Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессоров..pdf

Так же процессоры отличаются и некоторыми своими основными характеристиками, такими как тактовая частота, количество ядер, кэш- памяти, разрядность. Рассмотрим, что же они из себя представляют.

Тактовая частота. Тактовая частота является характеристикой, показывающей нам, сколько процессор может произвести вычислений в единицу времени. Отсюда следует, что чем больше частота, тем больше операций в единицу времени может выполнить процессор. Тактовая частота современных процессоров, как правило, составляет 1,0-4ГГц. Она определяется умножением внешней или базовой частоты, на определённый коэффициент. Например, процессор Intel Core i7 920 использует частоту шины 133 МГц и множитель 20, в результате чего тактовая частота равна 2660 МГц.

Частоту процессора можно увеличить в домашних условиях, с помощью разгона процессора. Существуют специальные модели процессоров от AMD и Intel, которые ориентированы на разгон самим производителем, к примеру, Black Edition у AMD и линейки К-серии у Intel.

Однако стоит обратить внимание, что существует ошибочное мнение, что частота многоядерного процессора равна суммарной частоте его ядер. Это довольно распространённое и ошибочное мнение. Многоядерный процессор можно сравнить с автомагистралью с несколькими полосами движения, в отличие от одноядерных процессоров, которые можно сравнить с однополосной дорогой, по которой в один промежуток времени может ехать только один автомобиль, в то время как по четырём полосам может двигаться четыре, хоть и с одинаковой скоростью. Ниже мы подробнее рассмотрим понятие многоядерности.

Многоядерность. В самом начале развития процессоров, все старания по повышению производительности процессоров были направлены в сторону наращивания тактовой частоты, но с покорением новых вершин показателей частоты, наращивать её стало тяжелее. Поэтому разработчики стали растить процессоры в ширину, а именно добавлять ядра, так и возникло понятие многоядерности.

Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разделении выполнения различных потоков (задач) на несколько ядер. Можно сказать, что практически каждый процесс, запущенный в системе, имеет несколько потоков.^[27]

Рассмотрим два варианта работы одной программы, работающей сразу на два потока. Как пример можно использовать обычный антивирус, один поток которого будет проверять наличие обновлений, а второй в это время сканировать систему.

- Процессор одноядерный. Так как два потока программы выполняются одновременно, то нужно создать для пользователя эту самую одновременность выполнения. Операционная система производит это с помощью постоянного переключения между выполнением этих двух потоков за считанные миллисекунды. То есть, система немного поработала над обновлением, потом резко переключилась на сканирование, потом назад на обновление. Таким образом, для нас с вами создается впечатление одновременного выполнения этих двух задач. Однако при постоянном переключении с задачи на задачу ощутимо теряется производительность

- Процессор многоядерный. В данном случае постоянного переключения не будет. Система четко будет посылать каждый поток на отдельное ядро, что в результате позволит нам избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток. Два потока выполняются одновременно, в этом и заключается принцип многоядерности и многопоточности. В итоге процессы обновления базы данных и сканирования системы гораздо быстрее выполнятся при использовании многоядерного процессора.

Но есть тут и некоторая проблема - не все программы поддерживают многоядерность. Не каждая программа может быть оптимизирована таким образом. И все происходит далеко не так идеально, насколько это описано. Но с каждым днём разработчики создают всё больше и больше программ, у которых прекрасно оптимизирован код, под выполнение на многоядерных процессорах.^[28]

При выборе процессора для компьютера, следует определить основные виды задач, которые он будет выполнять.

Точкой старта можно назвать двухъядерные процессоры, так как нет смысла возвращаться к одноядерным решениям. Но и двухъядерные процессоры бывают разные. Это может быть не самый свежий Celeron, а может быть Core i3 на Ivy Bridge, точно так же и у АМД - Sempron или Phenom II. Естественно, за счёт других показателей производительность у них будет очень отличаться, поэтому нужно смотреть на всё комплексно и сопоставлять многоядерность с другими характеристиками процессоров.

К примеру, у Core i3 на Ivy Bridge, в наличии имеется технология Hyper-Treading, что позволяет обрабатывать 4 потока одновременно (операционная система видит 4 логических ядра, вместо 2-ух физических). А тот же Celeron таким не похвастается.

Но вернемся непосредственно к размышлениям относительно требуемых задач. Если компьютер необходим для офисной работы и серфинга в интернете, то ему с головой хватит двухъядерного процессора.

Когда речь заходит об игровой производительности, то здесь, чтобы комфортно чувствовать себя в большинстве игр необходимо 4 ядра и более. Но тут всплывает та самая проблема: далеко не все игры обладают оптимизированным кодом под 4-ех ядерные процессоры, а если и оптимизированы, то не так эффективно, как бы этого хотелось. Но, в принципе, для игр сейчас оптимальным решением является именно 4-ых ядерный процессор.

Несмотря на наличие на рынке уже и 8-ми ядерных процессоров от, например, компании AMD, использование их в обыкновенном домашнем компьютере нецелесообразно. Лишним в данном случае будет именно количество ядер. При этом производительность в целом не будет настолько уж высока, но у них есть другие преимущества. Эти самые 8 ядер, невероятно эффективно будут справляться с задачами, в которых необходима работа с качественной многопоточной нагрузкой. Такими задачами являются, например, рендеринг (просчёт) видео, или же серверные вычисления. Поэтому для таких задач необходимы 6, 8 и более ядер.^[29]

Не стоит забывать о том, что остается масса задач, создающих однопоточную нагрузку. И стоит задать себе вопрос: нужен мне этот 8-ми ядерник или нет?

