Процессор является пожалуй наиболее важной комплектующей частью компьютера, ведь именно он выполняет обработку данных. К одной из наиболее важных характеристик является тактовая частота процессора , которая указывает на количество выполняемых операций за одну секунду. Однако подобное определение для этого параметра довольно скудное, чтобы понять на самом деле его важность, поэтому постараемся более подробно разобраться в этом вопросе.
Научное определение тактовой частоты звучит следующим образом: это количество операций, которые могут обрабатываться в течение одной секунды и измеряется в Герцах. Но почему, скажут многие, за основу была принята именно эта единица измерения? В физике эта величина отображает количество колебаний за определенный промежуток времени, здесь же по сути все идентично, только вместо колебаний рассчитывается количество операций, то есть повторяющаяся величина за определенный интервал времени.
Если говорить конкретно о процессорах, то в нем производятся не идентичные операции, здесь рассчитываются всевозможные параметры. Ну а соответственно их суммарное количество и является тактовой частотой.
Сейчас технические возможности процессора находятся на высочайшем уровне, поэтому величина Герц не используется, а здесь более приемлемо использовать мегагерцы или гигагерцы. Этот шаг предпринят потому, чтобы не дописывать огромное количество нулей, тем самым упрощая восприятие человеком величины (см. таблицу).
Каким образом рассчитывается тактовая частота?
Для того, чтобы это понять, необходимо хоть чуть-чуть разбираться в физике, однако постараемся раскрыть тему «человеческим» языком, чтобы этот вопрос был понятен любому пользователю. Для понимания этого сложного вычислительного процесса, необходимо привести список комплектующих процессора, которые так или иначе влияют на этот параметр:
- тактовый резонатор – изготовлен из кристалла кварца, который размещается в специальной защитной оболочке;
- тактовый генератор – деталь, которая совершает преобразование колебаний в импульсы;
- шина данных.
Вследствие подачи напряжения на тактовый резонатор, он образует колебания электрического тока.
Далее эти колебания передаются на тактовый генератор, который преобразовывает их в импульсы. Посредством шины данных, производится их передача, а результат вычислений уже подается непосредственно пользователю.
По такой методике и выполняется расчет тактовой частоты. И хоть все вроде бы предельно понятно, множество людей неправильно воспринимают эти вычисления, а соответственно и интерпретация ошибочна. Прежде всего это связано с тем, если процессор имеет не одно ядро, а несколько.
Каким образом тактовая частота связана с ядрами?
По сути, многоядерный процессор ничем не отличается от одноядерного, кроме того, что в нем содержится не один тактовый резонатор, а два и более. Для совместной работы они соединяются дополнительной шиной данных.
И именно здесь происходит заблуждение людей: тактовая частота нескольких ядер не суммируется. Просто при обработке данных производится перераспределение нагрузки на каждое из ядер, но это совершенно не обозначает, что это будет выполняться строго пропорционально, да и скорость обработки от этого не увеличивается. Для примера, существуют некоторые игры, в которых разработчики вовсе не допускают возможность перераспределения нагрузки по ядрам и игрушка работает лишь на одном.
Для примера рассмотрим случай с четырьмя пешеходами. Они идут максимально возможным шагом, рядом друг с другом и кто-то из них несет тяжелую ношу. Если он начинает уставать, другой может взять эту поклажу, чтобы не терять скорость, но при этом они не станут в целом идти быстрее и раньше достичь конечной точки, ведь все и так передвигаются на пределе своих возможностей.
Кстати говоря, при , количество ядер конечно же играет роль. Да и производители стали устанавливать все большее их количество, но при этом следует помнить, что шина данных может банально не справляться и производительность может не то, что увеличиться, а и значительно уступать процессорам с меньшим количеством ядер. Например, в данный момент компания Intel выпускает процессоры I7, в которых может быть размещено всего два ядра, при этом он будет обрабатывать данные гораздо быстрее, чем даже восьми ядерными (как правило данная компания и не выпускала моделей с таким количеством ядер, процессоры AMD действительно бывают и десяти ядерными). Разработчики просто делают упор не только на увеличении тактовой частоты, но и на архитектуре процессора в целом. Это может касаться, как увеличения шины данных между тактовыми резонаторами, так и других аспектов.
Принципиальная схема процессора
Управляющий блок - управляет работой всех блоков процессора.
Арифметико-логический блок - выполняет арифметические и логические вычисления.
Регистры - блок хранения данных и промежуточных результатов вычислений - внутренняя оперативная память процессора.
Блок декодировки - преобразует данные в двоичную систему.
Блок предварительной выборки - получает команду от устройства (клавиатура и т.д.) и запрашивает инструкции в системной памяти.
