Bộ vi xử lý (CPU) doc

Thanh ghi là phần tử nhớ tạm trong bộ vi xử lý dùng lưu dữ liệu và địa chỉ nhớ trong máy khi đang thực hiện tác vụ với .II.2.2.Bộ số học-logic Arithmetic Logic Unit-ALU Có chức năng thực

I.2 CPU ra đời từ đâu ?

Trong lịch sử phát triển của mình, chiếc máy tính đã phát triển từ một chiếc máy chữ đơn thuần thành một thiết bị đóng vai trò căn bản trong phương thức mà hàng triệu con người chúng ta làm việc, liên lạc, học tập, giải trí và còn nhiều mô hình sử dụng khác nữa Việc giới thiệu chiếc máy tính cá nhân IBM đầu tiên năm 1981 đã đánh dấu một bước ngoặt cơ bản trong ngành công nghiệp điện toán

I.3 Giai đọan phát triển của CPU

I.3.1 Thập niên 70

Đây là dòng sản phẩm đầu tiên do Intel phát triển dùng cho các máy PC IBM chính là nhà sản xuất máy tính cá nhân đầu tiên sử dụng loại CPU này.Những CPU tiêu biểu là seri 8086 (sản xuất năm 1978) và seri 8088 (sản xuất năm 1979)

có thể truy cập được 1MB bộ nhớ

Vi xử lý thế hệ thứ 1

I.3.2 Thập niên 80

Được giới thiệu năm 1982, CPU 80286 của Intel một lần nữa đã khẳng định được

vị thế của mình Nhờ tính tương thích với những CPU của thế hệ trước nên những chương trình viết trước đó đều hoạt động bình thường trên CPU 80286

Giảm thời gian thực thi 1 câu lệnh: để hoàn thành 1 câu lệnh đơn giản thì CPU 486

sử dụng trung bình khoảng 2 chu kì xung clock trong khi CPU 386 cần 4 chu kì xung clock Thiết kế bộ nhớ đệm trong cấu trúc của CPU giúp nâng cao tốc độ xử lý Bổ sung tính năng “Burst-mode memory cycles” giúp truy xuất bộ nhớ nhanh hơn Tích hợp bộ xử

lý toán học nâng cao hoạt động, đồng thời với bộ xử lý toán học có sẵn nhằm tăng cường khả năng tính toán cho CPU

Vi xử lý thế hệ thứ 4

I.3.3 Thập niên 90

Được thiết kế với những cấu trúc và tính năng mới, điển hình là dòng sản phẩm Pentium của Intel và K5 của AMD Intel Pentium Processor được giới thiệu vào ngày 19-

10-1992, CPU Pentium tương thích hoàn toàn với các CPU của Intel trước đó CPU Pentium có 32bit bus và 64bit data giúp cho CPU di chuyển lượng dữ liệu gấp đôi so với các CPU thế hệ trước trong cùng một chu kì Các CPU Intel Pentium thế hệ này hoạt động với xung clock khá cao (từ 75MHz đến 266MHz) như Pentium I, Pentium II, Pentium MMX.

Intel Celeron, Intel Pentium III

I.3.4 Thập niên đầu thế kỉ 21

Là thế hệ của CPU Pentium 4 dùng kiến trúc NetBurst do Intel sản xuất Dòng CPU Pentium kết thúc vào ngày 27 tháng 7 năm 2006 và được thay thể bởi dòng Intel Core (sử dụng nhân "Conroe")

CPU Pentium 4

Đặc trưng của vi xử lý thế hệ này là CPU có khả năng xử lý dữ liệu 64bit Intel Itanium and Itanium 2: được thiết kế với công nghệ 90nm dùng cho các máy chủ hoặc trạm cần hiệu năng cao Itanium là CPU đầu tiên của Intel có cấu trúc 64bit được giới thiệu vào ngày 21-5-2001 Itanium 2 là CPU dành cho server được giới thiệu vào tháng 6-2002

Intel Itanium and Itanium 2

AMD Athlon 64 & AMD Athlon 64 FX: là CPU 64bit dành cho máy tính cá

nhân thông thường với bộ điều khiển bộ nhớ được tích hợp trong CPU giúp truy xuất dữ

liệu trực tiếp vào bộ nhớ với thời gian nhanh nhất Điểm khác biệt giữa Athlon 64 và

Athlon 64 FX là dung lượng cache và độ rộng của bus bộ nhớ

AMD Athlon 64 & AMD Athlon 64 FX

II Các vấn đề liên quan

II.1 Khái niệm

Vi xử lý được cấu tạo từ nhiều thành phần với các chức năng chuyên biệt, phụ thuộc vào từng nhà sản xuất Tuy mỗi vi xử lý có thiết kế riêng nhưng tất cả đều có cùng chung một nguyên lý hoạt động

