От чего еще зависит производительность процессора

Микропроцессор

Самый важный элемент компьютера, определяющий его быстродействие, – центральный процессор. Технологии, разрабатывавшиеся годами, позволили собрать в единой микросхеме миллиарды транзисторов, которые и создают все то, что вы видите на экране.

Возможности нынешних компьютеров поражают своей разносторонностью. Но чем бы вы ни занимались – обработкой изображений, монтажом видео или просто «рубились» в любимые игры, – все, чем вас радует компьютер, является результатом напряженной работы процессора. Он получает от пользователя и программ команды и данные, обрабатывает их и отправляет результаты другим устройствам ПК. Без преувеличения, процессор – мозг компьютера, своего рода центр управления, неустанно «перемалывающий» числа для решения поставленных задач. Из этой статьи вы узнаете, как устроен современный центральный процессор и как он работает. Мы также расскажем, от чего зависит производительность процессоров, что их ускоряет и что тормозит и почему тактовая частота – не самое главное.

А что внутри?

Каждый современный процессор состоит из устройств нескольких типов.

· Исполнительные устройства, которые и осуществляют вычисления.

· Устройства управления служат для того, чтобы исполнительные устройства получали и обрабатывали данные и команды в правильной последовательности.

· Регистры (представляющие собой очень быстрые ячейки памяти) используются для хранения промежуточных результатов. Большинство команд процессора оперируют именно содержимым регистров.

· Шина данных – это канал, предназначенный для связи с другими компонентами компьютера. Через него процессор получает нужную информацию и выдает результаты вычислений.

· Кэш необходим для ускорения доступа процессора к часто используемым командам и данным. Он представляет собой очень бы­струю память, расположенную непосредственно на кристалле процессора.

· Кроме того, у процессора есть дополнительные вычислительные модули (специализированные конвейеры), которые отвечают за выполнение специальных задач, например, при обработке видео.

Частота и всё о ней

Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты процессора, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Тактовые импульсы для процессора и шин обмена данными формирует микросхема тактового генератора, основой которого является кварцевый резонатор, расположенный на материнской плате. Главный компонент резонатора – кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под действием приложенного напряжения в кристалле возникают колебания электрического тока, частота которых зависит от формы и размера кристалла. Этот сигнал подается в тактовый генератор, где и преобразуется в последовательность импульсов одной или нескольких частот, если разные шины требуют разной частоты.

Зачем нужна тактовая частота? Ее функция состоит в синхронизации работы всех компонентов компьютера. Очевидно, что передача данных одним устройством должна совпадать по времени с приемом данных другим. А это возможно лишь при наличии единого сигнала, связывающего все компоненты и превращающего их в слаженно работающий организм.

Наименьшей единицей измерения (квантом) времени для процессора как логического устрой­ства является период тактовой частоты, или просто такт. На любую операцию затрачивается минимум один такт. К примеру, обмен данными с памятью происходит за несколько тактов, в число которых входят и такты ожидания (в это время процессор простаивает, ожидая готовности более медленных узлов компьютера).

Выполнение разных команд требует разного количества тактов, что делает бессмысленным сравнение производительности компьютеров только по тактовой частоте. При прочих равных условиях (типах процессоров, количестве циклов ожидания при обращении к памяти и разрядности шин данных) два компьютера можно сравнивать по их тактовым частотам. Однако делать это следует осторожно: быстродей­ствие компьютера зависит и от других факторов, в частности от тех, на которые влияют конструктивные особенности памяти. Так что компьютер с более низкой тактовой частотой процессора может оказаться быстрее своего собрата с более высокой частотой.

Шина данных

Фактически это пучок соединений (проводников) для передачи и приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше информации передается по ней за единицу времени. Разрядность шины данных можно сравнить с числом полос на скоростной автомагистрали. Чем больше полос – тем больше пропускная способность.

Разрядность шины

Представьте автомагистраль с движущимися по ней машинами. Если у магистрали имеется единственная полоса движения в каждую сторону, то в каждом направлении проедет не больше одной машины одновременно. Если вы хотите увеличить пропускную способность дороги вдвое, придется ее расширить, добавив по одной полосе в прямом и обратном направлении. Так, 16-разрядную шину можно представить в виде двухполосной магистрали, поскольку в каждый момент времени по шине проходит два байта данных (помните: один байт равен восьми битам). Соответственно, 32-разрядная шина данных ­может передавать четыре, а 64-разрядная – восемь ­байтов информации.

