Система Компьютера: Процессоры. Тактовая частота

"Мозгом" персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процессор - CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых в компьютерах, имеющих сопроцессор) и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компьютера.

Параметры процессоров

Процессоры можно классифицировать по двум основным параметрам: разрядности и быстродействию. Быстродействие процессора - довольно простой параметр. Оно измеряется в мегагерцах (МГц); 1 МГц равен миллиону тактов в секунду. Чем выше быстродействие, тем лучше (тем быстрее процессор). Разрядность процессора - параметр более сложный. В процессор входит три важных устройства, основной характеристикой которых является разрядность:

шина ввода и вывода данных;
внутренние регистры;
шина адреса памяти.

Быстродействие процессора

Быстродействие - это одна из характеристик процессора, которую зачастую толкуют по-разному.
Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой. Микросхемы обычного компьютера работают на частоте нескольких миллионов герц. (Герц - одно колебание в секунду.) Быстродействие измеряется в мегагерцах, т.е. в миллионах циклов в секунду.
Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум один такт. Например, обмен данными с памятью процессор Pentium II выполняет за три 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.)

Тактовая частота процессора и маркировка тактовой частоты системной платы

Почти все современные процессоры работают на тактовой частоте, которая равна произведению некоторого множителя на тактовую частоту системной платы. Например, процессор Celeron 600 работает на тактовой частоте, в девять раз превышающей тактовую частоту системной платы (66 МГц), а Pentium III 1000 - на тактовой частоте, в семь с половиной раз превышающей тактовую частоту системной платы (133 МГц).
Обычно тактовую частоту системной платы и множитель можно установить с помощью перемычек или других процедур конфигурирования системной платы (например, с помощью выбора соответствующих значений в программе установки параметров BIOS).
Сегодня выпускается множество версий процессоров, работающих на различных частотах, в зависимости от тактовой частоты конкретной системной платы. Например, быстродействие большинства процессоров Pentium в несколько раз превышает быстродействие системной платы.
При прочих равных условиях (типах процессоров, количестве циклов ожидания при обращении к памяти и разрядности шин данных) два компьютера можно сравнивать по их тактовым частотам. Однако делать это надо осторожно: быстродействие компьютера зависит и от других факторов (в частности, от тех, на которые влияют конструктивные особенности памяти). Например, компьютер с более низкой тактовой частотой может работать быстрее, чем вы ожидаете, а быстродействие системы с более высоким значением номинальной тактовой частоты будет ниже, чем следовало бы. Определяющим фактором при этом является архитектура, конструкция и элементная база оперативной памяти системы.
В некоторых системах можно установить большую рабочую частоту процессора; это называется разгоном (overclocking). После установки больших значений частоты процессора увеличивается и его быстродействие. Практически все типы процессоров имеют так называемый "технологический запас" безопасного увеличения тактовой частоты. Например, процессор 800 МГц может работать на частоте 900 МГц и выше. Следует отметить, что при разгоне процессора снижается устойчивость его работы. Если у вас недостаточно опыта работы с компьютером, не пытайтесь разогнать собственную систему - существенного увеличения производительности вы все равно не получите.
Если же вы решились на разгон, то запомните следующее. Большинство современных процессоров Intel (начиная с Pentium II) имеют фиксированный коэффициент умножения частоты, т.е. любое изменение переключателя этого параметра на системной плате не окажет никакого воздействия на процессор. Это делается, чтобы предотвратить перемаркировку процессоров мошенниками. А что же делать компьютерным энтузиастам? Остается лишь один способ разгона - изменение частоты системной шины.
Однако и здесь есть одна особенность. Многие системные платы Intel поддерживают стандартные значения частоты системной шины: 66, 100 и 133 МГц. Кроме того, при поме щении процессора в разъем системной платы все необходимые параметры частот устанавливаются автоматически, поэтому изменить что-либо невозможно. Даже если изменить положение переключателя с 66 на 100 или 133 МГц, процессор не будет работать устойчиво. Например, Pentium III 800E работает с коэффициентом 8х при частоте шины 100 МГц. При установке частоты шины 133 МГц, процессор должен работать на частоте 8x133=1 066 МГц. Однако устойчивость работы этого процессора на такой частоте вызывает сомнения. Аналогично, Celeron 600E работает по схеме 9x66 МГц, изменение частоты шины до 100 МГц приведет к тому, что этот процессор будет вынужден работать на частоте 900 МГц, а это очень опасно для него. Многие системные платы рассчитаны на большой диапазон частот системной шины. Например, плата Asus P3V4X поддерживает следующие частоты системной шины: 66, 75, 83, 90, 95, 100, 103, 105, 110, 112, 115, 120, 124, 133, 140 и 150 МГц. Установив в эту плату процессор Pentium III 800E, можно плавно увеличивать частоту системной шины.
Обычно допускается 10-20%-ное увеличение частоты системной шины без последствий для процессора, т.е. такое увеличение не сказывается на стабильности работы системы.
Существует еще один способ разгона, при котором увеличиваются параметры напряжения питания процессора. Все разъемы Slot 1, Slot A, Socket 8, Socket 370 и Socket A автоматически определяют тип установленного процессора и самостоятельно устанавливают необходимое напряжение питания. В большинстве системных плат (особенно это касается продукции компании Intel) изменить эти значения вручную невозможно. Но другие производители допускают ручное изменение напряжения.
Например, уже упоминавшаяся плата Asus P3V4X позволяет устанавливать напряжение питания с точностью до десятых вольта. Изменяя этот параметр, необходимо помнить о том, что увеличение напряжения в лучшем случае может нарушить стабильную работу системы, а в худшем - вывести процессор из строя. Если вы все-таки решились на разгон, сначала поэкспериментируйте со значениями частот системной шины и лишь потом пробуйте изменять напряжение питания. Также помните, что для разгона необходимы комплектующие (системная плата, память и особенно корпус и вентиляторы системы охлаждения) известных производителей. Не забудьте также установить дополнительные теплоотводы на процессор и дополнительные вентиляторы (если позволяет конструкция) внутри корпуса системы.

