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?目錄

0x00 響應時間和吞吐量（Response Time and Throughput）

0x01 相對性能（Relative Performance）

0x02?執(zhí)行時間測量（Measuring Execution Time）

0x03?CPU 時鐘（Clocking）

0x04 CPU時間

0x05 指令計數(shù)和 CPI

0x06 性能摘要（Performance Summary）

0x00 響應時間和吞吐量（Response Time and Throughput）

響應時間 (Response time)：完成任務所需的時間

吞吐量 (Throughput)：每個單位時間內(nèi)完成的總工作量 (比如: tasks/transactions...?per hours)

存在多種因素可以對響應時間和吞吐量造成影響，包括但不限于：

• 處理能力：通過升級到更快的處理器或添加更多處理器，可以減少響應時間并增加吞吐量。這是因為更快或更強大的處理器可以在更短的時間內(nèi)處理更多的任務。
• 系統(tǒng)負載：如果系統(tǒng)過載，處理過多的任務或用戶，將會對響應時間和吞吐量產(chǎn)生負面影響。這是因為系統(tǒng)可能無法處理工作負荷，導致響應時間更長，吞吐量降低。
• 網(wǎng)絡延遲：如果網(wǎng)絡延遲較高，響應時間和吞吐量可能會受到影響。這是因為數(shù)據(jù)傳輸需要更長的時間，從而導致響應時間變長和吞吐量降低。

換更快的處理器？添加更多的處理器？本章我們更關注的是 響應時間 (Response time) 。

0x01 相對性能（Relative Performance）

?? 定義：性能 =??1 / 執(zhí)行時間：

?

?比 ?快 ?倍：

?? 舉個例子：運行程序所需時間，在 ?機器上為 10s，在 ?機器上為 15s?

因此，?比 ?快 1.5 倍。

0x02?執(zhí)行時間測量（Measuring Execution Time）

執(zhí)行時間測量 (Measuring Execution Time) 指的是在計算機程序中測量代碼執(zhí)行所需的時間。這通常是通過在代碼開始和結(jié)束時記錄時間戳來實現(xiàn)的，然后計算時間戳之間的差異來計算程序執(zhí)行所需的時間。

執(zhí)行時間測量通常是性能優(yōu)化和調(diào)試代碼的重要工具。通過測量程序中不同部分的執(zhí)行時間，開發(fā)人員可以確定哪些部分需要進行優(yōu)化，以使程序更加高效。

在實際應用中，執(zhí)行時間測量可以使用多種不同的技術和工具來實現(xiàn)，例如內(nèi)置的計時器函數(shù)、性能分析工具、代碼覆蓋率工具等等。不同的方法適用于不同的場景和需求。

總的反應時間 (Elapsed time)：

• 總響應時間，包括所有方面 (Processing, I/O, OS overhead, idle time)
• 確定系統(tǒng)性能

CPU 時間 (CPU time)：

• 用于處理給定作業(yè)的時間 (Discounts I/O time, other jobs’ shares)?
• 包括用戶 CPU 時間和系統(tǒng) CPU 時間
• 不同的程序受 CPU 和系統(tǒng)性能的影響不同

0x03?CPU 時鐘（Clocking）

CPU Clocking（CPU 時鐘）指的是計算機 CPU 內(nèi)部的時鐘系統(tǒng)。這個時鐘系統(tǒng)會以固定的速率來發(fā)出脈沖信號，這些信號會讓 CPU 的不同部件在每個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行相應的操作。

數(shù)字硬件的操作受到固定速率時鐘的控制：

時鐘周期 (Clock period)：時鐘信號一個完整的循環(huán)所需要的時間。

時鐘頻率?(Clock Rate)：每秒鐘時鐘信號產(chǎn)生的周期數(shù)。

0x04 計算CPU時間（T=CC/CR）

性能可以通過減少時鐘周期數(shù)、增加時鐘速度來改善。

硬件設計人員通常需要在時鐘速度和時鐘周期數(shù)量之間進行權(quán)衡。

?? CPU Time 計算公式如下：

CPU 時間 = CPU 時鐘周期數(shù) ×?時鐘周期
? ? ? ? ? ? ? ? ?=?CPU 時鐘周期數(shù) ÷?時鐘頻率

?? 簡化記憶：

• 求 CPU 時間：?，?
• 求時鐘頻率 (Clock?Rate) ：
• 求時鐘周期 (Clock Cycle) ：

?? 舉個例子：

計算機 A 有 2GHz 的時鐘, 10s 的CPU 時間，請設計計算機 B，目標達到?10s 的 CPU 時間?？梢允褂酶斓臅r鐘，但會導致 1.2 × 時鐘周期，問計算機 B 的時鐘應該多快？

