计算机系统性能评测综述

摘要：计算机系统性能评测是计算机科学的⼀个重要分⽀。为了获得计算机系统在执⾏某类操作的性能，⼈们构造了各种评测程序，通过这些评测程序来获得计算机系统在运⾏任务时的性能特征，从⽽获得计算机在不同情况下的性能测试数据，这些数据就显⽰了计算机性能的⾼低。

关键词：性能评测，操作系统，计算性能

前⾔

随着科学技术的⽇益进步，计算机得到了快速发展，其中，性能作为计算机最重要的特性之⼀，⼀直被受⼈们的关注。在现代，计算机各种功能的增加，运⾏程序的增加，程序需要迅捷，⾼效的被处理，那么计算机性能就是重中之重。因此对⼀个计算机进⾏系统性能评测就是必须且必要的。

1计算机系统性能评测？

性能代表系统的使⽤价值。性能评价技术研究使性能成为数量化的、能进⾏度量和评⽐的客观指标，以及从系统本⾝或从系统模型获取有关性能信息的⽅法。前者即测量技术，后者包括模拟技术和分析

技术。性能评价通常是与成本分析综合进⾏的，借以获得各种系统性能和性能价格⽐的定量值，从⽽指导新型计算机系统(如分布计算机系统)的设计和改进，以及指导计算机应⽤系统的设计和改进，包括选择计算机类型、型号和确定系统配置等。

在20世纪60年代中期，出现了多任务、多⽤户的计算机系统，随着⼤家对这种系统的应⽤，⼈们发现这些系统表现出来的实际性能并没有预计的好，从⽽引发了对计算机系统性能评价的研究。计算机系统性能评价就是采⽤测量、模拟、分析等⽅法和⼯具，研究计算机系统的⽣产率、利⽤率、响应特性等系统性能。这⾥，性能代表系统的使⽤价值。

性能评价技术就是将看不见摸不着的性能转换为⼈们能够数量化和可以进⾏度量和评⽐的客观指标，以及从系统本⾝或从系统模型获取有关性能信息的⽅法。前者即测量技术，后者包括模拟技术和分析技术。比较文学与世界文学

性能评价通常是与成本分析结合在⼀起，以获得各种系统性能和性能价格⽐的定量值，然后可以指导新型计算机系统（如分布式⽂件系统）的设计和改进，以及指导计算机应⽤系统的设计和改进，包括选择计算机类型、型号和确定系统配置等。

1.1性能指标

计算机系统性能指标有两类：可⽤性、⼯作能⼒。

可⽤性：它指计算机能够持续⼯作时间，⼀般⽤平均⽆故障时间和可恢复性来表⽰。

⼯作能⼒：它指计算机在正常⼯作状态下所具有的能⼒。它们是系统性能评价的主要研究对象。常⽤的⼯作能⼒指标由：吞吐量、延迟和资源利⽤率。

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吞吐量：单位时间内系统的处理能⼒，指单位时间内完成的任务数。对于不同⽬标可能含义不同。例如，在评价⼀个数据库系统时，所指的吞吐量可以是单位时间内交易完成的个数；在评价⼀个⽹络系统是，吞吐量指单位时间内传输的字节数等。

延迟：完成⼀个指定任务所花费的时间。例如，在评价⼀个数据库系统时，

可以考察它完成⼀个查询，或完成⼀个数据处理所需要的时间；在评价⼀个⽹络系统时，可以考察发送⼀个⽹络包所需要的时间等。

资源利⽤率：指完成⼀个任务所需要花费的系统资源。例如完成⼀个数据处理、所占⽤处理器的时间、占⽤内存的⼤⼩或占⽤⽹络带宽的⼤⼩等。

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吞吐量越⾼、延迟越少、资源利⽤率越低则表⽰系统的性能越好。

