Сравнительный анализ процессоров AMD и Intel. 2

Министерство  РФ по связи и информатизации

ГОУ ВПО Хабаровский  институт инфрокоммуникаций и информатики              (Хабаровский филиал)

Факультет заочного образования

Курсовая  работа

по  Организации ЭВМ и систем.

      Тема: Сравнительный анализ процессоров AMD и Intel

 Выполнил: ст. Дрозач В. А.

                                        Группа: ПОВТ 2к 1с

                                                      Проверил: Панченко А. А.

Хабаровск, 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Центральный процессор - электронный блок либо микросхема исполнитель машинных инструкций, главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Процессоры  персональных компьютеров отвечают единому стандарту, который задан фирмой Intel, мировым лидером в производстве процессоров для ПК. Фирма AMD выпускает процессоры, в общем аналогичные интеловским. AMD приходится предугадывать будущее индустрии, иногда опережая Intel с ее многомиллиардными доходами. Предсказуемо появление новых идей у отстающей компании - для нее это способ выжить. Но неожиданно то, что иногда эти идеи принимает на вооружение и Intel. Речь идет о IBM-совместимых персональных компьютерах. На нашем рынке, как, впрочем, и в мире, их подавляющее большинство. В расчёте именно на этот стандарт пишутся игры, программы и прочее.

Современные процессоры основаны на многоядерной архитектуре, т. е. центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

Многоядерные  процессоры можно классифицировать по наличию поддержки когерентности Кешей между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без нее.

Во всех существующих на сегодняшний день многоядерных процессорах кэш-память первого уровня у каждого ядра своя, а кэш 2-го уровня существует в нескольких вариантах:

• разделяемый - кэш расположен на одном кристалле с ядрами и доступен каждому из них в полном объёме.

• индивидуальный - отдельные Кэши равного объёма, интегрированные в каждое из ядер. Обмен данными из Кэшей L2 между ядрами осуществляется через контроллер памяти - интегрированный или внешний.

На сегодняшний  день основными производителями  процессоров - Intel и AMD дальнейшее увеличение числа ядер процессоров признано как одно из приоритетных направлений увеличения производительности. В 2012 году уже освоено производство 6-ти ядерных процессоров для домашних компьютеров, и 8-ми и 12-ти ядерных для серверных систем.

Цель моей работы состоит в том, чтобы провести сравнение нескольких самых популярных IBM совместимых, на сегодняшний день, процессоров для персональных компьютеров.

1. Функции и строение процессора

Микропроцессор - центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода - вывода, подготовки данных и др.). В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называют многопроцессорными. Наличие нескольких процессоров ускоряет выполнение одной большой или нескольких (в том числе взаимосвязанных) программ. Основными характеристиками микропроцессора являются быстродействие и разрядность. Быстродействие - это число выполняемых операций в секунду. Разрядность характеризует объём информации, который микропроцессор обрабатывает за одну операцию: 8-разрядный процессор за одну операцию обрабатывает 8 бит информации, 32-разрядный - 32 бита. Скорость  работы микропроцессора во многом определяет быстродействие компьютера. Он выполняет всю обработку данных, поступающих в компьютер и хранящихся в его памяти, под управлением программы, также хранящейся в памяти. Персональные компьютеры оснащают центральными процессорами различных мощностей.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
• программное управление работой устройств компьютера.

 Модели процессоров  включают следующие совместно  работающие устройства:

• Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы

всех остальных  устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции (OR, AND, ASL, ROL и др.) обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах - специально отведенных ячейках АЛУ.  В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство  выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: "Да" и "Нет" ("1" и "0"). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.
• AGU (Address Generation Unit) - устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Абсолютная адресация в программах используется только в редких исключениях. Как только берутся массивы данных, в программном коде используется косвенная адресация, заставляющая работать AGU.
• Математический сопроцессор (FPU). Процессор может содержать несколько математических сопроцессоров. Каждый из них способен выполнять, по меньшей мере, одну операцию с плавающей точкой независимо от того, что делают другие АЛУ. Метод конвейерной обработки данных позволяет одному математическому сопроцессору выполнять несколько операций одновременно. Сопроцессор поддерживает высокоточные вычисления как целочисленные, так и с плавающей точкой и, кроме того, содержит набор полезных констант, ускоряющих

вычисления. Сопроцессор  работает параллельно с центральным  процессором, обеспечивая, таким образом, высокую производительность. Система выполняет команды сопроцессора в том порядке, в котором они появляются в потоке. Математический сопроцессор персонального компьютера IBM  PC позволяет ему выполнять скоростные арифметические и логарифмические операции, а также тригонометрические функции с высокой точностью.

