Процессор и оперативная память кратко

Обновлено: 02.07.2024

Процессор. Процессор аппаратно реализуется на большой интегральной схеме (БИС). Большая интегральная схема на самом деле не является "большой" по размеру и представляет собой, наоборот, маленькую плоскую полупроводниковую пластину размером примерно 20x20 мм, заключенную в плоский корпус с рядами металлических штырьков (контактов). БИС является "большой" по количеству элементов.

Использование современных высоких технологий позволяет разместить на БИС процессора огромное количество (42 миллиона в процессоре Pentium 4 - рис. 4.2) функциональных элементов (переключателей), размеры которых составляют всего около 0,13 микрон (1 микрон = 10 -6 метра).

Рис. 4.2. Внутренняя структура процессора Intel Pentium 4

Важнейшей характеристикой, определяющей быстродействие процессора, является тактовая частота, то есть количество тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началами подачи двух последовательных импульсов специальной микросхемой - генератором тактовой частоты, синхронизирующим работу узлов компьютера. На выполнение процессором каждой базовой операции (например, сложения) отводится определенное количество тактов. Ясно, что чем больше тактовая частота, тем больше операций в секунду выполняет процессор. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц). 1 МГц = миллион тактов в секунду. За 20 с небольшим лет тактовая частота процессора увеличилась почти в 500 раз, от 5 МГц (процессор 8086, 1978 год) до 2,4 ГГц (процессор Pentium 4, 2002 год) - табл. 4.1.

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность процессора. Разрядность процессора определяется количеством двоичных разрядов, которые могут передаваться или обрабатываться процессором одновременно. Часто уточняют разрядность процессора и пишут 64/36, что означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 36-разрядную шину адреса.

В первом отечественном школьном компьютере "Агат" (1985 год) был установлен процессор, имевший разрядность 8/16, соответственно одновременно он обрабатывал 8 битов, а его адресное пространство составляло 64 килобайта.

Современный процессор Pentium 4 имеет разрядность 64/36, то есть одновременно процессор обрабатывает 64 бита, а адресное пространство составляет 68 719 476 736 байтов - 64 гигабайта.

Производительность процессора является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, по скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

Оперативная память. Оперативная память, предназначенная для хранения информации, изготавливается в виде модулей памяти. Модули памяти представляют собой пластины с рядами контактов, на которых размещаются БИС памяти. Модули памяти могут различаться между собой по размеру и количеству контактов (DIMM, RIMM, DDR - рис. 4.3), быстродействию, информационной емкости и так далее.

Рис. 4.3. Модули памяти DIMM, RIMM, DDR

Важнейшей характеристикой модулей оперативной памяти является быстродействие, которое зависит от максимально возможной частоты операций записи или считывания информации из ячеек памяти. Современные модули памяти обеспечивают частоту до 800 МГц, а их информационная емкость может достигать 512 Мбайт.

В персональных компьютерах объем адресуемой памяти и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются. Хотя объем адресуемой памяти может достигать 64 Гбайт, величина фактически установленной оперативной памяти может быть значительно меньше, например, "всего" 64 Мбайт.

1. Какие технические характеристики и как влияют на производительность компьютера?

Приветствую. В данной статье я постараюсь рассказать как оперативная память может влиять на процессор. Постараюсь написать все простыми словами, чтобы было понятно даже начинающему пользователю.

Что делает процессор и оперативная память?

Сперва необходимо разобраться как работает процессор и оперативная память. Зачем нужны вообще эти устройства, что они делают?

Процессор или CPU (Central Processing Unit) — устройство которое обрабатывает данные, можно сказать что занимается вычислениями (выполняет машинные инструкции).
Оперативная память или RAM (Random Access Memory) — место, где хранятся данные, которые обрабатываются процессором. Также в этой памяти хранятся данные, которые потребуются в будущем. Неиспользуемая память может использоваться под кэш, чтобы повторный запуск приложений и работа некоторых функций — была быстрее.

Также вы еще можете встретить термин GPU — это значит видеокарта, а iGPU — встроенное графическое ядро в процессоре.

Процессор и оперативная память — два важных устройствах, от которых собственно и зависит производительность устройства, неважно, ноутбук это, компьютер или смартфон. Везде присутствует оперативка и процессор. Да, если устройство для игр — то также еще важен графический адаптер.

Информация, которая может быть полезной.

В серверах используется много оперативной памяти. Сервер — это постоянно запущенное огромное количество программ, которые в свою очередь разделены на условные группы. Сервер может иметь два процессора (возможно и больше). Чтобы огромное количество запущенных приложений корректно функционировало — нужно также огромное количество оперативной памяти.

