12383 מאמרים - מנוע לחיפוש מאמרים - פרסום מאמרים חינם

נושא המאמר: Over clocking המהרת ביצועי המעבד
מאת: דהן איתן   שמור מאמר למועדפים

בשנים האחרונות נכנסה תופעה חדשה שבה משנים את 'הגדרות' המעבד כך שיעבוד בקצבים מהירים יותר.תופעה זאת ידועה בשם "המהרה" או באנגלית, Over clocking. בפעולה זו למעשה גורמים למעבד לפעול במהירות שעון גבוהה יותר ממנה הוא תוכנן ומכאן שמו.
מהירות מעבד מורכבת(בין השאר) ממהירות אפיק (FSB),הנמדדת בהרצים, ומכפלה(קבוע). לדוגמא: מעבד Pentium 4 1800 "Northwood" פועל במהירות שעון של (18*100 =) 1800 מ"ה כלומר, מהירות האפיק הינה 100 מ"ה והמכפלה הינה 18. בפעולת ההמהרה, משנים למעשה את מהירות האפיק, וכתוצאה ישירה מכך מהירות המעבד גדלה, וכמו כן, צמאונו למתח גדל ולעיתים גם עלייה ניכרת בטמפרטורות העבודה שלו,לשם כך נעזרים במערכת קירור משופרת.
תופעת ההמהרה הייתה קיימת עוד בראשית דור הפנטיום 2, אך נראה כי במ"ס השנים האחרונות התופעה גדלה בצורה יוצאת דופן, ובכל קבוצת דיון של חומרה למינהם, ניתן לראות אינספור הודעות הקשורות לנושא.
________________________________________
________________________________________
(CPU) יחידת העיבוד המרכזית

יחידת העיבוד המרכזית היא לבו של המחשב. אפשר אפילו לטעון שיחידת העיבוד המרכזית היא המחשב. תיאורטית, יתכן מחשב שאין לו כל רכיב אחר לבד מיחידת העיבוד המרכזית. לא יהיה לנו שימוש רב במחשב כזה, אך פעולת העיבוד (שהיא מטרת קיומו של המחשב) יכולה להתבצע גם אם יש לנו ,רק יחידת עיבוד מרכזית. יחידת העיבוד המרכזית קרויה לשם קיצור יע"מ היע"מ של כל מחשב .Central Processing Unit ראשי תיבות של :CPU או ,ספרתי, סדרתי ואלקטרוני מכיל יחידה אריתמטית-לוגית, יחידת בקרה צמוד ליחידת העיבוד המרכזי נמצא הזיכרון .(registers) ואוגרים הראשוני. ביחידת העיבוד המרכזית מתרחשים כל העיבודים שמבצע המחשב האלקטרוני. הקשר בין רכיבי יחידת העיבוד המרכזי, ומעבר הנתונים . (bus) וההוראות נעשה על גבי נתיבי תקשורת הקרויים (ביחד) "הערוץ"


יחידת העיבוד המרכזית היא המקום בו מתבצע העיבוד הסדרתי של המחשב האלקטרוני, הספרתי, הסדרתי. היע"מ חבוי מן העין בדרך כלל. שלא כמו רכיבים אחרים של המחשב (כמו המקלדת, המסך, כונני סרטים ותקליטים),היע"מ נמצא בדרך כלל בתוך קופסא תמימה למראה. אבל היע"מ היא, כאמור החלק החשוב ביותר של המחשב. סדרתיות העיבוד במחשב משמעותה שתפקיד כל שאר מערכות החומרה להזין את הפעילות של היע"מ וכל שאר יחידות. החומרה "ממתינות" לקצב פעולתה של היע"מ
היא הרכיב הראשון של יחידת העיבוד (control unit) יחידת הבקרה המרכזית. יחידת הבקרה מפענחת את הוראות התכנית, ומכוונת את פעולות שאר חלקי המחשב. אפשר לדמות את פעולתה של יחידת הבקרה לפעולת מרכזיה של טלפונים. יחידת הבקרה מבצעת את הקישור בין רכיבי המחשב האחרים ומתזמנת את פעולת כל הרכיבים כפי שאלה נדרשים על ידי התוכנית הנמצאת בהרצה.
