Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

ДВНЗ «Криворізький національний університет»

Факультет інформаційних технологій

Кафедра комп'ютерних систем та мереж

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни «Архітектура комп'ютера»

на тему: Вплив кеш-пам'яті на швидкодію процессора ПК

Студента 2-го курсу групи КІ-16-2

спеціальності

123 «Комп'ютерна інженерія»

Бродовщук Д. О.

Керівник

ст. викладач каф. КСМ, канд. техн.

наук Кумченко Ю. О.

Кривий Ріг - 2018



Реферат

Пояснювальна записка: 41 сторінок, 17 рисунків, 6 таблиць, 6 використаних джерел.

Мета роботи - огляд та структурний аналіз архітектур процесора та проектування обчислювальної системи.

Проект складається з двох розділів.

Перший розділ опису впливу кеш-пам`яті процесора на його продуктивність. процессор кеш відеокарта плата

У другому розділі проаналізовано елементи комп'ютера та спроектовано офісний комп'ютер. До проектування входять розрахунок потужності блоку живлення, визначення технічних характеристик материнської плати, центрального процесора, оперативного запам'ятовуючого пристрою, жорсткого диску, відеокарти. Досліджується структура центрального процесора та здійснюється розрахунок обсягу основного запам'ятовуючого пристрою (ОЗП) та пропускної здатності відеокарти, ймовірність безвідмовної роботи масиву дисків. Проводиться діагностика і резервування HDD, діагностика апаратного забезпечення.

АРХІТЕКТУРА КОМП'ЮТЕРА, АРХІТЕКТУРА КЕШ-ПАМ`ЯТІ, АНАЛІЗ ЕЛЕМЕНТІВ КОМП'ЮТЕРА, КЕШ-ПАМ`ЯТЬ, ЕЛЕМЕНТИ КОМП'ЮТЕРА.



Explanatory note: 41 pages, 17 figures, 6 tables, 6 sources used.

The purpose of the work is to review and analyze the architecture of the processor and design of the computer system.

The project consists of two sections.

The first section describes how processor`s cache memory influences

its performance.

In the second section, computer elements are analyzed and an office computer is designed. The design includes the calculation of the power supply unit, the definition of the technical characteristics of the motherboard, the central processor, operative storage device, hard disk, video card. The structure of the central processor is studied and the calculation of the volume of the main memory device (RAM) and bandwidth of the video card, the probability of failure-free operation of the disk array. HDD diagnostics and redundancy, diagnostics of hardware is carried out.

COMPUTER ARCHITECTURE, CACHE-MEMORY ARCHITECTURE, ANALYSIS OF COMPUTER ELEMENTS, CACHE-MEMORY, COMPUTER ELEMENTS



Вступ

Використання слова «кеш» у контексті комп'ютерів походить від 1967 року, коли готувалась стаття для публікації в журналі 'IBM Systems Journal'. Стаття стосувалася захоплюючого вдосконалення пам'ятів Моделі 85, наступної в лінії IBM System/360. Редактор журналу, Lyle R. Johnson, попрохав ужити більш описовий термін, ніж «швидкохідний буфер», але іншого слова не було знайдено, тоді він запропонував «кеш». Статтю було опубліковано на початку 1968 року, автори були нагороджені IBM, їх робота широко схвалювалась і згодом була поліпшена, та назва «кеш» швидко стала стандартно вживаною в комп'ютерній літературі.

Кеш процесора -- кеш, який використовується центральним процесором для скорочення середнього часу доступу до пам'яті комп'ютера. Кеш -- це швидша і менша за розміром пам'ять, яка зберігає копії даних, що часто використовуються, з головної пам'яті.

Сучасні кеші процессорів складаютьсяз контролера кеш-пам`яті та з блоку пам`яті.

Контролер кеш-пам`яті -- пристрій, круючий змістом кеша, отриманням необхідної інформації з ОП, передачею її до процессора, а також поверненням в ОП результатів обчислень.



1. Вплив кеш-пам`яті на швидкодію процесора

1.1 Архітектура Кеш-пам'яті

Рисунок 1.1 -Типова Архітектура Кешу

Кеш-пам`ять процессорів сьогодення складається щонайменше з двох рівнів, частіше з трьох.

Багаторівневі кеші зазвичай працюють у послідовності від менших кешів до великих.Під час запиту від процессора до ОП спочатку відбувається перевірка найменшого та найшвидшого кеша першого рівня (L1), у разі попадання процесор продовжує роботу на високій швидкості. Якщо менший кеш дав промах, перевіряється наступний, трохи більший і більш повільний кеш другого рівня (L2), і так далі.

У випадку незнаходження необхідних даних в кеші, пошук продовжується в ОП, або в зовнішніх ЗП, такий випадок називають «промахом».

Розрізняють декілька категорій промахів, зокема:

- Compulsory misses -- промахи, викликані першою згадкою потрібної адреси. Розміри кешей і їх асоціативність не впливають на кількість даних промахів. Попередня вибірка (prefetching), як програмну, так і апаратну, може допомогти, так само, як і збільшення розміру кеш-лінії (як виду апаратного вибору). Такі промахи іноді називають «холодними».

- Capacity misses -- промахи, викликані виключно кінцевим розміром кеша, що відбуваються незалежно від ступеня асоціативності або розміру кеш-лінії. Графік таких промахів щодо розміру кеша може дати деяку міру тимчасової локальності (temporal locality) деякого набору запитів в пам'ять. Варто зауважити, що не існує поняття повного кешу, порожнього кешу або майже повного кеша, так як кеші процесора майже весь час мають кеш-лінії в зайнятому стані, і, отже, практично кожен заклад нової лінії зажадає гасіння вже зайнята.

