Тактовая частота. Основные характеристики процессора

Основным критерием при выборе процессора для нового компьютера является его быстродействие . Чем большим быстродействием обладает процессор , тем быстрее осуществляется работа с различными программами утилитами и самой операционной системой. Быстродействие процессора зависит, как уже было сказано, от тактовой частоты , измеряемой в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). Кроме того, оно зависит от объема кеш-памяти первого и последующих уровней, частоты шины данных (FSB) и разрядности процессора .

Мегагерц - это миллион колебаний в секунду , в то время как гигагерц представляет собой миллиард колебаний в секунду. Обычно принято считать, чем с большей тактовой частотой работает процессор, тем он производительность Однако это далеко не всегда соответствует действительности. Более того, производительность системы в целом сильно зависит не только от процессора, но и от всех других компонентов. Предположим, что вы приобрели процессор Core i3 с тактовой частотой 3 ГГц, однако установили всего 2048 Мбайт, кроме того, использовали с невысокой скоростью передачи данных. С такой конфигурацией различия в быстродействии между процессором с частотой 2 и 3 ГГц будут едва ли заметными. Другими словами, быстродействие компьютера зависит от производительности самого медленного компонента, будь то процессор, оперативная память, жесткий диск или даже блок питания (поскольку если мощности блока питания не хватит для обеспечения работы аппаратных компонентов, о стабильной работе компьютера можно вообще забыть).

Тактовая частота процессора и её подвох

Рассмотрим подробнее вопрос, почему тактовая частота процессора не гарантирует его высокой работоспособности. Тактовая частота, как понятно из ее названия, состоит из тактов, или периодов тактовой частоты. На каждую операцию, выполняемую процессором, затрачивается один такт и несколько циклов ожидания. Цикл ожидания представляет собой «пустой» такт, т.е. такт, во время которого не выполняются никакие операции. Циклы ожидания необходимы для обеспечения синхронной работы различных по быстродействию компонентов компьютера. На выполнение различных команд тратится разное количество тактов. Например, процессор Core i3 может выполнить минимум 12 команды за каждый такт. Чем меньше тактов требуется для выполнения команды, тем выше процессора. Кроме того, на быстродействие влияют и другие факторы, например, объем кеш-памяти первого/второго уровней.

Процессоры Core I и Athlon II обладают различной внутренней архитектурой поэтому команды в них выполняются по-разному. В результате сравнивать эти процессоры по тактовой частоте нельзя. К примеру, процессор Athlon II X4 641 с тактовой частотой 2,8 ГГц обладает производительностью примерно сопоставимой с процессором Core I3, работающим с частотой 3 ГГц.

Как известно, тактовая частота процессора что это количество выполняемых операций таковым за единицу времени, в данном случае, за секунду.

Но этого определения недостаточно для того, чтобы полностью понять, что же на самом деле означает данное понятие и какое значение оно имеет для нас, рядовых пользователей.

В интернете можно найти множество статей по этому поводу, но во всех из них чего-то не хватает.

Чаще всего это «что-то» является тем самым ключиком, который может открыть дверь к пониманию. Поэтому мы постарались собрать все основные сведения, будто это пазлы, и составить из них единую целостную картину.

Детальное определение

Итак, тактовая частота – это количество операций, которые процессор может выполнять за секунду. Измеряется эта величина в Герцах.

Эта единица измерения названа в честь известного ученого, который проводил эксперименты, направленные на изучение периодических, то есть повторяющихся процессов.

А причем Герц к операциям за секунду?

Такой вопрос возникает при чтении большинства статей в интернете у людей, которые не очень хорошо изучали физику в школе (может быть, не по своей вине). Дело в том, что эта единица как раз и обозначает частоту, то есть количество повторений, этих самых периодических процессов за секунду.

Она позволяет измерять не только число операций, а и другие всевозможные показатели. К примеру, если вы делаете 3 входа в секунду, значит, частота дыхания составляет 3 Герца.

