微处理器设计/性能

微处理器设计

时钟周期

时钟信号是一个1位信号，在“1”和“0”之间以一定的频率振荡。当时钟从“0”转换到“1”时，称为**正沿**，当时钟从“1”转换到“0”时，称为**负沿**。

从一个正沿到下一个正沿所花费的时间称为**时钟周期**，表示一个**时钟周期**。

1秒内可以容纳的时钟周期数称为**时钟频率**。要获得时钟频率，我们可以使用以下公式

{\mbox{Clock Frequency}}={\frac {1}{\mbox{Clock Period}}}

时钟频率以每秒周期数为单位测量。

在许多微处理器设计中，执行单个指令时，通常会经历多个时钟周期。因此，经常需要统计执行单个指令所需的周期数。这个数字称为处理器的**每指令周期数**或CPI。

由于所有处理器都可能使用不同的CPI，因此仅通过比较时钟频率无法准确地比较多个处理器。比较**每秒指令数**更有用，它可以这样计算

{\mbox{Instructions per Second}}={\frac {\mbox{Clock Frequency}}{CPI}}

现代处理器中最常见的计量单位之一是“MIPS”，代表每秒百万条指令。一个具有5 MIPS的处理器每秒可以执行500万条指令。另一个常见的指标是“FLOPS”，代表每秒浮点运算次数。MFLOPS是百万FLOPS，GFLOPS是十亿FLOPS，TFLOPS是万亿FLOPS。

在微处理器性能测量中，“指令计数”是在程序运行期间执行的指令数。典型的基准程序的指令计数以百万或十亿计——即使程序本身可能非常短，但这些基准程序都有重复数百万次的内部循环。

一些微处理器设计人员可以自由地向指令集中添加或删除指令。通常，减少指令计数的唯一方法是添加指令，以便可以以使用更少指令的方式重写这些内部循环——这些指令每条指令执行“更多工作”。

有时，与直觉相反，我们可以通过使用在内部循环中可能每条指令执行“更少工作”的指令来提高整体CPU性能（即减少CPU时间），但这些指令可以在更短的时间内完成。

**CPU时间**是CPU完成特定程序所需的时间。CPU时间是完成指令所需时间和程序中指令数量的函数

{\mbox{CPU time}}={\mbox{Instruction Count}}\times CPI\times {\mbox{Clock Cycle Time}}

有时我们可以单独改进3个组件中的一个，从而减少CPU时间。但很多时候我们会发现权衡——例如，一种增加指令计数但减少时钟周期的技术——我们必须测量总CPU时间才能确定该技术是否使整体性能更好或更差。

**Amdahl定律**是关于计算机性能和优化的定律。Amdahl定律指出，单个处理器组件速度的提高对整个处理器单元性能的影响相对较小。

从最一般的意义上讲，Amdahl定律可以用数学方式表述如下

\Delta ={\frac {1}{\sum _{k=0}^{n}{{\big (}{\frac {P_{k}}{S_{k}}}{\big )}}}}

其中

例如，如果我们在内存模块中进行速度改进，只有直接处理内存模块的指令才会体验到加速。在这种情况下，程序中加载和存储指令的百分比将是P₀，这些指令加速的倍数将是S₀。所有其他不受内存单元影响的指令将是P₁，加速将是S₁，其中

P_{1}=1-P_{0}

S_{1}=1

我们将S₁设置为1，因为这些指令不会因内存单元的更改而加速或减速。