基于Matlab APP Designer的計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件

胡 振，楊 華，周金容，譚鶴毅，代霜春

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，南充 637131）

0 引言

在高職院校的《計算機(jī)組裝與維護(hù)》課程教學(xué)中，計算機(jī)超頻技術(shù)是“計算機(jī)性能優(yōu)化”部分的重要內(nèi)容。但超頻操作需要滿足較高的硬件條件，而實訓(xùn)所用計算機(jī)則通常配置偏低，不能支持實機(jī)超頻設(shè)置；另一方面，計算機(jī)超頻存在硬件受損的風(fēng)險，也不宜讓學(xué)生直接動手嘗試。針對這些情況，我們開發(fā)了一款計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件，并將其集成到“計算機(jī)組裝維護(hù)實訓(xùn)工具盤”［1］中，以便學(xué)生通過仿真練習(xí)，逐漸掌握計算機(jī)超頻的工作流程、參數(shù)設(shè)置和測試軟件使用，為其實機(jī)操作奠定堅實基礎(chǔ)。

該軟件采集實機(jī)超頻數(shù)據(jù)為樣本，用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（general regression neural network，GRNN）算法預(yù)測超頻后的性能測試值，從而實現(xiàn)超頻參數(shù)設(shè)置與性能測試結(jié)果的數(shù)值模擬；采用Matlab APP Designer 設(shè)計軟件的工作界面，以Matlab 編程實現(xiàn)全部功能。為便于安裝使用，將其編譯、封裝成獨(dú)立運(yùn)行程序，并將Matlab Runtime集成到軟件安裝包中。

1 計算機(jī)超頻原理與方法

1.1 計算機(jī)超頻原理

超頻（over clocking，OC）是通過調(diào)整硬件設(shè)置使芯片的主頻超過額定頻率，從而獲得性能提升的技術(shù)手段。

計算機(jī)超頻的主要對象是CPU、內(nèi)存和顯示卡。因CPU 的工作頻率=系統(tǒng)總線頻率（外頻）×倍頻系數(shù)，故提高外頻或倍頻系數(shù)皆可實現(xiàn)CPU 超頻。現(xiàn)階段計算機(jī)的時鐘發(fā)生器整合于CPU 內(nèi)部，其基準(zhǔn)時鐘頻率（外頻）固定為100 MHz，因此需利用提高倍頻系數(shù)的方法來實現(xiàn)CPU 超頻；目前的內(nèi)存則大多支持Intel Extreme Memory Profile（XMP）標(biāo)準(zhǔn)，既能輕松實現(xiàn)自動超頻，亦可支持用戶自定義方式超頻［2］；顯示卡超頻包括核心頻率和顯存頻率超頻兩方面，主要用于獨(dú)立顯卡，部分主板與相應(yīng)CPU搭配亦可實現(xiàn)核心顯卡超頻。

計算機(jī)超頻對硬件配置有較高要求，主要包括：采用可超頻芯片組的高品質(zhì)主板［3］、未鎖定倍頻的CPU、搭配超頻顆粒的內(nèi)存條、高性能顯示卡以及增強(qiáng)的供電與散熱設(shè)備。

1.2 計算機(jī)超頻的方法和流程

1.2.1 計算機(jī)超頻的方法

計算機(jī)超頻的方法包括UEFI 設(shè)置法和軟件設(shè)置法。前者適合專業(yè)學(xué)習(xí)和熟練用戶采用，需進(jìn)入計算機(jī)的UEFI 設(shè)置界面修改相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行穩(wěn)定性測試。該方法無需使用其它軟件工具，且設(shè)置結(jié)果長期有效；后者則是利用硬件廠商或第三方公司提供的專用超頻軟件實現(xiàn)，通常比前者更為直觀、簡便、安全，并能夠自動測試超頻極限，普通用戶亦可借以進(jìn)行超頻嘗試，但操作系統(tǒng)損壞或重裝會導(dǎo)致其設(shè)置失效。

