【5分钟+】计算机系统结构:CPU性能公式 |
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计算机系统结构:CPU性能公式
基础知识
CPU 时间:一个程序在 CPU 上运行的时间。(不包括I/O时间) 主频、时钟频率:CPU 内部主时钟的频率,表示1秒可以完成多少个周期。 例如,主频为 4.1GHz,表示每秒可以完成 4.1*109 个时钟周期。 时钟周期:时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟频率的倒数。时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。 时钟周期 = 1 / 频率,例如 1/ 4.1*109 。 CPU 的时钟周期越短,CPU 性能越好。 指令周期:取出并执行一条指令的时间。 程序的时钟周期数 CPU时间 = 执行程序所需的时钟周期数 * 时钟周期时间 公式指令周期:取出并执行一条指令的时间; 指令周期数CPI:平均每条指令耗费的时钟周期数 CPI = 执行程序所需的时钟周期数 / 所执行的指令条数上面的公式换位置 执行程序所需要的时钟周期数 = CPI * 所执行的指令条数 CPU时间 / 时钟周期时间 = CPI * 所执行的指令条数 CPU时间 = CPI * 所执行的指令条数 * 时钟周期时间我们约定 IC :所执行的指令条数,所以 CPU时间 = CPI * IC * 时钟周期时间 CPU时间 = (CPI * IC) / 时钟频率CPIi :第 i 种指令所需要的时钟周期数; ICi :在程序运行过程中,第 i 种指令被运行的次数; i 表示序号。 因为时间上 CPU 指令集指令很多,我们需要求得每条指令的平均耗时和程序使用到的指令、指令执行的次数。 总CPU时间为各个指令的 CPU时间 之和。 CPUi = (CPIi * ICi ) / 时钟频率 所以,公式总结如下 (ICi / IC) 反映了第 i 种指令在程序中所占的比例。 例题各位同学,请看大屏幕: 先求得未改进前的 CPI,目前有 FP指令(25%)、非浮点指令(75%),还知道了各自的 CPI 。 方案一改进后,提示的程度等于 (改进前CPI - 改进后CPI)。 因为本身也可以求得 FPSQR 在整体的比例,所以方案一不需要加入 FR。 看不明白的话,笔者讲解一下。 整体的 CPI 为 2 其中改进前, FPSQR 的 CPI 20*2% = 0.4 , 其它指令CPI + FRSQR的CPI = 2;其它指令CPI=1.6; 改进后,FPSQR 的 CPI 2*2% = 0.04 提升了 0.36。 改进后的 CPI 需要时间 1.6 + 改进后的FRSQR的CPI = 1.64。在上一道题目中,主要还是 CPI 相关的比例求解,相对来说比较容易。 但是如果加上频率和运行时间,则可能会有一些迷茫。此时就不能单纯看 CPI 了,要记住公式: CPU时间 = CPI * IC * 时钟周期时间1,计算机 A 的时钟频率为 800MHz,在计算机 A 上运行某程序需要 12S。现在硬件设计人员需要使用新技术设计一台计算机 B,希望能够将程序的运行时间缩短到 8S。使用新技术后,B 的 CPU 时钟频率大幅度提高,但是在 计算机 B 上,运行程序所需要的时钟周期数为 A 上的 1.5 倍。求在计算机 B 的 CPU 时钟频率至少为多少 GHz 才能达到所希望的需求。 也就是说,程序在 A、B 计算机上需要执行的指令数(IC)不变,但是时钟周期数变化了,即 CPI 变成了 1.5 倍。 按照 CPU 时间公式,得到在 A、B 计算机上: 1/800MHz * CPI * IC = 12S 1/nMHz * 1.5*CPI * IC = 8S所以: 12/(CPI* 1/800) = 8/(CPI * 1.5 * 1/n )最终可得到 n 为 1800,所以计算机 B 的 CPU 需要 1.8GHz 才能达到需求。 2,机器 M 的时钟频率为 200MHz,程序 P 在机器 M 上执行时间为 12S。将程序中的所有乘4的指令都换成 |
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