整理計算機(jī)計算機(jī)系統(tǒng)的性能評價技術(shù)與方法

1、計算機(jī)系統(tǒng)的性能評價技術(shù)與方法、尸-、-刖言：計算機(jī)發(fā)展初期，人們用簡單的技術(shù)指標(biāo)（如加法速度、存儲容量）描述計算機(jī)性能， 用簡單的測量方法收集計算機(jī)運行信息。隨著計算機(jī)系統(tǒng)不斷更新， 系統(tǒng)性能問題日趨復(fù)雜，逐步開展硬件和軟件監(jiān)測工具的研究，應(yīng)用概率論、排隊論建立系統(tǒng)分析模型的研究，以及應(yīng)用數(shù)字模擬技術(shù)進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)模擬。60年代初，一些用于描述離散事件的模擬語言問世。從60年代中期起，開始研究計算機(jī)系統(tǒng)性能評價的概念、方法和工具，逐漸形成計算 機(jī)科學(xué)技術(shù)的一個分支學(xué)科。就目前而言，主要的性能評價技術(shù)有以下方法：時鐘頻率、執(zhí) 行速度、處理速率等。本文將在下面的內(nèi)容中就這些方法做出比較詳細(xì)的解釋

2、和說明。1、時鐘頻率：對于一個計算機(jī)系統(tǒng)而言，速度是很重要的一項。 計算機(jī)系統(tǒng)的時鐘速度是以頻率來衡量的。晶體振蕩器控制著時鐘速度，在石英晶片上加上電壓， 其就以正弦波的形式震動起來，這一震動可以通過晶片的形變和大小記錄下來。晶體的震動以正弦調(diào)和變化的電流的形式表現(xiàn)出來，這一變化的電流就是時鐘信號。而內(nèi)存本身并不具備晶體振蕩器，因此內(nèi)存工作時的時鐘信號是由主板芯片組的北橋或直接由主板的時鐘發(fā)生器提供的，也就是說內(nèi)存無法決定自身的工作頻率，其實際工作頻率是由主板來決定的。計算機(jī)的時鐘頻率在一定程度上反映了機(jī)器速度，一般來說，主頻越高，速度越快。但是相同頻率、不同體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器，其 速度可能會相差

3、很多倍，因此還需要用其他方法來測定機(jī)器性能。2、等效指令速度：等效指令速度是在指令執(zhí)行速度的基礎(chǔ)之上進(jìn)階發(fā)展的一種評測標(biāo)準(zhǔn)。隨著計算機(jī)指令系統(tǒng)的發(fā)展，指令的種類大大增加， 用單位指令的 MIPS值來表征機(jī)器的運算速度的局限性 日益暴露，因此就出現(xiàn)了改進(jìn)的辦法，我們稱之為吉普森（Gibs on）混合法或等效指令速度法。 等效指令速度法統(tǒng)計各類指令在程序中所占比例，并進(jìn)行折算設(shè)某類指令i在程序中所占比例為wi，執(zhí)行時間為ti，則等效指令的執(zhí)行時間為：T=刀（wi*ti）其中n為指令的種類數(shù)。等效指令速度的提出， 在一定程度上使得計算機(jī)系統(tǒng)的評價標(biāo) 準(zhǔn)上了一個新的臺階，這種方法本身也受到業(yè)內(nèi)人士的好

4、評。3、指令執(zhí)行速度:指令執(zhí)行速度可以說基本上依賴于CPU的性能。在計算機(jī)發(fā)展的初期，曾用加法指令的運算速度來衡量計算機(jī)的速度，速度是計算機(jī)的主要性能指標(biāo)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(shù)運算的速度，而且邏輯運算，轉(zhuǎn)移指令等簡單指令的執(zhí)行時間往往設(shè)計成與加發(fā)指令相同，因此加法指令的運算速度有一定代表性。當(dāng)時表征機(jī)器運算速度的單位是KIPS（每秒千條指令），后來隨著機(jī)器運算速度的提高，計量單位由KIPS發(fā)展到MIPS（每秒百萬條指令），但是本質(zhì)上指令執(zhí)行速度這一項還是有CPU本身性質(zhì)決定的。4、數(shù)據(jù)處理速率：在等效指令速度評價標(biāo)準(zhǔn)大行其道的時候，人們也發(fā)現(xiàn)了這種方法的

