1 Đặc Trưng Của CPU - Tài Liệu Text - 123doc

Có thể bạn quan tâm

Trang chủ >
Công nghệ thông tin >
Hệ thống thông tin >

1 Đặc trưng của CPU

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (940.9 KB, 52 trang )

CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPUĐịa chỉ ở đây có thể là các địa chỉ của bộ nhớ RAM, địa chỉ các cổng vào ravà các thiết bị ngoại vi v.v .. để có thể gửi hoặc nhận dữ liệu từ các thiết bị nàythì CPU phải có địa chỉ của nó và địa chỉ này được truyền đi qua các Bus địachỉ.Giả sử : Nếu số đường địa chỉ là 8 đường thì CPU sẽ quản lý được 2 mũ 8 =256 địa chỉ Hiện nay trong các CPU Pentium 4 có 64 bít địa chỉ và như vậychúng quản lý được 2 mũ 64 địa chỉ nhớ. Ngoài ra còn có nhiều công nghệ làmtăng tốc độ xử lý của CPU. Ví dụ công nghệ Core hay Nehalem.2.1.2 Tốc độ xử lý và tốc độ Bus của CPU2.1.2.1 Tốc độ xử lý của CPU ( Speed ) :- Là tốc độ chạy bên trong của CPU, tốc độ này được tính MHz hoặc GHz- Thí dụ một CPU Pentium 3 có tốc độ 800MHz tức là nó dao động ở tần số800.000.000 Hz , CPU pentium 4 có tốc độ 2,4GHz tức là nó dao động ở tầnsố 2.400.000.000 Hz .2.1.2.1 Tốc độ Bus của CPU ( FSB ) :- Là tốc độ dữ liệu ra vào các chân của CPU - còn gọi là Bus phía trước :Front Site Bus ( FSB ).Thông thường tốc độ xử lý của CPU thường nhanh gấp nhiều lần tốc độ Buscủa nó, dưới đây là thí dụ minh hoạ về hai tốc độ này :Hình 2.2: Minh họa về tốc độ xử lý (CPU speed) và tốc độ Bus (FSB) của CPU23CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPUTốc độ CPU có liên hệ với tần số đồng hồ làm việc của nó (tính bằng các đơnvị như MHz, GHz, ...). Đối với các CPU cùng loại tần số này càng cao thì tốc độxử lý càng tăng. Đối với CPU khác loại, thì điều này chưa chắc đã đúng; ví dụCPU Core 2 Duo có tần số 2,6GHz có thể xử lý dữ liệu nhanh hơn CPU 3,4GHzmột nhân. Tốc độ CPU còn phụ thuộc vào bộ nhớ đệm của nó, ví như Intel Core2 Duo sử dụng chung cache L2 (shared cache) giúp cho tốc độ xử lý của hệthống 2 nhân mới này nhanh hơn so với hệ thống 2 nhân thế hệ 1 (Intel PentiumD) với mỗi core từng cache L2 riêng biệt. (Bộ nhớ đệm dùng để lưu các lệnhhay dùng, giúp cho việc nhập dữ liệu xử lý nhanh hơn). Hiện nay công nghệ sảnxuất CPU mới nhất là 32nm.Hiện nay CPU phổ biến là Duo-Core (2 nhân), Quad-Core (4 nhân). Quý 2năm 2010 Intel và AMD ra mắt CPU Six-Core (6 nhân).2.1.3 Đơn vị giao tiếp (BUS)2.1.3.1 Hàng đợi lệnh (Instruction Queue):Trong khi EU đang giải mã hay thi hành một lệnh không cần sử dụng các hệthống BUS, BIU sẽ đưa vào sáu bytes lệnh tiếp theo. BIU chứa các byte nàytrong một thanh ghi FIFO (First - In - First - Out) gọi là hàng đợi. Khi EU đã sẵnsàng cho lệnh tiếp theo, nó sẽ chỉ cần đọc các byte lệnh trong hàng đợi của BIU.Việc này làm tăng tốc độ của hệ thống, và kỹ thuật này được gọi là pipelining.2.1.3.2 Các thanh ghi đoạn (Segment Register):Gồm bốn thanh ghi CS, DS, ES, SS, dùng để chứa địa chỉ đoạn. Bộ nhớ trong1MB của CPU 8088 được chia thành các đoạn, mỗi đoạn chứa tối đa 64 KB, ởmỗi thời điểm CPU chỉ có thể truy xuất tối đa 4 đoạn được