Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции и классификация процессора.pdf

Существует разделение процессоров на одноядерные и многоядерные.

Многоядерные процессоры представляют собой интегральную схему, которая использует два или более отдельных процессора или ядер для обработки данных. Каждое ядро имеет собственный кэш, и имеет отдельную емкость для обработки данных. Традиционный же одноядерный процессор хранит некоторые данные в своем кэше, и, если необходимы данные вне кэша, они должны быть извлечены из других мест, таких как оперативная память. Когда это случается, скорость процессора замедляется до максимальной скорости оперативной памяти или другого устройства хранения данных. Эта скорость обычно намного медленнее, чем максимальная скорость процессора^[37].

Многоядерные процессоры хорошо приспособлены для требовательных мультимедийных задач, таких как обработка видеозаписей, работы с большими базами данных, одновременное выполнение нескольких ресурсоемких заданий, например, компьютерной игры, записи DVD и загрузки файлов из Интернета^[38].

Преимуществами многоядерных процессоров являются:

- возможность распределять работу программ по нескольким ядрам;

- увеличение скорости работы программ;

- процессы, требующие интенсивных вычислений, протекают намного быстрее;

- более эффективное использование требовательных к вычислительным ресурсам мультимедийных приложений (например, видео-редакторов);

- снижение энергопотребления;

- работа пользователя ПК становится более комфортной^[39].

К недостаткам многоядерных процессоров относят:

- возросшая себестоимость производства многоядерных процессоров (по сравнению с одноядерными), увеличивающая их стоимость;

- так как с оперативной памятью одновременно работают сразу два и более ядра, необходимо «научить» их работать без конфликтов;

- возросшее энергопотребление требует применения мощных схем питания;

- требуется более мощная система охлаждения;

- количество оптимизированного под многоядерность программного обеспечения ничтожно мало (большинство программ рассчитаны на работу в классическом одноядерном режиме, поэтому они просто не могут задействовать вычислительную мощь дополнительных ядер);

- операционные системы, поддерживающие многоядерные процессоры используют вычислительные ресурсы дополнительных ядер для собственных системных нужд^[40].

---

По системе команд микропроцессоры отличаются огромным разнообразием, зависящим от фирмы-производителя. Тем не менее, можно определить две крайние политики построения микропроцессоров:

- аккумуляторные микропроцессоры;

- микропроцессоры с регистрами общего назначения.

В микропроцессорах с регистрами общего назначения математические операции могут выполняться над любой ячейкой памяти. В зависимости от типа операции команда может быть одноадресной, двухадресной или трёхадресной.

Принципиальным отличием аккумуляторных процессоров является то, что математические операции могут производиться только над одной особой ячейкой памяти - аккумулятором. Для того, чтобы произвести операцию над произвольной ячейкой памяти её содержимое необходимо скопировать в аккумулятор, произвести требуемую операцию, а затем скопировать полученный результат в произвольную ячейку памяти^[41].

В настоящее время в чистом виде не существует ни та ни другая система команд. Все выпускаемые в настоящее время процессоры обладают системой команд с признаками как аккумуляторных процессоров, так и микропроцессоров с регистрами общего назначения.

По числу больших интегральных схем (БИС), составляющих микропроцессор, микропроцессоры можно разделить на:

- однокристальные, которые получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС. По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются, при этом возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса;

- многокристальные, которые получаются при разбиении логической структуры процессора на функционально законченные части и реализации их в виде БИС. Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно, при этом обеспечивается режим одновременной работы всех БИС микропроцессора, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы, что значительно повышает производительность микропроцессора;

- многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями. Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства "стыковки"^[42].

---

При классификации процессора применительно именно к персональному компьютеру выделяют следующие виды процессора:

- для настольных ПК – модели, предназначенные исключительно для домашнего использования. Их характеристики позволяют работать в режиме многопоточности и многозадачности на бытовом уровне (запуск нескольких программ, работа с браузерами, перемещение данных, запись информации на диск/flash‐накопитель, игры, рендеринг, обработка фото и видео)^[43].