Что же касается процессоров, то здесь могут выполняться самые разные операции, которые сводятся к вычислению тех или иных параметров. Собственно, количество вычислений этих самых параметров за секунду и называется тактовой частотой.

Как все просто!

На практике понятие «Герц» используется крайне редко, чаще мы слышим о мегаГерцах, килоГерцах и так далее. В таблице 1 приведены «расшифровки» этих величин.

Таблица 1. Обозначения

Первое и последнее в настоящее время используется крайне редко.

То есть, если вы слышите, что в нем 4 ГГц, значит, он может выполнять 4 миллиарда операций каждую секунду.

Отнюдь! На сегодняшний день это средний показатель. Наверняка, очень скоро мы услышим о моделях с частотой в тераГерц или даже больше.

Как образовывается

Итак, в нем есть следующие устройства:

тактовый резонатор – представляет собой обычный кристалл кварца, заключен в специальный защитный контейнер;
тактовый генератор – устройство, которое преобразовывает один вид колебаний в другие;
металлическая крышка;
шина данных;
текстолитовая подложка, к которой крепятся все остальные устройства.

Так вот, кристалл кварца, то есть тактовый резонатор образуют колебания вследствие подачи напряжения. В результате образовываются колебания электрического тока.

К подложке крепится тактовый генератор, который преобразовывает электрические колебания в импульсы. Они передаются на шины данных, и таким образом результат вычислений попадает к пользователю.

Вот именно таким путем и получается тактовая частота. Интересно, что в отношении данного понятия существует огромное количество заблуждений, в частности, относительно связи ядер и частоты. Поэтому об этом тоже стоит поговорить.

Как частота связана с ядрами

Ядро – это, фактически, и есть процессор. Под ядром подразумевается тот самый кристалл, который и заставляет все устройство выполнять определенные операции. То есть если в той или иной модели два ядра, это значит, что в нем два кристалла, которые соединяются между собой при помощи специальной шины.

Согласно распространенному заблуждению, чем больше ядер, тем больше частота. Не зря ведь сейчас разработчики стараются вместить все больше ядер в них. Но это не так. Если она равна 1 ГГц, даже если в нем 10 ядер, она так и останется 1 ГГц, и не станет 10 ГГц.

Тактовая частота процессора ― это количество колебаний за определенный промежуток времени (в данном случае ― за секунду). Если говорить о персональном компьютере, то для него это показатель количества операций, которые может выполнять процессор за 1 секунду. Помните: чем больше показатель тактовой частоты, тем выше производительность компьютера.

Какие существуют разновидности

Это интересно! Единица измерения частоты именуется «герц», а названа она в честь легендарного немецкого ученого-физика Генриха Рудольфа Герца, который в 1885 году провел уникальный эксперимент в подтверждение правильности электромагнитной теории. Ученый доказал, что свет ― это разновидность электромагнитного излучения, которое распространяется в виде специальных волн.

Специалисты выделяют 2 разновидности тактовой частоты.

Внешняя (влияет на обмен данными между платой оперативной памяти и процессором).
Внутренняя (влияет на правильность и быстроту работы внутри процессора).

Интересен и тот факт, что до 1992 года эти два показателя, как правило, совпадали, и только в результате внедрения новых технологий специалистами известной компании Intel внутренняя частота была увеличена в 2 раза по сравнению с внешней. Примером такого достижения стал уникальный на то время процессор 80486DX2. Производитель представил общественности 2 вида такого процессора: один ― менее мощный (25/50 МГц), другой ― с большей производительностью (33/66 МГц). Это изобретение дало серьезный толчок, в том числе и для других производителей, и они начали активно разрабатывать и выпускать процессоры с заметно большей мощностью.

