基于軟硬件規劃的計算機性能優化策略

盧民榮

(福建江夏學院 會計學院，福建 福州 350108)

現在家用、辦公計算機結構設計大多基于馮·諾依曼(John.Von.Neuman)原理，即“存儲程序和程序控制”，也就是說計算機在工作時首先保證在存儲器中具有相關要執行的程序(CPU能夠執行的基本指令集)和數據，在執行程序時CPU再根據特定尋址方式從存儲器中取出相應的指令并執行，然后再取出并執行下一條指令，直到程序執行結束為止[1-2].計算機硬件系統的五個基本組成部分是：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備，運算器、控制器功能由CPU完成，存儲器負責程序和數據的存儲，等待執行調用，經CPU處理后的結果由輸出設備輸出，有的結果也會放到存儲器中[1].存儲器按用途可分為主存(亦稱“內存”)和輔存(亦稱“硬盤”、“外存”)，主存的訪問延遲改善情況每年約7%[3]；傳統輔存HDD性能提升很慢，主流轉速7200rpm已經十幾年沒有發生變化，容量提升比較大，硬盤盤片的儲存密度以每年25%～30%的速度增長[4].近幾年，CPU性能提升很快，2004年后CPU性能年增長率約為20%[3]，因此，計算機性能從硬件上看，主要在于存儲器的改善.20世紀90年代中期出現新型的存儲器SSD，SSD具有體積小、功耗低、速度快、隨機存儲性高、環境適應能力強等優點，廣泛應用于軍事、航空、醫療等行業[5-6].從目前來看，HDD和SSD各有優劣，充分利用HDD容量大和SSD速度快優勢，將兩者搭配是未來一段時間的發展趨勢.

同等硬件配置的計算機在使用的過程中，安裝各種應用軟件，隨著時間的推移經常出現計算機運行速度的下降[7]，導致重裝操作系統，經重裝系統后計算機運行速度能明顯提升.高校實驗室計算機更是如此，實驗室為了提高利用率，一個專業實驗室功能往往不局限于一個專業或特定的專業使用，常常會出現一個實驗室服務于多個專業的學生，這就要求實驗室計算機要安裝較多教學軟件，有些教學軟件對操作系統又有特定的要求，所以實驗室要對安裝多種操作系統和各種應用軟件進行規劃.目前，高校實驗室計算機主要使用的操作系統是Microsoft Windows XP Professional 32位操作系統(簡稱“XP”)，微軟于2014年4月8日以后停止更新XP及相關服務，實驗室計算機升級操作系統勢在必行，如何升級和管理操作系統，成為實驗室一大難題.本文主要研究基于軟硬件規劃進行計算機性能優化，從規劃多操作系統的安裝入手，使用較低的硬件成本提升計算機性能，結合高校計算機實驗室特點，提出計算機性能優化策略，有效改善計算機性能，減少計算機報廢率，促進實驗室管理.

1 基于硬件升級優化計算機性能

1.1 提升實驗室計算機性能基本方法

現在計算機技術發展迅速，硬件升級周期越來越短，更新換代越來越快，直接影響計算機性能的硬件有CPU、內存、硬盤.著名的摩爾定律指出，CPU的更新周期是半年，其它部件的更新周期也非常短[8]；計算機購買兩三年后，計算機配置中對應的CPU和內存已經停產，隨著時間的推移，其主板相兼容的CPU和內存越來越難購買.從近幾年計算機市場價格看，實驗室計算機采購成本在4000～5000元之間，CPU、內存成本分別占整機的10%、6%左右；根據計算機硬件價格規律，如要升級硬件，在實驗室計算機投入使用3年左右，更換主板相兼容且處理速度更高效的CPU，更新成本約占整機的5%，加裝容量更大的內存的升級成本比較理想.十幾年來，HDD在容量上有比較大的突破，訪問速度提升很小，直至SSD的出現，才提供了通過硬盤升級的做法提升計算機整機性能，SSD速度快但價格高，升級成本不理想；其中加裝小容量的SSD作為系統盤，保留原有HDD為數據盤，兩者搭配共同使用則會降低升級成本，具體升級方案如圖1所示.

