性能分析简介
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务
响应时间和吞吐率
• 对一个计算机系统做如下改动，是否会缩短响应时间？ 提升吞吐率？还是两者都会?
1. 将计算机中的处理器替换成更快的 一般来说，降低响应时间几乎都可以增加吞吐率。因此，这种 方式 ，同时改进了响应时间和吞吐率。
响应时间和吞吐率
• 对一个计算机系统做如下改动，是否会缩短响应时间？ 提升吞吐率？还是两者都会?
• 那么，计算机B必须提高时钟频率到多少？
实例
• 计算机 A: 2GHz 时钟频率, 10s CPU 时间T • 计算机 B：6s CPU 时间T ，1.2倍周期数，时钟频率？
Clock CyclesA CPU Time A Clock RateA 10s 2GHz 20 109
2. 给系统增加额外处理器，以使用多个处理器来处理不同的任 务 不会使每个任务完成的更快，只会增加其吞吐率。
处理器性能
• 程序执行时间T
– T（执行时间）= IC × CPI × Tc = IC × CPI / f
• 定义:
– IC：程序的指令数 – CPI: 每条指令的周期数
程序执行的CPU时钟周期数
响应时间和吞吐率
• 响应时间：一个任务从开始到结束完成的时间
– 对个人用户非常重要
• 吞吐率（带宽）：一定时间内完成的任务量
– 对数据中心管理者非常重要
响应时间和吞吐率
• 对一个计算机系统做如下改动，是否会缩短响应时间？ 提升吞吐率？还是两者都会?
1. 将计算机中的处理器替换成更快的 2. 给系统增加额外处理器，以使用多个处理器来处理不同的任
指令操作
使用率
CPI
Arithmetic-logic
40%
2
LoLeabharlann Baidud/store
30%
4
compare
8%
2.5
Compare&branch
22%
3
性能计算实例
• 新改进方案定义一种新的指令“比较转移” 指令，将比较和分支指令结合，因而使比较
指令操作
使用率 CPI
Arithmetic-logic 40%
– Tc: 时钟周期，即每周期秒数
– f：时钟频率
程序执行时间
• 性能改进可以通过
– 降低程序的时钟周期数 – 提高时钟频率
实例
• 计算机 A: 2GHz 时钟频率, 10s CPU 时间T • 设计计算机B
– 目标：CPU 时间 T 降低到6s – 可以提高时钟频率，但是会引起周期数增加到 1.2 倍
性能分析
哪种飞机具有最好的性能?
波音 777
波音 747
协和飞机 道格拉斯 DC-8-50
0
100 200 300 400 500 客运量
波音 777
波音 747
协和飞机 道格拉斯 DC-8-50
0
2000 4000 6000 8000 10000 巡航距离 (miles)
波音 777
波音 747
Arithmetic-logic 40%
2
用率和CPI分别如表所示。
Load/store
30%
4
• 求该计算机的MIPS值及运行一个具有
compare
8%
2.5
107条指令的程序所需的CPU时间。
branch
22%
3
• 首先求出CPIave:
CPIave = 2*0.4 + 4*0.3 + 2.5*0.08 +3*0.22 = 0.8+1.2+0.2+0.66 = 2.86
协和飞机
道格拉斯 DC-8-50
0
250 500 750 1000 1250 1500
巡航速度 (mph)
波音 777
波音 747
协和飞机
道格拉斯 DC-8-50
0
100000 200000 300000 400000
乘客 x mph
性能定义
• 响应时间和吞吐率 • 程序执行时间T
– CPI: 每条指令的周期数 – Tc：时钟周期 – MIPS （每秒百万条指令） – T （CPU执行时间）
指令数和CPI
CPIAve求法
• 如果不同的指令类型有不同的执行周期数，那么 • 那么加权平均CPI
指令的相对使用率
CPIAvg求法
• 某计算机有如下四种类型的指令，每种指令的使用频率及CPI如 下表，求CPIave
指令操作
使用率
CPI
Arithmetic-logic
40%
2
Load/store
2
指令被替换，并从指令系统中去掉。另外，
Load/store
30%
4
新方案将指令合并为比较转移指令，该指令
compare
8%