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.
В обычном компьютере есть несколько внутренних и внешних шин, а в каждом процессоре - две основные шины для передачи данных и адресов памяти: шина данных и шина адреса. Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных , представленную как набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определен ный интервал времени и тем быстрее она работает.
Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сигнал напряжения высокого уровня (около 5 В), а для передачи нулевого бита данных - сигнал напряжения низкого уровня (около 0 В). Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время. В процессорах 286 и 386SX для передачи и приема двоичных данных используется 16 соединений, поэтому у них шина данных считается 16-разрядной. У 32-разрядного процессора, например 486 или 386DX, таких соединений вдвое больше, поэтому за единицу времени он передает вдвое больше данных, чем 16-разрядный. Современные процессоры типа Pentium имеют 64-разрядные внешние шины данных. Это означает, что процессоры Pentium, включая оригинальный Pentium, Pentium Pro и Pentium II, могут передавать в системную память (или получать из нее) одновременно 64 бита данных.
Разрядность шины данных процессораопределяет также разрядность банка памяти. Это означает, что 32-разрядный процессор, например класса 486, считывает из памяти или записывает в память 32 бита одновременно. Процессоры класса Pentium, включая Pentium III и Celeron, считывают из памяти или записывают в память 64 бита одновременно. Поскольку стандартные 72-контактные модули памяти SIMM имеют разрядность, равную всего лишь 32, в большинстве систем класса 486 устанавливают по одному модулю, а в большинстве систем класса Pentium - по два модуля одновременно. Разрядность модулей памяти DIMM равна 64, поэтому в системах класса Pentium устанавливают по одному модулю, что облегчает процесс конфигурирования системы, так как эти модули можно устанавливать или удалять по одному. Каждый модуль DIMM имеет такую же производительность, как и целый банк памяти в системах Pentium.

Внутренние регистры

Количество битов данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью внутренних регистров. Регистр - это, по существу, ячейка памяти внутри процессора; например, процессор может складывать числа, записанные в двух различных регистрах, а результат сохранять в третьем регистре. Разрядность регистра определяет количество разрядов обрабатываемых процессором данных. Разрядность регистра также определяет характеристики программного обеспечения и команд, выполняемых чипом. Например, процессоры с 32-разрядными внутренними регистрами могут выполнять 32-разрядные команды, которые обрабатывают данные 32-разрядными порциями, а процессоры с 16-разрядными регистрами этого делать не могут. Во всех современных процессорах внутренние регистры являются 32-разрядными.

Шина адреса

Шина адреса представляет собой набор проводников; по ним передается адрес ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Как и в шине данных, по каждому проводнику передается один бит адреса, соответствующий одной цифре в адресе. Увеличение количества проводников (разрядов), используемых для формирования адреса, позволяет увеличить количество адресуемых ячеек. Разрядность шины адреса определяет максимальный объем памяти, адресуемой процессором.

Кеш-память

Кэш - это быстродействующая память, предназначенная для временного хранения программного кода и данных. Обращения к встроенной кэш-памяти происходят без состояний ожидания, поскольку ее быстродействие соответствует возможностям процессора, т.е. кэш-память первого уровня (или встроенный кэш) работает на частоте процессора. Благодаря этому обмен данными с относительно медленной системной памятью значительно ускоряется. Процессору не нужно ждать, пока очередная порция программного кода или данных поступит из основной области памяти, а это приводит к ощутимому повышению производительности компьютера.При отсутствии кэш-памяти такие паузы возникали бы довольно часто. В современных процессорах встроенный кэш играет еще более важную роль, потому что он часто является единственным типом памяти во всей системе, который может работать синхронно с процессором. В большинстве современных процессоров используется множитель тактовой частоты, следовательно, они работают на частоте, в несколько раз превышающей тактовую частоту системной платы, к которой они подключены.
Если необходимые данные во встроенном кэше отсутствуют, процессор обращается за ними в кэш-память второго уровня или непосредственно к системной шине.
Наличие двух типов кэш-памяти приводит к тому, что 90% времени данные извлекаются из кэш-памяти первого уровня (система работает на максимальной частоте) а 10%- из кэш-памяти второго уровня (система работает на частоте системной платы), т.е. для увеличения производительности системы в первую очередь необходимо увеличить объем кэш-памяти второго уровня. В процессорах Pentium (P5) кэш-память второго уровня располагается на системной плате и работает на ее частоте. Существенное повышение производительности процессоров произошло после переноса этой кэш-памяти с системной платы в процессор, т.е. ее рабочая частота сравнялась с частотой процессора. Вначале кэш-память и ядро процессора располагались на одном чипе, что влекло за собой существенное удорожание производства. Начиная с процессоров Pentium II корпорация Intel стала приобретать микросхемы кэш-памяти у сторонних производителей (Sony, Toshiba, NEC, Samsung и т.д.) и монтировать микросхему процессора и микросхемы кэш-памяти на плате, что повлекло изменение корпуса процессоров (а следовательно, и разъемов).

Оперативная память

Чипсет

Дополнительные свойства материнских плат

Чипсет – это главная микросхема на материнской плате, которая фактически участвует во всех происходящих на ней процессах (что-то вроде помощника для процессора, но не выполняющего команды, а распределяющего функции по разным устройствам).

Из доступных сейчас наиболее распространены DDR и DDR2. DDR2 быст­рее DRR.

Большинство плат имеют верхний предел допустимого объема опе­ративной памяти, поэтому, если это значение достаточно низко, очень скоро лимит для обновления ПК исчерпается и придется менять саму материнс­кую плату. Значения в 2-4 Гб вполне достаточно.

