Лекції по МПС

Швидкодія процесора - це одна з найважливіших його характеристик, визначальна ефективність роботи всієї мікропроцесорної системи в цілому. Швидкодія процесора залежить від безлічі чинників, що утрудняє порівняння швидкодії навіть різних процесорів усередині одного сімейства, не говорячи вже про процесори різних фірм і різного призначення.
Виділимо найважливіші чинники, що впливають на швидкодію процесора.
Перш за все, швидкодія залежить від тактової частоти процесора. Всі операції усередині процесора виконуються синхронно, тактуються єдиним тактовим сигналом. Зрозуміло, що чим більше тактова частота, тим швидше працює процесор, причому, наприклад, двократне збільшення тактової частоти якогось процесора знижує удвічі час виконання команд цим процесором.
Проте треба враховувати, що різні процесори виконують однакові команди за різну кількість тактів, причому кількість тактів, затрачуваних на команду, може змінюватися від одного такту до десятків або навіть сотень. В деяких процесорах за рахунок розпаралелювання мікрооперацій на команду витрачається навіть менше одного такту.
Кількість тактів, затрачуваних на виконання команди, залежить від складності цієї команди і від методів адресації операндів. Наприклад, швидше за все (за менше число тактів) виконуються команди пересилки даних між внутрішніми регістрами процесора. Повільніше за все (за велике число тактів) виконуються складні арифметичні команди з плаваючою комою, операнди яких зберігаються в пам'яті.
Спочатку для кількісної оцінки продуктивності процесорів застосовувалася одиниця вимірювання MIPS (Mega Instruction Per Second), що відповідала кількості мільйонів виконуваних інструкцій (команд) за секунду. Природно, виробники мікропроцесорів прагнули орієнтуватися на найшвидші команди. Зрозуміло, що подібний показник не дуже вдалий. Для вимірювання продуктивності при виконанні обчислень з плаваючою комою (крапкою) трохи пізніше була запропонована одиниця FLOPS (Floating point Operations Per Second), але вона за визначенням вузькоспеціальна, оскільки в деяких системах операції з плаваючою комою просто не використовуються.
Інший аналогічний показник швидкодії процесора - час виконання коротких (швидких) операцій. Для прикладу в таблиці 3.1 представлені показники швидкодії декількох 8-розрядних і 16-розрядних процесорів. В даний час цей показник практично не використовується, як і MIPS.
Час виконання команд - важливий, але далеко не єдиний чинник, що визначає швидкодію. Велике значення має також структура системи команд процесора. Наприклад, деяким процесорам для виконання якоїсь операції знадобиться одна команда, а іншим процесорам - декілька команд. Якісь процесори мають систему команд, що дозволяє швидко вирішувати задачі одного типу, а якісь - задачі іншого типу. Важливі і методи адресації, дозволені в даному процесорі, і наявність сегментації пам'яті, і способи взаємодії процесора з пристроями вводу/виводу і т.д.
Істотно впливає на швидкодію системи в цілому і те, як процесор «спілкується» з пам'яттю команд і пам'яттю даних, чи застосовується поєднання вибірки команд з пам'яті з виконанням раніше вибраних команд.

Процесор	8085	6800	68000	8086
Фірма	Intel	Motorola	Motorola	Intel
Розрядність	8	8	16	16
Кількість команд	80	72	61	133
Тактова частота, Мгц	3	1	8	5
Час виконання коротких операцій, мкс	1,3	2	0,5	0,4

Швидкодія системи в цілому визначається також і розрядністю процесора. Наприклад, 8-розрядний процесор повільніше пересилатиме і оброблятиме великі масиви даних, ніж 16-розрядний процесор. Так само 16-розрядний процесор значно повільніше працюватиме з більшими числами (більшими, ніж 65536), ніж 32-розрядний процесор.
При високій складності вирішуваних задач швидкодія системи залежить і від загального об'єму системної пам'яті. Адже якщо системної пам'яті мало, системі доводиться зберігати дані в зовнішній пам'яті (наприклад, на магнітному диску), а це дуже сильно (на декілька порядків) уповільнює роботу. Отже розрядність шини адреси процесора теж важлива.
Тому кількісні показники продуктивності процесорів дуже умовні, вони лише побічно характеризують швидкодію системи на базі цього процесора. Проте, деякі виробники пропонують кількісні показники для своїх процесорів, які характеризують час виконання спеціально складених тестових програм, що містять самі різні команди в тих або інших співвідношеннях.

Так, для порівняння продуктивності 32-розрядних процесорів фірма Intel, що проводить процесори для персональних комп'ютерів, в 1992 році запропонувала свою одиницю вимірювання iCOMP Index (Intel COmparative Microprocessor Performance). Для обчислення цього показника використовується суміш 16- і 32-бітових цілочисельних команд, команд з плаваючою крапкою, команд обробки графіки і відео. Як базовий узятий процесор i486SX-25, чий індекс прийнятий рівним 100. При порівнянні цих показників за рахунок більш розвиненої архітектури процесори сімейства 486 завжди швидшеий за процесори сімейства 386, а будь-який Pentium швидше за будь-який процесор з сімейства 486. Тактова частота визначає продуктивність тільки в межах одного сімейства. В 1996 році розробниками Intel був запропонований інший показник - iCOMP Index 2.0, для обчислення якого не використовуються 16-розрядні команди, зате введений мультимедійний тест, а за базу узятий Pentium-120, чий індекс прийнятий рівним 100.