Шина адреса

Шина адреса представляет собой набор проводников, предназначенных для передачи адреса ячейки памяти, в которую записываются или из которой считываются данные. Как и в шине данных, здесь по каждому проводнику тоже передается один бит адреса, соответст­вующий одной цифре в адресе. Чем больше проводников (разрядов) в шине адреса, тем больше ячеек памяти доступно процессору. Если шину данных можно сравнить с автомагистралью, а ее разрядность – с числом полос, то шину адреса можно представить как систему нумерации домов на улице. Количество линий в шине аналогично количеству цифр в номере дома. Если на какой-то улице в номерах домов градоначальник допускает не больше двух цифр, то домов на этой улице не может быть больше 100 (102). Стоит добавить одну цифру в номер (один разряд в шину), и количество возможных адресов возрастает до 103 и т.д. С учетом того, что в компьютерах применяется двоичная система исчисления, количество адресуемых ячеек памяти равно 2n, где n – разрядность шины.

Шины данных и адреса независимы, и проектировщики микросхем выбирают их разрядность по своему усмотрению. Этот параметр является одним из важнейших: число разрядов в шине данных определяет объем информации, которую процессор может принять или передать за один такт, а разрядность шины адреса – объем памяти, с которым он может работать.

Внутренние регистры

Количество битов данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется емкостью или разрядностью его внутренних регистров. Как сказано выше, регистры, по сути, представляют собой сверхбыструю оперативную память внутри процессора, которая исполь­зуется для хранения данных и промежуточных результатов вычислений. К примеру, процессор может сложить числа, хранящиеся в двух регистрах, а результат записать в третий регистр (см. о работе процессора ниже).

Как же он все-таки работает

Рассмотрим алгоритм работы современного процессора. Ради облегчения понимания мы значительно упростим схему и опишем лишь функции крупных блоков ЦП, не вдаваясь в технические детали.

1.Условно говоря, работа процессора начинается с запроса очередной команды. Блок выборки, зная, по какому адресу расположена команда, пытается найти ее в кэше L1. Не обнаружив ее там, он обращается к кэшу L2 (который больше по объему и хранит больше ранее запрошенных команд и данных), если и там ее нет – к еще более вместительному L3. Если же искомая команда отсутствует и в кэше L3, она загружается через шину данных процессора из системной памяти, по пути попадая во все три кэша. Сходным образом запрашиваются и данные, требующиеся для выполнения этой команды.
2.Блок выборки передает команду в декодер. Этот узел нужен для того, чтобы разложить сложную команду системы команд x86 на несколько микроопераций, каждая из которых выполняется исполнительными устройствами за один такт. Получившуюся последовательность микроопераций декодер помещает в кэш декодированных команд. Блоку выборки нужна следующая команда. Для того чтобы узнать, откуда брать следующую команду и данные для нее, задей­ствуется блок предвыборки. Анализируя последовательность микроопераций, он определяет, какая команда понадобится далее.
3.Планировщик забирает из кэша декодированных команд несколько микроопераций и определяет, в какой последовательности их можно выполнять. Команды, результаты выполнения которых не зависят от результатов выполнения других команд, могут исполняться параллельно на разных исполнительных устройствах. Таких устройств в ядре современного процессора немало: ALU для целых чисел, FPU для чисел с плавающей запятой, ALU для команд SSE и множество других.
4.На этом этапе возможно определение ошибки предвыборки. К примеру, если исполняемая операция является командой условного перехода (то есть результат зависел от содержимого одного из регистров), блок предвыборки, не имея возможности узнать, каким будет значение регистра на момент исполнения команды, может ошибочно предположить, что переход осуществится (тогда как на самом деле его не должно быть), и предложит блоку выборки неверный адрес следующей команды. То же касается предвыборки данных: если на момент исполнения команды загрузки или выгрузки данных значения регистров, содержащих адрес этих данных, будут иными, нежели в момент предвыборки, будет зафиксирована ошибка пред­выборки, поскольку в кэш попали неверные данные. В этом случае конвейер очищается, а блок выборки снова запрашивает команду, предшествующую моменту совершения ошибки. Разумеется, очистка и повторное заполнение конвейера ведут к потере времени. И если при исполнении программы совершается множество ошибок предвыборки, производительность процессора заметно снижается. Тем не менее средняя эффективность предвыборки в современных ЦПУ достигает 90–95%.
5. Если команда на выходе с конвейера признана выполненной корректно (то есть ошибки предвыборки не было), ее результат помещается в кэш и далее попадает в системную память компьютера.