1.2.2 計算機(jī)超頻的操作流程

在計算機(jī)超頻實踐中通常按“內(nèi)存→CPU→顯示卡”的順序進(jìn)行設(shè)置。下面以華碩ROG系列主板和Intel K 系列CPU 為例，根據(jù)UEFI 設(shè)置法介紹其操作流程。

（1）內(nèi)存超頻。若利用XMP 參數(shù)自動超頻，只需在相應(yīng)項目選擇XMP Ⅰ或XMP Ⅱ即可，否則按下列步驟操作：①進(jìn)入UEFI 設(shè)置界面，設(shè)置內(nèi)存頻率目標(biāo)值；②設(shè)置DRAM、CPU VCCIO、CPU System Agent 等相關(guān)電壓值；③放寬CL、tRCD、tRP 和tRAS 等內(nèi)存時序值；④進(jìn)行穩(wěn)定性測試，如果輕松通過可將目標(biāo)頻率逐次提高，若發(fā)生無法開機(jī)、藍(lán)屏或測試錯誤，則按步驟①～③降低目標(biāo)頻率、升高電壓或放寬時序，直到通過測試；⑤依次將CL和tRCD/tRP 逐步減1、tRAS 逐步減2，每次調(diào)整后進(jìn)行穩(wěn)定性測試，將內(nèi)存時序收緊到最佳值；⑥調(diào)整RTL、IO-L或IOL-offset參數(shù)，并進(jìn)行穩(wěn)定性測試。

（2）CPU 超頻：①進(jìn)入UEFI 設(shè)置界面，設(shè)置CPU 倍頻（CPU Core Ratio）選項為同步全部核心（Sync All Cores），并輸入倍頻值（Core Ratio Limit）；②設(shè)置CPU 核心電壓（CPU Core/Cache Voltage）為手動方式（Manual Mode），并輸入電壓值（CPU Core Voltage Override）；③將CPU 負(fù)載線校準(zhǔn)（CPU Load-line Calibration）、CPU 電流限制（CPU Core/Cache Current Limit Max.）和功率限制（Long Duration Package Power Limit、Short Duration Package Power Limit）設(shè)置為最大值；④進(jìn)行穩(wěn)定性測試，若通過可增大CPU 倍頻，反之則減小倍頻或提高核心電壓，直到獲得計算機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行的CPU倍頻極限值。

在超頻嘗試過程中必須進(jìn)行穩(wěn)定性測試，目前常用AIDA64 或Prime95 測試CPU 超頻的穩(wěn)定性，而以RunMemTestPro 或TestMem5 測試內(nèi)存超頻穩(wěn)定性。超頻成功后需進(jìn)行性能測試，現(xiàn)階段主要從基本運(yùn)算、文件處理、物理渲染等方面測試CPU 的單線程和多線程性能，其代表性軟件包括CINEBENCH、Fritz Chess Benchmark、7-ZIP、x265 Benchmark 和POV-Ray 等；內(nèi)存性能測試則主要用AIDA64進(jìn)行。

2 計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件設(shè)計

2.1 軟件功能模塊設(shè)計

計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件主要模擬BIOS 設(shè)置法，其功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件功能結(jié)構(gòu)

