Основы микропроцессорной техники

Раздел 3. Функционирование процессора

3.4. Быстродействие процессора

Быстродействие процессора - это один из важнейших его характеристик, которая определяет эффективность работы всей микропроцессорной системы в целом. Быстродействие процессора зависит от множества факторов, что затрудняет сравнение быстродействия даже разных процессоров внутри одного семейства, не говоря уже о процессорах различных фирм и разного назначения.

Выделим важнейшие факторы, влияющие на быстродействие процессора:

Прежде всего, производительность зависит от тактовой частоты процессора. Все операции внутри процессора выполняются синхронно, тактуються единственным тактовым сигналом. Понятно, что чем больше тактовая частота, тем быстрее работает процессор, причем, например, двукратное увеличение тактовой частоты какого процессора снижает вдвое время выполнения команд этим процессором.

Однако надо учитывать, что различные процессоры выполняют одинаковые команды за разное количество тактов, причем количество тактов, что затрачивается на выполнение команды, может изменяться от одного такта до десятков или даже сотен. В некоторых процессорах за счет распараллеливания микроопераций на команду расходуется даже менее одного такта.

Количество тактов, которые затрачиваются на выполнение команды, зависит от сложности этой команды и от методов адресации операндов. Например, скорее всего (за меньшее количество тактов) выполняются команды пересылки данных между внутренними регистрами процессора. Медленнее (за большее количество тактов) выполняются сложные арифметические команды с плавающей запятой, операнды которых хранятся в памяти.

Сначала для количественной оценки производительности процессоров применялась единица измерения MIPS (Mega Instruction Per Second), что соответствовало количеству миллионов выполняемых инструкций (команд) в секунду. Естественно, изготовители микропроцессоров пытались ориентироваться на быстрые команды. Понятно, что подобный показатель не слишком удачный. Для измерения производительности при выполнении вычислений с плавающей запятой, чуть позже была предложена единица FLOPS (Floating point Operations Per Second), но она по определению узкоспециализированная, так как в некоторых системах операции с плавающей запятой, просто не используются.

Другой аналогичный показатель быстродей� �твия процессора - время выполнения коротких (быстрых) операций. Для примера в таблице 3.1 приведены показатели быстродействия нескольких 8-разрядных и 16-разрядных процессоров. В настоящее время этот показатель практически не используется, как и MIPS.

Время выполнения команд - важный, но далеко не единственный фактор, определяющий быстродействие. Большое значение имеет также структура системы команд процессора. Например, некоторым процессорам для выполнения какой-то операции понадобится одна команда, а другим процессорам - несколько команд. Одни процессоры имеют систему команд, что позволяет быстро решать задачи одного типа, а другие - задачи другого типа. Важны и методы адресации, разрешенные в данном процессоре, и наличие сегментирование памяти, и способы взаимодействия процессора с устройствами ввода / вывода и т.д.

Существенно влияет на быстродействие системы в целом и том, как процессор "общается" с памятью команд и памяти данных, применяется сочетание выборки команд из памяти с выполнением ранее выбранных команд.

Быстродействие системы в целом определяется также и разрядностью процессора. Например, 8-разрядный процессор будет медленнее пересылать и обрабатывать большие массивы данных, чем 16-разрядный процессор. Так же 16-разрядный процессор будет значительно медленнее работать с большими числами (больше, чем 65536), чем 32-разрядный процессор.

При высокой сложности решаемых задач быстродействие системы зависит и от общего объема системной памяти. Ведь если системной памяти мало, системе приходится хранить данные во внешней памяти (например, на магнитном диске), а это очень сильно (на несколько порядков) замедляет работу. Так что разрядность шины адреса процессора тоже важна.

Поэтому количественные показатели производительности процессоров очень условны, они лишь косвенно характеризуют быстродействие системы на базе этого процессора. Однако, некоторые производители предлагают количественные показатели для своих процессоров, характеризующие время выполнения специально составленных тестовых программ, которые содержат всевозможные команды в тех ил� � иных соотношениях.

Так, для сравнения производительности 32-разрядных процессоров фирма Intel, производящей процессоры для персональных компьютеров, в 1992 году предложила свою единицу измерения iCOMP Index (Intel COmparative Microprocessor Performance). Для вычисления этого показателя используется смесь 16 - и 32-битных целочисленных команд, команд с плавающей точкой, команд обработки графики и видео. В качестве базового взят процессор I486SX-25, чей индекс принят равным 100. В Таблица 3.2 приведены индексы iCOMP для некоторых процессоров фирмы Intel. Как видно из таблицы, за счет более развитой архитектуры процессоры семейства 486 всегда быстрее процессоров семейства 386, а любой Pentium быстрее любого процессора из семейства 486. Тактовая частота (указанная в таблице через черточку) определяет производительность только в пределах одного семейства. В 1996 году производителями Intel был предложен другой показатель - iCOMP Index 2.0, для вычисления которого не используются 16-разрядные команды, зато введен мультимедийный тест, а за базу взят Pentium-120, чей индекс принят равным 100. В Таблица 3.3 представлены эти показатели для некоторых типов процессоров Intel.

При этом надо учитывать, что измерения проводятся в составе системы, настроенной на максимальное быстродействие именно данных процессоров, и только самой фирмой Intel.

Ценность этих показателей и всех им подобных не слишком велика. Для конкретного компьютера и различных процессоров величина показателя может предоставить вполне объективные данные, позволяющие оценить, например, целесообразность замены процессора на более мощный. Но опосредованность показателей iCOMP не позволяет точно сказать, как будет вести себя процессор в различных задачах, которые ориентированы на преимущественное использование различных типов команд.

Точная оценка быстродействия процессора возможна только в составе конкретной системы при решении определенной задачи. Но все перечисленные здесь факторы можно и нужно учиты� �ать при выборе процессора. А количественные показатели помогают сделать выбор.