22、并行程序性能分析与计算机系统评估

并行程序性能分析与计算机系统评估

1. 计算机系统性能评估概述

计算机系统的性能评估是其重要的考量方面。不同的视角下，评估性能的标准也有所不同。用户通常关注程序的响应时间，即程序从开始到结束的时长；而大型计算中心则更看重吞吐量，也就是单位时间内能够执行的平均工作单元数量。

2. CPU 性能评估

• 响应时间构成 ：程序 A 的响应时间可分为用户 CPU 时间（CPU 执行程序 A 的时间）、系统 CPU 时间（CPU 执行程序 A 调用的操作系统例程的时间）以及等待时间（因等待 I/O 操作完成和分时执行其他程序而产生的时间）。在 Unix 系统中，可使用 time 命令获取 CPU 时间和等待时间在总响应时间中的占比信息。为简化分析，这里忽略等待时间和系统 CPU 时间，专注于应用程序语句指令直接导致的执行时间。
• 用户 CPU 时间计算 ：用户 CPU 时间受编译器将程序语句转换为等效指令序列的过程以及单条指令执行时间的影响。单条指令执行时间受 CPU 周期时间（时钟周期时间，是时钟频率的倒数）的强烈影响。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 $T_{U\ CPU}(A)$ 可表示为：
  • $T_{U\ CPU}(A) = n_{cycle}(A) \cdot t_{cycle}$ （公式 4.1）
  • 其中，$n_{cycle}(A)$ 是程序 A 所有指令所需的 CPU 周期总数，$t_{cycle}$ 是周期时间。