圖1 基于硬件的升級方案

高校實驗室一般使用招標、規?；慕ㄔO，因此高校內部每個時期的實驗室計算機配置基本一致.在實驗室投入使用5年以上的計算機，部分配件開始出現老化、損壞，而這些損壞的配件都很難購買，尋找相兼容的配件也不容易，加上維修成本也較高，因此使用超過5年的計算機有配件損壞的基本是進行報廢處理.采用更換CPU升級，對舊的CPU很難再次利用，加裝容量大的內存提升速度不明顯，而使用SSD升級實驗室計算機是目前最為有效的一種升級方案.這三種升級方式都可以延長計算機服務年限，為了保證實驗室計算機升級后穩定運行，根據維護、升級經驗給出基于SSD升級計算機流程如圖2所示.

圖2 基于SSD升級計算機流程圖

1.2 基于SSD優化計算機限制

SSD的出現解決了外部存儲器和CPU之間速差距[9]，SSD與HDD相比有明顯速度優勢,同時也有明顯價格、空間劣勢，在使用SSD進行升級時，充分利用SSD讀寫速度的優勢，應做好操作系統和軟件安裝規劃，因為隨著SSD的使用，可用空間越低，其性能就會越差[10].基于SSD優化計算機受到計算機主板限制主要在于是否支持并有效發揮SSD的性能，目前市場上SSD都是SATA接口，如早期計算機主板不支持SATA接口，這種加載SSD并不能有效提升計算機性能；另外，主板BIOS還要支持串行ATA高級主控接口/高級主機控制器接口(Serial ATA Advanced Host Controller Interface，AHCI)，因為SSD支持原生命令隊列(Native Command Queuing，NCQ)，隊列深度越大性能越好，早期主板默認硬盤模式是IDE，不支持NCQ，隊列深度增大性能得到不提升[11].其IDE與AHCI模式性能差異如圖3所示.

圖3 IDE與AHCI模式性能差異

2 基于軟件規劃優化計算機性能

2.1 實驗室計算機教學軟件規劃

為滿足教學需求在實驗室計算機上安裝使用的所有軟件，本文稱為教學軟件，這些教學軟件有些跟專業課程相關性很強，有些僅在考試時使用，有些軟件運行時會消耗較多計算機資源，因此要將實驗室所要安裝的軟件進行分析，通過規劃實現合理的安裝，提升計算機運行效率.通過不同角度對教學軟件進行分類，不同角度分類之間會有所交叉，這些分類主要為后續實驗提供依據.

根據課程的性質，按專業相關度進行區分：

(1)基礎軟件：實驗室上課的教師基本都需要使用，與課程沒有直接關系，如Office辦公軟件；

(2)專業軟件：與課程密切相關，僅用于特定實驗課程教學，其它課程的師生一般不會用到.

根據軟件安裝后及運行時占用計算機系統資源情況，按消耗資源大小進行區分：

(3)消耗資源大：運行時占用CPU、內存等關鍵資源多，運行時計算機整機速度變慢，對計算機的硬件要求比較高，如數據庫軟件Oracle；

(4)消耗資源?。号c消耗資源大相反，運行時占用計算機資源少，一般基礎軟件消耗資源也比較小.

根據考試需求，按軟件使用率還有：

(5)考試軟件：僅在特定的時間點進行使用，平常不會使用.

2.2 實驗室計算機操作系統規劃

根據各教學軟件的特點，應將消耗資源大的軟件進行分離，以減少計算機資源的消耗；也可對考試軟件分離，以節約計算機資源.面對多種教學需求，以及各種考試多元化的需求，在實驗室的計算機上安裝多個操作系統是目前高校實驗室管理常用手段[12]，通過多操作系統管理各教學軟件，可以提升計算機開機速度并減少內存資源的消耗.根據軟件分類對計算機操作系統規劃流程如圖4所示.

圖4 操作系統安裝規劃

3 實驗

以2013～2014學年第一學期福建工程學院軟件學院綜合樓計算機實驗室403承擔的教學任務為樣本數據，從滿足教學需求為根本進行實驗論證.該實驗室主要承擔軟件工程(專升本)、可視化、財務信息管理、電子商務等專業的教學任務，實驗教學課程有：ADO.NET數據訪問技術、MySQL數據庫工程師、C++程序設計、基于.Net的Windows應用程序開發、管理信息系統、PHP應用開發技術、SQL Server數據庫程序設計、數據庫原理、UML基礎、關系數據庫基礎、Web高級編程技術、C語言與數據結構.

