Preface¶
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Components¶
graph LR;
A["Computer\nSystem"]
B["Software"]
C["Hardware"]
D["CPU"]
E["Memory"]
F["I/O\ninterface"]
G["Control\nunit"]
H["Datapath"]
A--->B
A--->C
C--->D
C--->E
C--->F
D--->G
D--->HPerformance¶
-
衡量计算机的性能和表现，无论对于工程师还是消费者都是一个非常必要的需求。其中一个重要的标准就是“运行速度”，具体来说：
- Response Time / Execution Time 从程序开始到结束的时间
- Throughput / Bandwidth 单位时间内完成的任务数量
-
并且我们这样联系 performance 和 execution time：
\[
\text{Performance}_X = \frac{1}{\text{Execution time}_X}
\]
- 当我们需要衡量一个 CPU 的性能，或者具体去分析一个 CPU 的性能构成时，就需要更加具体的指标：
- CPU (execution) time（CPU 执行时间）
- CPU clock cycle（时钟周期数）
- clock rate（时钟频率） / clock cycle time（时钟周期）
\[
\begin{aligned}
\text{CPU execution time} &= \text{CPU clock cycles} \times \text{Clock cycle time} \\
&= \frac{\text{CPU clock cycles}}{\text{Clock rate}}
\end{aligned}
\]
- 同时，还有一个容易得到的关系：
\[
\text{CPU execution time} = \text{Instructions counts } \times \text{Average Cycles per instruction}
\]
-
其中，每条指令的平均周期数(Average cycles per instruction)又缩写为 CPI。
CPI(clock cycles per instruction), the average number of clock cycles each instruction takes to execute = \(\frac{\text{CPU clock cycles}}{\text{Instruction count}}\)
-
于是，将上面的两块关系整合起来就得到：
\[
\begin{aligned}
\text{CPU time} &= \text{Instruction count} \times \text{CPI} \times \text{Clock cycle time} \\
&= \frac{\text{Instruction count} \times {\text{CPI}}}{\text{Cycle rate}}
\end{aligned}
\]
练习
编译器可能提供两种代码序列，每一个序列都包含 A、B、C 三种类型的指令，每种指令的 CPI 如下表所示。
| A | B | C | |
|---|---|---|---|
| CPI | 1 | 2 | 3 |
| Instruction count @ seq 1 | 2 | 1 | 2 |
| Instruction count @ seq 2 | 4 | 1 | 1 |
- 哪一个 seq 执行了最多的指令？
- 哪一个 seq 更快？
- 每一个 seq 的 CPI 是多少？
1.加起来就行。
\[
\begin{aligned}
\text{instruction count @ seq 1} = 2 + 1 + 2 = 5 \\
\text{instruction count @ seq 2} = 4 + 1 + 1 = 6
\end{aligned}
\]
所以 2 多。
2.由于产生差异的地方是编译器，所以我们默认时钟周期相同，所以比较 CPU time 等效于比较 clock cycles。
\[
\begin{aligned}
\text{clock cycles @ seq 1} = 2 \times 1 + 1 \times 2 + 2 \times 3 = 10 \\
\text{clock cycles @ seq 2} = 4 \times 1 + 1 \times 2 + 1 \times 3 = 9
\end{aligned}
\]
所以 2 快。
3.seq 的 CPI 就是 seq 的 clock cycles 除以 seq 的 instruction count：
\[
\begin{aligned}
\text{CPI @ seq 1} = \frac{10}{5} = 2 \\
\text{CPI @ seq 2} = \frac{9}{6} = 1.5
\end{aligned}
\]