Тактовая частота. Быстродействие процессора, в чем оно измеряется

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.

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.

Разрядность процессора - это число одновременно обрабаты­ваемых процессором битов, поэтому процессор может быть 8-, 16-, 32-, 64-разрядным. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обработать.Разрядность процессора измеряют в битах. Иногда уточняют и разрядность шины адреса. Она показывает, сколько ячеек (адресов) внутренней памяти может быть использовано данным процессором (так называемое адресное пространство процессора).

Тактовая частота – количество тактов (элементарных действий), выполняемых процессором в секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (1 МГц - миллион тактов в секунду) или гигагерцах (1 ГГц- миллиард тактов в секунду). Очевидно, что тактовая частота влияет на скорость работы, быс­тродействие процессора. Чем она выше, тем быстрее работает процессор и тем больше информации он может обработать. Повышение тактовой час­тоты происходит от одной модели процессора к другой. Например, первые модели процессоров Intel (8088) работали с тактовой частотой 8 МГц, а сов­ременные (Pentium IV) - до 4 ГГц.

Многоядерный процессор , т.е. может состоять из нескольких процессоров, объединённых в одном корпусе.

Устройства ввода

Устройства ввода предназначены для ввода информации от пользователя в компьютер.

Человек получает информацию из окружающего мира с помощью органов чувств: зрения, слуха, обоняния, осязания, вкуса. Однако человек не воспринимает электрические импульсы и очень плохо понимает информацию, представленную в форме последовательностей нулей и единиц, следовательно, в состав компьютера должны входить специальные устройства ввода и вывода информации.

Устройства ввода «переводят» информацию с языка человека на машинный язык компьютера, а устройства вывода, наоборот, «переводят» информацию с машинного языка в формы, доступные для человеческого восприятия.

Устройства ввода – устройства с помощью которых человек вводит информацию в ЭВМ.

Клавиатура –устройство для ручного ввода числовой и текстовой информации в ЭВМ от пользователя.

Световое перо – специальная ручка с помощью которой можно рисовать на экране ЭВМ.

Мышь – манипулятор для ввода информации и работы с графическим интерфейсом.

Трекбол - аналогично мыши, но выполнен в форме шара. Используется в основном портативных ПК.

Тачпад – сенсорная панель, чувствительная к нажатию пальцев.

Сканер – для ввода в компьютер фотографий, рисунков.

Джойстик – игровой манипулятор.

Цифровые камеры (фотоаппараты и видеокамеры) – формируют изображения в компьютерном формате (цифровом формате, имеют память, аналогичную компьютерной.)

Микрофон – для ввода звуковой информации, подключается к входу звуковой карты.

Устройства вывода

Устройства вывода предназначены для вывода информации из памяти ЭВМ.

Монитор – устройство для вывода информации на экран.

Принтер – устройство для распечатки информации на бумагу.

Графопостроитель (плоттер) - устройство для вывода на бумагу сложных чертежей, схем, плакатов большого формата (А1). Принцип действия плоттера такой же, как и у струйного принтера.

Акустические колонки или наушники - используются для вывода звука и подключаются к выходу звуковой пла­ты. Звуковая плата - это наиболее позднее устройство персонального ком­пьютера, которое выполняет вычислительные операции, связанные с обра­боткой звука, речи, музыки.

Стример – устройство для записи информации на магнитную ленту с компьютера, (на мини –кассеты с большой емкостью от 0,5 Гбайт до 2 Гбайт) т.е. это магнитофон со специальными возможностями.

Устройства, выполняющие одновременно функции и ввода и вывода информации.

Звуковая приставка – комплекс устройств для воспроизведения звука, для записи звука в программы. Включает звуковую плату, звуковые колонки, микрофон.

Модем – устройство для обмена информацией между компьютерами через телефонную сеть.

Факс-модем – устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена изображениями с другими факсами через обычные телефонные аппараты.

НГМД, НЖМД, НМЛ – совместные устройства для ввода и вывода информации на магнитные носители (гибкий диск, жесткий диск, лента).

Магистрально – модульный принцип построения компьютера

Связь и обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится с помощью информационной магистрали, которую обычно называют шиной. Конструктивно она выполнена заодно с платой. Магистраль можно представить себе как пучок проводов, к которому подсоединены все устройства ЭВМ. Посылая по магистрали электрические сигналы, любой модуль ЭВМ может передавать информацию другим модулям.

Шина данных (8, 16, 32, 64 бита)

Шина адреса (16, 20, 24, 32, 36 битов) МАГИСТРАЛЬ

Шина управления

Клавиатура

Клавиатура предназначена для ручного ввода информации в компьютер от пользователя. Стандартная клавиатура содержит 101 (104) клавиши.

Число клавиш на клавиатурах может несколько отличаться, но назначение одинаковых клавиш на разных клавиатурах совпадает.

Тактовой частотой называют параметр, который измеряется в гигагерцах. Более высокая таковая частота позволяет быстрее обрабатывать данные. Это один из важнейших параметров, на который следует обращать внимание, выбирая процессор.

Не менее важно и число ядер, дело в том, что тактовую частоту на данном этапе развития больше увеличить нельзя, это побудило производить продолжить развитие в направлении параллельных вычислений, выражающемся в увеличении количества ядер. Число ядер информирует о том, какое количество программ можно запустить одновременно, не теряя быстродействие. Однако стоит учитывать, что в случае оптимизации программы под два ядра, то даже при их большем количестве, компьютер не сможет их полноценно использовать.