1.2性能测试⽬的

在众多的系统中选择⼀个最适合系统，即在⼀定的价格范围内选择性能最好的系统，达到较好的性能/价格⽐。

2.如何性能测试

2.1性能测试指标

2.1.1应⽤系统的负载能⼒

即系统所能容忍的最⼤⽤户数量，也就是在正常的响应时间中，系统能够⽀持的最多的客户端的数量。

2.1.2应⽤系统的吞吐率

即应⽤系统在单位时间内完成的交易量，也就是在单位时间内，应⽤系统针对不同的负载压⼒，所能完成的交易数量。

2.1.3系统的响应能⼒

即在各种负载压⼒情况下，系统的响应时间，也就是从客户端请求发起，到服务器端应答返回所需要的时间，包括⽹络传输时间和服务器处理时间。

2.1.4应⽤系统的可靠性

即在连续⼯作时间状态下，系统能够正常运⾏的时间，即在连续⼯作时间段内没有出错信息。

2.2性能测试

从⼴泛意义上讲性能测试包括：压⼒测试、稳定性测试、负载能⼒测试和可扩展性测试等。在不同应⽤系统的性能测试中，需要根据应⽤系统的特点和测试⽬的的不同来选择具体的测试⽅案。

在性能测试中，压⼒测试主要是为了获取系统在较⼤压⼒状况下的性能表现⽽设计并实现的，压⼒测试主要是获取系统的性能瓶颈和系统的最⼤吞吐率。压⼒测试的⽬的就是检验系统的最⼤吞吐量，检验现⾏的业务系统在各种压⼒交易量下的运⾏状况，检验系统地运⾏瓶颈，获取系统的处理能⼒等等。

稳定性测试就测试系统的长期稳定运⾏能⼒。在系统运⾏过程中，对系统施压，观察系统的各种性能指标，以及服务器的指标。

负载测试是⼀种性能测试，指数据在超负荷环境中运⾏，程序是否能够承担。通过逐步增加系统负载，确定在满⾜性能指标的情况下，系统所能承受的最⼤负载量。

可扩展性测试是否⽀持可扩展性是指⾳箱是否⽀持多声道同时输⼊，是否有接⽆源环绕⾳箱的输出接⼝，是否有USB输⼊功能等。

3 计算机性能的主要评测⼿段

计算机性能的主要评测⼿段主要包括测量、模拟、分析⽅法。

3.1测量⽅法

测量是最基本、最重要的系统性能评价⼿段。测试设备向被测设备输⼊⼀组测试信息并收集被测设备的原始输出，然后进⾏选择、处理、记录、分析和综合，

并且解释其结果。上述这些功能⼀般是由被测的计算机系统和测量⼯具共同完成的，其中测量⼯具完成测量和选择功能。

测量⼯具分硬件⼯具和软件⼯具两类。硬件测量⼯具附加到被测计算机系统内部去测量系统中出现的⽐较微观的事件(如信号、状态)。典型的硬件检测器有定时器、序列检测器、⽐较器等。例如，可⽤定时器测量某项活动的持续时间；⽤计数器记录某⼀事件出现的次数；⽤序列检测器检测系统中是否出现某⼀序列(事件)等。数据的采集、状态的监视、寄存器内容的变化的检测，也可以通过执⾏某些检测程序来实现。这类检测程序即软件测量⼯具。例如，可按程序名或作业类收集主存储器、辅助存

储器使⽤量、输⼊卡⽚数、打印纸页数、处理机使⽤时间等基本数据；或者从经济的⾓度收集管理者需要的信息；或者收集诸如传送某个⽂件的若⼲个记录的传送时间等特殊信息；或者针对某个程序或特定的设备收集程序运⾏过程中的⼀些统计量，以及发现需要优化的应⽤程序段等。硬件监测⼯具的监测精度和分辨率⾼，对系统⼲扰少；软件监测⼯具则灵活性和兼容性好，适⽤范围⼴。测量⽅法是最直接、最基本的⽅法，其他⽅法也要依赖于测量的量，但是它⽐较浪费时间，只适合于已经存在并运⾏的系统。