Данная характеристика присутствует не только в процессоре. Как процессор имеет свою оперативную скорость работы (теперь измеряемую в ГГц), мате­ринская плата тоже имеет скорость. Вообще говоря, с разными устройствами она общается с разными скоростями. Нужно всегда помнить о двух из них:

Ø частота шины (FSB - front side bus) - общая для процессора, чипсета и видеоадаптера, здесь под скоростью понимается скорость передачи дан­ных - чем она больше, тем быстрее работает материнская;

Ø частота оперативной памяти - оперативная память также функциониру­ет с определенной частотой (как и в случае с FSB, измеряемой в МГц). Чем больше ее скорость, тем быстрее вся система в целом.

Основным функциональным компонентом персонального ком­пьютера является системная, или материнская плата . От ее качества, прежде всего, зависит надежная и бессбойная работа компьютера. Материнская плата размещается внутри корпуса системного блока и представляет собой лист фольгированного текстолита, на котором размещаются электронные компоненты и разъемы для подключения дополнительных плат, внешних устройств, блока питания. Необходимые элект­рические соединения на плате выполнены методом предва­рительного травления медной фольги.

Существуют материнские платы, у которых все необходи­мые для работы компьютера элементы размещены непосред­ственно на плате. Это так называемые платы All In One. Од­нако у большей части персональных компьютеров системные платы содержат лишь основные узлы, а элементы связи с пе­риферийными устройствами (платы или карты расширения) устанавливаются в слоты расширения. Кроме слотов расши­рения на материнской плате имеется разъем для подключения блока питания, несколько разъемов для установки модулей памяти, 80-контактные разъемы для подключения накопите­лей с интерфейсами IDE, 7-контактные разъемы интерфейса SATA и некоторые другие. От типа модулей памяти, который поддерживает материнская плата, будут зависеть возможнос­ти модернизации компьютера. Наличие на плате интерфей­са SATA позволит увеличивать производительность компью­тера за счет применения накопителей с высокоскоростным интерфейсом обмена данными.

Главным элементом системной платы можно назвать цен­тральный процессор (CPU), устанавливаемый в специальный разъем {или socket).

На мате­ринской плате находится микросхема флэш-памяти, предназ­наченная для хранения системного программного обеспече­ния - базовой системы ввода-вывода или BIOS (Basic Input Output System). Память часов реального времени и конфигу­рационных установок системы - RTC CMOS RAM (Real Time Clock CMOS RAM) представляет собой энергонезависимую экономичную микросхему памяти, выполненную по технологии CMOS и предназначенную для хранения показаний часов реаль­ного времени, а также сведений о конфигурации системы.

При загрузке операционной системы с помощью програм­мы SETUP можно обратиться к этой памяти и внести в нее необходимые изменения. Микросхема памяти постоянно на­ходится во включенном состоянии благодаря питанию от встроенного в материнскую плату аккумулятора. Эта память должна хранить сведения о настройке компьютера (его кон­фигурации). Для подключения производительных видеокарт на материнской плате устанавливался разъём стандарта AGP. В последнее время этот стандарт активно вытесняется еще более скоростным интерфейсом - шиной PCI Express. Эта шина является усовершенствованной моделью существую­щей шины PCI 2.2, что позволяет значительно повысить ее быстродействие. Наличие на плате современных шин увели­чивает возможности модернизации компьютера в будущем.

По краю материнской платы традиционно располагаются разъемы для подключения внешних устройств. К разъемам стандарта PS/2 подключаются клавиатура и мышь. Традици­онное подключение принтера выполняется через 25-контак­тный разъем параллельного порта. Через разъем стандартно­го последовательного или СОМ-порта могут подключаться такие низкоскоростные устройства, как модемы, программато­ры и др. Для подключения к компьютеру большого количества разнотипных периферийных устройств используются разъе­мы USB-интерфейса. На платах со встроенным звуком и видео дополнительно присутствуют разъемы для подключения аудиоустройств, видеомонитора и разъем MIDI или игровой порт.

Материнские платы различаются, в первую очередь, по типу поддерживаемых процессоров, или по типу сокета. Про­цессорные разъемы - сокеты - приходят и уходят вместе с по­явлением определенной линейки процессоров и прекраще­нием их производства. В настоящее время Intel поддерживает для своих про­цессоров два типа сокетов - socket 478 для нижнего ценового диапазона процессоров и socket 775 для более дорогих про­цессоров. Фирма AMD пока еще поддерживает socket 754, предназначенный для процессоров Sempron и отдельных ва­риантов Athlon, a socket 939 - для более производительных процессоров. Но для наиболее производительных процессо­ров предлагается новый socket AM2.

Другая важная характеристика материнской платы - чипсет, на базе которого она производится. Чипсет, или набор микро­схем, определяет производительность локальной шины, через которую процессор общается с другими подключаемыми к ма­теринской плате устройствами. Чипсет определяет типы шин­ных интерфейсов с дополнительными устройствами. К этим интерфейсам в современном компьютере можно отнести шины PCI и PCI Express и поддерживаемую еще на некоторых платах шину AGP. Встроенные в плату контроллеры портов ввода вывода и сетевые карты определяют возможности под­ключения внешних устройств и сетевых подключений. Конт­роллеры SATA и параллельного ATA (IDE ATA) определяют типы подключаемых дисковых накопителей. Широкие воз­можности для подключения внешних устройств дает поддер­жка материнскими платами интерфейсов USB и FireWire, позволяющих подключать по несколько устройств к одному порту компьютера.

Материнская плата - это основная плата в персональном компьютере, так называемый фундамент для построения ПК, поэтому к ее выбору стоит отнестись очень серьезно. Выбор материнской платы является определяющим для дальнейшей судьбы компьютера. Плата должна быть достаточно совре­менной, обеспечивающей в случае необходимости модерни­зацию компьютера. Именно от материнской платы зависит производительность, стабильность, возможности дальней­шего апгрейда вашего компьютера, установки более мощно­го процессора, большего количества памяти и т.д. Хотя есть и второй подход. Нет смысла покупать суперсовременную плату, переплачивая за возможности, которые вам могут и не понадобиться. Так как через год стоимость этих возможностей явно будет ниже.

