1、計算機系統的性能評價技術與方法、尸-、-刖言：計算機開展初期,人們用簡單的技術指標如加法速度、存儲容量描述計算機性能, 用簡單的測量方法收集計算機運行信息.隨著計算機系統不斷更新, 系統性能問題日趨復雜,逐步開展硬件和軟件監測工具的研究,應用概率論、排隊論建立系統分析模型的研究,以及應用數字模擬技術進行計算機系統模擬.60年代初,一些用于描述離散事件的模擬語言問世.從60年代中期起,開始研究計算機系統性能評價的概念、方法和工具,逐漸形成計算 機科學技術的一個分支學科.就目前而言,主要的性能評價技術有以下方法：時鐘頻率、執 行速度、處理速率等.本文將在下面的內容中就這些方法做出比擬詳細的解釋和說

2、明.1、時鐘頻率：對于一個計算機系統而言,速度是很重要的一項. 計算機系統的時鐘速度是以頻率來衡量的.晶體振蕩器限制著時鐘速度,在石英晶片上加上電壓, 其就以正弦波的形式震動起來,這一震動可以通過晶片的形變和大小記錄下來.晶體的震動以正弦調和變化的電流的形式表現出來,這一變化的電流就是時鐘信號.而內存本身并不具備晶體振蕩器,因此內存工作時的時鐘信號是由主板芯片組的北橋或直接由主板的時鐘發生器提供的,也就是說內存無法決定自身的工作頻率,其實際工作頻率是由主板來決定的.計算機的時鐘頻率在一定程度上反映了機器速度,一般來說,主頻越高,速度越快.但是相同頻率、不同體系結構的機器,其 速度可能會相差很多

3、倍,因此還需要用其他方法來測定機器性能.2、等效指令速度：等效指令速度是在指令執行速度的根底之上進階開展的一種評測標準.隨著計算機指令系統的開展,指令的種類大大增加, 用單位指令的 MIPS值來表征機器的運算速度的局限性 日益暴露,因此就出現了改良的方法,我們稱之為吉普森Gibs on混合法或等效指令速度法. 等效指令速度法統計各類指令在程序中所占比例,并進行折算設某類指令i在程序中所占比例為wi,執行時間為ti,那么等效指令的執行時間為：T=刀wi*ti其中n為指令的種類數.等效指令速度的提出, 在一定程度上使得計算機系統的評價標 準上了一個新的臺階,這種方法本身也受到業內人士的好評.3、指

4、令執行速度:指令執行速度可以說根本上依賴于CPU的性能.在計算機開展的初期,曾用加法指令的運算速度來衡量計算機的速度,速度是計算機的主要性能指標之一.由于加法指令的運算速度大體上可反映出乘法,除法等其他算術運算的速度,而且邏輯運算,轉移指令等簡單指令的執行時間往往設計成與加發指令相同,因此加法指令的運算速度有一定代表性.當時表征機器運算速度的單位是KIPS每秒千條指令,后來隨著機器運算速度的提升,計量單位由KIPS開展到MIPS每秒百萬條指令,但是本質上指令執行速度這一項還是有CPU本身性質決定的.4、數據處理速率：在等效指令速度評價標準大行其道的時候,人們也發現了這種方法的缺乏之處：由于在不

5、同程度中,各類指令的使用頻率是不同的,所以固定比例方法存在著很大的局限性；而且數據長度與指令功能的強弱隊解題的速度影響極大.同時這種方法也不能反映現代計算機中高速緩沖存儲器cache、流水線、交叉存儲等結構的影響. 具有這種結構的計算機的性能不 僅與指令的執行頻率有關,而且也與指令的執行順序與地址分布有關.所以由此誕生了一種新的評測指標一一數據處理速率.數據處理速率PDR法采用計算“數據處理速率PDR值的方法來衡量機器性能,PDR值越大,機器性能越好.PDR與每條指令和每個操作數的平均位數以及為條指令的平均運算速度有關,其計算方法如下：PDR=L/R其中：L=0.85G+0.15H+0.4J+

6、0.15KR=0.85M+0.09N+0.06P式中：G是每條定點指令的位數；M是平均定點加發時間；H是每條浮點指令位數；N是平均浮點加發時間；J是定點操作數的位數；P是平均浮點乘法時間；K是浮點操作數的位數.此外,還作了如下規定： G>20位,H>30位；從主存取一條指令的時間等于取一個字 的時間；指令與操作數存放在主存,無變址或間址操作；允許有并行或先行取址指令功能, 此時選擇平均取指令時間.PDR值主要隊CPU和主存儲器的速度進行度量,但不適合衡量機器的整體速度,由于它沒有涉及cache,多功能部件等技術隊性能的影響.5、綜合理論性能綜合理論性能是自計算機出現之初就存在的一種

