基于软硬件规划的计算机性能优化策略

卢民荣

(福建江夏学院 会计学院，福建 福州 350108)

现在家用、办公计算机结构设计大多基于冯·诺依曼(John.Von.Neuman)原理，即“存储程序和程序控制”，也就是说计算机在工作时首先保证在存储器中具有相关要执行的程序(CPU能够执行的基本指令集)和数据，在执行程序时CPU再根据特定寻址方式从存储器中取出相应的指令并执行，然后再取出并执行下一条指令，直到程序执行结束为止[1-2].计算机硬件系统的五个基本组成部分是：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，运算器、控制器功能由CPU完成，存储器负责程序和数据的存储，等待执行调用，经CPU处理后的结果由输出设备输出，有的结果也会放到存储器中[1].存储器按用途可分为主存(亦称“内存”)和辅存(亦称“硬盘”、“外存”)，主存的访问延迟改善情况每年约7%[3]；传统辅存HDD性能提升很慢，主流转速7200rpm已经十几年没有发生变化，容量提升比较大，硬盘盘片的储存密度以每年25%～30%的速度增长[4].近几年，CPU性能提升很快，2004年后CPU性能年增长率约为20%[3]，因此，计算机性能从硬件上看，主要在于存储器的改善.20世纪90年代中期出现新型的存储器SSD，SSD具有体积小、功耗低、速度快、随机存储性高、环境适应能力强等优点，广泛应用于军事、航空、医疗等行业[5-6].从目前来看，HDD和SSD各有优劣，充分利用HDD容量大和SSD速度快优势，将两者搭配是未来一段时间的发展趋势.

同等硬件配置的计算机在使用的过程中，安装各种应用软件，随着时间的推移经常出现计算机运行速度的下降[7]，导致重装操作系统，经重装系统后计算机运行速度能明显提升.高校实验室计算机更是如此，实验室为了提高利用率，一个专业实验室功能往往不局限于一个专业或特定的专业使用，常常会出现一个实验室服务于多个专业的学生，这就要求实验室计算机要安装较多教学软件，有些教学软件对操作系统又有特定的要求，所以实验室要对安装多种操作系统和各种应用软件进行规划.目前，高校实验室计算机主要使用的操作系统是Microsoft Windows XP Professional 32位操作系统(简称“XP”)，微软于2014年4月8日以后停止更新XP及相关服务，实验室计算机升级操作系统势在必行，如何升级和管理操作系统，成为实验室一大难题.本文主要研究基于软硬件规划进行计算机性能优化，从规划多操作系统的安装入手，使用较低的硬件成本提升计算机性能，结合高校计算机实验室特点，提出计算机性能优化策略，有效改善计算机性能，减少计算机报废率，促进实验室管理.

1 基于硬件升级优化计算机性能

1.1 提升实验室计算机性能基本方法

现在计算机技术发展迅速，硬件升级周期越来越短，更新换代越来越快，直接影响计算机性能的硬件有CPU、内存、硬盘.著名的摩尔定律指出，CPU的更新周期是半年，其它部件的更新周期也非常短[8]；计算机购买两三年后，计算机配置中对应的CPU和内存已经停产，随着时间的推移，其主板相兼容的CPU和内存越来越难购买.从近几年计算机市场价格看，实验室计算机采购成本在4000～5000元之间，CPU、内存成本分别占整机的10%、6%左右；根据计算机硬件价格规律，如要升级硬件，在实验室计算机投入使用3年左右，更换主板相兼容且处理速度更高效的CPU，更新成本约占整机的5%，加装容量更大的内存的升级成本比较理想.十几年来，HDD在容量上有比较大的突破，访问速度提升很小，直至SSD的出现，才提供了通过硬盘升级的做法提升计算机整机性能，SSD速度快但价格高，升级成本不理想；其中加装小容量的SSD作为系统盘，保留原有HDD为数据盘，两者搭配共同使用则会降低升级成本，具体升级方案如图1所示.

图1 基于硬件的升级方案

高校实验室一般使用招标、规模化的建设，因此高校内部每个时期的实验室计算机配置基本一致.在实验室投入使用5年以上的计算机，部分配件开始出现老化、损坏，而这些损坏的配件都很难购买，寻找相兼容的配件也不容易，加上维修成本也较高，因此使用超过5年的计算机有配件损坏的基本是进行报废处理.采用更换CPU升级，对旧的CPU很难再次利用，加装容量大的内存提升速度不明显，而使用SSD升级实验室计算机是目前最为有效的一种升级方案.这三种升级方式都可以延长计算机服务年限，为了保证实验室计算机升级后稳定运行，根据维护、升级经验给出基于SSD升级计算机流程如图2所示.

