计算机组成原理-L04-performance
本文最后更新于：6 个月前
计算机组成与实践 -计算机的性能（Performance）
一.性能的定义
性能
- 购买计算机
- 最好的性能？
- 最小开销？
- 设计计算机
- 最大程度提升性能？
- 降低计算机开销？
- 均衡性能与开销？
计算机性能对比
处理器：第10代 i7-10700K， (8-核,16MB 缓存, 基本频率3.80 GHz，最高睿频 5.1GHz）
存储器：256GB 固态硬盘 + 1TB
内存： 16GB，可扩展到64GB
显卡： NVIDIA® GeForce® GTX 6GB
价格：15999
处理器：支持双Xeon处理器，Xeon 3204， (6核, 8.25MB 缓存, 1.9GHz）
存储器：256GB 固态硬盘 + 1TB
内存： 16GB，可支持高达768GB
显卡： NVIDIA® Quadro® P1000 4G
价格：15999
处理器：5000系锐龙，Ryzen 5 5600， (6核,32MB 缓存, 基础频率3.5GHz，最大加速时钟4.4GHz）
存储器：1T 固态硬盘 + 4TB
内存： 32GB，可支持高达128GB
显卡： NVIDIA® GeForce® RTX 3070 8GB
价格：<6000
响应时间和吞吐率
| 响应时间（Response Time） |
|---|
| 完成一项任务所需要花费的时间，也称为执行时间，包括硬盘访问、内存访问、I/O活动、操作系统开销和CPU执行时间等 |
| 对用户重要 |
| 吞吐率（Throughput） |
|---|
| 在一定的时间内完成任务的总量 |
| 带宽(Bandwidth)，在单位时间内完成任务的总量 |
| 对云服务提供商重要 |
针对不同的用户和应用，性能的度量也不同
性能的定义
- 性能=1/执行时间
- “X性能是Y性能的n倍”
例1：计算机A运行一个程序需要10秒，计算机B运行同样的程序需要15秒，那么A的性能是B的多少倍？
Ans:执行时间B/执行时间A=15s/10s=1.5
A的性能是B的1.5倍
降低执行时间通常会提升吞吐量
二.CPU性能及其因素
性能的度量
CPU时间(CPU Execution Time)
- 在CPU上花费的时间，不包括等待I/O或运行其他程序的时间
- 可分为用户CPU时间(User CPU Time)和系统CPU时间(System CPU Time)
响应时间→系统性能(System Performance)
用户CPU时间→CPU性能(CPU Performance)
| 计算机设计者 |
|---|
| 考虑如何度量计算机硬件完成基本功能的速度 |
| 时钟 |
时钟
计算机中以时钟来触发硬件执行各种事件
- 时钟周期（Clock Cycle）：时钟间隔的时间
- 例如，250ps=0.25ns=250×10^–12s
- 时钟频率（Clock Rate）：时钟周期的倒数
- 例如，4.0GHz = 4000MHz = 4.0×10^9Hz
CPU时间
CPU时间=CPU时钟周期数×时钟周期时间=CPU时钟周期数/时钟频率
| 提高性能的方式 |
|---|
| 减少一个程序的CPU时钟周期数 |
| 提高时钟频率 |
| 硬件设计者需要权衡时钟周期数和时钟频率 |
例2
计算机A的时钟频率为2GHz，某程序在A上运行的CPU时间是10s，如果目标时钟在计算机B上运行的CPU时间为6s，那么B的时钟频率应该为多少才能使该程序在B上运行的时钟周期数是A上的1.2倍？
时钟周期数A=CPU时间A×时钟频率A
=10s×2 GHz=20×10^9
时钟频率B=时钟周期数B/CPU时间B
=（1.2×时钟周期数A）/ 6s
=（1.2×20×10^9）/ 6s=4 GHz
指令的性能
通过程序的指令数和指令的平均时钟周期数获得
- 程序的指令数量
- 指令的平均时钟周期数（Clock cycles per instruction, CPI）：
- 如果不同指令有不同的CPI，采用加权平均CPI
- 比较相同ISA下的，不同实现方式的性能
CPI的计算
如果执行不同类型的指令需要不同的时钟周期数
加权平均CPI
经典的CPU性能公式
| 影响性能的三个关键因素 |
|---|
| 减少时钟周期时间或增加时钟频率（Intel Core i7的Turbo mode睿频，暂时将时钟频率提高10%） |
| 减少指令数 |
| 减少CPI |
例3
计算机A：时钟周期时间=250ps，CPI=2.0
计算机B：时钟周期时间=500ps，CPI=1.2
相同ISA，相同程序，哪台计算机执行的速度快？快多少？
理解程序性能
| 硬件或软件指标 | 指令数 | CPI | 时钟周期时间 |
|---|---|---|---|
| 算法 | √ | √ | |
| 编程语言 | √ | √ | |
| 编译程序 | √ | √ | |
| ISA | √ | √ | √ |
基准测试程序
| 基准测试程序(benchmark) |
|---|
| 一组专门用于测量性能的程序 |
| 这些测试程序形成负载，用户期望预测实际负载的性能 |
SPEC (system performance evaluation cooperative)是为现代计算机系统建立的基准测试程序集
目前最新的是SPEC CPU2006 ，包括12 个整数基准程序集(ClNT 2006)和17 个浮点基准程序集(CFP 2006)
个人超频跑分可以试试cpu-z，3dmark
CINT2006 for Intel Core i7 920
将被测计算机的执行时间标准化，即将被测计算机的执行时间除以一个参考处理器的执行时间，结果称为SPEC ratio
几何平均数（GM）
三.小结
- 执行时间是唯一有效且不可推翻的性能度量方法
- 可靠的测量性能的方法
