Тактовая частота микропроцессора

Опубликовано 13.02.2010 Ведущий Евгений Глазков

"Мозгом" персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процессор - CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компьютера. Во всех PC-совместимых компьютерах используются процессоры, поддерживающие семейство микросхем Intel, но выпускаются и проектируются они не только самой Intel, но и компаниями AMD, Cyrix, IDT и Rise Technologies.
Одним из основных параметров CPU, является быстродействие.
Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, которая сейчас у современных процессоров измеряется в ГигаГерцах (ГГц). 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 современного компьютера работают на частоте нескольких миллиардов герц. (Герц - одно колебание в секунду.) Быстродействие измеряется в Гигагерцах, т.е. в миллиардах 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 выполнял 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:
8086 и 8088. В этих процессорах на выполнение одной команды уходит примерно 12 тактов.
Серия Pentium, K6. Архитектура процессоров Pentium и других Intel-совместимых процессоров пятого поколения, созданных в AMD и Cyrix, включающая в себя двойные конвейеры команд и прочие усовершенствования, обеспечила выполнение одной или двух команд за один такт.
Pentium Pro, Pentium II/III/Celeron и Athlon/Duron. Процессоры класса P6, а также другие процессоры шестого поколения, созданные компаниями AMD и Cyrix, позволяют выполнить минимум три команды за один такт.
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 процессор работает быстрее другого?
Причина кроется в производительности.
Процессор Pentium обладал более высоким быстродействием по сравнению с 486-м, так как на выполнение команды ему требовалось в среднем в два раза меньше тактов, чем 486-му. Таким образом, процессор 486 с тактовой частотой 133 МГц (типа AMD 5x86-133 работал даже медленнее, чем Pentium с тактовой частотой 75 МГц! Это происходило потому, что при одной и той же частоте Pentium выполнял вдвое больше команд, чем процессор 486. Pentium II и Pentium 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.