Файл: ПРОЦЕССОР ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА. НАЗНАЧЕНИЕ, ФУНКЦИИ, КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРА..pdf

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.

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.