Kiến trúc vi xử lý intel atom báo cáo chi tiết

Kiến trúc vi xử lý intel atom báo cáo chi tiết

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Hà Nội, ngày 30/09/2012

NỘI DUNG BÁO CÁO

Phần 1: Giới thiệu khái quát về vi xử lý

- Intel Atom là tên nhãn hiệu cho dòng CPU x86 (hoặc vi xử lý) của Intel, tên mã

trước đó là bộ xử lý Silverthorne và Diamondville, thiết kế cho một tiếntrình CMOS cỡ 45 nm dự định dùng cho máy tính siêu di động, điện thoại thôngminh và các thiết bị bỏ túi cần tiêu thụ điện năng thấp

- Intel Atom củng cố bộ thủ tục x86 (IA-32) (bao gồm x86-64); như rất nhiều thiết

kế khác nó chia một số thủ tục x86 nhất định thành các thủ tục bên trong được tối

ưu để thực thi, nhưng ở mức độ mở rộng ít hơn (chỉ ~4%) hơn gia đình IntelP6 và Intel P68 Trong Atom, các μ-op có thể chứa cả bộ nhớ nạp và một bộ nhớlưu trữ trong kết nối với điều hành ALU, điều này càng giống với cấp độ x86 vàtuyệt hơn so với thiết kế µ-op trước đó Điều này làm cho hiệu năng được cải thiệnchỉ với hai ALU số nguyên, và không cần cấp phát lại bất kỳ thủ tục nào, suy đoánthực thi, hoặc thay đổi tên thanh ghi Bởi vậy Atom giới thiệu lại từng phần củanguồn gốc sử dụng trong các thiết kế của Intel trước đó như Intel P5 và i486, vớimục đích tăng thêm tỉ lệ hiệu năng mỗi watt

Theo nghiên cứu thì thì vùng không gian chết sử dụng cho giải mã x86 sẽ đặtthiết kế của Atom vào vị trí bất lợi khi so sánh với các kiến trúc di động khác,như kiến trúc ARM Nền tảng Moorestown kế vị nền tảng Menlow Platform sẽ làmột hệ-thống-trên-một-con-chip thiết kế để tiêu thụ một nửa điện năng so với bộ

xử lý Silverthorne Giảm điện năng tiêu thụ sẽ làm nền tảng này được chú ý nhiều

để sử dụng trong điện thoại thông minh và các thiết bị Internet di động

Một điều quan trọng chúng ta ta nên biết rằng có hai phiên bản CPU Atom Atom dòng 2xx và N2xx mà hiện đang có sẵn là Atom 230 và Atom N270 mà cótên mã là Diamonville , được dùng cho những máy tính xách tay sử dụng đi kèmtheo Chipset dòng Intel 945 , như vậy trong hệ thống này có 02 Chip lớn Trongkhi đó Atom dòng Z5xx có tên mã là “Silverthorne” , được dùng cho những thiết bịcầm tay để truy cập Internet , sử dụng duy nhất một Chipset mới có tên gọi

US15W có kích thước rất nhỏ Bộ vi xử lí Intel Atom Z5xx có kích thước ( 14 x

13 mm ) nhỏ hơn so với những CPU Atom khác ( 22 x 22mm )

Bạn cũng có thể nghe thấy một nền tảng có tên gọi Centrino Atom ( với tên mã làMenlow ) Nền tảng này bao gồm bộ vi xử lí Intel Atom , Chipset mới US15W( có tên mã Poulsbo ) với những kết nối không dây ( Wi-Fi , Bluetooth … )

Khi nói tới tên mã , Intel cũng có “Moorestown” , sẽ là phiên bản tiếp theo củaCentrino Atom , theo lộ trình sẽ có mặt trên thị trường vào năm 2009 hoặc 2010 và

sẽ sử dụng bộ vi xử lí Atom “Lincroft” , Chipset “Langwell” và Chip không dây

Phần 2: Những đặc tính kĩ thuật cơ bản của CPU Atom

 Tương thích đầy đủ tập lệnh x86 , có nghĩa là có thể chạy trực tiếp hệ điềuhành và những phần mềm như một PC Một số CPU khác dùng với nhữngthiết bị cầm tay lại có tập lệnh riêng của mình

 Sử dụng năng lượng thấp 4W cho Model 230 , 2.5W cho N270 và giữa 2W

 Đường dữ liệu bên trong 128-bit

 Hỗ trợ công nghệ Enhanced Speed Step ( trừ những Model Atom 2xx )