2.2 超頻過程模擬和算法設(shè)計

2.2.1 超頻過程模擬

在超頻實踐過程中，用戶的主要操作是反復(fù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和穩(wěn)定性測試，直到計算機(jī)達(dá)到滿意的超頻幅度并運(yùn)行正常。如果設(shè)置超頻參數(shù)之后發(fā)生無法開機(jī)、不能啟動操作系統(tǒng)、不能通過穩(wěn)定性測試（測試軟件運(yùn)行中出錯、自動重啟或死機(jī)）等現(xiàn)象，則為目標(biāo)頻率過高、工作電壓偏低、內(nèi)存時序值太小等原因所致，應(yīng)根據(jù)具體情況對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后再做穩(wěn)定性測試。在計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件中，模擬這個過程的設(shè)計思路為：首先設(shè)定內(nèi)存或CPU 的超頻上限為10%～50%范圍內(nèi)的隨機(jī)值；然后以樣本數(shù)據(jù)為參考，將目標(biāo)頻率對應(yīng)的工作電壓和內(nèi)存時序等參數(shù)值劃分為四個區(qū)間，分別對應(yīng)超頻設(shè)置后的四種可能結(jié)果——超頻成功、不能通過穩(wěn)定性測試、不能啟動操作系統(tǒng)和無法開機(jī)。軟件運(yùn)行時，則根據(jù)用戶實際設(shè)置的超頻參數(shù)值轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理過程，提示用戶應(yīng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、穩(wěn)定性測試或下一步工作。

2.2.2 性能測試結(jié)果預(yù)測算法

（1）GRNN 算法模型。在計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件中，超頻成功后的性能測試結(jié)果用GRNN算法預(yù)測得到。GRNN是一種基于非線性回歸理論的前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以樣本數(shù)據(jù)為后驗條件，執(zhí)行Parzen 非參數(shù)估計，依據(jù)最大概率原則計算網(wǎng)絡(luò)輸出［4］；該模型以徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的非線性映射能力和學(xué)習(xí)速度，且對小樣本和不穩(wěn)定數(shù)據(jù)的處理效果較好［5］。GRNN 模型由輸入層、模式層、求和層與輸出層構(gòu)成，應(yīng)用于內(nèi)存超頻性能測試結(jié)果預(yù)測時，以內(nèi)存的時鐘頻率和三個時序值（tRCD=tRP）為輸入，以讀取、寫入和復(fù)制的速度為輸出，相應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 內(nèi)存超頻性能測試結(jié)果預(yù)測的GRNN模型

（2）GRNN 模型構(gòu)建。可直接利用Matlab 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)newgrnn（）構(gòu)建GRNN 模型，其調(diào)用格式為

式中：P為k組輸入向量組成的m×k維矩陣；T為k組輸出向量組成的n×k維矩陣；Spread為徑向基函數(shù)的擴(kuò)展速度，該值大則曲線更平滑、值小則能更精確地逼近訓(xùn)練樣本點(diǎn)，默認(rèn)值為1.0［6］。

將該GRNN 算法模型用于內(nèi)存超頻性能預(yù)測時，樣本數(shù)據(jù)為k組，每組樣本包括Clock、CL、tRCD&tRP、tRAS 四項參數(shù)值和Read、Write、Copy三項性能值，故以樣本數(shù)據(jù)分別構(gòu)成4 ×k矩陣P、3 ×k矩陣T，即可調(diào)用newgrnn（）函數(shù)建立相應(yīng)GRNN 模型。因計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件對預(yù)測精度的要求不高，故無需進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化。

CPU 超頻的性能測試結(jié)果預(yù)測GRNN 模型設(shè)計和構(gòu)建與此類似，不再贅述。

2.3 用戶操作界面設(shè)計

計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件的用戶界面采用Matlab APP Desinger 設(shè)計。Matlab APP Desinger是Matlab R2016a 及其后版本內(nèi)置的GUI 設(shè)計工具，與GUIDE 的用法基本一致，但其工作界面更為現(xiàn)代、美觀，代碼框架更簡潔、清晰，運(yùn)行穩(wěn)定性和流暢性也有所提升。在設(shè)計制作軟件界面時，控件生成代碼由APP Designer以面向?qū)ο笳Z法自動完成，用戶只需修改控件屬性、添加全局變量和回調(diào)函數(shù)即可［7-8］。

