Тактовая частота. Быстродействие процессора, в чем оно измеряется

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.

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.

CPU – central processing unit, или центральное обрабатывающее устройство. Представляет собой интегральную схему, которая выполняет машинные инструкции. Внешне современный ЦП выглядит как небольшой блок размером около 4-5 см с контактами-ножками на нижней части. Хоть и принято называть этот блок , сама интегральная схема находится внутри этого корпуса и представляет собой кристалл кремния, на который с помощью литографии наносятся электронные компоненты.

Верхняя часть корпуса ЦП служит для отвода тепла, которое образуется в результате работы миллиарда транзисторов. На нижней части расположены контакты, которые нужны для соединения чипа с материнской платой с помощью сокета - определённого разъёма. ЦП - самая производительная часть компьютера.

Тактовая частота как важный параметр работы процессора, и на что она влияет

Производительность процессора принято оценивать по его тактовой частоте. Это количество операций или тактов, которые может произвести ЦП за секунду. По сути, время, за которое процессор обрабатывает информацию. Вся загвоздка заключается в том, что разные архитектуры и устройство ЦП могут выполнять операции за различное количество тактов. То есть, одному ЦП для определённой задачи может понадобиться один такт, а другому - 4. Таким образом, первый может оказаться более эффективным со значением в 200 МГц, против второго с показателем в 600 МГц.

То есть тактовая частота, по сути, не даёт полного определения производительности процессора, что обычно позиционируется многими именно так. Но мы привыкли оценивать её из-за более-менее устоявшихся норм. Например, для современных моделей актуальный разбег в цифрах составляет от 2,5 до 3,7 ГГц, а нередко и выше. Естественно, что чем больше значение, тем лучше. Однако это не означает, что на рынке не существует процессора с меньшей частотой, но работающего гораздо эффективней.

Принцип действия генератора тактовой частоты

Все компоненты ПК работают с разной скоростью. Например, системная шина может быть 100 МГц, ЦП − 2,8 ГГц, а оперативная память - 800 МГц. Базовый показатель для системы задаёт генератор тактовых импульсов.

Чаще всего в современных компьютерах используется программируемая микросхема генерации, которая определяет значение для каждого компонента в отдельности. Принцип действия простейшего генератора тактовых импульсов заключается в вырабатывании электрических импульсов с определённым временным интервалом. Самый наглядный пример использования генератора - электронные часы. С помощью подсчёта тактов формируются секунды, из них − уже минуты и затем часы. О том, что такое Гигагерцы, Мегагерцы и т.д., мы расскажем чуть позже.

Как скорость работы компьютера и ноутбука зависит от тактовой частоты

Частота работы процессора отвечает за количество тактов, которое может выполнить компьютер в одну секунду, что, в свою очередь, отражает производительность. Однако не стоит забывать о том, что разные архитектуры используют различное количество тактов для решения одной задачи. То есть, «меряться показателями» актуально в рамках хотя бы одного класса процессоров.

На что влияет тактовая частота одноядерного процессора в компьютере и ноутбуке

Одноядерные ЦП уже редко где можно встретить в природе. Но для примера их использовать можно. Одно ядро процессора содержит в своём составе как минимум входящее в него арифметико-логическое устройство, набор регистров, пару уровней кэша и сопроцессор.

Частота, с которой все эти компоненты выполняют свои задачи, напрямую влияет на общую производительность ЦП. Но, опять же, при относительно схожей архитектуре и механизме выполнения команд.

На что влияет количество ядер в ноутбуке

Показатели ядер ЦП не складывается. То есть если 4 ядра работают на 2 ГГц, то это не значит, что их общее значение равно 8 ГГц. Потому что задачи в многоядерных архитектурах выполняются параллельно. То есть, определённый набор команд раздаётся ядрам по частям, а после выполнения каждой формируется общий ответ.

Таким образом, определённая задача может быть выполнена быстрее. Вся проблема заключается в том, что не все программные обеспечения умеют работать с несколькими потоками одновременно. То есть, до сих пор большинство приложений, по сути, задействует всего лишь одно ядро. Существуют, конечно, механизмы на уровне операционной системы, которые могут распараллеливать задачи на разные ядра, например, одно приложение загружает одно ядро, другое - второе и т.д. Но на это также требуются ресурсы системы. Но, в общем, оптимизированные программы и игры показывают гораздо большую производительность в многоядерных системах.

В чём измеряется тактовая частота процессора

Единица измерения Герц обычно показывает количество выполнения периодических процессов за одну секунду. Это и стало идеальным решением для того, в каких единицах будет измеряться тактовая частота процессора. Теперь работа всех чипов стала измеряться в Герцах. Ну, сейчас уже − ГГц. Гига - это такая приставка, показывающая, что здесь содержится 1000000000 Герц. За всю историю ПК приставки часто менялись - КГц, затем МГц, и сейчас наиболее актуальна ГГц. В спецификациях ЦП можно встретить и английские аббревиатуры - MHz или GHz. Обозначают такие приставки то же, что и в кириллице.

