Центральный процессор
Самый важный элемент компьютера, определяющий его быстродействие,– центральный процессор.
Технологии, разрабатывавшиеся годами, позволили собрать в единой микросхеме миллиарды транзисторов, которые и создают все то, что вы видите на экране.
Возможности нынешних компьютеров поражают своей разносторонностью. Но чем бы вы ни занимались – обработкой изображений, монтажом видео или просто «рубились» в любимые игры, – все, чем вас радует компьютер, является результатом напряженной работы процессора.
Он получает от пользователя и программ команды и данные, обрабатывает их и отправляет результаты другим устройствам ПК. Без преувеличения, процессор – мозг компьютера, своего рода центр управления, неустанно «перемалывающий» числа для решения поставленных задач.
Как он работает? От чего зависит производительность процессоров, что их ускоряет и что тормозит и почему тактовая частота – не самое главное: обо всем этом, друзья, вы сможете узнать, прочитав этот пост.
Заглянем внутрь
Каждый современный процессор состоит из устройств нескольких типов.
• Исполнительные устройства, которые и осуществляют вычисления.
• Устройства управления служат для того, чтобы исполнительные устройства получали и обрабатывали данные и команды в правильной последовательности.
• Регистры (представляющие собой очень быстрые ячейки памяти) используются для хранения промежуточных результатов.
Большинство команд процессора оперируют именно содержимым регистров.
• Шина данных – это канал, предназначенный для связи с другими компонентами компьютера. Через него процессор получает нужную информацию и выдает результаты вычислений.
• Кэш необходим для ускорения доступа процессора к часто используемым командам и данным. Он представляет собой очень быструю память, расположенную непосредственно на кристалле процессора.
• Кроме того, у процессора есть дополнительные вычислительные модули (специализированные конвейеры), которые отвечают за выполнение специальных задач, например, при обработке видео.
Частота
Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты процессора, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Тактовые импульсы для процессора и шин обмена данными формирует микросхема тактового генератора, основой которого является кварцевый резонатор, расположенный на материнской плате.
Главный компонент резонатора – кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под действием приложенного напряжения в кристалле возникают колебания электрического тока, частота которых зависит от формы и размера кристалла.
Этот сигнал подается в тактовый генератор, где и преобразуется в последовательность импульсов одной или нескольких частот, если разные шины требуют разной частоты.
Зачем нужна тактовая частота? Ее функция состоит в синхронизации работы всех компонентов компьютера. Очевидно, что передача данных одним устройством должна совпадать по времени с приемом данных другим. А это возможно лишь при наличии единого сигнала, связывающего все компоненты и превращающего их в слаженно работающий организм.
Наименьшей единицей измерения (квантом) времени для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На любую операцию затрачивается минимум один такт.
К примеру, обмен данными с памятью происходит за несколько тактов, в число которых входят и такты ожидания (в это время процессор простаивает, ожидая готовности более медленных узлов компьютера).
Выполнение разных команд требует разного количества тактов, что делает бессмысленным сравнение производительности компьютеров только по тактовой частоте.
При прочих равных условиях (типах процессоров, количестве циклов ожидания при обращении к памяти и разрядности шин данных) два компьютера можно сравнивать по их тактовым частотам.
Однако делать это следует осторожно: быстродействие компьютера зависит и от других факторов, в частности от тех, на которые влияют конструктивные особенности памяти. Так что компьютер с более низкой тактовой частотой процессора может оказаться быстрее своего собрата с более высокой частотой.
От чего еще зависит производительность процессора:
Во многом этот параметр определяется разрядностью компонентов, т.е. числом битов, обрабатываемых одновременно. В процессор входят три важных устройства, основной характеристикой которых является разрядность:
• шина ввода и вывода данных;
• внутренние регистры;
• шина адреса памяти.
Можно ли поднимать тактовую частоту до бесконечности:
Увеличение тактовой частоты – самая простая возможность повысить быстродействие процессора. Однако у этого метода есть физическое ограничение – перегрев чипа. Чем выше тактовая частота, тем больше энергии потребляет процессор и тем сильнее он нагревается (см. далее «Почему процессоры нагреваются»).
Есть и другие ограничения, обусловленные ростом уровня электромагнитных помех по мере повышения тактовой частоты. Словом, бесконечно повышать производительность процессора путем наращивания его тактовой частоты невозможно, нужно искать другие пути.
Продолжение следует.
