Ultimo aggiornamento: 2026-07-02

Il tempo di esecuzione della CPU

Il tempo di esecuzione della CPU è la quantità di tempo di processore che un programma impiega per essere eseguito, ed è governato da un'unica relazione nota come equazione delle prestazioni della CPU o, in modo più memorabile, la legge ferrea delle prestazioni del processore. Questo calcolatore prende tre grandezze, ciascuna misurabile o stimabile — il numero di istruzioni, la media dei cicli per istruzione e la frequenza di clock — e restituisce il tempo di esecuzione risultante insieme al numero totale di cicli di clock consumati.

La legge ferrea

Il tempo di esecuzione si riduce a tre fattori che si moltiplicano tra loro. Primo, il programma esegue un certo numero di istruzioni macchina. Secondo, ogni istruzione richiede, in media, un certo numero di cicli di clock: questo è il CPI. Terzo, il processore completa un numero fisso di cicli al secondo, la sua frequenza di clock. Moltiplicando il numero di istruzioni per il CPI si ottengono i cicli totali, e dividendo quel valore per la frequenza di clock si convertono i cicli in secondi:

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

Qui $IC$ è il numero di istruzioni, $CPI$ è la media dei cicli per istruzione e $f$ è la frequenza di clock in cicli al secondo. Il numeratore, $IC \times CPI$, è il numero totale di cicli di cui il programma ha bisogno.

Perché tre fattori e non uno

L'equazione rende esplicito ciò che le specifiche grezze nascondono: nessun singolo numero cattura le prestazioni. Un chip con frequenza elevata può comunque perdere contro un rivale a frequenza più bassa se gli servono più istruzioni o più cicli per istruzione per svolgere lo stesso lavoro. Ciascuno dei tre termini è influenzato da una parte diversa del sistema:

• Il numero di istruzioni dipende dall'algoritmo, dal codice sorgente, dal compilatore e dall'architettura del set di istruzioni.
• Il CPI dipende dalla pipeline, dal comportamento della cache, dalla predizione dei salti e dal mix di istruzioni.
• La frequenza di clock dipende dal processo produttivo e dalla microarchitettura.

Poiché i termini si moltiplicano, un miglioramento in uno qualsiasi di essi accorcia il tempo di esecuzione, ma migliorare un termine già piccolo rende poco. Per questo il profiling, che serve a trovare il fattore dominante, precede l'ottimizzazione.

Esempio svolto

Supponiamo che un programma esegua un miliardo di istruzioni con un CPI medio di 1,5 su un processore a 3 GHz. Prima si trovano i cicli totali:

Poi si divide per la frequenza di clock, notando che 3 GHz corrispondono a 3.000.000.000 di cicli al secondo:

Il programma impiega mezzo secondo di tempo di CPU. Se una modifica al compilatore riducesse il numero di istruzioni a 800 milioni, il tempo scenderebbe a $800\,000\,000 \times 1{,}5 / 3\,000\,000\,000 = 0{,}4$ secondi: una riduzione del 20 % con le sole istruzioni, senza hardware più veloce.

Relazione con altre metriche

Il CPI ha un inverso naturale, l'IPC (istruzioni per ciclo), che alcuni strumenti mostrano al suo posto; entrambi portano la stessa informazione. La legge ferrea è anche il fondamento di confronti equi tra processori: solo il prodotto dei tre termini, e non la frequenza di clock isolata, riflette il tempo di esecuzione reale. Quando un programma viene parallelizzato su più core, l'accelerazione ottenibile è limitata separatamente dalla Calcolatore della legge di Amdahl, che descrive come la porzione seriale del lavoro limiti lo scaling indipendentemente da quanto si riduca il tempo di esecuzione per core.