Кэш и частота шины процессоров

Частота шины демонстрирует скорость передачи входящей и исходящей из процессора информации. Чем больше этот показатель, тем обмен информацией происходит быстрее, в качестве единиц измерения здесь выступают гигагерцы. Большую значимость имеет кэш процессора, представляющий собой высокоскоростной блок памяти. Он располагается непосредственно на ядре и служит для повышения производительности, так как в нём данные обрабатываются со значительно большей скоростью, чем в случае с оперативной памятью. Есть три уровня кэш памяти:

L1 – первый уровень самый незначительный по объёму, но наиболее быстрый, его размер варьируется в пределах 8 – 128 Кб.

L2 – второй уровень, намного медленнее первого, но превышает его по объёму, здесь размер варьируется в пределах 128 – 12288 Кб.

L3 – третий уровень, проигрывает в скорости первым двум уровням, но самый объёмный, к слову он и вовсе может отсутствовать, так как предусмотрен для специальных редакций процессоров или серверных решений. Его размер достигает 16384 Кб, он может присутствовать в таких процессорах, как Xeon MP, Pentium 4 Extreme Edition или Itanium 2.

Сокет и тепловыделение

Менее значимыми, но от того не теряющими актуальность при выборе процессора являются такие характеристики как сокет и тепловыделение. Сокетом называют разъём, куда устанавливается процессор в материнской плате. По показателям тепловыделения можно определить степень нагревания процессора в ходе работы. Данный показатель измеряют в ватах, и он варьируется в пределах 10 – 165Вт.

Средняя стоимость процессоров на московском рынке Intel Core 2 Duo 5000 р., а AMD Athlon X2 Dual-Core 3000 р., согласно http://price.ru

Табл. 3 Сравнение процессоров

Для работы с графикой важна частота шины и процессора, следовательно, в соответствии с минимальными аппаратными требованиями при выборе между двумя предложенными CPU, опираясь на приведенные выше ключевые характеристики, а также на ценовые качества, я отдаю предпочтение CPU AMD ATHLON II X2 http://www.nix.ru .

Многие владельцы компьютеров с современными процессорами замечают, что тактовая частота их процессора изменяется со временем. Иногда частота скачет до максимального значения, характерного для данной модели (например, до 3000 МГц), а иногда опускается до 1500 или даже 800 МГц. Наблюдая за подобными скачками, пользователи задаются вопросом, почему это происходит и как зафиксировать тактовую частоту на максимальном значении.

Если вы наблюдаете скачки тактовой частоты процессора во время простоя компьютера, то это вполне нормальное явление. Это работает механизм энергосбережения. В отсутствие нагрузки система понижает множитель процессора, что приводит к снижению тактовой частоты процессора. Обычно тактовая частота снижается до 1500 или 800 МГц, после чего компьютер работает на такой частоте до тех пор, пока на процессор не появится заметная нагрузка. С появлением нагрузки тактовая частота обратно прыгает до своих штатных значений.

Внизу показаны скриншоты из программы CPU-Z. Там видно, как частота процессора Intel Core i5 2310 скачет между значениями 1600 МГц и 3100 МГц.

Также в программе CPU-Z можно наблюдать как меняется множитель процессора.

Снижение тактовой частоты позволяет снизить потребление энергии процессором, что в свою очередь заметно снижает общее потребление энергии компьютером, ведь процессор является одним из самых прожорливых компонентов современного компьютера.

Кроме непосредственно экономии электроэнергии, такое поведение системы позволяет снизить температуру процессора, что в свою очередь позволяет снизить обороты вентиляторов и уменьшить уровень шума, который производится компьютером.

При желании, пользователь может зафиксировать тактовую частоту процессора на максимальном значении. Для этого нужно отредактировать используемую в операционной системе схему электропитания. Например, в Windows для этого нужно зайти в «Панель управления\Оборудование и звук\Электропитание» и кликнуть по ссылке «Настройка схемы электропитания», которая находится напротив активной схемы.

Таким образом вы попадете в дополнительные настройки схемы электропитания. Здесь нужно открыть раздел «Управление питанием процессора» и в поле «Минимальное состояние процессора» указать значение в 100 процентов.

После применения настроек процессор начнет работать на своей максимальной тактовой частоте.

Скачки тактовой частоты процессора под нагрузкой

Под нагрузкой тактовая частота также может меняться. В этом случае, это результат работы технологии Turbo Boost. Данная технология предназначена для автоматического разгона процессора до частот выше штатных. Активность такого авто-разгона зависит от нагрузки на процессор. При однопоточной нагрузке Turbo Boost тактовые частоты поднимаются заметно выше, чем при многопоточной, это может приводить к небольшим скачкам тактовой частоты процессора. Например, для процессора Core i5-2500 под нагрузкой Turbo Boost может изменять тактовую частоту в пределах от 3700 МГц (при нагрузке на одно ядро), до 3400 МГц (при нагрузке на все 4 ядра).

Если же вы наблюдаете значительные скачки частоты процессора под нагрузкой, например, скачки на 1000 МГц или больше, то это может быть признаком неисправности компьютера. В этом случае стоит проверить . При перегреве процессора может начаться так называемый «троттлинг». Это снижение тактовой частоты с целью снижения температуры процессора.

Нужно отметить, что троттлинг процессора может появляться не только в результате перегрева самого процессора, но и при перегреве его цепей питания. Такое может случится, например, при разгоне процессора на бюджетной материнской плате.