На что влияет тактовая частота процессора? Что такое центральный процессор

Исторически сложилось, что тактовая частота процессора представляет собой главный показатель быстродействия компьютера, и в своё время даже необразованный человек, не знающий, чем оптический диск отличается от гибкого, мог с уверенностью заявить, что чем больше гигагерц в машине, тем лучше, и никто бы с ним не поспорил. Сегодня, в середине компьютерной эры, такого рода мода прошла, и разработчики стараются уйти в сторону создания более совершенной архитектуры, увеличения количества кэш-памяти и количества процессорных ядер, но тактовая частота является "королевой" характеристик. В общем смысле, это то количество элементарных операций (тактов), которое процессор может произвести за секунду времени.

Отсюда следует то, что чем выше тактовая частота процессора, тем больше элементарных операций способен выполнить компьютер, и, следовательно, тем быстрее он работает.

Тактовая частота передовых процессоров колеблется от двух до четырёх гигагерц. Она определяется умножением частоты шины процессора на определённый коэффициент. К примеру, Core i7 использует множитель х20 и имеет частоту шины, равную 133 МГц, в результате чего тактовая частота процессора составит 2660 МГц.

Современные и ядра

Несмотря на то, что ранее "многоядерность" была в новинку, на сегодняшний день на рынке практически не осталось одноядерных процессоров. И ничего удивительного в этом нет, ведь компьютерная индустрия не стоит на месте.

Поэтому следует ясно представлять, как рассчитывается тактовая частота для процессоров, имеющих два и более ядра.

Стоит сказать, что существует распространённое заблуждение насчёт вычисления частоты для таких процессоров. Например: "Имеется двухъядерный процессор с тактовой частотой в 1.8 ГГц, следовательно, его суммарная частота будет составлять 2 х 1.8ГГц=3.6ГГц, правильно?". Нет, неправильно. К сожалению, количество ядер никак не влияет на конечную тактовую частоту, если ваш процессор работал со скоростью в 3 ГГц, так он работать и будет, но при большем количестве ядер увеличатся его ресурсы, а это, в свою очередь, очень сильно повысит работоспособность.

Не стоит также забывать, что для современного процессора особо важен объем кэш-памяти. Это самая быстрая память ЭВМ, в которой дублируется рабочая информация, для которой необходим более быстрый доступ в данный момент времени.

Так как этот очень дорог и трудоёмок в производстве, его значения сравнительно малы, но этих показателей достаточно для того, чтобы увеличить производительность всей системы без изменения таких параметров, как тактовая частота.

Максимальная тактовая частота процессора и разгон

Насколько бы ваш компьютер ни был хорош, когда-нибудь он все же устареет. Но не спешите нести его на помойку и с распростёртым кошельком бежать в ближайший магазин электроники. Большинство современных процессоров и видеокарт предусматривает дополнительный (помимо заводского) разгон, и, имея хорошую систему охлаждения, вы сможете поднять уровень номинальной частоты на 200-300 ГГц. Для экстремалов и любителей больших цифр также существует "оверклокинг" призывающий выжать из техники максимум. Многие люди, занимающиеся таким опасным делом, могут без труда разогнать одноядерный процессор до 6-7 ГГц, а некоторые даже ставят рекордные показатели в 8.2 ГГц.

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.

Многие владельцы компьютеров с современными процессорами замечают, что тактовая частота их процессора изменяется со временем. Иногда частота скачет до максимального значения, характерного для данной модели (например, до 3000 МГц), а иногда опускается до 1500 или даже 800 МГц. Наблюдая за подобными скачками, пользователи задаются вопросом, почему это происходит и как зафиксировать тактовую частоту на максимальном значении.

Если вы наблюдаете скачки тактовой частоты процессора во время простоя компьютера, то это вполне нормальное явление. Это работает механизм энергосбережения. В отсутствие нагрузки система понижает множитель процессора, что приводит к снижению тактовой частоты процессора. Обычно тактовая частота снижается до 1500 или 800 МГц, после чего компьютер работает на такой частоте до тех пор, пока на процессор не появится заметная нагрузка. С появлением нагрузки тактовая частота обратно прыгает до своих штатных значений.

Внизу показаны скриншоты из программы CPU-Z. Там видно, как частота процессора Intel Core i5 2310 скачет между значениями 1600 МГц и 3100 МГц.

Также в программе CPU-Z можно наблюдать как меняется множитель процессора.

Снижение тактовой частоты позволяет снизить потребление энергии процессором, что в свою очередь заметно снижает общее потребление энергии компьютером, ведь процессор является одним из самых прожорливых компонентов современного компьютера.