 

Быстродействие компьютера зависит, прежде всего, от того, какой центральный процессор (ЦП) в нем установлен. Какие бы задачи пользователь не ставил перед системой, процессор играет в них основную роль, и если он достаточно производителен, то работа с компьютером будет продуктивной и комфортной. Если же скорости процессора не хватает, то есть риск, что рабочий процесс или игра превратится в нервотрепку. ComputerBild расскажет об основных технических параметрах ЦП и о том, как они влияют на быстродействие процессора и всей системы.

Выбор процессора

Итак, параметры числа, определяющие производительность ЦП – тактовая частота, количество вычислительных ядер, объем кэш-памяти и частота системной шины. Однако, все не так просто. Прежде чем идти в магазин за новым процессором, нужно найти ответы на ряд важных вопросов.

Память компьютера

Оперативная память – основное «рабочее пространство» для центрального процессора ПК. В нее загружаются все запущенные на компьютере программы и данные, с которыми эти программы работают. Чем больше приложений одновременно работает на ПК и чем больший объем данных они обрабатывают, тем больше нужно «оперативки». При отсутствии достаточного объема оперативной памяти Windows использует для промежуточного хранения данных области на же­стком диске, скорость доступа к которому значительно ниже; следовательно, процессору приходится простаивать, ожидая поступления данных. Такая ситуация приводит к заметному снижению эффективной производительно­сти системы. Устранить эту самую распространенную причину «торможения» очень просто: модули оперативной памяти стоят дешевле, чем какой-либо другой из основных компонентов компьютера, а поменять их или добавить новые можно в два счета.

Что означает тактрейт?

Тактрейт решающим образом определяет скорость памяти – чем он выше, тем быстрее работает память. Производители указывают, как правило, два значения, например DDR2-800 PC6400. Число 800 обозначает «эффективный» тактрейт 800 МГц. При этом собственно тактовая частота составляет 400 МГц. Однако производители ее удваивают, поскольку DDR-/DDR2-/DDR3-память на каждой линии передачи данных передает 2 бита за такт.

Из тактрейта также можно вывести максимальную скорость передачи данных: приставка PC6400 означает, например, что максимальный размер передаваемых данных составляет 6,4 Гб в секунду.

Если в процессорах Intel необходимая скорость памяти зависит от FSB, то в процессорах AMD – от встроенного контролера [05] памяти.

Для FSB также указывается «эффективный» тактрейт, поскольку между процессором и оперативной памятью по каждой линии передачи данных передается по четыре бита за такт. FSB с частотой 800 МГц (FSB 800), таким образом, соответствует реальной частоте 200 МГц.

 

 

ПАМЯТКА О ПАМЯТИ

Конструкции модулей памяти

При наращивании объема ОЗУ на персональном компьютере нужно обращать внимание не только на тип памяти, но и на конструкцию модулей. Наиболее распространенные варианты исполнения модулей ОЗУ представлены в натуральную величину во врезке на стр. 55.

Приблизительно до 1996 г. наиболее широко была распространена так называемая SIMM-память (Single Inline Memory Module). Слово Single указывает на то, что контактами для распайки чипов памяти оснащена только одна сторона печатной платы.

В современных компьютерах применяется DIMM-память (Dual Inline Memory Module), у которой контактные площадки расположены по обе стороны печатной платы.

Следует помнить, что между отдельными типами DIMM-модулей существуют конструктивные различия. В частности, они отличаются по типу и скорости распаянных на них чипов памяти. Стандартные DIMM-модули SDRAM насчитывают 168 контактов, в то время как у DDR-модулей их 184. Современные DIMM-модули ОЗУ DDR2 SDRAM оснащены 240 сигнальными контактами. Благодаря большому числу контактов все три перечисленных типа ОЗУ могут передавать за один такт 64 бита (или 8 байт) информации.

Специальные выемки-пазы на модуле памяти, обычно выполненном из текстолита, предназначены для того, чтобы правильно их сориентировать в процессе установки. Эта процедура требует особого внимания, поскольку различные типы памяти работают с разными напряжениями. Если установки ОЗУ была произведена некорректно, сам модуль или плата могут выйти из строя. Для ноутбуков также существуют уменьшенные версии DIMM: так называемые Small Outline DIMMS, или, в сокращении, SO-DIMMS (DIMM с малыми габаритами).

Транзистор

Транзистор – электронное устройство, которое можно использовать для усиления или переключения электрического тока. Все современные элементы памяти и интегральные микросхемы состоят из множества крошечных транзисторов.

FSB

F ront S ide B us – системная шина. Основная транспортная магистраль ПК, через которую идет обмен данными между его компонентами.

