计算机组成与结构4评估和理解性能

1、201220121华东师范大学计算机科学技术系4 4 评估和理解性能评估和理解性能201220122华东师范大学计算机科学技术系4 4 评估和理解性能评估和理解性能4.1 4.1 概述概述4.2 CPU4.2 CPU的性能和影响因素的性能和影响因素4.3 4.3 性能评估性能评估4.4 4.4 实例：两个实例：两个SPECSPEC基准测试以及基准测试以及 新型新型IntelIntel处理器的性能评价处理器的性能评价4.5 4.5 计算机系统的可靠性计算机系统的可靠性201220123华东师范大学计算机科学技术系4 4 评估和理解性能评估和理解性能4.1 4.1 概述概述201220124华东师

2、范大学计算机科学技术系4.1 4.1 概述概述计算机设计目标：计算机设计目标： 高速高速影响因素：硬件、指令系统、编译器、影响因素：硬件、指令系统、编译器、软件软件系统复杂系统复杂 评价难度高评价难度高如何评价？如何评价？应用不同，立足点不同应用不同，立足点不同台式机、服务器、嵌入式系统所采用的性能评台式机、服务器、嵌入式系统所采用的性能评价机制和基准测试程序各不相同价机制和基准测试程序各不相同主要讨论主要讨论用户程序和用户程序和OSOS共享处理器共享处理器 打打印印机机 磁磁 盘盘 程程 序序 O OS S 程程序序 t0 t1 t2 t3 t4 t5 程序执行时间：计算机完成一个任务的总时

3、间程序执行时间：计算机完成一个任务的总时间 （响应时间）（响应时间） t5t5t0t0 CPU CPU时间：时间：计算机完成一个任务，计算机完成一个任务，CPUCPU所耗用的时间所耗用的时间 程序及程序及OSOS程序的执行时间程序的执行时间201220126华东师范大学计算机科学技术系4.1 4.1 概述概述一、性能定义一、性能定义 性能性能X X= 1 / = 1 / 执行时间执行时间X X 性能越高越好性能越高越好 性能比性能比: n: n性能性能X X/ /性能性能Y Y 执行时间执行时间Y Y执行时间执行时间X X 相对性能：评价一台计算机的性能通常参照相对性能：评价一台计算机的性能通

4、常参照 另一台计算机的性能，可用性能另一台计算机的性能，可用性能 比来表示比来表示 强实时系统和弱实时系统强实时系统和弱实时系统201220127华东师范大学计算机科学技术系4.1 4.1 概述概述二、性能测量二、性能测量CPUCPU时间：计算机完成一个任务，时间：计算机完成一个任务，CPUCPU所耗用的所耗用的 时间时间 用户用户CPUCPU时间：运行用户程序代码所花的时间时间：运行用户程序代码所花的时间 系统系统CPUCPU时间：运行操作系统代码所花的时间时间：运行操作系统代码所花的时间 后者在多用户下很难区分后者在多用户下很难区分系统性能：系统在没有其他负载情况下的响应系统性能：系统在没

5、有其他负载情况下的响应 时间时间CPUCPU性能：用户性能：用户CPUCPU时间时间201220128华东师范大学计算机科学技术系4 4 评估和理解性能评估和理解性能4.1 4.1 概述概述4.2 CPU4.2 CPU的性能和影响因素的性能和影响因素201220129华东师范大学计算机科学技术系4.2 CPU4.2 CPU的性能和影响因素的性能和影响因素一、一、CPUCPU时钟：时钟： 时钟定义了规则的时间间隔时钟定义了规则的时间间隔 CPUCPU执行程序时将所做的工作分解为一系列基本执行程序时将所做的工作分解为一系列基本 步骤，每个步骤均在一个时钟周期内完成。步骤，每个步骤均在一个时钟周期内