xác định bởi 4 thanhghi CS, DS, ES và SS. Cụ thể:Thanh ghi CS (Code Segment): dùng để chứa địa chỉ đoạn của đoạn chứa mãThanh ghi DS (Data Segment): dùng để chứa địa chỉ đoạn của đoạn chứa dữlệnh.liệu.24CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPUThanh ghi ES (Extra Segment): dùng để chứa địa chỉ đoạn của đoạn chứadữ liệu bổ sung.Thanh ghi đoạn SS (Stack Segment): dùng để chứa địa chỉ đoạn của đoạnchứa Stack.2.1.3.3 Con trỏ lệnh IP (Instruction Pointer):Dùng để xác định địa chỉ offset của ô nhớ chứa mã lệnh của lệnh kế tiếp sẽđược CPU thi hành (ô nhớ này nằm trong đoạn được xác định bởi thanh ghi CS).Khi CPU thực hiện một lệnh, thanh ghi IP sẽ tự động thay đổi để chỉ đến địachỉ offset của ô nhớ chứa lệnh sẽ được CPU thi hành kế tiếp.2.1.4 BUS địa chỉ (Address BUS)BUS địa chỉ là dụng cụ để CPU có thể xác định và nhận ra vị trí của các thiếtbị trong hệ thống. Các thiết bị này có thể là các ô nhớ, các cổng giao tiếp. Sốlượng đường dây trên BUS địa chỉ phụ thuộc vào từng loại VXL, có thể là 16,20 hay nhiều hơn. Với bộ VXL 8086/8088 thì BUS địa chỉ có 20 đường dây kýhiệu từ A0 -> A19 , như vậy có 220 vị trí địa chỉ có thể phân biệt đượ2.1.5 BUS dữ liệu (Data BUS)BUS dữ liệu (Data BUS) dùng để chuyển thông tin (gồm cả dữ liệu và lệnh)giữa bộ VXL với các thiết bị khác trong hệ thống.Quá trình chuyển thông tin từ bộ VXL đến các thiết bị khác trong hệ thống(có thể là bộ nhớ hay các thiết bị ngoại vi) được gọi là thao tác ghi (WriteOperation), ngược lại quá trình nhận số liệu vào bộ VXL từ các thiết bị ngoại viđược gọi là thao tác đọc (Read Operation). Như vậy BUS dữ liệu vừa phải thuvà phát thông tin nên nó là BUS hai chiều (Bidirectional BUS). Tất nhiên khôngthể thu phát đồng thời cùng một lúc được.Bộ VXL Intel 8088 có điểm khác nhau quan trọng với 8086 là nó chỉ có BUSdữ liệu 8 bít thay vì 16 bít. Ðặc biệt trong họ VXL Intel (80X86), đều sử dụngkỹthuật Multiplex các đường dây của BUS địa chỉ và dữ liệu. Cụ thể đó là quátrình dùng chung các đường dây (các chân ra) nhưng lúc thì làm việc này, lúc thìlàm việc khác, tức là thực hiện các công việc khác nhau trong các thời gian khác25CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPUnhau. Khi đóng vai trò BUS dữ liệu các đường dây sẽ truyền thông tin cho cácthiết bị của hệ thống, ngược lại khi đóng vai trò BUS địa chỉ, cũng chính cácđường dây này được dùng để gửi ra các tín hiệu địa chỉ.2.1.6 BUS điều khiển (Control BUS)BUS điều khiển (Control BUS) là tập hợp các đường dây điều khiển dùng đểđiều khiển các tác vụ của hệ thống. BUS điều khiển có từ 4 đến 10 đường tínhiệu, được sinh ra từ CPU, các tín hiệu điều khiển điển hình là: MEMR(MEMory Read), MEMW (MEMory Write), IOR (I/O Read) và IOW (I/OWrite).2.1.7 Kiến trúc nộiCPU có khả năng thực hiện các tác vụ dữ liệu theo tập lệnh bên trong. Mộtlệnh được ghi nhận bằng mã đã được định nghĩa trước, gọi là mã lệnh (opcode).Trước khi thực thi một lệnh, CPU phải nhận được mã lệnh từ bộ nhớ chươngtrình của nó. Quá trình xử lý này gọi là chu kỳ nhận lệnh (fetch cycle). Một