Микроархитектура процецессоров

Параметры процессора

Производительность

Под производительностью процессора принято понимать скорость выполнения им задачи (какого-либо приложения), то есть, чем меньше времени затрачивает процессор на выполнение того или иного задания, тем выше производительность. Казалось бы такой подход к понятию производительности вполне логичен. Однако не всё так просто. Рассмотрим простой пример. Пусть имеется два процессора и два приложения. Первый процессор демонстрирует более высокую производительность в первом приложении, а второй процессор – во втором. Возникает вопрос: какой из двух процессоров считать более производительным. Производительность не измеряется в абсолютных значениях. Процессоры с различными архитектурами выполняют команды по-разному. Для сравнения процессоров разработан ряд тестов: iCOMP 3.0; SYSmark 2002.

Испытание характеристик процессоров показывает, что, например, AMD Athlon с тактовой частотой 1800 МГц работает также эффективно, что и Pentium 4 с частотой 2200 МГц. На этом основании можно встретить обозначение Athlon 2200+, где 2200 не частота, а некоторая эффективность.

На производительность процессора влияют следующие технические характеристики.

Тактовая частота

До недавнего времени тактовая частота процессора напрямую связывалась с его производительностью, то есть, чем выше тактовая частота, тем он производительнее. Собственно, сама микроархитектура NetBurst, положенная в основу процессоров Intel Pentium 4, изначально была ориентирована на то, что основным средством увеличения производительности процессоров будет рост тактовой частоты. Действительно, за пять лет существования процессоров Intel Pentium 4 их тактовая частота была увеличена больше чем в три раза. Стартовав с отметки 1 ГГц, частота достигла значения 3,8 ГГц. Конечно, увеличение тактовой частоты – это далеко не единственное нововведение, которое сопутствовало появлению новых процессоров семейства Intel Pentium 4. В то же время можно сказать, что для процессора Pentium 4 повышение тактовой частоты являлось одним из основных способов увеличения его производительности. Однако и потребители, и разработчики могут сейчас убедится в том, что подобная «гигагерцовая гонка» не стала оптимальным способом увеличения мощности. Зависимость между тактовой частотой и его производительностью достаточно простая. Производительность процессора принято отождествлять со скоростью выполнения им инструкций программного кода; таким образом, производительность – это количество инструкций, выполняемых процессором в единицу времени:

Переписав это выражение в виде произведения количества инструкций, выполняемых за один такт процессора (Instruction Per Clock, IPC), на количество тактов процессора за единицу времени (тактовая частота процессора, f), получим:

Таким образом, производительность процессора прямо пропорциональна его тактовой частоте.

Микроархитектура процецессоров

Из приведённой формулы вытекает, что кроме тактовой частоты, производительность зависит и от количества инструкций, выполняемых за один такт процессора, которое, в свою очередь, определяется микроархитектурой процессора, то есть количества исполняемых блоков, от длины конвейера и от эффективности его заполнения, от блока предвыборки и т.д. Кроме того, естественно, существует также зависимость от оптимизации программного кода к данной микроархитектуре процессора.

Это одна их характеристик, которую толкуют по разному. Быстродействие во многом зависит от тактовой частоты. Эта частота определяется кварцевым генератором. Микросхемы компьютера работают на частотах несколько миллионов или миллиардов Герц (Мегагерц и Гигагерц). Наименьшей единицей измерения для процессора является период тактовой частоты (квант).

Например, обмен данными с памятью Рentium II выполняет за три такта + несколько тактов ожидания (так как память работает медленнее процессора). В различных моделях отличается время на выполнение команд.

Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд затрудняет сравнение производительности компьютеров. Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее другого? Причина в различной архитектуре.

Оценивать быстродействие ЦП довольно сложно. Процессоры с различными архитектурами выполняют команды по-разному. Как мы уже говорили, для сравнения процессоров с различными архитектурами разработан ряд тестов: iCOMP 3.0; SYSmark 2002.