6、完成。 CPUCPU频率（频率（R R）：）：衡量衡量CPUCPU性能的重要参数性能的重要参数 例）例）500MHz500MHz 2.8GHz 2.8GHz 3.0GHz 3.0GHz时钟周期时钟周期的倒数的倒数2012201210华东师范大学计算机科学技术系4.2 CPU4.2 CPU的性能和影响因素的性能和影响因素二、提高性能：二、提高性能： 衡量公式：衡量公式： T Tcpucpu= =（N N CPICPI）/R/R T Tcpucpu：CPUCPU时间；时间； N N： 编译后目标程序的总指令数；编译后目标程序的总指令数； CPICPI：执行每条指令所需的平均时钟周：执行每条指令所需

7、的平均时钟周 期数；期数； R R： 时钟频率时钟频率 高性能高性能 减少减少T T N N 、CPICPI 、R R 编译优化，编译优化，减少目标指减少目标指令数令数简化指令执简化指令执行步骤、并行步骤、并行执行指令行执行指令提高提高CPUCPU时钟频率时钟频率计算机性能的计算机性能的三个要素密切相关三个要素密切相关 基本要素及其含义：基本要素及其含义：P164 P164 图图4-24-2执行一个程序所需的时钟周期数2012201211华东师范大学计算机科学技术系二、提高性能二、提高性能 减少减少CPICPI值值 流水线操作：流水线操作： 增加部件，使连续指令叠加执行增加部件，使连续指令叠加

8、执行 超标量操作超标量操作 两条以上的指令流水线，达到更高度的并发性两条以上的指令流水线，达到更高度的并发性 存储器结构：存储器结构：减少延迟等待时间减少延迟等待时间 指令集指令集： RISCRISC： CPI CPI ，但，但 N N CISCCISC： N N ，但，但 CPI CPI 这点上两者无明显优越这点上两者无明显优越 但简单指令集更易实现高效流水线但简单指令集更易实现高效流水线2012201212华东师范大学计算机科学技术系二、提高性能二、提高性能 减少减少N N值值 编译器编译器优化编译，一个高质量的编译器一定与处理器体优化编译，一个高质量的编译器一定与处理器体系结构紧密相关，

9、通过设计的相互协调，达到最系结构紧密相关，通过设计的相互协调，达到最佳效果。佳效果。 提高提高R R值值 提高时钟频率提高时钟频率 改进改进ICIC技术，提高逻辑电路速度；技术，提高逻辑电路速度；k 减少时钟周期内处理的工作量减少时钟周期内处理的工作量 t t R R ， 但但CPICPI可能增加可能增加指令执行步骤的划分相当重要指令执行步骤的划分相当重要2012201213华东师范大学计算机科学技术系二、提高性能二、提高性能CPICPI与许多设计细节密切相关，测量比较困难与许多设计细节密切相关，测量比较困难可采用以下方法得到：可采用以下方法得到： 通过仿真实验测试通过仿真实验测试 通过硬件计

10、数器测定通过硬件计数器测定 通过公式估算通过公式估算 CPUCPU时钟周期数时钟周期数 = = （CPIiCi） C Ci i: : 程序执行中第程序执行中第i i类指令的条数类指令的条数 CPICPIi i: : 该类指令执行时所需的平均时钟周期数该类指令执行时所需的平均时钟周期数 n n： 指令类别的数目指令类别的数目i=1i=1n n2012201214华东师范大学计算机科学技术系二、提高性能二、提高性能例例1 1）代码优化）代码优化两段代码执行参数：两段代码执行参数：比较两段代码比较两段代码A A类指令类指令B B类指令类指令 C C类指令类指令CPICPI1 12 23 3A A类类

11、B B类类C C类类1 1# #指令数指令数2 21 12 22 2# #指令数指令数4 41 11 1指令条数少指令条数少解）解）指令条数：指令条数：1 1# #序列序列 2+1+2=52+1+2=5 2 2# #序列序列 4+1+1=64+1+1=6 执行速度：执行速度： 1 1# #序列时钟周期数序列时钟周期数=(1=(12)+(22)+(21)+(31)+(32)=102)=10 2 2# #序列时钟周期数序列时钟周期数=(1=(14)+(24)+(21)+(31)+(31)=91)=9时钟数少时钟数少执行速度快执行速度快 1 1# #序列序列CPI=CPI=时钟周期数时钟周期数/ /