 32KB Cache lệnh L1 và 24KB Cache dữ liệu L1

 512KB Cache L2

 Kích thước bộ nhớ Cache linh hoạt : có khả năng tắt những phần bên trong

bộ nhớ Cache khi CPU vào trạng thái tiết kiệm năng lượng C4 hoặc C4E( không có sẵn với Model Atom 2xx )

 Pipeline 16 tầng ( Stage )

 Được chế tạo dựa trên công nghệ 45nm

 Có thể đi cặp với Chipset Mobile Intel 945 ( Model Atom 2xx và Nxxx )hoặc với Chipset Intel US15W ( Atom Z5xx ) Những Model 2xx và Nxxxcho máy tính xách tay Z5xx cho những thiết bị cầm tay kết nối Internet

 237 chân cho Model “Diamondville” là 2xx và Nxxx ; hoặc 441 chân choModel “Silverthorne” là Z5xx

- SSE2: Là tập lệnh hỗ trợ đồ họa mở rộng thiết kế cho Pentium 4 Vi kiến trúc

Netburst mở rộng khả năng xử lý theo kiểu cấu trúc SIMD mà các công nghệ Intel MMX và SSE bằng cách thêm vào 144 câu lệnh mới Các lệnh này bao gồm các tác vụ số nguyên SIMD 128 bit và các tác vụ dấu chấm động với độ chính xác gấp đôi SIMD 128 bit Các lệnh mới này làm tối ưu hóa khả năng thực hiện các ứng dụng như phim, video, xư slý âm thanh – hình ảnh, mã hóa, tài chính, thiết kế và nghiên cứu khoa học, kết nối mạng trực tuyến

Cơ bản về Netburst: Là mô hình vi kiến trúc của Intel Nó cung cấp một số

tính năng và công nghệ mới rất cao như: công nghệ siêu ống, kênh truyền hệ thống

400 Mhz Bộ nhớ nội cho phép truy cập lệnh thực thi và cơ chế thực thi lệnh nhanhchóng Một số công nghệ và tính năng tăng cường như: Bộ nhớ nội truy cập nhanh cao cấp, đơn vị xử lý dâu chấm động và truyền thống đa phương tiện được cải tiến

và bộ lệnh gỗ trợi đồ họa và truyền thông đa phương tiênk cấp 2

SSE2 mở rộng tập lệnh MMX để hoạt độngt rên thanh ghi XMM cho phép người sử dụng hoàn toàn tránh khỏi việc các thanh ghi MMX 64 bit bị chồng trongcác thanh ghi stack dấu chấm động chính thức IA-32 Điều này cho phép trộn phầnnguyên SIMD với cơ cấu điểm nổi vô hướng mà không có chế độ chuyển đổi giữa MMX và x87 Tuy nhiên, điều này là ovẻ-shadowed giá trị của việc có thể thực hiện các hoạt động MMX trên các thanh ghi SSE lớn hơn

- SSE3: Đây là tập lệnh được bổ sung vào năm 2004 là phiên bản thứ 3 của SSE

đặt cho kiến trúc IA-32, SSE3 thêm vào 13 câu lệnh mới nhằm giúp các ứng dụng

xử lý video game chạy nhanh hơn và còn hỗ trợ tăng tốc kết nối mạng, đa phương tiện…

vi xử lí Core 2 hiện thời Điều này xuất phát từ một số lí do

Thứ nhất nó sẽ cho phép sử dụng năng lượng hiệu quả hơn Nhiều tầng( Stage ) có nghĩa là có nhiều Bộ phận , có thể dàn trải toàn bộ trên Chip khiến choviệc tản nhiệt tốt hơn Nếu chỉ có một vài Bộ phận thì khiến cho nhiệt lượng dễdàng bị tập trung tại một vài điểm Với CPU mà có nhiều Bộ phận thì khả năng sốlượng Bộ phận được nghỉ cao hơn so với những CPU chỉ có một vài bộ phận vànhư vậy dễ dàng tắt bớt những bộ phận này để tiết kiệm năng lượng Một thuận lợi

khác của Pipeline dài hơn đó là Vi cấu trúc có thể đạt được tốc độ xung nhịp caohơn Như vậy những bộ phận có ít Transistor thì dễ dàng đạt được tốc độ cao hơn

Hình 2 : Pipeline của Atom.

