CPU 性能参数 | 别名 | 描述 | 公式 |
---|---|---|---|
CPU 时钟周期 | 时钟周期、节拍、T 周期 | 处理器的时钟周期,是 CPU 操作的基本单位 | 时钟周期 = 1/主频 (单位:s) |
CPU 时钟频率 | 主频 | 处理器的时钟频率 | 主频 = 1/时钟周期 (单位:Hz) |
平均指令周期数 | CPI、平均执行周期数 | 执行一条指令所需的时钟周期数,一般取平均值 | CPI = 机器周期数 * (每个机器周期所包含的)时钟周期数 (无单位) |
平均指令周期 | 平均执行周期 | 执行一条指令所需的时钟周期,一般取平均值 | 平均指令周期 = 执行时间/指令条数 = 1/平均指令执行速度 = CPI*CPU时钟周期(T) = CPI/主频 (单位:s) |
CPU 执行时间 | ~ | 运行一个程序所花费的时间 | 执行时间 = CPU时钟周期数/主频 = (指令条数*CPI)/主频 (单位:s) |
IPS | 平均指令执行速度 | 每秒执行多少条指令 | 平均指令执行速度 = 1/平均指令周期 = 指令条数/执行时间 = 主频/CPI (单位:IPS,无量纲) |
MIPS | 平均指令执行速度 | 每秒执行多少百万条指令 | 平均指令执行速度 = 1/(平均指令周期*106) = 指令条数/(执行时间*106) = 主频/(CPI*106) (单位:MIPS,无量纲) |
浮点性能参数 | 别名 | 描述 | 公式 |
---|---|---|---|
FLOPS | ~ | 每秒执行多少次浮点运算 | 浮点操作次数/执行时间 |
MFLOPS | ~ | 每秒执行多少百万次浮点运算 | 浮点操作次数/(执行时间*106) |
GFLOPS | ~ | 每秒执行多少十亿次浮点运算 | 浮点操作次数/(执行时间*109) |
TFLOPS | ~ | 每秒执行多少万亿次浮点运算 | 浮点操作次数/(执行时间*1012) |
PFLOPS | ~ | 每秒执行多少千万亿次浮点运算 | 浮点操作次数/(执行时间*1015) |
EFLOPS | ~ | 每秒执行多少百亿亿次浮点运算 | 浮点操作次数/(执行时间*1018) |
ZFLOPS | ~ | 每秒执行多少十万亿亿次浮点运算 | 浮点操作次数/(执行时间*1021) |
【注】一万=104,一亿=108
【例 1】计算器浮点运算速度为 93.0146 PFLOPS,这说明该计算器每秒完成的浮点数操作次数为( )。
A. 9.3×1013
B. 9.3×1015
C. 9.3 千万亿次
D. 9.3 亿亿次
【解】93.0146 PFLOPS = 93.0146*1015 = 9.30146*1016,而 1016=108*108,所以单位是亿亿次。选 D。
若题目改为 93.0146 EFLOPS = 9.30146*1019,则 1019=108*108*103,所以单位是千亿亿次。当然你需要记住 K,M,G,T,P,E,Z(谐音:昆明高铁票儿子)的数量级,只需记住这个顺序,对应的数量级以 10 为底,指数从 3 开始,依次加 3。
【例 2】程序 P 在机器 M 上的执行时间是 20 秒,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( )。
A.8.4 秒
B.11.7 秒
C.14 秒
D.16.8 秒
【解】CPU 执行时间 = (指令条数*CPI)/主频,所以设 CPU 主频为 f,指令条数为 n,CPI 为 a。因此,原来花费的时间为
(n*a)/f = 20s
,现在所花费的时间为(0.7n*1.2a)/f = 0.84*(n*a)/f = 0.84*20 = 16.8
。选 D。
【例 3】微机 A 和 B 采用不同的主频的 CPU 芯片,片内逻辑电路完全相同。若 A 机主频是 8MHz,平均指令执行速度为 0.4MIPS;B机主频为 12MHz,则:
(1)A 机的 CPU 时钟周期为多少?
(2)A 机的平均指令周期为多少?
(3)B 机的平均指令执行速度为多少?
【解】(1)A 的 CPU 时钟周期 = 1/主频 = 1/8MHz = 0.125us。
(2)A 机的平均指令执行速度为 0.4MIPS,即“每秒执行 0.4 百万条指令”,则每条指令平均执行时间(平均指令周期) = 1/平均指令执行速度 = 1/0.4MIPS= 2.5us。
(3)A 机平均每条指令的时钟周期数(CPI) = 执行程序时间/平均指令周期 = 2.5us/0.125us = 20。
因为微机 A 和 B 采用不同的主频的 CPU 芯片,片内逻辑电路完全相同,因此对于一条指令来说,A 机和 B 机的 CPI = 20。
B 机的 CPU 时钟周期 = 1/主频 = 1/12MHz = 1/12us。
B 机的平均指令周期 = CPI * 时钟周期 = 20 * (1/12) = 5/3us。
B 机的平均指令执行速度 = 1/平均指令周期 = 1 / (5/3) = 0.6MIPS。
粒度排序:指令周期>机器周期>时钟周期
周期 | 别名 | 描述 |
---|---|---|
时钟周期 | 节拍、T 周期 | CPU 的基本(或最小度量)时间单位,CPU 的每一次活动至少需要一个时钟周期 |
机器周期 | CPU 周期 | CPU 通过内部或外部总线完成一个基本操作所需要的时间,包含若干时钟周期(通常细分为四种:取指周期、间址周期、执行周期、中断周期) |
指令周期 | ~ | CPU 从主存中取出并执行一条指令所用的时间,包含若干机器周期,平均指令周期 = CPI * CPU 时钟周期 = CPI / 主频 ,而CPI = 机器周期数 * (每个机器周期所包含的)时钟周期数 |
【注】区分指令周期和 CPI:前者表示执行一条指令所需的总时间,后者表示执行一条指令需要多少个时钟周期,所以这就是为什么把 CPI 称为执行周期数而不是执行周期的原因。
【注】单周期 CPU 和多周期 CPU 的区别
- 单周期 CPU:一个时钟周期完成一条指令,即 CPU 会在一个时钟周期内完成从取指到执行的所有阶段,因此这种 CPU 的频率较低,此时 CPI 为 1。
- 多周期 CPU:一条指令被分成了若干个阶段,假设为 n 个阶段,则执行一条指令就需要 n 个时钟周期,因此 CPU 频率可以得到提高。此时 CPI 为 n。
【例 1】若某机主频为 200MHz,每个指令周期平均为 2.5 个 CPU 周期,每个 CPU 周期平均包括 2 个主频周期,问:
(1)该机平均指令执行速度为多少 MIPS?
