計算機性能評價方法

1. 性能評價方法

1.1 時鐘頻率法（Android多核CPU沒有iOS單核流暢）

   時鐘頻率（時鐘頻率速度，clock rate），是指同步電路中時鐘的基礎頻率，它以“若幹次周期每秒”來度量，量度機關采用SI機關赫茲（Hz）。它是評定CPU性能的重要名額。

   計算機的時鐘頻率在一定程度上反映了機器速度，一般來講，主頻越高，速度越快。但是相同頻率、不同體系結構的機器，其速度可能會相差很多倍。

擴充：

   在電子技術中，脈沖信号是一個按一定電壓幅度，一定時間間隔連續發出的脈沖信号。脈沖信号之間的時間間隔稱為周期；而将在機關時間（如1秒）内所産生的脈沖個數稱為頻率。頻率是描述周期性循環信号（包括脈沖信号）在機關時間内所出現的脈沖數量多少的計量名稱；頻率的标準計量機關是Hz（赫茲）。

1.2 指令執行速度法

   在計算機發展的初期，曾用加法指令的運算速度來衡量計算機的速度，速度是計算機的主要性能名額之一。因為加法指令的運算速度大體上可反映出乘法、除法等其他算術運算的速度，而且邏輯運算、轉移指令等簡單指令的執行時間往往設計成與加法指令相同，是以加法指令的運算速度有一定代表性。

   表示機器運算速度的機關是KIPS(每秒千條指令)，後來随着機器運算速度的提高，計量機關由KIPS發展到MIPS(每秒百萬條指令)。常用的有峰值 MIPS、基準程式MIPS和以特定系統為基準的MIPS。MFLOPS表示每秒百萬次浮點運算速度，衡量計算機的科學計算速度，常用的有峰值MFLOPS和以基準程式測得的MFLOPS。

   MFLOPS可用于比較和評價在同一系統上求解同一問題的不同算法的性能，還可用于在同一源程式、同一編譯器以及相同的優化措施、同樣運作環境下以不同系統測試浮點運算速度。由于實際程式中各種操作所占比例不同，是以測得MFLOPS也不相同。MFLOPS值沒有考慮運算部件與存儲器、I/O系統等速度之間互相協調等因素，是以隻能說明在特定條件下的浮點運算速度。

1.3 等效指令速度法（吉普森混合法）

  等效指令速度是在指令執行速度的基礎之上進階發展的一種評測标準。随着計算機指令系統的發展，指令的種類大大增加，用機關指令的MIPS值來表征機器的運算速度的局限性日益暴露，是以就出現了改進的辦法，我們稱之為吉普森(Gibson)混合法或混合比例計算法。

  等效指令速度法是通過各類指令在程式中所占的比例 wi 進行計算得到的。若各類指令的執行時間為 ti 則等效指令的執行時間，

T = ∑ i = 0 n ( w i ∗ t i ) T = \displaystyle\sum_{i=0}^n (w_{i} * t_{i}) T=i=0∑n​(wi​∗ti​)

其中

n

為指令類型的種類數。

   當然采用等效指令速度法對某些程式來說可能嚴重偏離實際，尤其是對複雜的指令集，其中某些指令的執行時間是不固定的，資料的長度、cache的命中率、流水線的效率等都會影響計算機的運算速度，是以後來又發展了其他評價方法。

1.4 資料處理速率法（PDR）

  因為在不同程式中，各類指令使用頻率是不同的，是以等效指令速度法存在着很大的局限性；而且資料長度與指令功能的強弱對解題的速度影響極大。同時這種方法也不能反映現代計算機中高速緩沖存儲器、流水線、交叉存儲等結構的影響。具有這種結構的計算機的性能不僅與指令的執行頻率有關，而且也與指令的執行順序和位址的分布有關。

  PDR法采用計算PDR值的方法來衡量機器性能，PDR值越大，機器性能越好。PDR與每條指令和每個操作數的平均位數以及每條指令的平均運算速度有關，其計算方法如下：

P D R = L R PDR=\cfrac{L}{ R} PDR=RL​

  其中，

L=0.85G+0.15H+0.4J+0.15K

，

R=0.85M+0.09N+0.06P

。式中

G

是每條定點指令的位數，

M

是平均定點加法時間，

H

是每條浮點指令的位數，

N

是平均浮點加法時間，

J

是定點操作數的位數，

P

是平均浮點乘法時間，

K

是浮點操作數的位數。

  此外，還做了如下規定：

G

＞

20位

，

H

＞

30位

；從主存取一條指令的時間等于取一個字的時間；指令與操作存放在主存，無變址或間址操作；允許有并行或先行取指令功能，此時選擇平均取指令時間。

PDR

值主要對

CPU

和主存儲器的速度進行度量，但不适合衡量機器的整體速度，因為它沒有涉及

cache

、多功能部件等技術對性能的影響。

  