Регулярное появление новых чипсетов, форматов и устанавливаемых на системных платах дополнительных устройств обуславливает появление новых элементов для их обозначений. Многие фирмы вообще не придерживаются никакой системы в именах продаваемых изделий (хотя система может и быть, ее трудно заметить).

Как правило, при продаже в обозначении материнской платы используются: название фирмы производителя, фир­менная маркировка платы, название используемого чипсета, тип поддерживаемых платой модулей оперативной памяти и частота системной шипы. В название также могут входить тип и количество расположенных на плате слотов расшире­ния, тип интерфейса для жесткого диска, наличие встроен­ной видео- и аудиокарты. Пример из книги с. 26.

В настоящее время материнские платы стандарта АТХ выпускаются в двух форматах (размерах или форм-факторах): АТХ и Mini ATX. Форм-фактор накладывает ограничения на размеры платы и количество слотов. Современная плата формата АТХ имеет следующий примерный набор слотов: 2-4 слота для установки модулей памяти, один слот графической шины AGP или PCI Express для установки видеокарты, 5-6 слотов шины PCI или 2-3 слота шины PCI и 2-4 слота шины PCI Express для установки дополнительных плат расширения (мо­дем, ТВ-тюнер, сетевая карта). Перед выбором карты необ­ходимо определиться, какие дополнительные устройства будут использоваться, сколько и каких слотов расширения для этого потребуется. То есть необходимо знать тип интерфейса всех устройств - модема, сетевой карты, звуковой карты, ТВ-тюнера.

Если вы предполагаете в дальнейшем увеличивать производительность компьютера за счет приобретения дополнительных модулей памяти и установки более мощных процес­соров, необходимо предусмотреть наличие дополнительных слотов для модулей памяти и выбрать перспективный тип сокета для процессора. Для дисковых накопителей однознач­но необходимо наличие SATA-интерфейса, для видеокарты - PCI Express.

Гарантию стабильной работы и высокой производительно­сти компьютера могут обеспечить лишь платы известных про­изводителей. Конечно, не слишком крупные фирмы тоже вы­пускают качественные платы, однако, приобретая продукцию абсолютно неизвестного производителя (no name) риск полу­чить нестабильную работу вашего компьютера увеличивается.

Проблема разгона процессоров и компьютеров становится в последнее время все более актуальной. Этой проблеме посвящено немало материалов в Интернете, где даже созданы специализированные сайты для оверклокеров, а на прилавках магазинов появляются справочные пособия - учебники по разгону. Подливают масла в огонь и производители материнских плат, которые, пытаясь завоевать признание пользователей, не только допускают возможность разгона на своих материнских платах, но и предлагают к своим платам различные утилиты, упрощающие процесс разгона. Дело дошло уже до того, что стали проводиться официальные соревнования оверклокеров. Например, в конце августа компания Gigabyte организовала в Москве соревнования оверклокеров по разгону процессоров на материнских платах серии P4 Titan.

Впрочем, не все так просто, как может показаться, и разгон - не волшебное средство многократного увеличения производительности. Как ни старайся, нельзя посредством разгона превратить процессор Pentium III в Pentium 4.

Сразу же оговоримся, что существует два типа разгона. Первый тип - это экстремальный разгон, или разгон ради разгона. В результате могут быть достигнуты рекордные показатели, но работать на таких компьютерах будет просто невозможно. Отчасти это напоминает ситуацию с машинами «Формулы-1»: скорости они развивают колоссальные, однако ездить на них по обычным дорогам нельзя. Такой экстремальный разгон несовместим со стабильной работой процессора и для обычного пользователя интереса не представляет. При экстремальном разгоне используется криогенное охлаждение посредством жидкого азота, и проводятся такие эксперименты только для фиксации рекордных результатов.

Другим типом разгона является разгон не в ущерб стабильности в работе. Это своего рода поиск золотой середины между производительностью и надежностью. Именно о таком типе разгона и пойдет речь.

Теория разгона

оворя о разгоне системы, как правило, имеют в виду разгон памяти и процессора (хотя можно разгонять и видеокарты). Под разгоном при этом понимают принудительное увеличение тактовой частоты процессора и памяти (то есть использование частоты выше номинальной), в результате которого компьютер начинает работать более производительно. Например, если вы приобрели компьютер с процессором Intel Pentium 4 1,6 ГГц и оперативной памятью типа DDR266, то путем нехитрых манипуляций его можно заставить работать так же, как, скажем, компьютер с процессором Intel Pentium 4 2,4 ГГц и памятью DDR333. О том, как это сделать, мы и попытаемся рассказать.

Однако прежде всего разберемся с тем, что такое тактовая частота процессора и какие еще частоты бывают в компьютере. Частота процессора, выражаемая в гигагерцах (ГГц), определяет промежуток времени, называемый тактом, в течение которого процессор выполняет определенное количество инструкций. Например, если процессор имеет тактовую частоту 1 ГГц, то это означает, что время одного такта составляет 1 нс (одна миллиардная доля секунды). Если другой процессор имеет тактовую частоту 2 ГГц, то для него время одного такта в два раза меньше, то есть 0,5 нс. Следовательно, одно и то же количество инструкций второй процессор может выполнить в два раза быстрее (если принять, что оба процессора за один такт выполняют одинаковое количество инструкций). Из этого нетрудно сделать вывод о том, что производительность второго процессора в два раза больше. Впрочем, это не совсем так. Давайте задумаемся над тем, что именно следует называть производительностью процессора. С точки зрения пользователя, производительность процессора - это время выполнения им определенного набора команд, последовательность которых и образует программу. Чем оно меньше, тем лучше, то есть тем производительнее процессор. Тогда под производительностью можно понимать количество команд, выполняемых за такт, умноженное на тактовую частоту процессора:

Производительность = (Кол-во команд за такт)х(Тактовая частота)

Количество команд, выполняемых за такт, зависит как от выполняемой программы, так и от архитектуры процессора. На уровне процессора одна команда программы преобразуется в несколько машинных инструкций или элементарных команд, причем эффективность такого преобразования зависит и от архитектуры процессора (с каким набором машинных команд способен работать процессор), и от оптимизации кода под конкретную архитектуру процессора. Кроме того, в зависимости от архитектуры процессора элементарные команды могут исполняться параллельно.