• Дешифратор инструкций (команд). Анализирует инструкции в целях выделения операндов и адресов, по которым размещаются результаты. Затем следует сообщение другому независимому устройству о том, что необходимо сделать для выполнения инструкции. Дешифратор допускает выполнение нескольких инструкций одновременно для загрузки всех исполняющих устройств.
• Кэш-память. Особая высокоскоростная память процессора. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Значения из кэш-памяти извлекаются напрямую, без обращения к основной памяти. При изучении особенностей работы программ было обнаружено, что они обращаются к тем или иным областям памяти с различной частотой, а именно: ячейки памяти, к которым программа обращалась недавно, скорее всего, будут использованы вновь. Предположим, что микропроцессор способен хранить копии этих инструкций в своей локальной памяти. В этом случае процессор сможет каждый раз использовать копию этих инструкций на протяжении всего цикла. Доступ к памяти понадобиться в самом начале. Для хранения этих инструкций необходим совсем небольшой объём памяти. Если инструкции в процессор поступают достаточно быстро, то микропроцессор не будет тратить время на ожидание. Таким образом экономиться время на выполнение инструкций. Но для самых быстродействующих микро

• процессоров этого недостаточно. Решение данной проблемы заключается в улучшении организации памяти. Память внутри микропроцессора может работать со скоростью самого процессора.

1. Кэш первого уровня (L1 cache). Кэш-память, находящаяся внутри процессора. Она быстрее всех остальных типов памяти, но меньше по объёму. Хранит совсем недавно использованную информацию, которая может быть использована при выполнении коротких программных циклов.
2. Кэш второго уровня (L2 cache). Также находится внутри процессора. Информация, хранящаяся в ней, используется реже, чем информация, хранящаяся в кэш-памяти первого уровня, но зато по объёму памяти он больше.
3. Кэш третьего уровня (L3 cache). Находиться внутри процессора. По объему больше чем память первого и второго уровней(512Кб-2Мб). Увеличивает пропускную способность памяти.
4. Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая.

Многоуровневая кэш-память позволяет снизить требования наиболее производительных микропроцессоров к быстродействию основной динамической памяти. Так, если сократить время доступа к основной памяти на 30%, то производительность хорошо сконструированной кэш-памяти повыситься только на 10-15%. Кэш-память, как известно, может достаточно сильно влиять на производительность процессора в зависимости от типа исполняемых операций, однако ее увеличение вовсе не обязательно принесет увеличение общей производительности работы процессора. Все зависит от того, насколько приложение оптимизировано под данную структуру и использует кэш, а также от того, помещаются ли различные сегменты программы в кэш целиком или кусками.

Кэш-память не только повышает быстродействие микропроцессора  при

операции чтения из памяти, но в ней также могут  храниться значения, записываемые процессором в основную память; записать эти значения можно будет позже, когда основная память будет не занята. Такая кэш-память называется кэшем с обратной записью (write back cache). Её возможности и принципы работы заметно отличаются от характеристик кэша со сквозной записью (write through cache), который участвует только в операции чтения из памяти.

• Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий в печатной плате, провода, припаянные к выводам разъемов, в  которые вставляются печатные платы,  либо плоский кабель. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина). К шине  может  быть  подключено много  приемных устройств - получателей. Обычно данные на шине предназначаются только для одного из них. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие  сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители  могут быть однонаправленными (т.е.  осуществлять только либо передачу, либо прием) и двунаправленными (осуществлять и то  и  другое). Однако самая быстрая процессорная шина не сильно поможет, если память не сможет доставлять данные с соответствующей скоростью. 

Типы  шин:

1. Шина данных. Служит для пересылки данных между процессором и памятью или процессором и устройствами ввода-вывода. Эти данные могут представлять собой как команды микропроцессора,  так и информацию, которую он посылает в порты ввода-вывода или принимает оттуда.
2. Шина адресов. Используется ЦП для выбора требуемой ячейки памяти или устройства ввода-вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода-вывода, входящих в систему.

