深刻淺出計算機組成原理學習筆記：第三講

 1、性能到底指的是什麼？

買新電腦的時候，咱們會說："原來的電腦性能跟不上了"
寫程序的時候，咱們會說："這個程序西能須要優化一下"

一、"性能"到底指的是什麼？

在計算機組成原理乃至體系結構中"性能"都是最重要的一個主題。我在前面說過學習和研究計算機組成原理，就是在理解計算機是怎麼運做的，

以及爲何要這麼運做。"爲何"？所要解決的事情，不少時候就是提高"性能"

二、性能有幾個指標？分別是什麼

計算機的性能，其實和咱們幹體力勞動很像，比如是咱們要搬東西，對於計算機的性能，咱們須要有個標準來衡量這個標準中主要有兩個指標

響應時間

 

響應時間：第一個是響應時間或者叫執行事假，要想提高響應時間這個性能指標，你能夠理解爲計算機"跑的更快"

響應時間指的就是，咱們執行一個程序，到底須要花多少時間，花的時間越少，天然性能就越好

吞吐率

 

吞吐率：第二個是吞吐率或者帶寬，想要提高這個指標，你能夠理解爲讓計算機"搬得更多"

服務器使用的網絡帶寬，一般就是一個吞吐率性能指標，

吞吐率是指咱們在必定的時間範圍內，到底能處理多少事情，這裏的"時間"，在計算機裏就是處理數據或者執行的程序指令

三、如何提升性能？

一、縮短程序的相應時間能提升吞吐率嗎？

和搬東西來比，若是咱們的響應時間短，跑得快，咱們能夠來回多跑幾趟多搬幾趟，因此說，縮短程序的響應時間，通常來講都會提高吞吐率

二、除了縮短響應時間，咱們還有別的方法嗎？

固然有，好比說，咱們還能夠多找幾人一塊兒來搬，這就是相似現代的服務器都是8核、16核的人多力量大，同時處理數據，在單位時間內就能夠處理更多的數據，吞吐率天然就上去了

2、CPU跑分軟件

各大CPU和服務器廠商組織了一個叫SPEC的第三方機構，專門用來指定各類"跑分"的規則

提供的CPU基準測試程序，就好像CPU屆的"高考"，經過數十個不一樣的計算機程序，對於的性能給出一個最終評分，

3、計算機的計時單位：時鐘

雖然時間是一個很天然的用來衡量性能的指標、可是用時間來衡量時，有兩個問題

第一就是時間「不許」

第一就是時間不許 若是你隨便寫的一個程序，來統計程序運行的時間，每一次統計結果不會徹底同樣。有可能這一次花了45ms，下一次變成了53ms

一、可是計算機可能同時運行着好多程序，CPU實際上不停地在各個程序之間進行切換。在這些走掉的時間裏，極可能CPU切換去運行別的程序了，

二、並且，遊戲程序在運行的時候，可能要從網絡、硬盤去讀取數據，要等網絡和應哦按把數據讀出來，給到內存和CPU
因此說：要想準確統計某個程序運行時間，進而去比較兩個程序的實際性能，咱們得把這些時間給刨刪掉

 

 

[root@nfs ~]# time seq 1000000 | wc -l
1000000

real	0m0.101s　　 #Wall Clock Time 也就是運行程序整個過程當中流失的時間
user	0m0.031s 　　#CPU在運行你的程序，在用戶態運行指令的時間，
sys	0m0.016s　　 #CPU在運行你的程序，在操做系統內核裏運行指令的時間

而程序實際花費的CPU執行時間，就是User Time加上sys Time

在我給的這個例子裏，你能夠看到，實際上程序用了0.101s，可是CPU Time只有0.031+0.016=0.047s。運行程序的時間裏，
只有不到一半是是花在這個程序上的

其次、及時咱們已經拿到了CPU時間，咱們也不必定能夠直接"比較"出兩個程序的性能差別

即便在統一臺計算機上，CPU可能滿載運行也可能降頻運行，降頻運行的時間天然花的時間會多一些

除了CPU以外，時間這個西能指標還會受到主板、內存這些其餘相關硬件的影響，因此咱們須要對"時間"這個咱們能夠感知的指標進行拆解
把程序的CPU執行時間編程CPU時鐘週期數C和時鐘週期時間的乘積

程序的CPU執行時間=CPU時鐘週期數*時間週期時間

4、什麼是時鐘週期時間？

好比我手頭這臺電腦就是Intel Core-i7-7700HQ 2.8GHz，這裏2.8GHz就是電腦的主頻，能夠先粗淺地認爲cpu1秒時間內，能夠執行的簡單質量的數量是2.8G條