Поэтому некорректно было бы сравнивать производительность процессоров, имеющих различную архитектуру, основываясь только на тактовой частоте процессоров. Вот почему при одной и той же тактовой частоте одни приложения более эффективно могут выполняться на процессорах AMD, а другие - на процессорах Intel.

Однако если рассматривать одно и то же семейство процессоров, то есть процессоры с одинаковой архитектурой, то сравнивать их производительность исходя из частоты процессора будет вполне корректно.

Разгон процессора основан именно на росте производительности за счет увеличения тактовой частоты процессора.

Кроме тактовой частоты процессора в компьютерах различают также частоту системной шины, частоту FSB и частоту шины памяти.

Частота FSB, точнее, частота шины FSB (Front Side Bus) - это основная частота в компьютере, по которой синхронизируются все остальные частоты. В современных компьютерах на базе процессора Intel Pentium 4 эта частота может принимать значения 100 или 133 МГц. Длительность одного такта на этой шине определяется прямоугольными импульсами напряжения, причем время каждого нового такта определяется по положительному (то есть возрастающему) фронту тактирующего импульса (отсюда и название Front Side).

Системная шина, или шина процессора, связывает процессор с так называемым северным мостом чипсета. Не вникая в подробности, отметим лишь, что по системной шине процессор обменивается данными со всеми остальными устройствами. В компьютерах на базе процессора Intel Pentium 4 системная шина работает на частоте 400 или 533 МГц. Как уже отмечалось, частоты всех шин синхронизируются с частотой FSB. В случае процессора Intel Pentium 4 частота системной шины ровно в четыре раза больше частоты FSB. Поэтому если частота FSB составляет 100 МГц, то частота системной шины 400 МГц, если же частота FSB равна 133 МГц, то частота системной шины соответственно 533 МГц. Кроме частоты системная шина характеризуется также пропускной способностью, то есть максимальным количеством данных, которые можно передать по шине за одну секунду. Процессорная шина является 64-битной, а это значит, что за один такт по шине можно передать 64 бита, или 8 байт. Соответственно для 400-мегагерцевой шины пропускная способность составит 3,2 Гбайт/с (400 МГц×8 байт), а для 533-мегагерцевой шины - 4,2 Гбайт/с.

Частота шины памяти определяет скорость обмена данными между памятью и контроллером памяти (он, кстати, как раз и располагается в северном мосте чипсета). Эта частота зависит от типа памяти и синхронизована с частотой FSB. Для наиболее распространенных типов DDR-памяти передача данных происходит два раза за такт, то есть по положительному и отрицательному фронтам тактирующего импульса, поэтому эффективная частота работы памяти в два раза больше тактирующей частоты. Для памяти DDR200, DDR266, DDR333 и DDR400 эффективная частота, определяющая скорость передачи данных, составляет 200, 266, 333 и 400 МГц соответственно. Частота тактирующих импульсов при этом - 100, 133, 166 и 200 МГц соответственно. Частота шины памяти также синхронизована с частотой FSB, и, например, при частоте FSB, равной 133 МГц, частота памяти связана с частотой FSB, как показано в табл. 1 .

Кроме рассмотренных частоты шины памяти и процессорной шины, тактовая частота процессора также синхронизуется с частотой FSB и всегда кратна этой частоте. Коэффициент связи между тактовой частотой процессора и частотой FSB называется коэффициентом умножения. К примеру, если частота FSB составляет 133 МГц, то при коэффициенте умножения 18х процессор Pentium 4 будет работать на частоте 2,4 ГГц. Для процессора Pentium 4 2 ГГц при частоте FSB 100 МГц коэффициент умножения равен уже 20х.

Казалось бы, самый простой способ увеличить тактовую (внутреннюю) частоту процессора - это поднять коэффициент умножения. К примеру, процессор Pentium 4 1,6 ГГц c номинальным коэффициентом умножения, равным 16х (частота FSB 100 МГц), можно превратить в процессор Pentium 4 2,4 ГГц, установив коэффициент умножения равным 24x. Способ действительно очень простой и надежный, но, увы… Во всех современных процессорах (включая семейство процессоров AMD Athlon) возможность изменения коэффициента умножения заблокирована. И если у процессоров AMD путем хитроумных уловок такое ограничение можно снять (информацию о том, как это сделать, можно найти в Интернете), то в отношении процессоров Pentium 4 это принципиально невозможно.

Однако эти обстоятельства - не повод для уныния. Давайте вспомним, что тактовая частота процессора синхронизована с частотой FSB, поэтому если повышать частоту FSB, то автоматически будет возрастать и тактовая частота процессора, благо производители материнских плат (за исключением плат производства Intel) позволяют изменять частоту FSB. Например, если номинальная тактовая частота процессора Pentium 4 составляет 2,4 ГГц при частоте FSB 133 МГц (коэффициент умножения 18x), то при увеличении частоты FSB до 180 МГц тактовая частота процессора увеличивается до 3,24 ГГц (табл. 2).

Говоря о разгоне системы, следует особо подчеркнуть, что только процессор разогнать нельзя, то есть, разгоняя процессор путем увеличения частоты FSB, мы увеличиваем и частоту памяти, поскольку память синхронизирована с работой процессора (см. табл. 2). Это очень важное обстоятельство, о котором порой забывают. Дело в том, что заранее неизвестно, кто первым «умрет» - память или процессор. Более того, как правило, именно память является «тормозом» разгона, не позволяя переходить на более высокие частоты FSB. Так, если процессор способен выдержать разгон до частоты FSB 180 МГц, а память не может работать на частотах FSB более 150 МГц, то разгон будет ограничен именно частотой FSB в 150 МГц. Поэтому очень многое зависит от качества модуля используемой памяти.