- Conflict misses -- промахи, викликані конфліктом. Їх можна уникнути, якщо б кеш не витіснив запис раніше. Можна додатково розділити на промахи, викликані відображенням (конкретним значенням асоціативності) і промахи заміщення, які викликані конкретним алгоритмом вибору записів для заміщення.

Рівні кеш-пам`яті процесора та їх призначення.

- Кеш-пам`ять першого рівня або L1 є наймнешою але і швидшою за інші рівні. В усіх процесорах її об`єм не перевищує кількох десятків кілобайт. Працює без затримок. В ній зберігаються дані, котрі використовуються процесором найчастіше.

- Кеш-пам`ять другого рівня або L2 трохи повільніша за L1, але її об`єм суттєво більший (декілька сотень кілобайт). Використовується для зберігання важливої інформації, вірогідність використання якої нижче, ніж в інформації розташованої в L1.

- Кеш-пам`ять третього рівня або L3-ще більша за обє`мом, але і повільніша схема пам`яті. Все ще набагать швидша за оперативну пам`ять. Її розмір може досягати декількох десятків мегабайт. На відміну від L1 та L2 може використовуватись усіма ядрами процесора.

Рівень L3 слугує для тимчасового зберігання важливих даних з відносно низькою вірогідністю запиту, а також для забезпечення взаємодії ядер процесора між собою.

Також зустрічаються процесори з двохрівневою системою кеш-пам`яті, в них L2 виконує функції якL2так і L3.

Спеціалізовані кеші

Суперскалярні процесори здійснюють доступ до пам'яті з декількох етапів конвеєра: читання інструкцій (instruction fetch), трансляція віртуальних адрес у фізичні, читання даних (data fetch). Очевидним рішенням є використання різних фізичних кешей для кожного з цих випадків, щоб не було боротьби за доступ до одного з фізичних ресурсів з різних стадій конвеєра. Таким чином, наявність конвеєра зазвичай призводить до наявності, принаймні, трьох роздільних кешей: кеш інструкцій, кеш трансляцій TLB і кеш даних, кожен з яких спеціалізується на своєму завданні.

Конвеєрні процесори, що використовують роздільні кеші для даних і інструкцій (такі процесори зараз найбільш розповсюджені), називаються процесорами з Гарвардською архітектурою. Спочатку даний термін застосовувався для комп'ютерів, у яких інструкції і дані розділені повністю і зберігаються в різних пристроях пам'яті. Однак таке повне розділення не виявилося популярним, і більшість сучасних комп'ютерів мають один пристрій основної пам'яті, тому можуть вважатися машинами з архітектурою фон Неймана.

Вплив структури кеш-пам'яті процесора на швидкодію комп'ютера

При виконанні запиту даних ядром, контролер пам'яті спочатку шукає їх в кеш-пам'яті.

Статистично кеш-пам'ять першого рівня будь-якого сучасного процесора забезпечує 90% кеш-влучень. Другий та третій рівень ще 90% від попереднього. І тільки 1% усіх запитів закінчується кеш-промахами.

Вказані дані стосуються простих задач, зі збільшенням нвавантаження на процесор кількість промахів збільшується.

Ефективність кеш-пам'яті зводить до мінімуму вплив швидкості оперативної пам'яті на швидкодію комп'ютера.

У випадку порівняння двох- та трьохрівневих структур кеша трьохрівнева буде єфективнішою.

Цей факт був доведений в експерименті журналу «Tom`s Hardware».

Єксперимент був оснований на порівнянні швидкодії процесорів

Athlon II X4 та Phenom II X4. Обидва процесори оснащені однаковими ядрами, отже єдиною різницею була наявність трьохрівневого кешу та вищою тактовою частотою в Phenom II X4.

Привівши частоту обидвох процесорів до однакової величини, було встановлено, що наявність третього рівня кеш-пам'яті підвищує продуктивність процесора Phenom II X4 на 5,8% в середньому.

В текстових редакторах різниця практично дорівнювала нулю, а в більш складних додатках досягала 8%(комп'ютерні 3D ігри та архіватори).

Вплив розміру кеш-пам'яті процесора на швидкодію комп'ютера

Оцінюючи розмір кешу необхідно враховувати характеристики процесора та задачі, на вирішування яких він розрахований.

Кеш-пам'ять двоядерного процесоря нечасто перевищує об'єм в 3 МБ. Виобники процесорів заздалегідь знають, що збільшення об'єму кешу не приведе до покращення швидкодії, а тільки приведе до збільшення ціни.

В високочастотних 4-, 6- або 8-ядерних процесорах є більша варіація.

В деяких (наприклад Intel Core i7) підтримується технологія Hyper Threading,

що забезпечує виконання кожним ядром двох задач одночасно. В таких системах розмір кеша є важливим для розкриття повного потенціалу процесора. Об'єм кешу таких процесорів може досягати 30 МБ.

Деякі експерименти показали, що розмір кеша впливає на швидкодію звичайного («домашнього») ПК в межах 10%, і це можна легко компенсувати за рахунок підвищення частоти ГП.

Ефект більшого об'єму найбільш помітний при використанні архіваторів або складних 3D додатків, під час кодування відео тощо.