Кэш-память (или просто кэш) 1-го уровня - хранит часто использующиеся инструкции и данные.
Кэш-память 2-го уровня - хранит часто использующиеся данные.
Блок шины - служит для ввода и вывода информации.
Эта схема соответствует процессорам архитектуры P6. По этой архитектуре создавались процессоры с Pentium Pro до Pentium III. Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® NetBurst. В процессорах Pentium 4 кэш 1-го уровня поделен на две части - кэш данных и кэш команд.
Характеристики процессора
Основными характеристиками процессора являются его тактовая частота, разрядность и размеры кэша 1-го и 2-го уровня.
Частота - это количество колебаний в секунду. Тактовая частота - это количество тактов в секунду. В применении к процессору:
Тактовая частота - это количество операций, которое процессор может выполнить в секунду.
Т.е. чем больше операций в секунду может выполнять процессор, тем быстрее он работает. Например, процессор с тактовой частотой 40 МГц выполняет 40 миллионов операций в секунду, с частотой 300 Мг - 300 миллионов операций в секунду, с частотой 1 ГГц - 1 миллиард операций в секунду.
К 2003 году тактовая частота процессоров достигла 3 ГГц.
Существует два типа тактовой частоты - внутренняя и внешняя.
Внутренняя тактовая частота - это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора.
Внешняя тактовая частота или частота системной шины - это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.
До 1992 года в процессорах внутренняя и внешняя частоты совпадали, а в 1992 году компания Intel представила процессор 80486DX2, в котором внутренняя и внешняя частоты были различны - внутренняя частота была в 2 раза больше внешней. Было выпущено два типа таких процессоров с частотами 25/50 МГц и 33/66 МГц, затем Intel выпустила процессор 80486DX4 с утроенной внутренней частотой (33/100 МГц).
С этого времени остальные компании-производители также стали выпускать процессоры с удвоенной внутренней частотой, а компания IBM стала выпускать процессоры с утроенной внутренней частотой (25/75 МГц, 33/100 МГц и 40/120 МГц).
В современных процессорах, например, при тактовой частоте процессора 3 ГГц, частота системной шины 800 МГц.
Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров.
Компьютер может оперировать одновременно ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности внутренних регистров. Разряд - это хранилище единицы информации. За один рабочий такт компьютер может обработать количество информации, которое может поместиться в регистрах. Если регистры могут хранить 8 единиц информации, то они 8-разрядне, и процессор 8-разрядный, если регистры 16-разрядные, то и процессор 16-разрядный и т.д. Чем большая разрядность процессора, тем большее количество информации он может обработать за один такт, а значит, тем быстрее работает процессор.
Процессор Pentium 4 является 32-разрядным.
Объем кэш-памяти 1-го и 2-го уровня также влияет на производительность процессора.
В процессоре Pentium III кэш-память 1-го уровня составляет 16 Кб, кэш-память 2-го уровня 256 Кб.
В процессорах Pentium 4 кэш-память 1-го уровня для данных имеет объем 8 Кб, кэш-память 1-го уровня для команд рассчитан на 12000 инструкций в порядке их исполнения, а объем кэш-памяти 2-го уровня составляет 512 Кб.
Работа любого цифрового компьютера зависит от тактовой частоты, которую определяет кварцевый резонатор. Он представляет собой оловянный контейнер в который помещен кристалл кварца. Под воздействием электрического напряжения в кристалле возникают колебания электрического тока. Вот эта самая частота колебания и называется тактовой частотой. Все изменения логических сигналов в любой микросхеме компьютера происходят через определенные интервалы, которые называются тактами. Отсюда сделаем вывод, что наименьшей единицей измерения времени для большинства логических устройств компьютера есть такт или еще по другому – период тактовой частоты. Проще говоря – на каждую операцию требуется минимум один такт (хотя некоторые современные устройства успевают выполнить несколько операций за один такт). Тактовая частота, применительно к персональным компьютерам, измеряется в МГц, где Герц – это одно колебание в секунду, соответственно 1 МГц – миллион колебаний в секунду. Теоретически, если системная шина Вашего компьютера работает на частоте в 100 МГц, то значит она может выполнять до 100 000 000 операций в секунду. К слову сказать, совсем не обязательно, что бы каждый компонент системы обязательно что-либо выполнял с каждым тактом. Существуют так называемые пустые такты (циклы ожидания), когда устройство находится в процессе ожидания ответа от какого либо другого устройства. Так, например, организована работа оперативной памяти и процессора (СPU), тактовая частота которого значительно выше тактовой частоты ОЗУ.
