Производительность работы процессора зависит от. тип и частота процессорной шины. Арифметико-логическое устройство и блок управления

Микропроцессор CPU (Central Processing Unit) выполняет все основные вычисления и обработку данных. Во всех PC-совместимых компьютерах используются процесссоры совместимые с архитектурой Intel х86, но выпускаются и проектируются они как самой Intel, так и сторонними компаниями AMD, Cyrix, IDT, Rise Technologies.

стандартные характеристики процессоров:

архитектура

Например, вы можете использовать специальную медную краску, продаваемую в небольших флаконах в любом магазине автозапчастей для ремонта сетки оконных противоугонных устройств. Реальная проблема заключается в том, что контакты очень маленькие, и если вы подключаетесь к соседним, а не противоположным контактам, вы можете сделать чип нефункциональным. Если вы не будете осторожны, вы можете легко повредить процессор стоимостью несколько сотен долларов. При таком обнаружении система обнаруживает и устанавливает правильное напряжение, считывая определенные выводы на процессоре.

разрядность

тип и колличество ядер

кэш память

тип и частота процессорной шины

быстродействие процессора

архитектура

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.

С точки зрения программистов, под архитектурой процессора подразумевается его способность исполнять определенный набор машинных кодов. Большинство современных десктопных CPU относятся к семейству x86, или Intel-совместимых процессоров архитектуры IA32 (архитектура 32-битных процессоров Intel). Ее основа была заложена компанией Intel в процессоре i80386, однако в последующих поколениях процессоров она была дополнена и расширена как самой Intel (введены новые наборы команд MMX, SSE, SSE2 и SSE3), так и сторонними производителями (наборы команд EMMX, 3DNow! и Extended 3DNow!, разработанные компанией AMD). С точки зрения разработчиков компьютерного железа понятие «архитектура процессора» имеет несколько иной смысл. С их точки зрения, архитектура процессора отражает основные принципы внутренней организации конкретных семейств процессоров, способных выполнять определенные наборы команд: SSE, SSE2, SSE3, 3DNow, Enhanced 3DNow и т. д.). Основные типы общих архитектур: CISC, RISC, NetBurst, K7, K8, MultiRISC и их последующие модификации.

разрядность

Количество битов информации, которые может обработать процессор за один такт, характеризуется разрядностью внутренних регистров (ячеек памяти внутри процессора). Под разрядностью регистров понимается колличество паралельно соединенных между собой триггеров, из которых и состоят регистры. Чем больше это колличество, тем выше разрядность каждого отдельного регистра. Современные процессоры имеют разрядность 32 и 64 бита, реже 128 (в основном серверные варианты).

тип и колличество ядер

В рамках одной и той же архитектуры различные процессоры могут достаточно сильно отличаться друг от друга. И различия эти воплощаются в разнообразных процессорных ядрах, обладающих определенным набором строго обусловленных характеристик. Чаще всего эти отличия воплощаются в различных частотах системной шины (FSB), размерах кэша второго уровня, поддержке тех или иных новых систем команд или технологических процессах, по которым изготавливаются процессоры. Нередко смена ядра в одном и том же семействе процессоров влечет за собой замену процессорного разъема, из чего вытекают вопросы дальнейшей совместимости материнских плат. Однако в процессе совершенствования ядра, производителям приходится вносить в него незначительные изменения, которые не могут претендовать на «имя собственное». Такие изменения называются ревизиями ядра и, чаще всего, обозначаются цифробуквенными комбинациями. Однако в новых ревизиях одного и того же ядра могут встречаться достаточно заметные нововведения. Так, компания Intel ввела поддержку 64-битной архитектуры EM64T в отдельные процессоры семейства Pentium 4 именно в процессе изменения ревизии.

кэш память

Во всех современных процессорах имеется кэш (по-английски - cache) - массив сверхскоростной оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером сравнительно медленной системной памяти и процессором. В этом буфере хранятся блоки данных, с которыми CPU работает в текущий момент, благодаря чему существенно уменьшается количество обращений процессора к чрезвычайно медленной (по сравнению со скоростью работы процессора) системной памяти. Тем самым заметно увеличивается общая производительность процессора.

