50182 (566640), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Шина адреса

Шина адреса представляет собой набор проводников; по ним передается адрес ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Как и в шине данных, по каждому проводнику передается один бит адреса, соответствующий одной цифре в адресе. Увеличение количества проводников (разрядов), используемых для формирования адреса, позволяет увеличить количество адресуемых ячеек. Разрядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором. Представьте себе следующее. Если шина данных сравнивалась с автострадой, а ее разрядность — с количеством полос движения, то шину адреса можно ассоциировать с нумерацией домов или улиц. Количество линий в шине эквивалентно количеству цифр в номере дома. Например, если на какой-то гипотетической улице номера домов не могут состоять более чем из двух цифр (десятичных), то количество домов на ней не может быть больше ста (от 00 до 99), т. е. 102. При трехзначных номерах количество возможных адресов возрастает до 103 (от 000 до 999) и т. д. В компьютерах применяется двоичная система счисления, поэтому при двухразрядной адресации можно выбрать только четыре ячейки (с адресами 00, 01, 10 и 11), т. е. 22, при трехразрядной — восемь (от 000 до 111), т. е. 23. Например, в процессорах 8086 и 8088 используется 20-разрядная шина адреса, поэтому они могут адресовать 220 (1 048 576) байт, или 1 Мбайт, памяти. Шины данных и адреса независимы, и разработчики микросхем выбирают их разрядность по своему усмотрению, но, чем больше разрядов в шине данных, тем больше их и в шине адреса. Разрядность этих шин является показателем возможностей процессора: количество разрядов в шине данных определяет способность процессора обмениваться информацией, а разрядность шины адреса — объем памяти, с которым он может работать.

Внутренние регистры

Количество битов данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров. Регистр — это, по существу, ячейка памяти внутри процессора; например, процессор может складывать числа, записанные в двух различных регистрах, а результат сохранять в третьем регистре. Разрядность регистра определяет количество разрядов обрабатываемых процессором данных, а также характеристики программного обеспечения и команд, выполняемых чипом. Например, процессоры с 32-разрядными внутренними регистрами могут выполнять 32-разрядные команды, которые обрабатывают данные 32-разрядными порциями, а процессоры с 16-разрядными регистрами этого делать не могут. Во всех современных процессорах внутренние регистры являются 32-разрядными. Процессор Itanium имеет 64-разрядные внутренние регистры, которые необходимы для более полного использования функциональных возможностей новых версий операционных систем и программного обеспечения. В некоторых процессорах разрядность внутренней шины данных (а шина состоит из линий передачи данных и регистров!) больше, чем разрядность внешней. Так, например, в процессорах 8088 и 386SX разрядность внутренней шины только вдвое больше разрядности внешней шины. Такие процессоры (их часто называют половинчатыми или гибридными) обычно являются более дешевыми вариантами исходных. Например, в процессоре 386SХ внутренние операции 32-разрядные, а связь с внешним миром осуществляется через 16-разрядную внешнюю шину. Это позволяет разработчикам проектировать относительно дешевые системные платы с 16-разрядной шиной данных, сохраняя при этом совместимость с 32-разрядным процессором 386.Если разрядность внутренних регистров больше разрядности внешней шины данных, то для их полной загрузки необходимо несколько циклов считывания. Например, в процессорах 386DХ и 386SХ внутренние регистры 32-разрядные, но процессору 386SХ для их загрузки необходимо выполнить два цикла считывания, а процессору 386DХ достаточно одного. Аналогично передаются данные от регистров к системной шине. В процессорах Pentium шина данных 64-разрядная, а регистры 32-разрядные. Такое построение на первый взгляд кажется странным, если не учитывать, что в этом процессоре для обработки информации служат два 32-разрядных параллельных конвейера. Pentium во многом подобен двум 32-разрядным процессорам, объединенным в одном корпусе, а 64-разрядная шина данных позволяет быстрее заполнить рабочие регистры. Архитектура процессора с несколькими конвейерами называется суперскалярной. Современные процессоры шестого поколения, например Pentium Pro и Pentium II/III, имеют целых шесть внутренних конвейеров для выполняющихся команд. Хотя некоторые из указанных внутренних конвейеров специализированы (т. е. предназначены для выполнения специальных функций), эти процессоры могут все же выполнять три команды за один цикл. В последней версии процессора Itanium используются 10-ступенчатые параллельные конвейеры, которые позволяют выполнять до 20 операций в течение одного такта.