בזיכרון המחשב (בו נדון ביתר הרחבה בהמשך) שמורים נתונים והוראות הכתובות בשפה הנקראת "שפת מכונה" ניתנות לביצוע על ידי המעבד. יחידת הבקרה מונחית על ידי הוראות בשפת מכונה. פקודות כיוון(interrupts) מיוחדות המיועדות ליחידת הבקרה עצמה, שדימינו את יחידת הבקרה למרכזיית טלפונים, אפשר עתה לדמות את פעולת לפעולתה של "שיחה ממתינה" במרכזיית טלפונים. המרכזייה ה interrupt פועלת בדרך כלל במשימות רגילות (למשל, חיוג). לפקודת כמו לשיחה ממתינה יש "מעמד מיוחד". יחידת הבקרה מיועדת ומסוגלת לפעול בשתי רמות "דחיפות": הפעולות הרגילות (המקבלות ביטוי של פקודה בשפת מכונה), והפעולות הדחופות במיוחד המגיעות ליחידת הבקרה בצורה של interrupt
בביצוע הוראה בשפת מכונה יש, מבחינתה של יחידת הבקרה, שני שלבים (א) שלב הפענוח, ו- (ב) שלב הוצאה לפועל. ביצועה של הוראה מתחיל .מהעברתה של ההוראה מן הזיכרון הראשוני אל יחידת הבקרה, לצורך פענוח, יחידת הבקרה מפרקת את ההוראה לרכיביה: הפעולה וכתובות הפעולה. למשל: אם ההוראה היא לחבר שני מספרים, היא צריכה להכיל פועל ("לחבר") ושלוש כתובות: (1) את מה לחבר, (2) למה, ו- (3) היכן לשים את התוצאה הפעולה עצמה נקראת גם operation ואילו הכתובות עליהן היא פועלת (מושאי הפעולה) נקראים operands. שלב ההוצאה לפועל מתחיל בכך שיחידת הבקרה מורה לרכיב המתאים במחשב לבצע פעולת חישוב, העברה, או כתיבה. ההוראה של יחידת הבקרה יכולה להיות מופנית ליחידה האריתמטית-לוגית (לצורך חישוב), או ליחידות קלט או פלט, לצורך אחסון, הצגה או שליפה של נתונים
(arithmetic-logic unit) היחידה האריתמטית-לוגית היא היחידה המבצעת הלכה למעשה פעולות חשבוניות ולוגיות. הפעולות שיחידה זאת מבצעת ,כוללות חיבור, חיסור, כפל וחילוק, אך גם השוואה, בחירה, החלפה היפוך וכדומה. המאפיין העיקרי של היחידה האריתמטית-לוגית הוא מגוון הפעולות המוכרות לה. מגוון זה, או מרחב הפעולות שיחידה אריתמטית instruction set יכולה לבצע נקרא
בפועל, "מפרקת" היחידה האריתמטית -לוגית את הפעולות שעליה לבצע לרמה פשוטה. למשל, פעולות כפל יכולות להיות מוחלפות בסדרת פעולות חיבור עוקבות. היחידה האריתמטית-לוגית פועלת באופן סדרתי. בכל עת יכולה להתבצע ביחידה זאת רק פעולה אחת. על פי רוב קצב הפעולות הוא מאד מהיר, אולם גם בקצב מהיר מאד לא משתנה העובדה הבסיסית של סדרתיות הפעולות. כל פעולותיה של היחידה האריתמטית לוגית נשלטות ישירות על ידי הוראות מיחידת הבקרה. גם הנתונים עליהם פועלות יחידה זאת נשלחים אליה מיחידת הבקרה. אחת מתכונותיה המרכזיות של יחידת העיבוד המרכזית היא רשימת הפעולות המוכרות ליחידה האריתמטית הלוגית. יש מחשבים "ש"מכירים" אוצר פעולות עשיר יחסית, ולעומתם מחשבים ש"אוצר הפעולות .המוכר להם הוא מצומצם
