Содержание:

Введение

В современном информационном обществе, где без технологий не обходится ни одна область деятельности людей, мы не можем представить свою жизнь без такого технического изобретения как компьютер. Сфера его использования с течением времени расширяется, внося ощутимый вклад в развитие общества, его производственных сил и в целом делая повседневную жизнь людей намного проще и органичнее.

Все персональные компьютеры обрабатывают нескончаемый поток информации с помощью специальной электронной микросхемы, которая получила название процессор. Без него невозможна работа любой ЭВМ (электронно-вычислительной машины), ведь процессор является центром вычислительных операций компьютера, главной его составляющей.

Актуальность темы обусловлена тем, что ПК (персональные компьютеры), ставшие неотъемлемой частью жизни человека, непрерывно совершенствуются, меняются в лучшую сторону их технические характеристики, они становятся более адаптивными для пользователя и т.д. Но увеличение производительности компьютера наращивается с помощью совершенствования микропроцессора, который является основой любой ЭВМ (электронная вычислительная машина). Именно в этом заключается актуальность курсовой работы, задачей которой является выявление основных характеристик процессора, влияющих на его производительность и, следовательно, в целом на производительность всего ПК.

Цель работы состоит в изучении сущности и структуры процессора, а так же в обобщение основных видов и функций процессоров персонального компьютера (ПК).

Для достижения поставленной цели определены следующие исследовательские задачи, которые заключаются:

- в анализе основных характеристик процессора;

- в рассмотрении архитектуры ЦП;

- в рассмотрении современных процессоров от фирм «Intel» и «AMD»

1. Процессоры ПК

1.1 Понятие и основные характеристики процессоров

В современном высокотехнологичном обществе практически каждый человек знаком с таким понятием, как процессор. Ведь именно благодаря этому электронному блоку или интегральной схеме, электронно-вычислительная машина (ЭВМ) осуществляет преобразование информации и управляет всем вычислительным процессом.

Процессор – это устройство компьютера, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными, а также выполняющее координацию работы всех устройств компьютера. Его также называют микропроцессором или центральным процессором (ЦП).

Зная характеристики этого электронного блока или интегральной схемы, можно оценить вычислительную производительность компьютерной системы. И, следовательно, будет технологически мощнее и производительнее тот ПК, где используются инновационные характеристики его процессора.

Существует много различных характеристик ЦП. Основными характеристиками микропроцессора, обеспечивающими его наибольшую производительность, являются:

- Тактовая частота

- Количество ядер

- Разрядность

- Объем кэш памяти ЦП

Рассмотрим характеристику тактовой частоты процессора. Известно, что разработчики достаточно продолжительное время совершенствовали именно ее, но вскоре перешли на создание более совершенной архитектуры ЦП, но при создании новых процессоров, не отказались от использования прироста тактовой частоты. Эта характеристика является показателем, который определяет самую малую, неделимую величину времени, под названием такт, в течение которого устройство выполняет простейшую операцию. Тактовая частота характеризуется количественной производительностью и единицей измерения данного показателя являются герцы. Более высокий показатель тактовой частоты характеризуется быстрой обработкой различных операций процессором за единицу времени.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что чем выше показатель тактовой частоты, тем производительнее процессор. Однако при увеличении данной характеристики ЦП происходит его нагрев, который часто приводит к сбою в работе компьютерной системы. Именно поэтому разработчики, впоследствии, практически отказались от прироста тактовой частоты и стали наращивать производительность с помощью других методов, которые дают такую же и большую работоспособность.

Рассмотрим многоядерность микропроцессора или характеристику количества ядер.

Разработчики всегда стремились повышать производительность ЦП и их первоначальные старания, как указывалось выше, были адресованы тактовой частоте. Они достаточно продолжительное время занимались ее наращиванием, но с открытием новых вершин показателей частоты, данное занятие стало затруднительным, так как дополнительное увеличение предполагало повышение требований к системе охлаждения процессоров (TDP). Именно это подтолкнуло разработчиков на внедрение дополнительных ядер в ЦП. Так и появились многоядерные процессоры. Первый ЦП для настольного компьютера, «Pentium D», появился в 2005 году и имел два ядра. В том же году был также выпущен двух ядерный ЦП «Opteron» от «AMD», но для серверных систем.

Многоядерность является значимой характеристикой, ведь благодаря ей выполнение потоков множества задач разбивается на несколько ядер, что значительно увеличивает производительность процессора, по сравнению с другими одноядерным ЦП. Стоит отметить, что увеличение производительности происходит в том случае, если программа оптимизирована под многопоточность. Поэтому существуют случаи, когда количество ядер не способно повлиять на производительность ПК. Рассмотрим одну из таких ситуаций. Например, если программа, разработана для одноядерных ЭВМ, до появления многоядерных, либо, которая вообще не использует многопоточность, является плохо оптимизированной, то она будет выполняться медленнее на многоядерном ЦП, вопреки количеству ядер. Обобщая, можно сказать, что практически каждый процесс, запущенный в операционной системе, имеет несколько потоков. Помимо этого, сама операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять их одновременно, пусть даже физически процессор и одноядерный.

