1.3计算机的性能指标

 

我心我行澄如镜，所作所为皆正义。*⸜( •ᴗ• )⸝*

好的，这个小节我们要学习几个啊，度量计算机性能的指标，首先来看度量存储器的指标，那最常用的一个也是大家最熟悉的一个，其实就是存储器的容量，在之前的小结中我们说过MAR也就是D值集成器的位数，可以反映出这个存储体里边总共有多少个存储单元，另外MDR数据寄存器的位数可以反映出每一个存储单元可以存放多少个二进制比特贝，所以我们只需要利用这样的两个信息就可以算出啊，整个存储器它总共可以存放多少个二进制比特味，如果把比特再除以8的话就可以转换成字节，这个我们之前说过，所以如果说呃一个主存储器它的MAR地址寄存器有32位的话，那么32位的二进制数最多是可以表示2等32次方这么多个二进制数这么多的地址但每一个地址对应的是一个存储单元数量最多也就是三十二次方。那是一个存储单元所以存储单元的总数量，最多也就是R的32次方这么多个，而MBI的位数是8位，也就是说每个存储单元可以存储8个比特的信息，那把它一相乘就可以得到整个它的总容量，应该是4G比增多了，那这儿需要聊这样的两个点，第一MAR的位数，它反映的是存储单元，最多最多可以有多少个像我们例题里给的啊这种情况，这个主存储，其他最多可以支持4GB的存储容量，但事实上它真的有4GB这么多吗？也不一定有可能它的MAR有32位，但是实际上它也许只有1GB啊，这样的大小这是实际的情况，当然了，如果做题的时候，大家看到MAR的位数，你就可以直接认为它的这个位数就直接反映了啊，实际的什么呀，也就是按最大值来算就可以了，这是第1个要跟大家说清楚的点，第2个点很多跨考的同学他并不知道为什么32位的二进制数最多只能表示2的32次方这么多高一直到。因为他并不知道为什么32位的二进制，我说不对不对，他说是2×32次方这么多个地址呢，那这个问题其实我们会在第2章里面进行详细的探讨，但是这个地方为了啊，让大家不要有太多的疑惑，不要留太多坑，所以这个地方我们先简单的探究一下，对于N个二进制位可以表现出多少种不同的状态呢，如果只有这个二型产品的话，那显然只有两个状态，0如果有两个二进制位，那么就是00011011总共有4种，也就是2的二次方重要的状态，那三个二进制位4个二进制位，呃，也是有相同的规律，可以这么理解，如果有N个二进制位，那么每一个二进制位就是我们能取得的新的有不香了的。我明明也是应该是C2号，第2个精致的也一样，有可能的情况是丛林或者114项就是儿童了嘛，所以温和而敬之位可以表示的数字最多是多少都说的是冰冻冰冻的倒无所谓，主要是爱爱爱情的开始，特别适合的是22字，并没有敏感数量，记住啊，至少是2.1次方那个游戏的名字就叫二零四八年。熟练的掌握2的一次方一直到2的11次方，分别等于什么样的值，当然了，如果时间紧的话还是抓紧复习啊，不要先到游戏里面另外括号的同学，可是我知道这样几个很常见的数量单位，呃，一个是K就是我们说，比如说1KB的大小，那这个K指的是2的10次方也就是1024，所以所谓的一天天指的是1024这么多个字节，注意我们这儿写的是大B之前，我们强调过大B和小B的区别，小B是比克也就是一2进制位，大B是字节也就是8个二进制位，而除了K之外，平时我们也经常见到M，也就是照这样的一个呃数量单位，那一照其实就是二的20次方，而EG指的是2的30次方，ET指的是二的40次方，可能会有很多本专业的同学觉得这些东西过于的基础，但事实上现在我们跨考的同学确实很多，屏幕背后也许会有一些本来是学文的，还有前几年我认识一个学手语专业的同学，他也想这种。同学确实很多，屏幕背后也许会有一些本来是学文的，还有前几年我认识一个学手语专业的同学，他也想画好计算机，所以对于这种看起来很基础的问题，我们还是会尽可能的聊一聊，毕竟跨考的同学的梦想它也是梦想好，那这是关于存储器的呃，一个性能指标，还有关于二进制数的一些技术知识，接下来我们看衡量CPU好坏的一些性能指标，那大家可以去京东淘宝搜一下，呃英特尔的一些CPU，那你会发现，不管任何一款CPU它的这个，呃，商品的标题除了标明它的型号之外，肯定会提到一个东西，就是这个什么2.9G赫兹3.7G赫兹，那这个信息其实指明的就是CPU的主频，所有的主屏就是指CPU里边数字脉冲信号震荡的频率也就是这样子的一个风其实就是一个数字脉冲信号是有规律有节奏地发生的这些脉冲信号有什么作用呢。