计算机系统结构 - 性能评价与测量

1. 计算机系统结构-性能评价与测量 <<上海大学计算机系统结构>> 课程组

2. 概论 • 用户总希望能以最小的代价，最有效地利用系统的一切资源，使之具有尽可能高的信息处理能力，以满足需要。因此用户总是不断地追求计算机系统的性能价格比的改善，迫切需要了解对计算机系统进行性能评价的结果。 • 设计人员又要不断地提高计算机系统的性能价格比，不断地对计算机系统的性能进行评价和测量。计算机性能评价是指计算机系统对原始数据进行逻辑推算；计算机性能测量是指采用基准测试程序包来度量计算机系统的性能。

3. 定义 • 计算机性能评价： 计算机系统对原始数据进行逻辑推算； • 计算机性能测量： 采用基准测试程序包来度量计算机系统的性能。

4. 性能评价的标志 • 计算机系统性能的主要标志是计算机速度。随着计算机系统结构的发展和复杂化，仅从计算机速度来反映计算机系统性能就不合适了。应该从对计算机系统的硬件、软件等各个方面进行更为准确的评价，才能全面反映计算机系统的性能。 • 计算机系统的速度仍然是衡量计算机系统性能最直接和最主要的标志之一。

5. 性能评价的标志 • 计算机系统中CPU的主频往往决定了机器周期的长短，从某种意义上说它能反映计算机的速度。显然主频越高，计算机运行的速度就越快。 • 用指令运行速度来表示机器的速度。由于指令种类很多，且执行时间又不一样，在程序中各类指令使用频度又存在很大的差异，因此出现了好多种评价的方法。

6. 性能评价的标志 • 计量单位： • 定点整数指令每秒运算百万次的MIPS（Million Instruction Per Second） • 浮点指令每秒运算百万次的MFLOPS（Million FLOating-point instruction Per Second）。

7. 性能评价的标志 • 随着指令系统的发展，仅用加法指令运算速度已不能很好地反映机器速度，出现了“等效指令速度法”。它是通过取各类指令在程序中的比例（ωi）进行折算来获得的。若每类指令的执行时间为ti，则等效指令的执行时间T为： • T=Σωi ti • 机器的等效指令速度V为：V=1/T

8. 性能评价的标志 • 现在性能评测都采用了所谓的“基准测试程序法”标准，如SPEC Mark、LINPACK等。选用最频繁使用的核心程序段、包括编译、I/O操作等的典型程序段，甚至人为地编制能涉及各方面操作的考核程序，将它们混合起来作为评价机器速度的标志。

9. 性能的描述 • 计算机系统的性能主要反映了一个系统的使用价值，即性能价格比。广泛的性能含义包括系统处理能力、响应速度、工作效率、可靠性、可使用性、可维护性等。这些性能；既有可定量的指标，也有不可定量的指标；既有可客观测定的，也有很大程度上取决于评价者的主观性；而且与系统的应用环境、工作负载、求解问题规模的大小密切相关；当然系统的价格是决不能忽视的重要因素。所以在讨论计算机系统的性能时不能脱离实际条件。

10. 性能评价的对象 性能评价的对象是整个计算机系统。但计算机系统是包括硬件、软件等复杂的系统，又与工作环境、工作方式、应用对象等有密切的关联，所以要明确地划清计算机系统的环境（边界环境），其中最主要的是工作负载。所谓工作负载就是加到系统上的服务需求量，它可以是一个作业对CPU工作时间的需求量、存储空间的需求量、I/O工作的需求量以及软件资源的需求量等等。工作负载模型可以是自然负载模型，也可以是研究者建立的负载模型，而且精确建立的负载模型可以节约评价时间和开销。实际上性能评价最困难的工作是选定有代表性的工作负载模型。

11. 性能评价的手段 • 在选定工作负载后，就要利用评价手段收集有关系统性能的数据，这就要用评价技术来实现。现在主要有测量技术（有实际系统存在、并可从系统直接测得数据）和模型技术（只能从模型来测得数据）。

12. 性能的评价 • 究竟怎样的系统结构是最好的？一般来说系统结构的性能不应只以程序执行速度来度量，而应该用实际解题效率来度量。但是前者容易度量且可量化，而后者很难度量，因此前者被广泛地使用和交流。在专业性讨论时，又往往用后者更能说明问题。 • 中科院的联想LSSC-II机群系统运行国际标准的Linpack基准程序HPL，使用512个处理器求解153600阶线性方程组，实测性能达到每秒1.027万亿次浮点运算。