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电脑硬件快速入门--纳秒/指令周期

作者:bear  来源:转载  发布时间:2005-12-23 16:36:55
纳秒


  几乎所有的广告宣传都引用以MHz为单位的时钟频率作为速度标准。其实,一项更为重要的数据就是时钟周期。由于时钟周期之间的间隔时间实在太短,所以只能以十亿分之一秒,即纳秒(nsec)为单位计算。


  电流在铜质导线中的传播速度接近于光速,所以一般来说,传播时间可以忽略不计。但是如果传播的距离非常大(例如整个宇宙),或者传播的时间非常短(例如计算机指令运行时间),能否准确的测定其速度也就显得尤为重要。也许有人会认为纳秒的概念过于抽象,其实1纳秒大致相当于电子信号前进1英尺距离的时间。


不同时钟频率的周期如下:


时钟速度 周期


66Mh 15 nsec


100Mh 10 nsec


500Mh 2 nsec

指令周期


随着处理速度的不断提高,Intel芯片完成一条指令操作所需要占用的时钟周期正逐渐缩短。一般来说:


386的CPU至少需要占用6个时钟周期完成一项加法运算。


486的CPU可以在2个时钟周期内完成一项加法运算。


Pentium CPU可以在一个时钟周期内完成一项加法运算。


Pentium II, III, Celeron, 或Xeon处理器不仅能够在一个时钟周期内完成一项加法运算,而且当CPU发现处理下一条指令所需要的数据还没有从速度相对较慢的内存中传送过来时,可以重新调整指令序列,首先执行那些目前可以处理的指令。


  不仅指令的执行速度显著提高,而且指令的处理机制也发生了变化。我们可以把第一代的CPU芯片看作是一个只有一间教室的学校。每个班的学生都在同一间教室里上课。首先是语文,当铃声响时改为数学,然后是历史,最后是物理。当所有的课程结束时,学生离开学校,下一班的学生进入教室重新开始整个课程。


  如果我们希望提供学校的办学效率的化,可以缩短每一个课程的时间(相当于加快计算机的时钟频率)。此外,我们还可以在学校里设立更多的教室。这就是286,386,和486时代芯片的做法。其中486就相当于为每一门课程专门设立一间教室。当一堂课结束时,语文教室里的学生换到数学教室,数学教室里的学生换到历史教室。按此类推,最后一间物理教室里的学生离开学校,同时又有新的学生进入语文教室。


  一般来说,每一代的CPU芯片所包含的电路数量都大致相当于上一代产品的3倍。这样到了第五代Pentium芯片,已经可以设置两套完全相同的教室,也就是说可以在一个时钟周期内同时处理两条指令。

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