Как оперативная память влияет на процессор?

Поэтому отвечая на вопрос как влияет оперативная память на процессор, можно сказать так: от ее количества зависит сможет ли процессор постоянно обрабатывать новые данные, а не ждать, пока появятся новые данные в памяти.

Дело в том, что процессор данные обрабатывает относительно быстро. Но если памяти не хватает — то чтобы освободить память для новой программы, нужно часть содержимого оперативки сбросить на диск. Этот процесс небыстрый и называется своппинг. Потом, когда данные, которые были сброшены на диск — опять понадобятся, они будут прочтены с диска и записаны в память. Но проблема в том, что запись на диск (write) и чтение (read) — процесс медленный относительно скорости оперативки.

Поэтому когда мало оперативки — присутствуют тормоза, которые вызывает диск, но процессор при этом может быть нагружен слабо, он просто ждет пока данные будут загружены в оперативку, чтобы он их смог обработать. А чтобы они были загружены — нужно освободить место в памяти. Когда оперативки достаточно — данные запущенных программ не сбрасываются на диск и процессор всегда имеет к ним быстрый доступ. Уже можно сделать вывод — чем больше оперативки, тем больше может быть запущенно приложений и это абсолютно верно.

Больше оперативки или мощный процессор?

Здесь тоже все спорно:

Если процессор слабый, то сколько не добавляйте оперативки — ситуацию это не изменит. Процессор все равно медленно обрабатывает данные, поэтому вы будете ждать дольше.
Если процессор быстрый, а оперативки не хватает — процессор обработает данные и будет ждать новых. Ждать будет потому что оперативки мало и чтобы появилось место — нужно сбросить часть данных на диск, а на это нужно время.

Вывод: мощность процессора и обьем оперативки — должно гармонично сочетаться. Чего-то одного много или мощного — будет недостаточно. Если не хватает оперативы, то какой бы вы мощный проц не поставили — это ничего не изменит.

А что может помочь? Улучшит ситуацию твердотельный диск SSD — его скорость считывания/записи намного выше, чем у обычного жесткого диска HDD.

Если вы когда-нибудь задумывались, что это за процесс, за которым следует процессор и Оперативная память что он назначил для получения данных и инструкций, которые он должен выполнить, то вам повезло, потому что в этой статье мы собираемся объяснить, что это за процесс связи между двумя наиболее важными элементами ПК, с которыми общаются разное.

В этой статье мы не будем объяснять, какой тип оперативной памяти лучше or спецификации каждого , но процессор связывается с ним, чтобы иметь возможность выполнять программы.

Причина почему мы используем внешнюю память потому, что количество транзисторов, необходимых для хранения информации, не поместится в пространстве процессора , поэтому необходимо использовать память RAM, внешнюю по отношению к процессору, для хранения инструкций и данных, которые они будут выполнять.

Зачем процессору связь с ОЗУ?

Счетчик команд: ПК указывает на следующую строку памяти, где находится следующая инструкция процессора. Его значение увеличивается на 1 каждый раз, когда завершается полный цикл команд или когда команда перехода изменяет значение программного счетчика.
Регистр адреса памяти: MAR копирует содержимое ПК и отправляет его в RAM через адресные контакты ЦП, которые соединены с адресными контактами RAM.
Регистр данных памяти : Если инструкция прочитана, то ОЗУ будет передавать через свою шину данных содержимое адреса памяти, на который указывал MAR.
Реестр инструкций: Инструкция копируется в регистр инструкций, откуда блок управления расшифровывает ее, чтобы знать, как выполнить инструкцию.

Что такое память DRAM?

тип памяти, используемой для RAM как системное ОЗУ, так и видеопамять или видеопамять. Память DRAM или 1T-DRAM . В этом типе памяти каждый бит хранится в комбинация конденсатора и транзистора , а не в нескольких транзисторах, таких как SRAM, отсюда и название 1T-DRAM.

Вся память RAM, используемая в настоящее время в ПК: DDR4, GDDR6, HBM2e, LPDDR4 и т. Д., Является памятью типа DRAM, в то время как внутренняя память процессоров, кеши регистров и блокноты относятся к типу SRAM.

Указанная комбинация конденсатора и транзистора называется Bitcell , когда конденсатор битовой ячейки заряжен, интерпретируется, что информация, содержащаяся в этой битовой ячейке, равна 1, когда она не заряжена, она интерпретируется как 0.

Битовые ячейки организованы в матрицу, в которой контакты адресации используются для доступа к ним следующим образом:

Первая половина битов выбирает строку, к которой мы хотим получить доступ
Вторая половина битов адресации содержит столбец, к которому мы хотим получить доступ,

Для этого между матрицей битовых ячеек и шиной адресации существует двоичный декодер, который позволяет выбрать соответствующую битовую ячейку.