Đặc điểm khác có trong Atom đó là Đường Dữ liệu bên trong là 128-bit ,điều này đã có trong những CPU dựa trên Vi cấu trúc Core ( như : Core 2 Duo ) Trong những CPU trước kia Đường Dữ liệu bên trong chỉ là 64-bit Điều nàychính là vấn đề đối với những lệnh SSE phải sử dụng những thanh ghi SSE và cótên gọi XMM lại có độ dài 128-bit Do đó khi thực hiện lệnh có dữ liệu 128-bit ,thì hoạt động này lại bị bẻ thành hai phép tính 64-bit Như vậy với Đường Dữ liệubên trong có độ rộng 128-bit cho phép Atom xử lí những lệnh SSE với dữ liệu 128-bit nhanh hơn Intel gọi nó là “Digital Media Boost”

Như đã đề cập bên trên CPU Atom có 32KB Cache lệnh L1 và 24KB Cache

dữ liệu L1 với 512KB Cache L2

Atom cũng có hỗ trợ công nghệ HyperThreading và như vậy hệ điều hành sẽnhận ra hệ thống với hai bộ vi xử lí để cho phép xử lí hai luồng dữ liệu cùng mộtlúc

Hình: Tập lệnh sse3

1.Những Mode tiết kiệm năng lượng.

Không phải mọi bộ vi xử lí đều có những Mode tiết kiệm điện năng nhưnhau mà tuỳ thuộc vào những dòng sản phẩm riêng biệt

Atom 2xx ( hiện tại chỉ có bộ vi xử lí Atom 230 ) chỉ hỗ trợ Mode C1( HALT ) và được giới thiệu với một tên gọi mới MWAIT được thực hiện bằngmột lệnh có tên gọi “MWAIT” Trạng thái này tương tự như trạng thái C1truyền thống mà được thực hiện bằng lệnh “HALT” Với trạng thái C1 thôngthường , CPU chỉ có thể thoát ra khỏi khi có một Ngắt gửi tới Trong khi đótrạng thái MWAIT chỉ cần bất kì một sự kiện nào khác cũng đều đưa CPU quaylại trạng thái hoạt đọng bình thường

Atom Nxxx ( như Atom N270 đang có sẵn ) hỗ trợ những Mode như C1 ,C1E , C2 , C2E , C3 , C4 và C4E

Atom Z5xx hỗ trợ tất cả những Mode trên và thêm trạng thái C6

Trong tất cả những CPU trên , trạng thái C1 , C2 và C4 có thể được gáncho mỗi CPU ảo Atom có hỗ trợ công nghệ HyperThreading thì mỗi lõi CPU

được hệ điều hành nhận biết thành 02 CPU ; do đó CPU Single-Core được nhậndạng thành 02 CPU hoặc “ 02 Thread “ Atom có thể đặt bất kì Thread thànhtrạng thái C1 , C2 hoặc C4

Atom có thể tắt một phần Bộ nhớ Cache L2 khi đi vào trạng thái C4 hoặcC4E , được gọi bằng cái tên “ Dynamic Cache Sizing “ Atom 2xx không hỗtrợ trạng thái C4 nên không có đặc điểm trên Thông thường khi CPU đi vàotrạng thái C4 thì toàn bộ Bộ nhớ Cache vẫn còn được bật , và trong trạng tháiC4E thì toàn bộ Bộ nhớ Cache bị tắt

Một đặc tính tiết kiệm năng lượng kiểu truyền thống khác có trong CPUAtom ( loại trừ Mode 2xx ) có tên gọi Công nghệ Enhanced SpeedStep Côngnghệ này làm cho CPU chạy với tốc độ xung nhịp thấp hơn và điện áp cung cấpthấp hơn khi đang chạy chương trình mà không yêu cầu toàn bộ sức mạnh củaCPU

2.Chipset.

Phụ thuộc vào Model , Atom có thể đi kèm theo với Chipset dòng Intel 945 (Atom 2xx và N2xx ) hoặc với Chipset mới Intel US15W ( Atom Z5xx ) , hoặcđược biết với tên gọi đơn giản SCH ( Intel System Controller Hub ) Có một điềuthú vị đó là Intel cấp bản quyền để SiS thiết kế Chipset cho những CPU Atom , do

đó bạn có thể thấy những CPU Atom tương lai sử dụng Chipset của nhà sản xuấtnày

Theo lí thuyết bất kì Chipset Intel 945 nào cũng đều có thể dùng được ,nhưng Intel khuyến cáo phiên bản Mobile nên sử dụng Chipset Intel 945GSE chonền tảng “NetBook 08” Tất cả bộ nhớ và những đặc tính I/O cho những NetBookdùng với CPU Atom sẽ phụ thuộc vào Chipset được dùng

Chipset US15W mới , được dùng cho giải pháp Single-Chip nhỏ , cho phépAtom được dùng với những thiết bị cầm tay truy cập được Internet Nó có thiết kếhoàn toàn mới và có những tính năng chính như sau :

