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

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.