Для того чтобы преодолеть ограниченные возможности по разгону памяти, существует два способа. Прежде всего, за счет настроек BIOS можно изменить отношение между частотой FSB и частотой памяти так, чтобы частота шины памяти была как можно меньше. Учитывая, что при разгоне системы частота FSB и частота шины памяти увеличиваются синхронно и в соответствии с заданным между ними отношением, можно создать условия для разгона в большей степени процессора и в меньшей степени памяти. Допустим, система рассчитана на частоту FSB 133 МГц и на использование памяти DDR266, то есть частота в 266 МГц является номинальной для памяти. Тогда если настройками BIOS установить коэффициент связи между частотой FSB и частотой памяти равным 1,5, то при частоте FSB в 133 МГц частота памяти составит 200 МГц, то есть меньше номинальной. При разгоне частоты FSB до 177 МГц процессор будет разогнан, а память станет работать на своей номинальной частоте 266 МГц. Такой способ искусственного «загрубления» памяти используется довольно часто, но и он имеет свои недостатки. Дело в том, что при «загрублении» памяти может возникнуть ситуация, когда при разгоне процессора максимальная достигнутая частота FSB остановится на такой отметке, при которой память еще не достигнет своего номинального значения.

Предположим, что в вашем распоряжении имеется процессор Intel Pentium 4 2,4 B ГГц (коэффициент умножения 18х), имеющий номинальную частоту FSB в 133 МГц и память DDR266. Установив отношение между частотой памяти и частотой FSB равным 1,5, можно, к примеру, разогнать частоту FSB до 160 МГц. В этом случае тактовая частота процессора составит 160 МГц×18 = 2,88 ГГц (что, в общем, не так уж плохо), но вот память при этом будет работать на частоте 160 МГц×1,5 = 240 МГц, то есть меньше того значения, на которое рассчитана. Остается выяснить, что же лучше: поднять тактовую частоту процессора и уменьшить частоту памяти или, в ущерб высоким тактовым частотам, попытаться разогнать одновременно процессор и память.

Описанный выше пример мы привели не случайно. Дело в том, что производительность всей системы определяется не только частотой процессора, но и частотой памяти. Реальный разгон - это поиск золотой середины, когда путем экспериментов приходится определять условия, при которых достигается максимальный рост производительности всей системы в целом.

Другой популярный способ заключается в том, чтобы использовать более быстродействующую память, чем указано в спецификации на материнскую плату. Например, для плат, поддерживающих память DDR266/200, можно использовать память DDR333 или даже DDR400. Сочетая этот способ с первым, можно достичь высоких значений по разгону FSB, не упираясь при этом в возможности памяти.

Говоря о памяти, мы до сих пор рассматривали только ее частоту. Однако DDR-память имеет и другие важные характеристики, влияющие на ее производительность. Это так называемые тайминги памяти, изменением которых во многих случаях можно добиться выигрыша в производительности; подробнее об этом можно прочитать в статье «Память на любой вкус», опубликованной в этом номере журнала.

От теории к практике

Теперь, вооружившись увесистым багажом знаний по теории разгона, приступим к практическим занятиям. Однако, как мы уже отмечали в самом начале статьи, разгон - это не волшебное средство увеличения производительности. Далеко не всегда описанные способы разгона приводят к эффективному увеличению производительности. Каждый процессор рассчитан именно на указанную частоту, и если процессор, скажем, рассчитан на работу на частоте 1600 МГц, то это не прихоть производителя, а объективная реальность. Изначально процессоры Pentium 4 1600 МГц и Pentium 4 2 ГГц изготавливаются по одной и той же технологии, в одних и тех же условиях и на одной и той же технологической линии. Однако на любом производстве, в силу различных обстоятельств, возникают отклонения от заданных норм, которые приводят к тому, что микросхемы процессоров имеют несколько отличные друг от друга характеристики. Для выявления последствий таких отклонений проводятся технический контроль и тестирование продукции. Безусловно, протестировать каждый процессор в отдельности, учитывая масштабы подобного производства, не представляется возможным, поэтому проводится выборочное тестирование из каждой партии готовой продукции. В ходе тестирования выявляется способность процессоров работать на той или иной частоте, после чего вся партия процессоров маркируется в соответствии с данной частотой. Остается вероятность того, что приобретенный вами процессор не прошел выборочного тестирования и способен поддерживать несколько большую частоту, чем указано на маркировке. Кроме того, следует учесть и некоторый «запас прочности», закладываемый производителем. В результате большинство процессоров могут быть немного разогнаны путем увеличения частоты FSB.

Итак, начнем.

Предварительные замечания

Прежде чем приступать к разгону процессора, необходимо улучшить систему охлаждения. В первую очередь правильно установите радиатор с вентилятором на кожух процессора. Казалось бы, ничего сложного, однако это не так. Дело в том, что для достижения хорошего теплоотвода между поверхностями радиатора и процессора наносится слой термопасты (исключение составляют боксовые кулеры, имеющие специальное покрытие для теплоотвода), и если ее недостаточно (не вся поверхность процессора покрыта ее слоем) или она высохла, то следует нанести новый слой, предварительно удалив остатки старого при помощи тампона с растворителем. Только ни в коем случае не соскребайте старый слой термопасты ножом - царапины на поверхности радиатора или процессора приведут к ухудшению теплоотвода. Новую термопасту нужно равномерно тонким слоем распределить по поверхности кожуха процессора. Отметим, что чрезмерно толстый слой тоже нежелателен - теплоотвод только ухудшится. Оптимальная толщина слоя должна составлять 0,5 мм.

Кроме того, стоит подумать и о приобретении хорошего радиатора охлаждения с турбовентилятором, поскольку вентиляторы, поставляемые вместе с процессорами (в боксовых версиях), обычно не рассчитаны на разгон.

Нужно предусмотреть и возможность установки дополнительного вентилятора в системный блок компьютера. Такой шаг хотя и незначительно увеличит уровень шума, но позволит повысить эффективность системы охлаждения.

Немаловажное значение имеет и правильный выбор материнской платы. От самой платы мало что зависит, однако BIOS платы должен предоставлять соответствующие возможности для разгона.