Как узнать частоту процессора своего компьютера

Для операционной системы Windows существует несколько простых способов, как штатных, так и с помощью сторонних программ. Самый простой и очевидный - щёлкнуть правой кнопкой по значку «Мой компьютер» и зайти в его свойства. Рядом с именем ЦП и его характеристиками будет указана и его частота.

Из сторонних решений можно использовать небольшую, но известную программку CPU-Z. Её лишь нужно скачать, установить и запустить. В главном окне она покажет текущую тактовую частоту. Кроме этих данных, она отображает и много другой полезной информации.

Программа CPU-Z

Какими способами можно увеличить производительность

Для того чтобы , существуют два основных способа: увеличить множитель и частоту системной шины. Множитель - это коэффициент, показывающий отношение базовой частоты процессора к базовому показателю системной шины.

Он устанавливается заводом изготовителем и в конечном устройстве может быть либо заблокирован для изменений, либо разблокирован. Если возможность изменить множитель есть, то значит, можно увеличить и частоту работы процессора, без внесения изменений в работу других компонентов. Но на практике такой подход не даёт эффективного прироста, так как остальные просто не успевают за ЦП. Изменение показателя системной шины приведёт к увеличению значений всех компонентов: процессора, оперативной памяти, северного и южного мостов. Это наиболее простой и эффективный способ разгона компьютера.

Разогнать ПК в целом можно и с помощью повышения напряжения, которое увеличит скорость работы транзисторов ЦП, а вместе с этим и его частоту. Но такой способ довольно сложный и опасный для новичков. Используют его в основном опытные в разгоне и электронике люди.

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.

Уже подросло целое поколение компьютерных пользователей, которые не застали знаменитую "гонку мегагерцев", развернувшуюся между двумя ведущими производителями для настольных компьютеров (кто не в курсе — Intel и AMD) на рубеже тысячелетий. Ее конец наступил примерно в 2004 году, когда стало очевидным, что частота процессора — не единственная характеристика, влияющая на его производительность. Крайне "прожорливые" и крайне высокочастотные процессоры Pentium IV на ядре Prescott вплотную подбирались к 4 GHz, и при этом с трудом конкурировали с архитектурой K8, на которой были построены новые "камни" от AMD, имевшие частоту не выше 2,6-2,8 GHz.

После этого оба производителя синхронно отошли от практики идентификации своих изделий по рабочей частоте и перешли к абстрактным модельным индексам. Такое решение обосновывалось нежеланием вводить конечного пользователя в заблуждение насчет производительности процессора, акцентируя внимание только на одной его характеристике. Действительно, есть ведь еще и частота шины процессора, и размер кэш-памяти, и технологический процесс, по которому изготовлено ядро, и много чего еще. Но частота процессора все еще остается одним из самых наглядных и интуитивно понятных для большинства людей мерил "качества" CPU.

Процессора, действительно, влияет на его производительность, характеризуя количество выполняемых операций в секунду. Но дело в том, что процессоры, построенные на различных ядрах, тратят на выполнение одной операции разное количество тактов, и от поколения к поколению этот параметр может отличаться в разы. Именно благодаря этому нынешний процессор с номинальной частотой 2,0 GHz оставит далеко позади флагмана семилетней давности с тактовой частотой 3,8 GHz. Кроме того, на быстродействие процессора, как уже указывалось выше, влияет и размер кэш-памяти (чем он больше, тем реже процессор будет вынужден обращаться к сравнительно медленной оперативной памяти), и частота шины процессора (чем она выше, тем быстрее будет обмен данными между "камнем" и ОЗУ), и множество других, не столь заметных, но от того не менее важных, характеристик.

В последнее время в обиход начинает входить и такое понятие, как максимальная частота процессора.

Постепенно и Intel, и AMD внедряют в своих продуктах такую функцию, как авторазгон. Технологию, по сути одну и ту же, один производитель называет другой — Turbo Core, но от этого ее суть не меняется: частота процессора может динамически изменяться, причем автоматически, без вмешательства пользователя. Необходимость применения такой технологии вызвана тем, что многоядерность современных процессоров стала уже, по сути, нормой, а вот многопоточность современных приложений, к сожалению, пока нет. Операционная система, видя, что одно из загружено значительно сильнее остальных, самостоятельно увеличивает частоту этого ядра, при этом стараясь оставить процессор в пределах его "родного" теплопакета (т.е. система старается подстраховаться от перегрева оборудования). Причем, в зависимости от модели процессора и от конкретных условий, такой прирост частоты может составлять величину от 100 до 600-700 MHz, а это уже, согласитесь, существенная прибавка к производительности. Такую технологию поддерживает большинство последних процессоров обоих производителей. У Intel это, в частности, все CPU модельного ряда Core i5 и Core i7, у AMD — все процессоры на разъеме AM3+, процессоры на разъеме FM1 (кроме процессоров с отключенным графическим ядром), а также некоторые "камни" к платформе AM3 (шестиядерные Tuban и четырехядерные Zosma). Причем для основанных на разъеме такой авторазгон тем более актуален, если учесть, что из-за некоторых архитектурных особенностей полноценный "разгон" путем повышения частоты шины процессора практически невозможен. Впрочем, это тема уже совсем другой статьи…