計算機組織

1. 第八章
效能計算
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2. 簡報綱要
8.1 引言
8.2 MIPS
8.3 效能定義
8.4 執行時間 8.6 效能評估程式
8.5 CPI 8.7 結語
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3. 核心重點
效能有兩種表現方式：程
•
式的總執行時間、或資料
的總處理量。
常見的效能評估方式：MIPS（百萬指令/秒）、CPI（指令平
常見的效能評估方式：MIPS（百萬指令/秒）、CPI（指令平
•
均週期）、Benchmark（標準化的效能評估程式）。
均週期）、Benchmark（標準化的效能評估程式）。
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4. 開放式的計算機結構延伸出各種不同的設計觀
念，競爭日益明顯，只是廠商彼此之間對於電
腦組織的看法卻有所差異，這也導致各個電腦
有不同的效能表現。
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5. 問題在於：各種五花八門的電腦總是老王
賣瓜，誰的電腦比誰的強？
眾說紛紜，確實應該有一套評估標準，來
量化效能表現，然而這卻是一條漫長的
路。
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6. 8.2
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7. MIPS
指令數
MIPS =
執行時間 × 10 6
源自於早期ENIAC的效能評估
方法，常以MIPS（百萬指令/
秒）代表，也就是每一秒可
以執行多少個指令。
以執行多少個指令
MIPS代表指令執行的速度，看起來機器越快，大體而言，MIPS
MIPS代表指令執行的速度，看起來機器越快，大體而言，MIPS
值似乎也比較大，這種方法簡單易懂，而且與直覺判斷一致。
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8. 假設一個100MHz計算機，所有指令的執行週期都需要5
個時脈週期，試問其MIPS為何？
解答：
先換算一個時脈週期的執行時間：1/100MHz=10ns
每一個指令需要5個時脈週期5*10ns=50ns
換算成MIPS：
指令數 1
MIPS = = = 20
執行時間 × 10 50 n × 10
6 6
這個計算機具有 20 MIPS
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9. 然而
使用MIPS有幾個問題…
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10. 1.商業電腦總是標示最大的MIPS值
基於利益，廠商會以某一個指令為基準，造成片面
的效能數據。這是一種效能假象，也就是說，使用
者看到的MIPS往往是最大MIPS值（peak MIPS），
並非平均MIPS值。
2.MIPS不完全能夠代表執行時間的快慢
有些特例會證明：MIPS數據與執行時間有”非線性”
關係，這些非正比特例讓MIPS數據變得不太可靠。
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11. 某個100MHz計算機下，各類指令的執行週期可能不同：A類
需要1個時脈週期、B類2個時脈週期、C類3個時脈週期，現
在使用兩個不同的編譯器編譯同一個程式，結果出現不同的
指令碼組合：
編譯器一出現： 5M個A類指令、1M個B類指令、1M個C類指令
編譯器二出現：10M個A類指令、1M個B類指令、1M個C類指令
試問(a)依據MIPS，何者較快？(b) 依據執行時間，何者較
快？
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12. 解答：
先換算一個時脈週期的執行時間：1/100MHz=10ns
(i)編譯器一總共產生的指令數：5M+1M+1M = 7M 個指令
總共需要執行的時脈週期數：
5M×A + 1M×B + 1M×C = 5M×1+1M×2+1M×3=10M 個時脈週期
再把所有的時脈週期轉換成執行時間：10M×10ns = 0.1s
換算成MIPS：
指令數 7M
MIPS = = = 70
執行時間 × 10 0 . 1 × 10
6 6
(ii)編譯器二總共產生的指令數：10M+1M+1M = 12M 個指令
總共需要執行的時脈週期數：
10M×A + 1M×B+ 1M×C = 10M×1+1M×2+1M×3=15M 個時脈週期
再把時所有的時脈週期轉換成執行時間：15M×10ns=0.15s
換算成MIPS： 指令數 12 M
MIPS = = = 80 12
執行時間 × 10 0.15 × 10
6 6

13. 解答：
(iii)結論
依照MIPS結果：編譯器二（80MIPS）而編譯器一（70MIPS）
因此站在MIPS看結果，編譯器二比較快；
依照執行時間結果：編譯器一（0.1s）而編譯器二（0.15s）
因此站在執行時間看結果，編譯器一比較快；
顯然，以上兩者的結果彼此矛盾，這表示MIPS數據有時並不
可靠！
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14. 8.3
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15. 效能定義有二：
與 執行時間 有關（快）
•
與 資料處理量 有關（量）
•
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16. 效能定義一
在相同的功能基底下，程式所需要的執行時間。
程式執行時間少、跑得快，就代表有好的效能。比如：
我的數學求解程式在A計算機花費10秒，而B計算機花費
15秒，因此A效能是B的1.5倍。
效能 執行時間 15
= = = 1 .5
A B
效能 執行時間 10
B A
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17. 效能定義二
在相同的功能基底下，測量固定時間所完成的資料處理
量。
在固定時間內可以執行多少程式，服務多少人次，只要
多工處理的資料處理量愈大，這台計算機就具有好的效
能。
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18. 8.4
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19. 執行時間
所謂執行時間：就是程式執行完畢所需要耗費的
時間。一般而言，就是意指：CPU時間。
所謂CPU時間：單純地指CPU在執行這個程式時所
使用的時間，這並不計算其它程式佔用時間、I/O
介面時間、磁碟時間。
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20. CPU時間
進一步地說，我們更關心的是CPU使用者時間，這才
是真正使用者程式所耗費的時間，可惜的是：
CPU時間=CPU系統時間 + CPU使用者時間
照理說，不應該包含CPU系統時間（作業系統所耗費
的時間），可惜的是，我們很難釐清目前正在執行的
是系統指令或使用者程式指令，在這種情況下，自然
不易量測到真正的CPU使用者時間。
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21. 8.5
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22. CPI（指令平均週期，Cycles Per Instruction）
可以用來計算CPU使用者時間。
22