来充信号，所以CPU的这些数字脉冲信号是有规律有节奏的发生的，那这些脉冲信号有什么作用呢？大家可以把这个脉冲信号理解为指挥CPU内部所有的部件啊，来一步一步工作的一个节奏，这一点类似于大家做的广播体操，总有一个人在喊1234567822345678，对吧？广播体操的动作是按照这个口号的频率来做的，每给你一个信号12345678每一个信号你都会跟着他来完成你自己的动作，所以广播体操的口号其实和这个CPU的数字脉冲信号是一样的作用，如果结合之前我们给出的这个例子来看的话，CPU在执行一条指令的时候，它其实需要做很多很多的动作，那这些动作的执行是有先后顺序的，每一个动作执行完了之后才会开始下一个动作，那CPU的脉冲信号其实就是给这些动作的执行带来了一个节奏，12345678就跟大家做广播体操一样有的动作可能在一个脉冲的时间内完成不了。这样当然了，有的动作可能在一个脉冲的时间内完成不了啊，所以这是所谓的脉冲信号的一个作用，那我们把每一个脉冲信号的时间称为CPU的时钟周期，通常以被咬或者纳秒回单位，那CPU主频和时钟周期之间的关系是它的主频，应该是等于时钟周期分之一，是互为倒数的一个关系，主频又可以称为时钟频率，那它的单位是赫兹主频等于10赫兹的，意思就是说每秒钟有10个脉冲信号好，那这事CPU主频和时钟周期之间的一个关系，对于两个相同型号的CPU来说，他们的智力系统还有一个和我一模一样的话，那么主频越高的CPU，显然它的速度会越快，所以CP扶贫很大程度上反映了CPU的性能，但是也并不是主频越高就注定了他越强除了主频响一个cpu的性能cpa这个指标。越高就注定着它越强，除了主频之外，还有其他因素会影响一个CPU的性能，比如CPI这个指标啊，CPI的意思是每一条指令的执行需要多少个时钟周期，还是用我们之前的这个例子，比如像这个取数指令取数指令啊，他总共需要9个步骤可以完成，而惩罚指令总共需要11个步骤才可以完成，所以执行乘法指令和取数指令所需要的这个呃，时钟周期肯定是不一样的，也就是说对于同一个CPU执行不同的指令，有可能需要消耗不同的使用周期，而对于不同的CPU来说，即便他们执行的都是惩罚指令，那么根据惩罚指令的实际实现方式的不同，两个CPU所需要的时钟周期数量也可能不一样好，所以同一个CPU一边执行不同的指令，CPI可能不一样，甚至有可能即便是同一个CPU两次执行一个相同的指令那么这两次执行指令。的时钟周期数也有可能会发生变化，比如CPU要从内存里边取走一个数，那这个指令的执行除了跟CPU本身相关之外，还跟储存内存当前的状态有关系，如果储存当前的负荷比较大，那么CPU想要取走一个数，就有可能需要花更多的时间，也就是需要更多的使用周期，所以执行一条指令需要多少个时钟周期，这个问题，如果我们放在微观的视角来看的话，那么其实它是毫无意义的，因为可以影响CPI，这个指标的因素太多了，我们一般讨论执行一条指令所需的时钟周期的时候，呃，通常考虑的是一个平均的情况，那只要我们知道执行每一条指令，平均需要多少个时钟周期在乘以CPU时钟周期它的时间长短，那我们就可以算出平均每执行一条指令所需要的耗时好，我们来看一个例题，假设某个CPU它的主屏是1000赫兹啊，事实上没有这么慢的CPU，只不过我们为了方便计算，把这个数字说的小一点，然后某个程序包含了100条指令雄兔。没有这么慢的CPU啊，只不过我们为了方便计算，把这个数字缩的小一点，然后某个程序包含了100条指令，平均看来指令的CPI=3，也就是说平均每执行一条指令需要三个时钟周期，那么这100条指定的程序在这个CPU上执行需要花多长时间呢？那这个程序总共包含着两条指令，每一条指令平均需要三个时钟周期可以执行完，而一个时钟周期的长度应该是主频分之1，需要这么多秒的时间，因此算出的结果，就应该是需要0.3秒的时间来执行这个程序，那像这个例题这样就是让你计算一整个程序运行所花费的时间，这种题目也是很常见很常考的，有时候会把执行整个程序的耗时把它称作CPU执行时间，所以大家遇到这个说法的时候，也需要注意那指令的条数，还有平均每执行一条指令所需要的时钟周期数，这两个数值乘起来就刚好等于，总共需要多少个CPU使用周期。