II.2 Cấu tạo CPU:

II.2.1. Bộ điều khiển (Control Unit-CU)

Là các vi xử lí có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lí,được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng để đồng bộ các thao tác xử lí trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không đổi.Khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung

nhịp.Tốc độ theo đó xung nhịp hệ thống tạo ra các xung tín hiệu chuẩn thời gian gọi là tốc độ xung nhịp - tốc độ đồng hồ tính bằng triệu đơn vị mỗi giây-Mhz Thanh ghi là phần tử nhớ tạm trong bộ vi xử lý dùng lưu dữ liệu và địa chỉ nhớ trong máy khi đang thực hiện tác vụ với

II.2.2.Bộ số học-logic (Arithmetic Logic Unit-ALU)

Có chức năng thực hiện các lệnh của đơn vị điều khiển và xử lý tín hiệu Theo tên gọi,đơn vị này dùng để thực hiện các phép tính số học(+,-,*,/)hay các phép tính logic(so sánh lớn hơn,nhỏ hơn )

II.2.3.Thanh ghi (Register)

Thanh ghi (register) là thành phần lưu trữ dữ liệu bên trong CPU, mỗi thanh ghi có

độ dài nhất định (16 bit hoặc 8 bit) và được nhận biết bằng một tên riêng Tùy vào độ dài

và chức năng mà thanh ghi có công dụng chứa dữ liệu hoặc kết quả của phép toán, hoặc

là các địa chỉ dùng để định vị bộ nhớ khi cần thiết

Nội dung của thanh ghi được truy xuất thông qua tên riêng của nó, do đó tên thanh ghi là từ khóa quan trọng cần phải lưu ý trong lập trình

CPU-8086 có 16 thanh ghi, mỗi thanh ghi là 16 bit, có thể chia 4 nhóm sau:

1 Thanh ghi đoạn: Gồm 4 thanh ghi 16 bit: CS, DS, ES, SS Đây là những thanh ghi dùng để chứa địa chỉ đoạn của các ô nhớ khi cần truy xuất Mỗi thanh ghi đoạn quản lý 1 đoạn tối đa 64K ô nhớ trong bộ nhớ trong Người sử dụng chỉ được phép truy xuất ô nhớ dựa vào địa chỉ tương đối CPU (cụ thể là BIU) có nhiệm vụ chuyển đổi địa chỉ tương đối thành địa chỉ tuyệt đối để truy xuất vào ô nhớ tuyệt đối tương ứng trong bộ nhớ

CS: Thanh ghi đoạn mã lệnh, lưu địa chỉ đoạn chứa mã lệnh chương trình của người sử dụng

DS: Thanh ghi đoạn dữ liệu, lưu địa chỉ đoạn chứa dữ liệu (các biến) trong chương trình

ES: Thanh ghi đoạn dữ liệu thêm, lưu địa chỉ đoạn chứa dữ liệu thêm trong chương trình

SS: Thanh ghi đoạn ngăn xếp, lưu địa chỉ đoạn của vùng ngăn xếp.CS:Code Segment

DS:Data Segment

ES:Extra data Segment

SS:Stack Segment

Thông thường bốn thanh ghi này có thể chứa những giá trị khác nhau, do đó chương trình có thể được truy cập trên bốn đoạn khác nhau và chương trình chỉ có thể truy cập cùng 1 lúc tối đa bốn đoạn Mặc khác, đối với những chương trình nhỏ, chỉ sử dụng 1 đoạn duy nhất, khi đó cả bốn thanh ghi đều chứa cùng giá trị địa chỉ đoạn, gọi là đoạn chung.

2 Thanh ghi đa dụng (General Register): Bao gồm bốn thanh ghi đa dụng 16 bit (AX, BX, CX, DX) Mỗi thanh ghi đa dụng có thể được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, tuy nhiên từng thanh ghi có công dụng riêng của nó

AX : Là thanh ghi tích lũy cơ bản Mọi tác vụ vào/ra đều dùng thanh ghi này, tác

vụ dùng số liệu tức thời, một số tác vụ chuỗi ký tự và các lệnh tính toán đều dùng thanh AX

BX: Thanh ghi nền dùng để tính toán địa chỉ ô nhớ

CX: Là thanh ghi đếm, thường dùng để đếm số lần trong một lệnh vòng lặp hoặc lệnh xử lý chuổi ký tự