3. Шина управления. По ней передаются управляющие сигналы,  предназначенные памяти и устройствам ввода-вывода. Эти сигналы указывают направление передачи данных (в процессор или из него).

• BTB (Branch Target Buffer) - буфер целей ветвления. В этой таблице находятся все адреса, куда будет или может быть сделан переход. Процессоры Athlon еще используют таблицу истории ветвлений (BHT - Branch History Table), которая содержит адреса, по которым уже осуществлялись ветвления.

• Регистры - это внутренняя память процессора. Представляют собой ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, а также внутренние носители информации микропроцессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических, логических и пересылочных операций.  Над содержимым некоторых регистров специальные электронные схемы могут выполнять некоторые манипуляции. Например, "вырезать" отдельные части команды для последующего их использования или выполнять определенные арифметические операции над числами. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером, которая способна хранить одну двоичную цифру (разряд).  Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определённым образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций.

2. Обзор современных микроархитектур кампаний AMD и Intel

2.1. Nehalem.

Nehalem - микроархитектура компании Intel, представленная в 4 квартале 2008 года, для процессоров Bloomfield в исполнении LGA 1366, а также для процессоров Lynnfield в исполнении LGA 1156. Микропроцессоры продаются под торговой маркой Core i7 и Core i5 соответственно.

Новые принципы дизайна платформ и процессоров – существенное, но не единственное нововведение, приходящее с внедрением новой микроархитектуры Intel. Многие изменения заложены и в главной составной части процессора – непосредственно в вычислительном ядре. Несмотря на то, что ядра процессоров Nehalem с точки зрения пользователя можно рассматривать лишь как улучшенный вариант микроархитектуры Core, в них реализовано много новых технологий и усовершенствований. Благодаря им процессоры Nehalem могут похвастать и увеличившейся «чистой» производительностью. Среди важных нововведений необходимо отметить появление технологии SMT (Simultaneous Multi-Threading) – аналога технологии Hyper-Threading, позволяющей одновременно исполнять два вычислительных потока на одном ядре; добавление поддержки новых команд SSE4.2; повышение результативности механизма предсказания переходов; увеличение размера внутренних буферов; улучшение эффективности и скорости работы подсистемы кэш-памяти.

Подводя итог сказанному, обобщим основные отличительные  черты процессоров, принадлежащих к поколению Nehalem:

• Два, четыре или восемь ядер;
• Усовершенствованные по сравнению с Core вычислительные ядра;

• Технология SMT, позволяющая исполнять одновременно два вычислительных потока на одном ядре;
• Три уровня кэш-памяти: L1 кэш размером 64 кбайта на каждое ядро, L2 кэш размером 256 кбайт на каждое ядро, общий разделяемый L3 кэш размером до 24 Мбайт;
• Интегрированный контроллер памяти с поддержкой нескольких каналов DDR3 SDRAM;
• Монолитная конструкция – процессор состоит из одного полупроводникового кристалла;
• Технологический процесс с нормами производства 45 нм;
• Возможность интегрирования в процессор графического ядра;
• Новая шина QPI с топологией точка-точка для связи процессора с чипсетом и процессоров между собой.

2.2. K10

K10 - поколение архитектуры микропроцессоров x86 компании AMD. Процессоры этой архитектуры появились в продаже в конце 2007 года.

Основным отличием процессоров поколения K10 от своих  предшественников на базе AMD K8 является объединение четырёх ядер на одном кристалле, обновления протокола Hyper-Transport до версии 3.0, общий для всех ядер кэш L3, а также перспективная поддержка контроллером памяти DDR3. Сами ядра также были модернизированы по сравнению с ядрами AMD K8.

AMD Balanced Smart Cache - Общий для всех ядер кэш L3 объёмом 2 МБ в дополнение к 512 КБ кэша L2 для каждого ядра. Сокращение задержек при обращении к часто используемым данным для увеличения производительности.

AMD Wide Floating Point Accelerator - 128-битный FPU (floating point unit) для каждого ядра. Ускорение выборки и обработки данных в вычислениях с плавающей запятой.

Hyper-Transport technology - Один 16-битный канал со скоростью 4000Mt/s. Соединение Hyper-Transport с пиковой скоростью до 8.0Гб/сек и до 16.0Гб/сек при работе в режиме Hyper-Transport 3.0. До 33.1Гб/сек суммарной пропускной способности между процессором и системой. Быстрый доступ к системным ресурсам для увеличения производительности.

