Исследование архитектуры персонального компьютера

Исследование архитектуры персонального компьютера

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»

Факультет радиоэлектроники и автоматики

Кафедра промышленной электроники

Лабораторная работа №1

по дисциплине

«Большие вычислительные машины»

на тему

«Исследование архитектуры персонального компьютера»

Выполнил:

студент

Иванов К.В

Проверила:

Тимофеева Н.Н.

Чебоксары 2016

Цель работы: получить знания об архитектуре персонального компьютера (ПК), особенностях организации различных типов компьютеров.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Для трех различных (аудиторный, домашний, ПК друга (подруги)) персональных компьютеров (настольный и/или мобильный) провести сравнительный анализ по компонентам архитектуры, включающим: функциональные и логические возможности ПК, структурную организацию, состав аппаратных средств, программное обеспечение. Для анализа использовать диагностическую утилиту CPU-Z.

Описание компонент архитектуры

Центральный процессор - это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе сверхбольших интегральных схем (СБИС), содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

В состав центрального процессора входят:

устройство управления (УУ);

арифметико-логическое устройство (АЛУ);

запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;

генератор тактовой частоты (ГТЧ).

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

Запоминающее устройство - это внутренняя память процессора. Регистры служат промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

К основным характеристикам процессора относятся:

Быстродействие (вычислительная мощность) - это среднее число операций процессора в секунду.

Тактовая частота в МГц. Тактовая частота равна количеству тактов в секунду. Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего.

Разрядность процессора - это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно.

Кэш микропроцессора - кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровней иерархии памяти. Кэш использует небольшую, очень быструю память (обычно типа SRAM), которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша.

Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию используя кэш, что значительно быстрее использования более медленной основной памяти.

Большинство современных микропроцессоров для компьютеров и серверов имеют как минимум три независимых кэша: кэш инструкций для ускорения загрузки машинного кода, кэш данных для ускорения чтения и записи данных и буфер ассоциативной трансляции (TLB) для ускорения трансляции виртуальных (логических) адресов в физические, как для инструкций, так и для данных. Кэш данных часто реализуется в виде многоуровневого кэша (L1, L2, L3).

Материнская плата - это один из важнейших элементов ЭВМ, определяющий ее облик и обеспечивающий взаимодействие всех подключаемых к материнской плате устройств.

На материнской плате размещаются все основные элементы ЭВМ, такие как:

набор системной логики или чипсет - основной компонент материнской платы, определяющий какой тип процессора, тип ОЗУ, тип системной шины можно использовать;

слот для установки процессора. Определяет, какой именно тип процессоров можно подсоединить к материнской плате;

центральный процессор - основное устройство ЭВМ, выполняющее математические, логические операции и операции управления всеми остальными элементами ЭВМ;

контроллер ОЗУ (оперативно запоминающее устройство). Раньше контроллер ОЗУ встраивали в чипсет, но сейчас большинство процессоров имеют встроенный контроллер ОЗУ, что позволяет увеличить общую производительность и разгрузить чипсет;

ОЗУ - набор микросхем для временного хранения данных. В современных материнских платах имеется возможность подключения одновременно нескольких микросхем ОЗУ, обычно четырех или более.

ППЗУ (БИОС), содержащие программное обеспечение, осуществляющее тестирование основных компонентов ЭВМ и настройку материнской платы;

контроллеры каналов ввода-вывода: USB, COM, LPT, ATA, SATA, SCSI и др;

кварцевый генератор, вырабатывающий сигналы, по которым синхронизируется работа всех элементов ЭВМ;

разъемы для установки плат расширения: видеокарт, звуковой карты и т.д.;

шины - проводники для обмена сигналами между компонентами ЭВМ.

Материнская плата с сопряженными устройствами монтируется внутри корпуса с блоком питания и системой охлаждения, формируя в совокупности системный блок компьютера.

Память - устройство, предназначенное для хранения информации.

Все, что требуется от компьютерной памяти, - это сохранять один бит информации так, чтобы потом его можно было извлечь.

Память бывает внутренняя и внешняя. Внутренняя память находится внутри компьютера и предназначена для хранения программ и их данных в процессе работы ЭВМ. Внешняя память предназначена для долговременного и энергонезависимого хранения программ и данных.