(2)若主频不变,但每条指令平均包括 5 个 CPU 周期,每个 CPU 周期又包含 4 个主频周期,平均指令执行速度为多少 MIPS?
(3)由此可得出什么结论?
【解】(1)平均指令周期数 = 机器周期数(CPU 周期数)* 每个机器周期包含的主频周期数(时钟周期数)= 2.5 * 2 = 5
时钟周期 = 1 / 主频 = 1/200MHZ = 0.005us
平均指令周期 = 平均指令周期数 * 时钟周期 = 5 * 0.005 = 0.025us
平均指令执行速度 = 1 / 平均指令周期 = 40MIPS
(2)时钟周期 = 0.005us
平均指令周期数 = 机器周期数(CPU 周期数)* 每个机器周期包含的主频周期数(时钟周期数)= 5 * 4 = 20
平均指令周期 = 平均指令周期数 * 时钟周期 = 20 * 0.005 = 0.1us
平均指令执行速度 = 1 / 平均指令周期 = 10MIPS
(3)指令的复杂程度会影响指令的平均执行速度。
【例 2】单周期处理器中所有指令的指令周期为一个时钟周期。下列关于单周期处理器的叙述中,错误的是( )
A. 可以采用单总线结构数据通路
B. 处理器时钟频率较低
C. 在指令执行过程中控制信号不变
D. 每条指令的 CPI 为 1
【解】B 和 D 显然正确。
单周期处理器中所有的指令周期为一个时钟周期,而采用单总线结构数据通路,一个时钟周期只能完成一次操作,无法完成所有操作,所以 A 错误。
控制信号是 CU 根据指令操作码发出的信号,对于单周期处理器而言,每条指令的执行只有一个时钟周期,而在一个时钟周期内控制信号不会发生变化;若是多周期处理器,每条指令的执行需要多个时钟周期,在每个时钟周期 CU 都会发出信号。所以 C 正确。
【例 1】某计算机主存空间是 4GB,字长是 32 位,按照字节编址。采用 32 位定长指令格式,若指令按照字边界对齐存放,则程序计数器 PC 和指令寄存器 IR 的位数至少分别是( )
A. 30, 30
B. 30, 32
C. 32, 30
D. 32, 32
【解】指令字长为 32 位,因此 IR 一定是 32 位。而主存空间为 4GB = 232B,按字节编址,则需要 32 位地址线,即存储器地址寄存器 MAR 需要 32 位。但要注意的是,指令按字边界(4B)对齐存放,所以实际上存储器能存储的指令条数是 232/4 = 230 条指令,PC 至少有 30 位。选 B。
【例 2】下列部件中属于控制部件的是( )
A. 指令寄存器
B. 操作控制器
C. 程序计数器
D. 状态条件寄存器
【答案】属于控制部件的是 A、B、C,属于运算(执行)部件的是 D。
【例 3】下列部件中属于执行部件的是( )
A. 控制器
B. 存储器
C. 运算器
D. 外围设备
【答案】属于执行部件的是 B、C、D,属于控制部件的是 A。
在 CPU 内部,寄存器之间和算术逻辑部件 ALU 与控制部件之间传输数据所用的总线称为片内总线(又称内部总线,即芯片内部的总线)。它是外设与处理器之间的总线,用于芯片一级的互连。关于总线的知识点,会在另一篇文章有更详细的讨论。
又称内总线或板级总线,它将 CPU、主存、I/O 接口之间相互连接起来。系统总线的结构可分为三类(除这三类外还有四总线结构):
将 CPU、主存、I/O 接口挂在同一组总线上,注意是同一组,一组里有三种总线——数据总线、地址总线、控制总线。
一条是主存总线,另一条是 I/O 总线,而通道作为两条总线的传输中介。这种结构支持突发传送。
主存总线(这里面实际是三种总线——数据总线、地址总线、控制总线)、I/O 总线、DMA 总线。
计算机和外部设备之间的总线称为外部总线,当然它不属于 CPU 总线的范畴,这里就简单提一提了。
【注】对于单处理机,在多道程序环境下,一段时间内,宏观上有多道程序在同时执行,而在每个时刻,单处理机仅能有一道程序执行。此时操作系统
是通过分时来实现并发性的,没有真正实现并行性。
多条指令并⾏执⾏,处理同⼀个数据。现实中不存在这种计算机
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