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1、西安交通大学1计算机性能分析与评价报告姓名：苑仁群班级：*学号：*西安交通大学2目录1 概述 .31.1 引言 .31.2 研究现状及方向 .32 基于排队论对计算机性能分析与评价综述 .42.1 理论基础 .42.1.1 概率论基础 .42.1.2 随机过程 .62.1.3 排队论模型 .72.2 排队论在计算机性能分析与评价中的应用介绍 .113 结论 .14参考文献 .15西安交通大学31 概述1.1 引言伴随着社会信息化的快速发展，对计算机的性能要求是永无止境的，从而就需要对计算机的性能进行分析和评测，能够对计算机的性能进行定量化和精确化的分析和评测。传统的基于理论峰值的评测计算机性能
2、的方法，如 MIPS、CPI 、FLOPS 等，不能完全反映计算机的性能状况。伴随着计算机相关领域的知识理论的成熟，渐渐的产生了计算机性能分析与评测。计算机性能分析与评测是指通过基准的评测程序获得特定计算机系统运行预定义任务或任务集时的性能特征。进行计算机性能分析与预测主要有以下三个目的：1. 选择：在众多的系统中选择一个最适合的系统，达到较好的性能/价格比。2. 改进：对已有系统的性能缺陷和瓶颈进行改进和提高，优化计算机的性能。3. 设计：对未来设计的系统进行性能预测，在性能成本方面实现最佳设计或配置。本文主要是介绍计算机性能分析与评价的理论知识和方法，以及排队论在计算机评价中的简单应用。1
3、.2 研究现状及方向在国外，计算机评测相对国内来说起步较早，计算机性能分析与评测是计算机硕士生的必修课程，所有做计算机体系结构和系统研究的学术机构和组织都有自己的性能评测研究，同时所有研究计算机系统硬件和系统软件的厂商都有自己的评测研究，形成了许多对计算机性能评测的基准方法。在国内，也出现了对计算机性能进行分析和评测的结构和组织，例如：国家智能计算机研究开发中心，侧重于高性能计算机系统、计算机体系结构、性能评测，面向计算机系统、兼顾各个子程序，侧重性能评测方法的研究；清华大学软件学院的 TPC-C 评测程序；清华大学网络研究所使用 Petri 网模型分析网络系统的性能；国防科技大学计算机系中间
4、件系统的研究和测试；计算机世界报性能评测实验室；赛迪评测中心的 NC 系统的评测。计算机性能分析与评测主要的研究方向如下：1. 相关理论的研究：泊松分布、排队论、自相似理论、MaKov 模型、Monte Carlo 模西安交通大学4拟。2. 负载特性的研究：商业负载(Commercial Workload)、技术负载 (Technical Workload)。3. 基准程序 Benchmark 的研究。4. 性能指标的研究：生命周期、服务协议等级、服务质量、总拥有价格（TCO） 、总拥有性能（TPO） 、吞吐率、可靠性、可用性、可扩展性、 QoS 等。5. 性能评测与体系结构的结合。6. 模拟
5、器的研究：SimpleScalar 、SimOS 、SandOS 等。7. 测试系统的研究：Benchmark Factory、ServerScope、Benchmark Studio、 LoadRunner、Forecast toolset 等。8. 监控系统的研究：Intel Vtune、 EMon、TeamQuest Lite、 ServerScope-Monitor、 Grid-View 等。2 基于排队论对计算机性能分析与评价综述2.1 理论基础本部分主要总结在计算机性能分析与评测过程中用到的概率论基础、随机过程和常用的排队论模型，根据这些理论知识，为对计算机各个部件的性能分析、优化
6、和改进奠定基础。2.1.1 概率论基础1.条件概率和独立性条件概率公式：P(A|B)=P(AB)/p(B),此时假定事件 B 已经发生，事件 A 在事件 B 发生的条件下的概率。独立性：如果 P(AB)=P(A)P(B),事件 A 和 B 叫做相互独立的事件，独立性的概念可以推广到三个或多个事件。2.全概率公式和贝叶斯定理给定一组互斥的事件 E1,E2,En,这些事件的并集包括所有可能的结果，同时给任一个事件 A，那么全概率公式可以表示为： nj jjEPAP1)(/()(nj jjiii EAEP1/()/(西安交通大学5贝叶斯公式：又称为后验概率公式，是在已知结果发生的情况下，用来求导致这
7、种结果的某种原因的可能性的大小。3.重要的概率分布1） 0-1 分布概率分布为：PX=1=p, PX=0=1-p，它描述一次贝努里实验中，成功或失败的概率。2）二项分布公式为：PX=k=C nk pk (1-p)n-k，k=0,1,2,，n用来描述 n 次贝努里实验中事件 A 出现 k 次的概率。3）几何分布公式为：PX=k=p(1-p) k-1, k=1,2, 描述在 k 次贝努里实验中首次出现成功的概率。其有一个很重要的性质-无后效性，即在前 n 次实验未出现成功的条件下，在经过 m 次实验首次出现成功的概率，等于恰好需要进行 m 次实验出现首次成功的无条件概率，与过去历史无关的性质称为马