 Công cụ đồ hoạ kết hợp với Giải mã Video có độ nét cao hoàn toàn dựa trênphần cứng ( hỗ trợ định dạng H.264 , MPEG2 , MPEG4 , VC1 và WMV 9 )

và khả năng đồ hoạ 3D , tốc độ làm việc 200MHz (Intel Graphics MediaAccelerator 500, DirectX 9.0c/Shader 3.0)

 Hỗ trợ hai màn hình hiển thị , một bên trong thiết bị và một cho bên ngoàithiết bị Chúng có thể làm việc như là hai màn hình độc lập hoặc hiển thị

cùng hình ảnh cùng một lúc ) Sự kết nối giữa Chipset và màn hình hiển thịLCD bên trong và màn hình Video bên ngoài được thông qua liên kết SDVO( Serial Digital Video Out ) Liên kết SDVO này dễ dàng chuyển đổi thànhbất kỳ đầu ra theo chuẩn nào ( VGA , S-Video , DVI , HDMI … ) qua Chipbên ngoài

 Hỗ trợ bộ nhớ DDR2-400 hoặc DDR2-533 lên tới 1GB với cấu hình Channel

Single- Bộ phận điều khiển âm thanh chất lượng cao HD với độ phân giải 32-bit vàtần số lấy mẫu 192Khz Trên thực tế chất lượng âm thanh sẽ phụ thuộc vàoCodec âm thanh được sử dụng

Hình 4 : Sơ đồ khối của Chipset Intel US15W.

Có một điều chú ý đó là US15W không hỗ trợ cổng SATA , vì theo quan điểm của Intel sẽ chỉ dùng những thiết bị lưu trữ 1.8 inch theo chuẩn PATA mà không dùng SATA Intel cũng cho rằng những thiết bị MID ( Mobile Internet Device ) dùng SSD trong tương lai gần mà không dùng HDD truyền thống

Phần 4 Những đặc tính cơ bản

Atom không giống bất cứ loại CPU nào từ trước tới nay ngoại trừ việc

nó có cùng tập lệnh với CPU nhóm CORE điển hình như Core 2 Duo hay Core 2 Quad Atom xử lý các lệnh theo thứ tự - tương tự như các thế hệ Pentium trước đây và có khả năng xử lý 2 lệnh mỗi xung nhịp Bên cạnh đó,

nó có kênh dữ liệu 16 bước – dài hơn các CPU Core 2 Duo tuy nhiên lại tiết kiệm điện hơn, tỏa nhiệt đều hơn Một số kênh có thể được tắt đi khi không dùng tới để giảm lượng điện tiêu thụ Ngoài ra, ưu điểm nữa của CPU có kênh dữ liệu dài hơn là nó có thể đạt được xung nhịp cao hơn

Một trong những tính năng đáng giá của Atom là kênh dữ liệu nội bộ 128-bit – yếu tố thừa hưởng của các chip kiến trúc Core Các chip loại cũ chỉ

có kênh dữ liệu 64-bit, đây là một vấn đề đối với tập lệnh SSE vì các địa chỉ SSE (XMM) có độ dài 128-bit Vì thế, khi các chip thế hệ cũ thực hiện lệnh SSE, chúng sẽ phải chia thành 2 đoạn 64-bit Atom với kênh dữ liệu 128-bit

sẽ thực hiện SSE nhanh hơn Intel gọi đặc điểm này là công nghệ Digital Media Boost

Về mặt bộ đệm, các CPU Atom có 32KB bộ đệm hướng dẫn lệnh L1, 24KB L1 dành cho dữ liệu và 512KB bộ đệm L2 Các chip này không có khối điều khiển bộ nhớ tích hợp mà toàn bộ phần này đều được giao phó chochipset Đáng chú ý, Atom được trang bị công nghệ HyperThreading cho phép biến 1 chip đơn thành 2 chip và cho phép hệ điều hành chia đôi các công việc cho mỗi lõi ảo để tận dụng tối đa hiệu năng có thể Dĩ nhiên tốc độđạt được không thể bằng các chip lõi kép thực thụ, tuy nhiên mọi sự gia tănghiệu năng đều đáng để hoan nghênh

Để tiết kiệm điện, toàn bộ các CPU Atom đều có thể sử dụng chế độ

C1, C2 và C4 trên các CPU ảo Bên cạnh đó, bộ đệm L2 có thể được tắt bớt một phần khi CPU chuyển qua C4 hoặc tắt toàn bộ trong C4E Tính năng này được Intel gọi là Dynamic Cache Sizing (Atom 2xx không hỗ trợ C4 và

sẽ không có tính năng này) Dĩ nhiên, công nghệ hạ xung nhịp khi rảnh rỗi (Intel Enhanced Speed Step) cũng không thể vắng mặt