Внутренняя память подразделяется на оперативную и постоянную.

Оперативная память (RAM, random-access memory) служит для хранения программ и данных, с которыми работает процессор в данный момент. На оперативную память накладываются жесткие ограничения по скорости чтения и записи информации. Современные типы оперативной памяти не могут сохранять свое содержимое после выключения питания компьютера.

Постоянная память (ROM, read-only memory) служит для хранения программ, которые должны быть доступны компьютеру сразу после включения, еще до загрузки операционной системы. В постоянной памяти хранится программа первоначального тестирования, BIOS (базовая система ввода-вывода) компьютера. На отдельных микросхемах ROM, размешенных на платах расширения (видеокартах, сетевых адаптерах), хранятся BIOS этих плат.

В каждом современном модуле памяти содержится специальная микросхема называемая SPD. Данная аббревиатура расшифровывается как Serial Presence Detect и в эту микросхему производитель записывает всю информацию о данном модуле включая объем, маркировку, производителя, серийный номер, рекомендованные задержки и некоторую другую информацию. Во время начальной загрузки компьютера эта информация считывается BIOS из микросхемы SPD и в соответствии с указанными настройками, выставляется режим работы памяти.

По расположению микросхем модули памяти (планки) делятся на:

Односторонняя планка - модуль памяти, у которого микросхемы памяти расположены с одной стороны.

Двусторонняя планка - модуль памяти, у которого микросхемы памяти расположены с двух сторон.

На данный момент самыми распространенными являются три типа памяти: DDR, DDR2, DDR3. Типы памяти отличаются частотой передачи данных: DDR: 200-400 МГц, DDR2: 533-1200 МГц, DDR3: 800-2400 МГц. Соответственно, чем больше частота, тем быстрее все работает.

Видеосистема служит для вывода текстовой и графической информации из компьютера. Видеосистема компьютера состоит из монитора, видеоадаптера (или иначе видеокарты) и драйверов видеосистемы.

Видеокарта состоит из четырех основных устройств: памяти, контроллера, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП, DAC) и видео-ПЗУ. Видеоадаптер, является важнейшим элементом видеосистемы, поскольку определяет следующие ее характеристики:

Максимальное разрешение и частоты разверток (также зависит от возможностей монитора);

Максимальное количество отображаемых цветов и оттенков (палитра);

Скорость обработки и передачи видеоданных.

Видеопамять нужна для хранения изображения, ее размер определяет максимально возможное разрешение изображения. Видеоконтроллер отвечает за вывод изображения из видеопамяти, обновление ее содержимого, формирование сигналов для монитора и обработку запросов центрального процессора, который задает необходимый поток информации для вывода. Цифро-аналоговый преобразователь служит для преобразования потока цифровых данных, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на монитор, поскольку мониторы используют аналоговый видеосигнал. Видео-ПЗУ - постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, программы обработки изображения, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п.

Монитор - это устройство вывода графической и текстовой информации в форме, доступной пользователю. Мониторы входят в состав любой компьютерной системы.

Аудиторный компьютер

Рис. 1. Параметры центрального процессора

Рис. 2. Параметры кэш памяти

Рис. 3. Параметры материнской платы

Рис. 4. Параметры памяти

Рис. 5. Параметры SPD

Рис. 6. Параметры видеопамяти

Домашний компьютер

Рис. 7. Параметры центрального процессора

Рис. 8. Параметры кэш памяти

Рис. 9. Параметры материнской платы

Рис. 10. Параметры памяти

Рис. 11. Параметры SPD

Рис. 12. Параметры видеопамяти

Смартфон с системой Android

Рис. 13. Параметры процессора и устройства

Рис. 14. Параметры системы и батареи

Рис. 15. Температура и сенсор

Табл. 1. СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

СмартфонCortex-A7 MPCore - процессорное ядро, разработанное ARM Holdings и реализующее архитектуру ARM v7. Было анонсировано в октябре 2011 года на ARM TechCon, кодовое имя разработки - Cortex-A7 «Kingfisher».

В ядре, именуемом Cortex A7, размещен конвейер 8-ступенчатого типа, обрабатывающий за такт две инструкции (некоторые усложненные инструкции способны исполнять одну обработку за такт). Математический сопроцессор ядра обладает полностью конвейерной организацией, он компактен, однако несколько упрощён в сравнении с A8.

