1.4 计算机的主要性能指标-Toy模板网

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机器字长：计算机能直接处理的二进制信息的位数。字长标志着精度，字长越长，精度越高。

主频：CPU的时钟频率（f）。一般情况下，时钟频率越高，运算速度越快。单位：KHZ,MHZ,GHZ

时钟周期：主频的倒数称为CPU时钟周期（T），

T=1/f，单位：毫秒ms，微秒us，纳秒ns

总线宽度：数据总线一次能并行传输信息的位数。一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部数据总线的宽度。

存储容量

b:字节

B：比特一比特八字节bit

字数×字长，系统能存储的二进制字的总数。 1024（210）简称为1K（千），1024K（220）为1M（兆），1024M（230）为1G（千兆），1024G（240）为1T。

程序：程序是由若干条指令构成的

CPU执行时间：表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算：

CPU执行时间=CPU时钟周期数×CPU时钟周期（很简单其实就是周期乘以周期数）

CPI：每条指令周期数，即执行一条指令所需要的平均时钟周期数。

CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数÷程序包含的指令条数

运算速度：每秒能执行多少百万条定点指令数，单位：MIPS即百万条指令/每秒。

MIPS=指令数÷（程序执行时间×10^6）（疑问：为什么要乘以10^6）

2023/6/8 补充

解答：

MIPS（Million Instructions Per Second）是衡量计算机性能的一种指标，表示每秒执行的百万条指令数。计算方法是将指令数除以程序执行时间，并乘以10^6。

在这个计算公式中，为什么要乘以10^6呢？这是因为通常情况下，指令数和程序执行时间都是以个别单位来表示的。

1. 指令数：指令数是表示程序执行期间所执行的指令总数。通常，指令数以个别单位（如个、千、百万等）来表示。为了将指令数转换为每秒百万条指令数的单位，需要将其乘以10^6，即每个单位表示的指令数乘以1,000,000。

2. 程序执行时间：程序执行时间是指执行一个程序所需的时间量。它通常以秒为单位表示。因为MIPS是每秒执行的百万条指令数，所以程序执行时间需要以秒为单位。为了将指令数与程序执行时间的单位保持一致，需要将程序执行时间转换为秒。

因此，为了使指令数和程序执行时间的单位一致，并且得到每秒百万条指令数的结果，需要将指令数除以程序执行时间，并乘以10^6。这样可以将两个单位进行统一，并得到一个以每秒百万条指令数为基准的性能指标。

FLOPS 表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。用下式计算：

FLOPS=程序中的浮点操作次数÷程序执行时间（S）

MFLOPS 表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：

注意：MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。 MFLOPS是基于操作的，而不是基于指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。此外，还有TFLOPS表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用。

（红色这句话是什么意思呢）：

这句话的意思是，MFLOPS（百万次浮点运算每秒）是一种衡量计算机浮点运算性能的指标，而不是衡量整体计算机性能的指标。它主要用于评估计算机在执行浮点数操作（如加法、乘法、开方等）方面的效率和速度。

相比于MIPS，MFLOPS更加关注计算机处理浮点运算的能力。浮点运算在科学计算、图形处理、人工智能等领域中非常重要，因此MFLOPS对于这些应用来说是一个重要的指标。它表示计算机每秒可以执行的百万次浮点运算的数量。

然而，MFLOPS并不能全面反映计算机的整体性能，因为计算机的性能不仅取决于浮点运算能力，还与其他因素（如指令级并行性、内存访问延迟、缓存效率等）相关。因此，在评估计算机性能时，需要综合考虑多个指标，而不仅仅依赖于MFLOPS。

In:表示执行程序中的指令总数；i=1,2...i...n

i表示该程序包含有i种指令

Ii表示该程序运行期间执行第i种指令的总数

T：时钟周期 f:时钟频率；

CPIi: 表示执行第i种指令所需的时钟周期数；

Nc：为该段程序执行所需的CPU时钟周期数；

CPI:表示平均每条指令执行的所需的时钟周期数；

Ii/In表示i指令在程序中所占比例

tcpu:表示执行该程序所需的CPU时间；

由此，可以推出运算速度：(将上式子倒数第二In×CPI×T)

课堂练习

讨论：

例题：

思考题：

1.

