Характеристики процесора і внутрішньої пам'яті комп'ютера (швидкодія, розрядність, обсяг пам'яті та ін )

Характеристики процесора і внутрішньої пам'яті комп'ютера (швидкодія, розрядність, обсяг пам'яті та ін)

А. П. Шестаков

Незвичайно швидкий розвиток обчислювальної техніки призводить до того, що одночасно в вживанні знаходиться велика кількість комп'ютерів з досить різноманітними характеристиками. Тому дуже корисно знати, які основні характеристики вузлів комп'ютера, на що вони впливають і як їх збирати. Тут будуть розглянуті параметри найбільш важливих пристроїв комп'ютера, таких як процесор і внутрішня пам'ять.

Почнемо з процесора. Очевидно, що користувача в першу чергу цікавить його продуктивність, тобто швидкість виконання запропонованої процесору завдання. Традиційно швидкодію процесора вимірювалося шляхом визначення кількості операцій за одиницю часу, як правило, в секунду. До тих пір, поки машини виконували тільки обчислення, такий показник був досить зручний. Однак у міру розвитку обчислювальної техніки кількість видів оброблюваної інформації зростала, і обговорюваний показник перестав бути універсальним. Справді, в простому випадку навіть кількість арифметичних дій над цілими і над числами може для одного і того ж комп'ютера відрізнятися на порядок! Що говорити про швидкість обробки графічної або відео інформації, які до того ж залежать не тільки від самого процесора, але й від пристрою відеоблоков комп'ютера ... Крім того, сучасні процесори, наприклад, Pentium, мають дуже складну внутрішню пристрій і можуть виконувати машинні команди паралельно. Іншими словами, процесор може одночасно виконувати декілька різних інструкцій, а значить, час завершення команди вже залежить не тільки від неї самої, а й від "сусідніх" операцій! Таким чином, кількість виконуваних за секунду операцій перестає бути постійним і обирати його в якості характеристики процесора не дуже зручно.

Саме тому зараз отримала широке поширення інша характеристика швидкості роботи процесора - його тактова частота. Розглянемо цю величину докладніше. Будь-яка операція процесора (машинна команда) складається з окремих елементарних дій -- тактів. Для організації послідовного виконання необхідних тактів один за одним, у комп'ютері є спеціальний генератор імпульсів, кожний з яких ініціює черговий такт машинної команди (якою саме, визначається пристроєм процесора і логікою виконуваної операції). Очевидно, що чим частіше слідують імпульси від генератора, тим швидше буде виконана операція, що складається з фіксованого числа тактів. Зі сказаного випливає, що тактова частота визначається кількістю імпульсів в секунду і вимірюється в мегагерцах - тобто мільйонах імпульсів за 1 сек. Зрозуміло, тактова частота не може бути довільно високою, оскільки в якийсь момент процесор може просто "не встигнути" виконати черговий такт до приходу наступного імпульсу. Проте інженери роблять все можливе для підвищення значення цієї характеристики процесора, і на даний момент тактова частота найсучасніших процесорів вже перевищує 1000 МГц, тобто 1 ГГц (1 гігагерц).

Слід чітко уявляти, що порівняння тактових частот дозволяє надійно визначити, який із двох процесорів більше швидкодіючий тільки в тому випадку, якщо обидва процесора влаштовані приблизно однаково. Якщо ж спробувати порівняти процесори, вироблені різними виробниками і працюють за різними принципами, можна отримати абсолютно неправильні висновки. Справді, якщо в одному з процесорів команда виконується за 2 такти, а в іншому - за 3, то при абсолютно однаковою частотою першим буде працювати в півтора рази швидше! Крім того, не потрібно забувати, що продуктивність сучасної комп'ютерної системи визначається не тільки швидкодією окремо узятого процесора, але і швидкостями роботи інших вузлів комп'ютера і навіть способами організації всієї системи в цілому: очевидно, що надмірно швидкий процесор буде змушений постійно простоювати, очікуючи, наприклад, повільно працює пам'ять; або інший приклад - дуже часто просте збільшення обсягу ОЗУ дає набагато більший ефект, ніж заміна процесора на більш швидкий.