5、不足之處：因為在不同程度中，各類指令的使用頻率是不同的，所以固定比例方法存在著很大的局限性；而且數(shù)據(jù)長度與指令功能的強(qiáng)弱隊解題的速度影響極大。同時這種方法也不能反映現(xiàn)代計算機(jī)中高速緩沖存儲器（cache）、流水線、交叉存儲等結(jié)構(gòu)的影響。 具有這種結(jié)構(gòu)的計算機(jī)的性能不 僅與指令的執(zhí)行頻率有關(guān)，而且也與指令的執(zhí)行順序與地址分布有關(guān)。所以由此誕生了一種新的評測指標(biāo)一一數(shù)據(jù)處理速率。數(shù)據(jù)處理速率PDR法采用計算“數(shù)據(jù)處理速率”PDR值的方法來衡量機(jī)器性能，PDR值越大，機(jī)器性能越好。PDR與每條指令和每個操作數(shù)的平均位數(shù)以及為條指令的平均運算速度有關(guān)，其計算方法如下：PDR=L/R其中：L=0.85G

6、+0.15H+0.4J+0.15KR=0.85M+0.09N+0.06P式中：G是每條定點指令的位數(shù)；M是平均定點加發(fā)時間；H是每條浮點指令位數(shù)；N是平均浮點加發(fā)時間；J是定點操作數(shù)的位數(shù)；P是平均浮點乘法時間；K是浮點操作數(shù)的位數(shù)。此外，還作了如下規(guī)定： G20位，H30位；從主存取一條指令的時間等于取一個字 的時間；指令與操作數(shù)存放在主存，無變址或間址操作；允許有并行或先行取址指令功能， 此時選擇平均取指令時間。PDR值主要隊CPU和主存儲器的速度進(jìn)行度量，但不適合衡量機(jī)器的整體速度，因為它沒有涉及cache,多功能部件等技術(shù)隊性能的影響。5、綜合理論性能綜合理論性能是自計算機(jī)出現(xiàn)之初就存

7、在的一種評價方式。它通過對硬件基礎(chǔ)的分析和測試來給計算機(jī)系統(tǒng)打分， 最后以一個分?jǐn)?shù)來作為某計算機(jī)系統(tǒng)性能的最終評價。在過去的時代，計算機(jī)組成部件并未如此多樣化，所以這種評測方式也一直沿用下來。但是在現(xiàn)階段，我們除了對硬件部件本身的性能有要求外，更多的是要求硬件之間的協(xié)調(diào)性和硬件和軟件之間的緊密聯(lián)系，而這些必須通過組合使用才能得到真實結(jié)果。因此，類似這種純理論分析評價計算機(jī)系統(tǒng)的方式現(xiàn)在已經(jīng)很少了，但不可否認(rèn)這種評價方式曾經(jīng)的輝煌。6基準(zhǔn)程序法基準(zhǔn)程序法是評價計算機(jī)系統(tǒng)性能中非常重要的一種方法。因為所有計算機(jī)都是為用戶服務(wù)的，所以真正運行用戶要求的程序或處理相應(yīng)數(shù)據(jù)的速度更具有說服力。基準(zhǔn)程序法

8、就是由此而生的：它把應(yīng)用程序中用得最頻繁得那部分核心程序作為評價計算機(jī)性能得標(biāo)準(zhǔn)程 序，在不同的機(jī)器上運行，測得其執(zhí)行時間，作為各類機(jī)器性能評價得依據(jù)。機(jī)器軟硬件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)得特點能在核心程序中得到反映，但是核心程序個部分之間得聯(lián)系較小。由于程序短，所以訪問存儲器得局部性特征很明顯，以致cache得命中率比一般程序高。這種方法比上邊所說的各種方法的優(yōu)越之處在于，它考慮了諸如I/O結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯程序的效率等系統(tǒng)性能的影響，因此評價出的是計算機(jī)的實際工作能力。而實際上，用戶所需要的正是實際工作能力。由此而衍生出多種多樣的基準(zhǔn)測試程序，我們以下面幾個為例：（1）整數(shù)測試程序Dhrystone是一個

9、綜合性的基準(zhǔn)測試程序，它是為了測試編譯器和CPU處理整數(shù)指令和控制功能的有效性，人為地選擇一些“典型指令綜合起來形成的測試程序。用C語言編寫的Dhrystone基準(zhǔn)程序用了 100條語句，由下列操作組成：各種賦值語句； 各種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)區(qū)；各種控制語句；過程調(diào)用和參數(shù)傳送；整數(shù)運算和邏輯操作。Dhrystone程序測試的結(jié)果由每秒 1757Dhrystones,為便于比較，人們假設(shè)1 VAX MIPS= 每秒1757Dhrystones，將被測機(jī)器的結(jié)果除以 1757，就得到被測機(jī)器相對 VAX 11/780的 MIPS值。有些廠家在宣布機(jī)器性能時就用 Dhrystone MIPS值作為各自

