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

Введение

В современном высокоразвитом обществе, где без информационных технологий не обходится ни одна область деятельности людей, нельзя представить свою жизнь без такого технического изобретения, как компьютер. Сфера его использования с течением времени расширяется, внося ощутимый вклад в развитие общества, его производственных сил и в целом делая повседневную жизнь людей намного проще и органичнее.

Персональный компьютер по сравнению с более узконаправленными устройствами предлагают и любой необходимый набор программного обеспечения, и достаточную производительность, и возможность подключения любых периферийных устройств, упрощающих работу пользователя. И, что более важно – возможность выполнять один тип задач никак не ограничивает иной функционал компьютера.

Однако для того, чтобы решать столь широкий спектр задач, компьютеру необходима соответствующая производительность. Которая определяется в первую очередь центральным процессором (хотя, разумеется, важна также оперативная память, а в некоторых случаях – и SSD).

Все персональные компьютеры обрабатывают нескончаемый поток информации с помощью специальной электронной микросхемы, которая получила название процессор. Без данной микросхемы невозможна работа любой электронно-вычислительной машины, ведь процессор является центром вычислительных операций компьютера, главной его составляющей.

Актуальность данной темы обусловлена тем, что персональные компьютеры, прочно вошедшие в жизнь человека, непрерывно совершенствуются, меняются в лучшую сторону их технические характеристики, они становятся более адаптивными для пользователя и т.д. Но увеличение производительности компьютера наращивается с помощью совершенствования процессора, который является основой любой электронной вычислительной машины. Чем мощнее процессор, чем больше у него ядер и гигагерц, тем быстрее способен работать весь компьютер.

Целью курсовой работы является исследование назначения, функций процессора персонального компьютера.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- раскрыть понятие и назначение процессора персонального компьютера;

- выделить основные функции и состав процессора;

- провести классификацию процессоров;

- расмотреть иерархию процессоров Intel и AMD;

- изучить перспективы развития процессора.

Предметом исследования являются современные модели процессоров различных компаний производителей.

Методологическую основу работы составляет специальная, периодическая литература, публикации ведущих зарубежных и отечественных авторов по вопро­сам персонального компьютера.

В процессе обработки и изучения материала широко использовались различные методы исследований: метод аналогий, сравнительный анализ и другие.

1. Общая характеристика процессора персонального компьютера

1.1 Понятие и назначение процессора персонального компьютера

Процессор (от англ. «to process» - «обрабатывать») - это программа или устройство, предназначенные для обработки чего-либо. «Процессор является центральным вычислительным элементом любого компьютера, управляет всеми остальными его элементами» [9, с. 59].

Современный микропроцессор - это прямоугольная пластинка из кристаллического кремния. На ее маленькой площади расположены схемы (транзисторы). Пластинка находится в керамическом или пластмассовом корпусе, к которому она подсоединяется посредством золотых проводов. Благодаря такой конструкции процессор легко и надежно подсоединяется к системной плате персонального компьютера.

Процессор осуществляет координацию потоков данных и их обработку. Аппаратура процессора обеспечивает эффективную и гибкую защиту памяти, контролируемый доступ к ресурсам оперативной системы, изоляцию индивидуальных прикладных программ, малое время реакций на прерывания. Архитектура ЭВМ определяется типом центрального процессора.

«Аппаратура процессора обеспечивает эффективную и гибкую защиту памяти, контролируемый доступ к ресурсам оперативной системы, изоляцию индивидуальных прикладных программ, малое время реакций на прерывания» [13, с. 102].

У процессора есть:

1. Тактовая частота процессора.

Тактовая частота указывает скорость работы процессора в герцах - количество рабочих операций в секунду. Тактовая частота процессора подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Эта характеристика процессора значительно влияет на скорость работы ПК, но производительность зависит далеко не только от неё.

Внутренняя тактовая частота обозначает темп, с которым процессор обрабатывает внутренние команды. Чем выше показатель – тем быстрее внешняя тактовая частота.

Внешняя тактовая частота определяет, с какой скоростью процессор обращается к оперативной памяти.

2. Разрядность процессора.

Разрядность представляет собой предельное количество разрядов двоичного числа, над которым может производиться машинная операция передачи информации.

3. Размерность технологического процесса.

Определяет размеры транзистора (толщину и длину затвора). Частота работы определяется частотой переключений транзисторов (из закрытого состояния в открытое). С уменьшением размера уменьшается выделение тепла. Размерность технологического процесса измеряется в нанометрах.

4. Сокет (разъем).

Гнездовой или щелевой разъем, предназначен для интеграции чипа в схему материнской платы. Каждый разъем допускает установку только определенного типа процессоров.

5. PGA (Pin Grid Array) – корпус квадратной или прямоугольной формы, штырьковые контакты.

6. BGA (Ball Grid Array) – шарики припоя.

7. LGA (Land Grid Array) – контактные площадки.

8. Кэш-память процессора.

Кэш-память процессора является одной из ключевых характеристик. Кэш-память – массив сверхскоростной энергозависимой оперативной памяти. Является буфером, в котором хранятся данные, с которыми процессор взаимодействует чаще или взаимодействовал в процессе последних операций. Благодаря этому уменьшается количество обращений процессора к основной памяти. Этот вид памяти делится на три уровня: L1, L2, L3. Каждый из уровней отличается по размеру памяти и скорости, и задачи ускорения у них отличаются. L1 - самый маленький и быстрый, L3 - самый большой и медленный. К каждому уровню процессор обращается поочередно (от меньшего к большему), пока не обнаружит в одном из них нужную информацию. Если ничего не найдено, обращается к оперативной памяти.

