[嵌入式]CPU 性能基础

CPU(Central Processing Unit)，即中央处理器。
CPU的性能大致上反映出了它所配置的那部微机的性能，因此CPU的性能十分重要。
本篇了解一些CPU性能基础知识

性能的定义

简单理解所谓性能好坏，就是对比2个计算机同时运行一个程序，哪个快，我能就说哪个性能就好。

性能的两个重要指标：响应时间和吞吐率

响应时间:也叫执行时间，是计算机完成某任务所需的总时间，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。

吞吐率：也叫带宽，性能的另一种度量参数，表示单位时间内完成任务的数量。

性能的度量

如果用时间来度量计算机的性能，那么完成同样的计算任务，需要时间最少的计算机是最快的。对时间最直接的定义时墙上时钟时间，也叫“响应时间”。

多用户经常共享同一计算机，一个处理器需要同时运行多个程序，在这种情况下，系统更侧重优化吞吐率，而不是最小化一个程序的响应时间。因此我们往往要把运行我们自己任务的时间与一般响应时间区分开。可以使用CPU执行时间，简称CPU时间，他只表示在CPU上花费的时间，而不包括等待I/O或者其他程序运行的时间。CPU时间还可以进一步分为用户CPU时间和系统CPU时间。

CPU执行时间：执行某一任务在CPU上所花费的时间
用户CPU时间：在程序本身所花费的CPU时间
系统CPU时间：为执行任务而花费在操作系统的时间

几乎所有计算机都用时钟来驱动硬件中发生的各种事件。时钟间隔的时间称为时钟周期。它的倒数就是时钟频率。例如，时钟周期为250ps(ps=皮秒 1x10¹²秒)，对应的时钟频率为4GHz。

CPU上标注的GHZ 就是所谓的时钟频率

时钟周期：为计算机一个时钟周期的时间，通常是处理器时钟，一般为常数。也称为称为振荡周期。（如果晶振的输出没有经过分频就直接作为cpu的工作时钟，则时钟周期就等于振荡周期）
振荡周期：在衰减振荡中，两个相邻同方向峰值之间的时间称为振荡周期Tp，振荡频率2π/Tp。在相同衰减比下，振荡周期越短或振荡频率越高，则回复时间越短，因此振荡周期(频率)反映系统响应快慢的指标。（非专业别细研究了。）
时钟长度 ：每个时钟周期持续的时间长度

性能及其因素

我们都关注CPU性能，因而性能度量实际针对的是CPU执行时间。可以用公式把最基本的尺度（时钟周期数和时钟周期时间）和CPU时间联系起来：
CPU执行时间（一个程序的）=CPU的时钟周期数x 时钟周期时间。
由于时钟频率和时钟周期时间互为倒数，故
CPU执行时间 = CPU时钟周期数 / 时钟频率

时钟频率：单位赫兹（Hz）
1Hz=1Hz
1kHz=1000Hz——1x10³
1MHz=100kHz——1x10⁶
1GHz=1000MHz——1x10⁹

例如：某程序在一台时钟频率为2GHz的A上运行需要10秒。现需要一台B计算机，把运行时间缩短为6秒。只采用提高时钟频率的，但会影响CPU其余部分的设计，使B运行改程序时需要相当于1.2倍的时钟周期数。求B的时钟频率。

剩下就是套公式~

指令的性能

上面性能公式没有涉及程序所需的指令数。然而，由于计算机是通过执行指令来运行程序的。因此执行时间一定依赖于程序中的指令数。
CPU时钟周期数=程序指令数xCPI。

CPI：每条指令时钟周期数，表示执行某个程序或者程序片段时所需的时间周期平均数。

例如：假设我拥有相同指令的集的两种不同实现方法。A时钟周期为250ps。对某程序的CPI为2.0。B时钟周期为500ps.对同样程序CPI为1.2。问A和B那个快

PS：CPU时间短说明它快呀~

经典CPU性能公式

结合上面，现在我们可以这样写出来基本的CPU性能公式啦~
CPU时间=指令数XCPIX时钟周期时间
或者
CPU时间=指令数XCPI/时钟频率

指令数：执行某程序所需的总指令数量

来来来，实际操作一下。
一个编译器设计者试图在两个代码序列之间进行选择。硬件设计者给出了如下数据。
每类指令集的CPI

每类指令的数量

哪个代码序列执行的指令数更多？哪个执行的更快？每个代码序列的CPI是多少

计算执行时间
计算执行时间公式为：执行时间=秒/程序=指令数/程序x时钟周期数/指令x秒/时钟周期

唯一能够被完全可靠测量计算机性能的指标是时间。例如，对指令集减少指令数目的改进，可能降低时钟周期时间或者提高CPI，从而抵消了改进效果。类似地，CPI与执行的指令类型相关，执行指令数最少的代码其执行速度未必是最快的。

实际操作中，只用一种因素（如指令数）去评价性能是危险的。当比较两台计算机时，必须考虑全部三个因素，他们组合起来才能确定执行时间。
注意的是CPI随着指令组合而变化，所以必须比较指令的条数和CPU，即使时钟频率是相同的。

指令组合：在一个或者多个程序中，指令的动态使用频度的评价指标。

参考资料

1. 《计算机组成与设计——硬件/软件接口》
2. 百度百科：《时钟频率》《CPI》

《新程序员》：云原生和全面数字化实践

50位技术专家共同创作，文字、视频、音频交互阅读