2.5
需要较多的时间来执行，因而降低时钟频率 Compare & branch 22%
3
5%。求新的CPIave ，MIPS值和T。
• 求该计算机的MIPS值及运行一个具有107条指令的程序所需的 CPU时间。
指令操作
使用率
CPI
Arithmetic-logic
40%
2
Load/store
30%
4
compare
8%
2.5
branch
22%
3
性能计算实例
• 假设有一台计算机的时钟频率是
指令操作
使用率 CPI
100MHz，具有4种类型指令，它们的使
Clock RateB
Clock CyclesB CPU Time B
1.2 Clock CyclesA 6s
Clock RateB
1.2 20 109 6s
24 109 6s
4GHz
指令数和CPI
• 程序的CPU时钟周期数 = 程序的指令数* CPIAve
- CPIAve表示执行每条指令所需的时钟周期数的平均值
• MIPS = f(MHz)/CPIave = 100/2.86 = 35 • T = IC× CPIave/ f(Hz) = 107*2.86/(100*106) = 0.286s
性能计算实例
• 改进计算机性能的计算
– 新改进方案定义一种新的指令“比较转移”指令，将比较和分支指令结 合，因而使比较指令被替换，并从指令系统中去掉。另外，新方案将指令 合并为比较转移指令，该指令需要较多的时间来执行，因而降低时钟频率 5%。求新的CPIave ，MIPS值和T。
30%
4
compare
8%
2.5
branch
22%
3
处理器性能
• T （程序执行时间）：量化硬软件结合的系统有效速度
T(sec) = IC× CPIave/ f(Hz)
• MIPS （每秒百万条指令），衡量计算机的硬件速度
MIPS = f(MHz)/CPIave
性能计算实例
• 假设有一台计算机的时钟频率是100MHz，具有4种类型指令， 它们的使用率和CPI分别如下表所示。
响应时间和吞吐率
• 对一个计算机系统做如下改动，是否会缩短响应时间？ 提升吞吐率？还是两者都会?
1. 将计算机中的处理器替换成更快的 一般来说，降低响应时间几乎都可以增加吞吐率。因此，这种 方式 ，同时改进了响应时间和吞吐率。
响应时间和吞吐率
• 对一个计算机系统做如下改动，是否会缩短响应时间？ 提升吞吐率？还是两者都会?
• 那么，计算机B必须提高时钟频率到多少？
实例
• 计算机 A: 2GHz 时钟频率, 10s CPU 时间T • 计算机 B：6s CPU 时间T ，1.2倍周期数，时钟频率？
Clock CyclesA CPU Time A Clock RateA 10s 2GHz 20 109
2. 给系统增加额外处理器，以使用多个处理器来处理不同的任 务 不会使每个任务完成的更快，只会增加其吞吐率。
处理器性能
• 程序执行时间T
– T（执行时间）= IC × CPI × Tc = IC × CPI / f
• 定义:
– IC：程序的指令数 – CPI: 每条指令的周期数
程序执行的CPU时钟周期数
响应时间和吞吐率
• 响应时间：一个任务从开始到结束完成的时间
– 对个人用户非常重要
• 吞吐率（带宽）：一定时间内完成的任务量
– 对数据中心管理者非常重要
响应时间和吞吐率
• 对一个计算机系统做如下改动，是否会缩短响应时间？ 提升吞吐率？还是两者都会?
1. 将计算机中的处理器替换成更快的 2. 给系统增加额外处理器，以使用多个处理器来处理不同的任
指令操作
使用率
CPI
Arithmetic-logic
40%
2
LoLeabharlann Baidud/store
30%
4
compare
8%
2.5
Compare&branch
22%
3
性能计算实例
• 新改进方案定义一种新的指令“比较转移” 指令，将比较和分支指令结合，因而使比较
指令操作
使用率 CPI
Arithmetic-logic 40%
– Tc: 时钟周期，即每周期秒数
– f：时钟频率
程序执行时间
• 性能改进可以通过
– 降低程序的时钟周期数 – 提高时钟频率
实例
• 计算机 A: 2GHz 时钟频率, 10s CPU 时间T • 设计计算机B
– 目标：CPU 时间 T 降低到6s – 可以提高时钟频率，但是会引起周期数增加到 1.2 倍
性能分析
哪种飞机具有最好的性能?
波音 777
波音 747
协和飞机 道格拉斯 DC-8-50
0
100 200 300 400 500 客运量
波音 777
波音 747
协和飞机 道格拉斯 DC-8-50
0
2000 4000 6000 8000 10000 巡航距离 (miles)
波音 777
波音 747
Arithmetic-logic 40%
2
用率和CPI分别如表所示。
Load/store
30%
4
• 求该计算机的MIPS值及运行一个具有
compare
8%
2.5
107条指令的程序所需的CPU时间。
branch
22%
3
• 首先求出CPIave:
CPIave = 2*0.4 + 4*0.3 + 2.5*0.08 +3*0.22 = 0.8+1.2+0.2+0.66 = 2.86
协和飞机
道格拉斯 DC-8-50
0
250 500 750 1000 1250 1500
巡航速度 (mph)
波音 777
波音 747
协和飞机
道格拉斯 DC-8-50
0
100000 200000 300000 400000
乘客 x mph
性能定义
• 响应时间和吞吐率 • 程序执行时间T
– CPI: 每条指令的周期数 – Tc：时钟周期 – MIPS （每秒百万条指令） – T （CPU执行时间）
指令数和CPI
CPIAve求法
• 如果不同的指令类型有不同的执行周期数，那么 • 那么加权平均CPI
指令的相对使用率
CPIAvg求法
• 某计算机有如下四种类型的指令，每种指令的使用频率及CPI如 下表，求CPIave
指令操作
使用率
CPI
Arithmetic-logic
40%
2
Load/store
2
指令被替换，并从指令系统中去掉。另外，
Load/store
30%
4
新方案将指令合并为比较转移指令，该指令
compare
8%
2.5
需要较多的时间来执行，因而降低时钟频率 Compare & branch 22%
3
5%。求新的CPIave ，MIPS值和T。
• 求该计算机的MIPS值及运行一个具有107条指令的程序所需的 CPU时间。
指令操作
使用率
CPI
Arithmetic-logic
40%
2
Load/store
30%
4
compare
8%
2.5
branch
22%
3
性能计算实例
• 假设有一台计算机的时钟频率是
指令操作
使用率 CPI
100MHz，具有4种类型指令，它们的使
Clock RateB
Clock CyclesB CPU Time B
1.2 Clock CyclesA 6s
Clock RateB
1.2 20 109 6s
24 109 6s
4GHz
指令数和CPI
• 程序的CPU时钟周期数 = 程序的指令数* CPIAve
- CPIAve表示执行每条指令所需的时钟周期数的平均值
• MIPS = f(MHz)/CPIave = 100/2.86 = 35 • T = IC× CPIave/ f(Hz) = 107*2.86/(100*106) = 0.286s
性能计算实例
• 改进计算机性能的计算
– 新改进方案定义一种新的指令“比较转移”指令，将比较和分支指令结 合，因而使比较指令被替换，并从指令系统中去掉。另外，新方案将指令 合并为比较转移指令，该指令需要较多的时间来执行，因而降低时钟频率 5%。求新的CPIave ，MIPS值和T。
30%
4
compare
8%
2.5
branch
22%
3
处理器性能
• T （程序执行时间）：量化硬软件结合的系统有效速度
T(sec) = IC× CPIave/ f(Hz)
• MIPS （每秒百万条指令），衡量计算机的硬件速度
MIPS = f(MHz)/CPIave
性能计算实例
• 假设有一台计算机的时钟频率是100MHz，具有4种类型指令， 它们的使用率和CPI分别如下表所示。