计算机组成原理——Part Three 性能指标

机器字长

机器字长是指计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数。字长越长，数的表 示范围越大，精度也越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。计算机字长通常取字节（1Byte=8bit）的整 数倍 。

存储容量

存储器的容量应该包括主存容量和辅存容量。主存容量是指主存中存放二进制代码的总位数。即存储容量= 存储单元个数×存储字长（可通过MAR和MDR位数推出）。现代计算机中常以字节数来描述容量的大小，因一 个字节已被定义为8位二进制代码，故用字节数便能反映主存容量。辅存容量通常用字节数来表示，例如，某计 算机辅存（如硬盘）容量为80GB（1G=210MB=220KB=230B）。

运算速度

• 吞吐量
• 吞吐量表示在单位时间内所完成的工作量。对指令的执行而言，它取决于CPU从内存中取指令和存取数据，以及数据

在主存和设备之间交换的速度。这些因素都涉及主存的存取，因此吞吐量主要取决于主存的存取周期。

• 响应时间
• 响应时间也称为执行时间或等待时间。是指从用户提交作业开始到作业完成所花的时间。一个程序的响应时间除了程 序包含的指令在CPU上执行所花的时间外，还包括磁盘访问时间、存储器访问时间、输入输出操作所需时间以及操作 系统运行这个程序所花的额外开销等。
• CPU时钟周期
• CPU时钟周期通常简称时钟周期，也称为节拍脉冲、T周期、clock cycle、tick等。计算机执行指令的过程被分成若

干步骤和相应的动作来完成，因此，CPU必须能够产生时钟定时信号控制每一步动作的执行，而一个个信号脉冲的宽 度就是时钟周期，时钟周期是计算机最小的时间单位。

• 主频
• CPU的主频就是CPU中脉冲信号的时钟频率，单位是Hz，表示每秒钟内发出的时钟脉冲的个数，与CPU时钟周期互 为倒数，即CPU时钟周期=1/主频，考试中更多是给出计算机的主频，如1.2GHz表示每秒有1.2×106个时钟脉冲。

注意：不能简单地认为主频越高程序执行越快。因为程序的执行时间是由指令条数、CPI和主频共同决定的，而主频、CPI和指令条数往往是相 互制约的。主频越高，完成指令的每个小步骤所用的时间越短，但并不知道程序包含指令条数和CPI的变化，因为在不同机器上，指令的CPI不 同，并且同一段程序编译得到的指令条数也不同，所以不能单纯认为主频越高，程序执行速度越快。

• CPI
• CPI (Cycles Per Instruction) 指执行一条指令所需的时钟周期数。由于不同指令的功能不同，所需的时钟周期数也 不同，因此，一条特定指令的CPI是指执行该条指令所花的时钟周期数；而对于一段程序或一台计算机器，通常根据执行各类指令所需的时钟周期数和各类指令的使用频度求出加权平均值作为CPI。
• CPU 执行时间
• CPU执行时间是指运行一段程序需要的时间，可以通过以下公式来计算程序的CPU执行时间。
• CPU执行时间 = 程序总共需要的时钟周期数 / 时钟频率 = 程序总共需要的时钟周期数 × 时钟周期
• 上述公式中，程序总共需要的时钟周期数可由程序总共的指令条数和CPI求得，即程序总共需要的时钟周期数 = 指令条数 × CPI。

• MIPS（Million Instructions Per Second）：平均每秒钟执行多少百万条指令。自然想到，还有一个指标叫IPS表示平均每秒钟执行多少条指令，1MIPS = 106IPS。而IPS很容易通过PCI和主频计算出：IPS = 主频 / PCI。
• FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：每秒所执行的浮点运算的次数，是基于所完成的操作次数而不是指令数来衡量的。
• MFLOPS（Million Floating-point Operations Per Second）：每秒所执行的浮点运算有多少百万次，类似IPS和MIPS的关系，MFLOPS = FLOPS×10-6。
• GFLOPS（Giga Floating-point Operations Per Second）：每秒所执行的浮点运算有多少十亿次，GFLOPS =FLOPS×10-9。
• TFLOPS（Tera Floating-point Operations Per Second）：每秒所执行的浮点运算有多少万亿次，TFLOPS =FLOPS×10-12。
• PFLOPS（Peta Floating-point Operations Per Second）：每秒所执行的浮点运算有多少千万亿次，PFLOPS =FLOPS×10-15。

作者：有出路
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来源：掘金