При этом в современных процессорах кэш давно не является единым массивом памяти, как раньше, а разделен на несколько уровней. Наиболее быстрый, но относительно небольшой по объему кэш первого уровня (обозначаемый как L1), с которым работает ядро процессора, чаще всего делится на две половины - кэш инструкций и кэш данных. С кэшем L1 взаимодействует кэш второго уровня - L2, который, как правило, гораздо больше по объему и является смешанным, без разделения на кэш команд и кэш данных. Некоторые десктопные процессоры, по примеру серверных процессоров, также порой обзаводятся кэшем третьего уровня L3. Кэш L3 обычно еще больше по размеру, хотя и несколько медленнее, чем L2 (за счет того, что шина между L2 и L3 более узкая, чем шина между L1 и L2), однако его скорость, в любом случае, несоизмеримо выше, чем скорость системной памяти.

Кэш бывает двух типов: эксклюзивный и не эксклюзивный кэш. В первом случае информация в кэшах всех уровней четко разграничена - в каждом из них содержится исключительно оригинальная, тогда как в случае не эксклюзивного кэша информация может дублироваться на всех уровнях кэширования. Сегодня трудно сказать, какая из этих двух схем более правильная - и в той, и в другой имеются как минусы, так и плюсы. Эксклюзивная схема кэширования используется в процессорах AMD, тогда как не эксклюзивная - в процессорах Intel.

тип и частота процессорной шины

Процессорная (иначе - системная) шина, которую чаще всего называют FSB (Front Side Bus), представляет собой совокупность сигнальных линий, объединенных по своему назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Таким образом, FSB выступает в качестве магистрального канала между процессором (или процессорами) и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жестким диском и так далее. Непосредственно к системной шине подключен только CPU, остальные устройства подсоединяются к ней через специальные контроллеры, сосредоточенные в основном в северном мосте набора системной логики (чипсета) материнской платы. Хотя могут быть и исключения - так, в процессорах AMD семейства К8 контроллер памяти интегрирован непосредственно в процессор, обеспечивая, тем самым, гораздо более эффективный интерфейс память-CPU, чем решения от Intel, сохраняющие верность классическим канонам организации внешнего интерфейса процессора. Основные параметры FSB некоторых процессоров приведены в табл.1:

Таблица 1

Процессоры компании Intel используют системную шину QPB (Quad Pumped Bus), передающую данные четыре раза за такт, тогда как системная шина EV6 процессоров AMD Athlon и Athlon XP передает данные два раза за такт (Double Data Rate). В архитектуре AMD64, используемой компанией AMD в процессорах линеек Athlon 64/FX/Opteron, применен новый подход к организации интерфейса CPU - здесь вместо процессорной шины FSB и для сообщения с другими процессорами используются: высокоскоростная последовательная (пакетная) шина HyperTransport, построенная по схеме Peer-to-Peer (точка-точка), обеспечивающая высокую скорость обмена данными.

быстродействие процессора

Быстродействие процессора характеризуется его тактовой частотой, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического 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 сек.). Быстродействие измеряется в мегагерцах, т.е. в миллионах циклов секунду. Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора 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.

Cледует также особо отметить, что все современные процессоры поддрживают очень важную технологию суперскалярности, позволяющую паралельно выполнять независящие друг от друга потоки команд, а также, по возможности, менять очередность их выполнения для улучшения производительности.

Исторически сложилось, что на рынке десктоптых процессоров доминирующие позиции занимают две компании

Обе компании начиная в 2005 году перешли к массовому выпуску на рынок двуядерных процессоров. К этому времени классические одноядерные CPU практически полностью исчерпали резервы роста производительности за счет повышения рабочей частоты. Камнем преткновения стало не только слишком высокое тепловыделение процессоров, работающих на высоких частотах, но и проблемы с их стабильностью. Так что экстенсивный путь развития процессоров на ближайшие годы был заказан, и их производителям волей-неволей пришлось осваивать новый, интенсивный путь повышения производительности продукции. В настоящее время выделяются две ведущие архитектуры десктопных процессоров: Intel Core , AMD 64(K8) .

