计组原理

性能指标

CPU 性能

CPU 性能分为

  • 响应时间/延迟
  • 吞吐量/带宽

响应时间

  1. 时钟
    1. 时钟频率/主频 $f$
    2. 时钟周期 $T=\frac{1}{f}$
大单位

  1. 兆 $1M=10^{6}$
  2. 吉 $1G=10^{9}$

  1. CPU 执行时间

    1. 用户 CPU 时间

    2. 系统 CPU 时间

      $$CPU执行时间=指令数\times CPI\times T$$

  2. CPI $:=\displaystyle\frac{\mathrm{CPU时间}}{指令数\times T}$

记忆 CPI

CPI $:=$ Cycle Per Instruction 指令数 $\sim$ Instruction $CPI\times Instruction=Cycle$ 而一 $Cycle$ 占一个周期 $T$ 于是 $CPU执行时间 = Cycle \times T$

  1. 执行周期

  2. 吞吐量

  3. MIPS (Million Instructions Per Second)

    $$\begin{align}MIPS & =指令数/CPU执行时间 \times 10^{6} \ & = 时钟频率 / CPI \times 10^{6}\end{align}$$

  4. IPS (Instructions Per Second)

    $$IPS=\frac{f}{CPI}$$

并行响应性能

  • Amdhal 定律 $$S_{A} = \frac{1}{s+(1-s)/N}$$

    • $S_{A} :=$ 加速比
    • $s :=$ 不可被并行化(串行部分)的工作量占比
    • $N :=$ 并行核心数

  • Gustafson 定律 $$S_{G}=N+(1-N)s$$

    • $S_{G} :=$ 加速比
    • $s :=$ 串行部分时间占比
    • $N :=$ 并行核心数

吞吐量

略

功耗

  • 总功耗 $$P_{\mathrm{total}} = P_{\mathrm{static}} + P_{\mathrm{dynamic}}$$

  • 动态功耗 $$P_{\mathrm{dynamic}}=\frac{1}{2}CU^{2}f$$

    • $C$ $:=$ 负载电容
    • $U$ $:=$ 电压
    • $f$ $:=$ 时钟频率

  • 静态功耗 $$P_{\mathrm{static}}=U\times I_{\mathrm{leakage}}$$

    • $U$ $:=$ 电压
    • $I_{\mathrm{leakage}}$ $:=$ 漏电流 Leakage Current

主存性能

  1. 主存容量
  2. 主存带宽