khicác mã được nhận và được giải mã thì mạch bên trong CPU có thể tiến hànhthực thi (execute) mã lệnh.BIU (Bus Interface Unit – đơn vị giao tiếp bus) nhận các mã lệnh từ bộ nhớvà đặt chúng vào hàng chờ lệnh. EU (Execute Unit – đơn vị thực thi) sẽ giải mãvà thựchiện các lệnh trong hàng. Chú ý rằng các đơn vị EU và BIU làm việc độclập vớinhaunên BIU có khả năng đang nhận một lệnh mới trong khi EU dangthực thi lệnh trướcđó. Khi EU đã thực hiện xong lệnh, nó sẽ lấy mã lệnh kế tiếptrong hàng lệnh(instruction queue).2.1.8 Bộ nhớ đệm CacheThời L2 Cache còn phải nằm trên mainboard .Khi nghe giới thiệu về CPU,bạn ắt biết tới các thuật ngữ L1 Cache, L2 Cache, L3 Cache.Cache (đọc là kets, hay còn gọi là cạc) là tên gọi của bộ nhớ đệm – nơi lưu trữcác dữ liệu nằm chờ các ứng dụng hay phần cứng xử lý. Mục đích của nó là để tăngtốc độ xử lý (có sẵn xài liền không cần tốn thời gian đi lùng sục tìm kéo về).Nói một cách bài bản, cache là một cơ chế lưu trữ tốc độ cao đặc biệt. Nó có thể là26CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPUmột vùng lưu trữ của bộ nhớ chính hay một thiết bị lưu trữ tốc độ cao độc lập.Có hai dạng lưu trữ cache được dùng phổ biến trong máy tính cá nhân là memorycaching (bộ nhớ cache hay bộ nhớ truy xuất nhanh) và disk caching (bộ nhớ đệmđĩa).2.1.8.1 Memory cache:Đây là một khu vực bộ nhớ được tạo bằng bộ nhớ tĩnh (SRAM) có tốc độcao nhưng đắt tiền thay vì bộ nhớ động (DRAM) có tốc độ thấp hơn và rẻ hơn,được dùng cho bộ nhớ chính. Cơ chế lưu trữ bộ nhớ cahce này rất có hiệu quả.Bởi lẽ, hầu hết các chương trình thực tế truy xuất lặp đi lặp lại cùng một dữ liệuhay các lệnh y chang nhau. Nhờ lưu trữ các thông tin này trong SRAM, máy tínhsẽ khỏi phải truy xuất vào DRAM vốn chậm chạp hơn.Một số bộ nhớ cache được tích hợp vào trong kiến trúc của các bộ vi xử lý.Chẳng hạn, CPU Intel đời 8086 có bộ nhớ cache 8 KB, trong khi lên đờiPentium là 16 KB. Các bộ nhớ cache nội (internal cache) như thế gọi là Level 1(L1) Cache (bộ nhớ đệm cấp 1). Các máy tính hiện đại hơn thì có thêm bộ nhớcache ngoại (external cache) gọi là Level 2 (L2) Cache (bộ nhớ đệm cấp 2). Cáccache này nằm giữa CPU và bộ nhớ hệ thống DRAM. Sau này, do nhu cầu xử lýnặng hơn và với tốc độ nhanh hơn, các máy chủ (server), máy trạm(workstation) và mới đây là CPU Pentium 4 Extreme Edition được tăng cườngThêm bộ nhớ đệm L3 Cache.CPU Slot 1 dạng cartridge với L2 Cache nằm cạnh nhân CPU.Hình 2.3: Mô tả L1, L2 cache của CPU đa nhân27CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPU2.1.8.2 Disk cache:Bộ nhớ đệm đĩa cũng hoạt động cùng nguyên tắc với bộ nhớ cache, nhưngthay vì dùng SRAM tốc độ cao, nó lại sử dụng ngay bộ nhớ chính. Các dữ liệuđược truy xuất gần đây nhất từ đĩa cứng sẽ được lưu trữ trong một buffer (phầnđệm) của bộ nhớ. Khi chương trình nào cần truy xuất dữ liệu từ ổ đĩa, nó sẽkiểm tra trước tiên trong bộ nhớ đệm đĩa xem dữ liệu mình cần đang có sẵnkhông. Cơ chế bộ nhớ đệm đĩa này có công dụng cải thiện một cách đáng ngạcnhiên sức mạnh và tốc độ của hệ thống. Bởi lẽ, việc truy xuất 1 