Перед тем как спорить, какой процессор лучше, сначала нужно рассмотреть детально архитектуру процессора. Т.е. как он устроен и как это влияет на его производительность.

Это вам пригодится при покупке нового процессора, поскольку поможет определиться с ответами на такие вопросы: “Зачем нужен ПК? Играть ли в игры, которые, чем требовательней к ресурсам, тем круче для хозяина ПК? Набирать текст, иногда создавать презентации и диаграммы в электронных таблицах или работать с графикой? Работать с видео и звуком (это не слушать музыку и просматривать фильмы)? Если уже вспомнил о просмотре фильмов, то спрошу и о том, не желаете ли вы просматривать фильмы на Blu-ray дисках? А, возможно, вы желаете использовать ПК для других целей? Ну, хотя бы “бросать понты” какой крутой ПК, типа: “у меня ПК LG, потому что на мониторе написано!”.
Кстати, если хотите, то можете немного увеличить быстродействие компьютера без апгрейда, отключив контроллеры, которые входят в состав материнской платы, но которыми вы не пользуетесь.
Это может уменьшить время загрузки. Например, дополнительные контроллеры SATA используют собственный BIOS, но пользователям с малым числом приводов вряд ли вообще потребуется дополнительный контроллер.
Его отключение позволит сэкономить время, которое тратится на инициализацию BIOS контроллера и на проверку подключённых приводов. Да и вы избавитесь от сообщений “привод не найден”.
Итак, в этой статье я расскажу из каких основных элементов состоит процессор.

Архитектура процессора

Простой пример: почему когда-то Athlon были лидерами продаж? Просто AMD ввела технологию Hyper- Transport (преимущество в скорости – 12,8 Гбайт/с – обеспечивал AMD более короткий конвейер (отказ от FSB), а также встроенный контроллер памяти). В ответ от Intel последовала технология Hyper-Threading и увеличение частот.
Hyper-Threading (НТ) - это технология, идея которой проста. Один физический процессор представляется операционной системе как два логических процессора, и операционная система не видит разницы между одним НТ процессором или двумя обычными процессорами.
В обоих случаях операционная система направляет потоки как на двухпроцессорную систему. Далее все вопросы решаются на аппаратном уровне.
Объясню детальнее. Модели одноядерных процессоров включают следующие совместно работающие устройства:

1. Устройство управления осуществляет координацию работы всех других устройств, выполняет функции управления устройствами, руководит вычислениями в компьютере.
2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) . Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждый способен выполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно.
3. AGU (Address Generation Unit) – устройство генерации адресов. Это устройство не менее важно, чем АЛУ, потому что отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных.
4. Математический сопроцессор (FPU) . Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо оттого, что делают другие АЛУ.

Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, которые ускоряют вычисление.
Сопроцессор работает параллельно с центральным процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Кстати, на заре развития персональных компьютеров FPU был отдельным чипом на плате.
Дешифратор инструкций (команд) анализирует инструкции с целью выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Потом направляет сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.
КЭШ. В отличие от ОЗУ, эта память находится внутри центрального процессора и обладает высокой скоростью доступа, предназначена для ускорения обращения к данным, содержащимся менее быстрой памяти ОЗУ.
Если на обращение к обычной памяти компьютера тратится времени не больше 1,25 не (для топовой памяти DDR3 время доступа 0,41 не), то кэш работает на частоте процессора. В следующий раз расскажу о том, как количество кэш влияет на работу процессора. Также в процессоре есть сверхбыстрая оперативная память (СОЗУ), которую называют регистрами процессора . СОЗУ предназначена, прежде всего, для хранения промежуточных результатов вычислений или данных, необходимых для работы процессора. Время обращения к регистрам процессора около 0,3 не.
Шины (группы проводников). С другими устройствами, в первую очередь с оперативной, памятью процессор связан шинами.
Так вот разница между одноядерным процессором и процессором с НТ-технологией в том, что в такой архитектуре процессора АЛУ и FPU определяются не по одной, а двумя группами, т.е. в строении процессора не 7 групп, а уже 9.
Дополнительные группы АЛУ и FPU работают параллельно с “близнецами” АЛУ и FPU, а не последовательно, и за один такт обрабатывают две операции одновременно, а не делают из них очередь, т.е. получается виртуализация второго ядра.
В таком случае, когда операции похожи, то быстродействие процессора снижается, а когда разнообразны или программы адаптированные к данной технологии, то быстродействие увеличивается.
Но все равно вы получите не полноценное ядро, и быстродействие увеличится приблизительно на 25% или уменьшится на 10%. И это из-за того, что данная технология имитирует многоядерный процессор. При обработке ЗD-графики и от данной технологии польза есть.
В новой архитектуре Nehalem (Intel Core i3 – i7) инженеры Intel попытались ликвидировать все слабые места Hyper-Threading, и конечный результат получил название Simultaneous MultiThreading (или SMT). Одной из особенностей данной технологии является разделение ядер динамически на реальные и виртуальные, что позволяет более эффективно их использовать.
Нужно учитывать и то, что Intel проводит агрессивный маркетинг новых процессоров не только против AMD, но и против своих предыдущих моделей. Так, я когда-то листал буклет с новой продукцией Intel. В нем было много схем возможностей чипсетов и южных мостов, информация о новых возможностях и архитектуре процессоров…
На первых же страницах и обложках буклета яркие гистограммы наподобие такой, с заглавиями типа “Разница в быстродействии процессоров старой и новой архитектуры*”. Снизу на последней странице буклета мелким шрифтом написано “*новая архитектура даёт прирост в быстродействии аж 10%”.
Начинаю присматриваться к графикам – точно, оказывается столбцы, которые отображают преимущества новых процессоров вытянутые! Я уже молчу о том, почему использовались такие цвета для отображения графиков “новых” и “старых” моделей процессоров.
Ну ладно, вернёмся к брошюре. Предположим, вы решили купить новый компьютер или сделать апгрейд, для чего зашли в компьютерный магазин. К тому же вы не искушённый покупатель и просто задали вопрос продавцу.
После чего он начнёт рассказывать о новых процессорах, показывая брошюрку и выясняя, какую суму можно вытянуть из вас. Ну, скажите, пожалуйста, кто будет вам объяснять особенности графиков, а увидев их вы сразу захотите купить процессор из рекламируемых, точнее, что на картинках и читать не станете.
Зачем читать, если вам все объяснят, наталкивая вас на комплектующие подороже, и покажут что-то подобное описанному в буклете? Вот и получается, как в анекдоте: пришёл за крючками к удочке, а уехал на вездеходе с прицепом, на котором лодка с кучей рыболовных снастей.
У Intel так и получается, потому что она перевела новые модели процессоров на новый сокет, так что, купив процессор и мамку для него, вам придётся купить еще и память DDR3. А ещё хочется иметь поддержку новых интерфейсов на будущее, к тому же Intel уже отказалась от линии PCI.
Но вернёмся к войне технологий AMD и Intel. Уже позже Intel в ответ избавляется от шины FSB в процессоре, эволюционировав её в Quad-Pumped Bus (QPB), которая способна передавать четыре блока данных и два адреса за такт! Т.е. за каждый такт синхронизации шины по ней может быть передана команда либо четыре порции данных.
AMD же первой встроила в процессоры контроллер памяти ещё в 2003 году, но в Intel он работает явно лучше. А ведь в номинале Core i5 работает только с памятью не выше 1333 МГц, против 1600 МГц у
платформы AMD. Компания Intel последовала этой идее в 2008 году. В платформе Socket 1156 Intel пошла ещё дальше, перенеся основной графический контроллер (PCI Express 2.0) в процессор, а затем, выпустив двуядерные процессоры Socket 1156 со встроенным графическим движком, которые раньше встречались в “бюджетных” северных мостах и в этом уже первой была Intel.