Отличаются относительно небольшим количеством ядер, высокой частотой, небольшим тепловыделением (35–95 Вт) и невысокой стоимостью;

- для мобильных ПК – модели, предназначенные для использования в ноутбуках и других видах мобильных персональных компьютеров. Основной особенностью этих процессоров является наличие в них средств управления энергопотреблением для увеличения времени автономной работы компьютера.

Площадь мобильных чипов составляет 12×12 мм, а настольных 45×43 мм. При этом по структуре и принципу работы большинство первых радикально отличаются от вторых. Все настольные процессоры используют разработанную еще в далеком 1978 году архитектуру х86 и соответствующий ей набор команд CISC, т.е. процессор отрабатывает всю цепочку команд — он обеспечивает и загрузку всех фильтров, эффектов и прочих функций. А в смартфонах и планшетных ПК используются процессоры типа RISC, т.е. отвечают за значительно меньший объем команд, например, при открытии какого-либо приложения они загружают только его основные функции, а необходимые модули подгружают по ходу работы, что обеспечивает высокую скорость работы, несмотря на то, что по производительности мобильный процессор значительно уступает настольным^[44];

- для серверов – как правило, используются в терминалах для управления огромными массивами информации. Также они способны работать параллельно с несколькими подключенными клиентами, если на сервер установлена профильная операционная система и используется соответствующее программное обеспечение. Такой процессор изначально рассчитан на работу в режиме 24/7 на протяжении 5 лет в условиях высоких температур, постоянной нагрузки и не только.

В отличие от настольного вида процессора серверный отличается большим числом ядер (но с низкой частотой), очень высоким объемом кэш‐памяти^[45].

Таким образом, существует классификация процессоров в зависимости от архитектуры: на микропроцессоры типа CISC, RISC, VLIW, MISC либо имеющих гибридную архитектуру; от выполняемых функций: на графические, физические, сетевые, звуковые и др.; по области применения: на универсальные, коммуникационные, медийные, нейропроцессоры и др.; по полноте, количеству и разрядности ядра; по организации памяти и способу управления. При этом при классификации процессора применительно именно к персональному компьютеру выделяют: настольные процессоры, предназначенные исключительно для домашнего использования, мобильные – для использования в ноутбуках и других видах мобильных персональных компьютеров и серверные – используемые в терминалах для управления огромными массивами информации и способные работать параллельно с несколькими подключенными клиентами.

---

2.2. Процессоры семейства Intel и AMD. Сравнительная характеристика

На сегодняшний день главными производителями процессоров являются Intel и AMD. Разновидности процессоров, то есть их модельный ряд для персональных компьютеров как у Intel, так и у AMD. довольно широк и содержит в себе несколько так называемых семейств. При этом исторически хоть компания AMD и осуществляла свои разработки параллельно с Intel, она всегда была на шаг позади.

Intel разрабатывает усовершенствованные высокопроизводительные процессоры для любых устройств, включая серверы корпоративного уровня, устройства для Интернета вещей, ноутбуки, настольные ПК, рабочие станции и мобильные устройства^[46].

Для персональных компьютеров разработаны следующие модели процессоров Intel:

- Intel Core, позволяющие работать в программах для 3D-моделирования, редактировать видео и фотографии, играйть в сложные игры и наслаждайться графикой с разрешением 4K;

- Intel Pentium, позволяющие ускорить работу благодаря многофункциональному процессору;

- Intel Celeron, предоставляющие надежную производительность для основных приложений, видео и аудио в формате HD и загрузки веб-страниц;

- Intel Xeon, позволяющие использовать облачные вычисления, анализировать данные и получать практически значимую информацию в реальном времени;

- Intel Atom, предназначенные для мобильных устройств и энергоэффективных серверов и предоставляющие превосходную производительность и длительное время автономной работы в компактном форм-факторе^[47].

Процессоры на основе технологии IntelCore – это самое новое и высокопроизводительное семейство процессоров, которое на сегодняшний день включает в себя:

- Intel Core i10 – выводят игры, потоковые трансляции и создание контента на качественно новый уровень и обеспечивают реалистичную графику на высокопортативных устройствах, обеспечивают высокое время автономной работы, имеют встроенные интеллектуальные функции, а также новейшие стандарты невероятно быстрого беспроводного и проводного подключения. ПК и маршрутизаторы с технологией Intel Wi-Fi 62 (Gig+) обеспечивают сверхбыстрое подключение для поиска информации в Интернете, потоковой трансляции, игр или работы, даже в средах с большим количеством подключенных устройств. Технология Thunderbolt 33 — самый быстрый порт USB-C — позволяет подключать несколько периферийных устройств, док-станций и внешних мониторов и даже заряжать устройства через один единственный кабель (рисунок 2);

---

- Intel Core i9 — первые процессоры с разблокированным множителем для настольных ПК массовой категории. При использовании в сочетании с памятью Intel Optane ускоряется загрузка и запуск игр. Имеет встроенный порт USB 3.1 Gen 2 и встроенный адаптер Intel Wireless-AC. Благодаря тактовой частоте до 5 ГГц, 8 ядрам и 16 потокам для многозадачности возможно максимально реализовать творческий потенциал в создании и редактировании контента;

Рисунок 2. Процессор Intel® Core™ серии U 10-го поколения^[48]

- Intel Core i7 – считается лучшим процессором Intel для настольных ПК. Использует быстрые интеллектуальные многоядерные технологии, которые обеспечивают прорыв в производительности игр и приложений, требующих больших объемов вычислений и активной работы с памятью. Содержат от 4 ядер и выше, оснащаются большей кэш-памятью L3 чем у других серий;

- Intel Core i5 – отлично подходит для работы с мультимедийными приложениями. Дешевле предыдущей модели из-за упрощения подсистемы памяти. Могут быть двухъядерными и четырехъядерными, лишены поддержки Hyper-Threading, Virtualization Technology и Trusted Execution;

- Intel Core i3 – позиционируются как процессоры нижнего и среднего уровня по цене и производительности. Уступают в производительности i7 и i5, но дешевле. Выпускается только в двухъядерном варианте и минимальным L3-кэшем относительно других серий процессоров^[49].

AMD в настоящее время выпускает широкий ассортимент процессоров для персональных компьютеров:

- AMD Ryzen Threadripper – имеет количество ядер от 8 до 32, что обеспечивают мощность для поддержки от 16 до 64 потоков обработки одновременно, общий объем кэш-памяти до 80 МБ и огромная пропускная способность шины ввода-вывода;

- AMD Ryzen - от 4 до 16 ядер, до 32 потоков обработки, некоторые модели включают видеокарту Radeon;

- AMD Athlon - для пользователей начального уровня, которые ценят передовые технологии, высокую скорость реагирования и возможность апгрейда видеокарты. Имеет 4 потока обработки, включает видеокарту Radeon Vega , технологию процессора Zen;

- AMD FX - солидная производительность для геймеров и разработчиков на недорогой платформе с поддержкой памяти DDR3 и количеством ядер от 4 до 8;

- мобильные процессоры AMD Ryzen с графикой Radeon Vega, AMD Athlon с графикой Radeon™ Vega и AMD A-серии и FX с графикой Radeon, имеющие количество ядер от 2 до 4, что обеспечивают мощность для поддержки от 4 до 8 потоков обработки одновременно, и обеспечивающие высокую скорость запуска приложений и загрузки веб-страниц, заряд батареи достаточный для автономной работы в течение целого дня, потоковую трансляцию последних телепередач с потрясающим качеством изображения^[50].

---