Кроме непосредственно экономии электроэнергии, такое поведение системы позволяет снизить температуру процессора, что в свою очередь позволяет снизить обороты вентиляторов и уменьшить уровень шума, который производится компьютером.

При желании, пользователь может зафиксировать тактовую частоту процессора на максимальном значении. Для этого нужно отредактировать используемую в операционной системе схему электропитания. Например, в Windows для этого нужно зайти в «Панель управления\Оборудование и звук\Электропитание» и кликнуть по ссылке «Настройка схемы электропитания», которая находится напротив активной схемы.

Таким образом вы попадете в дополнительные настройки схемы электропитания. Здесь нужно открыть раздел «Управление питанием процессора» и в поле «Минимальное состояние процессора» указать значение в 100 процентов.

После применения настроек процессор начнет работать на своей максимальной тактовой частоте.

Скачки тактовой частоты процессора под нагрузкой

Под нагрузкой тактовая частота также может меняться. В этом случае, это результат работы технологии Turbo Boost. Данная технология предназначена для автоматического разгона процессора до частот выше штатных. Активность такого авто-разгона зависит от нагрузки на процессор. При однопоточной нагрузке Turbo Boost тактовые частоты поднимаются заметно выше, чем при многопоточной, это может приводить к небольшим скачкам тактовой частоты процессора. Например, для процессора Core i5-2500 под нагрузкой Turbo Boost может изменять тактовую частоту в пределах от 3700 МГц (при нагрузке на одно ядро), до 3400 МГц (при нагрузке на все 4 ядра).

Если же вы наблюдаете значительные скачки частоты процессора под нагрузкой, например, скачки на 1000 МГц или больше, то это может быть признаком неисправности компьютера. В этом случае стоит проверить . При перегреве процессора может начаться так называемый «троттлинг». Это снижение тактовой частоты с целью снижения температуры процессора.

Нужно отметить, что троттлинг процессора может появляться не только в результате перегрева самого процессора, но и при перегреве его цепей питания. Такое может случится, например, при разгоне процессора на бюджетной материнской плате.

Утверждение:

Чем выше тактовая частота процессора, тем выше его производительность.

Скорость работы процессоров всегда сравнивали на основе их ведущей и самой доступной для понимания характеристики - тактовой частоты. Моду на это в 1984 году ввели маркетологи IBM PC, которые утверждали, что процессор Intel 8088 в их компьютере почти в пять раз превосходит по тактовой частоте MOS Technology 6502
из Apple II - а значит, он почти в пять раз быстрее. Той же логике в 90-х следовали Intel и Microsoft, утверждая, что Pentium производительнее PowerPC из компьютеров Apple только потому, что у него выше тактовая частота. После того как в конце 90-х к гонке подключилась AMD, компании пришлось ввести специальную маркировку, которая сопоставляла их процессоры с процессорами Intel. Большинство потребителей были уверены, что тактовая частота - главная характеристика, и Intel, делавшая ставку на её рост, только поддерживала их в этом убеждении.

ДЖОН СПУНЕР

журналист

«После выхода процессоров Pentium III, работающих на частоте до 667 МГц, компания AMD может утратить лидерство. Представленные
в этом месяце процессоры Athlon работают
с максимальной частотой 650 МГц. Но долго лидерство Intel не продлится. Как заявили представители AMD, к концу года они выпустят процессор с частотой 700 МГц».

Почему это не так:

Время, которое занимает выполнение операций, важнее тактовой частоты.

Тактовую частоту корректно сравнивать только
у процессоров одного модельного ряда с одинаковой архитектурой. Хотя частота Intel 8088 и была почти в пять раз выше, чем у MOS Technology 6502, на деле одна и та же операция могла занимать у Intel 8088 больше тактов, из-за чего преимущество в частоте нивелировалось. Так было и
в дальнейшем: сначала Apple, а потом и AMD пытались разоблачить «миф о мегагерцах». В 2006 году к ним наконец присоединилась и Intel, которая достигла предела тактовой частоты на архитектуре, которую тогда использовала в настольных процессорах, и сменила парадигму.

Сегодня число операций, которое выполняет процессор
за один такт, как никогда важнее тактовой частоты. Дело
в том, что чем выше частота, тем выше тепловыделение,
а потому создатели мобильных процессоров делают упор
на оптимизацию, а не сухие цифры. Миф, впрочем, никуда
не исчез, и даже эволюционировал: так, многие начали считать, что скорость работы процессора пропорциональна числу ядер в нём. Да и если назвать обывателю два процессора с разной тактовой частотой, то он всё равно
по инерции выберет тот, у которого больше мегагерц.

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.