Найбільш актуальними кеші з великим об'ємом є в серверах з великим потоком користувачів. В деяких суперкомп'ютерах навіть передбачене встановлення кеш-пам'яті четвертого рівня, виготовлюється вона у вигляді мікросхем, що підключаються до материнської плати.

На жаль розміри кеш-пам'яті неможливо збільшити в більшості комп'ютерів, лише в окремих системах, описаних вище.

В «домашніх» або офісних комп'ютерах така можливість відсутня.

Кеш-пам'ять є невід'ємною частиною процесора, має малі фізичні розміри, та є незамінною, а материнські плати з роз'ємами для кешу для ПК не випускають.

В даній роботі було розглянуто архітектуру кешу, основні характеристики, області застосування та вплив кешу на швидкодію.

Було визначено, що вплив рівневої структури кешу на швидкодію процесора не перевищує 10%.

А вплив розмірів кешу залежить від архітектри самого процесора, та цілей і застосування ГП.



2. Аналіз елементів персонального комп'ютера

2.1 Загальний опис обчислювальної системи

Весь спектр сучасних обчислювальних систем можна розділити на три великі класи: мінікомп'ютери та мікрокомп'ютери, мейнфрейми, суперкомп'ютери. В даний час обчислювальні системи розрізняють насамперед за функціональними можливостями.

В даному курсовому проекті буде зібрано комп'ютер для маленького офісу з їх власним сервером. Тобто комп'ютер повинен добре виконувати усі задачі пов'язані з документами, також він повинен мати достатню кількість USB-роз'ємів для підключення різноманітної периферії (сканер, факс, веб-камера і тощо), вихід до інтернету.

Для такого офісного комп'ютера було вибрано такі комплектуючі:

- материнська плата - Dell Inc. 02P0RW;

- процесор - Intel Pentium 3885U, продуктивності якого буде достатньо для роботи з документами та навіть більше;

- відеокарта - NVIDIA GeForce 820m 2Gb, досить продуктивна відеокарта для офісного комп'ютера, її достатньо для роботи з мультимедіа;

- оперативна пам'ять (ОЗП) - DDR3 4Gb, 4гб пам'яті досить для того щоб комп'ютер працював без підвисань з декількома документами одночасно;

- жорсткий диск - SeagateST500LM30-2E717D465Gb.

В цій збірці комп'ютера зекономлено на жорсткому диску, тому що комп'ютер буде підключений до серверу куди буде передавати усі дані, через це тут 4гб оперативної пам'яті.



2.2 Розрахунок потужності блоку живлення

Потужність блоку живлення - це його ключова характеристика. Основне призначення блоку живлення бути постачальником енергії для усіх інших елементів комп'ютера. Кожен з цих елементів (процесор, пам'ять, відеокарта, вінчестер і т.д.) має свій рівень енергоспоживання. Виходячи з цього, блок повинен мати таку потужність, яка б дозволяла забезпечити енергоспоживання всіх елементів комп'ютера на належному рівні. При цьому дуже бажано щоб був певний запас потужності і блок не працював на максимальних навантаженнях.

Знайдемо на офіційних сайтах виробників або інших ресурсах технічні характеристики потужності комплектуючих та занесемо дані до таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Таблиця розрахунку потужності блоку живлення

Комплектуючі	Потужність за ТХ (ручний розрахунок)	Outer Vision Power Supply Calculator	Розрахунок від MSI
Dell Inc. 02P0RW	35W	225W	206W
Intel Pentium 3885U	65W
4GB DDR3 Module	10W
NVIDIA GeForce 820m DDR3	50W
SeagateST500 465Gb	15W
Redragon Centrophorus	6W
Усього, Вт (W)	208W

Вручну розрахуємо потужності блоку живлення за формулою 2.1 та занесемо до таблиці 2.1:

W=P1+P2+…+Pn+15%, (2.1)



де P1…Pn - потужність окремих комплектуючих, 15% - запасу.

(35 + 65 + 10 + 50 + 15 + 6) + 27 = 208W

В інтернеті існує багато калькуляторів, які дозволяють здійснити розрахунок потужності блоку живлення для комп'ютера залежно від того, які комплектуючі Ви будете використовувати в системі.

За допомогою Outer Vision Power Supply Calculator виконаємо більш точний розрахунок потужності БЖ. Результати занесемо до таблиці 2.1.

Рисунок 2.1 - Розрахунок потужності за допомогою Outer Vision Power Supply Calculator

Рисунок 2.2 - Розрахунок потужності за допомогою MSI



Для порівняння результатів скористаємося розрахуноком потужності блоку живлення від MSI. Результати занесемо до таблиці 2.1.

2.3 Визначення технічних характеристик материнської плати

Одним з найважливіших елементів комп'ютера є системна, вона ж відома як материнська плата. Ця текстолитова пластина з припаяними до неї мікросхемами і роз'ємами виконує складальну функцію, об'єднуючи всі інші елементи комп'ютера. без материнської плати не зібрати ні комп'ютер, ні смартфон, ні будь-яке інше складне пристрій. Вона -- основа всього.

Основні характеристики материнської плати ASUS P8H61-M LE R2.0 представлені в таблиці 2.3.1 за допомогою програми Speecy.

