Cấu tạo và hoạt động của CPU

cấu tạo của cpu, nguyên lý hoạt động của cpu, cpu là gì, kiến trúc máy tính, cấu trúc máy tính, nguyên lý hoạt động của cpu, chức năng của cpu tốc độ xử lý cpu toc do bus cpu, cấu tạo của cpu, nguyên lý hoạt động của cpu, cpu là gì, kiến trúc máy tính, cấu trúc máy tính, nguyên lý hoạt động của cpu, chức năng của cpu tốc độ xử lý cpu toc do bus cpu,

Trang 1

Kiến trúc máy tính

Chương 2: Bộ xử lý trung tâm

Trang 2

Các nội dung chính

● III Bộ xử lý đa lõi

Trang 3

I Cấu trúc cơ bản của CPU

Trang 4

I.1 Nhiệm vụ và cấu trúc cơ bản của CPU

- Ký hiệu: CPU viết tắt của chữ Central Processing Unit (đơn vị xử lí trung tâm)

- Nhiệm vụ: CPU có thể được xem như não bộ, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi tính Nhiệm vụ chính của CPU là xử lý các chương trình vi tính và dữ kiện

- Hình dáng: Nhiều kiểu dáng khác nhau

+ Đơn giản CPU là một con chip với vài chục chân

+ Phức tạp CPU được ráp sẵn trong các bộ mạch với hàng trăm con chip khác

- Mô tả: CPU là một mạch xử lý dữ liệu theo chương trình được thiết lập trước Nó là một mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu transitor trên một bảng mạch nhỏ Bộ xử lý trung tâm bao gồm Bộ điều khiển và Bộ làm tính

Trang 5

I.2 Các thành phần chính trong CPU

● CPU có 3 khối chính:

● Bộ điều khiển (Control Unit – CU)

● Bộ số học và Logic (Arithmetic and Logic Unit – ALU)

● Thanh ghi (Register – R)

Trang 6

●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.

● Clock: 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.

● 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 chúng.

Trang 7

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

điều khiển và xử lý tín hiệu

● ALU thực hiện các phép tính số học (+,-,*,/ ) hay

các phép tính logic (so sánh lớn hơn, nhỏ hơn…).

● 2.3 Thanh ghi (Register)

lý và ghi kết quả sau khi xử lý

Trang 8

I.3 Các thông số kỹ thuật của CPU

● CPU Core 2 Duo 2,6GHz nhanh hơn CPU 3,4GHz

● Intel Core 2 Duo cache L2 (shared cache)

● Intel Core Duo, Intel Pentium D

● CPU Quad-Core (4 nhân)

Trang 9

● 3.2 Tốc độ BUS của CPU ( FSB – Front Side Bus )

● FSB – Là tốc độ truyền tải dữ liệu ra vào CPU hay

là tốc độ dữ liệu chạy qua chân của CPU

● Tốc độ Bus của CPU phải phù hợp với tốc độ Bus

Trang 10

●3.3 Bộ nhớ Cache.

● Cache: Vùng nhớ mà CPU dùng để lưu các phần của chương trình, các tài liệu sắp được sử dụng Khi cần, CPU sẽ tìm thông tin trên cache

trước khi tìm trên bộ nhớ chính.

● Cache L1: Integrated cache (cache tích hợp) – cache được hợp nhất ngay trên CPU CacheL1 tăng tốc độ CPU do thông tin truyền đến và

đi nhanh hơn là phải chạy qua bus hệ thống

● Cache L2: Cache thứ cấp Thông tin tiếp tục được tìm trên cache L2 nếu không tìm thấy trên cache L1 Cache L2 có tốc độ thấp hơn cache

L1 và cao hơn tốc độ của các chip nhớ (memory chip) Trong một số trường hợp (như Pentium Pro), cache L2 cũng là cache tích hợp.

TËp

thanh

ghi

Cache L1

Cache L2

Bé nhí chÝnh

Bé nhí ngoµi

Bé xö lý

Trang 11

II HOẠT ĐỘNG CỦA CPU

● Giai đoạn nạp:

● Lấy lệnh và dữ liệu, đọc các lệnh của chương trình và dữ liệu cần thiết vào bộ xử lý.

● Giai đoạn giải mã:

● Xác định mục đích của lệnh và chuyển nó đến phần cứng tương ứng.

● Giai đoạn thực thi:

● Có sự tham gia của phần cứng, với lệnh và dữ liệu đã được nạp sẵn, các lệnh sẽ được thực hiện Quá trình

này có thể gồm các tác vụ như cộng, chuyển bít hay nhân thập phân động

● Giai đoạn hoàn tất:

● Lấy kết quả của giai đoạn thực thi và đưa vào thanh ghi của bộ xử lý hay bộ nhớ chính

Trang 12

● Ví dụ: CPU thực hiện tính toán biểu thức:

Trang 13

● Bước 1: Nhấn phím ‘2’

● Phát tín hiệu đến Đơn vị nạp lệnh

● Phát tín hiệu đến cache chỉ thị lệnh

● Cache chỉ thị lệnh chứa dữ liệu 2=X

● Dữ liệu mới từ bộ nhớ chính được đưa vào vi

xử lý thông qua các BUS; được lưu trữ vào

IC, khi đó, dữ liệu được gán một mã ‘2=X’.

