计算机系统设计的定量原理

以经常性事件为重点

Amdahl定律

此定律指出：加快某个部件执行速度所能获得的系统性能提升，受限于此部件的执行时间占系统中总执行时间的占比。
系统加速比公式：
$系统加速比=\frac {系统性能_{改进后}} {系统性能_{改进前}}=\frac {总执行时间_{改进前}} {总执行时间_{改进后}}$
设出定义：
(1)可改进比例：在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总的执行时间中所占的比例。
(2)部件加速比：可改进部分在改进后性能提高的倍数。它是改进前所需执行时间和改进后所需执行时间的比。
由(1)(2)得出：
$总执行时间_{改进后}=\frac{可改进比例* 总执行时间_{改进前}}{部件极速比}+不可改进比例*总执行时间_{改进前}$
$=总执行时间_{改进前}* [(1-可改进比例)+ \frac{可改进比例}{部件加速比}]$
$系统加速比=\frac {总执行时间_{改进前}} {总执行时间_{改进后}}$
$=\frac {1}{(1-可改进比例)+\frac{可改进比例}{部件加速比}}$

CPU性能公式

$CPU时间=执行程序所需的时钟周期数* 时钟周期时间$
其中，时钟周期时间是系统时钟频率的倒数，即 $时钟周期时间=\frac{1}{f}$ 。
引入新参数CPI（Cycles Per Instruction，每条指令的平均时钟周期数），有：
$CPI=\frac{执行程序所需的时钟周期数}{所执行的指令条数}$
则推出CPU性能公式：
$CPU时间=IC* CPI* 时钟周期时间$
其中，IC为所执行的指令条数。
根据上述公式，得知CPU的性能取决于以下三个参数：
(1) 时钟周期时间：取决于硬件实现技术和计算机组成。
(2) CPI：取决于计算机组成和指令集结构。
(3) IC：取决于指令集结构和编译技术。
其他公式：
$CPU时钟周期数=\sum\limits_{i=1}^n{(CPI_i*IC_i)}$
其中， ${IC_i}$ 为程序执行的过程中第i种指令出现的次数， ${CPI_i}$ 为执行第i种指令所需的平均时钟周期，n为指令的种数。
$CPU时间=CPU时钟周期数*时钟周期时间$
$=\sum\limits_{i=1}^n{(CPU_i*IC_i)* 时钟周期时间}$

$CPI=\frac{时钟周期数}{IC}$
$= \frac{\sum\limits_{i=1}^n{(CPI_i*IC_i)}}{IC}$
$= \sum\limits_{i=1}^n{(CPI_i* \frac{IC_i}{IC})}$
其中，( $\frac{IC_i}{IC}$ )反映了第i种指令在程序执行过程中所占的比例。
$MIPS=\frac{f}{CPI}$

程序的局部性原理

计算机系统的性能评测

执行时间和吞吐率

基准测试程序

用于测试和比较性能的基准测试程序的最佳选择是真实应用程序（例如编译器）。