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.

Как известно, тактовая частота процессора что это количество выполняемых операций таковым за единицу времени, в данном случае, за секунду.

Но этого определения недостаточно для того, чтобы полностью понять, что же на самом деле означает данное понятие и какое значение оно имеет для нас, рядовых пользователей.

В интернете можно найти множество статей по этому поводу, но во всех из них чего-то не хватает.

Чаще всего это «что-то» является тем самым ключиком, который может открыть дверь к пониманию.

Поэтому мы постарались собрать все основные сведения, будто это пазлы, и составить из них единую целостную картину.

Cодержание:

Детальное определение

Итак, тактовая частота – это количество операций, которые процессор может выполнять за секунду. Измеряется эта величина в Герцах.

Эта единица измерения названа в честь известного ученого, который проводил эксперименты, направленные на изучение периодических, то есть повторяющихся процессов.

А причем Герц к операциям за секунду?

Такой вопрос возникает при чтении большинства статей в у людей, которые не очень хорошо изучали физику в школе (может быть, не по своей вине).

Дело в том, что эта единица как раз и обозначает частоту, то есть количество повторений, этих самых периодических процессов за секунду.

Она позволяет измерять не только число операций, а и другие всевозможные показатели. К примеру, если вы делаете 3 входа в секунду, значит, частота дыхания составляет 3 Герца.

Что же касается процессоров, то здесь могут выполняться самые разные операции, которые сводятся к вычислению тех или иных параметров.

Собственно, количество вычислений этих самых параметров за секунду и называется .

Как все просто!

На практике понятие «Герц» используется крайне редко, чаще мы слышим о мегаГерцах, килоГерцах и так далее. В таблице 1 приведены «расшифровки» этих величин.

Таблица 1. Обозначения

Первое и последнее в настоящее время используется крайне редко.

То есть, если вы слышите, что в нем 4 ГГц, значит, он может выполнять 4 миллиарда операций каждую секунду.

Отнюдь! На сегодняшний день это средний показатель. Наверняка, очень скоро мы услышим о моделях с частотой в тераГерц или даже больше.

Как образовывается

Итак, в нем есть следующие устройства :

• тактовый резонатор – представляет собой обычный кристалл кварца, заключен в специальный защитный контейнер;
• тактовый генератор – устройство, которое преобразовывает один вид колебаний в другие;
• металлическая крышка ;
• шина данных ;
• текстолитовая подложка , к которой крепятся все остальные устройства.

Так вот, кристалл кварца, то есть тактовый резонатор образуют колебания вследствие подачи напряжения. В результате образовываются колебания электрического тока.

К подложке крепится тактовый генератор, который преобразовывает электрические колебания в импульсы.

Они передаются на шины данных, и таким образом результат вычислений попадает к пользователю.

Вот именно таким путем и получается тактовая частота.

Интересно, что в отношении данного понятия существует огромное количество заблуждений, в частности, относительно связи ядер и частоты. Поэтому об этом тоже стоит поговорить.

Как частота связана с ядрами

Ядро – это, фактически, и есть процессор. Под подразумевается тот самый кристалл, который и заставляет все устройство выполнять определенные операции.

То есть если в той или иной модели два ядра, это значит, что в нем два кристалла, которые соединяются между собой при помощи специальной шины.

Согласно распространенному заблуждению, чем больше ядер, тем больше частота. Не зря ведь сейчас разработчики стараются вместить все больше ядер в них. Но это не так. Если она равна 1 ГГц, даже если в нем 10 ядер, она так и останется 1 ГГц, и не станет 10 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.

Тактовая частота процессора – это количество обработанной информации, то есть количество синхронизирующих тактов, за одну секунду. Измеряется тактовая частота в МегаГерцах (Mhz). Как правило, чем выше тактовая частота, тем быстрее запускаются программы и игры, то есть количество выполняемых операций в секунду возрастает, однако системы с одной и той же тактовой частотой могут иметь различную производительность, так как на выполнение одной операции разным процессорам может требоваться различное количество тактов.

Производительность.

Производительность – эффективность используемой тактовой частоты. Чем больше ожидаемая скорость выполнения задач устройства, тем больше количество «лошадиных сил» требуется «под капотом». Современные устройства обеспечивают всё большие разрешения видеоизображения на дисплеях, миллионы цветов (сотни тысяч оттенков яркости) или высококачественный звук. Кроме того, все современные устройства поддерживают графический интерфейс пользователя (также известный под названием GUI (ГУЙ)), позволяющий управлять при помощи указания нужного места на экране и нажатия пальцем или кнопкой мыши. Вся эта красота требует создания, записи и перемещения миллиардов нулей и единиц в секунду, то есть достаточной производительности.

Ядро процессора.

Ядро процессора – это часть процессора, осуществляющая выполнение одного потока команд. Одноядерные процессоры используют конвейерную обработку тактов, а многоядерные – параллельную. Иными словами, многоядерные процессоры выполняют одновременно несколько операций, тем самым быстрее справляясь с задачами пользователя.

