Определение скорости работы процессора

Как уже упоминалось ранее в этой главе, выбор процессоров (RISC или CISC) для компьютера не во всем зависит от вас. Я советую выбирать процессор в зависимости от приложения, вместо того чтобы подбирать приложение под процессор. В любом случае, вы должны представлять, с какой скоростью процессор выполняет поступающие команды.
Скорость работы процессора определяет следующее.

● Число рабочих циклов, выполняемых за секунду. Количество одновременно обрабатываемых команд.
● Количество команд, одновременно передаваемых в процессор для обработки.
● Размер буфера, в котором сохраняются последние команды для повторного использования.

Примечание:
Вплоть до появления процессора Intel 486 на скорость работы также влияло и наличие математического сопроцессора. Однако в настоящее время математический сопроцессор стандартная часть процессора. Он позволяет процессору напрямую выполнять сложные математические операции, например, умножение, вместо того чтобы интерпретировать их как многократное сложение. Эти операции можно выполнить и без сопроцессора, но это займет больше времени: между операциями 5x6 и 6+6+6+6+6 есть разница.

Тактовая частота

Основная характеристика, которая дает грубое представление о скорости работы процессора — тактовая частота. "Грубое", поскольку это число описывает единственный аспект производительности: число циклов тактового генератора в секунду, но оно ничего не говорит о количестве команд, выполняемых за один цикл. (Позвольте уточнить: это справедливо, если только речь не идет о процессорах RISC — в этом случае соотношение равно 1:1. Однако вы по-прежнему не знаете, сколько команд необходимо для выполнения одной конкретной операции.) Тем не менее, при прочих равных условиях, чем выше частота тактового генератора, тем быстрее работает микросхема. Когда писалась эта книга, самые быстрые микросхемы CISC работали с внутренней частотой 400 МГц.

Удвоение частоты

Выше приведён термин «внутренняя частота» по отношению к числу 400 МГц.
Следует учесть, что тактовая частота системной шины на материнской плате не превышает 60-66 МГц. На практике это означает, что тактовая частота оборудования (включая контроллер для обмена данными с оперативной памятью) не превышает 66 МГц (в новейших платах – 100 МГц). В то же время внутренние операции, такие как вычисления и переходы, выполняются с тактовой частотой 400 МГц. Это различие стало возможным благодаря применению технологии, называемой удвоением частоты, появившейся в середине 90-х гг. и применяемой поныне (она используется «подпольно»).
В основе удвоения частоты лежат конструкторские проблемы, затрудняющие разработку системной платы, работающей на частоте, превышающей 66 МГц: системные шины не могут работать на больших частотах. Однако на внутренней работе процессора это ограниче7ние никак не сказывается – процессор может работать на частотах, многократно превосходящих пределы 60 или 66 МГц.
Таким образом, процессор 486 на 33 МГц, которым я всё ещё пользуюсь (как видите, для решения моих задач такой медленный процессор вполне подходит), работает с той же частотой, что и системная плата. А вот различие скоростей работы процессора Pentium Pro на 200 Мгц и его системной платы разительно: системная плата работает на частоте 66 МГц, т.е. втрое медленнее. (Конечно, 66х3 не равно 200, но такое округление нравится продавцам.) Является ли проблемой несоразмерность внутренней тактовой частоты процессора и внешней частоты шины? Не обязательно. Да, оперативная память не может «разговаривать» с процессором с той же скоростью, с которой процессор «разговаривает» сам с собой. Но это означает только то, что при выполнении внутренних расчётов производительность машины выше, чем при «общении» с периферийными устройствами. Удвоение частоты – относительно недавно появившаяся возможность, но её наличие весьма желательно.

Длина слова

Еще один фактор, определяющий скорость работы процессора — длина слова, или количество данных, которое процессор может обрабатывать одновременно. Чем больше длина слова, тем больше данных обрабатывается одновременно и, следовательно, тем быстрее работает машина. (Люди тоже используют слова разной длины.) Например, при поездке по запутанному маршруту без письменных инструкций, вы можете запомнить "в уме" два поворота и светофор. Затем придется остановиться, и попросить кого-нибудь указать остальной путь. В данном случае ваша "длина слова" недостаточно велика, чтобы обработать все множество данных одновременно.