10、機(jī)器的 MIPS值。不過不同廠家在測試 MIPS值時，使用的基準(zhǔn)程序一般不一樣的，因此不同廠家機(jī)器的MIPS值有時雖然相同的，但是性能卻可能相差很大，那是因為各廠家在設(shè)計計算機(jī)時針對 不同的應(yīng)用領(lǐng)域：如科學(xué)和工程應(yīng)用、商業(yè)管理應(yīng)用、圖形處理應(yīng)用等，而采用了不同的體 系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法。同一個廠家的機(jī)器， 采用相同的體系結(jié)構(gòu)，用相同的基準(zhǔn)程序測試，得 到的MIPS值越大，一般說明機(jī)器速度越快。（2）浮點測試程序在計算機(jī)科學(xué)工程應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，浮點計算工作量占很大比例，因此機(jī)器的浮點性能對系 統(tǒng)的應(yīng)用有很大的影響。有些機(jī)器只標(biāo)出單個浮點操作性能，如浮點加法、浮點乘法時間。 而大部分工作站則標(biāo)用Lin p

11、ack和Whetst one基準(zhǔn)程序測得浮點性能。Lin pack主要測試向量性能和高速緩存性能。Whetstone是一個綜合性測試程序，除測試浮點操作外，還測試整數(shù)計算和功能調(diào)用等性能。（3）SPEC 基準(zhǔn)程序（SPEC benchmark）SPEC是System PerformanceEvaluation Cooperative的縮寫，是幾十家世界知名計算機(jī)大 廠商所支持的非盈利的合作組織，旨在開發(fā)共同認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)程序。SPEC基準(zhǔn)程序是由SPEC開發(fā)的一組用于計算機(jī)性能綜合評價的程序。以對VAX11/780機(jī)的測試結(jié)果作為基數(shù)，其他計算機(jī)的測試結(jié)果以相對于這個基數(shù)的比率來表 示。SPE

12、C基準(zhǔn)程序能較全面地反映機(jī)器性能，有一定的參考價值。SPEC版本1.0是1989年10月宣布的，是一套復(fù)雜的基準(zhǔn)程序集，主要用于測試與工 程和科學(xué)應(yīng)用有關(guān)的數(shù)值密集型的整數(shù)和浮點數(shù)方面的計算。源程序超過15萬行，包含10個測試程序，使用的數(shù)據(jù)量比較大，分別測試應(yīng)用的各個方面。SPEC基準(zhǔn)程序測試結(jié)果一般以SPECmark（ SPEC分?jǐn)?shù)）、SPECint （SPEC整數(shù)）和SPECfp（SPEC浮點數(shù)）來表示。其中SPEC分?jǐn)?shù)是10個程序的幾何平均值，SPEC整數(shù)是4個整數(shù)程序的幾何平均值，SPEC浮點數(shù)是6個浮點程序的集合平均值。1992年在原來SPECint89和SPECfp89的基礎(chǔ)上增

13、加了兩個整數(shù)測試程序和 8個浮點數(shù) 測試程序，因此 SPECint92由6個程序組成，SPECfp92由14個程序組成。這 20個基準(zhǔn)程 序是基于不同的應(yīng)用寫成的，主要測量 32位cpu、主存儲器、編譯器和操作系統(tǒng)的性能。（4）TPC基準(zhǔn)程序TPC是Transaction Processing Council （事務(wù)處理委員會）的縮寫，TPC基準(zhǔn)程序是由TPC開發(fā)的評價計算機(jī)事務(wù)處理性能的測試程序，用以評價計算機(jī)在事務(wù)處理、數(shù)據(jù)庫處 理、企業(yè)管理與決策支持系統(tǒng)等方面的性能。TPC成立與1988年，目前已有40多個成員，幾乎包括了所有主要的商用計算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該基準(zhǔn)程序的評測結(jié)果用每秒完