Важной особенностью многоядерных процессоров является то, что их тактовая частота нередко снижена. Благодаря этому уменьшается энергопотребление ЦП, при этом, не влияя на производительность микросхемы. Известно, что энергопотребление растет за счет увеличения тактовой частоты. Поэтому, если удвоить количество ядер процессора и снизить в два раза их тактовую частоту, то можно получить практически ту же производительность, при этом, энергопотребление такого процессора снизится в 4 раза. Во многих многоядерных ЦПУ частота каждого ядра может изменяться под воздействием его индивидуальной нагрузки. Существуют также ядра, которые используют технологию временной многопоточности или, если они супер скалярные, то применяют технологию, под названием SMT (simultaneous multithreading), которая позволяет одновременно исполнять несколько потоков, тем самым создавать «миражи» множества «логических ЦП» на основе каждого ядра. Данная технология встречается на процессорах от компании «Intel». Она получила название -Hyper-threading. Данная технология удваивает число логических процессоров, по сравнению с физическими. Так, например на ЦП Sun UltraSPARC T2 такое увеличения может достигать 8 потоком на ядро.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что многоядерность является более инновационной характеристикой процессора, нежели частота. Данная современная технология позволяет распределить какие-либо задачи или операции, производимые на ПК, между несколькими ядрами, что обеспечит быстродействие и большую производительность компьютерной системы.

Рассмотрим такую характеристику, как разрядность процессора. Она определяет размер обработки данных за единицу времени, которыми ЦП обменивается с оперативной памятью. Разрядность процессора измеряется в битах. При росте размера обработки данных, разрядность увеличивается в 8 раз. Если размер данных составляет 2 байта, разрядность будет равна 16 битам. Аналогичным образом, размер, который будет равен либо 4 байтам либо 8 байтам, будет равен 32 или 64 битам соответственно.

Первые процессоры х86 были 16-разрядными. Первый ЦП, имевший 32-битную разрядность, был Intel-80386. Позже на смену 32-битной архитектуре пришла 64-битная архитектура, которая была создана в 2002 году фирмой «AMD» в процессорах линейки К8 (тогда процессоры маркировались как x86-64 и в последствии заменена на AMD64). Не отставая от конкурента, Intel предложили новое обозначение – EM64T (Extended Memory 64-bit Technology). Хотя различий в архитектуре не было никаких: разрядность внутренних регистров 64-битных процессоров удвоилась (с 32 до 64 бит), а 32-битные команды x86-кода получили 64-битные аналоги. Благодаря расширению разрядности шины адресов, объем адресуемой процессором памяти значительно увеличился.

Основным преимуществом 64-х битных систем является поддержка оперативной памяти, которая больше 4 Гб. Каждая ячейка оперативной памяти имеет адрес и в 32-х битной операционной системе. Он записывается как двоичный код длиной в 32 символа. Получаем – 2^32=4294967296 байт = 4 ГБ. Иначе говоря, в 32-битной операционной системе, ячейки памяти расположенные за границей в 4Gb не получат адреса и не будут использованы. В 64-х битных операционных системах размер адресной памяти равен 2^64= 18446744073709551616 = 16 Гб.

Таким образом, можно сделать вывод, что разрядность также влияет на производительность ПК. Как показывают тесты, в операционных системах х64 производительность выше на 10-15%, чем в ОС с разрядностью х32.

Рассмотрим характеристику кэш памяти. Она также является очень значимой характеристикой для процессора. Кэш память выступает в качестве объема сверхбыстрой оперативной памяти, содержащей информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Кэш память является буфером между контроллером системной памяти и процессором. В этом буфере сохраняются блоки данных, с которыми ЦП работает в данный момент, что позволяет снизить количество обращений процессора к медленной системной памяти. В итоге, значительно увеличивается общая продуктивность процессора.

В заключении, можно сказать, что кэш память может повысить производительность в том случае, если тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты процессора.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что благодаря таким характеристикам как тактовой частоте, разрядности, количеству ядер и кеш памяти процессора, производительность компьютера возрастает в несколько раз, по сравнению с другими ПК, не имеющими таких преимуществ ЦП. При этом сам пользователь компьютера может улучшить многие характеристики процессора, например увеличить тактовую частоту, используя специальные программы.

1.2 Понятие прерывания и основные виды прерываний

Под понятием прерывание понимают механизм, который согласовывает параллельную работу отдельных механизмов вычислительной системы и реагирует на особые ситуации, которые в свою очередь возникают при функционировании процессора. Прерывание характеризуется в принудительной передаче управления от выполняемой программы к системе. Данный механизм срабатывает при возникновении важного события, которое требует приостановки текущего кода, выполняемого процессором. Центральный процессор приостанавливает свою текущую активность, сохраняет свое состояние и выполняет функцию, которая называется обработчиком прерывания или программой обработки прерывания. Она реагирует на событие и обслуживает его с последующим возвращением управления в приостановленный код.

Основной целью введения прерываний является реализация асинхронного режима работы и осуществления распараллеливания действий различных механизмов вычислительного комплекса.

Функция механизма прерываний осуществляется аппаратно-программным способом. Прерывание во всех случаях влечет за собой изменение порядка выполнения команд процессором.

