计算机性能指标

需掌握计算机的各种性能指标，为后续内容的基础，常常在选择题中考察。

CPU 指标

时钟周期

时钟周期（Clock Cycle）是计算机中 CPU 执行指令的基本时间单位，由系统时钟产生的一个“高低电平”变化（通常称为 脉冲）所定义。

计算机内部有一个 晶体振荡器，通常采用石英晶体，利用其压电效应产生规律的 脉冲信号。石英晶体在施加电压时会发生机械振动，而机械振动反过来又会产生电压。通过在电路中合理配置电容和电感元件，晶体振荡器能够在特定频率上持续振荡，形成稳定的机器脉冲源。

原始的脉冲信号 是一个连续的 模拟信号，在计算机系统中，这个模拟信号通常不会直接使用。为了适配数字电路的需要，晶体振荡器 产生的 模拟信号 会经过整形和分频电路处理，转换为方波形式的 数字脉冲信号，用于同步计算机中各个硬件组件的操作。时钟脉冲信号 的宽度，即连续两个 脉冲 之间的时间间隔，称为 时钟周期。

原始连续模拟信号
离散数字信号
整形和分频
注意

计算机中所有的设备都使用相同的时钟周期么？

不一定。某些组件（如 CPU 和 内存 等）需要同步工作，但不同的设备可能使用不同的时钟周期。

因此计算机内部的设备之间的同步方式可以分为 同步 和 异步 两种。同步设备 使用相同的时钟信号，而 异步设备 则使用不同的时钟信号或不使用时钟信号。

主频

主频（CPU Frequency），是指中央处理器（CPU）的 时钟频率 （Clock Frequency），表示 CPU 每秒可以执行多少个基本 时钟周期。时钟周期 和 主频 互为倒数：

$$\text{\small Frequency} = \frac{1}{\text{\small Clock Cycle}}$$

其单位通常是 MHz（兆赫）或 GHz（千兆赫）。它决定了 时钟振荡 的快慢：

  • 1 Hz：每秒 $1$ 次 时钟振荡
  • 1 MHz = $10^{6}$ 次/秒
  • 1 GHz = $10^{9}$ 次/秒

比如，一个 3.0 GHz 的 CPU，主频是 3,000,000,000 Hz，意味着它每秒经历 30 亿 个 时钟周期。

指令执行指标

CPI

CPI（Cycle Per Instruction）：也称 指令周期，即一条指令所需要的平均 时钟周期。

下图展示了 指令周期、机器周期 和 时钟周期 三者的关联：

时钟
周期
机器周期
（取指令）
机器周期
（译码）
机器周期
（执行）
机器周期
（执行）
指令周期

三者具有层级关系：时钟周期 < 机器周期 < 指令周期。

  • 时钟周期 是硬件层面的最小时间单位。
  • 机器周期 是由多个 时钟周期 组成，用于完成一个基本操作（如取指令、存储数据）。
  • 指令周期 是由多个 机器周期 组成，用于完成一条指令的执行。
IPC

IPC（Instruction Per Cycle）：也称 每周期指令，即每个 时钟周期 执行的平均指令数，是 CPI 的 倒数。

$$\text{\small IPC} = \frac{1}{\text{\small CPI}}$$

IPS

IPS（Instruction Per Second）：也称 每秒指令数，即每秒平均能够执行多少条指令。

$$\text{\small IPS} = \frac{\text{\small 主频}}{\text{\small CPI}}$$

MIPS

MIPS（Million Instructions Per Second）：也称 每秒百万指令数，即每秒能够执行 多少个 百万的指令。

$$1 \text{\small MIPS} = 10^{6} \text{\small IPS}$$

浮点运算指标

FLOPS

FLOPS（Floating-point Operations Per Second，每秒浮点运算次数）是衡量计算机浮点运算性能的指标，它表示处理器每秒能执行的浮点运算次数，通常用来评估 GPU 或 AI 芯片 的性能。

  • MFLOPS（Million FLOPS）: 百万（$10^{6}$）次每秒
  • GFLOPS（Giga FLOPS）: 十亿次（$10^{9}$）每秒
  • TFLOPS（Tera FLOPS）: 万亿次（$10^{12}$）每秒
  • PFLOPS（Peta FLOPS）: 千万亿次（$10^{15}$）每秒
  • EFLOPS（Exa FLOPS）: 百亿亿次（$10^{18}$）每秒
  • ZFLOPS（Zetta FLOPS）: 万亿亿次（$10^{21}$）每秒

每次指标提升都是 $\times 10^3$，比如 $\text{\small GFLOPS} = 10^3 \text{\small MFLOPS}$。

FLOPS_unitsMFLOPSMFLOPSMillion = 10^6GFLOPSGFLOPSGiga = 10^9MFLOPS->GFLOPS×10³TFLOPSTFLOPSTera = 10^12GFLOPS->TFLOPS×10³PFLOPSPFLOPSPeta = 10^15TFLOPS->PFLOPS×10³EFLOPSEFLOPSExa = 10^18PFLOPS->EFLOPS×10³ZFLOPSZFLOPSZetta = 10^21EFLOPS->ZFLOPS×10³legend注：1 FLOP = 1 次浮点运算每级相差 10^3（千倍）

计算机指标

字长

字长（Word Length）指的是计算机在内部一次操作中所能处理的 二进制数字位数。例如，一个 32 位 的 CPU 一次可以处理 32 位 的数据。

数据通路带宽

数据通路带宽（Data Bus Width） 是 CPU 和 内存 之间传输数据的宽度，通常以 位 为单位表示。比如，64 位 的数据总线意味着每个 时钟周期 内，可以传输 64 位 的数据。

主存容量

主存储器 能够存储信息的最大容量，通常用 字节 来衡量。

MAR 的 位数 反映了 可寻址范围 的最大值（不一定是存储器的实际容量），与 地址总线 的 位数 一致。

这里主要看清题目中的 按字节寻址 和 按字寻址，内存空间 / 寻址单位 = 可寻址范围，通过 可寻址范围 计算 MAR 的 位数。

比如主存地址空间大小为 128KB= $2^{17}$B，字长16 位（2B），按字寻址，则 MAR 位数为16。

吞吐量

吞吐量（Throughput）表示在 单位时间 内，系统可以完成的 任务数量。在计算机网络中，它可能表示 数据的传输速率；在 计算 中，它可能表示 每秒执行的操作数。