 Integrated DDR2 DRAM Controller with AMD Memory Optimizer Technology - Интегрированный контроллер памяти с высокой пропускной способностью и низкими задержками. Поддержка PC2-8500 (DDR2-1066); PC2-6400 (DDR2-800), PC2-5300 (DDR2-667), PC2-4200 (DDR2-533) и PC2-3200 (DDR2-400) небуферизованных модулей памяти. Поддержка 64-битной DDR2 SDRAM. Пропускная способность до 17.1Гб/сек. Быстрый доступ к системным ресурсам для увеличения производительности

AMD Virtualization (AMD-V) With Rapid Virtualization Indexing - Аппаратный набор функций разработанных для увеличения производительности, надёжности и безопасности в существующих и будущих средах виртуализации, позволяющий виртуальным машинам напрямую обращаться к выделенной памяти. Позволяет программному обеспечению создавать более защищенные и эффективные виртуальные машины.

AMD Cool’n’Quiet 2.0 technology - Усовершенствованная система управления питанием, автоматически регулирующая производительность процессора в зависимости от нагрузки.

Снижение потребления  энергии и скорости вращения кулера в режиме простоя. Позволяет системе потреблять меньше энергии и минимизировать шум системы охлаждения.

    AMD CoolCore Technology & Dual Dynamic Power Management - Позволяет снижать энергопотребление путём отключения неиспользуемых частей процессора. Раздельная система для контроллера памяти и логики процессора позволяет управлять напряжением и отключать их независимо друг от друга. Работает автоматически без необходимости поддержки со стороны

драйвера или BIOS. Позволяет независимо управлять частотами каждого ядра. Скорость переключения режимов работы равна одному такту процессорного ядра. Позволяет более эффективно использовать вычислительную мощность ядра, отключая его неиспользуемые части.

3. Обзор современных процессоров AMD и Intel

Зачастую возникает  вопрос при сравнении процессоров, какой же процессор Intel идентичен процессору AMD? Далее, чтобы провести параллели, мы рассмотрим линейки современных процессоров разных ценовых сегментов, по две модели с каждой стороны.

3.1. Бюджетные процессоры:

Pentium G6950 - представляет собой предельно урезанный аналог двухъядерных процессоров Core i3/Core i5. Соответственно, он основывается на 32-нм ядре и содержит внутри процессорной упаковки второй полупроводниковый кристалл — графическое ядро, которое может быть задействовано в материнских платах, основанных на чипсетах Intel H57/H55. Процессор не поддерживает никаких современных технологий, направленных на увеличение производительности (Hyper-Threading, Turbo Boost) и обладает урезанным до 3 Мбайт кэшем третьего уровня. Тактовая частота Pentium G6950 при этом составляет 2,8 ГГц, а максимально достижимая частота DDR3 SDRAM ограничена величиной 1067 МГц.

Характеристики  серии:

• Clarkdale - 32 нм технологический процесс
• Кэш L1: 64 КБ + 64 КБ
• Кэш L2: 256 КБ на ядро
• Кэш L3: 4 МБ
• Поддержка двух каналов DDR3
• SSE, SSE2, SSE3, SSE4.2
• В один корпус с процессором интегрировано видеоядро, изготовленное по 45 нм технологическому процессу
• Execute Disable Bit
• EIST (Enhanced Intel Speed Step Technology)
• Сокет: LGA1156

цессоры для бедных энтузиастов. На практике это означает, что такие модели обладают возможностью изменения множителя, открывающей путь к лёгкому разгону, а, кроме того, Phenom II X2 имеет разделяемую между ядрами дополнительную кэш-память третьего уровня, объём которой составляет 6 Мбайт. Что же касается тактовой частоты, то она достигает вполне обычных 3,3 ГГц, но в ценовую категорию «до 100 долларов» попадает лишь процессор, работающий на частоте 3,2 ГГц.