12、指令条数指令条数 = 10/5 = 2= 10/5 = 2 2 2# #序列序列CPI = 9/6 = 1.5CPI = 9/6 = 1.52012201215华东师范大学计算机科学技术系4.2 CPU4.2 CPU的性能和影响因素的性能和影响因素 三、三、吞吐率吞吐率 MIPSMIPS： 每秒百万条指令数每秒百万条指令数 计算机每秒可执行的指令数计算机每秒可执行的指令数 MIPS=MIPS=执行的指令数执行的指令数 / /（执行时间（执行时间10106 6) ) MFLOPS MFLOPS：每秒百万次浮点运算数：每秒百万次浮点运算数 计算机每秒可执行的浮点运算次数计算机每秒可执行的浮点运算次

13、数 注意：注意： MIPS MIPS仅反映了执行指令的速率，但未考虑指令功能仅反映了执行指令的速率，但未考虑指令功能 在同台机器上，不同程序的在同台机器上，不同程序的MIPSMIPS是不同的是不同的 MIPS MIPS有可能和机器的性能成反比有可能和机器的性能成反比2012201216华东师范大学计算机科学技术系三、三、吞吐率吞吐率例例2 2）两个不同的编译器对同一段程序进行编译）两个不同的编译器对同一段程序进行编译参数：参数：A A类指令类指令B B类指令类指令 C C类指令类指令CPICPI1 12 23 3指令数指令数(10(10亿亿) )A A类类B B类类C C类类1 1# #编译器

14、编译器5 51 11 12 2# #编译器编译器10101 11 1解）解） CPUCPU时间时间= (CPI(CPIi iC Ci i)/R)/R1 1# #CPUCPU时间时间=(=(15)+(21)+(31) 10109 9/4G=2.5/4G=2.5秒秒2 2# #CPUCPU时间时间=(110)+(21)+(31) 10109 9/4G=3.75/4G=3.75秒秒 MIPS1=MIPS1=指令数指令数/(/(程序执行时间程序执行时间10106 6) ) =(5+1+1) =(5+1+1)10109 9) / 2.5) / 2.510106 6 = 2800= 2800 MIPS2=

15、(10+1+1)MIPS2=(10+1+1)10109 9) / 2.5) / 2.510106 6 = 3200= 3200i=1i=1n n程序经程序经1 1# #编译器编译后产生的代码执行时间比编译器编译后产生的代码执行时间比2 2# #的快的快2 2# #快快结论：结论：MIPSMIPS未完整考虑未完整考虑N N、CPICPI、R R三个因素，有可能三个因素，有可能 产生错误的结论产生错误的结论2012201217华东师范大学计算机科学技术系4.2 CPU4.2 CPU的性能和影响因素的性能和影响因素四、性能平衡四、性能平衡当代处理器所采用的若干技术当代处理器所采用的若干技术 转移预测

16、（转移预测（Branch PredictionBranch Prediction） 可提前预测多条执行分支，使处理器能正确地预可提前预测多条执行分支，使处理器能正确地预 取指令，以减少处理器的等待时间取指令，以减少处理器的等待时间 数据流分析（数据流分析（Data Flow AnalysisData Flow Analysis） 处理器分析指令所依赖的数据，数据准备好，可处理器分析指令所依赖的数据，数据准备好，可 不按原程序的顺序执行，优化指令调度不按原程序的顺序执行，优化指令调度 推测执行（推测执行（Speculative ExecutionSpeculative Execution） 使用