Bộ vi xử lý Intel Atom được phát triển trên một nền tảng vi kiến trúc hoàntoàn mới vốn được thiết kế đặc biệt dành cho các thiết bị có kích thước nhỏ và tiêuthụ điện năng thấp, trong khi vẫn giữ được tính tương thích với các tập lệnh của bộ

vi xử lý Intel® Core™ 2 Duo mà người tiêu dùng vốn đã quen thuộc khi sử dụngmột máy tính cá nhân và Internet tiêu chuẩn

Thiết kế này cũng bao gồm khả năng hỗ trợ xử lý đa luồng giúp đạt đượchiệu suất hoạt động tốt hơn đồng thời tăng cường khả năng xử lý nhạy bén của hệthống

Tất cả các tính năng này nằm gọn trong một chip có kích thước nhỏ hơn25mm², giúp chip này trở thành bộ vi xử lý nhỏ nhất và tiêu thụ điện năng thấpnhất từ trước đến nay của Intel

Có tới 11 die (đế của bộ vi xử lý) của bộ vi xử lý Intel Atom - các mảnhsilicon tí hon được đóng gói với 47 triệu bóng bán dẫn trên mỗi đế - sẽ nằm vừatrong một diện tích bằng kích thước của một đồng xu Mỹ

Các chịp mới này, tên mã trước đây là Silverthorne và Diamondville, sẽđược sản xuất trên quy trình 45nm dẫn đầu ngành công nghiệp của Intel với côngnghệ cổng kim loại Hi-k

Các chip này có một thông số đặc tả về thiết kế nhiệt (TDP) trong phạm vi

từ 0,6 đến 2,5 watt và có khả năng nâng cao tốc độ lên tới 1,8GHz tùy theo nhu cầucủa khách hàng

Để dễ so sánh, chúng ta nên biết rằng các bộ vi xử lý Core 2 Duo di độngphổ thông hiện nay có một TDP nằm trong phạm vi 35 watt

1.Công nghệ siêu phân luồng

Công Nghệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)1 sử dụng tài nguyên của bộ

xử lý hiệu quả hơn, cho phép nhiều luồng xử lý chạy trên mỗi nhân Là một tínhnăng nâng cao hiệu năng xử lý, Công Nghệ Intel HT cũng nâng cao năng suất bộ

xử lý, nâng cao khả năng xử lý tổng thể trên phần mềm phân luồng

Công Nghệ Intel HT được cung cấp trên những bộ xử lý Intel® Core™ thế hệtrước, dòng bộ xử lý Intel® Core™ thế hệ 3, và dòng bộ xử lý Intel® Xeon® Kếthợp một trong các bộ xử lý Intel® này và các chipset với HĐH và BIOS hỗ trợCông Nghệ Intel® HT, bạn có thể:

 Chạy đồng thời nhiều ứng dụng đòi hỏi khả năng xử lý cao, đồng thời duy trìkhả năng đáp ứng của hệ thống

 Giữ cho hệ thống được bảo vệ, hoạt động hiệu quả, dễ quản trị đồng thờigiảm tối đa ảnh hưởng đến năng suất công việc

 Cung cấp năng lực thặng dư để sử dụng khi công việc kinh doanh sau nàyphát triển và để thực hiện giải pháp mới

Với Công Nghệ Intel HT, người say mê đa phương tiện có thể sản xuất, chỉnhsửa, và mã hóa các tập tin nặng về đồ họa và đồng thời chạy các ứng dụng ngầmnhư phần mềm bảo vệ chống vi rút mà vẫn không suy giảm khả năng xử lý của hệthống

Bộ xử lý có cả Công Nghệ Intel HT và Công Nghệ Intel® Turbo Boost (hoặcCông Nghệ Intel® Turbo Boost 2.0, có trong dòng bộ xử lý Intel Core thế hệ 3) cókhả năng xử lý cao hơn, giải quyết công việc nhanh hơn Sự kết hợp các công nghệnày cho phép xử lý được nhiều luồng trong cùng một lúc, linh hoạt thích ứng vớikhối lượng công việc cần xử lý, và tự động tắt các nhân không hoạt động Nó tăngcao tần số của bộ xử lý trên những nhân xử lý phải xử lý nhiều công việc, tăng vọthiệu năng xử lý cao hơn nữa cho các ứng dụng phân luồng

Nhờ Công Nghệ Intel HT, các doanh nghiệp có thể:

 Nâng cao năng suất công việc nhờ làm được nhiều việc đồng thời hơn màkhông bị chậm máy