8、尔可夫特性。它可以描述某一任务的服务持续时间。4）泊松分布（Poisson）公式为：PX = k = k e- / k!， k=0,1,2,在实际系统模型中，一般都要假定任务（或顾客）的到来是泊松分布的。5） K-爱尔朗分布概率密度函数为：f(x)=( kx) n-1ke -kx /(n-1)!， x0f(x)=0， x=0如果满足以下条件，则被称为参数为 的泊松过程, 称为泊松过程的速率：1） 独立时间段上的事件发生的个数是独立的（即独立增量过程） ；2） 在任意一段时间内发生的事件的个数的分布是不变的（即平稳过程） ；3） 在一小段时间 h 内发生一个事件的概率为 h+O(h)；4） 在一
9、小段时间 h 内发生多于一个事件的概率为 O(h).一般 N(t)表示在时间间隔 0,t中到达某服务台的顾客数。3.伯努力过程设随机序列N(n),n=0,如果它满足以下三个条件 :1)N(0)=0，2)N(n),n=0 具有独立增量性，3 ） N(m +n)-N(m)B(n, ),其中 m，n 均为非负整数，则称该随机序为参数是 （01.2)连续时间生灭过程一个连续时间齐次马尔可夫链X(t),t=0, 状态空间0,1,2,称为生灭过程。6.更新过程设N(t),t0是一个计数过程，x n (n=1)表示第 n-1 次事件和第 n 次事件的时间的间隔，再设x 1， x2，为非负、同分布的随机变量序
10、列，则称计数过程 N(t),t0为更新过程。其主要特点是根据事件间隔的特征（独立、同分布）定义。泊松过程中事件之间的时间间隔是呈负指数分布的，泊松过程是更新时间间隔呈负指数分布的更新过程。2.1.3 排队论模型排队论又称为随机服务系统，是运筹学的重要组成部分，是具有特殊应用价值的现代应用数学的分支之一，其应用范围很广，它适用于一切服务系统，尤其在通信系统、交通系统、计算机存储系统和生产管理系统等方面应用的最多。1.排队系统的组成部分1)输入过程与到达规则。输入过程一般是用顾客到达间隔时间来描述的。根据到达的间隔时间所服从的分布，输入过程可以分为定长输入、负指数输入、爱尔朗输入、几何输入、负二项
11、输入与一般输入。顾客到达的时间间隔可以是确定型的，也可以是随机型的，顾客刀客可以相互独立，也可以相互无关。顾客可以单个到达、成批到达、依时到达、移西安交通大学8态到达。2）排队规则。排队规则一般分为等待制、损失制和混合制，在等待制和混合制中通常又分为 FCFS、LCFS、ROS 、优先非抢占服务、优先抢占服务等，在混合制中又分为队长容量有限、等待时间有限。此外，还有顾客服务后反馈以及共同占用、占而不用等。3）服务机构的结构。服务机构的结构可分为单服务台、有限个服务台与无限多个服务台。在多个服务台中又可分为并联、串联两种。4）服务时间与服务规则。服务时间是指服务一个顾客所用的时间。根据其分布，一
12、般分为定长分布、指数分布、几何分布与一般分布。服务规则分为有假时间与无假时间两类。还可以分为单个服务与成批服务。2.排队模型系统的格式排队模型的格式为：A/B/n/S/Z,各个符号的含义如下表： 符号 含义A 顾客到达规律B 服务时间分布n 服务员的数目S 队列容量的大小Z 服务规程A 和 B 可以用以下的参数符号表示：M：如果用于描述到达，表示泊松到达过程，到达时间间隔符合指数分布；如果用于描述服务，则指具有指数分布的时间，M 表示 Markov 的第一个字母。G：一般分布。表示到达间隔时间或服务时间服从一般分布。Ek：k-爱尔朗分布。表示到达间隔时间或服务时间服从 k-爱尔朗分布。H：超几
13、何分布。L：H 项式分布。Z 代表的典型服务规程如下表所示：服务简写 含义FCFS 先来先服务LCFS 后来先服务西安交通大学9RSS 随机选择服务PR 优先权服务GD 一般规约服务Ba 集体（批量）服务排队论使用的主要数学符号及含义如下表所示：数学符号 意义平均到达速率，顾客数 /秒Ts每个顾客（任务）的平均服务时间Ts 服务时间的标准差 利用率，服务员忙所占的时间比例平均服务速率Q 系统中的顾客数量（包括等待的和正在 被服务的顾客）q 系统中的平均顾客数量（包括等待的和正在 被服务的顾客）TQ一个顾客在系统中花费的时间Tq一个顾客在系统中花费的平均时间（排除时间）qq 的标准差Tq 的标准差Tq 等待服务的平均顾客数量T一个顾客等待服务的平均时间Td等待顾客（不包括等待时间为零的顾客）的平均等待时间的标准差N 服务员的数量mx()在 r%的时间，x 值小于 ；又称为第 r 百分位mx()3.