DX: Thanh ghi dữ liệu, thường chứa địa chỉ của một số lệnh vào/ra, lệnh tính toán

số học (kể cả lệnh nhân và chia)

Mỗi thanh ghi 16 bit có thể chia đôi thành 2 thanh ghi 8 bit Do đó, CPU-8086 có

8 thanh ghi 8 bit là: AH, AL; BH, BL; CH, CL; DH, DL (thanh ghi AH và AL tương ứng với byte cao và byte thấp của thanh ghi AX, tương tự cho các thanh ghi 8 bit còn lại)

BP: Thanh ghi con trỏ nền dùng để lấy số liệu từ ngăn xếp

SP:Thanh ghi con trỏ ngăn xếp luôn chỉ vào đỉnh ngăn xếp.

SI:Source Index Reg

DI:Destination Index Reg

BP:Base Pointer Reg

SP:Stack Pointer Reg

SI và DI chứa địa chỉ độ dời của ô nhớ tương ứng trong đoạn có địa chỉ chứa trong

DS hoặc ES (dữ liệu, còn gọi là Biến) Còn BP và SP chứa địa chỉ độ dời của ô nhớ tương ứng trong đoạn có địa chỉ chứa trong SS, dùng để thâm nhập số liệu trong ngăn xếp

4 Thanh ghi Đếm chương trình và thanh ghi trạng thái (Cờ):

F:Flag Register.

IP:Intrucstion Pointer Reg

II.3 Nguyên lý hoạt động của CPU

II.3.1.Điều kiện để CPU họat động

• Có điện áp VCORE cấp cho CPU (1)

• Có xung Clock (2)

• Có tín hiệu CPU_RST# (tín hiệu khởi động CPU từ Chipset bắc) (3)

• Có tín hiệu PWR_OK (tín hiệu báo các mạch ổn áp và nguồn ATX đã tốt) (4)

• Bốn điều kiện trên trùng với các điều kiện để có tín hiệu Reset hệ thống, vì

• vậy khi Mainboard đã có tín hiệu Reset hệ thống thì các điều kiện trên cũng đã có

• Socket kết nối CPU với Mainboard tiếp xúc tốt (5)

• CPU có tốc độ BUS được Mainboard hỗ trợ (6)

• CPU nạp được chương trình BIOS (7)

• Sau khi Mainboard có tín hiệu Reset hệ thống thì cần có thêm ba điều kiện (5), (6), (7) như ở trên để CPU có thể hoạt động

II.3.2.Quá trình nạp Bios và họat động của CPU

Nguồn chính của nguồn ATX hoạt động cung cấp các điện áp xuống Mainboard, đồng thời báo tín hiệu P.G (Power Good) xuống mạch Logic của Mainboard.Mạch ổn áp VRM (mạch cấp nguồn cho CPU) hoạt động cung cấp điện áp VCORE cho CPU và báo tín hiệu VRM_GD (tín hiệu báo mạch ổn áp VRM đã tốt) xuống mạch Logic

Mạch Logic (tích hợp trong SIO hoặc Chipset nam hoặc trên IC-Logic) sẽ kiểm tra các tín hiệu báo sự cố trên (các Mainboard đời mới, mạch Logic kiểm tra cả tín hiệu báo

về từ mạch ổn áp cho Chipset và RAM), khi nguồn ATX và các mạch ổn áp hoạt động tốt, mạch Logic sẽ cho ra tín hiệu PWRGD_ICH (báo cho Chipset nam tình trạng các mức nguồn đã tốt)

Chipset nam cho ra tín hiệu Reset hệ thống khi có đủ các điều kiện cần thiết.Tín hiệu Reset hệ thống (PCI_RST#) sẽ khởi động Chipset bắc và các thành phần khác trên Mainboard

Chipset bắc hoạt động và cho ra tín hiệu CPU_RST# để khởi động CPUCPU hoạt động và phát tín hiệu để truy cập BIOS

Nạp được chương trình BIOS, CPU sẽ duy trì sự hoạt động, đồng thời nó sử dụng chương trình BIOS để tiếp tục khởi động và kiểm tra các thành phần của máy…

II.3.3.Kiểm tra sự họat động của CPU

Làm sao để biết CPU có hoạt động hay không và nó hoạt động khi nào là điều mà chúng ta cần biết khi sửa chữa Mainboard Một điều bạn đã biết (khi đã tìm hiểu các chương trước) là CPU chỉ hoạt động khi đã có xung Clock và có tín hiệu Reset hệ thống,

vì Reset hệ thống khởi động Chipset bắc và khi Chipset bắc hoạt động mới tạo tín hiệu khởi động CPU