3.1 實驗環境

實驗主機采用2007年生產的方正尊越A360(簡稱“方正A360”)，主機CPU雙核、主板支持SSD接口，實驗時比較能發揮SSD性能且高校采購此機型的計算機比較多，其CPU、內存、硬盤配置信息及預升級方案如表1所示.

表1 方正尊越A360配置表

實驗以方正A360為基本配置，對其不同硬件進行升級測試，對比不同實驗效果來組建實驗環境，具體組建實驗環境如下.

(1)實驗主機一：方正A360，基本配置.

(2)實驗主機二：方正A360僅升級CPU，其它配置不變，提升CPU處理速度，CPU處理能力提升1倍.

(3)實驗主機三：方正A360僅擴大1倍的內存容量.

(4)實驗主機四：將方正A360原有HDD作為數據盤，使用SSD作為系統盤，將不常用、占據較大空間的軟件和數據放在HDD上，如GHOST還原文件、用戶數據等.

每個實驗主機的軟件環境均相同，分A、B兩組進行測驗，A組使用單操作系統安裝所有教學軟件，B組使用多操作系統規劃安裝對應的教學軟件(B1代表第一個操作系統，B2代表第二個，以此類推，B*代表所有操作系統都需要安裝)，以分攤資源為原則將消耗計算機資源大的軟件分別劃入不同的操作系統，按照計算機操作系統規劃流程，其教學軟件實驗分組如表2所示，其中Office 測試時將Word、Excel、PowerPoint、Access、Outlook、Visio全部匯總，與教學無關的軟件在表中不體現.

表2 軟件分組

3.2 實驗過程

在實驗時增加了開關機測試，計算機啟動時間包括了還原卡加載時間和系統默認啟動服務(教學控制軟件和殺毒軟件等)，序號17和18歸入開機指標中，序號9、10、11、12等數據庫軟件操作包含服務啟動和展示管理主界面.在同一軟件環境下對四臺實驗主機進行教學軟件常規操作、應用軟件響應時間測試對比，方便對比實驗結果，真正做到實用、準確、清晰，實驗過程設計為：

(1)實用：每個操作系統都安裝基礎軟件，方便教學使用；使用金山毒霸進行C盤全面掃描殺毒，體現磁盤的掃描速率.

(2)準確：實驗過程中記錄執行10次，求各應用程序所需平均時間.

(3)清晰：在響應時間對比中，以實驗主機一的數據為基準，分別在實驗主機二、三、四上增加時間倍數整機性能提升raise計算公式為：

式中：n表示實驗評價項目數量；T1表示實驗主機一軟件響應時間；使用Tn表示實驗主機二、主機三、主機四軟件響應時間.

軟件響應時間越小表示性能越好，其速度越快，以消耗資源大的軟件響應時間來衡量更能說明計算機處理能力.表3為A組單操作系統測試結果，主要對比硬件升級后計算機性能變化，主機三、四以倍數代替；表4為A、B兩組對比軟件規劃前后計算機性能變化.實驗數據在表格最后一行將評價項目匯總，用整機性能提升表示提升程度，實驗數據通過倍數很容易形成對比，并獲得展示結果，明顯的比較計算機性能.

表3 A組實驗數據(單位：秒)

表4 B組實驗數據(單位：秒)

3.3 實驗結果分析

A組實驗結果表明：CPU提升一倍，整機性能提升15%，內存擴大一倍，整機性能提升8%，改用SSD硬盤操作速度大幅度提高，整機性能提升一倍以上，達131.5%.B組實驗結果表明：經軟件分類，規劃安裝至不同操作系統，可以提升計算機處理速度，改善程度在1%～10%之間，值得注意的是B組實驗是以犧牲硬盤空間為代價，在目前計算機硬件行情中HDD硬盤比CPU、內存便宜，而且HDD硬盤容量一般都能滿足教學需求，因此，不需要花費任何更新成本便可以改善計算機性能，值得嘗試.

隨著計算機技術的發展，目前計算機配置的CPU處理速度已經很快了，內存容量也夠用，CPU、內存升級后所帶來性能提升已經不那么明顯；然而外部存儲器HDD遠落后于CPU的速度，通過SSD可以改善外部存儲器與CPU之間的速度差距，通過輔存升級提高計算機系統性能，效果較為明顯，目前這種升級還存在的不足是SSD的價格問題.