Температура процессора

Исходя из своего опыта, могу сказать, что более “холодного”, чем процессор VIA не встречал. Аргументы простые: на офисном ПК кроме Windows ХР, Office 2003 и антивируса ничего не стоит, а в жару ни разу не возникало проблем с ним, не то, что с двумя ПК с Intel процессорами, с
такой же частотой. При условии нагрузки “бумажной” работой это сильный аргумент. Забыл вспомнить, что ПК с центральным процессором VIA стоит с не снятыми боковинами, а другие – без боковин и все равно им “жарко”.
Но вернусь к температурам на процессорах AMD и Intel. То, что процессоры AMD греются больше Intel, это давно известно, но охладить их не такая уж большая проблема.
Достаточно купить хотя бы два дополнительных вентилятора в корпус и подключить их питание к материнской плате или докупить переходники питания с IDE или Multi Fan Power Port на шесть вентиляторов. Некоторые производители вентиляторов предоставляют дополнительно переходники питания.
Головная боль у вас будет, если температура центрального процессора превышает 55-56 С в момент, когда “прогрузите” ПК “тяжёлыми” программами, да ещё при условии недостаточного проветривания корпуса.
Уже несколько раз видел такое чудо техники – компактный системный блок, в котором над вентилятором процессора находился блок питания, заслоняя собой его половину, а с другой стороны над “мамкой” DVD-RW и винчестер.
При этом на боковине имелась труба для прямого доступа холодного воздуха на процессор. Мне тогда пришлось крепить вентилятор к боковине, а уже к нему крепить “фирменную” трубу-туннель, что по идее должна была обеспечивать поступление прохладного воздуха прямо на процессор. До этого толку от этой трубы почти не было.
А один знакомый сделал по- другому, он просто поработал напильником.
Поэтому перед тем как покупать себе ПК задумайтесь о размерах, компоновке и качестве системного блока, иначе потом уже не скоро будете его менять.
При этом также учтите и то, что чипсеты с дополнительными контролерами вместе с видеокартой и винчестерами неплохо поднимают в системном блоке температуру.
Сознаюсь, что в свое время, покупая себе ПК, на системный блок потратил почти вдвое больше чем за материнскую плату вместе с процессором Celeron частотой 2,8 ГГц.

Просмотр видео

Наличие аббревиатуры Vivo (Video Input Video Output) от nVidia или Avivo от ATI в спецификации видеокарты означает, что при проигрывании фильма в форматах MPEG- 2, MPEG-4, Н.264, VC-1 и WMV9 или DVD графический процессор берет на себя часть работ по декодированию потока.
Это позволяет в целом понизить нагрузку на центральный процессор и соответственно увеличить общее быстродействие системы. Необходимо отметить, что декодирование осуществляется не только силами видеочипа. Часть работы ложится на плечи центрального процессора.
Проблема была актуальна для владельцев компьютеров на базе процессоров с тактовой частотой до 500 МГц, их мощности не хватало для полноценного воспроизведения видео и фильмы часто “подтормаживали”. Современным же процессорам с тактовой частотой от 1,7 ГГц это не грозит, даже при отсутствии Vivo.
На качество воспроизводимого видео видеокарта влияет весьма косвенно. Объем памяти видеокарты нисколько не влияет на её быстродействие (на него влияет частоты процессора видеокарты и модулей памяти, а также шейдеры), поэтому играя с дисплеем 19 дюймов нет никакой разницы от 512 или 1024 Мбайт видеопамяти.
Большинство современных видеокарт оснащены видеовыходом, а некоторые видеовходом и, соответственно, аналого-цифровым и цифроаналоговым преобразователем.
Если желаете просматривать видео Blu-ray и HD DVD, то минимальные требования к системе таковы:

• программа ArcSoft TotalMedia Theatre или Media Player Classic – Home Cinema;
• операционная система Microsoft Windows XP SP2;
• процессор минимум на 3,2 ГГц (2,8 ГГц с кэш 1 Мбайт уже “подтормаживает”) и то не все тянет, так что лучше какой-нибудь простенький двухъядерник;
• 120 МБ свободного места на жёстком диске;
• 512 МБ оперативной памяти, а лучше 1 Гбайт;
• привод Blu-ray или HD DVD (ну если с Internet не скачали такой фильм);
• видеопамять 256 Мбайт (минимум 128 Мбайт) или выше.

Для захвата же качественного видео при помощи тюнера понадобится производительная система. Процессор не менее 1 ГГц, ОЗУ 256 Мбайт и вместительный винчестер.

Александр Романов. По материалам журнала “Компьютер”