计算机组成原理历年考研真题对应知识点（计算机的性能指标）

1.3计算机的性能指标

1.3.1计算机的主要性能指标

【命题追踪——与机器字长位数相同的部件(2020、2021)】

【命题追踪——提高系统性能的综合措施(2010)】

【命题追踪——时钟脉冲信号和时钟周期的相关概念(2019)】

【命题追踪——主频和时钟周期的转换计算(2013)】

【命题追踪——IPS的相关计算(2023)】

【命题追踪——CPU执行时间的相关计算(2012、2013、2014、2017、2022、2023)】

【命题追踪——MIPS 相关的计算(2012、2013)】

【命题追踪——浮点数运算指标的概念(2011、2021)】

1.3计算机的性能指标

1.3.1计算机的主要性能指标

【命题追踪——与机器字长位数相同的部件(2020、2021)】

通常所说的“某 16 位或 32 位机器”，其中的 16、32 指的是机器字长，简称字长。

字长是指计算机进行一次整数运算(即定点整数运算)所能处理的二进制数据的位数，通常与 CPU 的寄存器位数、ALU 有关。

因此，字长一般等于通用寄存器的位数或 ALU 的宽度，字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高。

计算机字长通常选定为字节(8位)的整数倍。

补充：字、字长、机器字长、指令字长、存储字长的区别和联系是什么?

字长是指 CPU 内部用于整数运算的数据通路的宽度，因此字长等于 CPU 内部用于整数运算的运算器位数和通用寄存器宽度，它反映了计算机处理信息的能力。

字和字长的概念不同。字用来表示被处理信息的单位，用来度量数据类型的宽度，如x86 机器中将一个字定义为 16 位。

指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数。

存储字长：一个存储单元存储的二进制代码的位数。

它们都必须是字节的整数倍。

指令字长一般取存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长的2倍，则需要2个访存周期来取出一条指令；

若指令字长等于存储字长，则取指令周期等于机器周期。

早期的存储字长一般与指令字长、字长相等，因此访问一次主存储器便可取出一条指令或一个数据。

随着计算机的发展，指令字长、字长都可变，但必须都是字节的整数倍。

【命题追踪——提高系统性能的综合措施(2010)】

(1) 吞吐量和响应时间。

吞吐量。指系统在单位时间内处理请求的数量。

它取决于信息能多快地输入内存，CPU 能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。

几乎每步都关系到主存储器，因此系统吞吐量主要取决于主存储器的存取周期。

响应时间。指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间。

通常包括 CPU 时间(运行一个程序所花费的时间)与等待时间(用于磁盘访问、存储器访问、I/O 操作、操作系统开销等的时间)。

(2) 主频和 CPU 时钟周期。

【命题追踪——时钟脉冲信号和时钟周期的相关概念(2019)】

CPU 时钟周期。机器内部主时钟脉冲信号的宽度，它是 CPU 工作的最小时间单位。

时钟脉冲信号由机器脉冲源发出的脉冲信号经整形和分频后形成。

时钟周期以相邻状态单元间组合逻辑电路的最大延迟为基准确定。

时钟周期也以指令流水线的每个流水段的最大延迟时间确定。

【命题追踪——主频和时钟周期的转换计算(2013)】

主频(CPU 时钟频率)。机器内部主时钟的频率，即时钟周期的倒数，它是衡量机器速度的重要参数。

对于同一个型号的计算机，其主频越高，完成指令的一个执行步骤所用的时间越短，执行指令的速度越快。

主频最直观的理解就是每秒有多少个时钟周期。

注意：CPU 时钟周期 =1/主频，主频通常以 Hz(赫兹)为单位，10Hz表示每秒 10 次。

(3) CPI(Cycle Per Instruction)。

即执行一条指令所需的时钟周期数。

【命题追踪——IPS的相关计算(2023)】

不同指令的时钟周期数可能不同，因此对于一个程序或一台机器来说，

其 CPI 指该程序或该机器指令集中的所有指令执行所需的平均时钟周期数，此时CPI是一个平均值。

IPS(Instructions Per Second)，即每秒执行多少条指令，IPS= 主频/平均 CPI。

(4) CPU 执行时间。

指运行一个程序所花费的时间。

【命题追踪——CPU执行时间的相关计算(2012、2013、2014、2017、2022、2023)】

CPU 执行时间 =CPU 时钟周期数/主频=(指令条数×CPI)÷主频

上式表明，CPU 的性能(CPU执行时间)取决于三个要素：主频、CPI 和指令条数。

主频、CPI 和指令条数是相互制约的。

例如，更改指令集可以减少程序所含的指令条数，但同时可能引起 CPU 结构的调整，从而可能会增加时钟周期的宽度(降低主频)。

【例 1.1】

假定计算机 M1和 M2具有相同的指令集体系结构，M1的主频为 2GHz，程序P在M1 上的运行时间为 10s。

M2 采用新技术可使主频大幅提升，但平均 CPI 也增加到 M1 的 15 倍。
则 M2 的主频至少提升到多少才能使程序P在 M2 上的运行时间缩短为 6s?

解：

程序P在M1上的时钟周期数 = 指令条数×CPI = CPU执行时间×主频=10s×2GHz=2x10¹⁰ 。
M2 的平均 CPI为 M1 的 1.5 倍，因此程序 P 在 M2 上的时钟周期数 =1.5×2×10¹⁰=3x10¹⁰ 。
要使程序 P在 M2 上的运行时间缩短到 6s，则 M2 的主频至少应为
程序P所含时钟周期数 ÷ CPU 执行时间 =3x10¹⁰ ÷ 6s = 5GHz

由此可见，M2 的主频是 M1的 2.5 倍，但 M2 的速度却只是 M1 的 1.67 倍。

(5)MIPS(Million Instructions Per Second)。

即每秒执行多少百万条指令。