图2 基于SSD升级计算机流程图

1.2 基于SSD优化计算机限制

SSD的出现解决了外部存储器和CPU之间速差距[9]，SSD与HDD相比有明显速度优势,同时也有明显价格、空间劣势，在使用SSD进行升级时，充分利用SSD读写速度的优势，应做好操作系统和软件安装规划，因为随着SSD的使用，可用空间越低，其性能就会越差[10].基于SSD优化计算机受到计算机主板限制主要在于是否支持并有效发挥SSD的性能，目前市场上SSD都是SATA接口，如早期计算机主板不支持SATA接口，这种加载SSD并不能有效提升计算机性能；另外，主板BIOS还要支持串行ATA高级主控接口/高级主机控制器接口(Serial ATA Advanced Host Controller Interface，AHCI)，因为SSD支持原生命令队列(Native Command Queuing，NCQ)，队列深度越大性能越好，早期主板默认硬盘模式是IDE，不支持NCQ，队列深度增大性能得到不提升[11].其IDE与AHCI模式性能差异如图3所示.

图3 IDE与AHCI模式性能差异

2 基于软件规划优化计算机性能

2.1 实验室计算机教学软件规划

为满足教学需求在实验室计算机上安装使用的所有软件，本文称为教学软件，这些教学软件有些跟专业课程相关性很强，有些仅在考试时使用，有些软件运行时会消耗较多计算机资源，因此要将实验室所要安装的软件进行分析，通过规划实现合理的安装，提升计算机运行效率.通过不同角度对教学软件进行分类，不同角度分类之间会有所交叉，这些分类主要为后续实验提供依据.

根据课程的性质，按专业相关度进行区分：

(1)基础软件：实验室上课的教师基本都需要使用，与课程没有直接关系，如Office办公软件；

(2)专业软件：与课程密切相关，仅用于特定实验课程教学，其它课程的师生一般不会用到.

根据软件安装后及运行时占用计算机系统资源情况，按消耗资源大小进行区分：

(3)消耗资源大：运行时占用CPU、内存等关键资源多，运行时计算机整机速度变慢，对计算机的硬件要求比较高，如数据库软件Oracle；

(4)消耗资源小：与消耗资源大相反，运行时占用计算机资源少，一般基础软件消耗资源也比较小.

根据考试需求，按软件使用率还有：

(5)考试软件：仅在特定的时间点进行使用，平常不会使用.

2.2 实验室计算机操作系统规划

根据各教学软件的特点，应将消耗资源大的软件进行分离，以减少计算机资源的消耗；也可对考试软件分离，以节约计算机资源.面对多种教学需求，以及各种考试多元化的需求，在实验室的计算机上安装多个操作系统是目前高校实验室管理常用手段[12]，通过多操作系统管理各教学软件，可以提升计算机开机速度并减少内存资源的消耗.根据软件分类对计算机操作系统规划流程如图4所示.

图4 操作系统安装规划

3 实验

以2013～2014学年第一学期福建工程学院软件学院综合楼计算机实验室403承担的教学任务为样本数据，从满足教学需求为根本进行实验论证.该实验室主要承担软件工程(专升本)、可视化、财务信息管理、电子商务等专业的教学任务，实验教学课程有：ADO.NET数据访问技术、MySQL数据库工程师、C++程序设计、基于.Net的Windows应用程序开发、管理信息系统、PHP应用开发技术、SQL Server数据库程序设计、数据库原理、UML基础、关系数据库基础、Web高级编程技术、C语言与数据结构.

3.1 实验环境

实验主机采用2007年生产的方正尊越A360(简称“方正A360”)，主机CPU双核、主板支持SSD接口，实验时比较能发挥SSD性能且高校采购此机型的计算机比较多，其CPU、内存、硬盘配置信息及预升级方案如表1所示.

表1 方正尊越A360配置表

实验以方正A360为基本配置，对其不同硬件进行升级测试，对比不同实验效果来组建实验环境，具体组建实验环境如下.

(1)实验主机一：方正A360，基本配置.

(2)实验主机二：方正A360仅升级CPU，其它配置不变，提升CPU处理速度，CPU处理能力提升1倍.

(3)实验主机三：方正A360仅扩大1倍的内存容量.

(4)实验主机四：将方正A360原有HDD作为数据盘，使用SSD作为系统盘，将不常用、占据较大空间的软件和数据放在HDD上，如GHOST还原文件、用户数据等.