Некоторое архитектурное упрощение позволило значительно сократить ядерный размер.

Несмотря на некоторые ограничения при выполнении сложных обработок архитектура A7 обеспечивает большую производительность, нежели Cortex A8. Такое ускорение достигается из-за наличия усовершенствованного модуля и уменьшенного конвейера, благодаря чему сокращается вероятность неправильного перехода. A7 отличается более совершенными алгоритмами командных выборок и более быстрой кеш-памятью, что позволяет добиваться увеличения эффективности вычислений.       

Анализ ПК

Аудиторный ПК

Этот процессор по сути своей является аналогом P4 на ядре Prescott и поддерживает весь функционал этого ядра со всеми его недостатками и достоинствами. Отличаются Сeleron D от Р4 только объёмом кеш L2 и частотой шины FSB. Кеш уменьшен до 256кб, а частота шины снижена до 533мгц. Модели Celeron D 320 производятся в дизайне корпуса и под сокет478 и под LGA775. Все процессоры Celeron D производятся по 90нм техпроцессу. Величина кеша L2 сильно влияет на производительность процессоров на ядре Prescott и поэтому кеш L2 равный 256кб сильно снижает производительность этих процессоров - не стоит ждать от них высокой производительности.

Материнская плата компании ASUS P4GE-MX. Лучшее Р4 интегрированное решение начального уровня со слотом AGP 4X. Универсальная материнская плата на чипсете Intel 845GE с превосходной встроенной графикой. Помимо этого поддерживает слот AGP4X, системную шину 533МГц, технологию Hyper-Threading, память DDR 333 и широкий спектр прочих уникальных функций материнских плат ASUS.

Домашний ПКCore i3-3217U - это процессор с ультранизким энергопотреблением, построенный на архитектуре Ivy Bridge, предназначенный для ноутбуков, и анонсированный во втором квартале 2012 года. Процессор Core i3-3217U достаточно производительный, по крайней мере, мощнее чем процессоры Sandy Bridge с аналогичными тактовыми частотами. Это связано с улучшениями и нововведениями, которые получили CPU Ivy Bridge, т. е введением 3D-транзисторов для оптимизации энергозатрат, интегрированным PCI Express 3.0 и поддержкой памяти DDR3(L)-1600.Core i3-3217U оснащен технологией гиперпоточности Hyper-Threading, которая обеспечивает параллельную обработку четырех потоков. Каждое из ядер данного двухъядерного CPU работает на частоте 1.8 ГГц, а кэш 3-го уровня составляет 3 МБ, так же, как и у процессоров поколения Sandy Bridge.

За графику отвечает встроенная видеокарта Intel HD Graphics 4000 с 16 исполнительными устройствами (Execution Unit), диапазон рабочих частот которой варьирует от 350 МГц до 1050 МГц с Turbo Boost. По производительности она сопоставима с интегрированным графическим адаптером AMD Radeon HD 6620G.

Уровень энергопотребления i3-3217U составляет 17 Вт, учитывая расходы на работу контроллера памяти и видеокарты, поэтому данный процессор идеально подходит для установки в ультрабуки и небольшие ноутбуки.

Итог. Более новый технологический процесс делает более мощнее, еще прохладнее работу процессора. Примерно на 35% выше тактовая частота домашнего ПК. В 4 раза больше кэш-памяти L2; больше данных могут быть сохранены в кэше L2 для быстрого доступа позже. В два раза больше ядер; позволяет запускать больше приложений сразу. Модуль памяти DDR3 отличается большей пропускной способностью и меньшим энергопотреблением.

Вывод

Во время выполнения лабораторной работы я изучил устройство персонального компьютера, приобрел навыки в исследовании и описании аппаратного обеспечения ЭВМ. Описал аппаратное обеспечение собственного компьютера и смартфона.

Список литературы

1. Архитектура ПК [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki (Дата обращения 23.03.2016).

. Сравнение процессоров [Электронный ресурс]. URL: http://cpuboss.com/cpus/Intel-Core-i5-650-vs-Intel-Celeron-D-320J (Дата обращения 23.03.2016).