Побічно швидкість обробки інформації залежить і ще від одного параметра процесора - його розрядності. Під розрядністю звичайно розуміють кількість одночасно оброблюваних процесором бітів. Формально ця величина є кількість двійкових розрядів в регістрах процесора і для сучасних моделей вона дорівнює 32. Тим не менше, все не так просто. Справа в тому, що крім описаної "внутрішньої" розрядності процесора існує ще розрядність шини даних, якою він керує, і розрядність шини адреси. Ці характеристики далеко не завжди збігаються (дані для таблиці взяті з книги М. Гука "Процесори Intel: від 8086 до Pentium II ". - СПб.: Питер, 1997):

Процесор

Розрядність:

Об'єм пам'яті

регістрів

шини даних

шини адреси

Intel 8086

до 1 Мб

Intel 80286

до 16 Мб

Intel 80386

до 16 Мб

Intel 80486

до 4 Гб

Pentium

до 4 Гб

Pentium II

до 64 Гб

Ми не будемо обговорювати технічні причини, з яких ці три розрядності можуть різнитися між собою, бо причини ці зараз представляють в основному історичний інтерес. Відзначимо тільки, що розрядність регістрів і розрядність шини даних впливають на довжину оброблюваних даних, а ось розрядність шини адреси R визначає максимальний обсяг пам'яті, який здатний підтримувати процесор. Цю характеристику часто називають величиною адресного простору, і вона може бути обчислена за простою формулою 2R. Дійсно, R двійкових розрядів дозволяють отримати саме таку кількість неповторюваних чисел, тобто в даному випадку адрес пам'яті.

Перейдемо тепер до опису основних характеристик пам'яті комп'ютера.

Хоча пам'ять комп'ютера складається з окремих бітів, безпосередньо "спілкуватися" з кожним з них неможливо: біти групуються в більш великі блоки інформації і саме вони отримують адреси, за якими відбувається звертання до пам'яті. За сформованою історичної традиції мінімальна порція інформації, яку сучасний комп'ютер здатний записати в пам'ять складає 8 біт або 1 байт. Звідси стає очевидним, що загальний обсяг пам'яті має вимірюватися в байтах, або в похідних від нього одиницях. Об'єм пам'яті персональних комп'ютерів стрімко зростає. Перші моделі мали 16-розрядне адресний простір і, отже, обсяг пам'яті 216 = 64 Кбайта. Потім, коли пам'яті під розробляються програмні системи перестало вистачати, інженери введенням деяких дуже специфічних способів формування адреси збільшили її розмір на порядок - в MS DOS стандартна пам'ять була прийнята рівною 640 Кбайт. Зараз ви навряд чи зможете придбати новий комп'ютер з ОЗУ менше 32-64 Мбайт, тобто ще на два порядки більше (сподіваюся, читачі не забули, що 1 Мб = 1024 Кбайта).

Ще однією важливою характеристикою пам'яті є час доступу або швидкодія пам'яті. Цей параметр визначається часом виконання операцій запису або зчитування даних; він залежить від принципу дії і технології виготовлення запам'ятовуючих елементів.