BIOS

B asic I nput O utput S ystem – модуль материнской платы, п осле в ключени я компьютера выполняющий контроль наличия и работоспособности основных узлов ПК, загружающий операционную систему. Использует флэш-память.

DDR

D ouble D ate R ate SDRAM – оперативная память SDRAM с удвоенной скоростью обмена данными. Синхронное динамическое ОЗУ, в котором передача информации происходит по двум фронтам тактового сигнала, согласованного с FSB.

Чипсет

Основа любой системной платы ПК. В задачи чипсета входит налаживание взаимодействия между процессором, ОЗУ, жестки м д и ском и п латами расширений. Обычно состоит из одной или двух микросхем.

Микропроцессор

Самый важный элемент компьютера, определяющий его быстродействие, – центральный процессор. Технологии, разрабатывавшиеся годами, позволили собрать в единой микросхеме миллиарды транзисторов, которые и создают все то, что вы видите на экране.

Возможности нынешних компьютеров поражают своей разносторонностью. Но чем бы вы ни занимались – обработкой изображений, монтажом видео или просто «рубились» в любимые игры, – все, чем вас радует компьютер, является результатом напряженной работы процессора. Он получает от пользователя и программ команды и данные, обрабатывает их и отправляет результаты другим устройствам ПК. Без преувеличения, процессор – мозг компьютера, своего рода центр управления, неустанно «перемалывающий» числа для решения поставленных задач. Из этой статьи вы узнаете, как устроен современный центральный процессор и как он работает. Мы также расскажем, от чего зависит производительность процессоров, что их ускоряет и что тормозит и почему тактовая частота – не самое главное.

А что внутри?

Каждый современный процессор состоит из устройств нескольких типов.

· Исполнительные устройства, которые и осуществляют вычисления.

· Устройства управления служат для того, чтобы исполнительные устройства получали и обрабатывали данные и команды в правильной последовательности.

· Регистры (представляющие собой очень быстрые ячейки памяти) используются для хранения промежуточных результатов. Большинство команд процессора оперируют именно содержимым регистров.

· Шина данных – это канал, предназначенный для связи с другими компонентами компьютера. Через него процессор получает нужную информацию и выдает результаты вычислений.

· Кэш необходим для ускорения доступа процессора к часто используемым командам и данным. Он представляет собой очень бы­струю память, расположенную непосредственно на кристалле процессора.

· Кроме того, у процессора есть дополнительные вычислительные модули (специализированные конвейеры), которые отвечают за выполнение специальных задач, например, при обработке видео.

Частота и всё о ней

Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты процессора, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Тактовые импульсы для процессора и шин обмена данными формирует микросхема тактового генератора, основой которого является кварцевый резонатор, расположенный на материнской плате. Главный компонент резонатора – кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под действием приложенного напряжения в кристалле возникают колебания электрического тока, частота которых зависит от формы и размера кристалла. Этот сигнал подается в тактовый генератор, где и преобразуется в последовательность импульсов одной или нескольких частот, если разные шины требуют разной частоты.

Зачем нужна тактовая частота? Ее функция состоит в синхронизации работы всех компонентов компьютера. Очевидно, что передача данных одним устройством должна совпадать по времени с приемом данных другим. А это возможно лишь при наличии единого сигнала, связывающего все компоненты и превращающего их в слаженно работающий организм.

Наименьшей единицей измерения (квантом) времени для процессора как логического устрой­ства является период тактовой частоты, или просто такт. На любую операцию затрачивается минимум один такт. К примеру, обмен данными с памятью происходит за несколько тактов, в число которых входят и такты ожидания (в это время процессор простаивает, ожидая готовности более медленных узлов компьютера).

Выполнение разных команд требует разного количества тактов, что делает бессмысленным сравнение производительности компьютеров только по тактовой частоте. При прочих равных условиях (типах процессоров, количестве циклов ожидания при обращении к памяти и разрядности шин данных) два компьютера можно сравнивать по их тактовым частотам. Однако делать это следует осторожно: быстродей­ствие компьютера зависит и от других факторов, в частности от тех, на которые влияют конструктивные особенности памяти. Так что компьютер с более низкой тактовой частотой процессора может оказаться быстрее своего собрата с более высокой частотой.

От чего еще зависит производительность процессора

Во многом этот параметр определяется разрядностью компонентов, т.е. числом битов, обрабатываемых одновременно. В процессор входят три важных устрой­ства, основной характеристикой которых является разрядность:

· шина ввода и вывода данных;

· внутренние регистры;

· шина адреса памяти.