Быстродействие процессора

Быстродействие — это одна из характеристик процессора, которую зачастую толкуют по-разному. Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой. Микросхемы обычного компьютера работают на частоте нескольких миллионов герц. (Герц — одно колебание в секунду.) Быстродействие измеряется в мегагерцах, т. е. в миллионах циклов в секунду. Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум один такт. Например, обмен данными с памятью процессор Pentium II выполняет за три такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания — это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не "убегал" вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.) Различается и время, затрачиваемое на выполнение команд. Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров, основанное только на их тактовой частоте (т. е. количестве тактов в секунду). Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее другого? Причина кроется в производительности. Оценивать эффективность центрального процессора довольно сложно. Центральные процессоры с различными внутренними архитектурами выполняют команды по-разному: одни и те же команды в разных процессорах могут выполняться либо быстрее, либо медленнее. Чтобы найти удовлетворительную меру для сравнения центральных процессоров с различной архитектурой, работающих на разных тактовых частотах, Intel изобрела специфический ряд эталонных тестов, которые можно выполнить на микросхемах Intel, чтобы измерить относительную эффективность процессоров. Эта система тестов недавно была модифицирована для того, чтобы можно было измерять эффективность 32-разрядных процессоров; она называется индексом (или показателем) iCOMP 2.0 (intel Comparative Microprocessor Performance — сравнительная эффективность микропроцессора Intel). В настоящее время используется третья версия этого индекса — iCOMP 3.0.Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее другого? Причина кроется в производительности. Процессор 486 обладает более высоким быстродействием по сравнению с 386-м, так как на выполнение команды ему требуется в среднем в два раза меньше тактов, чем 386-му. А процессору Pentium — в два раза меньше тактов, чем 486-му. Таким образом, процессор 486 с тактовой частотой 133 МГц (типа AMD 5x86-133) работает даже медленнее, чем Pentium с тактовой частотой 75 МГц! Это происходит потому, что при одной и той же частоте Pentium выполняет вдвое больше команд, чем процессор 486. Pentium II и III — приблизительно на 50% быстрее процессора Pentium, работающего на той же частоте, потому что они могут выполнять значительно больше команд в течение того же количества циклов.Сравнивая относительную эффективность процессоров, можно увидеть, что производительность процессора Pentium III, работающего на тактовой частоте 1 000 МГц, теоретически равна производительности процессора Pentium, работающего на тактовой частоте 1 500 МГц, которая, в свою очередь, теоретически равна производительности процессора 486, работающего на тактовой частоте 3 000 МГц, а она, в свою очередь, теоретически равна производительности процессоров 386 или 286, работающих на тактовой частоте 6 000 МГц, или же 8088-го, работающего на тактовой частоте 12 000 МГц. Если учесть, что первоначальный PC с процессором 8088 работал на тактовой частоте, равной всего лишь 4,77 МГц, то сегодняшние компьютеры работают более чем в 1,5 тыс. раз быстрее. Поэтому нельзя сравнивать производительность компьютеров, основываясь только на тактовой частоте; необходимо принимать во внимание то, что на эффективность системы влияют и другие факторы.