Таблиця 2.2 - Основні характеристики материнської плати

Материнська плата	Значення
Виробник (Manufacturer)	Dell Inc.
Модель (Model)	02P0RW (SOCKET 0)
Версія (Version)	A01
Постачальник чипсета (Chipset Vendor)	Intel
Модель чипсета (Chipset Model)	Haswell-ULT
Версія чипсета (Chipset Revision)	0B
Постачальник південного мосту (Southbridge Vendor)	Intel
Модель південного мосту (Southbridge Model)	H8x/P8x
Версія південного мосту (Southbridge Revision)	C1
Системна температура (System Temperature)	42

За більш детальними характеристиками звернемося до офіційного сайту виробника. На офіційному сайті зазначені наступні характеристики:

Підтримка процесорів:

· Intel® Socket 1168 for 3^rd/2^nd Generation Core™ i7/Core™ i5/Core™ i3/Pentium®/Celeron® Processors

Пам'ять:

· 1 x SPD, Max. 8GB, DDR3L200(O.C.)/2133(O.C.)/2000(O.C.)/1866(O.C.)/1600/1333/1066 MHz

· Non-ECC, Un-buffered Memory

· Single Channel Memory Architecture

Відеокарта:

- Integrated Graphics Processor

- Multi-VGA output support : DVI/RGB ports
- Supports DVI with max. resolution 1920 x 1200 @ 60 Hz
- Supports RGB with max. resolution 2048 x 1536 @ 75 Hz

- Supports Intel® HD Graphics(Quick Sync Video);

Слоти розширення:

- 1 x PCIe 3.0/2.0 x16 *1;

- 2 x PCIe 2.0 x1;

LAN:

- Realtek® PCIe FE Family Controller

Аудіо:

- Realtek High Definition Audio

- NVIDIA Virtual Audio Device (Wave Extensible) (WDM)

Форм-фактор:

- mATX Form Factor 9.6 inch x 7.8 inch ( 24.4 cm x 19.8 cm );

Рисунок 2.3 - Материнська плата Dell Inc.02P0RW



Від материнської плати залежить функціональність комп'ютера, що визначається елементами самої плати і підключеними до неї пристроями. Основу материнської плати складає багатошарова пластина з провідними доріжками, якими електричний струм передається між складовими плати. Взаємодія деталей забезпечується чипсетом, який складається, як правило, з двох частин -- північного моста (Northbridge) і південного моста (Southbridge). Зазвичай північний і південний міст розташовані на окремих мікросхемах. Передусім саме північний і південний мости визначають особливості системної плати і те, які пристрої можуть підключатися до неї.

2.4 Визначення структури та технічних характеристик центрального процесора

Центральний процесор - це мозок комп'ютера. Процесор - це цифровий пристрій обробки інформації. Його задача - виконувати програми, що знаходяться в основній пам'яті. Він визиває команди із пам'яті, визначає їх тип, а потім виконує їх одну за одною.

Основні характеристики процесора Intel Celeron G550 представлені в таблиці 2.3 за допомогою програми Speecy.

Таблиця 2.3 - Характеристики CPU

CPU	Значення
Cores	2
Threads	2
Name	Intel Pentium 3558U
Code Name	Haswell ULT
Package	Socket 1168 BGA
Technology	22nm
Specification	Intel Pentium 3558U @ 1.70GHz
Family	6
Extended Family	6
Model	5
Extended Model	45
Stepping	1
Instructions	MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.1, SSE4, Intel 64, NX, VMX
Virtualization	Supported, Enabled
Hyperthreading	Not supported
Bus Speed	99.8 MHz
Stock Core Speed	1700 MHz
Stock Bus Speed	100 MHz
Average Temperature	44 °C

Рисунок 2.4 - Простий 8bit CPU

Схема простого 8-ми бітного центрального процесора представлена на рисунку 2.4.

Компоненти з'єднані шиною, яка представляє собою набір паралельно з'єднаних проводів, по яким передаються адреси, дані та системи управління. Шини можуть бути зовнішніми (з'єднують процесор з пам'яттю та пристроями введення-виведення ) та внутрішніми.

Процесор складається з декількох частин. Блок управління відповідає за виклик команд із пам'яті та визначення їх типу. Арифметично-логічний пристрій виконує арифметичні операції (наприклад, додавання) та логічні операції (наприклад, логічне І).

Всередині центрального процесора знаходить пам'ять для зберігання поточного результату і деяких команд управління. Ця пам'ять складається із декількох регістрів, кожен з яких виконує певну функцію. Нагадаємо, регістри - це біти пам'яті, які об'єднуються в групи по 16, 32, 64. Зазвичай, всі регістри мають одинаковий розмір. Кожен регістр вміщує в себе тільки одне число, яке обмежується розміром регістра. Регістри зчитуються та записуються дуже швидко, оскільки вони знаходяться в центральному процесорі.

Найважливіший регістр - лічильник команд, який вказує, яку команду необхідно виконувати далі. Назва «лічильник команд» не відповідає дійсності, оскільки він нічого не рахує, проте цей термін існує. Icyє ще регістр команд, в якому знаходиться команда, що виконується в даний момент. У більшості комп'ютерів є і інші регістри, одні з яких багатофункціональні, а інші - ті, що виконують тільки деякі специфічні функції.

2.5 Визначення технічних характеристик та розрахунок обсягу оперативного запам'ятовувального пристрою

Оперативна пам'ять - пам'ять ЕОМ, призначена для зберігання коду та даних програм під час їх виконання. У сучасних комп'ютерах оперативна пам'ять переважно представлена динамічною пам'яттю з довільним доступом. Саме з неї процесор бере програми і вихідні дані для обробки, у неї він записує отримані результати. Назва “оперативна” ця пам'ять одержала тому, що вона працює дуже швидко, так що процесору практично не приходиться чекати при читанні даних з чи пам'яті запису в пам'ять. Однак дані, що містяться в ній, зберігаються тільки поки комп'ютер включений. При вимиканні комп'ютера вміст оперативної пам'яті стирається. Основні характеристики ОЗП представлені в таблиці за допомогою програми Speсcy.