Контакты для связи с RAM

адресация штифты : Обычно обозначается от A0 до AN, где N - количество контактов и равно количеству бит адресации, которое всегда равно 2 ^ N.
Контакты данных : Здесь данные передаются в оперативную память и из нее.
Запись разрешена: Если вывод активен, передача данных осуществляется в память, запись, с другой стороны, если она не активна, то в сторону процессора, чтение.

Если наша система имеет несколько микросхем памяти RAM, то первые биты адресации используются для выбора, к какой из микросхем памяти мы хотим получить доступ в модуле памяти DIMM. Также были случаи, когда адрес и контакты данных совпадали. Это связано с тем, что адресация и доступ к данным не выполняются одновременно.

Но чтобы понять, как работает адресация, мы должны рассмотреть основную часть электроники - двоичный декодер.

Двоичный декодер и его роль в связи с RAM

В оперативной памяти адресация передается в двух циклах: сначала отправляется строка, к которой необходимо получить доступ, а затем столбец, а не одновременно.

По этой причине обращение к оперативной памяти происходит в два этапа.

Банки памяти

Данные в ОЗУ не хранятся последовательно , но в разных банках на одном чипе, каждый из банков содержит массив битовых ячеек , но если мы хотим передать, например, n битов данных, нам понадобится n массивов битовых ячеек, каждый из которых подключен к выводу шины данных.

Использование несколько банков , в той же микросхеме памяти, позволяет выбрать несколько бит одновременно с одним доступом к памяти , поскольку все банки разделяют адресацию . Таким образом, если у нас есть 8 банков памяти, выбор конкретной битовой ячейки приведет к одновременной передаче данных в 8 банков памяти и из них.

Стандартный размер банков в памяти RAM составляет 8 бит, поэтому максимальный объем памяти при адресации всегда считается как 2 ^ n байтов. Фактически, это 16-, 32-, 64-битные шины и т. Д. Они передают данные нескольких последовательных адресов памяти, начиная с первого.

Связь между RAM и CPU

Выберите столбец (Адресация)
Выберите строку (Адресация)
Передача данных.

Для этого используется ряд специальных контактов, один из которых мы уже видели, и это запись Enable, а два других следующие:

Строб доступа к колонке: Этот вывод активируется, когда мы указываем оперативной памяти, что указываем столбец, к которому хотим получить доступ.
Строб доступа к строке :: Этот вывод активируется, когда мы указываем оперативной памяти, что указываем строку, к которой хотим получить доступ.

Обе операции можно резюмировать следующим образом:

Операция чтения очень проста, для этого у вас должен быть неактивен вывод WE, чтобы указать, что данные идут из ОЗУ в процессор, указать строку, а затем столбец, чтобы информация поступала к процессору из ОЗУ памяти. .
Операция записи несколько отличается, для этого вывод WE должен быть активен, но данные передаются не после выбора столбца данных, а после выбора строки и одновременно с выбором столбца, в котором находятся данные.

Благодаря этому вы уже можете получить приблизительное представление о том, как работает связь между процессором и его оперативной памятью.

Егор Морозов | 16 Июня, 2018 - 14:30

Для большинства пользователей ПК критерий выбора оперативной памяти схож с выбором накопителя — чем больше, тем лучше. И с этим, конечно же, не поспоришь — как говорится, памяти много не бывает. Но почему-то многие забывают про скоростные характеристики памяти, считая, что они слабо влияют на производительность.

Однако на практике получается интересная картина — так, при разгоне памяти. растет производительность центрального процессора, причем зачастую это не какие-то доли или единицы процентов, заметные только в бенчмарках — нет, это вполне ощутимые и при обычной работе десятки процентов. Казалось бы — это какая-то магия, разгоняешь один компонент, а увеличивается производительность другого, но это перестает казаться странным, если вспомнить, что компьютер — это совокупность завязанных друг на друга компонентов, которые не могут работать по отдельности. Ведь, к примеру, уже никого не удивляет, что система на SSD грузится и работает существенно быстрее, чем на HDD, хотя все остальные компоненты при этом могут быть точно такими же.

Но если с накопителями все понятно — чем быстрее их скорости чтения и записи, тем быстрее будут читаться файлы, и тем быстрее будет происходить с ними работа, то вот в случае с ОЗУ и процессором все остается туманным, и в этой статье мы попытаемся развеять этот туман.

