CPU性能参数：MIPS，频率，IPC，CPI，时钟周期，机器周期，指令周期，主

频

CPU性能参数：MIPS，频率，IPC，CPI，时钟周期，机器周期，指令周期，主频

⾸先，了解下晶振的作⽤。没有晶振，就没有时钟周期；没有时钟周期，就⽆法执⾏程序代码，单⽚机就⽆法⼯作。 单⽚机⼯作时，是⼀

条⼀条地从ROM中取指令，然后⼀步⼀步地执⾏。单⽚机访问⼀次存储器的时间，称之为⼀个机器周期，这是⼀个时间基准。—个机器周

期包括12个时钟周期。如果⼀个单⽚机选择了12MHz晶振，它的时钟周期是1／12us，它的⼀个机器周期是12×(1／12)us，也就是

1us。 MCS—51单⽚机的所有指令中，有⼀些完成得⽐较快，只要⼀个机器周期就⾏了，有⼀些完成得⽐较馒，得要2个机器周期，还有

两条指令要4个机器周期才⾏。为了衡量指令执⾏时间的长短，⼜引⼊⼀个新的概念：指令周期。所谓指令周期就是指执⾏⼀条指令的时

间。例如，当需要计算DJNZ指令完成所需要的时间时，⾸先必须要知道晶振的频率，设所⽤晶振为120MHz，则⼀个机器周期就是

0.1us。⽽DJNZ指令是双周期指令，所以执⾏⼀次的指令周期为0.2us，每秒执⾏指令次数为5百万，即5mips。

MIPS与处理器频率的关系

IPS: 每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。

MIPS: 衡量ARM及其他的cpu的性能，表⽰每秒能运⾏多少个百万指令，MIPS越⾼，性能越⾼。

频率: 表⽰⼀秒振荡多少个周期 (MHz时钟速度)

IPC:（instruction per clock) 表⽰每（时钟）周期运⾏多少个指令.

准确的CPU性能判断标准应该是： MIPS=频率 x IPC

这个公式最初由英特尔提出并被业界⼴泛认可。实际上是频率和IPC在真正影响CPU性能。频率是⽤来计算MIPS，单独时是⼀个没有

⽤的指标，是MIPS的附属指标。⼀个cpu频率再⾼，IPC是0的话，性能直接就是0，是个废物，参见电⼦迁移率100%的cpu，cpu可

以升到4.0GHZ，但不能输出任何性能，不能运⾏任何指令。

MIPS是理论值，理论上CPU每秒处理的万条指令数，实际数量⼩于这个值。

主频，MIPS，CPI，时钟周期，机器周期，指令周期

1. 时钟频率⼜称主频 f ，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t : t =1/ f; 主频的倒数

3. 机器周期 : m*t ;⼀个机器周期包含若⼲个（m个）时钟周期

t

4. 指令周期：m

n 执⾏⼀条指令所需要的时间，⼀般包含若⼲个（n个）机器周期

5. CPI ：（clock per instruction）= m*n; 平均每条指令的平均时钟周期个数

指令周期 = CPI×时钟周期 = 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

6. IPC：（instruction per clock) 表⽰每（时钟）周期运⾏多少个指令.

7. MIPS = 每秒执⾏百万条指令数 = 1/（CPI×时钟周期×10的6次⽅）= 1/（指令周期×10的6次⽅） = 主频/（CPI×10的6次

⽅） = 频率*IPC/10的6次⽅

8. MFLOPS 每秒百万浮点运算次数。代表了CPU处理浮点运算的能⼒。与MIPS不能相互转换

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。

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”。