Таблиця 2.4 - Характеристики ОЗП

ОЗП	Значення
Type	DDR3
Size	4096 MBytes
Channels #	Single
DRAM Frequency	798.1 MHz
CAS# Latency (CL)	11 clocks
RAS# to CAS# Delay (tRCD)	11 clocks
RAS# Precharge (tRP)	11 clocks
Cycle Time (tRAS)	28 clocks
Command Rate (CR)	1T

Існує декілька способів збільшення обсягу ОЗП, далі представлено два способи: збільшення розрядностіданих та Збільшення розрядності шини адреси.

Спосіб 1.Збільшення розрядностіданих

Збільшення розрядності досягається за рахунок паралельного з'єднання N мікросхем ЗП. На всі мікросхеми ЗП подається однакова адреса, входи CS і WR/RD з'єднуються між собою.

Власний варіант:D = 1; A = 6; кі-ть ІМС(N) = 20. Розрахувати ємність 1 ІМС за формулою 2.2, усієї структури M за формулою 2.3 та зобразити графічно.

Ємність 1 інтегральної мікросхеми (ІМС):

М₁ = 2^А * D (2.2)

М₁ = 2⁶ * 1 = 64 біт

Ємність усієї структури:

М = 2^А * D * N (2.3)

M = 2⁶ * 1 * 20 = 1280 біт = 0,16 Кбайт



Рисунок 2.5 - Графічне зображення 1-го способу

Спосіб 2.Збільшення розрядності шини адреси

Розрядність шини адреси збільшується за рахунок використання

дешифратора DC, на входи якого подаються старші розряди ША. Входи CS ІМС ЗП підключаються до відповідних виходів DC. Вхід Е дешифраторавикористовується як вхід дозволу роботи всієї схеми і ідентифікуєтьсязовнішніми пристроями як вхід вибору кристала CS. Входи WR/RDз'єднуються між собою.

Ємність усієї структури розраховується за формулою 2.3:

M = 2⁶ * 8 * 20 = 10240 біт = 1.28 Кбайт.

Рисунок 2.6 - Графічне зображення 2-го способу



2.6 Визначення технічних характеристик HDD, діагностика та резервування

Накопичувач на жорстких магнітних дисках або НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD) - пристрій зберігання інформації, заснований на принципі магнітного запису. Є основним накопичувачем даних в більшості комп'ютерів. На відміну від гнучкого диска (дискети), інформація в НЖМД записується на жорсткі (алюмінієві або скляні) пластини, покриті шаром феромагнітного матеріалу, найчастіше двоокису хрому. У НЖМД використовується одна чи кілька пластин на одній осі. Жорсткі диски дуже надійні для зберігання великого обсягу інформації і даних.

Основні характеристики жерстокого диску представлені в таблиці 2.5 за допомогою програми Speсcy.

Таблиця 2.5 - Характеристики HDD

Накопичувач	Значення
Manufacturer	Seagate
Heads	16
Cylinders	60,801
Tracks	15,504,255
Sectors	976,768,065
SATA type	SATA-III 6.0Gb/s
Device type	Fixed
ATA Standard	ACS3
Serial Number	ZDE5H8V2
Firmware Version Number	SDM1
LBA Size	48-bit LBA
Power On Count	75 times
Power On Time	141.6 days
Speed	5400 RPM
Features	S.M.A.R.T., APM, NCQ
Max. Transfer Mode	SATA III 6.0Gb/s
Used Transfer Mode	SATA III 6.0Gb/s
Interface	SATA
Capacity	465 GB
Real size	500,107,862,016 bytes
-RAID Type	None

Зроблено S.M.A.R.T (Self-monitoring, Analysis and Reporting Technology) тест за допомогою Speсcy. Результати тесту наведені на рисунку 2.5.1.

S.M.A.R.T. (англ. Self Monitoring Analysis and Reporting Technology - Технологія Самоконтролю, Аналізу й Звітування) - промисловий стандарт прогнозу надійності для IDE/ATA і SCSI дисководів твердих дисків. Дисководи твердих дисків з функцією S.M.A.R.T. дозволяють заздалегідь попередити про можливу швидку відмову твердого диску, завдяки чому важливі дані можуть бути збережені.

Рисунок 2.7 - S.M.A.R.T тест



SMART проводить спостереження за основними характеристиками накопичувача, кожна з яких отримує оцінку. Характеристики можна розділити на дві групи:

- параметри, що відображають процес природного старіння твердого диска (число обертів шпинделя, число переміщень головок, кількість циклів ввімкнення-вимкнення);

- поточні параметри накопичувача (висота головок над поверхнею диска, число секторів, що перепризначувалися, час пошуку доріжки і кількість помилок пошуку).

Дані зберігаються в шістнадцятковому вигляді, званому «Raw value», а потім перераховуються в «value», значення, що символізує надійність щодо деякого еталонного значення. Зазвичай «value» має значення в діапазоні від 0 до 100 (деякі атрибути мають значення від 0 до 200 і від 0 до 253).

Висока оцінка говорить про відсутність змін контрольованого параметра або повільне його погіршення, низька -- про можливий швидкий збій.

Значення, менше за мінімальне значення, при якому виробником гарантується безвідмовна робота накопичувача, означає вихід вузла з ладу.

