低主频
除了可以通过CPU性能进行评估,还可以用指令执行速度进行性能评估。
本质上没有区别,无非这个是站在指令的角度看问题。

指令性能指标

这里就引出指令的性能指标:
IPS(每秒可以执行多少条指令)这个数往往比较大,因此用MIPS(每秒执行多少条百万级的指令)
MIPS=指令条数/执行时间 * 10 ^ 6=主频/CPI * 10^6
注意:主频/CPI=指令条数
CPI:一条指令所需要的时间周期数
总结:

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