計算機組成原理--淺談計算機性能

計算機組成原理|淺談計算機性能

本篇文章屬於計算機組成原理的開篇之做，主講影響計算機性能的因素與提高的計算機性能的路徑。
關鍵詞: 性能，CPU，響應時間，主頻，功耗，電壓，並行...

前言

目前全部的文章思想格式都是:知識+情感。
知識:對於全部的知識點的描述。力求不含任何的自我感情色彩。
情感:用我本身的方式，解讀知識點。力求通俗易懂，完美透析知識。

正文

計算機性能的衡量標準

衡量計算機性能的標準有兩個，分別是響應時間（Response time）和吞吐率（Throughput）。
1.響應時間，也稱爲執行時間（Execution time）。表示的是，計算機執行一段程序的總時間。
2.吞吐率，也稱爲帶寬（Bandwidth）。表示的是，計算機執行一段程序每一次執行的量。
注意:存在一個響應時間與吞吐率的關係，即響應時間=吞吐率x執行次數。

響應時間

首先，得知能夠提升響應時間進而提升計算機性能。然而，在計算機中，影響響應時間的主要因素是CPU的性能。

通常性能測試

性能，能夠當作是響應時間的倒數，即
** 性能 = 1/響應時間**
此時，只要保證響應時間越短，性能的數值就越好。

問題:響應時間怎麼來，是現實生活中的時間嗎？
回答: 固然不是!
第一種狀況，CPU不可能作到只運行一個程序，首先是否是須要支持操做系統在運行，才能夠進而運行測試程序。在真實的環境中，CPU會在不一樣的進程中切換，運行程序，單位是GHz，人是感受不到的。
第二種狀況，CPU會處於滿載運行與降頻運行兩種模式，對應的運行結果固然是不同的!而且，你須要想一下，硬件的當前狀態無時無刻都在變化，無法保證一致。

瞭解內容:在實際生活中，評價一個計算機性能的第三方機構叫SPEC（Standard Performance Evaluation Corporation），主要是提供的 CPU 基準測試程序，經過數十個不一樣的計算程序，對於 CPU 的性能給出一個最終評分。

CPU性能測試

在瞭解了通常的性能測試以後，針對CPU，咱們能夠獲得新的性能測試方法，引入CPU時鐘週期，即
性能 = 1/(CPU時鐘週期數 x CPU時鐘週期)

在上式中，CPU的時鐘週期，就是咱們CPU 的主頻（Frequency/Clock Rate）。個人主機是2.81GHz，表示1秒的時間內，能夠執行的簡單指令的數量是 2.8G 條。

因此，能夠引入指令，獲得新的性能公式:
性能 = 1/(指令數x每條指令的平均週期數 x CPU時鐘週期)

即，能夠優化性能就有了三個方面:
1.指令數，經過編譯器將指定數減小，屬於指令設計層面。
2.每條指定數的平均週期數，也叫做PCI(Cycles Per Instruction)，經過提升CPU技術實現減小平均週期數，屬於CPU設計層面。
3.CPU時鐘週期，經過提高CPU的主頻，得到更小的CPU時鐘週期，屬於電路硬件層面。

瞭解內容:這裏會涉及晶振的概念，玩過單片機的都知道有個晶振的東西，CPU內部有個相似的東西。
在打遊戲，或者圖像渲染的時候，會有一個超頻的概念，就是將計算機的實際主頻調快，這是能夠認爲調整的，只不過會出現散熱問題而已。

CPU主頻優化

經過上面，瞭解到能夠經過提升CPU的主頻，進而得到更高的性能。

先了解一下CPU的構成。CPU，通常都被叫做超大規模集成電路（Very-Large-Scale Integration，VLSI）。其內部，包含億級別的晶體管，讓晶體管裏面的「開關」不斷地去「打開」和「關閉」，來組合完成各類運算和功能。

一個 CPU 的功率，能夠用這樣一個公式來表示：
功耗 ~= 1/2 ×負載電容×電壓的平方×開關頻率×晶體管數量

從上式，能夠看出電壓與功耗是平方的關係，晶體管數量與功耗成線性關係。運用咱們聰明的1+1=2的大腦，確定是保證功耗不大的狀況下，優先下降電壓，其次增長晶體管的數量。

注意: CPU功率可不能搞的很大，筆記本可不是插電源的，須要攜帶，一個小時電就用完了，這是不理想的，固然一個月不充電也是幻想狀態~
CPU的電壓可不能隨便小，理論上是隻要保證有電壓就能夠，但實際是電壓過小了，晶體管的打開與關閉就不工做....
CPU內部的晶體管的數量，也不能無限多，受限於CPU的體積，CPU工做會散熱的，太多了不適合散熱，會使得CPU罷工~

瞭解內容:相同的體積增長晶體管的數量，那就必須將晶體管作小，這就是提高製程。
在本身組裝臺式機的時候，CPU仍是固然是盒裝好，可是散片其實也還行，畢竟目前CPU的工藝，可不是假貨能模仿的，給錢都作不出來....

吞吐率

當看了響應時間的優化以後，再看吞吐率優化，直接是簡單的很，一句話歸納吞吐率核心思想:人多力量大。

藉助於並行的思想，實現多核CPU工做，實現性能優化，畢竟響應時間的優化已經步履艱難了。

並行基於一個經驗定律，即阿姆達爾定律（Amdahl’s Law）。
優化後的執行時間 = 受優化影響的執行時間 / 加速倍數 + 不受影響的執行時間

基於上式，想要提高性能，就是得到更小的 優化後的執行時間，只能從增長加速倍數出發。

注意: 受優化影響的執行時間表示的是能夠並行執行的時間，加速倍數正是並行的CPU核心數。

雖然可使用並行思想，提高計算機性能，可是並行依然受限制與於 不受影響的執行時間，這一段時間依然是串行的執行。而且會有一個極限值，不管提升多少加速倍數，時間變化不大。

總結

本文，講述計算機性能的提高，提出了基於響應時間的性能優化，基於吞吐率的性能優化。
基於響應時間的優化，能夠提高CPU的主頻，下降CPU的電壓，提升晶體管的數量，可是受限制於CPU的散熱與功耗。
基於吞吐率的優化，能夠進行並行，可是依然受限制於不能並行的部分。
還能夠基於大機率事件選擇GPU運算，代替CPU；使用CPU的流水線技術；使用預測提升性能。

瞭解內容:計算機顯卡內部就是GPU。

CPU的預測，會對CPU內部1、二級緩存變量調用產生影響。

結束語

最近在深刻挖掘計算機的底層知識，不只僅是學習知識，對於計算機這個世界也有了新的認識，狀態很好!感受本身收穫不少!
但願本身能夠一直挖下去~