Trang 14

● IC cung cấp bản sao dữ liệu ‘2=X’ tới

PU và DU để xử lý.

giải mã thành chuỗi nhị phân và

chuyển đến CU và DC.

Trang 15

● Bước 2: Nhấn phím số ‘3’

● Cung cấp chỉ thị lệnh tới PU và IC

● IC được lưu trữ thêm giá trị ‘3=Y’.

Trang 16

● PU chuyển một bản sao của mã lệnh

‘3=Y’ đến IC và chuyển nó đến DU chờ

xử lý.

● Tại DU, mã lệnh ‘3=Y’ được dịch và giải

mã thành chuỗi các số nhị phân, rồi được

chuyển đến CU và DC chờ xử lý.

Trang 17

● Bước 3: Nhấn phím ‘+’

● Khi nhấn phím ‘+’, PU yêu cầu bộ nhớ chính và

IC cung cấp các chỉ thị lệnh liên quan đến dữ

liệu mới

● Vì đây là dữ liệu hoàn toàn mới, ‘+’ từ bộ nhớ

chính được chuyển đến vi xử lý và được lưu

trữ tại IC với mã ‘X+Y=Z’, biểu thị phép tính

CỘNG

Trang 18

● - Tại CU, mã lệnh được xử lý, lệnh CỘNG

(ADD) được gửi đến ALU, nơi mà ‘X’ và ‘Y’ được

cộng lại; sau đó, chúng được gửi đến DC ALU

liên lạc với các Thanh ghi (Registers) và gửi kết

quả ‘5’ đến đó để được lưu trữ tại một trong các

địa chỉ

Trang 19

● Bước 4: Nhấn phím ‘=’

● Khi nhấn phím ‘=’, PU kiểm tra trên IC để tìm

chỉ thị lệnh cho dữ liệu mới nhập, nhưng không

tìm thấy

● Chỉ thị lệnh ‘=’ được chuyển từ bộ nhớ chính

đến vi xử lý thông qua các BUS, sau đó được

lưu trữ tại một địa chỉ trong IC với mã lệnh

‘Print Z’

Trang 20

‘Print Z’ để chuyển đến DU chờ xử lý.

● Tại DU, mã lệnh ‘Print Z’ được dịch và

giải mã thành chuỗi các số nhị phân,

rồi chuyển chuỗi đó đến CU chờ xử lý.

Trang 21

● Lúc này, giá trị của Z đã được tính toán xong

(ở bước 3) và kết quả đang được lưu trữ tại

các thanh ghi (Registers) Lệnh Print chỉ nhận

về nội dung của thanh ghi chứa kết quả và

xuất nó ra màn hình để bạn có thể thấy kết quả

cuối cùng Đến đây, CPU đã giúp người dùng

tính xong phép toán ‘2+3=5’

Trang 22

III BỘ XỬ LÝ ĐA LÕI (ĐA NHÂN) – MULTICORE

Trang 23

● 1 Giới thiệu chung

● CPU đa nhân, CPU đa lõi (multi-core) là bộ

vi xử lý trung tâm (Central Processing Unit) có

nhiều đơn vị vi xử lý được tích hợp trên cùng

một CPU vật lý duy nhất, như là sự ghép nối

nhiều CPU thông thường thành một CPU duy

nhất

● Hiệu năng của máy tính tăng lên do có tính

chất đa nhân

Trang 24

● 2 Nhu cầu về xử lý đa nhiệm

● Có rất nhiều phần mềm đang hoạt động đồng thời ở chế độ nền (background) trong hệ điều hành.

● Máy chủ được kết hợp đồng thời cung cấp nhiều dịch vụ.

● Các trình cần nhiều không gian và tốc độ: xử lý đồ hoạCác trình cần nhiều không gian và tốc độ: xử lý đồ hoạ,

biên tập videoCác trình cần nhiều không gian và tốc độ: xử lý đồ hoạ, biên tập video, chơi game, nghe nhạc, máy tính sẽ xử lý chậm chạp, thậm chí treo máy

● Nếu cùng số lượng và mức độ của các ứng dụng đó, nếu được xử lý trên một máy tínhNếu cùng số lượng và

mức độ của các ứng dụng đó, nếu được xử lý trên một máy tính có hai CPU độc lập thì hệ thống sẽ thực hiện nhanh hơn, không xảy ra xử lý chậm, lỗi hệ thống, treo máy

● Để đáp ứng mọi nhu cầu của người sử dụng máy tínhĐể đáp ứng mọi nhu cầu của người sử dụng máy tính

càng đòi hỏi đến năng lực của CPU lớn lên

● CPU có khả năng xử lý nhiều luồng, đa nhân, có công nghệ siêu phân luồng thì sẽ xử lý công việc nhanh

hơn

Trang 25

Trang 26

●4 Thế hệ CPU đa lõi đầu tiên

● Hãng IntelHãng Intel đã giới thiệu những CPUHãng Intel đã giới thiệu những CPU hai nhân Pentium Extreme Edition và