הם מקומות אחסון המהווים חלק מן המעבד. ישנם (registers) האוגרים אוגרים ביחידת הבקרה, שתפקידם להכיל, בכל עת, מידע על הפעולה הנוכחית, מיקומה (בזיכרון) של הפעולה הבאה שיש לבצע, וכתובותיהם של מושאי הפעולה הנוכחית. אוגרים שביחידה האריתמטית-לוגית מאחסנים את .הערכים עליה פועלת יחידה זאת, ואת תוצאות העיבוד המתבצע בה
מספר האוגרים ביחידת העיבוד המרכזית איננו רב, ונפחם אינו גדול. סך כל הנתונים שצריך להיות באוגרים בכל נקודת זמן איננו גדול. שתי .תכונותיהם החשובות ביותר של האוגרים הן (א) מהירות ו- (ב) גודל תפקידם החשוב ביותר של האוגרים הוא להכיל (לכתוב לעצמם) ולפלוט להעביר לזיכרון הראשוני) נתונים במהירות. אפשר לחשוב על האוגרים כעל)מעין "שטחי-כינוס" שתפקידם לאחסן נתונים והוראות, באופן זמני, במהלך העיבוד. כיון שהאוגרים הם חלק מיחידת הבקרה או מהיחידה האריתמטית לוגית, פעולתם (קריאה וכתיבה) מהירה הרבה יותר מפעולת תאי זיכרון רגיל. מאידך, נפחם של האוגרים מוגבל וקטן הרבה יותר מנפחו של הזיכרון .הראשוני. על הזיכרון הראשוני נעמוד בהרחבת יתר בהמשך
שטח זיכרון זה גדול משטח הזיכרון - (cache memory) זיכרון מטמון,המוקצה לאוגרים, כאן מאוחסנות כל הפקודות האחרונות אותם ביצע המעבד במידה והמעבד יתבקש לבצע פקודת מסוימת פעם נוספת הוא יוכל לאתר את תוצאתה בזיכרון המטמון. בכך יחסך הצורך לבצע את חישוב הפקודה פעם .נוספת .גודלו של זיכרון המטמון מאפשר לו להכיל מספר אלפי פקודות בלבד זיכרון המטמון מצוי בצמוד ליחידת עיבוד הנתונים זאת על מנת לקצר .למינימום את זמן ההעברה של המידע למעבד בחלק מהמחשבים קיים זיכרון מטמון נוסף גדול יותר המצוי ע"ג לוח האם הגישה לזיכרון זה איטית יותר מאשר לזיכרון ,second level cache)) המטמון הראשוני זאת בשל הריחוק הפיזי מיחידת העיבוד המרכזית. (ראה (בפרק הבא
המשמש כנתיב להעברת נתונים (circuit) הוא מעגל חשמלי (Bus) הערוץ בין רכיבי החומרה. החלקים השונים של יחידת העיבוד המרכזית, רכיבי הזיכרון שמחוץ ליחידת העיבוד המרכזית, ואמצעי הקלט והפלט של המחשב מחוברים כולם לערוץ. ניתן לדמות את הערוץ לכביש מהיר, שבו מספר נתיבים. על גבי נתיבים אלה מתנועעים נתונים, הוראות לפעולה, וכתובות של מושאי פעולה. ככל שמספר הנתיבים רב יותר, התנועה הזאת יכולה להיות יותר מהירה ויעילה. רוחב הערוץ קשור ישירות לגודלם של האוגרים. לכאורה, אין טעם להעביר בערוץ נתון גדול יותר מיחידה "הניתנת לאחסון באוגר. רוחב הערוץ מכתיב כמה סיביות יכולות "לעבור .במקביל באותה נקודת זמן. לכן רוחב הערוץ נמדד בסיביות