17、转移预测和数据流分析，使程序在实际执行使用转移预测和数据流分析，使程序在实际执行 之前即已之前即已“推测执行推测执行”，并暂存结果，使处理器的，并暂存结果，使处理器的 执行机制尽可能保持繁忙执行机制尽可能保持繁忙2012201218华东师范大学计算机科学技术系四、性能平衡四、性能平衡 处理器性能发展迅速处理器性能发展迅速 其他部件性能发展跟不上需要其他部件性能发展跟不上需要 性能平衡性能平衡 性能平衡性能平衡 调整组织和结构，以补偿各部件之间的能调整组织和结构，以补偿各部件之间的能 力不匹配力不匹配 2012201219华东师范大学计算机科学技术系四、性能平衡四、性能平衡CPUCPU与存储器与

18、存储器 增加总线的数据宽度，以增加每次访问的位数增加总线的数据宽度，以增加每次访问的位数 在在DRAMDRAM芯片中加入高速缓存，提高芯片性能芯片中加入高速缓存，提高芯片性能 在在CPUCPU与主存间加入高速缓存，提高与主存间加入高速缓存，提高CPUCPU访存速度访存速度 通过高速总线和分层总线来缓冲和结构化数据流通过高速总线和分层总线来缓冲和结构化数据流等等等等经验定律经验定律Amdahl/CaseAmdahl/Case定律定律：要使计算机系统较为平衡，每：要使计算机系统较为平衡，每MIPSMIPS的的CPUCPU性能需要对应性能需要对应1MB1MB的主存容量和的主存容量和1Mb/s1Mb/

19、s的的I/OI/O带宽带宽2012201220华东师范大学计算机科学技术系四、性能平衡四、性能平衡CPUCPU与与I/OI/O设备设备 新的新的I/OI/O设备的不断推出，以适应系统性能的设备的不断推出，以适应系统性能的 要求要求 缓存和暂存机制，以及高速互连总线结构缓存和暂存机制，以及高速互连总线结构 接口技术接口技术等等等等性价比性价比 高性能设计高性能设计超级计算机、高端服务器超级计算机、高端服务器 高性价比设计高性价比设计台式机、嵌入式系统台式机、嵌入式系统2012201221华东师范大学计算机科学技术系4 4 评估和理解性能评估和理解性能4.1 4.1 概述概述4.2 CPU4.2

20、CPU的性能和影响因素的性能和影响因素4.3 4.3 性能评估性能评估2012201222华东师范大学计算机科学技术系4.3 4.3 性能评估性能评估性能评价是计算机系统设计、选择和使用时考性能评价是计算机系统设计、选择和使用时考虑的主要依据虑的主要依据评价手段评价手段：（：（1 1）分析分析 采用数学模型采用数学模型精度低精度低 （2 2）模拟模拟 用软件建立系统模型进行研究用软件建立系统模型进行研究 建模时间长建模时间长 （3 3）测试测试 用测试程序（工作负载）实际用测试程序（工作负载）实际 运行运行制造完成后进行制造完成后进行一系列运行在计算一系列运行在计算机上的程序机上的程序2012

21、201223华东师范大学计算机科学技术系4.3 4.3 性能评估性能评估一、性能测量：一、性能测量： 通过执行通过执行基准程序基准程序来测量计算机的性能来测量计算机的性能 选用负载：选用负载： 假想程序假想程序不能恰当地预测实际运行情况不能恰当地预测实际运行情况 实际应用程序实际应用程序不同领域具有代表性的应用不同领域具有代表性的应用 程序程序 标准化标准化程序程序2012201224华东师范大学计算机科学技术系4.3 4.3 性能评估性能评估二、性能比较和综合评价二、性能比较和综合评价针对一组基准程序，在不同的机器上运行，针对一组基准程序，在不同的机器上运行，各段程序将会产生不同的结果各段程