3.2分析⽅法

分析⽅法可为计算机系统建⽴⼀种⽤数学⽅程式表⽰的模型，进⽽在给定输⼊条件下通过计算获得⽬标系统的性能特性。该⽅法⼀般应⽤于系统的设计阶段，这时候因为没有完整的实时系统导致测量⽅法不能使⽤，因此，分析⽅法在系统建模的初期显得尤其重要。为了使得抽象的模型在数学上能够理解，我们需要对系统进⾏简化和⾼度抽象，因此这种模型刻画系统有⼀定的偏差。例如，在分析模型中，考虑时间分布的函数的时候只⽤指数分布函数。⽽这⼀点限制在模拟⽅法中可以去掉。⼀般来说，因为抽象与简化使得分析⽅法刻画的系统详细程度较低，得出的性能指标精度也相对较为粗糙。但是它的优点是花费低，并且分析⽅法的灵活度更⾼，我们可以分析⽤户实时配置的系统，⽽不⽤去构建系统并运⾏和测量。

3.3模拟⽅法

在系统的设计、优化、验证和改进过程中，不可能或不便于采⽤测量⽅法和分析⽅法时，可以构造模拟模型来近似⽬标系统，进⽽了解⽬标系统的特性。该⽅法主要是⽤程序动态的模拟系统及其负载。模拟模型包括系统模型和⼯作负载(环境)模型。⼯作负载⼜可分为⽤户程序负载和系统程序负载，也可按时间划分时、⽇、周或⽉⼯作负载等。系统模型和⼯作负载模型是相互联系和相互影响的，它们采⽤程序语⾔描述。科学计算⽤程序语⾔（如ALGOL，FORTRAN）没有⾯向模拟的语法结构，⽤

它建⽴模拟不够⽅便。为系统模拟发展的通⽤模拟语⾔（如GPSS，SIMULA）不仅能描述计算机系统，也能适⽤于⼀般系统模拟。为计算机系统模拟发展的专⽤模拟语⾔（如ECSS，CSS），使⽤更⽅便，但应⽤范围较窄。此外，还有计算机模拟程序包可供直接选⽤。模拟模型建⽴后，需要检验它的合理性、准确度等，还要设计模拟试验，对感兴趣的输出值进⾏统计分析、误差分析等数据处理。模拟⽅法能够详细的刻画系统，具有较精确的性能指标，但是它费时并且费⽤较⾼。

3.4计算机系统性能测试程序及标准

计算机系统性能测试及标准多种多样，主要有以下⼏种测试程序及标准。Linpack：最早的评测系统计算能⼒的Benchmark之⼀，linpack(Linear algebra Packages)主要功能是解线性⽅程组和线性最⼩⼆乘问题，最早的矩阵⼤⼩为

100x100，300x300，后来以1000x1000为标准；随着MPP、CC-NUMA、Cluster 等⼤型并⾏计算机

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的出现，不再限定矩阵的规模。Linpack问题在⼤多数系统上很容易向量化，⼚商进⾏精⼼优化，提⾼cache命中率，得到的计算饱和峰值常常是实际应⽤不可能达到的。

NAS：由美国NASA的NAS(Numerical Aerodynamic Simulation)研究组开发的科学计算性能评价标准，包含8个空⽓动⼒学计算类应⽤，其中含5个核⼼程序和3个伪应⽤，核⼼应⽤分别是EP、多重⽹格求解、共轭梯度⽅程求解、三维FFT、和整数排序。开始NAS只是纸上标准，由⼚商⾃⾏按最优⽅法编制程序，早期的巨型机和向量机都采⽤NAS Benchmark。随着并⾏机的出现，⼜有了并⾏版本NPB，⼚商需要针对⾃⼰系统的体系结构，在并⾏粒度、数据结构、通信机制、处理器映射、内存分配、底层优化上下功夫。最近⼜有了NPB2标准，统⼀提供MPI语⾔编制的并⾏程序。

Perfect：即PerformanceEvaluation for Cost-effective Transformations 评测程序，是由HPCG组织开发的⽤于评测传统的向量巨型机的标准。

SPLASH：Stanford⼤学开发的⽤于评测共享存储系统性能的测试程序。现在已发展到SPLASH-2，包含7个完整的应⽤和5个计算核⼼程序，它们都是科学与⼯程计算和计算机图形学⽅⾯的并⾏程序，主要⽤于评价SMP、CC-NUMA、DSM 等共享存储类体系结构的计算机系统的性能。