Система прерывания - это эффективный способ выполнения контрольных и управляющих функций операционной системы в целях поддержания заданных режимов функционирования ЭВМ, как аппаратно-программного комплекса.

Указанная система прерывания возникла в процессорах ЭВМ второго поколения, которые применялись в качестве программных устройств управления различными объектами.

Основные причины, которые способствовали появлению системы прерывания, это:

 целью разработчиков было снизить количество простоев ЭВМ при появлении внештатных ситуаций в процессоре (попытки деления на ноль, использование несуществующей команды, сбой в устройстве и т.д.);

загрузить полезной работой процессор, в то время, когда он ожидает сигнал от управляемого объекта, то есть реализовать фоновую работу ЭВМ.

Основными функциями механизма прерываний являются:

 их распознавание или классификация;

передача управления на их обработку;

корректный возврат к прерванной программе.

Прерывания, которые возникают при работе вычислительной системы, разделяют на два основных класса:

 внешние (асинхронные). Указанные прерывания вызываются появлением асинхронных событий, которые происходят вне прерываемого процесса. Например: прерывания от таймера, от внешнего устройства (прерывания по вводу/выводу), из-за нарушения питания, прерывания с пульта оператора вычислительной системы, от другого процессора или другой вычислительной системы.

внутренние (синхронные). Данные прерывания вызываются появлением событий, которые связаны с функцией процессора и являются синхронными с его операциями. Например,нарушение адресации, наличие в поле адреса несуществующей инструкции, деление на нуль,переполнение или исчезновение порядка, ошибка четности, ошибка в работе различных аппаратных устройств.

Данные программные прерывания срабатывают по соответствующей команде прерывания. По этой команде процессор осуществляет те же действия, что и при обычных внутренних прерываниях. Этот механизм введен для переключения на системные программные модули как обычное прерывание, а не как переход в подпрограмму, что обеспечивает автоматическое переключение процессора в привилегированный режим с возможностью выполнения всех команд.

Сигналы, которые вызывают прерывания, формируются либо в процессоре, либо вне него. Они могут возникнуть одновременно. Процесс выбора одного из них происходит с учетом приоритетов, которые установлены для каждого их них. Самым высоким приоритетом обладают прерывания от схем контроля процессора. Учет приоритетов либо встроен в технические средства, либо может определяться операционной системой. Программно-аппаратное управление порядком обработки сигналов прерывания позволяет применять различные дисциплины обслуживания прерываний.

Исходя из уровня приоритета, то есть от низкого к высокому, распределение прерываний выглядит следующим образом:

программные;

от внешних устройств: терминалов;

от внешних устройств: сетевого оборудования;

от внешних устройств: магнитных дисков;

от системного таймера;

от средств контроля процессора.

Кроме того, процессор способен обладать средствами защиты от прерываний:

 отключение системы прерываний;

маскирование (запрет) отдельных их видов.

В большинстве случаев, операция прерывания осуществляется только после завершения выполнения текущей команды.

Процесс возникновения сигналов прерывания происходит в произвольные моменты времени, в связи с этим, к моменту обработки возможно накопление нескольких сигналов. Им присваиваются приоритеты, и в первую очередь происходит обработка сигнала с более высоким приоритетом.

Существующее программное управление специальными регистрами маски, то есть маскирование сигналов прерывания, способна реализовывать самые различные дисциплины обслуживания:

с относительными приоритетами. В данном случае обслуживание не прерывается даже при наличии запросов с более высоким приоритетом. В программе обслуживания указанного запроса накладываются маски на все остальные сигналы прерывания или просто необходимо отключить систему прерываний;

с абсолютными приоритетами. В этом случае, осуществляется обслуживание прерывания с наибольшим приоритетом. В программе обслуживания прерываний накладываются маски на сигналы прерывания с более низким приоритетом. Также, возможно многоуровневое прерывание - прерывание программы обработки прерывания, число уровней изменяется и зависит от приоритета запроса;

 по принципу стека (последним пришел - первым обслужен). В данном случае, запросы с более низким приоритетом способны прервать обработку прерывания с более высоким. В программе обслуживания прерываний не накладываются маски ни на один сигнал прерывания и отключают систему прерываний.

Оперативная система осуществляет управление ходом выполнения задач, которая заключается в:

организации реакций на прерывание;

обмена информацией;

предоставление необходимых ресурсов;

динамике выполнения задачи;

организации сервиса.

Оперативная система определяет причины прерываний (супервизор прерываний) и осуществляет действия, которые необходимы при указанном прерывании и ситуации.

Супервизор прерываний осуществляет действия:

сохраняет в дескрипторе текущей задачи рабочие регистры процессора, которые определяют контекст прерванной задачи;

определяет программу, которая обслуживает текущий запрос на прерывание;

устанавливает необходимый режим ее обработки;

передает управление подпрограмме обработки прерывания.

По окончанию выполнения подпрограммы обработки прерывания управление передается супервизору в модуль управления диспетчеризацией задач.

В момент появления запроса на прерывание система идентифицирует сигнал. В случае, если прерывание разрешено, то управление передается на соответствующую подпрограмму обработки прерываний.