22、序将会产生不同的结果例：例：P169 P169 图图4-44-4 如何综合评价是困难的如何综合评价是困难的一种简单的综合评价指标：一种简单的综合评价指标：总执行时间总执行时间 机器机器B的性能的性能 总执行时间总执行时间A 1001 机器机器A的性能的性能 总执行时间总执行时间B 110= = 9.1= 9.1= =2012201225华东师范大学计算机科学技术系二、性能比较和综合评价二、性能比较和综合评价上述方法中，程序的平均执行时间与总的执行时间上述方法中，程序的平均执行时间与总的执行时间成正比成正比 各程序执行的算术平均各程序执行的算术平均 AM = 1/n AM = 1/n Time

23、Timei i TimeTimei i: n: n个程序组成的总任务中第个程序组成的总任务中第i i个个 程序的执行时间程序的执行时间减小减小AM AM 缩短平均执行时间缩短平均执行时间 提高了系统性能提高了系统性能i=1i=1n n如程序的执行频度不同，需加权如程序的执行频度不同，需加权加权算术平均加权算术平均方法：以某台计算机为基准，为各个基准程序选择方法：以某台计算机为基准，为各个基准程序选择 一个权重值，使得所有程序在该基准计算机一个权重值，使得所有程序在该基准计算机 上的加权执行时间都相等上的加权执行时间都相等 2012201226华东师范大学计算机科学技术系4 4 评估和理解性能评

24、估和理解性能4.1 4.1 概述概述4.2 CPU4.2 CPU的性能和影响因素的性能和影响因素4.3 4.3 性能评估性能评估4.4 4.4 实例：两个实例：两个SPECSPEC基准测试以及基准测试以及 新型新型IntelIntel处理器的性能评价处理器的性能评价2012201227华东师范大学计算机科学技术系4.4 4.4 实例：两个实例：两个SPECSPEC基准测试以及基准测试以及 新型新型IntelIntel处理器的性能评价处理器的性能评价计算机系统性能评价公司（计算机系统性能评价公司（SPECSPEC） 8989年成立年成立为现代计算机系统建立标准的基准程序集为现代计算机系统建立标准

25、的基准程序集SPECSPEC基准程序集包括多种测试：基准程序集包括多种测试：CPUCPU性能、图形图像、高性能计算、面向对象计性能、图形图像、高性能计算、面向对象计算、算、JavaJava应用程序、客户应用程序、客户- -服务器模型、邮件系服务器模型、邮件系统、文件系统、统、文件系统、WebWeb服务器等等服务器等等2012201228华东师范大学计算机科学技术系4.4 4.4 实例：两个实例：两个SPECSPEC基准测试以及新型基准测试以及新型IntelIntel处理器的性能评价处理器的性能评价 8989年提出一套通用机基准测试程序；年提出一套通用机基准测试程序； 9292年推出：年推出：S

26、PEC92SPEC92 由由1010个测试程序组成：个测试程序组成： 4 4个定点运算（个定点运算（SPECint92)+6SPECint92)+6个浮点运算（个浮点运算（SPECfp92)SPECfp92) 9595年推出：年推出：SPEC95SPEC95 两套：两套：C C语言语言用于测试整数运算性能；用于测试整数运算性能； FORTRANFORTRAN用于测试浮点运算性能。用于测试浮点运算性能。 20002000年推出：年推出：SPEC2000SPEC2000 1212个整数基准测试程序个整数基准测试程序+14+14个浮点基准测试程序个浮点基准测试程序 CINT2000 + CFP200

27、0 P171CINT2000 + CFP2000 P171图图4-54-5 20062006年推出：年推出：SPEC2006 SPEC2006 12 12个定点基准测试程序（个定点基准测试程序（CINT2000CINT2000） 1717个浮点基准测试程序（个浮点基准测试程序（CFP2000CFP2000）不测试不测试I/OI/O性能，运行在性能，运行在UnixUnix下下详细资料可查阅详细资料可查阅SPECSPEC网站网站 2012201229华东师范大学计算机科学技术系4.4 4.4 实例：两个实例：两个SPECSPEC基准测试以及新型基准测