II.3.3.1 Phương pháp kiểm tra sự họat động của CPU

Gắn CPU vào Mainboard, gắn tạm toả nhiệt cho CPU, lưu ý – BUS của CPU phải được Main hỗ trợ Cấp nguồn cho Mainboard, gắn cả rắc 20 pin và rắc 4 pin để cấp

nguồn cho mạch ổn áp VRM Gắn Card Test Main vào khe PCI Bật công tắc và quan sát: Trước tiên đèn CLK phải sáng => cho biết xung Clock tốt Sau đó đèn RST phải sáng rồi tắt => cho biết tín hiệu Reset hệ thống tốt Tiếp theo bạn quan sát đèn OSC và BIOS, nếu hai đèn này sáng => Cho ta biết CPU đã hoạt động và đã nạp được chương trình BIOS (hai đèn OSC và BIOS thường cùng sáng hoặc cùng tắt)

II.3.3.2 Nguyên nhân CPU không họat động( khi đã có tín hiệu Reset hệ thống)

• Khi Mainboard đã có tín hiệu Reset hệ thống mà CPU vẫn không hoạt động (kiểm tra thấy đèn OSC và BIOS tắt) là do những nguyên nhân sau đây

• CPU có BUS không được Mainboard hỗ trợ

• Socket kết nối CPU bị hỏng (có chân không tiếp xúc)

• Chân IC – ROM BIOS tiếp xúc không tốt

• Lỗi chương trình BIOS

• Chipset bắc hỏng hoặc bong chân

II.4 Tốc độ xử lý của CPU

Tốc độ xử lý của máy tính phụ thuộc vào tốc độ của CPU, nhưng nó cũng phụ thuộc vào các phần khác (như bộ nhớ trong, RAM, hay bo mạch đồ họa) Có nhiều công nghệ làm tăng tốc độ xử lý của CPU Ví dụ công nghệ Core hay Nehalem

Tốc độ CPU có liên hệ với tần số đồng hồ làm việc của nó (tính bằng các đơn vị như MHz, GHz, ) Đối với các CPU cùng loại tần số này càng cao thì tốc độ xử lý càng tăng Đối với CPU khác loại, thì điều này chưa chắc đã đúng; ví dụ CPU Core 2 Duo có tần số 2,6GHz có thể xử lý dữ liệu nhanh hơn CPU 3,4GHz một nhân Tốc độ CPU còn phụ thuộc vào bộ nhớ đệm của nó, ví như Intel Core 2 Duo sử dụng chung cache L2 (shared cache) giúp cho tốc độ xử lý của hệ thống 2 nhân mới này nhanh hơn so với hệ

thống 2 nhân thế hệ 1 (Intel Pentium D) với mỗi core từng cache L2 riêng biệt (Bộ nhớ đệm dùng để lưu các lệnh hay dùng, giúp cho việc nhập dữ liệu xử lý nhanh hơn) Hiện nay công nghệ sản xuất CPU mới nhất là 32nm.

QPI là sự cải tiến cấu trúc hệ thống Vi cấu trúc thế hệ tiếp theo của IA-32 ,

“Nehalem” và thế hệ tiếp theo của IA-64 “Tukwila” , có cấu trúc hệ thống được cải tiến Vấn đề chính của nó là sự kết nối bên trong QPI ( QuickPath Interconnect” mới QPI thay thế cho FSB cũ của những bộ vi xử lí Intel với tốc độ kết nối cực kì cao FSB cũ của Intel có tốc độ truyền dữ liệu cao nhất là 1Gtps ( Giga Transfer per second ) , giao diện băng thông rộng , truyền dữ liệu theo hai hướng ( Bi-Direction ) QPI có tốc độ truyền

dữ liệu vài Gtps , giao diện băng thông hẹp , hệ thống truyền tín hiệu theo nhiều hướng