Залишаючи осторонь цілий ряд інших технологічних характеристик сучасних запам'ятовуючих пристроїв, не можна, тим не менше, пройти повз статичного і динамічного пристрою мікросхем пам'яті. Статична комірка пам'яті - це спеціальна напівпровідникова схема (інженери називають її тригер), що володіє двома стійкими станами. Одне з них приймається за логічний нуль, а інша - за одиницю. Стани ці дійсно настільки стійкі, що за відсутності зовнішніх впливів (і, звичайно, підключеному напруги живлення!) можуть зберігатися як завгодно довго. Динамічні комірки пам'яті, навпаки, не володіють цією властивістю. Такі осередки фактично являють собою конденсатор, утворений елементами напівпровідникових мікросхем. З певним спрощенням можна сказати, що логічній одиниці відповідає заряджений конденсатор, а нулю - незаряджений. Істотною властивістю динамічної елементу пам'яті є наявність поступового мимовільного розряду конденсатора через зовнішні схеми, що веде до втрати інформації. Щоб цього не відбувалося, конденсатори динамічної пам'яті необхідно періодично заряджати (такий процес прийнято називати регенерацією ОЗУ). Обидва види запам'ятовуючих мікросхем успішно конкурують між собою, оскільки жодна з них не є ідеальною. З одного боку, статична пам'ять значно простіше в експлуатації, оскільки не вимагає регенерації, і наближається за швидкодією до процесорним мікросхем. З іншого боку, вона має менший інформаційний обсяг і велику вартість (у Насправді, виготовлення конденсатора значно простіше, ніж тригерній схеми і вимагає на кремнієвої пластині набагато менше місця), сильніше нагрівається при роботі. На практиці в даний момент вибір мікросхем для побудови ОЗП завжди вирішується на користь динамічної пам'яті. І все ж швидкодіюча статична пам'ять у сучасному комп'ютері теж обов'язково є: вона називається кеш-пам'яті.

Цей вид пам'яті заслуговує окремого розгляду. Він з'явився відносно недавно, але, починаючи з 486 процесора, без кеш-пам'яті не обходиться жодна модель. Назва кеш відбувається від англійського слова "cache", що позначає тайник або замаскований склад (зокрема, цим словом називають провіант, надісланий експедицією для зворотного шляху або запас продуктів, наприклад, зерна або меду, який тварини створюють на зиму). "Таємність" кеш полягає в те, що він невидимий для користувачів та дані, що зберігаються там, недоступні для прикладного програмного забезпечення. Процесор використовує кеш виключно самостійно, розміщуючи туди добуті ним з ОЗП дані та команди програми і запам'ятовуючи при цьому в спеціальному каталозі адреси, звідки інформація була витягнута. Якщо ці дані будуть потрібні повторно, то вже не треба буде витрачати час на звернення до ОЗП - їх можна отримати з кеш-пам'яті значно швидше. Оскільки обсяг кеш істотно менше обсягу оперативної пам'яті, його контролер (керуюча схема) ретельно стежить за тим, які дані слід зберігати в кеш, а які замінювати: видаляється та інформація, яка використовується рідше або зовсім не використовується. Слід зауважити, що кеш-пам'ять є дуже ефективним засобом підвищення продуктивності комп'ютера, в чому легко переконатися на практиці, якщо у вашому комп'ютері передбачена можливість відключення кеш.

У сучасних комп'ютерах кеш зазвичай будується за дворівневою схемою. При цьому первинний кеш вбудований безпосередньо всередину процесора, а вторинний зазвичай встановлюється на системній платі. Як і для ОЗУ, збільшення об'єму кеш підвищує ефективність роботи комп'ютерної системи.

Список літератури

Інформатика в поняттях і термінах: Кн. для учнів ст. класів середовищ. шк./Г.А. Бордовская, В.А. Візників, Ю.В. Ісаєв, В.В. Морозов; Под ред. В.А. Ізвозчікова. - М.: Просвещение, 1991. - 208 с.

Радченко Н.П., Козлов О.А. Шкільна інформатика: екзаменаційні питання і відповіді. - М.: Фінанси і статистика, 1998. - 160 с.

Семакін І., Заставна Л., Русаков С., Шестакова Л. Інформатика. Підручник з базового курсу (7-9 класи). М.: Лабораторія Базових Знань, 1998. - 464 с.

Кушніренко А.Г. та ін Основи інформатики та обчислювальної техніки: Проб. учеб. для середовищ. учеб. закладів / А. Г. Кушніренко, Г. В. Лебедєв, Р. А. сворення. - М.: Просвещение, 1990. - 224 с.

Гук М. Апаратні засоби IBM PC. Енциклопедія. СПб.: Видавництво "Пітер", 2000. - 816 c.