Шина данных

Длина слова определяет, с каким количеством данных процессор может работать одновременно. Но как быстро эти данные могут поступить в процессор для обработки? Ответ на этот вопрос дает разрядность (size) шины данных процессора (data path). Образно говоря, шина данных представляет собой "ворота" в процессор. Чем шире шина данных, тем больше данных может поступить в процессор за единицу времени. Размер шины данных не обязательно совпадает с длиной слова. Воспользуемся прежним примером: в процессоре 386SX используется шина данных шириной 16 бит и слово данных длиной в 32 бит. Хотя процессор и в состоянии обрабатывать 32 бит данных, одновременно в него могут поступить только 16. Кроме того, следующие 16 бит поступают в процессор с небольшой задержкой. Поэтому процессор 386DX с шиной данных шириной в 32 бит работает намного быстрее, поскольку слово данных может поступать в него целиком.

Кэширование

До сих пор мы обсуждали скорость, с которой процессор может "думать". Однако сколько данных он может "обдумывать" одновременно, и как быстро может переходить к "обдумыванию" чего-либо другого? Последняя деталь головоломки заключается в том, сколько недавно обработанных данных он может помнить. Это определяется объемом кэш-памяти (кэша).
Вероятно, в общих чертах вы знакомы с концепцией кэширования. Во многих частях компьютера информация, которая, вероятно, вскоре будет использоваться повторно, хранится в буфере, называемом кэшем. Точно также кэш имеется и в процессоре. Фактически, в процессорах используются два кэша. В старых процессорах использовался единственный внутренний кэш, называемый кэшем L1. Современные процессоры имеют как внутренний кэш L1, так и внешний кэш большего объема, который представляет собой статическое ОЗУ (статическое RAM (SRAM)). Внешний кэш называют кэшем L2. В обоих хранится информация (как коды, так и данные), только что использовавшаяся процессором. Идея заключается в том, что эта информация возможно вскоре опять понадобится процессору (рис. 7.1).

Примечание:
SRAM представляет собой память, в которой запоминается все от момента, когда данные поступают в память, вплоть до их удаления (либо отключения машины). В отличие от динамической памяти (DRAM), на которой в основном и построена системная память, содержимое SRAM не требуется регенерировать каждые 4 мс, поэтому она работает намного быстрее DRAM. Кроме того, она стоит дороже.

Поскольку кэш L1 встроен в процессор (и, стало быть, работает с той же скоростью, что и процессор), он работает быстрее кэша L2. Поэтому последние использовавшиеся данные сначала сохраняются в L1. (Быстродействие SRAM достаточно велико, однако меньше внутреннего быстродействия процессора.) В то же время внутренний кэш невелик по объему (8—64 Кбайт в зависимости от модификации процессора), поэтому, когда его емкость исчерпывается, дополнительные данные поступают в. кэш L2. Объем L2.
намного больше — в некоторых случаях он достигает 1 Мбайт.

Примечание:
Кэш L2 процессора Pentium Pro только наполовину можно назвать внутренним: он помещен в одном корпусе с процессором, но в дополнительном модуле, а не на одной, подложке с процессором.

Большая тактовая частота не обязательно означает больший объем кэша. Например, процессор Pentium Pro работает с внутренней тактовой частотой 200 МГц, однако имеет только кэш L1 объемом 8 Кбайт. В процессорах Celeron (266 и 300 МГц) кэш L2 не предусмотрен вообще. Поскольку для производительности процессора в целом наличие средств кэширования важнее тактовой частоты, на это следует обращать внимание. Так, если вы покупаете сервер с процессором конкретного типа, выбирайте тот, в котором предусмотрен достаточно емкий внутренний кэш, а также большой внешний. 

Смотрите также

Установка USB-адаптеров
Большинство беспроводных USB-адаптеров представляют собой компактные устройства со встроенными антеннами. Так как адаптер подключается к компьютеру через кабель, его легко переместить, ...

Протоколы канального уровня
Протоколы, обеспечивающие взаимодействие компьютера с сетью на самом низком, аппаратном уровне, во многом определяют топологию локальной сети, а также ее внутреннюю архитектуру. В настоящее время на п ...

Совместное использование приложений
Одно из крупных достижений локальных сетей - простота распространения приложений между служащими офиса. Многие (хотя и не все) приложения устанавливают на центральном компьютере, называемом сервером ...