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

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. Вместе с тем, если вести речь о современных процессорах, то следует ограничиться изучением процессоров на микро архитектуре Nehalem, которые являются семействами Intel Core i7 (Core i7−975 EE, Core i7−965 EE, Core i7−950, Core i7−940, Core i7−920, Core i7 870, Core i7 860) и Intel Core i5 (Core i5 750).

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 (Core i7 870, Core i7 860) четырехъядерные и поддерживают режим Hyper-Threading, а четырехъядерные процессоры семейства Сore i5 (Сore i5 750) 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 двухчипового 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 одночипового 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, 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.