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]