22、并行程序性能分析与计算机系统性能评估

并行程序性能分析与计算机系统性能评估

1. 计算机系统性能评估概述

计算机系统的性能评估是一个至关重要的方面，不同的视角会关注不同的性能标准。对于计算机系统的用户而言，他们更关心程序的响应时间，即从程序开始到结束所花费的时间。而大型计算中心则主要关注吞吐量，也就是单位时间内能够执行的平均工作单元数量。

1.1 CPU 性能评估

在评估顺序计算机系统时，我们通常使用响应时间作为性能标准。程序 A 的响应时间可以细分为以下几个部分：
- 用户 CPU 时间：CPU 执行程序 A 所花费的时间。
- 系统 CPU 时间：CPU 执行由程序 A 发出的操作系统例程所花费的时间。
- 等待时间：由于等待 I/O 操作完成以及因时间共享而执行其他程序所导致的等待时间。

在后续分析中，我们忽略等待时间，因为它强烈依赖于计算机系统的负载；同时也忽略系统 CPU 时间，因为它主要取决于操作系统的实现，我们将重点关注由应用程序语句指令直接导致的执行时间。

用户 CPU 时间受两个因素影响：一是编译器将程序语句转换为等效指令序列的过程，二是单条指令的执行时间。单条指令的执行时间很大程度上受 CPU 周期时间（也称为时钟周期时间）的影响，它是时钟频率的倒数。例如，时钟频率为 2 GHz 的处理器，其周期时间为 0.5 ns。用户 CPU 时间 $TU_{CPU}(A)$ 可以表示为：
$TU_{CPU}(A) = n_{cycle}(A) \cdot t_{cycle}$

为了建立程序 A 执行的周期数和指令数之间的关系，我们引入了 CPI（每条指令的时钟周期数）的概念。CPI 值取决于要执行的程序