到平均每执行一条指令所需要的时钟周期数，这两个数值乘起来就刚好等于总共需要多少个CPU时钟周期，然后再乘以组平/1，就可以得到最终的好事，好，这个应该不难理解好，下一个常用的性能指标叫IPS instructions per second，也就是每秒会执行多少条指令，如果我们能够知道平均的CPI，也就是平均每执行一条指令需要多少个时钟周期，那么我们就可以算出IPS的值，IPS应该是等于主屏除以平均的CPI主屏的直返应的是每秒钟会有多少个数字脉冲也就是会出现多少个时钟周期，那再除以执行一条指令所需要消耗的时钟周期，那这样算来的结果就是每秒钟可以执行多少条指令IPS一个指标us就是一个浮点运算的是可以执行多少次。然后这个欧指的是operations，然后ps就是per second，每秒钟可以执行多少次浮点操作，如果说我们的计算机是用来进行一些科学数据的处理，经常需要进行浮点运算的话，那么使用这个指标来度量这台计算机，它的好坏显然是要更科学的，那对于IPS和FloPS这两个指标，我们通常在使用的时候还会经常在他们前面加上一些常用的数量单位，比如说K也就是千，还有M就是百万，然后啊对于浮点运算来说，我们甚至还会加G和T这样的数量单位来解释一下这儿的KMGT和我们之前在谈论存储器容量的时候，所给出的K MGT有一些区别，此处的K指的是10的三次方，然后M指的是million，呃，10的6次方，所以如果跟大家说一台计算机它的性能可以达到2MIPS的话那这就说明这台计算机平均每秒可以直行两百万条指令。 S的话，那这就说明这台计算机平均每秒可以执行200万条指令，如果是2KMIPS的话，就是说平均每秒可以执行2000条指令，另外G表示的是10的9次方，T表示的是10的24方剂算机，它的性能达到了3tFloPS，那这个的意思就是说，这台超级计算机每秒钟可以执行30,000亿次的浮点运算好，总之我们前面加的这一个字母，它其实就是表示数量的一个单位而已，一般来说当我们在描述啊存储器的容量或者文件的大小一个文件有多大，描述这些信息的时候，我们说的KMGT指的就是我们这儿给出的这种方式，以K表示的是2的10次方二十四方这是我们在描述一个文件大小的时候通常的一个格的。能够文件大小或者一个存储器的容量的时候，通常的一个默认规则，而如果我们描述的是这种数据的处理速率，那这种情况下，我们通常默认所谓K指的是10的三次方，M指的是10的6次方好以此类推，那除此之外，当我们在描述频率啊这种属性的时候，比如说CPU的主频，我们说一个CPU主频是3G赫兹，那这个地方呢G表示的是10的9次方也就是刚好是10亿，那这一点大家需要稍微的注意一下，好，那接下来我们再来看几个度量系统整体性能的指标啊，第1个数据通路的带宽这个指标指的是数据总线一次可以并行的传送多少个二进制信息位，那我们的CPU和内存还有内存和IO设备他们之间的信息传输都是通过数据总线来进行的，比如说有一台计算机它的数据通路带宽为8个比特的话，那要从存储体里面读出16个比特的数据，把它读到CPU里边，就总共需要进行两次的数据传输。比特的数据把它读到CPU里面，就总共需要进行两次的数据传输，每一次只能传送8个比特，那进行两次传输，肯定要比进行一次要更慢，所以数据通路的带宽会直接的影响到各个硬件部件之间的数据传输的一个效率好，下一个指标叫吞吐量就是指我们的系统在单位时间内可以处理的请求的数量，那这样的请求其实是一个比较抽象的概念，你可以把它理解为一条指令，就是一个请求，你也可以把它理解为一个完整的程序运行才是一个请求，呃，还是举个例子吧，比如说我们淘宝的服务器，淘宝的服务器，它基本上处理的业务就是呃要处理用户发来的一个一个的HTTP，请求那么淘宝的服务器，每秒钟可以处理多少个 HTTP，请求这就是它的吞吐量，再比如你去食堂打饭，那负责打饭的大师傅，每秒钟单位时间内可以完成多少个同学的打饭，请求，这就是食堂大师傅的吞吐量，所以吞吐量这个指标它其实限于某一个特定的场景。