Курсовая работа по дисциплине "Информационно-коммуникационные технологии" на тему "Процессоры персонального компьютера"

1. Процессоры ПК

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 элетронного 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 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 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 супер скалярные, 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 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 разогнать тактовую частоту, используя специальные программы.