Every people has right on left
Chia ulo havas rajton sur levo
Каждый человек имеет право на лево
(Н. Фоменко)
CopyLeft (L) Юрий А. Денисов
(yudenisov)
Все права защищены
B.3. Тактовая частота.
Все операции в микропроцессоре синхронизируются со специальными синхроимпульсами, вырабатываемой специальной микросхемой – таймером. Синхроимпульсы нужны для того, чтобы все схемы работали с одинаковой скоростью. Дело в том, что разные элементы схемы (триггеры, сумматоры, логические элементы, дешифраторы) по определению работают с разной скоростью. Это связано с технологическими (разная ширина базы у биполярных транзисторов, каналов у полевых транзисторов, разная протяженность элементов, их электрического сопротивления, подвижности электронов в разных направлениях кристалла), так и субъективными причинами (отклонения от технологии производства, условия эксплуатации, неравномерный нагрев микросхемы в приборе и т.п.) Поэтому в "логику" схемы вводят дополнительный элемент – синхросигнал, и все операции происходят только в момент смены сигнала синхроимпульса с 0 на 1. Конечно, это намного замедляет работу системы, однако появляется гарантия, что операция будет происходить с текущими данными на "текущем" шаге, а не прошлыми или даже позапрошлыми, поступившими с опозданием в преобразователь данных из-за разной скорости работы элементов схемы.
Кажется очевидным, что чем выше тактовая частота, тем выше скорость работы процессора. Однако не все так просто. Чтобы сделать тактовую частоту выше, необходимо уменьшить элемент схемы (т.е. уменьшить расстояние, проходимое носителями заряда). Это, во-первых, сложно технологически. Во-вторых, увеличивается сопротивления каждого элемента. Это значит (закон Джоуля-Ленца), что процессор будет сильно нагреваться. А это, в свою очередь, приведет к еще большему изменению параметров микросхемы и скорости работы различных участков микросхемы. И мы опять пришли к исходному состоянию. В-третьих, усиливается т.н. "дробовой эффект" в приборе, что может совершенно изменить соотношение "сигнал - шум" в микросхеме и исказить сигнал. Короче, "за что боролись, на то и напоролись...".
Из статей начала 90-х годов XX века автор узнал, что брак при производстве интегральных микросхем в США достигал 95%! Чтобы цены на микропроцессоры не были астрономическими при таком браке, использовалась и до сих пор используется многоуровневая система контроля. На первом этапе партия тестируется на соответствие заявленным параметрам (с выходом 5%). Если пробная микросхема не выдерживает тесты, партию "понижают в сорте", и пробную микросхему тестируют на соответствие более низким нормам (например, снижают тактовую частоту на 100 МГц.) Если она удовлетворяет этим нормам, на всю партию выдается сертификат с этой нормой. Если же микросхема опять не удовлетворяет этим нормам, происходит дальнейшее снижение требований к партии и т.д.
Таким образом удается снизить брак до 30%. Однако, поскольку бракуется вся партия, в ней могут находиться и микросхемы с более высокими характеристиками, чем это указывается в сертификате. На этом основан так называемый "разгон" процессоров – увеличение его тактовой частоты выше номинала. Часто такой прием срабатывает, и процессор нормально работает. Однако "разгон" может привести к перегреву и порче процессора и системного блока. Так что "думайте сами...".
Как уже указывалось в п. B.2, минимальное время исполнения команды – один такт. Но некоторые операции выполняются медленнее, или включают в себя несколько более простых операций, Такие операции выполняются за несколько тактов. Поэтому самый лучший способ повышения скорости работы компьютера – уменьшение количества тактов для одной сложной операции. Именно по этому пути идут разработчики архитектуры микропроцессоров.
.