【计算机组成原理】计算机性能指标

机器字长

指计算机进行一次定点整数运算所能处理的二进制数据位数,通常与CPU的寄存器位数加法器有关。
一般机器字长=内部寄存器大小,字长越长,计算精度和数据范围也就越大,其中字长字节(8bit)的整数倍。

数据通路带宽

数据总线一次所能并行传送信息的位数。这里说的是外部数据总线的宽度,不是CPU内部的数据总线宽度(内部寄存器大小)

数据通路:各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径

主存容量

主存储器存储信息的最大容量
通常以字节为单位,也可以用字数×字长(eg:512K×16位)表示存储容量。其中MAR位数表示存储单元个数MDR位数表示可寻址范围最大值(不一定是实际存储器的存储容量)

eg:MAR为16位,存储体中有2^16^=65536个存储单元(可称为64K内存,1K=1024),若MDR为32位,表示存储容量64K×32位

运算速度

  1. 吞吐量和响应时间
    1)吞吐量
    系统单位时间内处理请求的数量吞吐量取决于信息能多快地输入内存CPU能多快地取指令数据能多快地从内存中存入或取出,以及所得结果能多快地从内存送给一台外设系统吞吐量主要取决于主存的存取周期
    2)响应时间
    用户计算机发送一个请求,到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间。包括CPU时间(运行一个程序所能花费的时间)与等待时间(用于磁盘访问,存储器访问……)
  2. 主频和CPU时钟周期
    1)CPU时钟周期
    通常为节拍脉冲T周期(主频倒数),是CPU中最小的时间单位,其中每个动作至少需要一个时钟周期
    2)主频(CPU时钟频率)
    机器内部主时钟频率。一个型号的计算机,主频越高,完成指令的一个执行步骤所用时间越短,执行指令时间越快。(常用的CPU主频为1.8GHz、2.4GHz、2.8GHz)
    CPU时钟周期 = 1 / 主频;
    主频以Hz为单位,1Hz表示每秒一次

    3)CPI
    执行一条指令所需时钟周期数
    4)CPU执行时间
    指运行一个程序所花费的时间。
CPU执行时间 = CPU时钟周期数 / 主频 
           = (指令条数 × CPI) / 主频

CPU性能(执行时间)三要素:
①主频(时钟频率)
②CPI(每条指令执行所用时钟周期数)
③指令条数
其中三要素相互制约

5)MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS
①MIPS:每秒执行几百万条指令

MIPS = 指令条数 / (执行时间 × 10^6)
     = 主频 / CPI

②MFLOPS:每秒执行几百万次浮点运算

MFLOPS = 浮点数操作次数 / (执行时间 × 10^6)

③GFLOPS:每秒执行几十亿次浮点运算

GFLOPS = 浮点数操作次数 / (执行时间 × 10^9)

④TFLOPS:每秒执行几万亿次浮点运算

TFLOPS = 浮点数操作次数 / (执行时间 × 10^12)

注意

  1. 主频不是CPU的全部,衡量CPU运算速度的指标有很多,譬如说架构缓存指令及CPU位数,高速缓存大小,所以说即使CPU主频很高,实际运算速度在一定情况下也可能较低。

  2. 机器语言和汇编语言可以和机器指令直接对应,但是高级语言不可以,高级语言具有较好的一致性,机器语言可以被硬件直接执行。

  3. 在逻辑上,硬件和软件是等效的,同一个功能既可以由软件实现,也可以由硬件实现,还可以由两者协调合作完成。

  4. 翻译程序是把高级语言源程序翻译成机器语言的一个软件。
    其中翻译程序分为两种,编译程序和解释程序。
    编译程序:编译程序能够将高级语言源程序一次全部翻译成目标程序,每次执行程序时只需执行目标程序,因此只要源程序不变就无需重新翻译,而且在同一种高级语言,在不同的体系结构下编译成的目标程序也不一样,目标程序和体系结构息息相关。
    解释程序:解释程序就是将原程序的一条语句翻译成对应的机器目标代码,并且有机器立即执行,然后翻译下一条原程序语句并执行,直到所有语言程序语句全部被翻译并执行完成。综上所述,解释程序的执行过程是翻译一句执行一句,而且不会生成目标程序。

  5. 汇编程序
    汇编程序是一种语言翻译程序,能将汇编语言源程序翻译为机器语言程序,用机器语言的符号表示。
    编译程序和汇编程序的区别:如果语言语言是高级语言,而目标语言是汇编语言或者是机器语言之类的低级语言,那么这样的一个翻译程序成为编译程序。如果源语言是汇编语言,而目标语言是机器语言,这样的一个翻译程序就称为汇编程序。

  6. 机器字长:是指计算机能直接处理的二进制数据的位数,机器字长一般等于内部计算机的大小决定了计算机的运算精度。
    指令字长:一个指零字中包含的二进制代码位数。
    存储字长:一个存储单元存储的二进制代码长度。
    必须都是字节整数倍。
    指令字长一般取存储字长的整数位,如果指零字长等于存储字长的两倍,那么就需要两次访存来,取出一条指令。因此取指周期为机器周期的两倍,如果指定字长等于存出字长,那么取指周期就等于机器周期。
    64位操作系统是指特别为64位架构的计算机设计的操作系统,能够利用64位处理器的优势,但是64位机器既可以使用64位操作系统,也可以使用32位操作系统但是32位的计算机不能使用64位操作系统。

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