ParkBench：⽤于评价⼤型可扩展系统的科学计算性能，有Fortran加消息传递、HPP多个版本，包括micro-benchmark, Kernel, Compact Application，Compiler四类Benchmark。底层的micro-benchmar

k⽤于测量单节点性能，⽬的是获取单处理器的有关体系结构和编译器的基本性能参数，以便更好地理解上层测试的结果。测试内容包括时钟调⽤、算术运算、内存带宽和延迟、通信延迟和带宽、全局同步操作性能等。核⼼测试包括矩阵运算、FFT、偏微分⽅程、NAS 核⼼，和⼀个I/O Benchmark。简化应⽤测试包括⽓候模型、计算流体动⼒学、财务模型、分⼦动⼒学、等离⼦物理、量⼦化学、⽔库模型等。编译器测试主要是评价HPF编译器优化的效果。ParkBench很庞⼤，⽤于评价计算机系统⽀持各种具有不同需求的科学计算应⽤的性能。

3.5其他要求

对计算机的性能评价，除上述的主要技术指标外，还应该考虑其他⼏个⽅⾯：3.5.1系统的兼容性

系统的兼容性⼀般包括硬件的兼容、数据和⽂件的兼容、系统程序和应⽤程序的兼容、硬件和软件的兼容等。对于⽤户来说，兼容性越好，则越便于硬件和软件的维护和使⽤；对机器⽽⾔，更有利于机器的普及和推⼴。

3.5.2系统的可靠性和可维护性

系统的可靠性是指系统在正常条件下不发⽣故障或失效的概率，⼀般⽤平均⽆故障时间来衡量。系统的可维护性指系统出了故障能否尽快恢复，⼀般⽤平均修复时间来衡量。

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3.5.3软件配置

软件配置包括操作系统、⼯具软件、程序设计语⾔、数据库管理系统、⽹络通信软件、汉⼦软件及其他各种应⽤软件等。计算机只有配备了必需的系统软件和应⽤软件，才能⾼效地完成相关任务。

3.5.4外设配置

外设包括计算机的输⼊和输出设备，不同的外设配置将影响计算机性能的发

挥，例如：显⽰器有⾼，中，低分辨率之分，若使⽤分辨率较低的显⽰器，将难以准确还原显⽰⾼质量的图⽚；硬盘的存储量⼤⼩不同，选⽤低容量的硬盘，则系统就⽆法满⾜⼤信息量的存储需求。

3.5.5性能价格⽐

性能⼀般指计算机的综合性能，包括硬件，软件等各⽅⾯；价格指购买整个计算机系统的价格，包括硬件的软件的价格。购买时应该从性能、价格两⽅⾯来考虑。性能价格⽐越⾼越好。

此外，评价计算机的性能时，还要兼顾多媒体处理能⼒、⽹络功能、信息处理能⼒，不见的可升级扩充能⼒等因素。

3.6其他⽅⾯

我们要知道没有⼀个标准能反映计算机系统的全部性能，它们代表的只是性能的⼀个侧⾯，只局限于计算机系统的某⼀层次，不能得到系统整体的性能特征。评测可以帮助⽤户判断系统的性能特征，但适⽤性本⾝不⽌是性能，特别是在⼤型系统中，其它⼀些因素，包括耗电量、散热、可管理能⼒等等，直接影响⽤户的拥有成本及维护难度，应予以充分考虑。对计算机系统性能的评测并没有统⼀标准，对待这个问题也是⼀个见仁见智的过程。

4综述

计算机性能随着现代科学技术的发展⽽不断发展，计算机性能也越发重要起来.

性能评价是计算机⽹络和计算机系统研究与应⽤的重要理论基础和⽀撑技术，也是当今通信和计算机科学领域的重要研究⽅法。计算机系统的评价指标有很多，不同领域和⽤途的计算机评价时的评价指标侧重点不同。评价计算机系统主要通过分析、模拟、测量等⼿段，它们各有不同的优缺点，在真正的性能分析中可以将三种⽅法结合起来进⾏性能评价，以期达到最好的评价效果。性能评价通常是与成本分析综合进⾏的，借以获得各种系统性能和性能价格⽐的定量值，从⽽指导新型计算机系统的设计和改进，以及指导计算机应⽤系统的设计和改进，最终达到使计算机系统的设计、制造和使⽤形成有机的系统⼯程整体的⽬的。

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