Pentium D đầu tiên vào tháng 4Hãng Intel đã giới thiệu những CPU hai nhân Pentium Extreme Edition và Pentium D đầu tiên vào tháng 4 năm 2005

● Tốc độ xử lý CPU từ 2,8 GHz đến 3,2 GHz

● FSB: 800MHz

● Mở rộng EM64T 64-bit

● Hỗ trợ Execute Disable Bit

● Sản xuất trên công nghệ 90 nm (nanomet)

● Có 2 MB L2 cache (1 MB mỗi nhân riêng biệt và độc lập)

● Sử dụng Socket T (LGA775)

● Vào tháng 5 năm 2005 những CPU Athlon 64 X2 hai nhân đầu tiên của AMD xuất hiện.

● Cache L2 dung lượng 1 MB (ứng với 512 KB cho mỗi nhân) ở mã: Manchester

● Cache L2 dung lượng 2 MB (ứng với 1 MB cho mỗi nhân) ở mã: Toledo

● Tốc độ xử lý thực tế CPU từ 2,2 GHz đến 2,4 GHz

● Sản xuất trên công nghệ 90 nm (nanomet)

● 1 GHz HyperTransport

● Sử dụng Socket 939

Trang 27

●5 Các thế hệ kế tiếp

● Core DuoCore Duo là công nghệ tiếp theo của các CPUCore Duo là công nghệ tiếp theo của các CPU hai

nhân đầu tiên (Pentium D, Pentium EE) của Intel sử dụng vi cấu trúc coreCore Duo là công nghệ tiếp theo của các CPU hai nhân đầu tiên (Pentium D, Pentium EE) của Intel sử dụng vi cấu trúc core[4] mang lại nhiều cải tiến hơn

● Core 2 Duo với thêm các cải tiến mới mà được đánh giá là một bước ngoặt trong ngành chế tạo bộ vi xử lý

● Mở rộng thực thi động (Wide Dynamic Execution): Đã được sử dụng ở các CPU thế hệ thứ 6 (Pentium Pro, Pentium

II, Pentium III ) được cải tiến giúp tiên đoán nhanh và sâu, chính xác hơn

● Quản lý điện năng thông minh (Intelligent Power Capability) cho phép tắt các hệ thống con trong CPU khi không sử

dụng đến để tiết kiệm năng lượng

● Mở rộng bộ nhớ đệm thông minh tiên tiến (Advanced Smart Cache)

● Truy xuất bộ nhớ thông minh (Smart Memory Access)

● Tăng tốc thực thi tập lệnh, cho phép hỗ trợ các phép toán 128 bit, tức là gấp đôi so với các CPU cũ cùng hãng

Trang 28

IV BiỂU DiỄN THÔNG TIN TRÊN MÁY TÍNH

Trang 29

IV Biểu diễn thông tin trên máy tính

Nhị phân, Hexa, BCD

Trang 30

● Hệ đếm cơ số 16 (Hệ thập lục phân, Hexadecimal system)

● Ví du: Số hệ 16: 1AF h có giá trị bằng: = 1*162 + 10*161 + 15*160 = 656

● Số BCD (Binary Coded Decimal - Số thập phân được mã hoá bằng số nhị phân)

● Ví dụ: Số 219 biểu diễn theo kiểu số BCD thì được 0010 0001 1001

Trang 31

● 3 Biểu diễn số nguyên

● Biểu diễn số nguyên không dấu

● Dùng n số nhị phân thì biểu diễn được 2n số, từ 0 ÷ 2n-1

● Ví du: n = 8 bit, biểu diễn được các số: 0 ÷ 28-1 = 27 = 255

● n = 16 bit, biểu diễn được các số: 0 ÷ 216-1 = 215 = 65535

● Biểu diễn số nguyên có dấu

● Đối với số dương: Chuyển đổi thành số nhị phân

● Đối với số âm:

● Tìm số dương tương ứng

● Tìm số bù 1 của số dương (đảo bit: 0 → 1, 1 → 0)

● Tìm số bù 2, bằng số bù 1 cộng 1.

● Dải biểu diễn số nguyên có dấu: - 2n-1 ÷ 2n-1 - 1

● Ví dụ: n = 8 bit, biểu diễn được các số: -128 ÷ 127.

● n = 16 bit, biểu diễn được các số: -32768 ÷ 32767.

● Ví dụ: Biểu diễn +20 sử dụng mã 8 bit

Trang 32

● Bài tập chuyên đề (Tự nghiên cứu)

Trang 33

● Bài tập chuyên đề (Tự nghiên cứu, nộp quyển báo cáo)

Trang 34

● ASCII: American Standard Code for Information Interchange (mã 8 bit)

● EBCDIC: Extended Binary Code Decimal Interchange Code (mã 8 bit)

● Unicode (mã thống nhất): Mã 16 bit.

Trang 35

Trang 36

Định dạng
Số trang	36
Dung lượng	0,93 MB