準確一點描述2.8GHz就表明CPU的一個「鐘錶」能識別出來的最小的時間間隔，就像咱們掛在牆上的掛鐘的最小可以識別單位就是秒

在這個的CPU上，這個時鐘週期時間，就是1/2.8G。咱們的 CPU，是按照這個「時鐘」提示的時間來進行本身的操做。主頻越高，意味着這個表走得越快，

一、超頻

就至關於把買回來的CPU內部的鐘給調快了，因而CPU的計算跟着這個時鐘的節奏，也就天然快了，

固然這個快不是沒有代價的，CPU跑得越快，散熱的壓力也就越大，就和人同樣，超過生理極限，CPU就會崩潰了

二、程序的 CPU 執行時間 = 指令數×CPI×Clock Cycle Time

若是可以減小程序須要的CPU時鐘週期數，同樣可以提高程序性能

每條指令的平均時鐘週期數，不一樣指令須要的Cycles 是不一樣的，加法和乘法都對應着一條 CPU 指令可是乘法須要的 Cycles 就比加法要多，天然也就慢。

在這樣拆分了以後，咱們的程序的 CPU 執行時間就能夠變成這樣三個部分的乘積

程序的 CPU 執行時間 = 指令數×CPI×Clock Cycle Time

一、時鐘週期時間

就是計算機主頻，這個取決於計算機硬件，咱們所熟知的摩爾定律就一直在不停地提升咱們計算機的主頻

好比說，我最先使用的80386主頻只有33MHZ，如今手頭的筆記本就有2.8GHz，在主頻層面，就提高了將近100倍

二、每條指令的平均時鐘週期數CPI

每條指令的平均時鐘週期數CPI，就是一條指令到底須要多少CPU Cycle，在後面講解CPU結構的時候，咱們會看到，現代CPU

經過流水線技術，讓一條指令須要的CPU Cycle儘量地少，所以對於CPI的優化，也是計算機組成和體系結構中重要的一環

三、指令數

指令數，表明執行咱們的程序到底須要多少條指令，用那些指令。這個不少時候就把挑戰交給了編譯器，一樣的代碼，編譯

成計算機指令時候，就有格子可以不一樣的表示方式

 

咱們能夠把本身想像成一個CPU，坐在那裏寫程序。計算機主頻就好像是你打字的速度，打字越快，你天然能夠多寫一點程序；

CPI至關於你在寫程序的時候，熟悉各類快捷鍵，越是打一樣的內容，須要敲擊鍵盤的次數就越少，

指令至關於你的程序設計的夠合理，一樣的程序要寫的代碼行數就少，

若是三者皆能實現，你天然能夠很快地寫出一個優秀的程序，你的「性能」從外面來看就是好的

5、課後題以及問題

一、課後題

每次有新手機發布的時候，總會有一些對於手機的跑分結果的議論。乃至於有「做弊」跑分或者「針對跑分優化」的說法。咱們能針對「
「跑分」做弊麼？怎麼作到呢？「做弊」出來的分數對於手機性能還有參考意義？

二、經典答案

能夠經過超頻做弊，也就是老師說的調高時鐘，這種作法事不顧功耗專門針對跑分來全力衝刺，不能做爲平常使用的標準，不過依然能反應出機器性能的極限，若是用戶能夠選擇進入超頻狀態，一些發燒友有特殊需求時是能用上的。
不太清楚跑分測試的機制，彷佛是送樣機給相關機構，是否是還能直接給出特殊機型來做弊呢？這種就徹底是欺騙了。
2019-04-29
做者回復: 👍只要有考試，總會出現有做弊的狀況的。不過如今已經很罕見了，你們對於跑分也沒有那麼關注了

 三、問題：爲何user + sys 運行出來會比real time 多呢

[root@nfs ~]# time seq 1000000 | wc -l
1000000

real	0m0.058s   #Wall Clock Time 也就是運行程序整個過程當中流失的時間
user	0m0.047s   #CPU在運行你的程序，在用戶態運行指令的時間，
sys		0m0.044s	#CPU在運行你的程序，在操做系統內核裏運行指令的時間

四、做者回復

 我知道緣由了，這個的確是由於「並行緣由」的運行的。雖然seq和wc這兩個命令都是單線程運行的，可是這兩個命令在多核cpu運行的狀況下，會分別分配到兩個不一樣的cpu，

因而user和sys的時間都是兩個cpu上運行的時間之和，就可能超過real的時間。你能夠這樣來快速驗證運行

time seq 100000000 | wc -l &

讓這個命令多跑一下子，而且在後臺運行。

而後利用 top 命令看不一樣進程的cpu佔用狀況，你會在top的前幾行裏看到seq和wc的cpu佔用都接近100，實際是各被分配到了一個不一樣的cpu執行。

我寫文稿測試的時候開了一個1u的最小的虛擬機，只有一個cpu因此不會遇到這個問題。