请求，这就是食堂大师傅的吞吐量，所以吞吐量这个指标它其实并不局限于某一个特定的场景，我们需要结合具体的场景来理解这个概念好，那这是吞吐量这个指标好，下一个指标叫响应时间，就是指用户向计算机发送一个请求，一直到系统给用户作出响应呃所需要的时间，比如说在我的电脑上我点击右键，它会弹出这个菜单，那么从我点击右键开始一直到它弹出菜单给我这个响应维持的这段时间就是所谓的响应时间，那和吞吐量类似响应时间显然也是一个很宽泛的概念，你可以把这个指标应用在描述生活的方方面面，比如说你给你的朋友发送一条信息，那一直到你接收到他的回复为止，这段时间就是你的朋友接收到你的这个请求之后，所需要的一个响应时间，那对于计算机来说影响这个响应时间的啊因素也有很多，这个大家自己读一下，有一个简单的了解即可。那之前我们呃学习的所有的这些性能指标看起来都是一个静态的衡量指标，那这种静态的指标有时候很难反映出一个计算机它的综合能力，所以很多时候我们会用一个叫做基准程序的程序来测量这个计算机的实际处理速度，那所谓的基准程序其实就是大家很熟悉的划分软件，比如说我们很多啊，男同学假设是自己电脑显卡自己电脑的综合情况，那你可以用法师这个软件来跑一下，你的电脑综合得分到底是多少，而手机上面也有很多跑车软件做，其实这些跑车软件或者说这些基准程序，它本质上就是给你设计好了一段程序代码，那这段程序里边会包含各种各样的指令，并且各种指令出现的频次频率是不一样的，那它会根据你的电脑运行它这一段程序运行，它这一系列指令所需要的耗时来给你一个专科的指针是否一定。这样的情况第1个问题，主频高的CPU是否一定比主频低的CPU快呢显然不是，比如有的CPOA它的主频是2ge合资，但是他平均每执行一条指令需要10个时钟周期，而另一个CPU它的主频只有一句何姿，然而它平均只需要一个时钟周期就可以执行一条指令，所以对于B这个CPU来说，他一秒钟可以执行依据条啊指令，而对于这个CPU来说，他一秒钟只能执行2÷10，也就是0.2季这么多群我们在描述主屏的时候这种鞋类地行星所谓的径直的走着两个平均的话那是不是就一定意味着。增高B的主体，如果他们俩的平均CPI相同的话，那是不是就一定意味着a更快，男的看起来好像是这样，如果他们的CPI都是一那么B，这个CPU平均每秒可以执行，以这条制定而aG的CPU平均每秒可以执行两记，这么多条城是不是a更快呢？其实也不一定，因为不同的CPU它的指令系统可能是不一样的，比如说如果a这个CPU它不只是惩罚，只能用多次的加法来实现，而bee他如果本身就支持惩罚制度的话，那么B的整体表现就很有可能要比a更好，我们第3个问题，如果基准程序他执行得越快，那么就说明机器的性能越好了，其实也不见得因为我们的这些跑分软件基准程序，它里面设计的语句频度其实是会有差异的，比如说你使用的是呃测试显卡的一个呃基准程序的话，那这个程序里面显然对于图像处理相关的那些指令出现的频率会很高，但是如果换一种应用场景，你的计算机不是用于。比如说你使用的是呃测试显卡的一个呃基础程序的话，那这个程序里面显然对于图像处理相关的那些指令出现的频率会很高，但是如果换一种应用场景，你的计算机不是用于图像处理的，而是用于其他工作，那么你使用测试显卡的这种基础程程序测试出来的这个机器性能显然就是不科学的，所以我们也不要盲目的相信市面上的那些呃跑分软件给出的一个分数，分数越高未必你的手机你的电脑的表现你就越好，下次如果遇到你的舍友，在你面前得瑟他的电脑性能的时候，你就把这堆理论把它丢过去，好的，那这个小学中我们学习了衡量计算机性能的一些指标啊，首先是存储器的容量，这个我们在之前的学校当中也提到过，那考试当中经常考察关于CPU的这一系列的性能指标，主屏CPI CPU执行时间ps这些指标的一个计算方法，大家一定要熟练地掌握，当然现在也不用刻意的去记忆，我们课后习题里面会遇到很多相关的问题几个题自然就可以记住了我们也几个题自然就可以记住了我们也强调了。我就多做几个题自然就可以记住了，另外这个小结束，我们也强调了KMGT这几个常见的数量单位，在不同的情况下，它们所表示的含义的一个区别，当我们在描述存储容量或者描述文件的大小的时候，通常我们使用2的多少次方这样的一个技术方式，而当我们在描述频率或者数据传送的速率的时候，我们通常是用10的都是配方这样的一个技术方法，所以这一点大家也需要注意一下，好的，那以上就是这个信息的全部内容。

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