Zuletzt aktualisiert: 2026-07-02

CPU-Ausführungszeit

Die CPU-Ausführungszeit ist die Prozessorzeit, die ein Programm im Betrieb verbringt, und sie wird von einer einzigen Beziehung bestimmt, der CPU-Leistungsgleichung – griffiger auch das eherne Gesetz der Prozessorleistung genannt. Dieser Rechner nimmt drei Größen, die sich jeweils messen oder schätzen lassen – die Befehlsanzahl, die durchschnittlichen Zyklen pro Befehl und die Taktrate – und liefert die resultierende Ausführungszeit sowie die Gesamtzahl der verbrauchten Taktzyklen.

Das eherne Gesetz

Die Laufzeit läuft auf drei Faktoren hinaus, die miteinander multipliziert werden. Erstens führt das Programm eine bestimmte Anzahl an Maschinenbefehlen aus. Zweitens braucht jeder Befehl im Mittel eine gewisse Anzahl an Taktzyklen – das ist der CPI. Drittens schließt der Prozessor pro Sekunde eine feste Zahl an Zyklen ab, seine Taktrate. Multipliziert man die Befehlsanzahl mit dem CPI, erhält man die Gesamtzyklen, und teilt man diese durch die Taktrate, werden Zyklen in Sekunden umgerechnet:

$t = \dfrac{IC \times CPI}{f}$

Dabei ist $IC$ die Befehlsanzahl, $CPI$ die durchschnittlichen Zyklen pro Befehl und $f$ die Taktrate in Zyklen pro Sekunde. Der Zähler $IC \times CPI$ ist die Gesamtzyklenzahl, die das Programm benötigt.

Warum drei Faktoren und nicht einer

Die Gleichung macht sichtbar, was reine Datenblätter verbergen: Kein einzelner Wert erfasst die Leistung. Ein Chip mit hoher Taktrate kann trotzdem gegen einen langsamer getakteten Rivalen verlieren, wenn er für dieselbe Arbeit mehr Befehle oder mehr Zyklen pro Befehl braucht. Jeder der drei Terme wird von einem anderen Teil des Systems beeinflusst:

• Die Befehlsanzahl hängt vom Algorithmus, dem Quellcode, dem Compiler und der Befehlssatzarchitektur ab.
• Der CPI hängt von der Pipeline, dem Cache-Verhalten, der Sprungvorhersage und dem Befehlsmix ab.
• Die Taktrate hängt vom Fertigungsprozess und der Mikroarchitektur ab.

Da sich die Terme multiplizieren, verkürzt eine Verbesserung an einem von ihnen die Laufzeit – doch eine Verbesserung an einem bereits kleinen Term bringt wenig. Deshalb steht das Profiling, um den dominierenden Faktor zu finden, vor der Optimierung.

Rechenbeispiel

Angenommen, ein Programm führt eine Milliarde Befehle mit einem durchschnittlichen CPI von 1,5 auf einem mit 3 GHz getakteten Prozessor aus. Zuerst die Gesamtzyklen:

Dann durch die Taktrate teilen, wobei 3 GHz gleich 3.000.000.000 Zyklen pro Sekunde sind:

Das Programm braucht eine halbe Sekunde CPU-Zeit. Würde eine Compiler-Änderung die Befehlsanzahl auf 800 Millionen senken, fiele die Zeit auf $800\,000\,000 \times 1{,}5 / 3\,000\,000\,000 = 0{,}4$ Sekunden – eine Reduktion um 20 % allein durch weniger Befehle, ohne schnellere Hardware.

Bezug zu anderen Kennzahlen

Der CPI hat einen natürlichen Kehrwert, den IPC (Befehle pro Zyklus), den manche Werkzeuge stattdessen ausgeben; beide tragen dieselbe Information. Das eherne Gesetz untermauert auch faire Vergleiche zwischen Prozessoren: Nur das Produkt aller drei Terme, nicht die Taktrate allein, spiegelt die echte Laufzeit. Wird ein Programm über mehrere Kerne parallelisiert, ist die erreichbare Beschleunigung separat durch Amdahlsches-Gesetz-Rechner begrenzt, das beschreibt, wie der serielle Anteil der Arbeit die Skalierung begrenzt, unabhängig davon, wie stark die Ausführungszeit pro Kern gesenkt wird.