CPU性能衡量参数-主频，MIPS，CPI，时钟周期，机器周期，指令周期

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njuitjf

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转自：http://blog.youkuaiyun.com/xiaojianpitt/article/details/7613489

CPU性能衡量参数-主频，MIPS，CPI，时钟周期，机器周期，指令周期

1，主频

主频 = 时钟频率，它是指CPU内部晶振的频率，常用单位为MHz，它反映了CPU的基本工作节拍;

时钟频率又称主频，它是指CPU内部晶振的频率，常用单位为MHz，它反映了CPU的基本工作节拍;

2，时钟周期

时钟周期 t =1/ f; 主频的倒数

3，机器周期

机器周期 = m*t ;一个机器周期包含若干个时钟周期

4，指令周期

指令周期 = m*t*n; 执行一条指令所需要的时间，一般包含若干个机器周期

5，CPI

CPI = m*n; 平均每条指令的平均时钟周期个数

指令周期 = CPI×机器周期 = n（CPI=n）×m×时钟周期=nm/主频f, 注意指令周期单位是s或者ns，CPI无量纲

参考：https://en.wikipedia.org/wiki/Cycles_per_instruction

6，MIPS(MillionInstructions Per Second）

MIPS = 每秒执行百万条指令数 = 1/（CPI×时钟周期）= 主频/CPI

MFLOPS 每秒百万浮点运算次数。

表示秒钟所能执行的指令条数，对于微型计算机可用CPU的主频和每条指令的执行所需的时钟周期来衡量。

包含关系：指令周期通常用若干个机器周期来表示，在机器语言中，使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度。而机器周期又包含若干个时钟周期。时钟周期是最基本的操作单位。

参考： https://en.wikipedia.org/wiki/Instructions_per_second

注意：计算机的运算速度一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。由于不同类型的指令所需时间长度不同，因而运算速度的计算方法也不同。例如，根据不同类型的指令出现的频度，乘上不同的系数求得统计平均值，得到平均运算速度。这种方法用MIPS(Millions of Instruction Per Second)作单位，即每秒百万条指令。

又如，直接给出CPU的主频和每条指令的执行所需的时钟周期。周期一般以MHz为单位。主频即计算机的时钟频率，它在很大程度上决定了主机的工作速度。例如，型号为486DX-133的微型计算机，表明它的CPU型号为486，DX为含浮点处理器，数字133的含义是主频为133MHz。

题：若某处理器的时钟频率为500MHz，每4个时钟周期组成一个机器周期，执行一条指令需要3个机器周期，则该处理器的一个机器周期▁8▁ns，平均执行速度为▁42▁MIPS

解析如下：

时钟周期T等于主频的倒数，即T=1/500MHz=1/（0.5×10的9次方Hz）=2 ns，机器周期等于4个时钟周期即=4T=4×2 ns=8 ns，每条指令的时钟周期数CPI=3×4=12，则平均速度为：f/（CPI×10的6次方）=（500×10的6次方）/（12×10的6次方）=500/12=41.6≈42MIPS.计算主频的倒数时要注意把主频的MHz换算成Hz即500后面加6个0=500×10的6次方=0.5×10的9次方，1/10的9次方 Hz=1ns

每条指令的时钟周期数CPI=3×4=12，执行一条指令需要3个机器周期数，一个机器周期包含4个时钟周期，所以CPI=3×4=12，这里计算的都是周期的个数，和具体的时间ns纳秒没有关系，若带上具体的时间，一个时钟周期T=2ns，一个机器周期就是2×4=8ns，执行一条指令需要三个机器周期得出执行一条指令需要的具体时间为3×8=24ns，执行每条指令的需要的时钟周期数CPI换句话说就是把执行每条指令需要的时间24ns换算成时钟周期个数表示，为多少个时钟周期个数?时钟周期是最基本的时间操作单位，500MHz主频的处理器一个时钟周期为2ns，24ns等于多少个时钟周期？24/2=12个时钟周期，即那一句：“每条指令的时钟周期数CPI=12”。

另一个例子：

A 40-MHzprocessor was used to execute a benchmarkprogram with the following instruction mix and clockcycle count:

Instruction type	Instruction count	Clock cycle count
Integer arithmetic	45000	1
Data transfer	32000	2
Floating point	15000	2
Control transfer	8000	2

Determine the effective CPI, MIPS rate, and execution time for thisprogram.