Технологія SMART дозволяє здійснювати:

1) моніторинг параметрів стану;

2) сканування поверхні;

3) сканування поверхні з автоматичною заміною сумнівних секторів надійними.

Технологія SMART дозволяє передбачати вихід пристрою з ладу в результаті механічних несправностей, що становить близько 60% від загальної кількості всіх причин виходу вінчестерів із ладу. Передбачити наслідки стрибка напруги або пошкодження накопичувача в результаті удару SMART нездатний.

Вданому випадку видно, що сектори жорсткого диску пошкоджені, тому можливий скоріший вихід з ладу.

Діагностика диску за допомогою диспетчера задач.

Рисунок 2.8 - Продуктивність диску

Дефрагментація - процес оновлення та оптимізації логічної структури розділу фізичного диску з метою забезпечити зберігання файлів у неперервній послідовності кластерів. Зазвичай використовується у файлових системах FATта NTFS. Після дефрагментації прискорюється читання та запис файлів, а відповідно і робота програм.

За допомогою програми Defraggler виконано аналіз та дефрагментація диску.

Рисунок 2.9 - Аналіз диску



Рисунок 2.10 - Дефрагментація диску

Повну перевірку розділу диску можна виконати в консолі за допомогою команди chkdsk D: /F /R, де D - буква диска, у цій команді буде перевірений на помилки диск D, при цьому помилки будуть виправлятися автоматично (параметр F), буде проведена перевірка пошкоджених секторів і спроба відновлення інформації (параметр R).

Рисунок 2.11 - Перевірка розділу D: за допомогою консолі



2.7 Розрахунку пропускної здатності пам'яті відеокарти та встановлення її залежності від розрядності шини пам'яті

Відеокарта (англ. video card, також графічна карта, графічний адаптер, графічний прискорювач) -- електронний пристрій, частина комп'ютера, призначена для обробки і генерації зображень з подальшим їхнім виведенням на екран периферійного пристрою.

Відеокарта зазвичай є платою розширення і вставляється у слот розширення, універсальний (PCI-Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) або спеціалізований (AGP), проте відеокарта може бути вбудованою у материнську плату як у вигляді окремого елементу, так і як складову частину північного мосту чипсету або центрального процесора. Відповідно вставлювана називається дискретною, а вбудована -- інтегрованою.

Основні характеристики відеокарти NVIDIA GeForce 820M представлені в таблиці 2.6 за допомогою програми Speecy.

Таблиця 2.6 -Характеристики відеокарти

Відеокарта	Значення
Manufacturer	NVIDIA
Model	GeForce 820M
Device ID	10DE-1140
Revision	A2
Subvendor	Dell (1028)
Bus Interface	PCI Express x4
Temperature	48
Physical Memory	2047 MB
Virtual Memory	2048 MB



Як свідчить практика, відеопам'ять дуже часто є слабким місцем графічних плат. І справа в першу чергу не в її обсязі, а в пропускної здатності, що визначає швидкість доступу до даних, які в ній зберігаються. Пропускна здатність залежить від двох показників - частоти (швидкість тактових коливань) і ширини (бітності) шини пам'яті - кількості даних, що передаються за один такт.

Проведемо розрахунок пропускної здатності пам'яті відеокарти вручну, потрібні данні візьмемо з програми GPU-Z на рисунку 2.12.

Рисунок 2.12 - Визначення параметрів відеокарти в GPU-Z

Знайдемо параметри ефективної частоти пам'яті (ЕЧП) та розрядності шини пам'яті (РШП) відеокарти.

ЕЧП=900 MHz РШП=64 bit=8 байт

Розрахуємо пропускну здатність пам'яті за формулою 2.4:

ПЗП=ЕЧП*РШП (2.4)

ПЗП=900*8=7200 Мбайт/с=7 Гбайт/с

Пропускна здатність пам'яті в програмі GPU-Z становить 14,4 Гбайт/с, розрахований показний дорівнює 7 Гбайт/с. Результат розрахунку в два рази менше.

Шина пам'яті відеокарти - це канал, що з'єднує пам'ять і графічний процесор відеокарти. Від ширини шини пам'яті залежить, скільки даних обробить відеокарта за одиницю часу. Цей параметр один з головних, який впливає на продуктивність відеокарти і на її ціну. Найбільшою популярністю користуються шини пам'яті 128 bit.

Ширина шини пам'яті безпосередньо впливає на пропускну здатність пам'яті. Більше значення ширини пам'яті дозволяє передавати більшу кількість даних з пам'яті відеокарти для обробки в графічний процесор (GPU). Якщо міркувати логічно, то через шину шириною 128 bit даних можна передати в 2 рази більше, ніж через шину в 64 біт. Однак на практиці це значення трохи нижче, ніж в два рази.

2.8 Діагностика апаратного забезпечення

Діагностика комп'ютера - це повний комплекс робіт, який спрямований на виявлення причини некоректної роботи Вашого ПК. При необхідності проводиться повна діагностика ПК, яка допоможе визначити неполадки техніки на апаратному та програмному рівні. Діагностика мусить здійснюватися, за допомогою спеціалізованого обладнання, так і з використанням програмного забезпечення.

Існують спеціальні діагностичні програми, які можуть дати вичерпну інформацію про ПК. Програма «розпізнає» комплектуючі за допомогою спеціальних діагностичних команд, витягуючи інформацію про пристрої з їх мікропрограмного забезпечення (firmware), драйверів або системного реєстру. Деякі діагностичні програми не лише інформують про встановлених в комп'ютері комплектуючі, але і перевіряють окремі компоненти на наявність «слабких місць». Так, вони уміють виявляти причини виникнення перевантажень ПК.

