计算机的效能

第二章計算機的效能2.1認識效能22效能的計算2.2效能的計算2.3安德定理（Amdahl’sLaw）24評估效能的標準程式2.4評估效能的標準程式2.5效能評估之標準組織本著作含書附光碟之內容(不含GPL軟體)，僅授權合法持有本書之讀者（包含個人及法人）非商業用途之使用，切著作權所有©旗標出版股份有限公司勿置放在網路上播放或供人下載，除此之外，未經授權不得將全部或局部內容以任何形式重製、轉載、散佈或以其他任何形式、基於任何目的加以利用。認識效能2.1認識效能單一電腦的效能表示不同電腦間的相對效能不同電腦間的相對效能單一電腦的效能表示2.1.1單一電腦的效能表示量化與標準車種載客量極速（km/hr）0-100km/h加速（Sec）F1方程式賽車13753跑車23004.2轎車425091轎車42509.1休旅車918013.1各種汽車的性能比較單一電腦的效能表示2.1.1單一電腦的效能表示量化與標準車種單程所需時間(hr)平均每小時載客數車種單程所需時間()平均每小時載客數F1方程式賽車0.244.17跑車0.36.67轎車轎車0.3611.11休旅車0.518各種汽車往返相距90公里兩地所需的時間與載客效率表現單一電腦的效能表示2.1.1單一電腦的效能表示量化與標準用數據來表現效能就是一種量化（用數據來表現效能，就是一種量化（quantification）的過程。當計算方式都相同，單位也都一樣，我們可以從數字輕易地了解比較結果。從數字輕易地了解比較結果。即使沒有兩種以上的車輛互相比較，我們也能認識每一種車輛的特性認識每一種車輛的特性。數字的產生方法就是一種標準。數字的產生方法就是一種標準單一電腦的效能表示2.1.1單一電腦的效能表示兩種角度－執行時間與生成量執行時間（titi）執行時間（executiontime）一件工作從開始執行到完成所需要的時間。生成量（throughput)在單位時間內可完成特定工作的最高次數。在單位時間內可完成特定工作的最高次數。認識效能2.1認識效能單一電腦的效能表示不同電腦間的相對效能不同電腦間的相對效能不同電腦間的相對效能2.1.2不同電腦間的相對效能有很多時候，「哪一部電腦比較快？快多少？」這樣模糊化的結論還比較有用。樣模糊化的結論還比較有用。想要比較兩個不同系統的效能，同樣必須考慮衡量的標準，較公正的方法是在兩個不同的系統上執行的標準較公正的方法是在兩個不同的系統上執行相同的程式。不同電腦間的相對效能2.1.2不同電腦間的相對效能假設在A、B兩個不同系統執行同一個泡沫排序法（bubblesort）的程式：bubblesort）的程式：欲排序的資料為n筆。系統完成筆資料的排序需費時秒A系統完成n筆資料的排序需費時x秒。B系統完成n筆資料的排序需花費y秒。執行時間與效能的關係式為：1PerformanceExecutionTime不同電腦間的相對效能2.1.2不同電腦間的相對效能A系統的效能為：1APerformancexB系統的效能為：B系統的效能為：1PerformanceBPerformancey不同電腦間的相對效能2.1.2不同電腦間的相對效能若系統A的效能比系統B優異，則：11APerformanceyxzPerformancex1BPerformancexy系統的效能是系統的倍系統A的效能是系統B的z倍不同電腦間的相對效能2.1.2不同電腦間的相對效能若系統A是系統B的改良版本，則：111100%%1ABPerformancePerformanceyxywPerformancex1BPerformancexy系統A效能比系統B快上w%系統A效能比系統B快上w%效能的計算2.2效能的計算基本的效能計算方式以單位時間執行之指令數為效能標準以單位時間執行之指令數為效能標準平均效能的計算方式相對效能的評估基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式基本效能公式執行時間也可稱為程式之CPU執行時間（CPU執行時間也可稱為程式之CPU執行時間（CPUexecutiontimeforaprogram），簡稱CPU時間（CPUtime）。程式的CPU時間計算考量因素：程式的CPU時間計算考量因素：時脈週期（clockcycletime）單一指令的時脈週期數（lklitti單一指令的時脈週期數（clockcyclesperinstruction，CPI）程式內的指令個數（）程式內的指令個數（instructioncount，IC）基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式基本效能公式時脈週期：電腦硬體中必須藉由一種規律發出時脈週期：電腦硬體中，必須藉由一種規律發出的訊號來觸發或啟動CPU工作，這些訊號的頻率稱為時脈頻率（clockrate），時脈頻率越高，速度就越快；其倒數即為時脈週期。CPU在每個時脈週期內可以完成一個很基本的動作。基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式基本效能公式單一指令的時脈週期數：程式的指令不見得是單一指令的時脈週期數：程式的指令不見得是CPU電路中的基本動作，事實上要執行完一個指令，通常必須經由幾個更小的執行週期才能完成；而這些執行週期則是靠硬體所提供的時脈訊號：來驅動，所以指令的長度可用時脈週期（clockcycle）為單位來表示。cycle）為單位來表示基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式基本效能公式不同類型的指令可能會需要不同的時脈週期所不同類型的指令可能會需要不同的時脈週期，所以我們就以其平均數值來代表程式內各指令的時脈週期數，並稱之為單一指令的平均時脈週期數。：不同程式的指令組成不同，因此可能會有不同的CPI。CPI。基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式基本效能公式程式內的指令個數：以程式的觀點來看指令是程式內的指令個數：以程式的觀點來看，指令是最基本的單位，因為程式結構中，不管是主程式、或者是常式（routine）、巨集（macro），都是由一連串的指令所組成。