1.11 性能指标
📝 学习目标
- 理解软设常见性能指标：字长、主频/时钟周期、CPI/IPC、MIPS、吞吐率、响应时间
- 掌握“加权平均”在性能题中的通用做法
- 能完成“主频 + 指令比例 + CPI”类计算题（求 CPU 时间 / MIPS）
- 能把流水线/Cache 题中的计算思路迁移到性能指标
🎯 知识点
1) 字长 / 数据通路宽度（了解即可）
- 字长：CPU 一次能处理的数据长度（常见 32 位 / 64 位）
- 数据通路宽度：数据线一次能通过的数据量（通常也用 bit 表示）
题目若提到“地址总线位数”，通常要联想到可编址空间：n 位地址可表示 2n 个地址。
2) 主频与时钟周期
- 主频 f：1 秒内的时钟脉冲次数（例如 2.8GHz）
- 时钟周期 T：每个脉冲的时间
T = 1 / f常见换算：1GHz = 109Hz，对应周期约 1ns。
3) CPI / IPC 与 CPU 时间
- CPI（Cycles Per Instruction）：执行 1 条指令平均需要多少个时钟周期
- IPC（Instructions Per Cycle）：1 个时钟周期平均执行多少条指令（与 CPI 互为倒数）
CPU 时间（最常用公式）：
其中 IC 为指令条数（Instruction Count），T 为时钟周期。
若题目给出多类指令 A/B/C 的比例，则平均 CPI 用加权平均：
4) MIPS（Million Instructions Per Second）
MIPS 表示“每秒能执行多少百万条指令”：
计算时建议固定套路：
- 先算
- 再算
- 再算指令/秒与 MIPS
5) 吞吐量 / 吞吐率（Throughput）
- 吞吐量：某个时间间隔内完成的任务总量
- 吞吐率：单位时间完成的任务量
吞吐率常用写法：
- 含义：单位时间完成的任务数
- 记法：
课堂类比：港口年吞吐量。
流水线稳定后：
- 最大吞吐率
TPmax = 1 / Tp（Tp 为流水线周期）
6) 响应时间（Response Time）
- 含义：从开始请求到得到结果所用时间
- 在计算机系统中常与“平均访问时间/平均执行时间”一起出现
7) 平均存取时间（Average Access Time）
在 Cache/主存这类“有概率命中”的系统里，高频用加权平均：
其中 h 是命中率。
🧠 难点与易错点
- 易错0：GHz ↔ 周期（ns）换算
- 2.8GHz 表示 1 秒 2.8×109 次，周期 T = 1/(2.8×109) 秒
- 易错1：吞吐率与吞吐量混淆
- 吞吐量：完成了多少（数量）
- 吞吐率：每单位时间完成多少（速率）
- 易错2：加权平均忘记用概率
🔑 关键词解释
- 加权平均（weighted average）：不同情况按发生概率加权。
🔍 联想扩展
- 流水线题：周期决定最大吞吐率
- Cache题：命中率决定平均存取时间
- 这两类题都在考“性能提升来自哪里”
🧪 例题（按难度）
简单（3题）
吞吐率（Throughput）的基本计算式是：
关于吞吐量与吞吐率的关系，正确的是：
在“命中/未命中”“多路径概率”等性能题中，求平均耗时最常用的方法是：
中级（3题）
主频 f 与时钟周期 T 的关系是：
例题1（吞吐率）
某系统 2 秒内完成 200 个请求，则吞吐率为：
例题2（加权平均迁移：Cache思路）
某操作有两种路径：
- 路径1：概率 0.8，耗时 1ms
- 路径2：概率 0.2，耗时 9ms
平均耗时约为：
某操作有两种路径：路径1 概率 0.8 耗时 1ms；路径2 概率 0.2 耗时 9ms。平均耗时约为：
某系统 20 秒内完成 10 个任务，则吞吐率为：
困难（1题）
某 CPU 主频 2.5GHz，平均 CPI=2。求该 CPU 的运算速度（MIPS）约为：
某流水线周期 `Tp = 4ms`，流水线稳定后最大吞吐率 `TPmax` 约为多少（单位：条/ms）？
📚 本课小结
- 主频与周期：T=1/f（单位要统一）
- CPU 时间：Tcpu=IC×CPI×T；平均 CPI 用加权平均
- MIPS：先算 CPU 时间，再算指令/秒
- 吞吐率=数量/时间
- 概率型性能题常用加权平均
- 流水线/Cache 都能转化为性能指标计算