CPU性能指标简览

​作为计算机的运算核心和控制核心，CPU（Central Processing Unit）由运算器、控制器、寄存器和实现其之间联系的数据、控制及状态的总线构成，决定着计算机运算性能强弱。作为信息技术产业的核心基础元器件，CPU的运作可分为四个阶段：提取（Fetch）、译码（Decode）、执行（Execute）和回写（Writeback）。

用一句话来概括CPU的运作原理：CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，将指令放入寄存器，并对指令译码、执行指令。

在嵌入式系统行业，用于评价CPU性能指标的标准主要有：

• MIPS（Million Instructions Per Second）：即每秒能够执行的百万级机器语言指令数，用于计算系统的秒级处理能力，是衡量CPU速度的一个指标。
• DMIPS（Dhrystone MIPS）：指CPU运行整数运算（Dhrystone）时所表现的相对性能，只适用于评估标量机（对应：向量机）。
• FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：表示CPU每秒执行的浮点运算次数，主要用于衡量计算机的浮点运算能力。
• CoreMark：以每秒迭代次数作为性能评价。

MIPS标准

1970年代，小型电脑的性能是通过与VAX MIPS相比较来评估的，指比较与VAX 11/780（市场公认的1 MIPS机器）运行同一工作的运行时间。

▲ 已经46岁的VAX 11/780

 

MIPS无法在不同的处理器架构下进行比较。由于不是每一条机械指令都能在单周期计算完成，所以计算MIPS的时候会引入一个CPI（Clock cycle per intruction，每条指令的平均时钟周期数）值。公式如下：

• MIPS=指令数/（执行时间*1000000）
• MIPS=主频/（CPI*1000000）

DMIPS标准

在一定意义上，DMIPS也是以VAX 11/780处理器作为标称值的。 

这里要先引入当今最有代表性的通用跑分处理程序之一，Dhrystone。Dhrystone是由Reinhold P. Weicker在1984年提出来的一个基准测试程序，其主要目的是测试处理器整数运算和逻辑运算的性能。由于VAX 11/780处理器每秒能够循环Dhrystone程序1757次，因此其他处理器每秒钟执行Dhrystone程序的循环次数除以1757即为其 DMIPS值。 

在此基础上，除去工艺、功耗等可能的影响因素，将处理器的DMIPS值除以其频率，便可得到更能直观体现处理器微架构设计本身性能的DMIPS/MHz。

MIPS和DMIPS的区别：

• MIPS反映的能力——每秒钟能够执行的指令集数量，这个能力由CPU的架构、内存的访问速度等硬件特性决定；
• DMIPS反映的能力——每秒钟能够实现的工作数量。

*按字面意思进行理解，MIPS与DMIPS之间似乎存在转换公式，但经查证，两者完全是从不同角度来评估CPU性能的，并无直接转换

*“Dhrystone”名字的由来是相对更早出现的另一个测试CPU浮点计算性能的工具“Wetstone”。“Wetstone”本意为“湿石头”，Dhrystone则是干石头，用于测试CPU的整数计算性能。

 

FLOPS标准

FLOPS常被用来估算电脑的执行效能，尤其是在使用到大量浮点运算的科学计算领域中。“浮点运算”由于涵盖所有涉及小数的运算，相较于整数运算会更花时间。当前大部分的处理器中都会配备专用于处理浮点运算的“浮点运算器”（Float Point Unit，FPU），因此FLOPS标准所测量的实际上是FPU执行速度。

CoreMark标准

CoreMark可以理解为与Dhrystone类似的综合处理器跑分程序，由非营利组织嵌入式微处理器基准评测协会EEMBC的Shay Gla-On于2009年提出，其主要目标是测试处理器核心性能。

*EEMBC：Embedded Micro-processor Benchmark Consortium

CoreMark程序使用C语言写成，包含如下的运算法则：列举（寻找并排序）、数学矩阵操作（普通矩阵运算）、状态机（用来确定输入流中是否包含有效数字）和CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）。CoreMark具有特定的运行和报告规则，从而可以避免由于所使用的编译库不同而导致的测试结果难以比较。因此CoreMark标准被认为比Dhrystone标准更有实际价值。

CoreMark标准以在某配置参数组合下，单位时间内CoreMark程序的运行次数作为度量标准，其指标单位为CoreMark/MHz。CoreMark数字越高，意味着性能更高。

▲ARM处理器官方性能对比：Cortex-M部分系列

 

参考文献

[1]顾梦杰. 基于RISC-V指令集架构的通用微控制器设计[D].东华大学,2022.DOI:10.27012/d.cnki.gdhuu.2022.000609.

[2]从性能指标角度看ARM Cortex-M各处理器区别，https://mp.weixin.qq.com/s/o1amLyzc8ZO8l59N5F2vyw

[3]性能评估单位说明，https://zhuanlan.zhihu.com/p/571545878

[4]科普总结：Flops、FLOPS、GFLOPS，https://imgtec.eetrend.com/blog/2020/100048896.html

[5]Classic Benchmarks，http://www.roylongbottom.org.uk/classic.htm

​