每个实验主机的软件环境均相同，分A、B两组进行测验，A组使用单操作系统安装所有教学软件，B组使用多操作系统规划安装对应的教学软件(B1代表第一个操作系统，B2代表第二个，以此类推，B*代表所有操作系统都需要安装)，以分摊资源为原则将消耗计算机资源大的软件分别划入不同的操作系统，按照计算机操作系统规划流程，其教学软件实验分组如表2所示，其中Office 测试时将Word、Excel、PowerPoint、Access、Outlook、Visio全部汇总，与教学无关的软件在表中不体现.

表2 软件分组

3.2 实验过程

在实验时增加了开关机测试，计算机启动时间包括了还原卡加载时间和系统默认启动服务(教学控制软件和杀毒软件等)，序号17和18归入开机指标中，序号9、10、11、12等数据库软件操作包含服务启动和展示管理主界面.在同一软件环境下对四台实验主机进行教学软件常规操作、应用软件响应时间测试对比，方便对比实验结果，真正做到实用、准确、清晰，实验过程设计为：

(1)实用：每个操作系统都安装基础软件，方便教学使用；使用金山毒霸进行C盘全面扫描杀毒，体现磁盘的扫描速率.

(2)准确：实验过程中记录执行10次，求各应用程序所需平均时间.

(3)清晰：在响应时间对比中，以实验主机一的数据为基准，分别在实验主机二、三、四上增加时间倍数整机性能提升raise计算公式为：

式中：n表示实验评价项目数量；T1表示实验主机一软件响应时间；使用Tn表示实验主机二、主机三、主机四软件响应时间.

软件响应时间越小表示性能越好，其速度越快，以消耗资源大的软件响应时间来衡量更能说明计算机处理能力.表3为A组单操作系统测试结果，主要对比硬件升级后计算机性能变化，主机三、四以倍数代替；表4为A、B两组对比软件规划前后计算机性能变化.实验数据在表格最后一行将评价项目汇总，用整机性能提升表示提升程度，实验数据通过倍数很容易形成对比，并获得展示结果，明显的比较计算机性能.

表3 A组实验数据(单位：秒)

表4 B组实验数据(单位：秒)

3.3 实验结果分析

A组实验结果表明：CPU提升一倍，整机性能提升15%，内存扩大一倍，整机性能提升8%，改用SSD硬盘操作速度大幅度提高，整机性能提升一倍以上，达131.5%.B组实验结果表明：经软件分类，规划安装至不同操作系统，可以提升计算机处理速度，改善程度在1%～10%之间，值得注意的是B组实验是以牺牲硬盘空间为代价，在目前计算机硬件行情中HDD硬盘比CPU、内存便宜，而且HDD硬盘容量一般都能满足教学需求，因此，不需要花费任何更新成本便可以改善计算机性能，值得尝试.

随着计算机技术的发展，目前计算机配置的CPU处理速度已经很快了，内存容量也够用，CPU、内存升级后所带来性能提升已经不那么明显；然而外部存储器HDD远落后于CPU的速度，通过SSD可以改善外部存储器与CPU之间的速度差距，通过辅存升级提高计算机系统性能，效果较为明显，目前这种升级还存在的不足是SSD的价格问题.

3.4 实验结果辅助分析

从测试结果中得出SSD比HDD在响应时间、读写延时提升很大，SSD工作时不仅可以随机访问，而且通常以页为单位进行读写，存储方面是以闪存作为存储单元，其响应速度是HDD的三到五倍，读写延时是HDD的几十倍[13].SSD缓存和读取速度要高出HDD很多倍，可以通过IOPS和传输速率辅助说明.IOPS是指每秒进行读写操作的次数，IOPS值越大，其读写延时就越小，即IOPS值越大表示性能越好，反之越差，如图5所示.传输速率在数值上等于每秒钟传输构成数据代码的比特数，传输速率越高，其传输速度就越快，即传输速率越大表示性能越好，反之越差，如图6所示.

2009年，SSD开始投入市场，相应计算机主板对SSD技术支持越来越广泛，近几年高校采购的计算机主板均能较好地支持SSD[14].通过对三年前采购的联想ThinkCentre M8200t计算机进行SSD升级，其性能提升更大，计算机响应时间更短，整机性能提升可以达到200%以上，因此，充分利用HDD和SSD各自优势，两者搭配使用在高校计算机实验室的维护升级过程中将会得到普及.

图5 IOPS操作测试

图6 传输速度比较

4 结论

目前，SSD因为成本问题，其普及度还比较低，为了适应操作系统XP升级趋势，本文从软件规划、硬件升级两种方式提出了改进高校实验室计算机性能的操作方法和升级成本；以零成本的软件规划，改善计算机性能.基于软硬件规划的计算机性能优化策略是对计算机实验室操作系统及软件安装、硬件维护的实践经验，易于操作，适合在高校计算机实验室推广.

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