Как происходит обсчет данных на процессоре

Начнем с того, как именно процессор работает с данными. По сути перед ним стоит задача: у него есть неструктурированная информация, с которой он должен что-то делать. Сама информация хранится в кэше процессора — это небольшой объем быстрой памяти, которая обычно расположена на одном кристалле с CPU для быстрого доступа к ней.

Каждый процессор имеет множество вычислительных блоков — ALU или FPU — которые и предназначены для работы с арифметическими и логическими данными. И каждый такт процессор выбирает из очереди именно те микрооперации, которые могут занять как можно больше вычислительных блоков, и если так получается, что мы нагружаем все доступные блоки, то мы достигаем максимальной загрузки и, значит, и производительности процессора.

На практике же, разумеется, всегда встречаются простои. Рассмотрим это на простом примере: допустим, нам нужно сложить X и Y. Казалось бы, плевая задача — но только при условии того, что мы эти X и Y знаем. Но зачастую X — это результат сложения A и B, а Y — результат, допустим, разности C и D. Поэтому процессору сначала нужно посчитать A+B и C-D, и лишь потом он сможет вычислить X+Y. В итоге вычисление X+Y откладывается как минимум на один такт, что приводит к появлению пустого места в конвейере на текущем такте.

И тут есть два дальнейших сценария — или процессор не ошибся и все посчитал верно, тем самым ускорив вычисления, или же он ошибся, и нужно полностью перезапускать весь вычислительный конвейер, что приводит к резкому падению производительности. И, к слову, именно улучшения в предсказателе ветвлений в последнее время и дают наибольший вклад в рост производительности — его дорабатывают так, чтобы он как можно меньше ошибался.

Нужно больше золота памяти

Очевидно, что проблем с недостатком данных не было бы в принципе, если процессор хранил все нужные данные у себя. Однако на практике это слишком дорого, поэтому кэш рос медленно — в 90-ые годы это были десятки килобайт кэша первого уровня (L1). На рубеже тысячелетий этого стало катастрофически мало, и добавили кэш второго уровня, L2, объемом в сотни килобайт. В конце нулевых появился кэш L3, позволяющий хранить несколько мегабайт информации, ну и совсем недавно, в 2015 году, появились процессоры с кэшем четвертого уровня, L4, объем которого мог быть до 128 МБ.

Смысл в увеличении объема кэша был прост — обеспечить процессор как можно большим количеством данных, получить доступ к которым он может с наименьшими задержками, что, в свою очередь, уменьшает количество простоев. Но, разумеется, все данные в кэш поместить не получится, поэтому часть их хранится в ОЗУ, которая имеет задержки доступа зачастую на порядок больше, чем кэш L1, и в разы больше, чем L3. Плюс пропускная способность памяти кажется просто смешной, если сравнивать ее с теми гигантскими объемами информации, с которыми процессор может оперировать ежесекундно.

Поэтому, если нам нужно обсчитать большой объем информации, который не помещается в кэш, то задержки при работе с ОЗУ и ее относительно низкая пропускная способность прямым образом влияют на загрузку процессора — то есть на то, будут ли у него данные для вычислений, или нет — а это, в свою очередь, напрямую влияет на его производительность.

Теперь представим, что у нас есть идеальная память, частоту которой можно увеличить вдвое. Что произойдет? Во-первых, вдвое увеличится пропускная способность. Во-вторых, вдвое уменьшатся задержки — потому что они изначально измеряются не в наносекундах, а в тактах контроллера памяти, которые обратно пропорциональны частоте. Соответственно рост частоты вдвое во столько же раз уменьшает задержки.

Конечно, на практике это ни разу не так — есть еще собственная задержка контроллера памяти, да и вдвое увеличить частоту и не увеличить при этом тайминги — фантастика. Но, раз мы представили идеальную картину, то пусть будет так. В итоге мы уменьшили задержки вдвое, и теперь процессор простаивает лишь 25% времени.

Зеленое — нагрузка на процессор, красное — простой, желтое — аппроксимирующая линия, по которой явно видно, что с ростом частоты до бесконечности время простоя уменьшается до нуля.

И тут становится ясно, что ОЗУ в общем-то не увеличивает производительность процессора — она лишь уменьшает время его простоя, приближая его к той производительности, которую он мог бы выдавать в идеальном мире. Поэтому не надейтесь на то, что, купив какой-нибудь Intel Celeron и DDR4-5000, вы получите производительность Core i7 — нет, такого не будет и близко. Но все еще, имея высокопроизводительный процессор, можно заставить его выдавать больше производительности, разогнав память. А вот оптимальный уровень частоты ОЗУ и ее задержек для каждого процессора свой — но это уже практическая область, которую мы в этой статье касаться не будем.

Читайте также: