Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора ( Процессоры персональных компьютеров )

Содержание:

Введение

В современном мире, где без информационных технологий не обходится ни один человек на земле, мы не можем представить свою жизнь без такого изобретения как персональный 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.

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

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

Предметом моего исследования являются современные модели процессоров различных компаний производителей.

1. Процессоры персональных компьютеров

1.1 Понятие и основные характеристики процессоров

В современном высокотехнологическом 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, выделим из них основные. На мой взгляд, 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 они перешли на создание более совершенной архитектуры ЦП, но при создании новых процессоров, не отказались от использования прироста тактовой частоты. Частота процессора является показателем, который определяет самую малейшую, 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 многодетность 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.

Многодетность является значимой характеристикой, ведь благодаря ней 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 много поточность. 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 много поточность 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 в них 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 много поточности или, если они суперскалярные, то применяют технологию, под названием SMT, 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 «SunUltraSPARC T2» такое увеличения может достигать 8 потоком на ядро.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что многодетность 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 кэшу 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, разогнать 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:

отключение прерываний, сохранение контекста прерванной программы, установка режима работы системы прерываний;
собственно, тело программы обработки прерываний;
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 микроархитектуры 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, зачастую из двух или трех уровней.

Рассмотрим каждый уровень:

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.
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
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 i7-3770K составляет 8 Мбайт. Если два предыдущих уровня разделяются на каждое ядро, то данный уровень является общим для всего процессора.

2. Обзор современных процессоров

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. Вместе с тем, если вести речь о современных процессорах, то следует ограничиться изучением процессоров на микроархитектуре «Nehalem», которые являются семействами «Intel Core i7» и «Intel Core i5»

Наибольшее количество встречающихся на рынке процессоров Intel – это двухъядерные процессоры семейства «Intel Core 2 Duo» и четырехъядерные ЦП семейства «Intel Core 2 Quad». Когда же на персональном компьютере применяется процессор «Intel Core 2 Duo» или «Intel Core 2 Quad», 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 Nehalem).

В виду того, что процессоры «Intel» на микроархитектуре «Nehalem» имеют два несовместимых друг с другом процессорных разъема - LGA 1156 и LGA 1366, их классификация считается нелогичной. Логичным было бы разделение этих центральных процессоров, c отличными разъемами, на разные семейства. Но «Intel Core i7» содержит и процессоры с разъемом LGA 1366 (кодовое название Bloomfield), и LGA 1156 (кодовое названием Lynnfield). «Intel Core i5» включает только процессоры «Lynnfield» с разъемом LGA 1156.

Что же представляют из себя общие черты процессоров на микроархитектуре «Nehalem»?

Прежде всего, необходимо сказать, что процессоры «Bloomfield» и «Lynnfield» производятся по 45-нанометровой технологии и характеризуются, как четырехъядерные. В них находится интегрированный контроллер памяти DDR3, который и служит их отличительной особенностью. В процессорах «Bloomfield» (Intel Core i7 9xx) используется трехканальный контроллер памяти DDR3, а в «Lynnfield» (Intel Core i7 8xx и Intel Core i5 750) - двухканальный.

В обычном режиме процессоры «Bloomfield» поддерживают память DDR3−1066, а процессоры «Lynnfield» - как память DDR3−1066, так и DDR3−1333.

Необходимо отметить идентичность структуры кэш-памяти процессоров «Bloomfield» и «Lynnfield». Кэш-память первого уровня (L1) делится на 8-канальный 32-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 Core i7» поддерживают технологию многопоточной обработки данных «Hyper-Threading», в результате которой операционная система распознает четырехъядерный процессор как восемь отдельных логических процессоров или ядер. Процессоры семейства «Lynnfield» не поддерживаются технологией «Hyper-Threading». Разделение процессоров «Lynnfield» на «Core i7» и «Сore i5» неотрывно связано с поддержкой режима «Hyper-Threading». Процессоры «Lynnfield» семейства «Core i7» четырехъядерные и поддерживают режим «Hyper-Threading», а четырехъядерные процессоры семейства «Сore i5» его не поддерживают.

Необходимо отметить, что все процессоры семейств «Intel Core i7» и «Intel Core i5» поддерживают технологии – «Enhanced Intel SpeedStep Technology», «Intel EM64T», «Intel Virtualization Technology», «Enhanced Halt State (C1E)» и «Execute Disable Bit». 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 133 МГц (частота системной шины в процессорах составляет 133 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).

Необходимо отметить, что в процессорах «Bloomfield» и «Lynnfield» режим «Intel Turbo Boost» реализован несколько по-разному.

В процессорах «Bloomfield» семейства «Intel 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» 8-й серии (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.

В процессорах «Bloomfield» и «Lynnfield» достаточно много общего, однако и различий в них также достаточно. А именно, процессоры «Bloomfield» направлены на применение двух чипового набора микросхем «Intel X58 Express» и для связи с чипсетом используют высокоскоростную шину «QPI» (QuickPath Interconnect). Указанная шина сменила такую шину, как FSB. Шина QPI от четырех до восьми раз увеличивает скорость передачи данных по сравнению с шиной FSB. Соответственно, на кристалле процессора располагается и контроллер шины QPI.

