计算机组成原理：如何衡量计算机的性能 |
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计算机组成原理：如何衡量计算机的性能
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在计算机组成原理乃至体系结构中，“性能”都是最重要的一个主题。学习和研究计算机组成原理，就是在理解计算机是怎么运作的，以及为什么要这么运作。“为什么”所要究竟的事情，很多时候就是提升“性能” 什么是性能？时间的倒数计算机的性能，主要以如下两个指标来衡量： 响应时间，或者叫做执行时间： 响应时间是指，我们执行一个程序，到底需要花多少时间。花的时间越少，性能越好提升性能就是让计算机“跑的更快” 吞吐率，或者叫做带宽： 吞吐率就是指我们在一定的时间范围内，到底能处理多少事情。能够处理的事情越多，性能越好（这里的事情指的是处理的数据或者执行的程序指令）提升性能就是让计算机“搬得更多”如果响应时间短，在相同时间内就能多处理一些请求。所以，缩短程序的响应时间，通常会提升吞吐率。 除了缩短响应时间，还可以通过并行的方式来提升吞吐率，譬如现在的8核、16核处理器。（人多力量大） 提升吞吐率的办法有很多，通常只要堆硬件、加机器就能实现。但响应时间的提升则没那么容易，CPU的性能发展已经遇到瓶颈了。 一般我们把性能，定义成响应的倒数，也就是： 性能 = 1 / 响应时间 性能=1/响应时间 性能=1/响应时间 由此，响应时间越短，性能的数值越大。譬如：同样一个程序，在 Coffee Lake 上，仅需 30s 即可运行完成。在 Sandy Bridge 上，需要 1min 才能完成。那么我们说 Coffee Lake 的性能是 1/30，Sandy Bridge 的性能是 1/60，它们的性能比为 2。于是我们可以说，Coffee Lake 的性能是 Sandy Bridge 的 2 倍。 计算机的计时单位—CPU时钟 为什么不直接用时间来衡量虽然时间是一个很自然的用来衡量性能的指标，但是用时间来衡量是，有两个问题 时间不准我们自己写个程序，记录程序开始运行的时间和程序停止运行的时间（这个时间叫做 Wall Clock Time 或 Elapsed Time），计算其差值，会发现每次的结果都不尽相同。其原因有很多。 首先，计算机中同时运行很多程序，CPU不停地在各程序之间进行切换。在这段时间差内，CPU很可能被切换去运行其他程序了其次，程序运行时，可能要从网络、硬盘读取数据，才能给到内存和CPU，这也是耗时操作综上，想准确统计某个程序的运行时间，进而比较实际性能，就要把这些时间刨除掉。Linux 下的 time 命令，就可以帮我们统计出来，程序实际在 CPU 上花了多少时间。运行 time 命令，会返回三个数值。 第一个是 real time，即我们说的 Wall Clock Time。第二个是 user time，即 CPU 运行程序时，用户态所占时间。第三个是 sys time，即 CPU 运行程序时，内核态所占时间。程序实际的 CPU 执行时间（CPU Time），就是 user time 与 sys time 之和。 [root@nfs ~]# time seq 1000000 | wc -l 1000000 real 0m0.101s #Wall Clock Time 也就是运行程序整个过程中流失的时间 user 0m0.031s #CPU在运行你的程序，在用户态运行指令的时间， sys 0m0.016s #CPU在运行你的程序，在操作系统内核里运行指令的时间在我给的这个例子里，你可以看到，实际上程序用了0.101s，但是CPU Time只有0.031+0.016=0.047s。运行程序的时间里，只有不到一半是是花在这个程序上的
即使在同一台计算机上，CPU可能满载运行也可以降频运行，降频运行的时候自然花的时间会多一些。 即使在同一台计算机上，CPU 可能满载运行也可能降频运行，降频运行的时候自然花的时间会多一些。此外，时间这个性能指标还会受到主板、内存这些其他相关硬件的影响。 更合理的衡量所以我们需要对"时间"这个我们可以感知的指标进行拆解 程序的 C P U 执行时间 = C P U 时钟周期数 ∗ 时间周期时间 程序的CPU执行时间=CPU时钟周期数*时间周期时间 程序的CPU执行时间=CPU时钟周期数∗时间周期时间 时钟周期时间Intel Core-i7-7700HQ 2.8GHz，这里2.8GHz就是电脑的主频，可以先粗浅地认为cpu1秒时间内，可以执行的简单指令的数量是2.8G条 准确一点描述2.8GHz就代表CPU的一个“钟表”能识别出来的最小的时间间隔，就像我们挂在墙上的挂钟的最小能够识别单位就是秒 在这个的CPU上，这个时钟周期时间，就是1/2.8G。我们的 CPU，是按照这个“时钟”提示的时间来进行自己的操作。