Подпрограмма обработки прерываний состоит их трех секций:

1) отключение прерываний, сохранение контекста прерванной программы, установка режима работы системы прерываний;

2) собственно тело программы обработки прерываний;

3) восстановление контекста прерванной ранее программы, установка прежнего режима работы системы прерываний.

1-я и 3-я секции подпрограммы обработки прерываний являются служебными, они сохраняют и восстанавливают контекст задач. Поскольку эти действия необходимо выполнять практически в каждой подпрограмме обработки прерывания, во многих ОС первые секции подпрограмм обработки прерываний выделяются в специальный системный модуль - супервизор прерываний.

Таким образом, принимая во внимание выше изложенное, можно сказать, что прерывание является очень важным механизмом, который извещает процессор о возникновении какого-либо высокоприоритетного события. Программа, заставшая прерывание, останавливает свою работу в совершенно произвольном месте. После окончания прерывания, программа возобновляется с того момента, где прервалась, что очень удобно для пользователя персонального компьютера.

1.3 Архитектура процессора

Под архитектурой процессора подразумевают количественную составляющую компонентов микро архитектуры процессора ПК, которую рассматривают IT-специалисты в аспекте прикладной деятельности.

Рассмотрим архитектуру процессора как аппаратную составляющую.

Во-первых, центральным компонентом персонального компьютера является процессор или по-другому ЦП (центральный процессор), который реализует команды и считывает их из памяти, обрабатывая при этом данные и управляя работой всего ПК. С другими устройствами компьютера процессор связан шинами. Выделяют такие шины как шину данных, адресную шину, и командную шину. Для функционирования ЦП необходимы регистры данных, управляющие регистры, операционный (обрабатывающий) блок, управляющий блок и система команд, которую процессор распознаёт и исполняет.

Работу процессора синхронизирует внешний генератор тактов. В соответствии с этими сигналами происходит считывание и исполнение команд. Частота процессора определяет быстродействие процессора. Однако, это не единственный параметр для оценки производительности процессора. В первых в 8-битных процессорах тактовая частота была ~4 MHz. В современных процессорах она измеряется гигабайтами.

Описание различных частей процессора:

- Управляющий блок (Control Unit) декодирует команды в микрооперации и даёт другим частям процессора соответствующие указания для исполнения команды и отвечает за передачу результатов в память. Управляющий блок использует специальные регистры: счётчик команд (Program Counter) и регистр команд (Instruction Register).

- Операционный блок (Processing Unit) содержит арифметико-логическое устройство (ALU - Arithmetic Logic Unit), которое способно выполнять вычислительные действия с указанными данными или исполнять логические операции. Операционный блок может комбинировать эти действия и выполнять такие сложные операции как умножение с плавающей точкой в соответствующем устройстве (FPU - Floating Point Unit), которые невозможно выполнить в арифметико-логическом устройстве. Операционный блок использует специальные регистры: регистр состояния (Status Register) и аккумуляторный регистр (Accumulator Register).

Регистры являются внутренней памятью процессора и подразделяются следующим образом:

- Регистры общего пользования, которые предназначены для запоминания данных и/или операндов при исполнении команд.

- Специальные регистры, на которые возлагается выполнение специальных функций при работе процессора.

Специальными являются следующие регистры:

- Аккумулятор (A - Accumulator Register) запоминает промежуточные результаты вычислений

- Счётчик команд (PC - Program Counter) содержит адрес следующей команды. Он увеличивается автоматически с каждым новым циклом. Подпрограммы и прерывания изменяют этот порядок, записывая в счётчик команд новое значение

- Регистр команд (IR - Instruction Register) содержит считанную из памяти команду Регистр состояния (SR - Status Register) содержит настоящее состояние, отражающее ход исполнения команды

- Указатель стека (SP - Stack Pointer) содержит адрес следующей свободной ячейки стековой памяти.

Стековую память используют для запоминания состояний регистров. Например, это нужно при обработке прерывания, когда надо запомнить содержимое регистров до прерывания, чтобы восстановить их содержание для продолжения работы после обработки прерывания. Стек организован по принципу «последним зашёл, первым вышел» (LIFO - Last In First Out).

Архитектура процессоров делится на два вида: CISK и RISK .

CISC — это концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующими свойствами:

- нефиксированным значением длин команды;

- арифметические действия кодируются в одной команде;

- содержанием небольшим числом регистров, которые выполняют строго заданные функции.

RISC — это архитектура процессора, где прирост быстродействия происходит за счёт упрощения инструкций, для более простого их декодирования, делая время выполнения короче.

Характерные черты RISK процессоров:

• Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.
• Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т. н. архитектура load-and-store).
• Большое количество регистров общего назначения (32 и более).
• Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными Рассмотрим конвейеры.

Конвейер является методом организации вычислений, который используется в современных процессорах и контроллерах для прироста их производительности (увеличения числа инструкций, выполняемых за единицу времени), технология, используемая при разработке компьютеров.

Идея конвейера заключается в разделении обработки компьютерной инструкции на последовательные независимые стадий с сохранением результатов в конце каждой стадии. Это позволяет управляющим цепям процессора получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее, чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.

