关于cpu性能

type

status

date

slug

summary

overview

性能是计算机体系结构中非常重要的概念，我们学习计算机组成，就是在学习计算机如何运行，为什么这样运行的，而这个为什么，往往就与性能相关。

本文将包含：性能的定义，度量方式以及提高性能的方式。

性能的定义

两台计算机运行同一个程序，A用了3分钟，B用了7min，我们说A的性能更好；

两个数据中心，A的带宽（简单理解为单位时间完成的工作量）比B高，我们说A的性能比B更好；

以上两个例子，说明了性能定义的两个指标：响应时间与吞吐率。

对于不同用途的机器，我们应该关注不同的指标，就像上面那两个例子。

而对于cpu来说，我们一般把性能定义为：

性能=1/响应时间

性能的度量

对于度量性能，我们常使用时间这个指标，而由于度量方式的不同，对时间的定义也有很多种，让我们先来将这一点探清楚。

现代计算机都需要运行多个程序，为了整体的吞吐率，系统未必会选择去最小化一个程序的响应时间。因此，我们需要区分：任务时间与cpu工作时间。任务时间，是指一项程序任务从开始到结束所用的时间，而cpu时间，是指cpu为完成某项任务所花费的计算时间，不包括等待i/o或是其他程序运行的时间。此外，对于多核cpu，cpu时间是多个核上运行的时间总和。

正如前文所说，由于系统常常在多个程序之间切换运行，所以采用连续的时间指标并不准确，我们需要的是离散的时间间隔，也被称为时钟周期数（clock cycle）。

计算机是依靠时钟来确定硬件中发生的各种事件的，与时钟相关的概念有时钟周期长度，时钟频率，时钟周期数。人们常说的cpu主频，指的就是时钟频率。时钟周期长度与时钟频率为倒数关系，举个例子，当主频为2.8Ghz时，时钟长度为250ps。

cpu的主频越高，时钟周期长度就越短，运行地越快，与此同时散热压力也越大。如果你了解或自己动手组装过电脑，或许对“cpu超频”这个词语不会感到陌生，它指的是cpu的频率调的过高，这样会导致散热压力过大，久而久之cpu就会崩溃。

至此，我们确定了度量性能的指标为cpu工作时间，这个值和时钟等事物有关，具体的公式如下：

cpu工作时间==程序的cpu时钟周期数x时钟周期长度

时钟周期长度与cpu强相关，而程序的cpu时钟周期数可以和指令相关联起来：

cpu工作时间==指令数x每条指令的平均时钟周期数（CPI）x时钟周期长度

提高性能

按照前文的公式

cpu工作时间==指令数x每条指令的平均时钟周期数（CPI）x时钟周期长度

我们提高性能可以从三个方面入手：

减少指令数

和编译器有关。

减少CPI

现代cpu会通过流水线技术，优化CPI

减少时钟周期长度

提高cpu主频。鉴于功耗等问题，如今的cpu主频提升速度远不如从前。

值得注意的是，时钟周期长度是唯一能够可靠测量的指标。改动指令集以减少指令数目很有可能会增加CPI，从而抵消了改进效果，CPI和指令类型也有关，执行指令数目最少的代码未必执行的最快。

此外，指令数取决于体系结构而非具体的实现，而CPI和计算机的各种设计细节密切相关，以及应用程序中不同类型的指令所占的比例。因此，不同程序有不同CPI，就像相同指令集可以有不同的实现方式。