而程式指令執行次數的：多寡，必然直接影響程式執行時間的長短。基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式基本效能公式CPU時間的公式：CPU時間的公式：以時脈週期表示：CPUtime=clockcycletime×CPI×IC：以時脈頻率表示：CPIICCPUtimeCPUtimeclockrate基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式影響效能的因素分析時脈週期（頻率）單一指令的平均時脈週期（時脈週期（頻率）、單一指令的平均時脈週期（CPI）、以及程式指令個數（IC）三者共同決定了CPU的效能。這三者彼此可能會互相牽動，改動任何一樣，都：這三者彼此可能會互相牽動改動任何一樣都有可能會影響到另外二者。幾乎無法只從單一的方法來增進CPU的效能幾乎無法只從單一的方法來增進CPU的效能。基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式影響效能的因素分析第一項第二項第三項SecondsSecondsCyclesInstructionsCPUexecutiontimeProgramCycleInstructionProgramSecond：秒，即是時間執行的程式Program：CPU執行的程式Instruction：所執行程式的指令（數）Cycle：時脈（數）Cycle：時脈（數）基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式影響效能的因素分析第一項：工作時脈頻率或是單一時脈的週期第一項：工作時脈頻率或是單一時脈的週期。第二項：單一指令的平均時脈週期。第三項：一個程式的指令個數。基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式第一項－工作時脈頻率或是單一時脈的週期：表面上看來，複雜的硬體電路可以提供很多高效能的指令表面上看來，複雜的硬體電路可以提供很多高效能的指令供程式來應用，對整體效能應該會有很大的幫助。但在現實上晶片的複雜程度與它所能承受的工作頻率有但在現實上，晶片的複雜程度與它所能承受的工作頻率有很大的關係。越複雜的電路所能加諸其上的時脈頻率越低相對地時脈越複雜的電路所能加諸其上的時脈頻率越低，相對地時脈週期就越長。反之，簡單的電路雖無法提供強大的指令，但卻可以大幅提升時脈頻率縮短每個時脈週期的時間但卻可以大幅提升時脈頻率，縮短每個時脈週期的時間。基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式第二項－單一指令的平均時脈週期是影響CPU時間的第二因素，相關的有：的第二因素，相關的有：指令集：不同ISA會影響指令的平均時脈週期。單一指令週期（single-cycle）多重指令週期（multi-cycle）硬體結構：每個機器碼指令會對應到實現該指令的電路。相同的時脈頻率下，簡單電路所需的時脈週期數會遠較相同的時脈頻率下簡單電路所需的時脈週期數會遠較使用大量邏輯閘來實現的複雜硬體電路多很多。基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式第三項－一個程式的指令個數是影響CPU時間的第一因素，相關的有：一因素，相關的有：程式寫作方式：程式的寫作方式對程式指令個數（IC）的影響最大，尤其若選擇了不同演算法來寫程式，所造成的差異更是不同數量級之間的落差。編譯器：編譯器將高階語言的程式轉為機器語言程式。指令個數會因編譯器的最佳化而減少，而這就會影響程式最終的執行編譯器的最佳化而減少而這就會影響程式最終的執行效能。基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式指令集：電腦的處理器一般都是遵循各自選擇的指令集架構（電腦的處理器一般都是遵循各自選擇的指令集架構（InstructionSetArchitecture，ISA）來設計，而據此所設計的CPU是否正好具有合適的硬體單元可直接滿足程式計的CPU是否正好具有合適的硬體單元可直接滿足程式所需要的運算，則會影響完成工作所需要的指令個數。基本的效能計算方式2.2.1基本的效能計算方式影響效能的因素分析硬體或軟體部分對效能所產生的影響演算法影響程式必須執行的指令個數，以及會產生多少I/O程式語言、編譯器，以及計算機指令集結構決定會產生多少個機器指令處理器和記憶體系統決定執行每道指令所需的時間，以及時脈頻率I/O系統（硬體和作業系統）決定每次I/O處理的速度影響程式執行效能的因素效能的計算2.2效能的計算基本的效能計算方式以單位時間執行之指令數為效能標準以單位時間執行之指令數為效能標準平均效能的計算方式相對效能的評估以單位時間執行之指令數為效能標準2.2.2以單位時間執行之指令數為效能標準每秒百萬個指令（MIPS）MIPS（MilliIttiPSd）定義為MIPS（MillionInstructionsPerSecond），定義為「電腦每秒可執行多少百萬個指令」。以單位時間執行之指令數為效能標準2.2.2以單位時間執行之指令數為效能標準每秒百萬個指令（MIPS）610ICMIPSCPUtime610ICICCPIclockcycletime6101ICCPIclockcycletime610CPIclockcycletimeclockrate610CPI以單位時間執行之指令數為效能標準2.2.2以單位時間執行之指令數為效能標準每秒百萬個指令（MIPS）計算MIPS只需要CPI時脈頻率（或是時脈週期計算MIPS只需要CPI、時脈頻率（或是時脈週期）即可，而程式的指令個數IC與指令集卻不予考慮。若將MIPS當作唯一評估電腦系統效能的標準，並若將MIPS當作唯一評估電腦系統效能的標準並用來評估單一程式的執行，就可能會得到不正確的結果。的結果。以單位時間執行之指令數為效能標準2.2.2以單位時間執行之指令數為效能標準【例題1】假設有一台甲電腦其時脈週期為但有三類具有不同假設有一台甲電腦，其時脈週期為2ns，但有三類具有不同CPI的指令，如下表所示：指令類