Процессоры с конвейером внутри устроены так, что обработка инструкций разделена на последовательность стадий, предполагая одновременную обработку нескольких инструкций на разных стадиях. Результаты работы каждой из стадий передаются через ячейки памяти на следующую стадию, и так — до тех пор, пока инструкция не будет выполнена. Подобная организация процессора, при некотором увеличении среднего времени выполнения каждой инструкции, тем не менее обеспечивает значительный рост производительности за счёт высокой частоты завершения выполнения инструкций.

Рассмотрим содержание кэш памяти процессора.

Кэш-память – это сверхбыстрая память, которая используется процессором, для временного хранения данных, которые наиболее часто используются.

Кэш-память построена на триггерах, которые, в свою очередь, состоят из транзисторов. Группа транзисторов занимает гораздо больше места, нежели те же самые конденсаторы, из которых состоит оперативная память. Это тянет за собой множество трудностей в производстве, а также ограничения в объёмах. Но из такой структуры, вытекает главное преимущество такой памяти – скорость. Так как триггеры не нуждаются в регенерации, а время задержки вентиля, на которых они собраны, невелико, то время переключения триггера из одного состояния в другое происходит очень быстро. Это и позволяет кэш-памяти работать на таких же частотах, что и современные процессоры.

Также, немаловажным фактором является размещение кэш-памяти. Она находится, на самом кристалле процессора, что значительно уменьшает время доступа к ней. Ранее, кэш память некоторых уровней, размещалась за пределами кристалла процессора, на специальной микросхеме SRAM где-то на просторах материнской платы. Сейчас же, практически у всех процессоров, кэш-память размещена на кристалле процессора.

Современные процессоры, оснащены кэшем, который состоит из двух или трех уровней.

Рассмотрим каждый уровень:

1. Кэш первого уровня (L1) – наиболее быстрый уровень кэш-памяти, который работает напрямую с ядром процессора, благодаря этому плотному взаимодействию, данный уровень обладает наименьшим временем доступа и работает на частотах близких процессору. Является буфером между процессором и кэш-памятью второго уровня.

2. Кэш второго уровня (L2) – второй уровень более масштабный, нежели первый, но в результате, обладает меньшими «скоростными характеристиками». Соответственно, служит буфером между уровнем L1 и L3

3. Кэш третьего уровня (L3) – третий уровень, опять же, более медленный, нежели два предыдущих. Но всё равно он гораздо быстрее, нежели оперативная память. Объём кэша L3 в i7-7700K составляет 8 Мбайт. Если два предыдущих уровня разделяются на каждое ядро, то данный уровень является общим для всего процессора.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что от архитектуры процессора зависит работа всей вычислительной системы персонального компьютера. Архитектура процессоров, c точки зрения программистов, является совместимостью с определенным набором команд, структурной совместимостью (примером служит система адресации или организации памяти регистра) и метода выполнения (различные счетчики команд). Архитектура с точки зрения аппаратной составляющей, представляет собой некоторый набор определенных качественных свойств, которые характерны заданному семейству процессоров как по организации, так и по значению

2. Обзор современных процессоров ПК

2.1 Процессоры семейства Intel

Разновидность процессоров Intel, то есть их модельный ряд для персональных компьютеров довольно широка и содержит в себе несколько так называемых семейств. Для детального изучения рассмотрим архитектуру Kaby Lake на базе которой спроектированы процессоры семейства Intel Core i7 (Core i7−7700, Core i7−7700K, Core i7−7700HQ, Core i7−7700T) и Intel Core i5 ( Core i5-7440HQ ,Core i5-7600, Core i5-7600T, Core i5-7600K) Core i3 (Core i3-7100, Core i3-7300T, Core i3-7350K) и Pentium G (G4500, G4500T, G4600, G4620, ).

Наибольшее количество встречающихся на рынке процессоров Intel – это двухядерные процессоры семейства Intel Core i3, Pentium G. Когда же на персональном компьютере применяется процессор Core i3 или Pentium G, то компьютер достаточно производителен. Однако, в случаях, когда пользователю требуется высокая эффективность работы в приложениях, необходимо рассмотреть виды более новых поколений процессоров («Intel Core i7» или «Intel Core i5»).

Попытаемся рассмотреть такие процессоры, как Intel Core i7 и Intel Core i5 (процессоры с микроархитектурой Kaby Lake).

Процессоры Intel на микроархитектуре Kaby Lake имеют процессорных разъем - LGA 1151. Он является качественной заменой сокету 1150.

Что же представляют из себя общие черты процессоров на микроархитектуре Kaby Lake?

Прежде всего, необходимо сказать, что эти процессоры производятся по 14-нанометровой технологии и характеризуются, как двухъядерные и четырехъядерные. В них находится интегрированный контроллер памяти DDR4, который и служит их отличительной особенностью. Также процессор поддерживает стандарт оперативной памяти DDR3L. В процессорах Kaby Lake используется двухканальный контроллер оперативной памяти,

В обычном режиме процессоры поддерживают память DDR3L с частотой памяти от 1333 до 1600 МГц при напряжении в 1,35 В, и DDR4 с частотой от 2133 до 2400 МГц при напряжении в 1,35 В.