Эффективность процессоров

Процессоры Athlon XP, созданные в компании AMD, отличаются прекрасными рабочими характеристиками и обладают целым рядом других качеств, но при этом, к сожалению, возрождают печально известные традиции оценки эффективности. Обычно приводится некая условная величина, выраженная в мегагерцах, которая не столько определяет фактическое быстродействие той или иной микросхемы, сколько указывает на приблизительную оценку ее эффективности по отношению к процессору Intel Pentium 4 первого поколения, имеющему примерно те же параметры. Как бы странно это ни звучало, но это действительно так! Испытание рабочих характеристик, проведенное в компании AMD, показывает, что процессор Athlon, имеющий тактовую частоту 1,8 ГГц, работает примерно с той же производительностью, что и процессор Pentium 4 с рабочей частотой 2,2 ГГц. На этом основании данному процессору присваивается имя "Athlon XP 2200+", где число "2200+" обозначает его эффективность по отношению к процессору Pentium 4, выраженную в мегагерцах. Подобная схема сбыта продукции, при которой процессору присваивается значение, определяющее не столько реальную, сколько относительную оценку эффективности, ничего хорошего не дает. В определенных случаях такой маркетинг оставляет у потребителей весьма негативное впечатление, особенно когда выясняется реальная рабочая частота приобретенных ими процессоров и систем. Рабочие характеристики процессоров, приводимые AMD, можно приравнять к коэффициенту резкости погоды, который часто используется в прогнозах погоды в зимнее время. С одной стороны, существует реальная температура, а с другой — есть так называемый коэффициент резкости погоды, который представляет собой приблизительную оценку холода таким, каким он "ощущается". Расчетные значения, присваиваемые новым процессорам AMD Athlon XP, напоминают подобный "коэффициент производительности", величина которого определяет эффективность того или иного процессора по сравнению с Pentium 4. (Правда, AMD настаивает, что приводимые оценки эффективности не имеют непосредственного отношения к Pentium 4.)Проблема маркетинга AMD выражается в следующем: как продавать процессор, который выполняет те или другие операции быстрее, чем аналогичные модели основного конкурента с практически равными тактовыми частотами? Например, процессор AMD Athlon XP, имеющий тактовую частоту 1,8 ГГц, работает значительно быстрее, чем процессор Pentium 4 с частотой 1,8 ГГц, и достигает производительности, характерной для Pentium 4 с рабочей частотой 2,2 ГГц. Столь очевидная несоразмерность производительности процессоров связана с применением в микросхемах P4 совершенно новой архитектуры с более глубокой конвейерной обработкой команд. Pentium 4 имеет 20-ступенчатый конвейер, соответствующий 11-ступенчатому конвейеру процессоров Athlon или 10-ступенчатому конвейеру процессоров Pentium Ш/Celeron. При более глубокой конвейерной обработке команды разбиваются на небольшие микрокоманды, что позволяет достичь более высокой тактовой частоты при использовании одной и той же кремниевой технологии. Однако это также означает, что по сравнению с процессором Athlon (или Pentium III) в каждом цикле выполняется меньше команд.

