参考视频：1.10_计算机系统中三个性能指标_哔哩哔哩_bilibili

计算机三个性能指标：时钟周期（clock cycle)、时钟频率（主频）、CPI(cycles per instruction)

在三种性能指标的基础上，学习三种性能评估的方法：指令执行速度、基准程序、阿姆达尔定律

 

一、CPU时钟周期

 计算机中的时钟是可以产生定时信号的，CPU的主脉冲信号。这个主脉冲信号也是隔一段时间就发出的。主脉冲信号的宽度称为时钟周期（本质上就是一段时间而已）（图1）。可以是10ns、20ns等等，具体是多少取决于CPU的设计和制作者。

 1.1 CPU为什么需要时钟信号

CPU的执行过程被分为若干阶段，每个阶段都有相应的动作来完成。

取指阶段：要将指令从主存中取出来

指令执行阶段：分析指令，对指令进行译码

⚠️：这里每一步都要用控制信号进行控制，但是这些控制信号什么时候发出呢？每个控制信号的作用时间多长呢？这些都是要用相应的定时信号进行同步的，因此CPU产生的时钟信号就可以作为同步的定时信号，用来统一各个步骤的控制信号。

执行指令的时候，每个时钟周期内，CPU就执行一定数量的操作。至于每个时钟周期内执行哪些操作，发送哪些控制信号，这就设计到了CPU的数据通路的控制器的设计问题了，这个我们在第五章【中央处理器】的数据通路和控制器章节会详细讲解。

 1.2 CPU时钟周期与CPU时钟频率（主频）

一般而言，时钟周期越短，那么cpu的执行速度越快。这里可以使用主频来表示CPU的执行速度

二、CPU时钟频率（主频）

主频就是cpu的主脉冲信号的时钟频率，cpu主频等于cpu时钟周期的倒数。表示1s内有多少个时钟周期（图2.1所示）

CPU主频越大，那么CPU的执行速度越快。

也就是CPU时钟周期越短，CPU时钟频率越大，CPU执行速度越快。

三、CPI（Cycles Per Instruction）

CPI:执行一条指令所需要的时钟周期数

每条指令的功能都是不一样的，那么所需要的时钟周期数也是不一样的。

 四、CPU执行时间

CPU执行时间=程序总指令条数 * CPI * CPU时钟周期

⚠️：

1.指令条数、CPI、时钟周期三个因素是相互制约的

2.指令条数一般是和指令集体系结构（ISA）有关，我们可以更改指令集使得，程序总的指令条数减少。但是这有可能会引起CPU结构改变，导致CPU时钟周期变大。也有可能减少CPU时钟周期，会导致CPI增加。

✔️举个例子： 

思路：由公式：CPU执行时间=程序总指令条数 * CPI * CPU时钟周期 因为两台机器具有相同的ISA，所以程序总指令条数相同。

设程序总指令条数为X，M1的时钟周期数C1，那么M2的时钟周期数为1.5C1,M2的时钟频率为YGHZ

可得机器M1：10s =  X * C1 * 1/2GHZ ——> X * C1 = 20GHZ

       机器M2：6s = X * 1.5C1 * 1/YGHZ——>Y = 5GHZ

 📢上述例子可以说明：

1.由于时钟频率提高，时钟周期缩小，这个改变会导致CPU的结构发生改变。同样，会使得其他性能指标降低。eg：上面M2的CPI变大，性能减低。

2.时钟周期缩小，主频提高，会加快CPU执行程序的速度。但不能保证你的速度具有相等倍数的提高（即线性变化）。