我的答案：

计算机的主要技术性能指标有下面几项：主频、字长、存储容量、存取周期和运算速度等。

（1）主频：主频即时钟频率，是指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数。

（2）字长：字长是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数，它与计算机的功能和用途有很大的关系。字长决定了计算机的运算精度，字长长，计算机的运算精度就高。字长也影响机器的运算速度，字长越长，计算机的运算速度越快。

（3）存储容量：计算机能存储的信息总字节量称为该计算机系统的存储容量存储容量的单位还有MB（兆字节）、GB（吉字节）和TB（太字节）。

（4）存取周期：把信息代码存入存储器，称为“写”；把信息代码从存储器中取出，称为“读”。存储器进行一次“读”或“写”操作所需的时间称为存储器的访问时间(或读写时间)，而连续启动两次独立的“读”或“写”操作(如连续的两次“读”操作)所需的最短时间，称为存取周期(或存储周期)。

（5）运算速度：运算速度是一项综合性的性能指标。衡量计算机运算速度的单位是MIPS(百万条指令/秒)。因为每种指令的类型不同，执行不同指令所需的时间也不一样。过去以执行定点加法指令作标准来计算运算速度，现在用一种等效速度或平均速度来衡量。等效速度由各种指令平均执行时间以及相对应的指令运行比例计算得出来，即用加权平均法求得。

正确答案：

反思：

少了CPU主频

2. 我的答案：

计算机硬件指的是计算机系统中的实体部件，包括处理器、内存、硬盘、显示器、键盘、鼠标等物理设备。它们是构成计算机系统的实际物理组件，负责执行计算、存储数据和进行输入输出等任务。

计算机软件指的是计算机系统中的程序和数据，包括操作系统、应用程序、编程语言、文件和配置信息等。软件是由指令和数据组成的，可以被计算机系统识别和执行，用来实现特定的功能和任务。

硬件和软件是计算机系统中两个不可或缺的组成部分。硬件提供了运行和支持软件所需的物理平台和资源，如处理器执行指令、内存存储数据等。软件则利用硬件提供的资源进行编程和控制，实现各种功能和应用。

硬件和软件之间存在紧密的关系。硬件提供了软件运行的基础，而软件则利用硬件资源实现各种计算和操作。软件可以通过编程来控制硬件的行为，而硬件的性能和能力也会影响软件的运行效果。两者相互依赖，共同构成了完整的计算机系统。

正确答案：

计算机硬件是构成计算机的物理实体和物理装置,一般包括输入/输出设备、存储器、控制器、运算器。

计算机软件是为了运行、管理和维护计算机而编制的各种程序的集合。

硬件与软件的关系是:计算机硬件和软件是相辅相成的,它们共同构成完整的计算机系统,缺一不可。硬件是软件运行的基础,软件扩充了硬件的功能硬件和软件只有相互配合,计算机才能正常运行。

我的答案：

计算机系统的多级层次结构通常包括以下几个级别：

1. 应用层：位于最上层，包括用户使用的应用程序和软件，如文字处理、图形设计、数据库管理等。

2. 操作系统层：位于应用层之下，负责管理和控制计算机系统的硬件和软件资源，提供用户界面、文件管理、进程调度等功能。

3. 编程语言和工具层：位于操作系统层之下，提供编程语言和开发工具，供开发人员编写和调试程序，实现各种应用功能。

4. 汇编语言和编译器层：位于编程语言和工具层之下，负责将高级语言程序翻译成机器可执行的指令，将程序转化为可执行的二进制代码。

5. 操作系统内核层：位于汇编语言和编译器层之下，是操作系统的核心部分，负责管理计算机系统的底层资源，如处理器、内存、硬盘等。

6. 计算机硬件层：位于最底层，包括处理器、内存、存储设备、输入输出设备等物理硬件，提供计算和存储能力，并与上层软件进行交互。

这些层次之间存在着一种上下层的依赖关系和交互关系。每个层次都依赖于下一层的支持和提供的资源，上层的功能建立在下层的基础之上。例如，应用层依赖操作系统层提供的接口和资源管理功能；操作系统层依赖底层的硬件支持；编程语言和工具层依赖操作系统和硬件层提供的功能等。不同层次之间的交互和合作，构成了计算机系统的完整功能和性能。