Микропроцессоры и быстродействие компьютеров

Современные ЦПУ реализованы в виде полупроводниковых микросхем, имену­емых микропроцессорами, на кристаллах которых интегрированы память, логика и цепи управления (как правило, все эти устройства находятся внутри одной мик­росхемы). Показатели быстродействия и производительности микропроцессо­ров компьютеров позволяют определить быстродействие компьютеров в целом. В табл. 5.3 приведены некоторые наиболее распространенные микропроцессоры. Микропроцессоры могут быть 8-, 16- или 32-разрядными. Эти характеристики указывают длину слова (количество битов, одновременно обрабатываемых ком-

Microprocessor (микропроцессор)

Продукт использования технологии сверхвысокой степени интеграции, обес­печивающей формирование блоков логики, управления и компьютерной па­мяти на одной кремниевой пластине.

Word length (длина слова)

Количество битов, одновременно обрабатываемых компьютером. С увеличе­нием длины слова возрастает быстродействие компьютеров.

Таблица 5.3
Примеры микропроцессоров
Название	Произво-дитель	Длина слова	Ширина шины данных	Тактоваячастота (МГц)	Область применения
Pentium	Intel			75-200	IBM и другие ПК
Pentium II	Intel			233-450	ПК
Pentium III	Intel			900+	Высокоуровне-вые ПК, серверы и рабочие станции
PowerPC	Motorola, IBM Apple,	32 или 64		100-700+	ПК и рабочие стан ции
Alpha 21364	Compaq			1000+	Рабочие станции и серверы Compaq
AMD Athlon	Advanced Micro Devices			1000+	Производительные ПК и рабочие стан ции
Pentium 4	Intel				Производительные ПК, серверы и рабочие станции

пьютером). 32-разрядный процессор может обрабатывать 32 бита (или 4 байта) данных на протяжении одного машинного цикла. 64-разрядный микропроцессор за время одного цикла может обрабатывать 64 бита (8 байтов). С ростом длины слова возрастает быстродействие компьютеров.

На быстродействие микропроцессора большое влияние оказывает тактовая частота. Каждое событие, происходящее в компьютере, разбивается на последо­вательность шагов, выполняемых поочередно. Значение тактовой частоты уста­навливается управляющим устройством. Для этого используется внутренний тактовый генератор, а значение тактовой частоты измеряется в мегагерцах (со­кращенно МГц, соответствует миллионам тактов в секунду). Например, величи­на тактовой частоты микропроцессора 8088, разработанного фирмой Intel, состав­ляла 4,47 МГц, в то время как величина тактовой частоты для процессора Intel Pentium III варьирует от 450 до 900 МГц и более, а тактовая частота Pentium 4 превышает значение 1 ГГц.

На быстродействие компьютеров оказывает влияние разрядность шины дан­ных. Именно это устройство выступает в качестве «магистрали», связывающей в единое целое ЦПУ, первичную память и другие устройства, определяя объем данных, передаваемых в единицу времени. Например, процессор 8088, применяв­шийся в оригинальном персональном компьютере от фирмы IBM, работал с 16-раз­рядными словами, но разрядность шины данных ограничивалась величиной 8 битов. Это означает, что ЦПУ обрабатывал данные в виде 16-разрядных порций, но меж­ду ЦПУ, первичной памятью и внешними устройствами передача данных проис­ходила в виде 8-разрядных пакетов. С другой стороны, процессор A|pha имеет размер машинного слова, равный 64 битам, а также 64-разрядную шину данных.

Megahertz (мегагерц)

Единица измерения тактовой частоты; один мегагерц эквивалентен одному миллиону циклов в секунду.

Data bus width (ширина шины данных)

Количество битов, которые могут одновременно передаваться между ЦПУ, основной памятью и другими устройствами компьютера.

Reduced instruction set computing (RISC) (сокращенный набор вычисли­тельных команд)

Технология, позволяющая увеличить быстродействие микропроцессоров пу­тем встраивания в микропроцессор лишь набора наиболее часто использу­емых команд.

Из всего сказанного следует вывод, что увеличение количества инструкций, вы­полняемых процессором в единицу времени, а также ускорение функционирую­щих программ или пользовательских сеансов происходят по мере увеличения дли­ны машинного слова процессора, разрядности шины данных или тактовой частоты. А еще лучше, если происходит рост всех трех перечисленных показателей.

Быстродействие процессоров может повышаться в том случае, если в процессе их проектирования и изготовления используется сокращенный набор вычисли­тельных команд (RISC, Reduced Instruction set Computing). Традиционные про­цессоры, основанные на использовании полного набора команд, включают не­сколько сотен жестко закодированных инструкций, причем выполнение каждой инструкции может потребовать нескольких тактов. Если же редко применяемые команды будут исключены, оставшиеся инструкции будут выполняться намного быстрее. Эта идея используется в RISC-компьютерах, где оставлены лишь наибо­лее часто используемые инструкции. В ЦПУ, построенном на базе RISC-архитек­туры, большинство инструкций требует одного машинного такта, а иногда вы­полняются несколько инструкций одновременно.

Технология RISC является наиболее подходящей в случае выполнения науч­ных вычислений (а также для рабочих станций), когда в процессе трехмерной визуализации данных происходит многократное выполнение однотипных ариф­метических или логических операций.

Микропроцессоры оптимизированы для выполнения мультимедийных и гра­фических приложений, благодаря чему улучшается обработка насыщенных гра­фикой приложений. Ранние разработки микропроцессоров от Intel, AMD, а также некоторых других производителей включали набор дополнительных инструкций, называемый ММХ (MultiMedia extension, мультимедийное расширение). Благо­даря этому ускорялось выполнение приложений, интенсивно использующих гра­фику и звук. Причем такие мультимедийные приложения, как игры и видеофиль­мы, выполнялись более натуралистично и использовали большую цветовую гамму, если программам удавалось задействовать ММХ-инструкции. Например, в рамках одного и того же приложения могут открываться несколько каналов, воспроизводящих звук, высококачественное видео, анимацию или реализующих подключение к Интернету.

MMX (MultiMedia extension (мультимедийное расширение)

Набор встроенных в микропроцессор инструкций, ускоряющих выполнение мультимедийных приложений.

Corpocessor (сопроцессор)

Дополнительный процессор, выполняющий специфические задачи, благода­ря которому возрастает быстродействие ЦПУ (вследствие его «разгрузки»).

Parallel processing (параллельная обработка)

Тип обработки, в процессе осуществления которой в единицу времени выполня­ется более одной инструкции. Это достигается путем разбиения задачи на мень­шие подзадачи, одновременно выполняемые несколькими процессорами.

Massively хparallel computers (компьютеры с массовым параллелизмом)

Компьютеры, включающие сотни (или тысячи) процессоров, обеспечивающих успешное решение сложных задач в параллельном режиме.

Дата добавления: 2015-04-29