Дело в том, что при сбоях на этапе предсказания множественного перехода или упреждающего выполнения (что свойственно процессору при попытке предварительного определения команд) происходит удаление всех имеющихся данных и повторное заполнение конвейера**. Таким образом, сравнивая рабочие характеристики процессоров Athlon, Pentium III и Pentium 4, работающих на одной и той же тактовой частоте, можно обнаружить, что при выполнении стандартных эталонных тестов процессоры Athlon и Pentium III оказываются более эффективными, поскольку выполняют в течение цикла большее количество команд, чем Pentium 4.На первый взгляд это кажется недостатком процессора Pentium 4, но в действительности мы имеем дело с особенностью его конструкции. Разработчики Intel приводят следующие аргументы: несмотря на то что использование более глубокой конвейерной обработки команд может привести к 30%-му снижению общей эффективности процессора, это позволяет увеличить его тактовую частоту по крайней мере на 50% по сравнению с процессорами Athlon или Pentium III, имеющими более короткие конвейеры. Применение 20-ступенчатого конвейера в архитектуре P4 позволяет достичь более высоких тактовых частот при использовании стандартной кремниевой технологии. Например, оригинальные процессоры Athlon XP и Pentium 4 создавались с помощью одной и той же 0,18-микронной технологии (этот показатель определяет линейную ширину компонентов, вытравленных на микросхемах). 20-ступенчатый конвейер архитектуры P4 позволяет при использовании 0,18-микронной технологии достичь тактовой частоты 2,0 ГГц, в то время как при тех же условиях частота процессора Athlon с 11-ступенчатым конвейером достигает 1,73 ГГц, а процессоров Pentium III/Celeron с 10-ступенчатым конвейером — всего лишь 1,13 ГГц. Благодаря использованию новой 0,13-микронной технологии тактовая частота процессора Pentium 4 увеличилась до 2,53 ГГц, в то время как максимальная рабочая частота Athlon XP достигла всего лишь 1,8 ГГц. Несмотря на то, что Pentium 4 выполняет в каждом цикле меньшее количество команд, более высокая частота периодической подачи импульсов позволяет в полной мере компенсировать снижение эффективности. Таким образом, сравнение процессоров Pentium 4 и Athlon XP указывает на то, что высокая тактовая частота первого процессора практически уравновешивается более высокой скоростью обработки данных второго. К сожалению, при высоких тактовых частотах оценка эффективности процессоров становится все более сложной. Это связано с тем, что в процессорах Intel с рабочей частотой более 2 ГГц использован 0,13-микронный (уменьшенный) кристалл, удвоена кэш-память второго уровня (с 256 до 512 Кбайт), а рабочая частота шины процессора увеличена с 400 до 533 МГц. Существующая система оценки эффективности, которая может использоваться только для сравнения создаваемых процессоров с более старым (и более медленным) 0,18-микронным процессором Pentium 4, не совсем подходит для более новых 0,13-микронных Pentium 4, особенно для тех, которые имеют шину процессора с тактовой частотой 533 МГц. Проблема заключается в шкале сравнительной оценки компании AMD, где в качестве точки отсчета используется некая переменная величина. Существует еще одна проблема: результаты сравнительной оценки непосредственно зависят от выполняемых эталонных тестов. Переработка приложений и операционных систем для повышения эффективности 20-ступенчатого конвейера процессора Pentium 4 позволила снизить количество командных предсказаний и возможных ошибок внутреннего процессора, что привело к уменьшению времени, необходимого для удаления имеющихся данных и повторного заполнения конвейера. В свою очередь, это привело к повышению общей эффективности выполнения команд для Pentium 4, в результате чего современное программное обеспечение, оптимизированное для более глубокого конвейера, будет выполняться процессором Pentium 4 значительно быстрее. Подобная ситуация приводит к сохранению негативного отношения к относительным оценкам компании AMD, следствием чего может быть их неточная интерпретация в будущем.Нет никаких сомнений в том, что параметры новых процессоров Athlon XP, представленные компанией AMD, достаточно точны: они превосходят менее эффективные процессоры, имеющие более высокую тактовую частоту. Единственное отличие состоит в том, что архитектура Pentium 4 позволяет достичь значительно более высокой рабочей частоты посредством одного и того же технологического процесса. Во многих системах тактовая частота процессора выводится на экран компьютера непосредственно во время начальной загрузки. В операционной системе Windows XP тактовая частота центрального процессора указана во вкладке General (Общие) меню System Properties (Система: Свойства). В то же время AMD предпочла бы не указывать непосредственное быстродействие процессора. Фактически AMD не рекомендует использовать без специальной проверки системные платы, предназначенные для Athlon XP, в том случае, если они указывают действительную тактовую частоту процессора. В будущем любопытному пользователю, желающему выяснить фактическую тактовую частоту процессора, придется воспользоваться соответствующей программой сторонних разработчиков, например SiSoft Sandra или Intel Frequency ID Utility.Одно можно сказать достаточно определенно: приблизительные значения тактовой частоты, выраженные в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц), далеко не всегда являются надежным способом сравнения процессоров, поэтому генерирование псевдомегагерц может еще больше запутать непосвященного человека.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы