Лабораторна робота №4

Тема: Дослідження роботи процесорів

1 МЕТА РОБОТИ:

1.1 Вивчити характеристики мікропроцесорів фірми Intel.

1.2 Вивчити характеристики мікропроцесорів фірми AMD.

1.3 Визначити порівняльні характеристики мікропроцесорів різних поколінь.

2 ОБЛАДНАННЯ:

2.1 Системні блоки різних форм-фаторів на базі різних мікропроцесорів фірми Intel.

2.2 Системні блоки різних форм-фаторів на базі різних мікропроцесорів фірми AMD.

3 ВКАЗІВКИ НА ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ:

3.1 Основи комп’ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі: Навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. / С.О. Кравчук. В.О. Шохін. – К.: ІВЦ Видавництво «Політехніка»: Видавництво «Каравела», 2005. -344 с.Ж іл.. – Бібліогр.: с.340

4 ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ:

Процесор – це пристрій, що поєднує виконання арифметичних і логічних операцій, пов'язаних з керуванням роботою комп'ютера чи його окремих пристроїв. Процесор, що виконує збережувані в оперативній пам'яті команди і керує роботою всього комп'ютера, називають центральним, або головним процесором - CPU (Central Processing Unit).

Центральні процесори для IBM-сумісних настільних комп'ютерів виготовляють фірми Intel, AMD і VIA. Процесори з однаковою чи майже однаковою архітектурою утворюють сім'ї процесорів (під архітектурою процесора розуміють його структуру і склад компонентів).

Перший процесор Intel - Intel 4004 (1971 p.) був чотирирозрядним процесором з тактовою частотою 400...800 кГц (рис. 4.1, а). Він містив 2300 транзисторів і адресував пам'ять ємністю до 640 байт. Цей процесор використовувався в калькуляторах.

Рисунок 4.1 – Процесори фірми Intel: а – Intel 4004; б – Intel 8080;

в – Intel Pentium; г – Intel Itanium 2

Процесор Intel 8080 (1974 p.) був уже 8-розрядним з тактовою частотою 2 МГц і міс­тив 6 000 транзисторів (рис. 4.1, б). Він міг адресувати пам'ять ємністю до 64 кбайт, мав 8-розрядну шину даних і використовувався в першому ПК Altair-8800.

Процесори сім'ї Intel 8086, тобто Intel 8086 (1976 p.) і Intel 8088 (1979 p.) - це перші 16-розрядні процесори. Вони містили 29 000 транзисторів, могли адресувати пам'ять ємністю до 1 Мбайт і мали тактову частоту 5 – 10 МГц. Процесор Intel 8088 був викорис­таний у першому ПК фірми IBM - IBM PC.

Процесор Intel 80286 (1982 p.) використовувався в комп'ютерах IBM PC AT. Він також був 16-розрядним, але містив уже 134 000 транзисторів, 16-розрядну шину даних, міг адресувати до 64 Мбайт пам'яті, а його тактова частота становила до 12 МГц.

Першим 32-розрядним процесором був процесор Intel 80386 (1985 p.). Він містив 275 000 транзисторів і міг адресувати пам'ять ємністю до 4 Гбайт пам'яті. Його такто­ва частота змінювалася від 16 МГц (у першій моделі) до 33 МГц (в останній моделі). Шина даних цього процесора також була 32-розрядною. Починаючи з цього процесо­ра, основними виробниками IBM-сумісних комп'ютерів стали інші фірми, а фірма IBM утратила своє лідерство у виробництві ПК.

У результаті розвитку Intel 80386 створено процесор Intel 80486DX (1989 p.). Процесор містив 1, 2 млн транзисторів; його тактову частоту в останній моделі сім'ї Intel 80486DX4 підвищено до 100 МГц.

Новим етапом у проектуванні і виробництві процесорів став процесор Pentium (1993 р.). Тепер виготовляють тільки процесори сім'ї Pentium – Pentium D, Core 2 Duo. Тактова частота першої моделі Pentium становила 66 МГц; частоту останніх моделей Pentium IV (рис. 4.1, в) збільшено до 3, 4 ГГц, а кількість транзисто­рів - з 3, 1 до 178 млн. У процесорах сім'ї Pentium використовується 64-розрядна шина даних; ємність пам'яті, що адресується, збільшилася до 64 Гбайт.

Відгалуженнями від процесорів сім'ї Pentium стали процесори сім'ї Хеоn, при­значені для багатопроцесорних серверів. Перший процесор цієї сім'ї Pentium II Хеоn (1998 р.) містив 7, 5 млн транзисторів і працював з тактовою частотою 100 МГц. Остання модель Pentium Хеоn MP (2004 p.) містить 169 млн транзисторів і працює з тактовою частотою 3 ГГц.

Іншим відгалуженням процесорів сім'ї Pentium стали процесори сім'ї Celeron, що являють собою спрощений і, отже, більш дешевий варіант процесорів Pentium. Перша модель процесора цієї сім'ї (1998 р.) працювала з тактовою частотою 266 МГц і містила 7, 5 млн транзисторів, а остання модель працює з тактовою частотою 3, 2 ГГц.

Крім цього, фірма Intel розробила процесор Pentium M (2003 р.) зі зниженим спо­живанням енергії, що містить 77 млн транзисторів і працює з тактовою частотою до 1, 4 ГГц. Цей процесор спеціально призначено для портативних комп'ютерів.

Перший 64-розрядний процесор фірми Intel - Itanium з'явився в 2001 р. Він містив 25 млн транзисторів і працював з тактовою частотою 733 МГц. Адресна шина цього проце­сора також стала 64-розрядною, що дозволило адресувати пам'ять ємністю до 1 024 Тбайт. Розрядність шини даних у цьому процесорі збільшилася до 128 байт. Остання модель Ita­nium 2 (рис. 4.1, г) містить 410 млн. транзисторів і працює з тактовою частотою 1, 5 ГГц.

Процесори AMD – це простіші і дешевші аналоги (клони) процесорів фірми Intel. Так, 32-розрядні процесори AMD Athlon XP і AMD Athlon MP є аналогами відповідно Pentium 4 і Хеоn, а 64-розрядні процесори AMD Athlon 64 FX (рис. 4.2, а) і AMD Opteron - аналогами Itanium 2 (перший з них призначено для настільних і блокнотних ПК, другий - для серверів і робочих станцій).

32-розрядні процесори, які виготовляє корпорація VIA Technologies за 0, 13-мікрон­ною технологією, відрізняються малими розмірами і низьким енергоспоживанням.

Рисунок 4.2 – Процесори – Клони Intel: а – AMD Athlon 64 FX; б – VIA С3;

в – VIA Eden-N (порівнянно з Pentium M і одноцентовою монетою);

г – процесор UltraSPARC IV; д – процесор Power PC

Сім'ю процесорів UltraSPARC (що містять процесори серій UltraSPARC IV, UltraSPARC III і UltraSPARC II) застосовують тільки для комп'ютерів, виготовлених фірмою Sun (рис. 3.6, г), а сім'ю процесорів PowerPC - для комп'ютерів серії Macintosh фірми Apple та комп'ютерів фірми IBM (рис. 3.6, д).

Функціонування багатопроцесорної системи потребує виконання таких умов:

- материнська плата має підтримувати кілька процесорів, тобто мати додаткові роз­німи для установлення процесорів і відповідний набір мікросхем;

- процесор має працювати в багатопроцесорній системі;

- операційна система має підтримувати декілька процесорів (такими операційними системами є Windows NT/XPi і Unix).

Багатопроцесорна система найбільш ефективна у випадках, коли вона використо­вується багатозадачними операційними системами і прикладними програмами, ство­реними за допомогою спеціальних засобів, що дозволяють виконувати паралельне об­роблення даних.

У процесі одночасної роботи декількох процесорів операційна система розподіляє різні задачі між процесорами. Існують два режими роботи багатопроцесорних систем -асиметричний і симетричний.

У режимі асиметричного оброблення один процесор виконує тільки задачі операцій­ної системи, а решта процесорів реалізовують прикладні програми.

У режимі симетричного мультиоброблення за­дачі операційної системи і користувацькі прикладні задачі може виконувати будь-який процесор залежно від його завантаження.

Основні характеристики центрального процесора:

- ступенем інтеграції чи безпосередньо зв'язаною з нею технологією виробництва;

- внутрішньою і зовнішньою розрядністю оброблюваних даних;

- частотою тактового генератора для процесора;

- продуктивністю процесора;

- ємністю пам'яті, до якої може адресуватися процесор;

- ємністю кеш-пам'яті;

- підтримуваною частотою системної шини;

- набором команд;

- напругою електроживлення і споживаною потужністю;

- варіантом постачання;

- рознімами підключення.

Ступінь інтеграції будь-якої мікросхеми, зокрема процесора, показує, скільки транзисторів уміщується в ній. Ця характеристика для процесорів Intel змінилася від десятків тисяч до сотень мільйонів транзисторів, а технологія їх виготовлення -від 3, 0 до 0, 09 мк.

Одна з основних характеристик процесора - кількість бітів, яку він може обробляти одночасно - внутрішня розрядність. Внутрішня розрядність процесорів Pentium ста­новить 32, а процесорів Itanium і процесорів Sun Ultrasparc та IBM Power 4 - 64. Зов­нішню розрядність процесора визначають за розрядністю системної шини. Зовнішня розрядність процесорів сім'ї Pentium становить 64, а процесорів Itanium - 128.

Частота тактового генератора і залеж­ний від неї такт роботи процесора - машинний такт. Протягом машинного такту ви­конується одна або декілька мікрооперацій процесора. Чим коротший машинний такт, тим вища продуктивність процесора, що виражається кількістю виконуваних команд (операцій) за одиницю часу.

Продуктивність процесорів сучасних комп'ютерів становить від декількох мільйо­нів до декількох мільярдів операцій за секунду, при цьому значення машинного такту становить 10... 100 нc, а частота тактового генератора перевищила 3 ГГц.

Ємність пам'яті, до якої може адресуватися процесор, визначається шириною адрес­ної шини. Ширина адресної шини процесорів перших IBM-сумісних комп'ютерів становила 20 біт, а максимальна ємність пам'яті - відповідно 1 Мбайт. Максимальна ємність пам'яті сучасних комп'ютерів дорівнює 64 Гбайт (за ширини адресної шини 36 біт). Ширина адресної шини процесорів Itanium становить 64, а максимальна єм­ність адресованої пам'яті - відповідно 2^е4 байт. Отже, процесори можуть адресувати набагато більше фактично встановленої пам'яті (чи пам'яті, яку можна встановити) на материнській платі, що зумовлено конструктив­ними і технологічними особливостями її виробництва

Істотний вплив на продуктивність процесора справляють кількість рівнів ієрархії кеш-пам 'яті і ємність кеш-пам 'яті кожного рівня.

Підтримувана частота системної шини (деякі процесори підтримують кілька час­тот) визначає швидкість обміну даними між процесором та іншими пристроями (на­самперед оперативною пам'яттю). Натепер найбільш використовувані частоти 400, 533, 800, 1066 МГц.

Важливою характеристикою процесора є використовуваний набір команд. Так, якщо процесор-клон AMD чи VIA не підтримує розширення мультимедійних команд SSE2 і SSE3, то програми, що використовують ці розширення, не будуть працювати з таким процесором.

Напруга електроживлення і споживана потужність є істотними для моделей проце­сорів, призначених для портативних комп'ютерів, оскільки вони визначають час авто­номної роботи комп'ютера (на батарейках). Так, модель Itanium 2 з низькою напругою електроживлення (1, 5 В) споживає 62 Вт (звичайний процесор Pentium II споживав 130 Вт), моделі Mobil Pentium 4 мають напруги живлення 1, 2...1, 55 В і споживану по­тужність 2...З Вт, а моделі Pentium M - напруги живлення 1, 18 та 1 В і відповідно спо­живану потужність - 1 і 0, 5 Вт. Для зниження споживання електроенергії процесором під час його бездіяльності використовується «сплячий» режим зі зниженою напругою електроживлення.

Для процесорів, починаючи з Intel 80486, через збільшення споживаної потужнос­ті процесора виникла потреба в охолоджувальній системі у вигляді вентилятора для поліпшення відведення тепла від спеціальних ребристих пластин. Процесор постача­ється як без вентилятора (у цьому разі вентилятор купують окремо), так і разом з вен­тилятором - так званий «коробковий» (BOX) варіант постачання. Останні моделі про­цесорів мають систему стеження за температурою та її регулюванням.

Існують два способи підключення процесора до материнської плати. За першим способом процесор вставляють у гніздо материнської плати за до­помогою багатоконтактних рознімів. Так підключають процесори Pentium IV, Itanium 2, AMD і VIA. Наприклад, щоб підключити Pentium IV, викорис­товують 478-контактне гніздо (Socket 478) зі спеціальним притискним важелем, що за­безпечує міцне кріплення процесора в гнізді, а для підключення Itanium 2 підходить 611-контактне гніздо.

Другим способом передбачено розміщення процесора (наприклад, Pentium II) з вентилятором на спеціальній карті, що вставляється в слот розширення материн­ської плати.

5 ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ:

5.1 Прочитати інструкцію з техніки безпеки при роботі з ПЕОМ.

5.2 На комп’ютері увійти в глобальну мережу Internet та знайти порівняльні характеристики мікропроцесорів: Intel 80486, AMD K5, Intel Celeron, Intel Pentium, AMD Athlon,

Intel Core i5.

5.3 Порівняльні характеристики записати до таблиці 5.1.

5.4 Зробити висновки по виконаній роботі.

Таблиця 5.1 – Зрівняльна характеристика мікропроцесорів

6 ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ:

6.1 Що таке мікропроцесор.

6.2 Які існують фірми виробники і марки процесорів.

6.3 Основні характеристики центрального процесора.

7 ЗМІСТ ЗВІТУ:

7.1 Тема та мета роботи.

7.2 Обладнання та порядок виконання роботи.

7.3 Зрівняльні характеристики мікропроцесорів.

7.4 Відповіді на питання для самоперевірки.

7.5 Висновок.

8 ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

8.1 Підготувати бланк звіту.

8.2 Вивчити характеристики мікропроцесорів фірм Intel та AMD.

8.3 Вміти користуватися мережею Internet та виконувати зрівняльну характеристику мікропроцесорів.

9 ЛІТЕРАТУРА:

9.1 Основи комп’ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі: Навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. / С.О. Кравчук. В.О. Шохін. – К.: ІВЦ Видавництво «Політехніка»: Видавництво «Каравела», 2005. -344 с.Ж іл.. – Бібліогр.: с.340