Кэш-память. Кэш-память - это сверхбыстрая память используемая процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются. Вот так, вкратце, можно описать данный тип памяти.

Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это влечёт за собой множество трудностей в производстве, в том числе и ограничения в объёмах. Именно поэтому кэш память является очень дорогой памятью, при этом обладая ничтожными объёмами. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти – скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры.

Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Размещена она, на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, кэш память некоторых уровней, размещалась за пределами кристалла процессора, на специальной микросхеме SRAM располагавшейся непосредственно на материнской плате. Сейчас же в основном все производители размещают кэш-память непосредственно на кристалле процессора.

Как уже упоминалось выше, главное назначение кэш-памяти - это хранение данных, наиболее часто используемых процессором. Кэш является буфером, в который загружаются данные, и, несмотря на его небольшой объём, (около 4-16 Мбайт) в современных процессорах, он дает значительный прирост производительности в любых приложениях.^[30]

Чтобы лучше понять необходимость кэш-памяти, можно представить себе организацию памяти компьютера в виде офиса. Оперативная память, допустим, будет шкафом с папками, которые время от времени использует офисный работник. В таком случае кэш-памятью будет являться стол, на котором работник и производит непосредственно работу с папками. Так вот именно на этом столе будут располагаться инструменты, позволяющие ускорить рабочий процесс. Например, ручка, календарь, номера телефонов. И именно их расположение непосредственно на столе ускоряет процесс доступа к ним

Точно так же, данные могут добавиться из тех больших папок в шкафу, для быстрого использования, к примеру, какой-либо документ. Когда этот документ становится не нужным, его помещают назад в шкаф, очищая тем самым рабочее пространство на столе и освобождая этот стол для новых документов, которые будут использоваться в последующий отрезок времени.

Также и с кэш-памятью, если есть какие-то данные, которые, скорее всего, будут использованы вновь, то эти данные из оперативной памяти, подгружаются в кэш-память. Очень часто, это происходит с совместной загрузкой тех данных, которые вероятнее всего, будут использоваться после текущих данных. То есть, здесь присутствует наличие предположений о том, что же будет использовано в скором будущем. Именно из-за таких сложных, но эффективных принципов работы кэш-память так важна

Современные процессоры, оснащены кэшем, который состоит, зачастую из 2-ух или 3-ёх уровней. Существуют конечно и исключения, но как правило это именно так.

В общем, могут быть такие уровни: L1 (первый уровень), L2 (второй уровень), L3 (третий уровень). Теперь немного подробнее по каждому из них:

Кэш первого уровня (L1) – наиболее быстрый уровень кэш-памяти, который работает напрямую с ядром процессора, благодаря этому плотному взаимодействию, данный уровень обладает наименьшим временем доступа и работает на частотах близких процессору. Является буфером между процессором и кэш-памятью второго уровня.

Для примера возьмём процессор высокого уровня производительности Intel Core i7-3770K. Данный процессор оснащен 4х32 Кб кэш-памяти первого уровня 4 x 32 КБ = 128 Кб. (на каждое ядро по 32 КБ)^[31]

Кэш второго уровня (L2) - второй уровень более масштабный, нежели первый, но в результате, обладает меньшими «скоростными характеристиками». Соответственно, служит буфером между уровнем L1 и L3. Если обратиться снова к нашему примеру Core i7-3770 K, то здесь объём кэш-памяти L2 составляет 4х256 Кб = 1 Мб.

Кэш третьего уровня (L3) - третий уровень, опять же, более медленный, нежели два предыдущих. Но всё равно он гораздо быстрее, нежели оперативная память. Объём кэша L3 в i7-3770K составляет 8 Мбайт. Если два предыдущих уровня разделяются на каждое ядро, то данный уровень является общим для всего процессора. Показатель довольно солидный, но не заоблачный. Так как, к примеру, у процессоров Extreme-серии по типу i7-3960X, он равен 15Мб, а у некоторых новых процессоров Xeon, более 20.

Разрядность. Один из параметров, который имеет большое значение для производительности процессора – это его разрядность. Разрядность процессора говорит о том, какое количество бит информации он примет и обработает через свои регистры за один такт.

Если размер данных за такт равен 1 байту, то процессор называют восьмиразрядным, если размер 2 байта процессор шестнадцатиразрядный, если размер равен 4 байтам, то процессор тридцатидвухразрядный, если размер равен 8 байтам, то процессор шестидесяти четырех разрядный.^[32]

В 2002 году произошёл скачок в эволюционном развитии разрядности процессоров. Компания «AMD» выпустила на рынок процессоры с расширенной 64-битной «IA32 - AMD64» архитектурой вместо стандартной 32-битной.

Компания «Intel не заставила себя долго ждать», и на рынок была выпущена их новая разработка - 64-битный процессор с обозначением - «EM64T».

Конечно, цифры поменялись, но суть сохранилась, то есть основные внутренние регистры процессора просто увеличили свою разрядность в 2 раза - было 32 бита, стало 64.^[33]

На сегодняшний день все выпускаемые процессоры имеют 64-битную разрядность, но на них также можно запускать 32-разрядные программные продукты. Такая возможность сохранилась по той причине, что 64-разр. сделана как расширение и поэтому допускает запуск 32-разр. приложений.

32 и 64-разрядные процессоры имеют разную маркировку. У 32-р. маркировка «х86», где «86» означает поколение процессора. 64-разр. маркируются символами «х64, EM64T, AMD64».

Чтобы вы имели возможность использовать 64-х разрядный процессор во всю силу вам необходимо установить на компьютер 64-х битную ОС, которая обозначается теми же символами «х64».