标签：主频 计算机 1.3 二进制位 指令 执行 CPU 性能指标 时钟

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目录

• 一、静态测试
  • （1）存储器的性能指标
    • <1>概念
    • <2>补充
  • （2）CPU的性能指标
    • <1>概念
    • <2>例题
    • <3>IPS和FLOPS
    • <4>注意
  • （3）系统整体的性能指标
• 二、动态测试
• 三、知识回顾

这一节，我们来学习几个度量计算机性能的指标。

一、静态测试

（1）存储器的性能指标

<1>概念

最常见的就是存储器容量问题。

①MAR：地址寄存器

MAR的位数，可以反映存储体中存储单元的个数。

②MDR：数据寄存器

MDR的位数，可以反映每一个存储单元可以存放多少个二进制（bit）位。

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所以，根据上面两个指标，我们就可以求得整个存储器可以存放多少个二进制位（bit）了。同样，bit/8就是多少字节。

如下：

比如：

MAR是32位。32位的二进制数，最多可以表示2^32的二进制数，也就是这么多地址。每一个地址对应一个存储单元。所以，存储单元的总数量最多是2^32个（考试时只需要按照最多来计算即可）。

MDR是8位。也就是每一个存储单元可以存储8个bit位。

那么相乘，就可以得到存储器的总容量是4GB。

<2>补充

❓为什么32位的二进制数最多只能表示2^32个地址？

先来看这个问题，n个二进制位能表示多少种不同的状态？

如果只有一个二进制位，那么很显然，只有两种（2^1）状态：0，1。

如果有两个二进制位，那么会有四种（2^2）状态：00，01，10，11。

如果有三个二进制位，那么会有八种（2^3）状态：000，001，010，011；100，101，110，111。

... ...

那么，如果有n个二进制位，那么会有2^n种状态。

所以，32位的二进制数最多只能表示2^32个地址，也就是对应这么多存储单元。

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记住2^1到2^10，考试经常出现。

还需要记住，下面几个单位转换。

1KB，这个K，就是2^10。

1KB即1024B（字节）。

1b（比特）是一个二进制位。

1B（字节）=8b（比特）

（2）CPU的性能指标

<1>概念

接下来认识几个概念：

每一个波峰是一个数字脉冲信号，CPU的数字脉冲信号是有规律、有节奏地发生。

CPU主频：CPU内数字脉冲信号振荡的频率。

脉冲信号：指挥CPU内部所有的部件，一步一步工作的节奏。

CPU的时钟周期：每一个脉冲信号的时间。通常以微秒、纳秒为单位。

CPU主频和CPU时钟周期互为倒数。

主频为10HZ，意思就是每一秒有10个脉冲信号。

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结合之前的例子，CPU在执行一条指令的时候，需要做很多工作。这些工作的执行是有一定先后顺序的。每一个动作完成之后，才会开始下一个动作。

CPU的脉冲信号其实就是给这些动作的执行带来节奏。当然，有的动作可能在一个脉冲的时间内完成不了。

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对于两个相同型号的CPU，如果它们的指令系统还有用硬件系统生成指令的方式都一样。那么，主频越高的CPU，速度就会越快。

CPU主频很大程度上反映了CPU的性能，但并不是主频越高，CPU性能就越强。除了主频，还有其他因素会影响CPU的性能。

比如CPI，即每一条指令的执行需要多少时钟周期。

比如：

对于B这个CPU来说，1秒可以执行1G条指令。（G=10^9）

而对于A这个CPU来说，1秒可以执行0.2G（2/10）指令。

所以，主频高的CPU不一定比主频低的CPU快。

再来问一下：

既然CPI相同，B每秒可以执行1G条指令，A每秒可以执行2G条指令。

A更快吗？也不一定。

因为不同的CPU的指令系统可能不一样。

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还是拿这个例子看一下。

取数指令总共需要9个步骤完成。

而乘法指令总共需要11个步骤。

所以，进行乘法指令和取数指令所需要的时钟周期肯定不一样。

对于同一个CPU，执行不同的指令，有可能会消耗不同的时钟周期；甚至是执行相同指令，两次消耗的时钟周期也不相同。

比如，CPU要从内存中取一个数，这个指令的执行，除了和CPU本身相关之外，还与主存、内存、当前的状态有关。如果主存当前的负荷比较大，那么CPU想要取走一个数，就需要花更多的时间，也就是需要更多的时钟周期。

而对于不同的CPU，即便执行的都是乘法指令。根据乘法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不一样，即CPI不同。

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CPI放在微观视角毫无意义，因为可以影响CPI指标的因素太多了。

一般讨论执行一条指令所需要的时钟周期，通常考虑平均情况。

只要我们知道执行一条指令，平均需要多少个时钟周期，再乘以CPU时钟周期长短，就可以算出平均执行一条指令所需要的时间。

<2>例题

根据上面的讲解，我们认识了如下的定义。

下面来看一个例子：

100条指令，平均每一条指令需要3个时钟周期。

一个时钟周期的长度是主频的倒数。

相乘之后算出，需要0.3s的时间来执行程序。

如下：

像这样，计算执行一个程序所花费的时间，也是经常考的。

有时候，会把执行整个程序的耗时称为CPU执行时间。

<3>IPS和FLOPS

下一个性能指标是IPS。

主频：每一秒会有多少数字脉冲，也就是会出现多少时钟周期。

主频再除以执行一条指令所需要消耗的时钟周期数。算出的结果就是每秒执行多少指令（IPS）。

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再下一个指标是FLOPS。

FL：一个浮点运算。

如果计算机进行科学数据的处理，经常需要进行浮点运算。

那么使用FLOPS这个指标来度量计算机的好坏，显然是更科学的。

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对于IPS和FLOPS这两个指标，使用的时候，通常会在前面加上单位。

如下：

注意，这里的K、M、G、T和之前谈论存储器容量那里的单位有一点区别。

此处的K是10^3。

如果说一台计算机的性能达到2MIPS，就说明这台计算机平均每秒可以执行200万条指令。

2KMIPS，就是这台计算机平均每秒可以执行2000条指令。

3TFLOPS，就是这台计算机平均每秒可以执行三万亿次浮点运算。

<4>注意

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