Total instructioncount = 100000.

CPI = (45000*1 +32000*2 + 15000*2 + 8000*2)/100000 = 155000/100000 = 1.55.

MIPS = clockfrequency/(CPI*1000000) = (40*1000000)/(1.55*1000000) = 25.8.

Therefore:

Execution time (T)= CPI*Instruction count*clock time = CPI*Instruction count/frequency =1.55*100000/40000000 = 1.55/400 = 3.87 ms.

IPS演进时间表

处理器	IPS	IPS/MHz	年份	来源
笔算(用于比较)	0.0119 IPS	n/a	1892	^[1]
Intel 4004	92 kIPS at 740 kHz^[2]	0.124	1971
IBM System/370 model 158-3	1 MIPS	1	1972
Intel 8080	640 kIPS at 2 MHz	0.32 MIPS/MHz	1974
VAX-11/780	500 kIPS	0.5	1977
Motorola 68000	1 MIPS at 8 MHz	0.125 MIPS/MHz	1979
Intel 286	2.66 MIPS at 12 MHz	0.22 MIPS/MHz	1982	^[3]
Motorola 68020	4 MIPS at 20 MHz	0.2 MIPS/MHz	1984
ARM2	4 MIPS at 8 MHz	0.5 MIPS/MHz	1986
Motorola 68030	11 MIPS at 33 MHz	0.33 MIPS/MHz	1987
Intel 386DX	8.5 MIPS at 25 MHz	0.34 MIPS/MHz	1988
Motorola 68040	44 MIPS at 40 MHz	1.1 MIPS/MHz	1990
Intel 486DX	54 MIPS at 66 MHz	0.818 MIPS/MHz	1992
Motorola 68060	88 MIPS at 66 MHz	1.33 MIPS/MHz	1994
Intel Pentium Pro	541 MIPS at 200 MHz	2.705 MIPS/MHz	1996	^[4]
ARM 7500FE	35.9 MIPS at 40 MHz	0.897 MIPS/MHz	1996
PowerPC G3	525 MIPS at 233 MHz	2.253 MIPS/MHz	1997
Zilog eZ80	80 MIPS at 50 MHz	1.6 MIPS/MHz	1999	^[5]
Intel Pentium III	1,354 MIPS at 500 MHz	2.708 MIPS/MHz	1999
Freescale MPC8272	760 MIPS at 400 MHz	1.9 MIPS/MHz	2000	^[6] Integrated Communications Processors
AMD Athlon	3,561 MIPS at 1.2 GHz	2.967 MIPS/MHz	2000
AMD Athlon XP 2400+	5,935 MIPS at 2.0 GHz	2.967 MIPS/MHz	2002
Pentium 4 Extreme Edition	9,726 MIPS at 3.2 GHz	3.039 MIPS/MHz	2003
ARM Cortex A8	2,000 MIPS at 1.0 GHz	2.0 MIPS/MHz	2005	^[7]
AMD Athlon FX-57	12,000 MIPS at 2.8 GHz	4.285 MIPS/MHz	2005
AMD Athlon 64 3800+ X2 (Dual Core)	14,564 MIPS at 2.0 GHz	7.282 MIPS/MHz	2005	^[8]
Xbox360 IBM "Xenon" Triple Core	19,200 MIPS at 3.2 GHz	2.0 MIPS/MHz	2005
PS3 Cell BE (PPE only)	10,240 MIPS at 3.2 GHz	3.2 MIPS/MHz	2006
AMD Athlon FX-60 (Dual Core)	18,938 MIPS at 2.6 GHz	7.283 MIPS/MHz	2006	^[8]
Intel Core 2 Extreme X6800	27,079 MIPS at 2.93 GHz	9.242 MIPS/MHz	2006	^[8]
Intel Core 2 Extreme QX6700	49,161 MIPS at 2.66 GHz	18.481 MIPS/MHz	2006	^[9]
P.A. Semi PA6T-1682M	8,800 MIPS at 2.0 GHz	4.4 MIPS/MHz	2007	^[10]
Intel Core 2 Extreme QX9770	59,455 MIPS at 3.2 GHz	18.580 MIPS/MHz	2008	^[11]
Intel Core i7 Extreme 965EE	76,383 MIPS at 3.2 GHz	23.860 MIPS/MHz	2008	^[12]
AMD Phenom II X4 940 Black Edition	42,820 MIPS at 3.0 GHz	14.273 MIPS/MHz	2009	^[13]