Необходимо отметить идентичность структуры кэш-памяти процессоров на базе архитектуры Kaby Lake и предыдущего поколения Sky Lake. Кэш-память первого уровня (L1) делится на 8-канальный 64-килобайтный кэш данных и 4-канальный 32-килобайтный кэш инструкций. Каждое ядро процессора наделено унифицированным, то есть единым для инструкций и данных кэшем второго уровня (L2) размером 256 Кбайт. Кэш L2 также является 8-канальным, а размер его строки составляет 64 байт.

Также, существует кэш третьего уровня (L3) размером 8 Мбайт, который разделяется между всеми ядрами процессора. Кэш L3 является 16-канальным. Архитектура кэш L3 инклюзивна (inclusive) по отношению к кэшам L1 и L2. В нем практически всегда происходит дублирование содержимого кэшей L1 и L2. Вместе с тем, по отношению друг к другу кэши L1 и L2 не инклюзивны и не эксклюзивны.

Кроме того, важным моментом является то, что все процессоры семейства Intel поддерживают технологию многопоточной обработки данных Hyper-Threading, в результате которой операционная система распознает четырехъядерный процессор как восемь отдельных логических процессоров или ядер.

Необходимо отметить, что все процессоры семейств Intel Core i7 и Intel Core i5 поддерживают технологии:

Enhanced Intel Speed Step Technology — позволяет обеспечить высокую производительность, а также соответствие требованиям систем к энергосбережению. Технология позволяет переключать уровень напряжения и частоты в зависимости от нагрузки на процессор.

Thermal monitoring technology – защищает корпус процессора и систему от сбоя в результате перегрева с помощью нескольких функций управления температурным режимом.

Intel Virtualization Technology – создана для направленного ввода\вывода. Позволяет одной аппаратной платформе функционировать в качестве нескольких виртуальных платформ. Технология улучшает возможности управления, снижая время простоев и поддерживая продуктивность работы, за счет выделения отдельных разделов для вычислительных операций.

Указанные технологии достаточно хорошо известны, так как поддерживаются также процессорами Intel предыдущего поколения.

Хотелось бы отметить еще одну общую особенность процессоров семейства Intel Core i7 и Intel Core i5. Она состоит в том, что Intel Core i7 и Intel Core i5 поддерживают режим Intel Turbo Boost. Его смысл заключается в динамической подстройке тактовых частот ядер процессора.

В целях реализации технологии Intel Turbo Boost в процессоре предусмотрен специальный функциональный блок PCU (Power Control Unit). Указанный блок отслеживает уровень загрузки ядер процессора, его температуру, а также контролирует процесс энергопитания каждого ядра и регулирование его тактовой частоты.

В составную часть PCU входит Power Gate (затвор), который используется для перевода каждого ядра процессора по отдельности в режим энергопотребления C6. Функция Power Gate заключается в том, что он осуществляет отключение или наоборот подключение ядра процессора к линии питания VCC. В случае, когда имеющиеся ядра процессора оказываются незагруженными, блок Power Gate отключает их от линии питания, при этом энергопотребление ядер сводится к нулю. В то же время тактовую частоту и напряжение питания оставшихся загруженных ядер можно динамически увеличить, но с учетом того, чтобы энергопотребление процессора не превысило его требований к системе теплового отвода. Таким образом, фактически сэкономленное за счет отключения нескольких ядер энергопотребление используется для разгона оставшихся ядер, при условии, если увеличение энергопотребления в результате разгона не превышает сэкономленного энергопотребления.

Кроме того, режим Intel Turbo Boost реализуется и тогда, когда изначально загружаются все ядра процессора, но при этом его энергопотребление не превышает значение TDP. В таком случае возможно динамическое увеличение частоты каждого ядра, но так, чтобы энергопотребление процессора не превышало заданного в BIOS значения (базовая система ввода-вывода). Возрастание частоты в режиме Intel Turbo Boost происходит скачкообразно, порциями по 100 МГц (базовая частота системной шины в процессорах составляет 100 МГц).

Режим Intel Turbo Boost нельзя как-то настраивать. Его можно лишь разрешить или запретить (исключение составляют только процессоры серии Extreme Edition и то далеко не на всех платах).

Для наглядности разберем работу технологии Turbo Boost в процессорах младшей архитектуры Bloomfield и Lynnfield.

В процессорах семейства Bloomfield (Core i7-9xx) режим Intel Turbo Boost реализовывается следующим образом. Если активны четыре, три или два ядра процессора, то в режиме Intel Turbo Boost их тактовая частота (если энергопотребление процессора не превышает 130 Вт) может быть повышена на одну ступень (133 МГц). Если же активно только одно ядро процессора и его энергопотребление не превышает 130 Вт, то тактовая частота этого ядра может быть повышена на две ступени (266 МГц).

В процессорах Lynnfield (Core i7 870/860) реализация режима Intel Turbo Boost осуществляется следующим образом. Так, если активны четыре или три ядра процессора, то в режиме Intel Turbo Boost их тактовая частота может быть повышена на две ступени (266 МГц), но только при условии, что энергопотребление процессора не превышает 95 Вт (TDP всех процессоров Lynnfield составляет 95 Вт). Если активны только два ядра процессора и его энергопотребление не превышает 95 Вт, то их тактовая частота может быть увеличена на четыре ступени (533 МГц). Если же активно только одно ядро процессора и его энергопотребление не превышает 95 Вт, то тактовая частота этого ядра может быть увеличена на пять ступеней (667 МГц).