Наведемо приклад: у жаркий літній день комп'ютер відмовляється працювати. Це може бути викликано перегрівом процесора, який недостатньо добре охолоджується. Завдяки функції діагностики цю проблему можна вирішити ще до появи збоїв, встановивши потужніший кулер.

Однією з таких програм є програма EVEREST, яку використано для діагностики стабільності системи та запису/доступу жорсткого диск.

Тест №1 - Випадкове зчитування (Random Read)

Рисунок 2.13 - Випадкове зчитування

Цей тест призначений для вимірювання продуктивності випадкового читання пристрою зберігання шляхом зчитування блоків даних з перемінним розміром з випадкових розташувань на поверхні пристрою.

У цьому тесті використовуються операції читання в звичайному секторі. Перед кожною операцією читання він переміщує покажчик читання в випадкове місце розташування, щоб змусити зчитувач читання пристрою (якщо існує) переміщатися перед операцією читання. Тому цей тест є комбінованим тест читання і доступу.

Тривалість цього тесту повинна бути швидкою, коротше, ніж тест з швидкою лінійною перевіркою, в основному 10 хвилин.

Тест №2 - Середній доступ до читання (Average Read Access)



Рисунок 2.14 - Середній доступ до читання

Цей тест приблизно такий же як і тест №1, але у цьому тесті використовуються звичайні операції читання сектора з постійним розміром блоку даних 2 КБ для оптичних дисків і розміром блоку даних 0,5 КБ для інших пристроїв.

Тривалість цього тесту дорівнює 10 хвилинам.

Тест №3 - Діагностика стабільності системи

Рисунок 2.15 - Діагностика стабільності системи



Тест дозволяє створити повну навантаження для процесора (або навіть декількох процесорів одночасно), підсистеми пам'яті, дисків і графічного процесора. Під час тесту можна відстежувати показники температури і напруги, а також швидкості обертання вентилятора і споживання енергії в реальному часі на графіку.

Одна з особливостей тесту стабільності системи полягає в тому, що можна створити повну навантаження для всіх виконавчих блоків, ядер процесора і процесорів, таким чином, піддаючи центральний процесор і підсистему пам'яті більш екстремальною тепловим навантаженням, ніж це може зробити реальне додаток або тестова програма, якою б високою обчислювальної потужності вони не вимагали б.

Якщо необхідно протестувати стабільність комп'ютера в цілому, можна створити навантаження одночасно для обраних компонентів на кілька годин. Якщо система не видасть будь-яких повідомлень про помилку, що не перезавантажиться і не заблокується, значить, роботу комп'ютера можна вважати стабільною.

2.9 Розрахунок ймовірності безвідмовної роботи системи

Розглянемо і розрахуємо безвідмовну роботу серверу який ми будемо збирати далі.

Сервер - це комп'ютер, який призначений для вирішення певних завдань з виконання програмних кодів, зберігання інформації, обслуговування користувачів і баз даних.

До серверу за допомогою комутатора під'єднаємо декілька копій систем зібраних в курсовому проекті, в якості комутатора будемо використовувати TP-LINK TL-SG105, зображений на рисунку 2.16.



Рисунок 2.16 - Комутатор TP-LINK TL-SG105

Для більшої безвідмовності зробимо окремо мережеве сховище, де будуть зберігатися усі дані. Це потрібно для того, якщо сервер вийде з ладу то дані не пошкодяться. У якості мережевого сховища будемо використовувати Asustor AS3102T, зображений на рисунку 2.17.

Рисунок 2.17 - Мережеве сховище Asustor AS3102T

Якщо все це під'єднати то вийде наступне:



Рисунок 2.18 - Схема під'єднання до сервера

Розрахуємо безвідмовну роботу системи. Для цього потрібно розрахувати безвідмовну роботу кожного елемента. Почнемо з ПК.

ПК представлений як послідовність усіх елементів, тобто:

БЖ > МП > CPU > RAM > GPU > HDD

І розраховується за формулою 2.5:

(2.5)

де n - кількість елементів,

P_i - ймовірність безвідмовної роботи елемента.

P_i обчислюється за формулою 2.6:



(2.6)

де л - інтенсивність відмов елементів i-го типу,

t - кількість годин роботи ПК.

Дані щодо кількості годин напрацювання на відмову компонентів для розрахунку знайдемо в інтернеті та розрахуємо безвідмовну роботу ПК.

де T - кількість годин напрацювання на відмову елемента,

t - кількість годин роботи ПК для розрахунку.

Розрахуємо безвідмовну роботу комутатора:

Ймовірність безвідмовної роботи мережевого сховища та сервера надав постачальник:

Розрахуємо ймовірність безвідмовної роботи для паралельного з'єднання п'яти комп'ютерів за формулою 2.7.



P_пар=1-(1-Рі)*(1-Рі)*(1-Рі)*(1-Рі)*(1-Рі)*(1-Рі) (2.7)

де Рі - ймовірність безвідмовної роботи елемента.

Через те що використовуються однакові ПК в системі формулу 2.7, можна представити як 2.8:

P_пар=1-(1-Рі)⁵ (2.8)

P_пар=1-(1-Р_ПК)⁵=1-(1-0.945)⁵=0.9999

Наступні з'єднання послідовні тому можна використовувати формулу 2.5 для обчислення:

P=P_ПАР*P_КОМ*P_С*P_МС=0.999*0.997*0.989*0.999=0.984

З розрахунку видно, що ймовірність безвідмовної роботи всієї системи дорівнює 0.984.

