计算机的性能指标

2022.08.19

主要指标

• 字长

  • (机器)字长：机器用于整数运算的数据通路的宽度
  • 指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数
  • 存储字长：一个存储单元中包含的二进制代码的位数
  • 数据字长：计算机数据存储所占用的位数
  • 他们都是字节的整数倍

• 数据通路带宽

  • 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。
  • 数据通路带宽：是指数据总线一次所能并行传送信息的位数。这里所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽度，它与CPU内部的数据总线宽度（内部寄存器的大小）有可能不同。

• 主存容量

  例如，MAR为16位，表示$2^{16}=65536$$2^{16}=65536$，即此存储体内有65536个存储单元（可称为64K内存，1K=1024)，若MDR为32位，表示存储容量为64K×32位。

  • $\begin{array}{rl}\text{主}\text{存}\text{容}\text{量}& =\text{字}\text{数}\cdot \text{字}\text{长}\\ \text{字}\text{数}& =2^{MAR\text{位}\text{数}}\end{array}$$\begin{align}主存容量&=字数\cdot 字长\\字数&=2^{MAR位数}\end{align}$

• 运算速度

  • 吞吐量：单位时间系统处理请求的数量

  • 响应时间：用户发送请求到获得相应的时间

  • CPU时钟周期：CPU最小时间单位

  • 主频：1/时钟周期 Hz

  • CPI(Clock cycle Per Instruction)：执行一条指令需要的时钟周期数

  • CPU执行时间

  • MIPS(Million Instructions Per Second)

    $MIPS=\frac{\text{指}\text{令}\text{条}\text{数}}{\text{执}\text{行}\text{时}\text{间}\cdot {10}^6}=\frac{\text{主}\text{频}}{CPI\cdot {10}^6}$$MIPS=\frac{指令条数}{执行时间\cdot 10^6}=\frac{主频}{CPI\cdot 10^6}$

  • MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS

    $\begin{array}{r}MFLOPS=\frac{\text{浮}\text{点}\text{操}\text{作}\text{次}\text{数}}{\text{执}\text{行}\text{时}\text{间}\cdot {10}^6}\\ GFLOPS=\frac{\text{浮}\text{点}\text{操}\text{作}\text{次}\text{数}}{\text{执}\text{行}\text{时}\text{间}\cdot {10}^9}\\ TFLOPS=\frac{\text{浮}\text{点}\text{操}\text{作}\text{次}\text{数}}{\text{执}\text{行}\text{时}\text{间}\cdot {10}^{12}}\\ PFLOPS=\frac{\text{浮}\text{点}\text{操}\text{作}\text{次}\text{数}}{\text{执}\text{行}\text{时}\text{间}\cdot {10}^{15}}\\ EFLOPS=\frac{\text{浮}\text{点}\text{操}\text{作}\text{次}\text{数}}{\text{执}\text{行}\text{时}\text{间}\cdot {10}^{18}}\\ ZFLOPS=\frac{\text{浮}\text{点}\text{操}\text{作}\text{次}\text{数}}{\text{执}\text{行}\text{时}\text{间}\cdot {10}^{21}}\end{array}$$\begin{align}MFLOPS=\frac{浮点操作次数}{执行时间\cdot 10^6}\\GFLOPS=\frac{浮点操作次数}{执行时间\cdot 10^9}\\TFLOPS=\frac{浮点操作次数}{执行时间\cdot 10^{12}}\\PFLOPS=\frac{浮点操作次数}{执行时间\cdot 10^{15}}\\EFLOPS=\frac{浮点操作次数}{执行时间\cdot 10^{18}}\\ZFLOPS=\frac{浮点操作次数}{执行时间\cdot 10^{21}}\end{align}$

• 基准程序

几个专业术语

• 系列机
• 兼容
• 软件可以移植性
• 固件

例题

• 用于科学计算的计算机中，标志系统性能的最有用的参数是()。

  A.主时钟频率

  B.主存容量

  C.MFLOPS

  D.MIPS

  【答案】：C

• 当前设计高性能计算机的重要技术途径是()。

  A.提高CPU主频

  B.扩大主存容量

  C.采用非冯·诺依曼体系结构

  D.采用并行处理技术

  【答案】：D

• 下列说法中，正确的是( )。

  I.在微型计算机的广泛应用中，会计电算化属于科学计算方面的应用

  Ⅱ.决定计算机计算精度的主要技术是计算机的字长

  Ⅲ.计算机“运算速度”指标的含义是每秒能执行多少条操作系统的命令

  V.利用大规模集成电路技术把计算机的运算部件和控制部件做在一块集成电路芯片上，这样的一块芯片称为单片机

  A.I、III

  B.II、IV

  C.II

  D.I、III、IV

  【答案】：C

• 【2010统考真题】下列选项中，能缩短程序执行时问的措施是（ ）。 I. 提高CPU时钟频率 II. 优化数据通路结构 III. 对程序进行编译优化 A. 仅I和II B.仅I和III C.仅II和III D. I、II、III