Именно поэтому для процессора Intel Core i7 870, чья номинальная тактовая частота составляет 2,93 ГГц, указывают также тактовую частоту в режиме Intel Turbo Boost, равную 3,6 ГГц. Но еще раз подчеркнем, что частота 3,6 ГГц относится к случаю, когда активно только одно ядро процессора.

Аналогично для процессора Intel Core i7 860 с номинальной тактовой частотой 2,79 ГГц максимальная тактовая частота в режиме Intel Turbo Boost составляет 3,33 ГГц.

В процессоре Intel Core i5 750 c номинальной тактовой частотой 2,66 ГГц реализация режима Intel Turbo Boost несколько другая. Если активны четыре или три ядра и энергопотребление процессора не превышает 95 Вт, то в режиме Intel Turbo Boost их тактовая частота может быть повышена на одну ступень, то есть до 2,8 ГГц. Если же активны одно или два ядра и энергопотребление процессора не превышает 95 Вт, то в режиме Intel Turbo Boost их тактовая частота может быть повышена на четыре ступени, то есть до 3,2 ГГц.

Из этого можно сделать вывод, что реализация технологии Turbo Boost для процессоров разных поколений будет отличаться друг от друга, а тактовая частота процессора в режиме Turbo Boost зависит от частоты тактового генератора.

Процессоры архитектуры Kaby Lake для связи с элементами ПК такими как оперативная память, накопители , устройства ввода\вывода используют шину QPI( Quick Pach Incorrect). Скорость QPI составляет 8 Гт/с, что увеличивает скорость передачи данных по сравнению с шиной FSB от четырех до восьми раз. Соответственно, на кристалле процессора располагается и контроллер шины QPI.

Процессоры Kaby Lake направлены на использование чипсета Intel сотой серии, таких как H110, H170, B150, Q150, Q170, Z170. Подробности о характеристиках чипсетов представлены в таблице 1.

	H110	H170	B150	Q150		Q170			Z170
DIMM	2	4
USB 2.0/3.0	6/4	6/8	6/6		6/8			4/10
SATA 3.0	4	6
PCI Express 3.0	Одня линия x16	Одна линия x16,или две x8, или одна x8 и две x4 линии
PCI Express	6 2.0	16 3.0	8 3.0		10 3.0			20 3.0
Разгон	Отсутствует*							CPU +RAM
Поддержка SATA RAID 0/1/5/10	Нет	Да	Нет				Да

Таблица 1. Характеристики чипсетов

Рассмотрим достоинства и недостатки процессоров Intel.

Достоинствами процессоров Intel является то, что они потребляют меньше электроэнергии, чем процессоры от фирмы-конкурента, данные ЦП обеспечивают наилучшую производительность в приложениях, т.к именно под них оптимизировано большее количество программ. Кэш память процессоров Intel второго и третьего уровня работает на более высоких тактовых частотах.

Самым главным недостатком процессоров Intel является отсутствие многозадачности. При работе пользователя с несколькими мощными программами одновременно возникает зависание.

Таким образом, можно сделать вывод, что процессоры Intel используют инновационные технологии, позволяющие увеличивать им быстродействие в несколько раз, однако стоит отметить, что у данного процессора практически отсутствует многозадачность.

Для дальнейшего сравнения с процессорами конкурентами мы будем использовать таблицу основных характеристик процессоров . В качестве опытных образцов от Intel будут взяты процессоры Core i3, Core i5, Core i7.

	Core i3 -7320	Core i5-7600	Core i7-7700
Техпроцесс	14нм
Количество ядер/потоков	2/4	4/4	4/8
Базовая тактовая чистота	4,10ГГц	3,50ГГц	3,60ГГц
Максимальная частота в режиме Turbo Boost	-	4,10ГГц	4,20ГГц
Кэш память L1	64 КБ x 2	64 КБ x 4
Кэш память L2	256 КБ x 2	256 КБ x 4
Кэш память L3	4 МБ	6 МБ	8 МБ
Максимальная поддерживаемая частота оперативной памяти	2400МГц
Число каналов памяти	2
Максимальное число слотов памяти	4
Максимальный объем памяти	64
Количество линий PCI Express	16

Таблица 2. Характеристики процессоров Intel

2.2 Процессоры семейства AMD

Рассмотрим процессоры семейства AMD. Их модельный ряд очень разнообразен. Ограничимся рассмотрением процессоров с разъемами Socket AM4 семейств Ryzen 3, Ryzen 5 и Ryzen 7, которые были выпущены в то же время, что и процессоры Intel рассмотренные выше.

Первое, что хотелось отметить — это разблокированный множитель во всей линейке процессоров. Это значит, что обладая должными знаниями и достойной системой охлаждения процессора можно увеличить его тактовую частоту, что положительно скажется на времени выполнения операций.

Во всех процессорах семейства Ryzen присутствует трехуровневый кэш. Его размер линейно увеличивается в более старших моделях.