7、評價方式.它通過對硬件根底的分析和測試來給計算機系統打分, 最后以一個分數來作為某計算機系統性能的最終評價.在過去的時代,計算機組成部件并未如此多樣化,所以這種評測方式也一直沿用下來.但是在現階段,我們除了對硬件部件本身的性能有要求外,更多的是要求硬件之間的協調性和硬件和軟件之間的緊密聯系,而這些必須通過組合使用才能得到真實結果.因此,類似這種純理論分析評價計算機系統的方式現在已經很少了,但不可否認這種評價方式曾經的輝煌.6基準程序法基準程序法是評價計算機系統性能中非常重要的一種方法.由于所有計算機都是為用戶效勞的,所以真正運行用戶要求的程序或處理相應數據的速度更具有說服力.基準程序法就是由此

8、而生的：它把應用程序中用得最頻繁得那局部核心程序作為評價計算機性能得標準程 序,在不同的機器上運行,測得其執行時間,作為各類機器性能評價得依據.機器軟硬件結構結構得特點能在核心程序中得到反映,但是核心程序個局部之間得聯系較小.由于程序短,所以訪問存儲器得局部性特征很明顯,以致cache得命中率比一般程序高.這種方法比上邊所說的各種方法的優越之處在于,它考慮了諸如I/O結構、操作系統、編譯程序的效率等系統性能的影響,因此評價出的是計算機的實際工作水平.而實際上,用戶所需要的正是實際工作水平.由此而衍生出多種多樣的基準測試程序,我們以下面幾個為例：1整數測試程序Dhrystone是一個綜合性的基準

9、測試程序,它是為了測試編譯器和CPU處理整數指令和限制功能的有效性,人為地選擇一些“典型指令綜合起來形成的測試程序.用C語言編寫的Dhrystone基準程序用了 100條語句,由以下操作組成：各種賦值語句； 各種數據類型的數據區；各種限制語句；過程調用和參數傳送；整數運算和邏輯操作.Dhrystone程序測試的結果由每秒 1757Dhrystones,為便于比擬,人們假設1 VAX MIPS= 每秒1757Dhrystones,將被測機器的結果除以 1757,就得到被測機器相對 VAX 11/780的 MIPS值.有些廠家在宣布機器性能時就用 Dhrystone MIPS值作為各自機器的 MI

10、PS值.不過不同廠家在測試 MIPS值時,使用的基準程序一般不一樣的,因此不同廠家機器的MIPS值有時雖然相同的,但是性能卻可能相差很大,那是由于各廠家在設計計算機時針對 不同的應用領域：如科學和工程應用、商業治理應用、圖形處理應用等,而采用了不同的體 系結構和實現方法.同一個廠家的機器, 采用相同的體系結構,用相同的基準程序測試,得 到的MIPS值越大,一般說明機器速度越快.2浮點測試程序在計算機科學工程應用領域內,浮點計算工作量占很大比例,因此機器的浮點性能對系 統的應用有很大的影響.有些機器只標出單個浮點操作性能,如浮點加法、浮點乘法時間. 而大局部工作站那么標用Lin pack和Whe

11、tst one基準程序測得浮點性能.Lin pack主要測試向量性能和高速緩存性能.Whetstone是一個綜合性測試程序,除測試浮點操作外,還測試整數計算和功能調用等性能.3SPEC 基準程序SPEC benchmarkSPEC是System PerformanceEvaluation Cooperative的縮寫,是幾十家世界知名計算機大 廠商所支持的非盈利的合作組織,旨在開發共同認可的標準基準程序.SPEC基準程序是由SPEC開發的一組用于計算機性能綜合評價的程序.以對VAX11/780機的測試結果作為基數,其他計算機的測試結果以相對于這個基數的比率來表 示.SPEC基準程序能較全面地反

12、映機器性能,有一定的參考價值.SPEC版本1.0是1989年10月宣布的,是一套復雜的基準程序集,主要用于測試與工 程和科學應用有關的數值密集型的整數和浮點數方面的計算.源程序超過15萬行,包含10個測試程序,使用的數據量比擬大,分別測試應用的各個方面.SPEC基準程序測試結果一般以SPECmark SPEC分數、SPECint SPEC整數和SPECfpSPEC浮點數來表示.其中SPEC分數是10個程序的幾何平均值,SPEC整數是4個整數程序的幾何平均值,SPEC浮點數是6個浮點程序的集合平均值.1992年在原來SPECint89和SPECfp89的根底上增加了兩個整數測試程序和 8個浮點數