3.4 實驗結果輔助分析

從測試結果中得出SSD比HDD在響應時間、讀寫延時提升很大，SSD工作時不僅可以隨機訪問，而且通常以頁為單位進行讀寫，存儲方面是以閃存作為存儲單元，其響應速度是HDD的三到五倍，讀寫延時是HDD的幾十倍[13].SSD緩存和讀取速度要高出HDD很多倍，可以通過IOPS和傳輸速率輔助說明.IOPS是指每秒進行讀寫操作的次數，IOPS值越大，其讀寫延時就越小，即IOPS值越大表示性能越好，反之越差，如圖5所示.傳輸速率在數值上等于每秒鐘傳輸構成數據代碼的比特數，傳輸速率越高，其傳輸速度就越快，即傳輸速率越大表示性能越好，反之越差，如圖6所示.

2009年，SSD開始投入市場，相應計算機主板對SSD技術支持越來越廣泛，近幾年高校采購的計算機主板均能較好地支持SSD[14].通過對三年前采購的聯想ThinkCentre M8200t計算機進行SSD升級，其性能提升更大，計算機響應時間更短，整機性能提升可以達到200%以上，因此，充分利用HDD和SSD各自優勢，兩者搭配使用在高校計算機實驗室的維護升級過程中將會得到普及.

圖5 IOPS操作測試

圖6 傳輸速度比較

4 結論

目前，SSD因為成本問題，其普及度還比較低，為了適應操作系統XP升級趨勢，本文從軟件規劃、硬件升級兩種方式提出了改進高校實驗室計算機性能的操作方法和升級成本；以零成本的軟件規劃，改善計算機性能.基于軟硬件規劃的計算機性能優化策略是對計算機實驗室操作系統及軟件安裝、硬件維護的實踐經驗，易于操作，適合在高校計算機實驗室推廣.

參考文獻：

[1] John D. Carpinelli.Computer Systems Organization and Architecture[M]. U.S.ed: Addison-Wesley Educational Publishers Inc,2000:107-115.

[2]劉乃文.馮·諾依曼機原理的教學研究與應用[J].計算機工程與設計,2006(10):1831-1834.

[3]Hennessy,J.L.,Patterson,D.A.Computer Architecture:A Quantitative Approach[M].4th Edition. an Francisco,CA: Morgan Kaufmann Publishers,2006.

[4]王謙.高速大容量存儲器設計[D].西安:西安電子科技大學,2012.

[5]Hongs eok Kim,Eyee Hyun Nam,Ki Seok Choi.Development Platforms for Flash Memory Solid State Disks[M].Tokyo:Object Oriented Real-Time Distributed Computing,2008,526-530.

[6]Dae-Sik Ko,Seung-Kook Cheong.Web Performance Enhancement of E-business System using the SSD[J].Future Generation Communication and Networking Symposia,2008,(1):81-84.

[7]馬曉瓊.提高計算機運行速度的日常方法[J].黑龍江科學,2014(02):183.

[8]顏遲.美、中、印信息產業的比較優勢和競爭優勢[J].科技管理研究,2005(01):108-110，118.

[9]朱浩. SSD文件系統優化技術的研究與實現[D].長沙:國防科學技術大學,2010.

[10]楊濮源,金培權,岳麗華.一種時間敏感的SSD和HDD高效混合存儲模型[J].計算機學報,2012(11):2294-2305.

[11]范玉雷,賴文豫,孟小峰.基于固態硬盤內部并行的數據庫表掃描與聚集[J].計算機學報,2012(11):2327-2336.

[12]王齊.多操作系統的計算機實驗室的管理[J].現代教育科學·高教研究,2007(1):116-117.

[13]汪小林,賴榮鳳,王振林,等.基于SSD高速緩存的桌面虛擬機交互性能優化方法[J].計算機應用與軟件,2011(11):1-6.

[14]Yongsoo Joo,Junhee Ryu,Sangsoo Park,Kang G.Shin.Improving Application Launch Performance on Solid State Drives[J]. Journal of Computer Science & Technology,2012(04)：727-743.