Стоит обратить внимание и на такой важный момент: тактовая частота процессора ― это не единственный критерий оценки быстродействия и производительности компьютера . Нужно учитывать также объем кэш-памяти и . В некоторых процессорах последнего поколения используется специальная система , отвечающая за автоматическое увеличение тактовой частоты ядер процессора. Итак, если вы активный геймер и не представляете своей жизни без ежедневного погружения в увлекательный мир сложных, как по сюжету, так и по графике, игр, то вам нужен . А вот для классической офисной работы подойдет и современный ПК .

Как образуется тактовая частота?

Как известно, тактовые колебания образуются в результате действия кристалла кварца, находящегося в специальном контейнере. Данное устройство носит название «тактовый резонатор». Кристалл начинает работать только после подачи напряжения и образования колебания электротока. Далее эти колебания подаются на тактовый генератор, вследствие чего происходит преобразование колебаний электротока в импульсы, и они уже передаются на шины данных.

Помните, что именно тактовый генератор отвечает за нужный такт функционирования всех компонентов ПК, включая шины, оперативную память и, конечно же, центральный процессор. Если тактовый генератор работает правильно, все компоненты также будут функционировать максимально синхронно и слаженно .
Существует и такое понятие, как период тактовой частоты.

Период тактовой частоты - это минимальная единица, посредством которой измеряется время работы процессора.

Увеличение частоты путем разгона

Взаимодействуя с платой оперативной памяти, процессор обычно тратит больше одного такта. Этот показатель может быть увеличен искусственно, то есть в результате так называемого « », но, выбрав такой путь, нужно знать о некоторых ограничениях:

процессор начинает потреблять заметно большее количество энергии , и с этим моментом может не справиться установленный и эксплуатируемый блок питания, поэтому стоит приобрести более эффективную модель;
в результате «разгона» увеличивается количество отдаваемой энергии кристаллом, то есть и он, и другие комплектующие будут нагреваться быстрее (справиться с последствиями перегрева поможет только эффективная система охлаждения);
если увеличивается объем подаваемой электроэнергии, обязательно возникают электромагнитные помехи , в частности, в работе шин данных (это может привести к уменьшению количества передаваемых данных).

Как узнать частоту процессора своего компьютера?

Есть четыре основных способа узнать тактовую частоту и таким образом определить производительность ПК:

Посмотреть документацию, предоставленную производителем вместе с компьютером или ноутбуком. В техническом паспорте обязательно указывается тип процессора и его тактовая частота. Если же возле указанной модели процессора нет надписи относительно тактовой частоты, ее можно узнать, введя в строку поиска любой поисковой системы название процессора, модель ноутбука и т.д.
Узнать тактовую частоту можно, ознакомившись со свойствами системы ПК. Что для этого нужно сделать? Во-первых, зайти в «Панель управления»; во-вторых, перейти в раздел «Свойства системы» . В данном разделе отображаются показатели производительности компьютера, включая тактовую частоту.
Воспользоваться возможностями , зайти в который можно, следуя некоторым несложным правилам (для персональных компьютеров они одни, для ноутбуков ― другие). Главное, до начала загрузки системы нажать одну «волшебную» кнопочку (например, Del, Esc или F12).
Установить на свой компьютер утилиту CPU-Z, которая является абсолютно бесплатной, а ее основное назначение ― помочь пользователю узнать всю необхо димую информацию о процессоре, включая его производительность и тактовую частоту.

Итак, вы уже знаете, что представляет собой тактовая частота персонального компьютера или ноутбука, какое значение эти показатели имеют для быстроты работы техники, умеете определять частоту, и мы надеемся, что эта информация поможет вам стать еще более профессиональным и успешным пользователем ПК.

Процессор является пожалуй наиболее важной комплектующей частью компьютера, ведь именно он выполняет обработку данных. К одной из наиболее важных характеристик является тактовая частота процессора , которая указывает на количество выполняемых операций за одну секунду. Однако подобное определение для этого параметра довольно скудное, чтобы понять на самом деле его важность, поэтому постараемся более подробно разобраться в этом вопросе.

Научное определение тактовой частоты звучит следующим образом: это количество операций, которые могут обрабатываться в течение одной секунды и измеряется в Герцах. Но почему, скажут многие, за основу была принята именно эта единица измерения? В физике эта величина отображает количество колебаний за определенный промежуток времени, здесь же по сути все идентично, только вместо колебаний рассчитывается количество операций, то есть повторяющаяся величина за определенный интервал времени.

Если говорить конкретно о процессорах, то в нем производятся не идентичные операции, здесь рассчитываются всевозможные параметры. Ну а соответственно их суммарное количество и является тактовой частотой.

Сейчас технические возможности процессора находятся на высочайшем уровне, поэтому величина Герц не используется, а здесь более приемлемо использовать мегагерцы или гигагерцы. Этот шаг предпринят потому, чтобы не дописывать огромное количество нулей, тем самым упрощая восприятие человеком величины (см. таблицу).

Каким образом рассчитывается тактовая частота?

Для того, чтобы это понять, необходимо хоть чуть-чуть разбираться в физике, однако постараемся раскрыть тему «человеческим» языком, чтобы этот вопрос был понятен любому пользователю. Для понимания этого сложного вычислительного процесса, необходимо привести список комплектующих процессора, которые так или иначе влияют на этот параметр:

тактовый резонатор – изготовлен из кристалла кварца, который размещается в специальной защитной оболочке;
тактовый генератор – деталь, которая совершает преобразование колебаний в импульсы;
шина данных.

Вследствие подачи напряжения на тактовый резонатор, он образует колебания электрического тока.

Далее эти колебания передаются на тактовый генератор, который преобразовывает их в импульсы. Посредством шины данных, производится их передача, а результат вычислений уже подается непосредственно пользователю.

По такой методике и выполняется расчет тактовой частоты. И хоть все вроде бы предельно понятно, множество людей неправильно воспринимают эти вычисления, а соответственно и интерпретация ошибочна. Прежде всего это связано с тем, если процессор имеет не одно ядро, а несколько.

Каким образом тактовая частота связана с ядрами?

По сути, многоядерный процессор ничем не отличается от одноядерного, кроме того, что в нем содержится не один тактовый резонатор, а два и более. Для совместной работы они соединяются дополнительной шиной данных.

И именно здесь происходит заблуждение людей: тактовая частота нескольких ядер не суммируется. Просто при обработке данных производится перераспределение нагрузки на каждое из ядер, но это совершенно не обозначает, что это будет выполняться строго пропорционально, да и скорость обработки от этого не увеличивается. Для примера, существуют некоторые игры, в которых разработчики вовсе не допускают возможность перераспределения нагрузки по ядрам и игрушка работает лишь на одном.

Для примера рассмотрим случай с четырьмя пешеходами. Они идут максимально возможным шагом, рядом друг с другом и кто-то из них несет тяжелую ношу. Если он начинает уставать, другой может взять эту поклажу, чтобы не терять скорость, но при этом они не станут в целом идти быстрее и раньше достичь конечной точки, ведь все и так передвигаются на пределе своих возможностей.

Кстати говоря, при , количество ядер конечно же играет роль. Да и производители стали устанавливать все большее их количество, но при этом следует помнить, что шина данных может банально не справляться и производительность может не то, что увеличиться, а и значительно уступать процессорам с меньшим количеством ядер. Например, в данный момент компания Intel выпускает процессоры I7, в которых может быть размещено всего два ядра, при этом он будет обрабатывать данные гораздо быстрее, чем даже восьми ядерными (как правило данная компания и не выпускала моделей с таким количеством ядер, процессоры AMD действительно бывают и десяти ядерными). Разработчики просто делают упор не только на увеличении тактовой частоты, но и на архитектуре процессора в целом. Это может касаться, как увеличения шины данных между тактовыми резонаторами, так и других аспектов.

Принципиальная схема процессора

Управляющий блок - управляет работой всех блоков процессора.

Арифметико-логический блок - выполняет арифметические и логические вычисления.

Регистры - блок хранения данных и промежуточных результатов вычислений - внутренняя оперативная память процессора.

Блок декодировки - преобразует данные в двоичную систему.

Блок предварительной выборки - получает команду от устройства (клавиатура и т.д.) и запрашивает инструкции в системной памяти.

Кэш-память (или просто кэш) 1-го уровня - хранит часто использующиеся инструкции и данные.

Кэш-память 2-го уровня - хранит часто использующиеся данные.

Блок шины - служит для ввода и вывода информации.

Эта схема соответствует процессорам архитектуры P6. По этой архитектуре создавались процессоры с Pentium Pro до Pentium III. Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® NetBurst. В процессорах Pentium 4 кэш 1-го уровня поделен на две части - кэш данных и кэш команд.

Характеристики процессора

Основными характеристиками процессора являются его тактовая частота, разрядность и размеры кэша 1-го и 2-го уровня.

Частота - это количество колебаний в секунду. Тактовая частота - это количество тактов в секунду. В применении к процессору:

Тактовая частота - это количество операций, которое процессор может выполнить в секунду.

Т.е. чем больше операций в секунду может выполнять процессор, тем быстрее он работает. Например, процессор с тактовой частотой 40 МГц выполняет 40 миллионов операций в секунду, с частотой 300 Мг - 300 миллионов операций в секунду, с частотой 1 ГГц - 1 миллиард операций в секунду.

К 2003 году тактовая частота процессоров достигла 3 ГГц.

Существует два типа тактовой частоты - внутренняя и внешняя.

Внутренняя тактовая частота - это тактовая частота, с которой происходит работа внутри процессора.

Внешняя тактовая частота или частота системной шины - это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между процессором и оперативной памятью компьютера.

До 1992 года в процессорах внутренняя и внешняя частоты совпадали, а в 1992 году компания Intel представила процессор 80486DX2, в котором внутренняя и внешняя частоты были различны - внутренняя частота была в 2 раза больше внешней. Было выпущено два типа таких процессоров с частотами 25/50 МГц и 33/66 МГц, затем Intel выпустила процессор 80486DX4 с утроенной внутренней частотой (33/100 МГц).

С этого времени остальные компании-производители также стали выпускать процессоры с удвоенной внутренней частотой, а компания IBM стала выпускать процессоры с утроенной внутренней частотой (25/75 МГц, 33/100 МГц и 40/120 МГц).

В современных процессорах, например, при тактовой частоте процессора 3 ГГц, частота системной шины 800 МГц.

Разрядность процессора определяется разрядностью его регистров.

Компьютер может оперировать одновременно ограниченным набором единиц информации. Этот набор зависит от разрядности внутренних регистров. Разряд - это хранилище единицы информации. За один рабочий такт компьютер может обработать количество информации, которое может поместиться в регистрах. Если регистры могут хранить 8 единиц информации, то они 8-разрядне, и процессор 8-разрядный, если регистры 16-разрядные, то и процессор 16-разрядный и т.д. Чем большая разрядность процессора, тем большее количество информации он может обработать за один такт, а значит, тем быстрее работает процессор.

Процессор Pentium 4 является 32-разрядным.

Объем кэш-памяти 1-го и 2-го уровня также влияет на производительность процессора.

В процессоре Pentium III кэш-память 1-го уровня составляет 16 Кб, кэш-память 2-го уровня 256 Кб.

В процессорах Pentium 4 кэш-память 1-го уровня для данных имеет объем 8 Кб, кэш-память 1-го уровня для команд рассчитан на 12000 инструкций в порядке их исполнения, а объем кэш-памяти 2-го уровня составляет 512 Кб.