Timeline of instructions per second

Processor	Dhrystone MIPS	D IPS / clock cycles per second	D IPS / clock cycles per second / Cores per die	Year	Source
Intel 4004	92 kIPS at 740 kHz (Not Dhrystone)	0.1	0.1	1971	^[2]
IBM System/370 model 158-3	1 Dhrystone MIPS	1.0	0.1	1972
Intel 8080	500 kIPS at 2 MHz (Not Dhrystone)	0.3	0.3	1974
MOS Technology 6502	500 kIPS at 1 MHz (Not Dhrystone)	0.5	0.5	1975
VAX-11/780	500 kIPS at 5 MHz 1 Dhrystone MIPS	0.2	0.2	1977
Motorola 68000	1 MIPS at 8 MHz (Not Dhrystone)	0.1	0.1	1979
Intel 286	2.66 MIPS at 12.5 MHz	0.2	0.2	1982	^[3]
Motorola 68020	4 MIPS at 20 MHz	0.2	0.2	1984
Intel 386DX	11.4 MIPS at 33 MHz	0.3	0.3	1985
ARM2	4 MIPS at 8 MHz	0.5	0.5	1986
Motorola 68030	11 MIPS at 33 MHz	0.3	0.3	1987
Motorola 68040	44 MIPS at 40 MHz	1.1	1.1	1990	^[4]
DEC Alpha 21064 EV4	300 MIPS at 150 MHz	2.0	2.0	1992	^[5]
Intel 486DX	54 MIPS at 66 MHz	0.8	0.8	1992
Motorola 68060	88 MIPS at 66 MHz	1.33	1.33	1994
Intel Pentium	188 MIPS at 100 MHz	1.88	1.88	1994	^[6]
Microchip PIC16F	5 MIPS at 20 MHz	0.25	0.25	1995	^[7]
Atmel megaAVR	16 MIPS at 16 MHz	1	1	1996	^[8]
ARM 7500FE	35.9 MIPS at 40 MHz	0.9	0.9	1996
Intel Pentium Pro	541 MIPS at 200 MHz	2.7	2.7	1996	^[9]
PowerPC 750	525 MIPS at 233 MHz	2.3	2.3	1997
Zilog eZ80	80 MIPS at 50 MHz	1.6	1.6	1999	^[10]
Intel Pentium III	2,054 MIPS at 600 MHz	3.4	3.4	1999	^[6]
Freescale MPC8272	760 MIPS at 400 MHz	1.9	1.9	2000	^[11] Integrated Communications Processors
AMD Athlon	3,561 MIPS at 1.2 GHz	3.0	3.0	2000
AMD Athlon XP 2500+	7,527 MIPS at 1.83 GHz	4.1	4.1	2003	^[6]
Pentium 4 Extreme Edition	9,726 MIPS at 3.2 GHz	3.0	3.0	2003
MIPS32 4KEc	356 MIPS at 233 MHz	1.5	1.5	2004	^[12]
Microchip PIC10F	1 MIPS at 4 MHz	0.25	0.25	2004	^[13][14]
ARM Cortex-M3	125 MIPS at 100MHz	1.25	1.25	2004	^[15]
Nios II/f	190 MIPS at 165 MHz	1.13	1.13	2004	^[16]
ARM Cortex-A8	2,000 MIPS at 1.0 GHz	2.0	2.0	2005	^[17]
VIA C7	1,799 MIPS at 1.3 GHz	1.4	1.4	2005	^[18]
AMD Athlon FX-57	12,000 MIPS at 2.8 GHz	4.3	4.3	2005