Стандартными являются следующие возможности:

• изменение частоты FSB;
• изменение коэффициента отношения между частотой памяти и частотой FSB;
• изменение таймингов памяти;
• изменение напряжения ядра процессора и памяти.

Различные производители по-разному относятся к проблеме разгона. Так, на всех материнских платах производства Intel эта возможность заблокирована. В то же время такие крупнейшие производители материнских плат, как ABIT, ASUS, Gigabyte, EPoХ, MSI, DFI, и другие не только позволяют менять пользователям перечисленные выше настройки, но даже приветствуют возможность разгона. Так, в комплект поставки некоторых моделей материнских плат входят утилиты для разгона. Преимущество таких утилит в том, что изменение основных настроек происходит не традиционными способами - через BIOS, а программно - при загруженной операционной системе. Следовательно, нет необходимости перезагружать компьютер после внесения очередного изменения. По функциональным возможностям подобные программы частично дублируют BIOS (стоит отметить, что все же в BIOS таких настроек, например изменения тайминга работы памяти, больше), но значительно сокращают время при разгоне системы. Отметим, впрочем, что такие утилиты для разгона, которые работают со всеми типами материнских плат, можно приобрести и отдельно.

Наиболее популярными материнскими платами для разгона традиционно считаются платы ASUS, ABIT, Gigabyte и EPoХ. Однако, это не означает, что платы других производителей для разгона не подходят.

Как мы уже отмечали, разгон процессора возможен через изменение настроек BIOS (Basic Input/Output System). Для того чтобы войти в основное окно BIOS, необходимо при загрузке компьютера нажать клавишу Del или F2 (для плат Intel). Мы произведем разгон на примере конкретной системы, построенной на плате Gigabyte GA-8IXP (версия BIOS F8) с процессором Intel Pentium 4 2,4 ГГц и оперативной памятью DDR266 объемом 1024 Мбайт. Материнская плата Gigabyte GA-8IXP базируется на наборе микросхем (чипсете) i845E c номинальной частотой FSB 133 МГц и допускает широкие возможности по разгону путем изменения настроек BIOS. Впрочем, в материнский платах Gigabyte есть маленькая хитрость: чтобы иметь возможность управлять таймингами памяти, о которых мы расскажем чуть позже, необходимо после входа в основное меню BIOS нажать комбинацию клавиш Ctrl+F1. После этого в BIOS возникнет еще одна дополнительная опция, позволяющая производить настройку таймингов памяти.

Прежде всего разберемся с самыми важными настройками BIOS, которые нам потребуется поменять. Войдите в окно, содержащее информацию о частоте процессора и частоте FSB. В нашем случае это окно называется Frequency/Voltage Control, но при использовании других материнских плат название может быть иное.

В этом окне необходимо задать возможность изменения частоты FSB (если есть соответствующая опция) и найти опцию, позволяющую менять частоту FSB (CPU Host Frequency). Для рассматриваемой платы можно задавать значение FSB в диапазоне от 100 до 350 МГц с шагом в 1 МГц.

В этом же окне имеется возможность задать отношение между частотой FSB и частотой памяти (опция Host/DRAM Clock ratio). В нашем случае возможные значения соотношения между частотой FSB и частотой памяти составляли 1,5; 2,0 или Auto.

Кроме того, данный пункт меню BIOS позволяет задавать частоты PCI- и AGP-шин. Лучше всего их зафиксировать на номинальном значении, то есть 33 и 66 МГц соответственно, чтобы установленные PCI-устройства не оказывали влияния на возможность разгона.

Ну и последний пункт в данном окне - установка напряжений ядра процессора, памяти и AGP-шины. Собственно, значение напряжения ядра процессора и памяти не сказывается на производительности, но при переходе на более высокие частоты может потребоваться и более высокое напряжение питания.

Кроме перечисленных пунктов меню для разгона системы нам потребуется ознакомиться с настройками работы памяти. Для этого перейдите к меню BIOS, позволяющему осуществлять конфигурацию памяти. В открывшемся меню часть пунктов определяют настройку работы модулей памяти.

Память можно настраивать вручную или задать автоматическую конфигурацию .

При выборе режима вся информация о типе памяти и так называемом тайминге ее работы считывается из специальной SPD-микросхемы, которая имеется на каждом модуле памяти. При выборе допускается ручная настройка режима работы модуля памяти. Фактически это позволяет производить разгон памяти (если вам повезло, и память имеет для этого некоторый запас) точно так же, как и разгон процессора.

После установки режима становятся доступными следующие пункты меню: CAS Latency Time, Active to Precharge Delay, DRAM RAS# to CAS# Delay и DRAM RAS# Precharge Time. Именно эти пункты меню и определяют так называемый тайминг памяти.

Алгоритм разгона

Перед тем как приступать к разгону, необходимо выбрать тестовую утилиту, с помощью которой можно будет оценить полученный рост производительности, а также стабильность работы системы. Без жесткого контроля может сложиться ситуация, при которой изменение настроек BIOS приведет к ухудшению производительности. Для такого программного контроля мы рекомендуем использовать тестовую программу SiSoftware Sandra 2002. Эта утилита содержит набор синтетических тестов, то есть тестов, оценивающих производительность системы не на реальных, а на специально созданных приложениях, и позволяет сконцентрироваться на тестировании отдельных подсистем компьютера. Так, при тестировании CPU результат гарантированно не будет зависеть от производительности других подсистем. Из всего набора тестов SiSoftware Sandra 2002 нам потребуются тесты CPU Arithmetic Benchmark, CPU Multi-Media Benchmark и Memory Bandwidth Benchmark. Первые два из них оценивают производительность процессора на типичных операциях с вещественными и целыми числами, а третий определяет пропускную способность канала между оперативной памятью и процессором.