Характеристики  серии:

• Два ядра (Deneb с двумя отключенными ядрами)
• Кэш L1: 64 КБ + 64 КБ (Данные + Инструкции) на ядро
• Кэш L2: 512 КБ на ядро
• Кэш L3: 6 МБ, общий для всех ядер
• Поддержка двухканальной памяти DDR2-1066 (AM2+) и DDR3-1333 (AM3)
• MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4a, Enhanced 3DNow!, NX bit, AMD64, Cool'n'Quiet, AMD-V
• Turbo Core
• Socket AM2+, Socket AM3, 2 ГГц HyperTransport
• Потребляемая мощность (TDP): 80 Вт
• Диапазон частот: от 3,0 до 3,4 ГГц

3.2. Средний сегмент:

Core i5-700 - Данное семейство процессоров для систем LGA1156 стоит несколько особняком, так как в основе входящих в него продуктов лежит иной 45-нм кристалл с четырьмя «честными» процессорными ядрами, а их стоимость находится в непосредственной близости от 200-долларового рубежа. По выбранным критериям в наш тест попал единственный представитель этого семейства - сравнительно недорогой Core i5-750, работающий на частоте 2,66 ГГц. Этим процессором поддерживается технология Turbo Boost, однако Hyper-Threading в нём не работает, в результате чего, как и Core i5-600, он представляется в операционной системе четырьмя ядрами. Объём кэш-памяти третьего уровня у Core i5-700 составляет 8 Мбайт, а встроенный контроллер памяти ориентирован на работу с двухканальной DDR3-1067 и DDR3-1333. Следует отметить, что в отличие от остальных Core i5, модели

семисотого  ряда не имеют встроенного графического ядра.

Характеристики  серии:

• Lynnfield - 45 нм технологический процесс
• Микропроцессор для настольных систем, позиционируется как семейство процессоров среднего уровня цены и производительности
• Поддержка инструкций SIMD: SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4.2
• Реализованы технологии:
• Intel Virtualization Technology
• Execute Disable Bit
• EIST (Enhanced Intel Speed Step Technology)
• Сокет: LGA1156

Phenom II X4 - Четырёхъядерные процессоры, составляющие «костяк» предложений AMD в среднем ценовом сегменте. Эти модели работают на достаточно высоких тактовых частотах 3,2-3,5 ГГц и при этом обладают свободным множителем, что позволяет легко устанавливать им частоту, превышающую номинальные значения. Общий объём кэш-памяти у процессоров Phenom II X4 составляет 8 Мбайт, при этом 6 Мбайт приходится на L3-кэш, а остальной объём делится на 512-килобайтные L2-кэши каждого ядра. Следует заметить, что наличие у Phenom II X4 четырёх весьма скоростных ядер приводит к тому, что процессоры эти имеют сравнительно высокое энергопотребление и тепловыделение, что зачастую требует применения улучшенных систем охлаждения и усиленных схем питания на материнских платах.

Характеристики  серии:

• Четыре ядра
• Кэш L1: 64 КБ + 64 КБ (Данные + Инструкции) на ядро
• Кэш L2: 512 КБ на ядро
• Кэш L3: 6 МБ, общий для всех ядер
• Поддержка двухканальной памяти DDR2-1066 (AM2+) и DDR3-1333 (AM3)
• MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4a, Enhanced 3DNow!, NX bit, AMD64, Cool'n'Quiet, AMD-V
• Turbo Core
• Socket AM2+, Socket AM3, AM3+, 2 ГГц HyperTransport
• Потребляемая мощность (TDP): 65, 95, 125 и 140 Вт
• Диапазон частот: от 2,4 до 3,6 ГГц

3.3. Топовые процессоры:

Core i7-900 - Данный модельный ряд объединяет достаточно разнородные процессоры, предназначенные для использования в составе платформы LGA1366. Фактически, в составе данного семейства можно обнаружить две разновидности продуктов с микроархитектурой Nehalem. Первая - четырёхъядерные процессоры, базирующиеся на 45-нм кристаллах, вторая - процессоры с шестью ядрами, в основе которых лежат кристаллы, выпускаемые по 32-нм технологии. Четырёхъядерные процессоры работа уровня и поддерживают трёхканальную DDR3-память. В их активе присутствуют и все современные технологии, направленные на увеличение производительности - виртуальная многоядерность Hyper-Threading и автоматический разгон Turbo Boost. Шестиядерные процессоры имеют более высокие частоты 3,2-3,33 ГГц, а объём их кэша увеличен до 12 Мбайт. В остальном, с точки зрения характеристик, они похожи на четырёхъядерники, также имеют трёхканальный контроллер памяти и поддерживают технологии Hyper-Threading и Turbo Boost.

Характеристики  серии: