Устройство и ремонт персонального компьютера (стр. 17 )

4.1. Основные сведения о процессорах

При описании параметров и устройства процессоров часто возникает путаница. Рассмотрим некоторые из этих характеристик, в том числе разрядность шины данных и шины адреса, а также быстродействие. следующем разделе приведена таблица, в которой представлены параметры большинства процессе когда-либо устанавливавшихся в ПК.

4.1.1. Параметры процессоров

4.1.1.1. Шина данных

Одной из самых общих характеристик процессора является разрядность его шины данных и шины адреса. Шина — это набор соединений, по которым передаются различные сигналы. Представьте себе пару проводов, проложенных из одного конца здания в другой. Если вы подсоедините к этим проводам генератор напряжения в 220в, а вдоль линии расставите розетки, то получится шина. Независимо от того, в какую розетку, вставите вилку, вы всегда получите один и тот же сигнал, в данном случае — 220в переменного тока.

Любую линию передачи, к которой подключено не менее одной розетки, можно назвать шиной, обычном компьютере есть несколько шин, а в каждом процессоре — две основные шины для передач данных и адресов памяти: шина данных и шина адреса.

Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных в виде набора соединений или выводов для передачи или приема данных. Чем больше данных одновременно поступает на шину тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает.

Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передач единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сигнал напряжения высоко уровня (около 5в), а для передачи нулевого бита данных — сигнал напряжения низкого уровня (около 0в). Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время. В процессоре 286 для передачи и приема двоичных данных используется 16 соединений, поэтому его шина данных считается 16 ти разрядной. У 32 х разрядного процессора, например 486, таких соединений вдвое больше, поэтому единицу времени он передает вдвое больше данных, чем 16 ти разрядный процессор.

Представим себе, что шина — это автомагистраль с движущимися по ней машинами. Если автомагистраль имеет всего по одной полосе движения в каждую сторону, то по ней в одном направлении в любой момент времени может проехать только одна машина. Если вы хотите увеличить пропускную способность дороги, например, вдвое, вам придется ее расширить, добавив еще по одной полосе движения в направлении. Таким образом, 8 ми разрядную микросхему можно представить в виде однополосной автомагистрали, поскольку в каждый момент времени по ней проходит только один байт данных (один байт равен восьми битам). Аналогично 32 х разрядная шина может передавать одновременно 4 байт информации. Автомагистраль характеризуется количеством полос движения, а процессор — разрядностью его шины данных. Если в руководстве или техническом описании говорится о 16 ти или 32 х разрядном компьютере, то обычно имеется в виду разрядность шины данных процессора. По ней можно приблизительно оценить производительность процессора, а значит, и всего компьютера.

4.1.1.2. Внутренние регистры

Количество битов данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров. В большинстве современных процессоров (от 386 до Pentium) внутренние регистры являются 32 х разрядными.

В некоторых процессорах внутренняя шина данных (разрядность внутренних регистров) отличается от внешней. Например, разрядность внутренней шины в процессорах 8088 и 386SX вдвое больше разрядности внешней шины. Такие “половинчатые” процессоры обычно являются более дешевыми вариантами исходных ИС. Например, в процессоре 386SX внутренние операции — 32 х разрядные, а связь с внешним регистром осуществляется через 16 ти разрядную внешнюю шину. Это позволяет разработчикам проектировать относительно дешевые системные платы с 16 ти разрядной шиной данных, сохраняя при этом совместимость с 32 х разрядным процессором 386.

Если разрядность внутренних регистров больше разрядности внешней шины данных, то для их полной загрузки необходимо несколько циклов считывания. Например, в процессорах 386DX и 386SX внутренние регистры — 32 х разрядные, но процессору 386SX для их загрузки необходимо выполнить два цикла считывания, а процессору 386DX достаточно одного. Аналогично передаются данные от регистров к системной шине.

В процессорах Pentium шина данных — 64 х разрядная, а регистры — 32 х разрядные. Такое построение, на первый взгляд, кажется странным, если не учитывать, что в этом процессоре для обработки информации есть две 32 х разрядные параллельные секции. Pentium, во многом похож на два 32 х разрядных процессора, объединенных в одном корпусе, а 64 х - разрядная шина данных позволяет быстрее заполнить рабочие регистры.

4.1.1.3. Шина адреса

Шина адреса, представляет собой набор проводников, по которым передается адресная информация для выбора ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Как и в шине данных, по каждому проводнику передается один бит адреса, который является одной цифрой в адресе. Чем больше проводников (разрядов) участвует в формировании адреса, тем больше количество адресуемых ячеек. Раз рядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором.

Представьте себе следующее. Если шина данных — это автострада, а ее разрядность — это количество, полос движения, то с шиной адреса можно ассоциировать нумерацию домов или улиц. Количество линий в шине эквивалентно количеству цифр в номере дома. Например, если вы живете на улице, где по каким-то причинам номера домов не могут состоять более чем из двух цифр (десятичных), то количество домов на этой улице 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 ти 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 разрядности по своему усмотрению но, как правило, 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.

4.1.2. Быстродействие процессора

Быстродействие — это одна из характеристик, которую часто толкуют по-разному. Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц) Она определяется параметрами используемого кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием напряжения кварц вызывает колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Этот переменный ток и есть тактовая частота. Обычный компьютер совершает миллионы таких циклов в секунду. Быстродействие измеряется в мегагерцах, т. е. в миллионах циклов в секунду.

Замечания Единица измерения частоты названа герцем в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца. В 1885 году Герц экспериментальным путем подтвердил правильность электромагнитной теории, по которой свет является видом электромагнитного излучения и распространяется в виде волн.

Наименьшей единицей времени для процессора является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается как минимум один такт. Например, обмен данными с памятью процессор 8086 выполняет за четыре 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.) Аналогичный обмен в процессоре 286 занимает два такта и несколько циклов ожидания.

Время, затрачиваемое на выполнение команд, также не постоянно. В процессорах 8086 и 8088 на выполнение одной команды уходит около 12 тактов. В процессорах 286 и 386 этот показатель уменьшился в среднем до 4,5 тактов на операцию, а в 486 - до 2 тактов. Использование в процессоре Pentium двух параллельных секций и других ухищрений позволило сократить время выполнения среднестатистической команды до одного такта.

Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров только по его тактовой частоте (т. е. по количеству тактов в секунду). Одной из причин высокого быстродействия процессора 486 является то, что среднее время выполнения команды составляет 2 такта. Можно сделать вывод, что процессор Pentium с тактовой частотой 100 МГц приблизительно соответствует процессору 486 с частотой 200 МГц, процессору 386 или 286 с частотой 400 МГц и процессору 8088 с частотой 1000 МГц. Как видите, необходимо соблюдать осторожность, сравнивая компьютеры только по тактовой частоте их процессоров, ведь на производительность влияют и другие факторы.

Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее, чем другой. Причина кроется в производительности. Предположим, вы сравниваете два автомобильных мотора. Одной из деталей двигателя является коленчатый вал, у которого тоже есть свой “такт” - один оборот. Параметром, характеризующим “быстродействие” двигателя, является частота вращения коленчатого вала, измеряемая в оборотах в минуту. Если у двух двигателей одинаковые максимальные частоты вращения, то автомобили с этими моторами должны ездить с одинаковыми скоростями. Нет, не так! В действительности скорость более мощной машины выше (при условии, что оба автомобиля одинаково весят и имеют один и тот же тип привода). Одним словом, очень непросто сравнивать скорость автомобилей, исходя только из одного параметра. При этом надо учитывать и множество других факторов. Как мы не стали бы сравнивать автомобили по частоте вращения коленчатых валов их двигателей, так не стоит сравнивать компьютеры, основываясь только на их тактовых частотах.