2.3.1 軟件主界面設(shè)計

根據(jù)軟件的功能模塊結(jié)構(gòu)，本著簡潔直觀、操作方便的原則，將整個軟件的主界面設(shè)計為選項卡組（TabGroup），包括三個選項卡（Tab），分別用于“計算機(jī)超頻知識”“內(nèi)存超頻模擬練習(xí)”和“CPU超頻模擬練習(xí)”功能模塊。

2.3.2 “計算機(jī)超頻知識”模塊界面設(shè)計

該模塊所在選項卡分成左右兩個面板（Panel），左面板放置目錄樹（Tree），分層列出“計算機(jī)超頻概述”“CPU 超頻”“內(nèi)存超頻”和“顯示卡超頻”等部分的各級知識點(diǎn)；右面板為文本區(qū)域（TextArea），顯示對應(yīng)于目錄樹中當(dāng)前知識點(diǎn)的具體內(nèi)容。

2.3.3 “超頻模擬練習(xí)”模塊界面設(shè)計

“內(nèi)存超頻模擬練習(xí)”和“CPU 超頻模擬練習(xí)”功能模塊的界面設(shè)計基本相同，其所在選項卡均分為左右兩個面板。左邊為超頻參數(shù)設(shè)置面板，用于設(shè)置內(nèi)存或CPU 超頻的主要硬件參數(shù)，項目名稱和操作控件皆與華碩ROG 系列主板UEFI 界面中基本一致。右邊為過程圖示與結(jié)果顯示面板，其上半部分為圖示區(qū)，用1個圖像控件（Image）實現(xiàn)，可在超頻參數(shù)設(shè)置和穩(wěn)定性測試過程中顯示實機(jī)操作或軟件運(yùn)行畫面；中間部分為狀態(tài)指示與測試操作區(qū)域，以3個信號燈（Lamp）分別表示超頻參數(shù)設(shè)置后計算機(jī)開機(jī)、啟動操作系統(tǒng)和穩(wěn)定性測試的結(jié)果狀態(tài)，用1 個開關(guān)（Switch）控制和選擇“穩(wěn)定性測試”與“性能測試”、1 個按鈕（Button）執(zhí)行相應(yīng)測試；下面部分為1 個表格（UITable），用于顯示超頻后的性能測試結(jié)果。“內(nèi)存超頻模擬練習(xí)”模塊的運(yùn)行界面如圖3所示。

圖3 內(nèi)存超頻模擬練習(xí)功能模塊的運(yùn)行界面

3 軟件功能實現(xiàn)及編譯、封裝

3.1 計算機(jī)超頻樣本數(shù)據(jù)采集

為實現(xiàn)超頻參數(shù)設(shè)置與相應(yīng)性能測試結(jié)果的數(shù)值模擬，需在計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件中引入樣本數(shù)據(jù)，為此進(jìn)行了實機(jī)超頻數(shù)據(jù)采集，所用計算機(jī)的主要硬件配置為：Asus ROG Maximus XI Hero（Wi-Fi）主板、Intel Core I5-9600KF CPU、A-Data DDR4 3200 8 GB*2 內(nèi)存、GALAXY GeForce GTX 960 顯示卡、Intel HBRPEKNX0202 A 512 GB NVMe固態(tài)硬盤。

3.1.1 CPU超頻樣本數(shù)據(jù)采集

按前述CPU 超頻流程，將CPU 的主頻由3.7 GHz逐步提升至5.1 GHz，每次增量為100 MHz。在每個采樣頻率點(diǎn)，先用AIDA64 的Stress FPU進(jìn)行穩(wěn)定性測試30 分鐘，記錄CPU 的溫度和功耗；然后以CPU-Z 和CINEBENCH R23 測試CPU的單線程性能，以Fritz Chess Benchmark、x265 Benchmark 和POV-Ray 測試多線程性能，記錄CPU 的頻率、電壓和性能測試結(jié)果值。將全部樣本數(shù)據(jù)以Excel工作表保存。