khác nhau liên kết kiểu Point – to – Point Thế hệ QPI đầu tiên có tốc độ cao nhất lên tới 6.4 Gtps , cao gấp bốn lần so với tốc độ cao nhất 1.6Gtps của FSB 1600 Một đường Link của QPI có tốc độ 25.6MB/s , cao gấp hai lần so với 12.8GB/s với FSB 1600 và gần gấp 2.5 lần có với 10.7MB/s của FSB 1333 QPI mang lại lợi ích lớn cho những CPU của Intel nhất là đối với những hệ thống Máy chủ / Máy trạm sử dụng nhiều CPU kết nối với nhau thông qua QPI QPI thực sự không phải là phương thức truyền dữ liệu kiểu Nối tiếp ( Serial ) QPI thực tế bằng thiết bị Tín hiệu Vi phân ( Differential Signaling ) được với với Point – to – Point cho phép truyền tốc độ tín hiệu cực kì cao Trong phương thức truyền Tin hiệu Vi phân, phương pháp truyền tín hiệu bằng cách hai tín hiệu bù được gửi trên hai đường truyền dữ liệu riêng biệt Như vậy tại điểu cuối của kết nối thiết bị Nhận đọc sự chênh lệch giữa hai tín hiệu , như vậy thiết bị Thu loại bỏ điện áp của dây dẫn đối với Đất và loại bỏ mức nhiễu khi truyền dữ liệu với tốc độ cao QPI đã từng được gọi là Bus Nối tiếp ( Serial Bus ) nhưng không hoàn toàn chính xác Bởi vì trong QPI không có Xung đồ hồ đính kèm ( Embedded Clock ) mà Xung đồng hỗ lại đi theo đường truyền riêng biệt Bất kì Bus Nối tiếp nào cũng gắn trực tiếp vào trong đó Xung nhịp đồng hồ Giao diện nối tiếp PCI Express thực hiện việc truyền dữ liệu đi kèm theo xung nhịp đồng

hồ , QPI có Đồng hồ truyền bằng liên kết tín hiệu khác khác với phương thức truyền dữ liệu trong Bus Serial Như vậy phương thức truyền dữ liệu của QPI cũng tương tự như HyperTransport của AMD Cũng bằng cách như vậy những bộ vi xử lí chuyên dụng đều

sử dụng phương thức như vậy như bộ vi xửl í Cell trong PS3 , XCPU trong Xbox 360 cũng đều sử dụng truyền tín hiệu kiểu Vi sai với xung đồng hồ được truyền trên một đường riêng biệt Cấu trúc 05 lớp của QPI Cũng tương tự như PCIe và HyperTransport , QPI có liên kết của kết cấu tạo thành độ rộng trong giao diện với 03 kiểu : Full-Width với liên kết 20–bit , Hafl-Width với liên kết 10-bit và Quarter-Width với liên kết 5-bit Thực

tế đều sử dụng liên kết chuẩn trong kết nối bên trong của CPU là Full-Width với 20-bit Mỗi tín hiệu dữ liệu dùng hai dây dẫn cho hệ thống tín hiệu Vi phân , cùng với hai dây cho Xung đồng hồ tổng cộng là 42 dây dẫn ( 20 x 2 + 2 ) cho kiểu Full-Width Mỗi thiết

bị có bộ phận Thu và Phát riêng biệt vì thế một liên kết sẽ là 84 chân kết nối So với 150

chân của FSB 64-bit của Intel cũ khi QPI gần như giảm đi hơn một nửa Như vậy độ phức tạp của dây dẫn kết nối giữa những liên kết giảm đi đáng kể

II.6 Bộ nhớ Cache

Bộ nhớ đệm nhanh (cache memory)

Tốc độ truy xuất nhanh Thường nằm trong CPU, một số cache cũ có thể nằm ngoài CPU: như các cache trên đế cắm kiểu slot 1, hoặc cache dạng thanh, có thể tháo rời giống như các thanh RAM ngày nay Bao gồm Cache L1 và Cache L2, Cache L3 (L3 chỉ

có ở một số CPU) có tốc độ truy xuất gần bằng tốc độ truyền dữ liệu trong CPU

Tất cả được bắt đầu với silic Intel chế tạo chip theo từng mẻ trên các tấm wafer

được làm từ silic tinh khiết - thành phần chính trong cát ở bờ biển Hãng này dùng silic bởi vì nó là chất bán dẫn tự nhiên dễ bị oxy hóa Không giống chất cách điện như thủy tinh (luôn ngăn dòng điện đi qua) hay chất dẫn điện như đồng (luôn cho phép dòng điện

đi qua), bạn có thể biến silic thành chất dẫn điện hoặc cách điện

Silic, nguyên tố hóa học phổ biến thứ hai trên trái đất sau oxy, được sử dụng

vì nó là chất bán dẫn tự nhiên.

Để sản xuất tấm wafer, silic được xử lý hóa học nhằm đạt được độ tinh khiết đến

99,9999% Silic đã tinh lọc được nung chảy và trở thành thỏi hình trụ Những thỏi silic

đó được cắt lát mỏng thành những tấm wafer và được đánh bóng cho đến khi chúng có bề mặt hoàn hảo, nhẵn bóng như gương Khi mới bắt đầu sản xuất chip, Intel dùng các tấm wafer 2 inch còn hiện nay họ sử dụng wafer 300 mm (12 inch) và 200 mm (8 inch) để đạt