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。

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。

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（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：

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。

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：

三者具有层级关系：时钟周期 < 机器周期 < 指令周期。

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。

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

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。

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

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（Data Bus Width）

数据通路带宽是 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 的位数反应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（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。