  【答案】：D

• 【2011统考真题】下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是(）。 A. MIPS B. CPI C. IPC D. MFLOPS

  【答案】：D

• 【2012 统考真题】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时问，其余为 IO时间。若CPU 速度提高 50%，IO 速度不变，则运行基准程序 A所耗费的时间是（ ）. A. 55s B. 60s C. 65s D. 70s

  【答案】：90/(1.5)+10=70s

• 【2013 统考真题】某计算机的主频为 1.2GHz，其指令分为 4 类，它们在基准程序中所占比例及 CPI 如下表所示

  指令类型	所占比例	IPC	指令类型	所占比例	IPC
  A	50%	2	C	10%	4
  B	20%	3	D	20%	5

  该机的 MIPS 数是（ ）。

  【答案】：$50\mathrm{\%}\times 2+20\mathrm{\%}\times 3+10\mathrm{\%}\times 4+20\mathrm{\%}\times 5=3$$50\% \times 2+20\% \times 3+10\% \times 4+20\% \times 5=3$，$1.2G/3=400M$$1.2G/3=400M$

• 【2014 统考真题】程序在机器 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上的执行时问是( )。 A. 8.4s B. 11.7s C. 14s D. 16.8s

  【答案】：$20\times 0.7\times 1.2=16.8s$$20\times0.7\times1.2=16.8s$

• 【2017 统考真题】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M1 和M2 上运行时问的比值是（）。 A. 0.4 B. 0.625 C. 1.6 D. 2.5

  【答案】：$\frac{1.2\times 2}{1.5\times 1}=\frac{8}{5}=1.6$$\frac{1.2\times2}{1.5\times1}=\frac{8}{5}=1.6$

• 【2021 统考真题】2017 年公布的全球超级计算机TOP 500 排名中，我国“神威•太湖 之光”超级计算机蝉联第 一，其浮点运算速度为 93.0146 PFLOPS，说明该计算机每秒 钟内完成的浮,点操作次数约为（）。 A. $9.3\times {10}^{13}$$9.3×10^{13}$次 B. $9.3\times {10}^{15}$$9.3×10^{15}$次 C. 9.37512千万亿次 D. 9.3亿亿次

  【答案】：$93\times {10}^{16}$$93\times10^{16}$，KMGTPEZ，一个三次方

• 【2020统考真题】下列给出的部件中，其位数（宽度）一定与机器字长相同的是( )。

  I. ALU

  Ⅱ. 指令寄存器

  III. 通用寄存器

  V. 浮点寄存器

  A.仅I、II

  B.仅I、III

  C.仅II、III

  D.仅II、III、IV

  【答案】：B

• 某台计算机只有Load/Store指令能对存储器进行读/写操作，其他指令只对寄存器进行操作。根据程序跟踪试验结果，已知每条指令所占的比例及CPI数如下表所示。

  指令类型	指令占比	CPI
  算术逻辑指令	43%	1
  Load指令	21%	2
  Store指令	12%	2
  转移指令	24%	2

  求上述情况的平均CPI

  $$0.43+0.42+0.24+0.48=1.57$$

  假设程序由M条指令组成。算术逻辑运算中25%的指令的两个操作数中的一个已在存储器中，另一个必须在算术逻辑指令执行前用Load指令从存储器中取到寄存器中。此有人建议增加另一种算术逻辑指令，其特点是一个操作数取自寄存器，另一个操数取自存储器，即寄存器-存储器类型，假设这种指令的CPI等于2。同时，转移指的CPI变为3。求新指令系统的平均CPI。

  指令类型	原数量	原CPI	新数量	新占比	新CPI
  算数逻辑指令	0.43M	1	0.43*0.75M=0.3225M	0.36	1
  新算数逻辑指令	0		0.43*0.25M=0.1075M	0.24	2
  Load	0.21M	2	0.21M-0.43M/4=0.1025M	0.23	3
  Store	0.12M	2	0.12M	0.27	2
  转移指令	0.24M	2	0.24M	0.81	3
  SUM					1.91