Работа и устройство процессоров

Быстродействие процессора

Быстродействие — это одна из характеристик процессора, которую зачастую толкуют по-разному. Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием элект

рического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой. Микросхемы обычного компьютера работают на частоте нескольких миллионов герц. (Герц — одно колебание в секунду.) Быстродействие измеряется в мегагерцах, т. е. в миллионах циклов в секунду. Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум один такт. Например, обмен данными с памятью процессор Pentium II выполняет за три такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания — это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не "убегал" вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.) Различается и время, затрачиваемое на выполнение команд. Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров, основанное только на их тактовой частоте (т. е. количестве тактов в секунду). Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее другого? Причина кроется в производительности. Оценивать эффективность центрального процессора довольно сложно. Центральные процессоры с различными внутренними архитектурами выполняют команды по-разному: одни и те же команды в разных процессорах могут выполняться либо быстрее, либо медленнее. Чтобы найти удовлетворительную меру для сравнения центральных процессоров с различной архитектурой, работающих на разных тактовых частотах, Intel изобрела специфический ряд эталонных тестов, которые можно выполнить на микросхемах Intel, чтобы измерить относительную эффективность процессоров. Эта система тестов недавно была модифицирована для того, чтобы можно было измерять эффективность 32-разрядных процессоров; она называется индексом (или показателем) iCOMP 2.0 (intel Comparative Microprocessor Performance — сравнительная эффективность микропроцессора Intel). В настоящее время используется третья версия этого индекса — iCOMP 3.0.Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее другого? Причина кроется в производительности. Процессор 486 обладает более высоким быстродействием по сравнению с 386-м, так как на выполнение команды ему требуется в среднем в два раза меньше тактов, чем 386-му. А процессору Pentium — в два раза меньше тактов, чем 486-му. Таким образом, процессор 486 с тактовой частотой 133 МГц (типа AMD 5x86-133) работает даже медленнее, чем Pentium с тактовой частотой 75 МГц! Это происходит потому, что при одной и той же частоте Pentium выполняет вдвое больше команд, чем процессор 486. Pentium II и III — приблизительно на 50% быстрее процессора Pentium, работающего на той же частоте, потому что они могут выполнять значительно больше команд в течение того же количества циклов.Сравнивая относительную эффективность процессоров, можно увидеть, что производительность процессора Pentium III, работающего на тактовой частоте 1 000 МГц, теоретически равна производительности процессора Pentium, работающего на тактовой частоте 1 500 МГц, которая, в свою очередь, теоретически равна производительности процессора 486, работающего на тактовой частоте 3 000 МГц, а она, в свою очередь, теоретически равна производительности процессоров 386 или 286, работающих на тактовой частоте 6 000 МГц, или же 8088-го, работающего на тактовой частоте 12 000 МГц. Если учесть, что первоначальный PC с процессором 8088 работал на тактовой частоте, равной всего лишь 4,77 МГц, то сегодняшние компьютеры работают более чем в 1,5 тыс. раз быстрее. Поэтому нельзя сравнивать производительность компьютеров, основываясь только на тактовой частоте; необходимо принимать во внимание то, что на эффективность системы влияют и другие факторы.

Эффективность процессоров

Процессоры Athlon XP, созданные в компании AMD, отличаются прекрасными рабочими характеристиками и обладают целым рядом других качеств, но при этом, к сожалению, возрождают печально известные традиции оценки эффективности. Обычно приводится некая условная величина, выраженная в мегагерцах, которая не столько определяет фактическое быстродействие той или иной микросхемы, сколько указывает на приблизительную оценку ее эффективности по отношению к процессору Intel Pentium 4 первого поколения, имеющему примерно те же параметры. Как бы странно это ни звучало, но это действительно так! Испытание рабочих характеристик, проведенное в компании AMD, показывает, что процессор Athlon, имеющий тактовую частоту 1,8 ГГц, работает примерно с той же производительностью, что и процессор Pentium 4 с рабочей частотой 2,2 ГГц. На этом основании данному процессору присваивается имя "Athlon XP 2200+", где число "2200+" обозначает его эффективность по отношению к процессору Pentium 4, выраженную в мегагерцах. Подобная схема сбыта продукции, при которой процессору присваивается значение, определяющее не столько реальную, сколько относительную оценку эффективности, ничего хорошего не дает. В определенных случаях такой маркетинг оставляет у потребителей весьма негативное впечатление, особенно когда выясняется реальная рабочая частота приобретенных ими процессоров и систем. Рабочие характеристики процессоров, приводимые AMD, можно приравнять к коэффициенту резкости погоды, который часто используется в прогнозах погоды в зимнее время. С одной стороны, существует реальная температура, а с другой — есть так называемый коэффициент резкости погоды, который представляет собой приблизительную оценку холода таким, каким он "ощущается". Расчетные значения, присваиваемые новым процессорам AMD Athlon XP, напоминают подобный "коэффициент производительности", величина которого определяет эффективность того или иного процессора по сравнению с Pentium 4. (Правда, AMD настаивает, что приводимые оценки эффективности не имеют непосредственного отношения к Pentium 4.)Проблема маркетинга AMD выражается в следующем: как продавать процессор, который выполняет те или другие операции быстрее, чем аналогичные модели основного конкурента с практически равными тактовыми частотами? Например, процессор AMD Athlon XP, имеющий тактовую частоту 1,8 ГГц, работает значительно быстрее, чем процессор Pentium 4 с частотой 1,8 ГГц, и достигает производительности, характерной для Pentium 4 с рабочей частотой 2,2 ГГц. Столь очевидная несоразмерность производительности процессоров связана с применением в микросхемах P4 совершенно новой архитектуры с более глубокой конвейерной обработкой команд. Pentium 4 имеет 20-ступенчатый конвейер, соответствующий 11-ступенчатому конвейеру процессоров Athlon или 10-ступенчатому конвейеру процессоров Pentium Ш/Celeron. При более глубокой конвейерной обработке команды разбиваются на небольшие микрокоманды, что позволяет достичь более высокой тактовой частоты при использовании одной и той же кремниевой технологии. Однако это также означает, что по сравнению с процессором Athlon (или Pentium III) в каждом цикле выполняется меньше команд.

 Скачать реферат