23. CPI
不同的機器指令可能具有不同的執行時間，如果能夠
求出所有指令的平均週期(CPI)，就可以計算所有指
令執行的CPU使用者時間。
CPU使用者時間=CPU時脈週期×指令總數×CPI
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24. 第一個變數：CPU時脈週期
增快CPU時脈頻率，可以降低CPU時脈週期，
讓CPU使用者時間變小，效能變好！
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25. 試轉換下列CPU：108 KHz 4004 、100MHz 80486、
1GHz Pentium III之時脈週期？
解答：
1
= 9 .26 μ s
4004 CPU時脈週期 =
108 KHz
1
80486 CPU時脈週期 = = 10 ns
100 MHz
1
= = 1ns
Pentium III CPU時脈週期
1 GHz
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26. 第二個變數：指令總數
這裡所執行的指令並非高階語言（比如：C語言）
一行一行的那種高階指令，而是意指編譯後所產
生的機器指令；
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27. 在1GHz RISC電腦上，編寫一個高階C程式，經由編譯
器轉譯成低階的機器指令程式，假設該機器指令都需
要單一時脈的指令週期，請問程式執行0.3秒時，共執
行了幾行機器指令？
解答：
1
= = 1 ns
1GHz CPU時脈週期
1 GHz
0.3s
被執行的指令數 = = 300M 行指令
1 ns
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28. 第三個變數：CPI
如果所有指令都是單一時脈週期，則CPI=1。
可惜的是，指令耗費的時脈週期數不一定固定，
因此想要往指令週期方向思考，就必須求出所有
指令的平均週期CPI。
所有指令的週期總數
CPI =
所有指令數
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29. 假設在相同的指令集架構下，計算機A時脈週期為
1ns，CPI = 2.0，計算機B時脈週期為2ns，CPI =
1.5，試作效能比較？
解答：
效能A 執行時間 CPU時脈週期 × 指令總數 × CPIB 2ns × I × 1.5
=
= = = 1.5
B B B
效能B 執行時間 CPU時脈週期 × 指令總數 × CPIA 1ns × I × 2.0
A A A
因此，A效能是B的1.5倍。
29

30. 8.6
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31. 受到分支、跳躍、迴圈、…等指令的影響，
程式內部的指令出現的機率並不相同，有些
頻率高、有些低。
在難以評估指令出現的動態機率時，CPI執
在難以評估指令出現的動態機率時
行效能的估算將變得複雜。
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32. 效能評估程式（benchmark）
將想要測試的基底功能，以固定型態
或固定工作量安排到應用程式內，這
種應用程式稱為效能評估程式。
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33. SPEC組織
1988年，Appollo/Hewllett、DEC、MIPS、
Sun等知名電腦公司在這種評估觀念下，聯
合共同成立SPEC組織，希望能制訂出一套大
家都能夠接受的標準評估程式，來標準化計
算機效能。
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34. SPEC效能評估程式
比如：SPEC89、SPEC92、SPEC95程式，以標準化
的功能進行計算機效能的評估。
然而，由於計算機科技日新月異，所朝向的領域
不斷地延伸發展，不同廠商之間的劇烈競爭，讓
多樣式標準的發展相當分歧與耗時，共識愈難建
立，這也影響著標準評估程式的未來。
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35. 結 語
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36. 在廠商利益的前提下，效能評估是一條漫長的路！
更何況評估程式的選擇及其使用方法，會因為各種
產品的特性不同，出現不同的結果與爭論，顯然只
要是利益，就很難說理！
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37. 就如同運動場的競技分項一樣，你會短跑、我會跳
高、他會游泳、…，實在不易分辨誰是最優秀的運
動員；
同理，也許讓我們站在各種不同的角度，比如：
MIPS、CPI、CPU時脈週期、機器指令總數、處理
量、…，比較能夠全面地觀察該部電腦的效能，防
止廠商的局部投機現象。
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38. 著名的阿姆達定律（Amdahl’s Law）就明確地表示：
計算機的平行處理能力會受到順序執行指令的牽制，
這是影響效能的重要因素…，您無法只改善電腦的某
個部分，就期待整體系統有相同比例的效能提昇…，
在這種情況下，一味地新增處理器數量，可能無法改
善整體運行的效能。
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39. 就整體性而言，改用標準的效能評估程式是一個比較
可行的方法。
但是任何單一評估程式因為廠商立場與競爭的問題，
並不容易滿足所有計算機市場的要求，在這種內外交
迫的情況下，標準的效能評估程式能否受到所有廠商
的認同，也令人懷疑。
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40. 第八章
課程結束
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