AMD Athlon 64 3800+ X2 (Dual core)	14,564 MIPS at 2.0 GHz	7.3	3.6	2005	^[19]
Xbox360 IBM "Xenon" (Triple core)	19,200 MIPS at 3.2 GHz	6.0	2.0	2005
PS3 Cell BE (PPE only)	10,240 MIPS at 3.2 GHz	3.2	3.2	2006
AMD Athlon FX-60 (Dual core)	18,938 MIPS at 2.6 GHz	7.3	3.6	2006	^[19]
Intel Core 2 Extreme X6800 (Dual core)	27,079 MIPS at 2.93 GHz	9.2	4.6	2006	^[19]
Intel Core 2 Extreme QX6700 (Quad core)	49,161 MIPS at 2.66 GHz	18.4	4.6	2006	^[20]
MIPS32 24K	604 MIPS at 400 MHz	1.51	1.51	2006	^[21]
ARM Cortex-R4	450 MIPS at 270 MHz	1.66	1.66	2006	^[22]
MIPS64 20Kc	1,370 MIPS at 600 MHz	2.3	2.3	2007	^[23]
P.A. Semi PA6T-1682M	3,084 MIPS at 1.8 GHz	4.4	4.4	2007	^[24]
Intel Core 2 Extreme QX9770 (Quad core)	59,455 MIPS at 3.2 GHz	18.6	4.6	2008	^[25]
Intel Core i7 920 (Quad core)	82,300 MIPS at 2.66 (Turbo 2.93) GHz	30.9	7.7	2008	^[26]
Intel Atom N270 (Single core)	3,846 MIPS at 1.6 GHz	2.4	1.2	2008	^[27]
ARM Cortex-M0	45 MIPS at 50MHz	0.9	0.9	2009	^[28]
ARM Cortex-A9 (Dual core)	5,000 MIPS at 1.0 GHz	5.0	2.5	2009	^[29]
AMD E-350 (Dual core)	10,000 MIPS at 1.6 GHz	6.25	3.125	2011	^[30]
AMD Phenom II X4 940 Black Edition	42,820 MIPS at 3.0 GHz	14.3	3.5	2009	^[31]
AMD Phenom II X6 1100T	78,440 MIPS at 3.3 GHz	23.7	3.9	2010	^[26]
ARM Cortex-A15 (Quad core)	35,000 MIPS at 2.5 GHz	14.0	3.5	2010	^[32]
Intel Core i7 Extreme Edition 980X (Hex core)	147,600 MIPS at 3.33 GHz	44.7	7.46	2010	^[33]
Intel Core i7 2600K	128,300 MIPS at 3.4 GHz	37.7	9.43	2011	^[34]
Intel Core i7 875K	92,100 MIPS at 2.93 GHz	31.4	7.85	2011	^[35]
AMD FX-8150 (Eight core)	108,890 MIPS at 3.6 GHz	30.2	3.78	2011	^[36]
ARM11	515 MIPS at 412 MHz	1.25	1.25	2002	^[37]
ARM Cortex A7	2,850 MIPS at 1.5 GHz	1.9	1.9	2011	^[38]
Qualcomm Scorpion (Cortex A8-like)	2,100 MIPS at 1 GHz	2.1	2.1	2008	^[39]
Qualcomm Krait (Cortex A9-like, Dual core)	9,900 MIPS at 1.5 GHz	6.6	3.3	2011	^[40]
Intel Core i7 Extreme Edition 3960X (Hex core)	177,730 MIPS at 3.33 GHz	53.3	8.89	2011	^[41]