PDR

主要是對

CPU

和主存資料處理速度進行計算而得出的，它允許并行處理和指令預取的功能，這時，所取的是指令執行的平均時間。帶有cache的計算機，因為存取速度加快，其

PDR

值也就相應提高。

PDR

不能全面反映計算機的性能，但它曾是美國及巴黎統籌委員會用來限制計算機出口的系統性能名額估算方法。1991年9月停止使用

PDR

，取而代之的是

CTP

(綜合理論性能)。

1.5 綜合理論性能法（CTP）

  

CTP

是美國政府為限制較高性能計算機出口所設定的運算部件綜合性能估算方法。

CTP

以每秒百萬次理論運算

MTOPS

表示，從1991年9月1日起啟用。

  

CTP

的估算方法為首先算出處理部件每一計算單元(如定點加法單元、定點乘法單元、浮點加單元、浮點乘法單元)的有效計算率

R

，再按不同字長加以調整，得出該計算單元的理論性能

TP

，所有組成該處理部件的計算單元

TP

的總和即為綜合理論性能

CTP

。

1.6 基準程式法（Benchmark，跑分軟體）

  上述性能評價方法主要是針對CPU(有時包括主存)它沒有考慮諸如I/O結構、作業系統、編譯程式的效率等系統性能的影響，是以難以準确評價計算機的實際上作能力。

  基準程式法是目前一緻承認的測試性能的較好方法，有多種多樣的基準程式，如主要測試整數性能的基準程式邏輯、測試浮點性能的基準程式等。

1.6.1 Dhrystone基準程式

  

Dhrystone

是測量處理器運算能力的最常見基準程式之一，常用于處理器的整型運算性能的測量。程式是用

C語言

編寫的，是以

C編譯器

的

編譯效率

對測試結果也有很大影響。

  

Dhrystone

的計量機關為每秒計算多少次

Dhrystone

，後來把在

VAX-11/780

機器上的測試結果

1757 Dhrystones/s

定義為

1 Dhrystone MIPS

(百萬條指令每秒)。

  不足：

Dhrystone

不僅不适合于作為嵌入式系統的測試向量，甚至在其大多數場合下都不适合進行應用。

Dhrystone

還有許多漏洞，例如：易被非法利用、人為痕迹明顯、代碼長度太短、缺乏驗證及标準的運作規則等。

1.6.2 Linpack基準程式

  1976年由美國田納西大學傑克·唐加拉（JackDongarra）教授開發的一組求解密集線性方程組的程式包。用以衡量計算機系統的數值計算能力，其基本機關是

FLOPS

（每秒執行多少次浮點操作），世界超級計算機500強排行榜就是采用該基準程式進行評測排序。

1.6.3 Whetstone基準程式

  

Whetstorte

基準程式是HJ.Curnow和BA. Wiehmarm在1976年研制成的。它是

ALGOL

語句混合 (statement mix) 的一種發展。

  它的基本原則是∶在程式編譯後生成的機器指令中，各種指令出現的頻度應

和統計資料中指令出現頻度相符合。

1.6.4 SPEC基準程式

  

SPEC

基準程式系列是由名為Standard Performance Evaluation Corporation作盈利公司所開發的。

SPEC

強調開發實際應用基準程式以求更确切地反映實際工作負載，而不采用小的合成核心。對每個基準程式和基準程式組，

SPEC

定義了少量的（大多數情況為2個）名額以測量整個系統的總性能。

  

SPEC

以測量

CPU

性能的基準程式作為出發點，但已向客戶機/伺服器計算，商業應用以及I/O廣系統等方面擴充。

• SPECmark

  （SPEC分數）

• SPECint

  （SPEC整數）

• SPECfp

  (SPEC浮點數)

• SPECrate

  (SPECint_rate、SPECfp_rate)

1.6.5 TPC基準程式

  1989年由事務處理性能委員會（TransactionProcessingPerformanceCouncil，TPC）制定并釋出的一種商用基準測試程式組。其中早期釋出的TPC-A和TPC-B已被廢棄不用。

• TPC-A

  ：OLTP環境下的資料庫和硬體的性能

• TPC-B

  ：不包括網絡的純事務處理，模拟企業計算環境

• TPC-C

  ：聯機訂貨系統

• TPC-D、TPC-H和TPC-R

  ：決策支援系統

• TPC-E

  ：大型企業資訊服務系統

• TPC-W

  ：通過Internet進行市場服務和銷售的商業行為

結束語：播下一種行動，你将收獲一種習慣；播下一種習慣，你将收獲一種性格；播下一種性格，你将收獲一種命運。大千世界中的芸芸衆生，為什麼有的人春風得意，有的人卻黯然無光？為什麼有的人财運亨通，有的人卻一貧如洗？正是由于每個人的性格不同，才導緻每個人具有不同的命運。