14、成的事務(wù)處理數(shù)TPC來表示。TPC基準(zhǔn)測試程序在商業(yè)界范圍內(nèi)建立了用于衡量機(jī)器性能以及 性能價格比的標(biāo)準(zhǔn)。7、可靠性:計算機(jī)系統(tǒng)可靠性指在規(guī)定條件下和給定時間內(nèi)計算機(jī)系統(tǒng)正確運行（計算）的概率。通常可靠性用平均無故障間隔時間MTBF來表示，即系統(tǒng)能正確運行時間的平均值。正確運行用下列四個標(biāo)準(zhǔn)來判斷：程序不為故障所破壞或停止；結(jié)果不包括由故障所引起的錯 誤；執(zhí)行時間不超過一定的限度；程序運行在允許的領(lǐng)域內(nèi)。除可靠性外，還有系統(tǒng)的可維性和可用性。可維性是指系統(tǒng)可維修的狀況，通常用平均修復(fù)時間MTRF來表征?？捎眯跃褪怯嬎銠C(jī)系統(tǒng)的使用效率，并以系統(tǒng)在任意時刻能正確運行的概率來表示。一般說來，計算機(jī)系

15、統(tǒng)可靠性廣義的含意包括可靠性、可用性和可維性，統(tǒng)稱為計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。隨著計算機(jī)應(yīng)用范圍的日益擴(kuò)大，尤其是實時控制的運用， 對計算機(jī)系統(tǒng)提出了超過單純靠元件和工藝所能達(dá)到的可靠性要求，這也就提出了計算機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計的觀念?？煽啃栽O(shè)計是指在計算機(jī)生產(chǎn)設(shè)計的過程中預(yù)估計可能出現(xiàn)的問題而提前采取措施的一種設(shè)計 理念，高的可靠性設(shè)計指標(biāo)靠容錯和非容錯兩種方法來實現(xiàn)。非容錯法就是預(yù)先消除不可靠的因素，以保障可靠的計算方法，即在允許的成本范圍內(nèi)選擇或者篩選出最可靠的元件，使用成熟可靠的連接裝配技術(shù)，采取有效的措施屏蔽可能的外界干擾，例如用濾波消除電網(wǎng)干 擾等。非容錯法設(shè)計不能一次完成。在確定初步方

16、案后， 要利用已知或者預(yù)測到的元件和互連的可靠性來定量估算系統(tǒng)或者分系統(tǒng)的可靠性。另外還須對系統(tǒng)和分系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真和測試，以保證邏輯設(shè)計的正確性，最后完善系統(tǒng)的診斷測試。容錯法是針對計算機(jī)系統(tǒng)運算 過程中出現(xiàn)的故障或者低可靠性元件所采取的系統(tǒng)性可靠措施。運行故障有三種類型： 永久性失效、瞬間失效和外界干擾。根據(jù)故障失效的持續(xù)時間、影響范圍和出現(xiàn)頻率，選用不同的防護(hù)性冗余就是容錯法的設(shè)計內(nèi)容。容錯設(shè)計是建筑在非容錯設(shè)計基礎(chǔ)上的，首先要對運行性故障進(jìn)行調(diào)查分類， 并確定其等級，然后針對不可靠因素及其程度采用各種有效的容錯 措施，包括附加硬件的硬件冗余、附加軟件的軟件冗余和重復(fù)操作的時間冗余，最后

17、用分析或者實驗的方法來驗證容錯的效果。兩種設(shè)計方法都是系統(tǒng)可靠性設(shè)計的重要方法。除了上述要點之外，還有一項可以提高計算機(jī)系統(tǒng)可靠性的技術(shù)成為冗余技術(shù)。計算機(jī)系統(tǒng)冗余類似于建筑結(jié)構(gòu)中的冗余，即允許一個或幾個構(gòu)件（元件）失效，而不損傷整個建筑。計算冗余包括以下內(nèi)容：靜態(tài)和動態(tài)硬件冗余、軟件冗余、時間冗余。靜態(tài)硬件冗余：又稱屏蔽冗余，它是通過附加元件的辦法來屏蔽故障，使系統(tǒng)的功能不受影響。常見的靜態(tài)硬件冗余有雙工（同一種功能由二個元件并行承擔(dān)）、模3表決冗余動態(tài)硬件冗余：這種冗余包括二個階段，首先發(fā)現(xiàn)故障，其后消除故障而“復(fù)?！痹谟嬎銠C(jī)系統(tǒng)中采用動態(tài)硬件冗余時，要求系統(tǒng)具有模塊結(jié)構(gòu)和檢測故障的能力，例如設(shè)有自校驗碼，部件狀態(tài)標(biāo)志等。復(fù)常的措施可選用糾錯裝置（如海明校驗）、部件切換以及系統(tǒng)適度降級重新組織好元件等技術(shù)。為了保證復(fù)常成功，還要