Разрядность
Шина состоит из нескольких каналов для передачи электрических сигналов. Если говорят, что шина тридцатидвухразрядная, то это означает, что она способна передавать электрические сигналы по тридцати двум каналам одновременно. Здесь есть одна фишка. Дело в том, что шина любой заявленной разрядности (8, 16, 32, 64) имеет, на самом деле, большее количество каналов. То есть, если взять ту же тридцатидвухразрядную шину, то для передачи собственно данных выделено 32 канала, а дополнительные каналы предназначены для передачи специфической информации.
Скорость передачи данных
Название этого параметра говорит само за себя. Он высчитывается по формуле:
тактовая частота * разрядность = скорость передачи данных
Сделаем расчет скорости передачи данных для 64 разрядной системной шины, работающей на тактовой частоте в 100 МГц.
100 * 64 = 6400 Мбит/сек6400 / 8 = 800 Мбайт/сек
Но полученное число не является реальным. В жизни на шины влияет куча всевозможных факторов: неэффективная проводимость материалов, помехи, недостатки конструкции и сборки а также многое другое. По некоторым данным, разность между теоретической скоростью передачи данных и практической может составлять до 25%.
За работой каждой шины следят специально для этого предназначенные контроллеры. Они входят в состав набора системной логики (чипсет ).
Шина isa
Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) применяется начиная с процессора i80286. Гнездо для плат расширения включает основной 64-контактный и дополнительный 36-контактный разъемы. Шина 16-разрядная, имеет 24 адресные линии, обеспечивает прямое обращение к 16 Мбайт оперативной памяти. Количество аппаратных прерываний - 16, каналов DMA - 7. Допускается возможность синхронизации работы шины и процессора разными тактовыми частотами. Тактовая частота - 8 МГц. Максимальная скорость передачи данных - 16 Мбайт/с.
PCI. (Peripheral Component Interconnect bus – шина соединения периферийных компонентов)
В июне 1992 года на сцене появился новый стандарт – PCI, родителем которого была фирма Intel, а точнее организованная ею группа Special Interest Group. К началу 1993 года появился модернизированный вариант PCI. По сути дела эта шина не является локальной. Напомню, что локальной шиной называется та шина, которая подключена к системной шине напрямую. PCI же для подключения к оной использует Host Bridge (главный мост), а так же еще и Peer-to-Peer Bridge (одноранговый мост) который предназначен для соединения двух шин PCI. Кроме всего прочего, PCI является сама по себе мостом между ISA и шиной процессора.
Тактовая частота PCI может быть равна или 33 МГц или 66 МГц. Разрядность – 32 или 64. Скорость передачи данных – 132 Мбайт/сек или 264 Мбайт/сек.
Стандартом PCI предусмотрены три типа плат в зависимости от питания:
1. 5 Вольт – для стационарных компьютеров
2. 3,3 Вольт – для портативных компьютеров
3. Универсальные платы могущие работать в обоих типах компьютеров.
Большим плюсом шины PCI является удовлетворение спецификации Plug and Play –. Кроме этого, в шине PCI любая передача сигналов происходит пакетным образом где каждый пакет разбит на фазы. Начинается пакет с фазы адреса, за которой, как правило, следует один или несколько фаз данных. Количество фаз данных в пакете может быть неопределенно, но ограничено таймером, который определяет максимальное время, в течение которого устройство может использоваться шиной. Такой вот таймер имеет каждое подключенное устройство, а его значение может быть задано при конфигурировании. Для организации работы по передачи данных используется арбитр. Дело в том, что на шине могут находиться два типа устройств – мастер (инициатор, хозяин, ведущий) шины и подчиненный. Мастер берет на себя контроль за шиной и инициирует передачу данных к адресату, т. е. подчиненному устройству. Мастером или подчиненным может быть любое подключенное к шине устройство и иерархия эта постоянно меняется в зависимости от того, какое устройство запросило у арбитра шины разрешения на передачу данных и кому. За бесконфликтную работу шины PCI отвечает чипсет, а точнее North Bridge. Но на PCI жизнь не остановила своего течения. Постоянное усовершенствование видеокарт привело к тому, что физических параметров шины PCI стало не хватать, что и привело к появлению AGP.
Основным критерием при выборе процессора для нового компьютера является его быстродействие . Чем большим быстродействием обладает процессор , тем быстрее осуществляется работа с различными программами утилитами и самой операционной системой. Быстродействие процессора зависит, как уже было сказано, от тактовой частоты , измеряемой в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). Кроме того, оно зависит от объема кеш-памяти первого и последующих уровней, частоты шины данных (FSB) и разрядности процессора .