?? 解答：已知?，計算?

* 根據(jù)上述公式?，那么?，

根據(jù)題意，使用更快時鐘導致??倍?，并且目標 CPU 時間??為?，可列出公式：

此時我們需要計算 A 的時鐘周期，根據(jù)公式?，那么時鐘周期?：

此時我們已經(jīng)得到了?，帶入即可計算出?：

0x05 指令計數(shù) IC 和 每條指令所需的時鐘周期數(shù) CPI

?(Instruction Count)，指的是 指令計數(shù)。

?(Cycle Per Instrution)，指的是?每條指令所需的時鐘周期數(shù)。即 平均執(zhí)行周期數(shù)

是指在一個程序中，每個時鐘周期所執(zhí)行的平均指令數(shù)。這兩個概念都是計算機性能評估中的關鍵指標。通過減少指令計數(shù)或降低 CPI，可以提高計算機系統(tǒng)的性能。

??? 簡化記憶：

Execution time = (Instruction count * CPI) / Clock rate

程序的指令計數(shù)是由程序本身、指令集架構(gòu) (ISA) 和編譯器所決定的。每個指令的平均時鐘周期數(shù)取決于CPU硬件。如果不同的指令具有不同的CPI，則平均 CPI 受指令組合的影響。

?? CPI 計算例子：

計算機 A?的周期時間 = 250ps，CPI = 2.0，計算機 B 的周期時間 為 500ps，CPI = 1.2

ISA 相同，哪臺計算機更快？快多少？

?? 題解：根據(jù)題意得知：，

既然要比誰更快，那么我們分別計算出 A, B 的 CPU Time：

，因此 A 速度更快。

下面計算快多少：

0x06 關于CPI 的更多細節(jié)

如果不同的指令類別需要不同的時鐘周期數(shù)：

?

?加權(quán)平均 CPI (Avg)：

?? 例子：Alternative compiled code sequences using instructions in classes A, B, C：

?? 解讀：Sequence 1 中??

根據(jù)公式：

再根據(jù)圖表給出的 IC, CPI 即可計算出 Clock Cycles：

然后通過公式計算平均：

?

0x07?性能摘要（Performance Summary）

性能摘要 (Performance Summary) 是指對計算機系統(tǒng)、軟件或應用程序性能進行評估、分析和總結(jié)的過程。在性能摘要中，可以考慮多種性能指標，如執(zhí)行時間、吞吐量、響應時間、負載等。通常，性能摘要的目的是發(fā)現(xiàn)瓶頸、評估系統(tǒng)的優(yōu)化潛力、指導系統(tǒng)設計和優(yōu)化、以及進行比較評估等。在實踐中，性能摘要是計算機系統(tǒng)開發(fā)和維護中非常重要的一環(huán)，可以幫助提高系統(tǒng)的性能、可靠性和穩(wěn)定性。

性能取決于 算法 (影響 IC，可能影響 CPI)、編程語言 (影響 IC，CPI)、編譯器(影響 IC，CPI)、指令集架構(gòu)(影響 IC，CPI，Tc)。

?? 計算公式總結(jié)：?

?? [ 筆者 ]? ?王亦優(yōu)
?? [ 更新 ]? ?2022.3.
? [ 勘誤 ]?? /* 暫無 */
?? [ 聲明 ]? ?由于作者水平有限，本文有錯誤和不準確之處在所難免，
              本人也很想知道這些錯誤，懇望讀者批評指正！

到了這里，關于【計算機架構(gòu)】如何計算 CPU 時間的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！