Энергопотребление.

Процессор с низким энергопотреблением позволит продлить время автономной работы устройства от аккумуляторной батареи. «Гонка» за частотой процессора и его производительностью привела к увеличению энергопотребления. Поэтому компании стали устанавливать системы энергосбережения, температурные датчики, обеспечивающие защиту от перегрева и снижающие частоту процессора при недопустимом увеличении температуры, на программном уровне реализовывать энергосберегающие режимы для «засыпания» процессора, а также устанавливать аккумуляторы большой ёмкости.

Оперативная память.

Оперативная память – это временная память, влияющая на многозадачность устройства, в которой работают запущенные пользователем программы . Оперативную память также называют «мозгом» компьютера, потому что это место, где выполняется основная работа. Большой объём оперативной памяти позволяет запустить одновременно больше программ и игр, а так же позволяет ускорить все процессы, связанные с обработкой информации.

Встроенная память.

Память на жёстком диске – это память, которая предназначена для загрузки и установки пользовательских файлов (программ, приложений, виджетов, мультимедийных файлов и игр). В устройствах она характеризуется размером жёсткого диска (в некоторых случаях используется флэш-память). Чем больше объём, тем больше можно сохранить информации. В этих устройствах может быть ещё и расширяемая память. В Интернет-планшетах для этой памяти предусмотрен слот под карту памяти. В ноутбуках и нетбуках кроме слота присутствуют разъёмы под съёмный флеш-диск или жёсткий диск.

Операционная система.

Операционная система – это комплекс программ, которые задействуют ресурсы компьютера (процессор, оперативная и постоянная память), деятельность которых направлена на выполнение задач пользователя. Операционную систему, ещё называют «хозяйкой» всего оборудования. Первая её функция – это указание способа функционирования микропроцессора и управление большим массивом памяти. Вторая функция операционной системы заключается в индексировании всей информации, находящейся во встроенной памяти. От того какая система установлена на устройстве, зависит производительность. В салонах «Евросеть» распространены три операционные системы, на ноутбуках и нетбуках – это Windows, а на Интернет-планшетах Android и iOS.

Многозадачность – это способность запуска и одновременной работы нескольких программ. Многозадачность реализовывается на уровне операционной системы и позволяет оптимизировать процессы, увеличить скорость работы и повысить комфорт от использования устройства.

Видеокарта.

Видеокарта – это устройство для отображения на компьютере видео и графики. Видеокарты бывают двух видов: интегрированные (встроенные) и дискретные (съёмные). Дискретная карта производительнее интегрированных аналогов, что даёт возможность работать со сложными графическими программами (к примеру, 3D-MAX (3-Д Макс)) и высокую производительность в играх.

Дисплей.

Дисплеи отличаются такими характеристиками как: диагональ, разрешение, соотношение сторон и покрытие экрана. Диагональможет быть в диапазонеот 4 до 19 дюймов (1 дюйм равен 2,54 см) для ноутбуков, нетбуков и планшетов. Разрешение – это количество точек, из которых будет состоять изображение. Разрешение экрана–от 800x600 до 1366x768 точек, что позволяет в полной мере насладиться красотой заставки или фотографий. Нетбуки чаще имеют разрешение: 1024x600. Широкоформатные экраны, имеют не квадратную форму, а вид вытянутого прямоугольника, что позволяет: удобно просматривать WEB-страницы и полнометражные фильмы.

Покрытие экрана – матовое или глянцевое?

Матовое покрытие не создаёт бликов на экране при дневном свете, на нём менее заметны отпечатки пальцев и глаза устают меньше.

Глянцевое покрытие придаёт изображению больше яркости и контрастности, однако

при прямом попадании света на дисплей изображение тускнеет, и появляются блики.

04. 07.2018

Блог Дмитрия Вассиярова.

Что такое тактовая частота процессора — и причём тут скорость?

Приветствую всех читателей. Мне будет особенно приятно порадовать вас своим рассказом на тему что такое тактовая частота процессора? Возможно, для некоторых эта тема покажется азбучной и малополезной, но я уверен что несколько интересных фактов и простых сравнений позволит по-новому взглянуть на работу ЦПУ.

Подбирая железо для компьютера или новый смартфон мы первым делом интересуемся, сколько ядер имеет процессор и какова частота их работы. Бренд самого ЦПУ в этом случае – дело вкуса (AMD или Intel, MTK или Snapdragon). Но, если из представленных моделей, одна имеет в характеристиках большее значение частоты, но наверняка выбор будет сделан в ее пользу. Давайте разберемся, почему это так важно.

«Импульсивное поведение» процессора

Процессор это сердце любой вычислительной машины, а к таковым относятся не только калькуляторы и компьютеры, используемые в сложных расчетах, но и любое устройство, работающее с оцифрованными данными. Чтобы преобразовать их в музыку, видео, изображение или, тем более, заставить программу совершить определенные операции, поток «нулей» и «единиц» записанный в необходимо пропустить через блок, выполняющий логические операции. Такие обрабатывающие модули, созданные из множества полупроводниковых микротранзисторов и составляют основу кристалла процессора. Или, как говорят знатоки «камня».

