計算系統性能

計算機系統由計算機硬體和軟體兩部分組成。硬體包括中央處理機、存儲器和外部設備等；軟體是計算機的運行程式和相應的文檔。計算系統性能，也可以稱為計算機系統性能，有多種衡量尺度，一般是指系統資源利用率、系統吞吐量以及回響時間等指標。

基本介紹

• 中文名：計算系統性能
• 外文名：Computing system performance
• 學科：計算機
• 定義：反應一個系統性能的好壞
• 有關術語：基準程式
• 領域：作業系統

簡介

計算系統性能，一般是指系統資源利用率、系統吞吐量以及回響時間等指標。計算系統相對於其他系統來說，更加關注其計算性能，例如，在科學計算領域。因此系統吞吐量是計算系統性能的最重要指標之一，一般可以通過基準程式來測量。

基準程式

基準程式是用來測量計算機處理速度的一種實用程式，以便於被測量的計算機性能可以與運行相同程式的其它計算機性能進行比較。具有快速處理器的計算機在基準程式上性能極佳，但如果計算機配備的是慢速硬碟及缺少大量存儲器，其性能會令用戶失望。

按基準程式的構造特點可以把它劃分成四類，即：核心程式、小基準程式、合成基準程式以及基準測試程式組。

核心程式

核心程式是從真實程式中抽取的具有代表性的最耗時的程式段匯集而成的，它們的代碼很短，但是非常關鍵。Livermore Loops及LINPACK是兩種最常見的核心程式。LINACK用FORTRAN語言編寫，主要是進行浮點加法和浮點乘法的操作。這些代碼的執行時間直接影響到程式總的回響時間。用戶不會直接使用核心程式，因為它的功能僅僅是用來測試計算機性能。核心程式可以根據需要來評價機器的各種性能，從而解釋在運行真實程式時機器性能不同的原因。

小基準程式

小基準程式代碼一般在100行以內。用戶可以隨時縮寫一些這樣的程式來測試系統的各種功能，並產生用戶已預知的輸出結果。通常選取實際套用中具有代表性的求解算法構成這一類基準程式，如皇后問題、迷宮問題、快速排序、求素數等，這類流行的測試程式都具有短小、易輸入、通用等特點，最適於作一些基本測試。

合成基準程式

合成基準程式是人為合成的測試程式。首先要對大量應用程式中的操作進行統計，得到各種操作所占的比例，再按這個比例人為地寫出測試程式。Whetstone與Dhrystone是最流行的合成基準程式。在操作類型和運算元類型這兩個方面，合成基準程式試圖保持與大量程式中的比例一致。用戶不會自己產生合成基準程式，因為其中沒有任何用戶能夠使用的代碼。合成基準程式完全是人為製造出來的，與實際套用相差更遠。其中整數測試程式是Dhrystone用C語言編寫的，共有100條語句，它包括：各種賦值語句、數據類型和數據區、控制語句，過程調用和參數傳送、整數運算和邏輯操作。Whetstone基準測試程式是用FORTRAN語言編寫的綜合性測試程式，主要包括：浮點運算、整數算術運算、功能調用、數組變址、條件轉移、超越函式。

基準測試程式組

基準測試程式組就是一組各個方面有代表性的基準程式組成的一個通用基準程式集合。這個基準程式的集合稱為基準程式組(benchmark suites)，它的最大優點是避免了獨立基準程式存在的片面性，儘可能全面地測試了一個計算機系統的性能，因此對計算機系統設計有比較大的指導意義。

並行計算系統

高速計算和數據處理系統的一種實現形式。它由分散式的多台計算機和高速網路互聯，並行執行同一計算任務以提高速度和效能。與擁有多個處理器和緊密耦合記憶體的巨型計算機方案相比，並行分散式計算系統可以把具有不同作業系統平台的工作站連結在一起，以實現並行計算功能，故又稱為集群工作站。並行計算的本質要求不設單獨的總控制工作站，這就要求研究負載在工作站網路間的自適應平衡分配.集群工作站還可通過個體的學習、互動以提高其性能.總之，集群工作站實現的關鍵在於將計算任務平衡分配到各工作站，並通過高速網路協調，在集群工作站內部實現自動規劃，而對外部表現為一個整體.其具體內容包括高速網路技術、並行算法研究、通信與同步技術、計算機體系結構等。