Фиксировать полученные результаты удобно с помощью утилиты CPU-Z v.1.14a, которая точно определяет достигнутую частоту процессора. В качестве примера мы будем разгонять систему следующей конфигурации:

• процессор: Intel Pentium 2,4 B ГГц (Northwood, 0,13 мкм);
• материнская плата: Gigabyte GA-8IXP (версия BIOS F8);
• память: DDR266 1024 Мбайт (два DIMM-модуля Samsung CL2,5).

Кроме того, мы использовали следующее программное обеспечение:

• Windows XP Professional SP1;
• Intel Chipset Software Installation Utility v. 4.00.1013;
• Intel Application Accelerator 2.2.2.2150;
• SiSoftware Sandra 2002;
• CPU-Z v.1.14a.

На первом этапе разгона зафиксируем результат, полученный при номинальных частотах процессора и памяти. После чего будем постепенно увеличивать частоту FSB и фиксировать полученные результаты (табл. 3). Первоначально попытаемся разгонять процессор синхронно с памятью, установив коэффициент отношения между частотой памяти и частотой FSB равным 2, то есть зададим частоту памяти 266 МГц, что соответствует ее номинальной частоте. Кроме того, тайминги памяти, а также напряжения ядра процессора и памяти должны соответствовать номинальным значениям. В нашем случае тайминги памяти имели следующее номинальное значение:

• CAS Latency Time - 2,5;
• Active to Precharge Delay - 6;
• DRAM RAS# to CAS# Delay - 3;
• DRAM RAS# Precharge - 3.

Из таблицы видно, что максимальная достигнутая частота FSB, при которой компьютер не только загружается, но и стабильно работает, составляет 159 МГц (рис. 1).

При этом прирост по тактовой частоте процессора составляет 20%, что не так уж и плохо. Для дальнейшего улучшения результатов можно попытаться поднять напряжение на памяти. Увеличивать напряжение необходимо постепенно, так как более высокий уровень напряжения приводит и к большему нагреву. Перегрев системы может вызвать нестабильность в работе, что проявляется или в зависании, или в самопроизвольных перезагрузках. В нашем случае увеличение напряжения даже на 0,3 В (максимальное значение) не дало положительного результата - поднять частоту FSB не удалось. Поэтому достигнутая частота FSB в 159 МГц является максимально возможной. Дополнительный прирост производительности можно попытаться получить при изменении тайминга работы памяти. Методом проб и ошибок удалось изменить значение Active to Precharge Delay с 6 до 5. При этом результаты теста на пропускную способность памяти несколько возросли, однако стабильность работы всей системы понизилась, поэтому пришлось вернуться к первоначальным значениям.

Как уже говорилось выше, второй способ разгона, позволяющий достичь более высоких значений тактовой частоты процессора, заключается в том, чтобы искусственно «загрубить» память. Для этого установим отношение между частотой памяти и частотой FSB равным 1,5, то есть зададим частоту памяти равной 200 МГц при номинальном значении частоты FSB и повторим описанную выше процедуру разгона (табл. 4). Единственное различие заключается в том, что тайминги памяти теперь принимают следующее номинальное значение:

• CAS Latency Time - 2;
• Active to Precharge Delay - 5;
• DRAM RAS# to CAS# Delay - 2;
• DRAM RAS# Precharge - 2.

Учитывая, что это минимально возможные значения, изменять тайминги памяти для улучшения результатов уже не имеет смысла.

Как видно из таблицы, максимальное значение FSB, которое удается получить в этом случае, составляет 172 МГц (рис. 2). Однако для достижения этого значения пришлось повысить напряжение на ядре процессора с 1,5 до 1,6 В. В противном случае максимальное значение FSB не превышало 170 МГц. Прирост тактовой частоты процессора при этом составляет уже 29%.

Теперь остается выбрать, какой из двух вариантов разгона предпочесть. Для этого более внимательно проанализируем результаты. В первом случае разгон ограничивается возможностью памяти, которая при частоте FSB в 159 МГц работает на частоте 318 МГц (при номинальной частоте в 266 МГц). Во втором случае достигается максимально возможная частота процессора 3,1 ГГц и разгон системы ограничивается именно возможностью процессора. В результате выигрыш в производительности процессора за счет большей тактовой частоты процессора составляет в среднем 8%. Однако при этом наблюдается проигрыш в пропускной способности памяти на 23,1% (рис. 3).

При работе с реальными приложениями, когда обмен процессора с памятью не менее важен, чем его внутренняя тактовая частота, следует предпочесть первый вариант разгона, то есть ограничить частоту FSB значением в 159 МГц.

Подводя итог

Разобранный выше пример разгона системы наглядно показал, что не всегда большее значение тактовой частоты процессора приводит к лучшим результатам. Кроме того, мы смогли выявить максимально достижимые частоты памяти и процессора. Очевидно, что использование памяти DDR333 позволило бы получить значительно лучшие результаты, так как в этом случае тормозом разгона стал бы уже сам процессор, а не память.

В заключение хотелось бы сказать несколько слов по поводу утилит для разгона. Примером такой утилиты может служить программа Easy Tune 4, которая поставляется в комплекте с материнскими платами Gigabyte. Конечно, у данной утилиты есть несомненный плюс - для изменения частоты FSB нет необходимости перезагружать компьютер и пользоваться настройками BIOS. Утилита также позволяет менять напряжения ядра процессора, причем устанавливать большие значения (вплоть до 1,85 В), чем это позволяет делать BIOS. Естественно, что разогнать систему с помощью такой утилиты очень просто. В качестве примера мы разогнали наш компьютер до частоты FSB в 180 МГц (рис. 4). Тактовая частота компьютера при этом составила 3,24 ГГц, а частота памяти - 270 МГц. Казалось бы, это рекордный результат, который не удавалось получить изменением настроек BIOS. Да, действительно, цифры впечатляют, но есть одно но… Дело в том, что при такой частоте FSB компьютер никогда не загрузится (ведь утилита меняет частоту FSB без перезагрузки компьютера), да и стабильность в работе оставляет желать лучшего.

Поэтому данная утилита и ей подобные не могут заменить «классического» способа разгона системы.

КомпьютерПресс 11"2002