3.1.2 內(nèi)存超頻樣本數(shù)據(jù)采集

按前述內(nèi)存超頻流程，將內(nèi)存頻率由默認(rèn)值2666 MHz 開始，先提高到2700 MHz，再以100 MHz 為增量逐步調(diào)高至3100 MHz；然后直接選擇XMPⅠ自動超頻為3200 MHz，并繼續(xù)以100 MHz 為增量逐步提升到4000 MHz。在每個采樣頻率點(diǎn)，用AIDA64 的Cache & Memory Benchmark測試內(nèi)存性能，記錄內(nèi)存頻率、電壓、時序及測試所得Read、Write、Copy 和Latency值，保存為Excel工作表，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 內(nèi)存超頻樣本數(shù)據(jù)

3.2 軟件功能的編程實現(xiàn)

計算機(jī)超頻仿真實訓(xùn)軟件含有較多數(shù)據(jù)處理和數(shù)值計算過程，其中GRNN 算法模型的建立和預(yù)測是典型的矩陣運(yùn)算，因而軟件的功能非常適合用Matlab 編程實現(xiàn)。由于采用了Matlab APP Desinger 作為界面設(shè)計工具，故可利用控件的回調(diào)函數(shù)調(diào)用其它功能函數(shù)，以此完成全部功能模塊的整合。這樣既簡化了編程工作、提高了軟件開發(fā)效率，又自然實現(xiàn)了程序代碼與軟件界面的無縫集成。

3.3 程序編譯與封裝

（1）安裝、配置Matlab編譯器。以MinGWw64 編譯器為例：從Internet搜索、下載并解壓、安裝MinGW-w64 C/C++ Compiler for Windows 軟件；然后添加Windows 系統(tǒng)變量“MW_MINGW 64_LOC”，并設(shè)置其值為該編譯器軟件的安裝路徑；重啟計算機(jī)后運(yùn)行Matlab，執(zhí)行命令“mex-setup”確認(rèn)編譯器已配置為可用狀態(tài)。

（2）下載并安裝Matlab Runtim。執(zhí)行Matlab命令“compiler.runtime.download”即可下載對應(yīng)版本的Matlab Runtim 安裝包，將其置于合適位置、無需解壓縮；單擊Matlab“主頁”選項卡的“預(yù)設(shè)項”，在窗口選擇“Matlab Compiler”，瀏覽、設(shè)置Matlab Runtim 的文件路徑；執(zhí)行Matlab 命令“mcr”，確認(rèn)Matlab Runtim 的版本與文件路徑。

（3）在Matlab 主窗口的“APP”選項卡執(zhí)行“Application Compiler”，打開相應(yīng)窗口；添加軟件的主文件（.mlapp）、選擇“Runtim included in package”，并設(shè)置輸出路徑、輸入軟件名稱和作者等信息；執(zhí)行“Package”即開始編譯和打包，如圖4所示。

圖4 Matlab APP的編譯、封裝與打包過程

（4）在輸出路徑下的文件夾for_redistribution中，即為包含Matlab Runtim 的軟件包，運(yùn)行MyAppInstaller_mcr.exe即可安裝。

4 結(jié)語

計算機(jī)超頻是專業(yè)人員、熟練用戶和評測機(jī)構(gòu)廣泛運(yùn)用的一項硬件性能優(yōu)化技術(shù)，也是《計算機(jī)組裝與維護(hù)》課程的重要教學(xué)內(nèi)容，但高職院校的教學(xué)用機(jī)通常配置較低，不能滿足超頻操作的硬件要求，因此針對該實驗項目開發(fā)一款虛擬仿真實訓(xùn)軟件。學(xué)生通過反復(fù)進(jìn)行仿真實驗，能夠很快熟悉CPU 和內(nèi)存超頻的操作流程，較好掌握主要的參數(shù)設(shè)置方法，熟練使用測試軟件，收到了預(yù)期的技能實訓(xùn)效果。