Но вернемся к оцифрованному потоку данных, которые в реальности представляют собой наличие или отсутствие сигнала в электроцепи. Ведь именно его и обрабатывает транзистор. Но чтобы сделать такие сигналы читаемыми (отличаемыми друг от друга) его подают импульсами. Создает их тактовый генератор, интегрированный в архитектуру самого процессора.

В лучших современных за одну секунду происходит до 5 000 000 000 (пяти миллиардов!) импульсов. Это величина измеряется в гигагерцах (ГГц) и является тактовой частотой работы ядра процессора, выполняющего главные вычислительные функции. Чем больше она, тем лучше.

Но за дополнительные герцы приходится расплачиваться повышенным энергопотреблением и сильным нагревом.

А вы знаете частоту своего ЦПУ?

Узнать тактовую частоту установленного на вашем компьютере процессора можно несколькими способами:

• Заглянуть в паспорт, лежащий в коробке от CPU;
• Найти на мониторе «Мой компьютер», открыть в его контекстном меню «Свойства» и изучить общие параметры устройства;

• Установить программы AIDA64 или CPU-Z , которые показывают максимально подробную информацию о вашем процессоре.

Считаем ядра и гигагерцы

В реальности более объективным показателем скорости работы ЦПУ является количество операций, выполняемых в единицу времени. А на это уже влияет количество микротранзисторов, способных одновременно обработать несколько сигналов. Может вы что-то слышали о нано технологиях? Так вот чем меньшего размера вычислительный элемент, тем их больше можно разместить на «камне» процессора.

Так же тактовую производительность процессора определяет его (оптимизация взаимодействия между отдельными модулями) и количество потоков (каналов одновременного обращения к ядру).

Кроме того, для одновременного решения нескольких задач в ЦПУ используется несколько ядер. Причем имеются процессоры для смартфонов с различной тактовой частотой отдельных ядер: по 4-е энергоэффективных (1,8 ГГц) и по 4-е мощных (свыше 2,3 Ггц). Многоядерные устройства, установленные на ПК, имеют свой алгоритм оптимизации. Что дает ядрам возможность работать с разной тактовой частотой.

Раз, уж я затронул тему многоядерности, то расскажу вам об одном распространенном заблуждении, касающимся нашей основной темы. Некоторые пользователи, покупая, например, процессор Intel Core 2 Quad, с частотой каждого ядра 2,5 ГГц считают, что они получат устройство способное выдавать 4 х 2,5 = 10 млрд. тактов в секунду.

Это, друзья мои, заблуждение. Потому как тактовый генератор быстрее работать от этого не станет. Единственно, чем я могу вас порадовать, что каждое ядро теоретически может выполнять отдельную операцию. Но и для этого обычно требуется несколько тактов.

Разгон, троттлинг и нагрев

Здесь же считаю нужным ответить на часто задаваемый вопрос. Что важнее при выборе процессора количество ядер или тактовая частота?

Оба показателя определяют производительность процессора. Поэтому 2-а ядра на 4,5 GHz могут работать не хуже 4-х на 2,5 GHz. Все зависит от выполняемых задач и от реализованной в чипе архитектуры.

Правда, все-таки есть один нюанс. Ядер вы в ЦПУ не добавите, а вот разогнать процессор, увеличив его тактовую частоту можно. Для этого существует несколько способов, но все они требуют выполнения ряда условий:

• Теоретическая возможность разгона процессора;
• Устойчивость его элементов к работе в высокотемпературном режиме или наличие дополнительной эффективной системы охлаждения;
• Необходимый разгонный потенциал материнской платы.

Есть даже несколько недорогих ЦПУ, наиболее приспособленных к такому частотному апгрейду: AMD FX-6300, AMD FX-4350, AMD Athlon X4 860K, Intel Pentium G3258.

Наверное, вы уже заметили, что в нашем разговоре о тактовой частоте периодически упоминается такое явление как нагрев процессора. Эти два параметра тесно взаимосвязаны между собой. Уже понятно, что искусственное увеличение температуры повлечет за собой повышение температуры CPU.

А что будет, если в силу определенных причин нагреется сам процессор? К примеру: поломка или загрязнение кулера, высыхание термопасты, работа в жару?

В этом случае разработчики ЦПУ предусмотрели функцию тротлинга, которая отслеживает температуру чипа, и при достижении критических значений автоматически снижает тактовую частоту ядер и, соответственно, быстродействие всей системы.

Напоследок хочу отметить, ещё кое что. Своя рабочая частота имеется и у ОЗУ, и у системной шины материнской платы. И даже у кэш-памяти самого процессора, но именно тактовая частота ядер является максимальной.

Запомните это, чтобы случайно не запутаться в терминах и устройствах.

На этом я заканчиваю свой рассказ о том, что такое тактовая частота процессора. Пойду готовить новую статью, с целью порадовать вас новыми интересными сведениями из жизни компьютерного железа.