28、试以及新型IntelIntel处理器的性能评价处理器的性能评价一、使用一、使用SPEC CPUSPEC CPU基准程序测试的性能基准程序测试的性能 SPEC CPU2000SPEC CPU2000由整数与浮点基准程序集分别得到由整数与浮点基准程序集分别得到独立的性能评价独立的性能评价 SPEC2000 SPEC2000 参照机：参照机：300MHz Sun Ultra 5 _ 10300MHz Sun Ultra 5 _ 10 统计计算统计计算 SPECSPEC比值比值 = = SPEC SPEC值取几何平均：值取几何平均： SPECSPEC等级等级= =（ SPECSPECi i) )在参照

29、计算机上的运行时间在参照计算机上的运行时间在被测计算机上的运行时间在被测计算机上的运行时间ni=11/n2012201230华东师范大学计算机科学技术系一、使用一、使用SPEC CPUSPEC CPU基准程序测试的性能基准程序测试的性能实例：测试机实例：测试机 Dell PrecisionDell Precision台式机台式机 Intel Pentium IIIIntel Pentium III处理器处理器 Intel Pentium 4 Intel Pentium 4 处理器处理器不同时钟频率下的测试结果：不同时钟频率下的测试结果： P172P172图图4-64-6分析：分析： 时钟频率增

30、长，处理器性能线性增长时钟频率增长，处理器性能线性增长 但实际情况和许多因素有关，同时测试程但实际情况和许多因素有关，同时测试程 序对内存的压力并不太大序对内存的压力并不太大 在浮点基准测试程序集中，在浮点基准测试程序集中，Pentium 4 Pentium 4 比比 PentiumIIIPentiumIII性能好性能好Pentium 4Pentium 4使用更新技术使用更新技术 不能将时钟频率与其他方面的改进截然分开不能将时钟频率与其他方面的改进截然分开2012201231华东师范大学计算机科学技术系4.4 4.4 实例：两个实例：两个SPECSPEC基准测试以及新型基准测试以及新型Inte

31、lIntel处理器的性能评价处理器的性能评价二、二、SPEC web99SPEC web99：webweb服务器吞吐量的基准程服务器吞吐量的基准程 序集序集SPECweb96SPECweb96：19961996年首次推出进行年首次推出进行webweb服务器性服务器性 能测试的基准程序集能测试的基准程序集SPECweb99SPECweb99：19991999年推出新版本年推出新版本 更关注吞吐量，主要测试最大连接数下的响更关注吞吐量，主要测试最大连接数下的响 应时间应时间 用于多处理器系统用于多处理器系统 包括服务器软件测试包括服务器软件测试 性能依赖多方面，包括硬件系统及网络性能依赖多方面，包

32、括硬件系统及网络2012201232华东师范大学计算机科学技术系一、使用一、使用SPEC CPUSPEC CPU基准程序测试的性能基准程序测试的性能实例：测试机实例：测试机 Dell PowerEdgeDell PowerEdge服务器服务器 Xeon Intel Pentium IIIXeon Intel Pentium III处理器处理器 Xeon Intel Pentium 4 Xeon Intel Pentium 4 处理器处理器不同不同DellDell系统的测试结果：系统的测试结果： P172P172图图4-74-7分析：分析： 处理器时钟频率不是决定处理器时钟频率不是决定WebWe

33、b服务器性能的服务器性能的 重要因素重要因素 比较比较66006600、8450/7008450/700 通过配置，将使系统性能更好通过配置，将使系统性能更好XeonXeon版本支持多处理器版本支持多处理器ExonExon MP MP还支持第三层的片外高速缓存还支持第三层的片外高速缓存2012201233华东师范大学计算机科学技术系4.4 4.4 实例：两个实例：两个SPECSPEC基准测试以及新型基准测试以及新型IntelIntel处理器的性能评价处理器的性能评价三、性能、功耗及能量效率三、性能、功耗及能量效率在移动应用中，功耗成为处理器性能的主要限制在移动应用中，功耗成为处理器性能的主要限

