[系统运维]什么是计算机的性能？

“原来的电脑性能跟不上了”、“这个程序性能需要优化一下”。那什么是计算机的性能呢？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”所要解决的事情，很多时候就是提升“性能”。

1. 什么是性能？

两个指标用来衡量计算机的标准

1. 响应时间（Response Time），也称执行时间（Execution Time）
   响应时间是指执行一个程序需要花费的时间。响应时间越小也就意味着花的时间越少，计算机的性能自然性能就越好。
2. 吞吐率（Throughput），也称带宽（Bandwidth）
   吞吐率是在一定的时间范围内，能够处理的数据或者执行的程序指令数量。吞吐率越大，计算机的性能也越好。这也就解释了为什么要用8核、16核的CPU了。

2. 如何提升性能？

1. 提升吞吐率的方法 --> 初步认为：较容易， “大力出奇迹”，多堆硬件。（略）
2. 降低响应时间的方法 --> 难！10年前就处于“挤牙膏”模式了。
   如果 $性能=\frac{1}{响应时间}$
   同样一个程序，在 Intel 最新的 CPU Coffee Lake 上，需要 30s 就能运行完成。而在 5 年前 CPU Sandy Bridge 上，需要 1min 才能完成。那么Coffee Lake 的性能是 1/30，Sandy Bridge 的性能是 1/60，两个的性能比为 2。于是，就说Coffee Lake 的性能是 Sandy Bridge 的 2 倍。
   世界各大CPU和服务器都组织了一个叫作 SPEC（Standard Performance Evaluation Corporation）的第三方机构，专门用来指定各种“跑分”的规则。
   
   SPEC 提供的 CPU 基准测试程序，就好像 每届CPU 的“高考”。通过数十个不同的计算程序，对于 CPU 的性能给出一个最终评分。这些程序丰富多彩，有编译器、解释器、视频压缩、人工智能国际象棋等等，涵盖了方方面面的应用场景。这是SPEC跑分连接。

3. 计算机的计时单位：CPU时钟

用时间来衡量计算机性能是显而易见的，但存在两个问题：
a) 时间不准
实例：自行编写的同一个程序，每一次运行的时间会是不一样的，有时45ms，有时53ms。为什么呢？
答：运行时间的计算用Wall Clock Time或Elapsed Time，是程序运行结束时间减去程序开始运行的时间。但是，
1）计算机会同时运行许多程序，CPU不停地在各个程序之间进行切换。在这些走掉的时间中，很可能CPU切换运行其他程序了。
2）有些程序在运行时需要从网络、硬盘读取数据，再给内存和CPU，需要花费时间。
因此，准确统计程序运行时间，比较不同计算机的性能，需要减去上述2种时间。
应用：Linux操作系统中运行如下命令，可以统计Wall Clock Time

$ time seq 1000000 | wc -l
1000000


real  0m0.101s
user  0m0.031s
sys   0m0.016s

说明：
real time：即Wall Clock Time，指运行程序这个过程花费的时间。
user time：指CPU花在当前用户执行程序的时间。
sys time：指CPU花在操作系统内核执行程序的时间。
CPU执行时间（即CPU Time） = user time + sys time
CPU Time=user time+sys time=0.031+0.016=0.047s，可见运行程序的时间中只有不到一半的时间用在了CPU计算上。

同样的程序换一台Linux计算机结果如下：

[root@ecs-ffe4 ~]# time seq 1000000 | wc -l
1000000

real	0m0.011s
user	0m0.016s
sys	    0m0.004s

发现CPU Time=user time+sys time=0.016+0.004=0.020s > real time。这是为什么呢？
答：这是一台多核CPU或多CPU计算机，它将seq和wc两条命令分别给两个CPU进行运行。user time和sys time是两个CPU运行时间的相加的结果。而real time是运行过程中实际的时间花销，极端情况user time+sys time会是real time的2倍。
b）即使确定了CPU时间，也不一定能比较出两个程序的性能。
例如，CPU的满载运行 VS. CPU的降频运行 VS. CPU的超频运行。此外，程序运行还会受主板、内存等硬件的影响。
因此，需要把程序的CPU时间拆解为CPU时钟周期数（CPU Cycles）和时钟周期时间（Clock Cycle）
即$程序的CPU执行时间=CPU时钟周期数\times 时钟周期时间$