Во всех процессорах этого поколения реализована технология Precision Boost. Она схожа с технологией Turbo Boost от компании intel, но со своими доработками. Регулирование производительности процессора происходит в реальном времени с шагом в 25 МГц. Динамическая регулировка частоты происходит без остановок и сбросов очереди команд.

Для повышения производительности встроена технология XFR (Xtended Frequency Range) она позволяет автоматически повышать производительность процессора, что позволяет установить частоту работы в режиме Precision Boost выше номинальной, что повышает производительность. Для использования этой технологии потребуется более производительные системы охлаждения процессора.

Во всех процессорах AMD этих семейств реализована технология AMD 64 (поддержка 64-разрядных вычислений). Кроме того, они снабжены наборами команд MMX, SSE, SSE2, SSE3 и Extended 3DNow!, технологиями энергосбережения Cool’n’Quiet, защиты от вирусов NX Bit, Smart Prefetch для ускорения вычислений и минимизации времени отклика, и технологией виртуализации AMD Virtualization.

Главным достоинством процессоров AMD, является их многозадачность.

Данные ЦП обеспечивают стабильность работы системы, без ее сбоев.
Недостатками процессоров AMD является их большое энергопотребление, более слабая работа с оперативной памятью и с кэш память, по сравнению с Intel

В заключение, можно без сомнения сказать, что хотя процессоры AMD немного слабее в быстродействии, по сравнению с процессорами Intel, но они имеют большую многозадачность, что является огромным преимуществом. Благодаря данному преимуществу пользователь может осуществлять работу с несколькими требовательными программами, что упрощает его работу на ПК.

Для дальнейшего сравнения с процессорами конкурентов будет использована таблица 3.

		Ryzen 3 1200	Ryzen 5 1600	Ryzen 7 1700
Техпроцесс	14нм
Количество ядер/потоков		4/4	6/12	8/16
Базовая тактовая чистота		3,1ГГц	3,2ГГц	3,0ГГц
Максимальная частота в режиме Turbo Boost		3,4	3,7ГГц	3,7ГГц
Кэш память L1		384 КБ	576 КБ	768 КБ
Кэш память L2		512 КБ x4	512 КБ x6	512 КБ x 8
Кэш память L3		8 МБ	16 МБ	16 МБ
Максимальная поддерживаемая частота оперативной памяти	2666МГц
Число каналов памяти	2
Максимальное число слотов памяти	4
Максимальный объем памяти	64
Количество линий PCI Express	24

Таблица 3. Характеристики процессоров AMD

Заключение

Первые персональные компьютеры появились более сорока лет назад. С течением времени их совершенствовали, делали более адаптивными под пользователей. Компьютерами постепенно начинали пользоваться не только различные организации, но и обычные люди. В итоге, в наше время происходит полное внедрение ПК практически во все сферы деятельности человека.

Основным компонентом любого компьютера, как известно, является процессор. Без данной микросхемы не существовал бы ни одно электронно-вычислительное устройство. ЦП является «мозгом» любого компьютера, так как именно он управляет всем вычислительным процессом ПК, а также выполняет координацию работы всех устройств компьютера. Именно благодаря совершенствованию микропроцессора росла производительность ЭВМ.

ЦП исторически, вплоть до наших дней, представлены двумя фирмами «Intel» и «AMD». Данные процессоры сохраняют свои преимущества на рынке, являются очень востребованными пользователями, имеют свои технические особенности. Оба ЦП обеспечивают наилучшую производительность компьютера. Ни одного из этих ЦП нельзя назвать слабее или мощнее, каждый из них увеличивает работоспособность и скорость ПК по-своему. Процессоры от компании Intel являются более быстро действенными, а процессоры AMD много задачны и могут исполнять одновременно множество требовательных программ, которые серьезно загружают ЦП.

Таким образом, в данной курсовой работе рассмотрены современные процессоры от компании Intel и AMD, основные характеристики процессоров, архитектура процессоров. И сделан вывод, что на производительность ПК влияет множество характеристик процессора.

Список литературы:

1. Информатика: учебник. Курносов А.П., Кулев С.А., Улезько А.В., Камалян А.К., Чернигин А.С., Ломакин С.В.: под ред. А.П. Курносова М: КолосС, 2005. — 234 с.
2. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. Издание 6-е, переработанное и дополненное — М.: Инфра-М, 1995. —432 с.: ил.
3. Питер Нортон, Кори Сандлер, Том Баджет. Персональный компьютер изнутри: пер с английского. — М.: Бином. —448 с.: ил.
4. Информатика /под ред. Проф. Н.В. Макаровой. —М.: Финансы и статистика, 1997. — 768 с.: ил.
5. Информатика. Базовый курс/Симонович С.В. и др. — Спб.: издательство "Питер", 2000. — 640 с.: ил.
6. Островский В.А. Информатика: учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 2000. —511 с.: ил.
7. http://rff.tsu.ru
8. http://www.infosgs.narod.ru
9. http://www.ets.ifmo.ru
10. http://dims.karelia.ru
11. http://www.intel.com
12. https://amd.com
13. http://amd_chrono.amillo.net
14. http://intelchron.amillo.net