Мегагерц - это миллион колебаний в секунду , в то время как гигагерц представляет собой миллиард колебаний в секунду. Обычно принято считать, чем с большей тактовой частотой работает процессор, тем он производительность Однако это далеко не всегда соответствует действительности. Более того, производительность системы в целом сильно зависит не только от процессора, но и от всех других компонентов. Предположим, что вы приобрели процессор Core i3 с тактовой частотой 3 ГГц, однако установили всего 2048 Мбайт, кроме того, использовали с невысокой скоростью передачи данных. С такой конфигурацией различия в быстродействии между процессором с частотой 2 и 3 ГГц будут едва ли заметными. Другими словами, быстродействие компьютера зависит от производительности самого медленного компонента, будь то процессор, оперативная память, жесткий диск или даже блок питания (поскольку если мощности блока питания не хватит для обеспечения работы аппаратных компонентов, о стабильной работе компьютера можно вообще забыть).
Тактовая частота процессора и её подвох
Рассмотрим подробнее вопрос, почему тактовая частота процессора не гарантирует его высокой работоспособности. Тактовая частота, как понятно из ее названия, состоит из тактов, или периодов тактовой частоты. На каждую операцию, выполняемую процессором, затрачивается один такт и несколько циклов ожидания. Цикл ожидания представляет собой «пустой» такт, т.е. такт, во время которого не выполняются никакие операции. Циклы ожидания необходимы для обеспечения синхронной работы различных по быстродействию компонентов компьютера. На выполнение различных команд тратится разное количество тактов. Например, процессор Core i3 может выполнить минимум 12 команды за каждый такт. Чем меньше тактов требуется для выполнения команды, тем выше процессора. Кроме того, на быстродействие влияют и другие факторы, например, объем кеш-памяти первого/второго уровней.
Процессоры Core I и Athlon II обладают различной внутренней архитектурой поэтому команды в них выполняются по-разному. В результате сравнивать эти процессоры по тактовой частоте нельзя. К примеру, процессор Athlon II X4 641 с тактовой частотой 2,8 ГГц обладает производительностью примерно сопоставимой с процессором Core I3, работающим с частотой 3 ГГц.
Каждый пользователь компьютерной техники не редко задавался этим вопросом, особенно решив приобрести, новое оборудование. Но для того чтобы ответить на вопрос — тактовая частота процессора на что же она влияет, необходимо в первую очередь понять, что собой она представляет?
ВЛИЯНИЕ ТАКТОВОЙ частоты процессора на производительность?
Этот показатель говорит о количестве производимых процессором вычислений в одну секунду. Ну и естественно, что чем выше частота, тем больше операций в единицу времени может произвести процессор. У современных устройств этот показатель находится в пределах от 1 до 4 ГГц. Определяется он путем умножения базовой или внешней частоты на определенный коэффициент. Увеличить частоту процессора можно путем его «разгона». Мировые лидеры по производству этих устройств некоторые свои изделия ориентируют на возможный их разгон.
При выборе такого устройства важным показателем производительности является не только его частота. На это влияет также ядреность процессора.
В настоящее время практически не осталось таких устройств, которые имеют только одно ядро. Многоядерные процессоры полностью вытеснили с рынка своих одноядерных предшественников.
О ядерности и тактовой частоте
Начнем с того, что утверждение, что процессор имеет частоту равную общей суме этого показателя каждого из ядер не верное. Но почему многоядерный процессор лучше и эффективнее? Потому, что каждое из ядер производит свою часть общей работы, если это позволяет, обрабатывая процессором программа. Таким образом, ядреность значительно увеличивает производительность системы, в том случае если обрабатываемую информацию можно разделить на части. Но если это сделать невозможно, работает только одно ядро процессора. При этом общая его производительность равна тактовой частоте этого ядра.
В общем, если вам предстоит работа с графикой, статическим изображением, видео, музыкой многоядерный процессор как раз то, что необходимо. Но если вы игроман, то в этом случае лучше брать не сильно многоядерный процессор, потому что программисты могут и не предусматривать разделение программных процессов на части. Поэтому, для игр более мощный процессор подойдет лучше.
Об архитектуре процессора
Кроме этого, производительность системы зависит и от архитектуры процессора. Естественно, что чем короче путь сигнала от точки отправки до точки назначения, тем быстрее производится обработка информации. По этой причине процессоры от компании Intel работают лучше, чем от фирмы AMD, при одинаковой тактовой частоте.
Итоги
Таким образом, тактовая частота процессора — это его сила или мощь. Она влияет на производительность системы. Но при этом необходимо не забывать что этот параметр, кроме мощности, зависит от количества ядер и от архитектуры этого устройства. Выбирать процессор необходимо с учетом того, с чем ему в будущем нужно будет работать? Для игр лучше брать процессор помощнее, для всего остального подойдет многоядерный процессор с не очень большой тактовой частотой.