4. 再看如何提升计算机性能？

1. 时钟周期（即时钟周期时间，Clock Cycle）
   实例：某计算机使用的CPU是Intel Core-i7-7700HQ 2.8GHz。这里的2.8GHz被称为计算机的主频（Frequency/Clock Rate）。
   理解：CPU可以在1s时间内执行2.8G条简单指令。是CPU的“钟表”，是CPU能够识别的最小时间间隔，就像墙上的挂钟能够识别的最小时间单位为秒。
   时钟周期的产生部件是晶体振荡器（Oscillator Crystal），简称晶振。计算机中有晶体振荡器，电子石英表中也有晶振。晶振是计算机CPU使用的电子表。晶振的一个“滴答”就是时钟周期。2.8GHz CPU的时钟周期为1/2.8G=0.36ns。
   结论：主频越高，CPU的计算性能越快。
   有时候说的“超频”其实就是把CPU的时钟周期调快，加速CPU的计算。当然这个快是由散热、使用寿命代价的。
   根据 $程序的CPU执行时间=CPU时钟周期数\times 时钟周期时间$
2. 方法：
   方法一. 缩短时钟周期时间 --> 提升主频，即换性能更好的CPU，工程上很难改变。
   方法二. 减少CPU时钟周期数。将CPU时钟周期数分解为：CPU时钟周期数 = 指令数×每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，简称 CPI）。
   因此，$程序的CPU执行时间=指令数\times CPI\times 时钟周期时间$
   提升计算机性能归结为：
   1） 时钟周期时间，即计算机主频。例如80386 CPU主频为33MHz,而现在的Core-i7 CPU主频为2.8GHz，提升了将近100倍。
   2）CPI，每条指令的平均时钟周期数。例如流水线技术（Pipeline）可以减少CPI，对CPI进行优化是计算机组成的重要内容之一。
   3）指令数，指执行特定程序需要多少条指令，用哪些指令。这主要依靠编译器解决。
   把自己想象成CPU，自己编写程序时如何提高速度呢？主频好像打字速度、CPI好像熟悉快捷键的程度，指令数好像程序设计的合理性。

5. 计算机性能指标实例

例题1. 某计算机主频为1GHz，运行的目标代码有2x10⁵条指令，分为4类，各类指令所占比例和各自CPI如下表所示。

求：
1. CPI
2. MIPS
3. 该程序的CPU时间
解：
CPI=1x60%+2x18%+4x12%+8x10%=2.24
MIPS=f/CPI=1GHz/2.24=1000MHz/.2.24=446
CPU时间=2x10⁵xCPI/f = 2x10⁵x2.24/(1x10⁹)=4.48x10^-4 秒
或
CPU时间=指令数量/(MIPSx10⁶)
例题2. 假定基准程序A 在某计算机上的运行时间为100s、其中90s为CPU时间、 其余为I/O时间。若CPU速度提高50%, I/O速度不变， 则运行基准程序A所耗费的时间是多少？
解：运行时间=CPU时间+I/O
100s = 90s+10s
T=90/(1+50%) + 10 = 70s
例题3. 程序P在机器M上的执行时间是 20s， 编译优化后、 P 执行的指令数减少到原来的70%、 而CPI增加到原来的1.2倍，则P在M上的执行时间是多少？
解： 设CPU时钟频率为f（主频），原来程序P有x条指令
则原来CPI_旧=20f/x
精简指令后，程序P有0.7x条指令，CPI_新=1.2CPI_旧=24f/x
因此，P在M上的执行时间为：(指令数xCPI)/f=(0.7x CPI_新)/f = 16.8 s
例题4. 假定计算机M1和M2具有相同的指令集体系结构（ISA), 主频分别为1.5GHz和1.2GHz。在M1和M2上运行某基准程序P、平均CPI分别为2和1， 则程序P在Ml和M2 上运行时间的比值是多少？
解： 运行时间=(指令数xCPI)/主频
t_M1=指令数x2/1.5，t_M2=指令数x1/1.2
所以， t_M1：t_M2=1.6
例题5. 主存储器容量为64Kx32，可以得知： 2¹⁶=64K，即地址总线（AB）宽度为16 bits。32表示数据总线（DB）宽度为32。进一步可知MAR为16位，PC为16位，MDR为32位。

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