(word "גורם אחר המשפיע על מהירות פעולתו של המעבד הוא "גודל המילה .גודל המילה הוא מספר הסיביות שהאוגרים יכולים לעבד בבת אחת .size) ,יש מחשבים בהם רוחב הערוץ וגודל המילה זהים בגודלם. במחשבים אחרים יש לעתים ערוץ צר באופן יחסי לגודל המילה. כך היה, למשל, במחשבים 386, ומסוגSX ושוב במחשבים מסוג ,IBM האישיים הראשונים מתוצרת חברת 486. מדדי גודל המילה ורוחב הערוץ מהווים תכונות מרכזיות של יחידתSX העיבוד המרכזית. כמובן, ככל שהערוץ רחב יותר, גם אם כל שאר תכונות המחשב זהות, העיבוד יוכל להתבצע מהר יותר. מחשבים מודרניים מכילים ערוצים בעלי רוחב של שמונה, שש עשרה, שלושים ושתיים ועד ששים וארבע ,סיביות. באופן דומה, גודל המילה עליה פועלת יחידת העיבוד המרכזית .משפיע על מהירות הפעולה

ביחידה מאוחרת יותר, נדון בהרחבה בתקשורת בין רכיבי מחשב, ברשתות ובין מחשבים מרוחקים. נקודת המוצא (והכניסה) של התקשורת הזאת היא בהתחברות לערוץ. מבלי להיכנס ליותר מדי פרטים, יש להדגשי כבר עתה .שתפקידו העיקרי של הערוץ הוא לספק אפשרויות תקשורת בין רכיבי המחשב כלומר על גבי מספר נתיבים ,(parallel) תקשורת זאת מתבצעת במקביל בו-זמנית. למחשבים רבים, ובעיקר למיקרו מחשבים, יש "כניסה" מקבילה כניסה זאת היא שקע בקופסא החיצונית, דרכו אפשר .(parallel port) ,אחרות (ports) לחבר התקנים היקפיים אל הערוץ (באמצעות תקע). כניסות מאפשרות לחבר התקנים בתקשורת שאיננה מקבילה. כניסות כאלה נקראות כאמור, נעמוד על נושאים .(serial ports) בכניסות טוריות או סדרתיות אלה ביתר הרחבה ביחידה העוסקת בתקשורת. לענייננו חשוב להבין ,שבאמצעות כניסות אלה משמש הערוץ גם צומת המוביל לאמצעים חיצוניים .למשל מדפסות, עכבר ומסך המחשב
זהו תרשים מפורט יותר על יחידת העיבוד המרכזית (כפי שמופיע בתחילת העמוד) כולל התקשורת עם הגורמים השונים
________
| CPU |
|______|
|
|Processor system bus
|
________ _____|_________ __________
| זיכרון || גרפיקה |
|________| |_______________| |________|
|
|
|
______________ ______|_______ ___________
| אמצעי קלט\פלט|| כונן קשיח |
|______________| |____________| |___________|
מעבד, יחידת העיבוד המרכזית (CPU - Central Processing Unit), הוא החלק המרכזי במחשב, שמבצע את הפקודות המאוחסנות בזיכרון המחשב. פקודות אלה הן פקודות אלמנטאריות ביותר, כשכל פקודה בנויה מרצף קצר של ביטים, שמשמעותו מובנת על-ידי המעבד. רצף זה קרוי שפת מכונה. כל דגם של מעבד מתאפיין בסט הפקודות שלו.
המעבדים המודרניים (המכונים מיקרו-מעבדים) בנויים על גבי שבב אחד בודד. יכולותיו של המעבד כוללים קריאת מידע מהזיכרון או מהתקנים שונים, ביצוע פעולות מתמטיות ולוגיות על מידע זה וכתיבת תוצאות החישוב בחזרה לזיכרון או לחלופין שליחתו להתקנים חיצוניים. יכולת זו מאפשרת למעבד גמישות רבה מספיק בכדי לשמש למגוון רחב ביותר של יישומים.
מבחינה מספרית, הרוב המכריע של המעבדים המיוצרים כיום, משמשים כיחידות בקרה של מוצרי צריכה דוגמת: צגים, מדפסות, מכוניות, מכונות כביסה וכן הלאה. עם זאת, המעבדים בעלי החשיבות הרבה ביותר מבחינה טכנולוגית, בהם מתמקדים רוב מאמצי המחקר והפיתוח הם המעבדים המשמשים כיחידת עיבוד מרכזית במחשב.