Процессор может быть оснащен графическим ядром, отвечающим за вывод изображения на монитор. В последние годы, встроенные видеокарты такого рода хорошо оптимизированы и без проблем тянут основной пакет программ и большинство игр на средних или минимальных настройках. Для работы в офисных приложениях и серфинга в интернете, просмотра Full HD видео и игры такой видеокарты вполне достаточно.

9. Количество ядер (потоков).

Многоядерность - одна из важнейших характеристик центрального процессора, но в последнее время ей уделяют слишком много внимания. Не так давно процессоры были одноядерными, их производительность на то время была достаточно хорошей, и не требовала увеличения мощности. На замену одноядерным пришли процессоры с 2, 4, 6, 8 и больше ядрами.

Если 2 и 4-ядерные вошли в обиход очень быстро, процессоры с 8 и 10 ядрами пока не так востребованы. Для использования офисных приложений и серфинга в интернете достаточно 2 ядер, 4 ядра требуются для САПР и графических приложений, которым просто необходимо работать в несколько потоков.

В большинстве процессоров количество физических ядер соответствует количеству потоков: 8 ядер – 8 потоков. Но есть процессоры, где благодаря Hyper-Threading, к примеру, 4-ядерный процессор может обрабатывать 8 потоков одновременно.

«Современный процессор для персонального компьютера - это сложнейшее устройство с множеством технических характеристик. И однозначного ответа на вопрос, какой процессор лучше, просто не существует в силу того, что невозможно все характеристики процессора свести к единому интегральному критерию, который мог бы служить показателем его качества» [8, с. 92].

Если попытаться классифицировать все характеристики современных процессоров с точки зрения пользователя, то можно выделить четыре основные группы:

- производительность;

- энергоэффективность;

- функциональные возможности;

- стоимость.

«Под производительностью процессора принято понимать скорость выполнения им той или иной задачи (какого-либо приложения), то есть чем меньше времени затрачивает процессор на ее реализацию, тем выше его производительность» [11, с. 142]. Казалось бы, такой подход к понятию производительности процессора вполне логичен. Однако это не так.

Рассмотрим пример. Пусть имеется два процессора и два приложения. Первый процессор демонстрирует более высокую производительность в одном приложении, а второй - в другом. Возникает вопрос: какой из двух процессоров считать более производительным? Реальное положение дел таково, что какие-то процессоры демонстрируют более высокую производительность на одном наборе приложений, а какие-то - на другом. В этом смысле более корректно говорить не об абсолютной производительности процессора (как о некой безусловной истине), а о производительности на наборе приложений.

На производительность процессора оказывают непосредственное влияние его микроархитектура, размер кэша, тактовая частота и количество ядер процессора.

Количество ядер решает, как много задач процессор сможет обрабатывать одновременно. Когда-то все процессоры были одноядерными и не поддерживали многозадачность. Они умели только быстро переключаться между приоритетными задачами. С выходом процессоров Athlon и Pentium, на потребительский рынок поступили первые многоядерные процессоры. Произошла так называемая «ядерная революция», их количество росло очень быстро. На текущий момент среди пользовательского сегмента есть 4, 8, 16 и даже 32-х ядерные модели.

Переход от одноядерных процессоров к многоядерным - это современная тенденция развития процессоров. Причина перехода к многоядерности вполне очевидна. Дело в том, что на протяжении всей истории развития процессоров одним из самых эффективных способов увеличения производительности было наращивание тактовой частоты. В то же время увеличение тактовой частоты приводит к нелинейному росту потребляемой процессором мощности со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. Энергопотребление процессоров сегодня достигло уже той критической отметки, когда дальнейшее увеличение тактовой частоты в принципе невозможно, поскольку подобные процессоры просто нечем охлаждать. А это означает, что возникла необходимость в поиске кардинально иных способов увеличения производительности процессоров, одним из них является переход от одноядерных процессоров к двухъядерным и многоядерным. Причем это действительно революционный шаг в их развитии, поскольку при этом не просто меняется архитектура процессоров, но и требуется изменение всей инфраструктуры, включая программное обеспечение. Дело в том, что многоядерные процессоры могут дать выигрыш по производительности, только если используется оптимизированное под многоядерность, хорошо распараллеливаемое программное обеспечение (операционная система и приложения). Если же программный код подразумевает лишь последовательное выполнение инструкций, то от многоядерности эффекта не будет.

Рассмотрим такую характеристику, как энергоэффективность.

Еще несколько лет назад выбор процессора для персонального клмпьютера ограничивался рассмотрением двух составляющих: производительности процессора и его стоимости, причем на производительность процессора однозначно указывала его тактовая частота.

Кроме абсолютной производительности, процессоры принято характеризовать энергоэффективностью, то есть производительностью в расчете на ватт потребляемой им электроэнергии. Ранее, когда потребляемая процессором мощность составляла всего несколько десятков ватт, на такую характеристику, как энергоэффективность, не обращали внимание. Однако при достижении потребляемой процессором мощности рубежа в 100 Вт, а тем более его превышении, энергоэффективность стала одной из важнейших характеристик процессора.

Дело даже не только (и не столько) в том, что чем выше потребляемая процессором мощность, тем больше приходится платить за электроэнергию, а в том, что процессоры с высоким энергопотреблением трудно охлаждать. Приходится использовать массивные и шумные кулеры, что исключает возможность создания малошумных персональных компьютеров. Естественно, оптимальным решением будет производительный процессор с низким энергопотреблением, что, собственно, и отражено в понятии энергоэффективности.