В даному розділі було зібрано обчислювальну систему з підбіром компонентів згідно вимог. Детально розглянуто характеристики кожного компонента.

Згідно отриманих даних з пункту 2.2, для нормальної роботи системи потрібен блок живленняпотужністю не менше 200Вт.

В пункті 2.3, обрана материнська плата повністю відповідає вимогам. Достатня кількість USB потрів дає змогу підключати декілька переферійних пристроїв. Переглянуто версію BIOS.

У пункті 2.4 було проаналізовано характеристики та переваги процесора, його обчислювальні можливості. Завдяки достатньо високій тактовій частоті, він забезпечує обчислювальну потужність на достатньому рівні для роботи. Розглянуто структуру простого процесора та описано структуру кристалу процесора.

Характеристики оперативноі пам'яті було проаналізовано в пункті 2.5. Обрана ОЗП задовольняє вимогам. Було розглянуто схеми збільшення обсягу запам'ятовуючих пристроїв.

Інформацію щодо жорсткого диску було наведено та проаналізовано в пункті 2.6. Обраний HDD задовольняє вимогам. Було проведено аналіз та дефранментацію диску.

Проведено аналіз характеристик відеокарти у пункті 2.7. Згідно отриманих даних, відеокарта має достатню продуктивність для роботи в офісі. Було розраховано пропускну здатність шини пам'яті та порівняно з вказаною у характеристиках. Також за пропускною здатністю відеокарти було визначено клас відеокарти за шкалою актуальності.

У пункті 2.8 провоедено тестування працездатності сиситеми та потужність обчислювальної системи. Згідно до тестів, ПК не має проблем зі стабільністю роботи та досить потужний для виконання задач в офісі.

Результат безвідмовності системи, за пунктом 2.9, вказує на те, що система може працювати досить довго без перебоїв, а також якщо комп'ютер вийде з ладу дані не втратяться тому що всі ПК підключені до серверу, який в свою чергу усі дані передає в сховище.



Висновки

В першому розділі цієї роботи було розглянуто архітектуру кешу, основні характеристики, області застосування та вплив кешу на швидкодію.

Було визначено, що вплив рівневої структури кешу на швидкодію процесора не перевищує 10%.

А вплив розмірів кешу залежить від архітектри самого процесора, та цілей і застосування ГП.

В другому розділі було зібрано обчислювальну систему з підбіром компонентів згідно вимог. Детально розглянуто характеристики кожного компонента.

Згідно отриманих даних з пункту 2.2, для нормальної роботи системи потрібен блок живлення не менш 200Вт.

В пункті 2.3, обрана материнська плата повністю відповідає вимогам. Достатня кількість USB потрів дає змогу підключати декілька переферійних пристроїв. Переглянуто версію BIOS.

У пункті 2.4 було проаналізовано характеристики та переваги процесора, його обчислювальні можливості. Завдяки достатньо високій тактовій частоті, він забезпечує обчислювальну потужність на достатньому рівні для роботи. Розглянуто структуру простого процесора та описано структуру кристалу процесора.

Характеристики оперативноі пам'яті було проаналізовано в пункті 2.5. Обрана ОЗП задовольняє вимогам. Було розглянуто схеми збільшення обсягу запам'ятовуючих пристроїв.

Інформацію щодо жорсткого диску було наведено та проаналізовано в пункті 2.6. Обраний HDD задовольняє вимогам. Було проведено аналіз та дефранментацію диску.

Проведено аналіз характеристик відеокарти у пункті 2.7. Згідно отриманих даних, відеокарта має достатню продуктивність для роботи в офісі. Було розраховано пропускну здатність шини пам'яті та порівняно з вказаною у характеристиках. Також за пропускною здатністю відеокарти було визначено клас відеокарти за шкалою актуальності.

У пункті 2.8 провоедено тестування працездатності сиситеми та потужність обчислювальної системи. Згідно до тестів, ПК не має проблем зі стабільністю роботи та досить потужний для виконання задач в офісі.

Результат безвідмовності системи, за пунктом 2.9, вказує на те, що система може працювати досить довго без перебоїв, а також якщо комп'ютер вийде з ладу дані не втратяться тому що всі ПК підключені до серверу, який в свою чергу усі дані передає в сховище.



Список використаних джерел

1. Memory part 2: CPU cachesСтаття на lwn.net (автор Ulrich Drepper) з детальним описом кешей

2. 8-way set-associative кэшнаписаний на VHDL

3. Типи ПК [Електронний ресурс] - Режим доступу до ресурсу: https://sites.google.com/site/strikyls/tipi-pk

4. Основні відомості про побудову комп'ютера [Електронний ресурс] - Режим доступу до ресурсу: https://www.ua5.org/osnovi/10-osnovn-vdomost-pro-budovu-kompjutera.html

5. G. C. Stierhoff and A. G. Davis. A History of the IBM Systems Journal. IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 20, No. 1 (Jan. 1998), pages 29-35.

6. Память // Словарь компьютерных терминов = Dictionary of Personal Computing / Айен Синклер ; Пер. с англ. А. Помогайбо -- Москва : Вече, АСТ, 1996. -- С. 177, ISBN 5-7141-0309-2

Размещено на Allbest.ru

...