34、制 节电的主要技术：节电的主要技术： 休眠休眠 减小时钟频率减小时钟频率 降低电压降低电压 IntelIntel为移动应用设计的低功耗系列机为移动应用设计的低功耗系列机 Pentium MPentium M 三款为移动应用设计的处理器基准测试三款为移动应用设计的处理器基准测试 P174P174图图4-84-82012201234华东师范大学计算机科学技术系能量效率性能平均电能消耗能量效率性能平均电能消耗三款为移动应用设计的处理器能效测试三款为移动应用设计的处理器能效测试 P175P175图图4-94-9分析：分析： Pentium M Pentium M 能量效率显著，特别是在最小时能量效率显

35、著，特别是在最小时 钟模式下钟模式下 Pentium M Pentium M 是为考虑能量效率而设计的是为考虑能量效率而设计的 Pentium III-M Pentium III-M 及及 Pentium 4-MPentium 4-M只是改进型只是改进型 三、性能、功耗及能量效率三、性能、功耗及能量效率2012201235华东师范大学计算机科学技术系4.4 4.4 实例：两个实例：两个SPECSPEC基准测试以及新型基准测试以及新型IntelIntel处理器的性能评价处理器的性能评价四、四、计算机设计的优化计算机设计的优化AmdahlAmdahl定律：定律： T=T1/B+T2T=T1/B+T

36、2 T T： 改进后程序的执行时间改进后程序的执行时间 T1T1：受改进影响的部分的执行时间：受改进影响的部分的执行时间 T2T2：未受改进影响的部分的执行时间：未受改进影响的部分的执行时间 B B： 改进部分性能提高的倍数改进部分性能提高的倍数分析：分析：通过使用某种较快的执行方式所获得的性能提通过使用某种较快的执行方式所获得的性能提高，受限于可使用这种较快执行方式的时间所高，受限于可使用这种较快执行方式的时间所占的比例占的比例系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的性能的提高与这种

37、执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。比例有关。AmdahlAmdahl定律提供了一种判断增强措施可以提高多少性能的定律提供了一种判断增强措施可以提高多少性能的指标，以及如何分配资源才能够改进性价比的途径指标，以及如何分配资源才能够改进性价比的途径 使最常用的部分变得更快使最常用的部分变得更快2012201236华东师范大学计算机科学技术系四、四、计算机设计的优化计算机设计的优化例例3 3）设某程序在某台计算机上运行所需的时）设某程序在某台计算机上运行所需的时间是间是100100秒，其中秒，其中8080秒时间进行乘法操作，若秒时间进行乘法操作，若要使程序执行的速度提高到原来的要使程序执行

38、的速度提高到原来的5 5倍，则乘倍，则乘法部件的执行速度应提高多少倍？法部件的执行速度应提高多少倍？解）改进后的执行时间：解）改进后的执行时间：100100秒秒/5=20/5=20秒秒 20=80/n+2020=80/n+20 0 =80/n 0 =80/n结论：若乘法只占总计算量的结论：若乘法只占总计算量的80%80%，那么无论，那么无论 对乘法部件进行何种改进，都是徒劳。对乘法部件进行何种改进，都是徒劳。某项改进使整体性能提高的幅度，是与改进部某项改进使整体性能提高的幅度，是与改进部分在总任务中所占的比重有关。分在总任务中所占的比重有关。2012201237华东师范大学计算机科学技术系4

39、4 评估和理解性能评估和理解性能4.1 4.1 概述概述4.2 CPU4.2 CPU的性能和影响因素的性能和影响因素4.3 4.3 性能评估性能评估4.4 4.4 实例：两个实例：两个SPECSPEC基准测试以及基准测试以及 新型新型IntelIntel处理器的性能评价处理器的性能评价4.5 4.5 计算机系统的可靠性计算机系统的可靠性2012201238华东师范大学计算机科学技术系4.5 4.5 计算机系统的可靠性计算机系统的可靠性一、一、故障类型故障类型 P375P375图图8-58-5 物理故障物理故障 内部物理故障内部物理故障 外部物理故障外部物理故障 人为故障人为故障 故障故障系统中