主频越高，意味着这个表走得越快 超频 就相当于把买回来的CPU内部的钟给调快了，于是CPU的计算跟着这个时钟的节奏，也就自然快了， 当然这个快不是没有代价的，CPU跑得越快，散热的压力也就越大，就和人一样，超过生理极限，CPU就会崩溃了 根据公式 程序的 C P U 执行时间 = C P U 时钟周期数 ∗ 时间周期时间 程序的CPU执行时间=CPU时钟周期数*时间周期时间 程序的CPU执行时间=CPU时钟周期数∗时间周期时间，可以推导，时间周期时间变小了，CPU执行时间也会变小；那怎么缩短时间周期时间呢？那就是提升主频。换句话说，就是换一块好一点的CPU CPU时间周期数从上述公式可知，提升主频即可缩短时钟周期时间，从而提升性能。但硬件的发展是有瓶颈的，这就要从另一个因子，即 CPU 时钟周期数入手。如果能减少程序所需的 CPU 时钟周期数，也能提升性能。 进一步拆解 CPU 时钟周期数： 指令数 × 每条指令的平均时钟周期数（ C y c l e s P e r I n s t r u c t i o n ， C P I ） 指令数 × 每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，CPI） 指令数×每条指令的平均时钟周期数（CyclesPerInstruction，CPI） 不同的指令需要的 Cycles 是不同的，加法和乘法都对应着一条 CPU 指令，但是乘法需要的 Cycles 就比加法要多，自然也就慢。 在这样拆分了之后，我们的程序的 CPU 执行时间就可以变成这样三个部分的乘积： 程序的 C P U 执行时间 = 指令数 × C P I × C l o c k C y c l e T i m e 程序的 CPU 执行时间 = 指令数 × CPI × Clock Cycle Time 程序的CPU执行时间=指令数×CPI×ClockCycleTime 综上所述，解决性能问题，其实就是优化这三者。 时钟周期时间，取决于计算机的硬件主频CPI：每条指令的平均时钟周期数 CPI，就是一条指令到底需要多少 CPU Cycle。现代的 CPU 通过流水线技术（Pipeline），让一条指令需要的 CPU Cycle 尽可能地少。指令数：执行我们的程序到底需要多少条指令、具体用哪些指令，这主要由编译器决定。同样的代码，编译成计算机指令时候，就有各种不同的表示方式。 小结计算机的性能可以从两个方向看： 吞吐率： 提升吞吐率的办法有很多，通常只要堆硬件、加机器就能实现 响应时间 我们需要像办法把单个CPU的响应时间加快，就能靠堆机器的方法来加快吞吐率了所以我们把性能，定义成响应的倒数，也就是： 性能 = 1 / 响应时间 性能=1/响应时间 性能=1/响应时间那么响应时间由哪些东西决定呢？ 程序的 C P U 执行时间 = 指令数 ∗ C P I ∗ C l o c k C y c l e T i m e 程序的CPU执行时间=指令数*CPI*Clock Cycle Time 程序的CPU执行时间=指令数∗CPI∗ClockCycleTime可以看出，如果要提升计算机的性能，我们可以从指令数、CPI、CPU主频这三个地方入手。 CPU主频是什么？ 说起CPU相关的性能数字，就必须先说CPU的时钟频率，也就是主频。主频反映了CPU工作节拍，也就直接决定了CPU周期大小。比如基于英特尔 Skylake 微处理器架构的 i7 的一款，其主频为 4GHz，那么每一个时钟周期（Cycle）大约0.25 纳秒（ns）CPU执行程序时，最基本的执行单位是指令。而每一条指令的执行都需要经过四步：指令获取、指令解码、指令执行、数据存入。这些操作都是按照CPU周期来进行的，一般需要好几个周期。CPI和IPC 每个指令周期数 CPI 和每个周期指令数 IPC 其实是孪生兄弟，衡量的是同一个东西。CPI（cycles per instruction）衡量平均每条指令的平均时钟周期个数。它的反面是IPC（instructions per cycle）。虽然一个指令的执行过程需要多个周期，但 IPC 是可以大于 1 的，因为现代 CPU 都采用流水线结构。一般来讲，测量应用程序运行时的 IPC，如果低于 1，这个运行的系统性能就不是太好，需要做些优化来提高 IPC。MIPS MIPS 就是每秒执行的百万指令数。 我们经常会需要比较不同 CPU 硬件的性能，MIPS 就是一个很好的指标，一般来讲，MIPS越高，CPU 性能越高。MIPS 可以通过主频和 IPC 相乘得到，也就是说 MIPS= 主频×IPC。这个很容易理解，比如一个 CPU 频率再高，IPC 是 0 的话，性能就是 0。假设一个CPU 的主频是 4GHz，IPC 是 1，那么这个 CPU 的 MIPS 就是 4000。注意的是，MIPS是理论值，实际运行环境数量一般小于这个值。
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