13、 測試程序,因此 SPECint92由6個程序組成,SPECfp92由14個程序組成.這 20個基準程 序是基于不同的應用寫成的,主要測量 32位cpu、主存儲器、編譯器和操作系統的性能.4TPC基準程序TPC是Transaction Processing Council 事務處理委員會的縮寫,TPC基準程序是由TPC開發的評價計算機事務處理性能的測試程序,用以評價計算機在事務處理、數據庫處 理、企業治理與決策支持系統等方面的性能.TPC成立與1988年,目前已有40多個成員,幾乎包括了所有主要的商用計算機系統和數據庫系統.該基準程序的評測結果用每秒完成的事務處理數TPC來表示.TPC基準測試

14、程序在商業界范圍內建立了用于衡量機器性能以及 性能價格比的標準.7、可靠性:計算機系統可靠性指在規定條件下和給定時間內計算機系統正確運行計算的概率.通常可靠性用平均無故障間隔時間MTBF來表示,即系統能正確運行時間的平均值.正確運行用以下四個標準來判斷：程序不為故障所破壞或停止；結果不包括由故障所引起的錯 誤；執行時間不超過一定的限度；程序運行在允許的領域內.除可靠性外,還有系統的可維性和可用性.可維性是指系統可維修的狀況,通常用平均修復時間MTRF來表征.可用性就是計算機系統的使用效率,并以系統在任意時刻能正確運行的概率來表示.一般說來,計算機系統可靠性廣義的含意包括可靠性、可用性和可維性,

15、統稱為計算機系統的可靠性指標.隨著計算機應用范圍的日益擴大,尤其是實時限制的運用, 對計算機系統提出了超過單純靠元件和工藝所能到達的可靠性要求,這也就提出了計算機系統可靠性設計的觀念.可靠性設計是指在計算機生產設計的過程中預估計可能出現的問題而提前采取舉措的一種設計 理念,高的可靠性設計指標靠容錯和非容錯兩種方法來實現.非容錯法就是預先消除不可靠的因素,以保證可靠的計算方法,即在允許的本錢范圍內選擇或者篩選出最可靠的元件,使用成熟可靠的連接裝配技術,采取有效的舉措屏蔽可能的外界干擾,例如用濾波消除電網干 擾等.非容錯法設計不能一次完成.在確定初步方案后, 要利用或者預測到的元件和互連的可靠性來

16、定量估算系統或者分系統的可靠性.另外還須對系統和分系統進行功能仿真和測試,以保證邏輯設計的正確性,最后完善系統的診斷測試.容錯法是針對計算機系統運算 過程中出現的故障或者低可靠性元件所采取的系統性可靠舉措.運行故障有三種類型： 永久性失效、瞬間失效和外界干擾.根據故障失效的持續時間、影響范圍和出現頻率,選用不同的防護性冗余就是容錯法的設計內容.容錯設計是建筑在非容錯設計根底上的,首先要對運行性故障進行調查分類, 并確定其等級,然后針對不可靠因素及其程度采用各種有效的容錯 舉措,包括附加硬件的硬件冗余、附加軟件的軟件冗余和重復操作的時間冗余,最后用分析或者實驗的方法來驗證容錯的效果.兩種設計方法

17、都是系統可靠性設計的重要方法.除了上述要點之外,還有一項可以提升計算機系統可靠性的技術成為冗余技術.計算機系統冗余類似于建筑結構中的冗余,即允許一個或幾個構件元件失效,而不損傷整個建筑.計算冗余包括以下內容：靜態和動態硬件冗余、軟件冗余、時間冗余.靜態硬件冗余：又稱屏蔽冗余,它是通過附加元件的方法來屏蔽故障,使系統的功能不受影響.常見的靜態硬件冗余有雙工同一種功能由二個元件并行承當、模3表決冗余動態硬件冗余：這種冗余包括二個階段,首先發現故障,其后消除故障而“復常在計算機系統中采用動態硬件冗余時,要求系統具有模塊結構和檢測故障的水平,例如設有自校驗碼,部件狀態標志等.復常的舉措可選用糾錯裝置如海明校驗、部件切換以及系統適度降級重新組織好元件等技術.為了保證復常成功,還