Процессоры «Lynnfield» направлены на использование одно чипового чипсета «Intel P55 Express» (он называется PCH - Platform Controller Hub), в них нет шины «QPI». Дело в том, что во всех процессорах «Lynnfield» интегрирован контроллер «PCI Express 2.0» (данный интерфейс отсутствует в процессорах Bloomfield). Все процессоры «Lynnfield» поддерживают 16 линий «PCI Express 2.0», которые могут быть реализованы как один порт «PCI Express 2.0×16» или два порта «PCI Express 2.0×8» для установки видеокарт. То есть, если в процессорах «Bloomfield» взаимодействие между процессором и видеокартой происходит через северный мост чипсета по высокоскоростной шине «QPI», то в процессорах «Lynnfield» оно осуществляется напрямую, минуя чипсет. Ну, а поскольку контроллер памяти также интегрирован непосредственно в процессор, то необходимость в высокоскоростной шине для взаимодействия с чипсетом у процессоров «Lynnfield» просто отсутствует. Соответственно все процессоры «Lynnfield» не поддерживают шины «QPI» для связи с чипсетом. В процессорах «Lynnfield» вместо шины «QPI» применяется хорошо известная двунаправленная (full duplex) шина «DMI» (Direct Media Interface) с пропускной способностью 20 Гбит/с (по 10 Гбит/с в каждую сторону), которая ранее использовалась для связи северного и южного мостов чипсетов. Отметим, что пропускной способности шины «QPI» в ряде случаев может оказаться недостаточно. Дело в том, что чипсет «Intel P55 Express» поддерживает восемь линий «PCI Express 2.0», а пропускная способность каждой линии составляет 5 Гбит/с (по 2,5 Гбит/с в каждом направлении). Соответственно, если предположить, что используются все восемь линий «PCI Express 2.0», то пиковая нагрузка составит 40 Гбит/с, а пропускная способность шины DMII - только 20 Гбит/с. В данной ситуации именно шина «DMI» станет тем самым узким местом в системе, в которое упрется производительность. Именно поэтому на платах с чипсетом «Intel P55 Express» не рекомендуется задействовать все свободные слоты «PCI Express 2.0», несмотря на их наличие.

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, так как 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.

2.2 Процессоры семейства AMD

Рассмотрим процессоры семейства «AMD». Их модельный ряд очень разнообразен. Ограничимся рассмотрением процессоров с разъемами Socket AM2+/AM3 семейств «Phenom II» и «Athlon II», которые на данный момент времени являются современными.

В каждом из семейств, «Phenom II» и «Athlon II», имеются серии четырехъядерных (Phenom II X4, Athlon II X4), трехъядерных (Phenom II X3, Athlon II X3) и двухъядерных (Phenom II X2, Athlon II X2) процессоров. Отличие семейства «Phenom II» от «Athlon II» заключается в том, что в процессорах семейства «Phenom II» есть кэш L3, а в процессорах семейства «Athlon II» он отсутствует.

Каждое ядро процессора «AMD Phenom II» и «Athlon II» имеет кэш-память первого уровня (L1) размером 128 Кбайт, которая делится на двухканальный 64-килобайтный кэш данных и двухканальный 64-килобайтный кэш инструкций (размер строки составляет 64 байт). Кроме того, каждое ядро процессора имеет выделенный кэш L2 размером 512 Кбайт. Кэш-память второго уровня (L2) является 16-канальной (размер строки - 64 байт). В процессорах семейства «AMD Phenom II» присутствует также кэш-память третьего уровня (L3), которая является 48-канальной (размер строки - 64 байт).

Во всех процессорах «AMD» этих семейств реализована технология «AMD 64» (поддержка 64-разрядных вычислений). Кроме того, все процессоры «AMD» снабжены наборами команд «MMX», «SSE», «SSE2», «SSE3» и «Extended 3DNow!», технологиями энергосбережения «Cool’n’Quiet», защиты от вирусов «NX Bit» 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»

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.

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

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.

В заключение, можно без сомнения добавить, что, 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 задачные 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 их классификация, архитектура процессоров, назначение и функции. И сделан вывод, что на производительность ПК влияет множество характеристик процессора.

Список использованной литературы

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.
Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. Издание 6-е, переработанное и дополненное — М.: Инфра-М, 1995. —432 с.
Питер Нортон, Кори Сандлер, Том Баджет. Персональный компьютер изнутри: пер с английского. — М.: Бином. —448 с.
Информатика /под ред. Проф. Н.В. Макаровой. —М.: Финансы и статистика, 1997. — 768 с.
Информатика. Базовый курс/Симонович С.В. и др. — Спб.: издательство "Питер", 2000. — 640 с.
Островский В.А. Информатика: учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 2000. —511 с.: ил.
Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 2001. - 320 с.
Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р Алгоритмы: построение и анализ. М., «МЦНМО», 2000. – 286 с.
Пособие для студентов по информатике/под ред. Н.Г. Огарковой, С.С. Смаиловой. Усть-Камненогорск 2009 год. – 386 с.
Информатика. Базовый курс. Учебник для Вузов/под ред. С.В. Симо-новича, - СПб.: Питер, 2000. – 485 с.
Основы компьютерных технологий. – СПб.: Корона, 1998. – 448 с
Трофимов, В. В. Информатика в 2 т. Том 2 : учебник для академического бакалавриата / В. В. Трофимов ; ответственный редактор В. В. Трофимов. 3-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 406 с.