計算機系統性能評價

用以評估計算機性能的過程和方法，指對計算機系統的各項性能指標進行測試、驗證、分析和研究的過程和技術。性能代表系統的使用價值.性能評價和成本分析綜合進行，可以獲得各種系統性能和性能價格比的定量值。其作用是指導新型計算機系統的設計和改進；指導計算機套用系統的設計和改進，包括選擇計算機類型、型號和確定系統配置等。

計算機系統性能指標大致可分為可靠性指標和工作能力指標兩大類。可靠性指標主要包括可靠性、可用性和可維護性，此外還包括安全性、完整性等。可靠性、可用性和可維護性三個指標統稱為RAS性能。可靠性、可用性、可維護性、完整性和安全性又統稱為RASIS性能。RAS性能和RASIS性能是在設計和生產計算機系統時必須考慮的。這些性能的好壞直接關係到計算機的使用價值，是計算機用戶比較關心的綜合性指標。工作能力指計算機系統在正常工作狀態下所具有的能力。

指標

常用的工作能力指標有系統吞吐率、利用率和回響特性等。

吞吐率。系統的生產率指在單位時間內系統處理的信息量。系統生產率與計算機的字長和運算速度、主存儲器容量和存取周期、通道信息流量的速率、輸入輸出設備配置等有關。描述生產率的指標有指令執行速度、吞吐率等。

利用率。系統或其某一部分的利用率，指在一個評價期間內它的實際使用時間所占的比率。

回響特性。用系統從輸入到產生回響之間的時間度量，通常包括回響時間、周轉時間等。

性能評價技術

性能評價技術主要有測量技術、模擬技術、分析技術等。測量技術使性能成為數量化的、能進行度量評比的客觀指標；模擬技術和分析技術可從系統本身或從系統模型獲取有關的性能信息。

測量技術。測量是最基本、最重要的系統性能評價手段。測試設備向被測設備輸入一組測試信息並收集被測設備的原始輸出，然後進行選擇、處理、記錄、分析和綜合，並且解釋其結果。上述這些功能一般是由被測的計算機系統和測量工具共同完成的，其中測量工具完成測量和選擇功能。

測量工具分硬體工具和軟體工具兩類。硬體測量工具附加到被測計算機系統內部去測量系統中出現的比較微觀的事件(如信號、狀態)。典型的硬體檢測器有定時器、序列檢測器、比較器等。例如，可用定時器測量某項活動的持續時間；用計數器記錄某一事件出現的次數；用序列檢測器檢測系統中是否出現某一序列(事件)等。

數據的採集、狀態的監視、暫存器內容的變化的檢測，也可以通過執行某些檢測程式來實現。這類檢測程式即軟體測量工具。例如，可按程式名或作業類收集主存儲器、輔助存儲器使用量、輸入卡片數、列印紙頁數、處理機使用時間等基本數據；或者從經濟的角度收集管理者需要的信息；或者收集諸如傳送某個檔案的若干個記錄的傳送時間等特殊信息；或者針對某個程式或特定的設備收集程式運行過程中的一些統計量，以及發現需要最佳化的應用程式段等。

硬體監測工具的監測精度和解析度高，對系統干擾少；軟體監測工具則靈活性和兼容性好，適用範圍廣。

模擬技術 。在系統的設計、最佳化、驗證和改進（如功能升級）過程中，不可能或不便於採用測量方法和分析方法時，可以構造模擬模型來近似目標系統，進而了解目標系統的特性。

模擬模型包括系統模型和工作負載(環境)模型。工作負載又可分為用戶程式負載和系統程式負載，也可按時間劃分時、日、周或月工作負載等。系統模型和工作負載模型是相互聯繫和相互影響的，它們採用程式語言描述。科學計算用程式語言（如ALGOL，FORTRAN）沒有面向模擬的語法結構，用它建立模擬不夠方便。為系統模擬發展的通用模擬語言（如GPSS，SIMULA）不僅能描述計算機系統，也能適用於一般系統模擬。為計算機系統模擬發展的專用模擬語言（如ECSS，CSS）,使用更方便，但套用範圍較窄。此外，還有計算機模擬程式包可供直接選用。

模擬模型建立後，需要檢驗它的合理性、準確度等，還要設計模擬試驗,對感興趣的輸出值進行統計分析、誤差分析等數據處理。

分析技術 。分析技術可為計算機系統建立一種用數學方程式表示的模型，進而在給定輸入條件下通過計算獲得目標系統的性能特性。