40、某一部分出现的物理紊乱现象系统中某一部分出现的物理紊乱现象 永久性故障永久性故障硬件的物理失效引起硬件的物理失效引起 中期故障中期故障偶然性故障，一般可修复偶然性故障，一般可修复 暂态故障暂态故障由于暂时的环境条件而导致由于暂时的环境条件而导致 例）干扰、静电等例）干扰、静电等2012201239华东师范大学计算机科学技术系一、一、 故障类型故障类型 失效失效指系统在规定的条件下和规定的时间指系统在规定的条件下和规定的时间 内丧失了规定的功能内丧失了规定的功能 故故障障 早早期期失失效效期期 稳稳定定工工作作期期 衰衰老老期期 时时间间 失效规律失效规律2012201240华东师范大学计算机科

41、学技术系4.5 4.5 计算机系统的可靠性计算机系统的可靠性二、模块可靠性二、模块可靠性 可靠性可靠性连续服务时间的度量。系统投入连续服务时间的度量。系统投入 使用后，在给定时间内和环境条使用后，在给定时间内和环境条 件下不发生故障的概率件下不发生故障的概率 具有固定故障率的非容错系统：具有固定故障率的非容错系统： R R（t)=et)=e- - t t : : 系统的失效率系统的失效率 t t： 系统建成时时间为零系统建成时时间为零 R(t)R(t)：时间的函数：时间的函数 2012201241华东师范大学计算机科学技术系二、模块可靠性二、模块可靠性 平均故障间隔时间平均故障间隔时间 （MT

42、BF, Mean Time Between FailureMTBF, Mean Time Between Failure） 两次故障时间间隔的平均值两次故障时间间隔的平均值MTBF=（ t ti i)/N)/NNi=1ti是第是第i i次无故障间隔时间，次无故障间隔时间，N N为故障数为故障数越大越好越大越好MTBF = MTTF + MTTRMTBF = MTTF + MTTR2012201242华东师范大学计算机科学技术系二、模块可靠性二、模块可靠性 平均修复时间平均修复时间 （MTTR, Mean Time To RepairMTTR, Mean Time To Repair） 衡量是否

43、能快速恢复衡量是否能快速恢复MTTR=（ t ti i)/M)/MMi=1ti是第是第i i次故障发生至投入运行的时间，次故障发生至投入运行的时间，M M为修复总次数为修复总次数越小越好越小越好2012201243华东师范大学计算机科学技术系二、模块可靠性二、模块可靠性 平均故障时间平均故障时间 （MTTF, Mean Time To FailureMTTF, Mean Time To Failure）MTTFMTTF的倒数是故障率，一般以的倒数是故障率，一般以1010亿小时运行中亿小时运行中的故障时间来计算的故障时间来计算 称为称为FITFIT（Failure In Time)Failure

44、 In Time)例例2 2：1 000 0001 000 000小时小时MTTFMTTF等于等于1000FIT1000FIT2012201244华东师范大学计算机科学技术系二、模块可靠性二、模块可靠性例例3 3：假设一个磁盘子系统有如下组件和：假设一个磁盘子系统有如下组件和MTTFMTTF： 10 10个磁盘，每一个个磁盘，每一个MTTFMTTF是是1 000 0001 000 000小时小时MTTFMTTF 1 1个个SCSISCSI控制器，控制器，500 000500 000小时的小时的MTTFMTTF 1 1个电源，个电源，200 000200 000小时的小时的MTTFMTTF 1 1个风扇，个风扇，200 000200 000小时的小时的MTTFMTTF 1 1条条SCSISCSI电缆，电缆，1 000 0001 000 000小时的小时的MTTFMTTF故障具有独立性，计算系统故障具有独立性，计算系统MTTFMTTF。解：系统故障率解：系统故障率=10=101/1 000 000+1/500 000+1/200 0001