byte dữ liệutrong bộ nhớ RAM có thể nhanh hơn hàng ngàn lần nếu truy xuất từ một ổ đĩacứng.2.1.9 Tập lệnh (intrucsion set)Theo nguyên tắc làm việc của máy tính thì để thực hiện chương trình, CPUlần lượt đọc các lệnh, giải mã lệnh và thực hiện lệnh. Đối với một hệ máy tính,một lệnh được chia thành các mức độ khác nhau, mức thứ nhất đó là mức lệnhcủa người sử dụng. Đây là những câu lệnh dạng gần gũi với ngôn ngự tự nhiêncủa con người và máy tính không thể hiểu được.Để máy tính có thể hiểu được, lệnh của người sử dụng được HĐH hay trìnhdịch ngôn ngữ phiên dịnh thành lệnh ở dạng ngôn ngữ máy và CPU có thể đọcvà hiểu được.Khi CPU đọc lệnh dạng mã máy, nó thực hiện việc phiên dịch lệnh này thànhcác vi lệnh để các thành phần của CPU có thể hiểu và thực hiện được. Quá trìnhnày gọi là giải mã lệnh.Tập các vi lệnh của CPU cũng là một yếu tố đánh giá khả năng làm việc củaCPU, khi trang bị một CPU vào hệ thống người ta thường quan tâm đến vấn đếkiến trúc của CPU, có hai loại kiến trúc CPU, đó là:CISC: (Complex Instruction Set Computer) máy tính với tập lệnh đầy đủ.Trong kiến trúc CISC, máy tính cần sử dụng rất ít thanh ghi.RISC: (Reduced Instruction Set Computer) máy tính với tập lệnh rút gọn.Trong kiến trúc RISC, máy tính cần sử dụng nhiều thanh ghi. Đây là kiến trúcđược các bộ vi xử lý Intel ngày nay sử dụng.28CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPU2.1 Cấu tạo2.1.1 Các thành phần cơ bản của CPUCU (Control Unit) là Đơn vị điều khiển điểu khiển hoạt động của hệ thốngtheo chương trình đã dựng sẵn. Có chức năng điều khiển toàn bộ tiến trìnhchuyển giao dữ liệu từ chổ này sang chổ khác trong khi quá trình tính toán đangtiếp tục thực hiệnALU (Arithmetic and Logic Unit) là Đơn vị số học và luận lý. Thực hiện tấtcả các tính toán số học và lôgic. Đơn vị số học và luận lý chỉ thực hiện các phéptoán số học đơn giản như phép cộng, trừ, nhân, chia. Để CPU có thể xử lý dữliệu với các số thực với độ chính xác cao và các phép toán phức tạp như sin, cos,tính tích phân…, các CPU thường được trang bị thêm bộ đồng xử lý toán học(FPU: Floatting Point Unit ) còn được gọi là bộ xử lý dấu chấm động.Tập các thanh ghi (Registry)-Dùng để chứa thông tin tạm thời phục vụ cho cáchoạt động hiện tại của CPUHình 2.4:Sơ đồ cấu tạo đơn giản2.1.2 Các chức năng cơ bản của CPUThực hiện các lệnh về xử lý dữ liệu & các lệnh nhập xuất dữ liệu, các lệnhđọc, ghi, xóa dữ liệu trên các thiết bị lưu trữ, các lệnh về quản lý bộ nhớ baogồm cấp phát và giải phóng tài nguyên bộ nhớ.Các thành phần chính vật lýBộ vi xử lý là trái tim của máy tính hiện đại; đây là một loại chip được tạothành từ hàng triệu transistor và những thành phần khác được tổ chức thànhnhững khối chức năng chuyên biệt, bao gồm đơn vị xử lý số học, khối quản lýbộ nhớ và bộ nhớ đệm, khối luân chuyển dữ liệu và phép toán luận lý suy đoán.29CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPUTransistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp PN , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tựNPN ta được Transistor ngược. về phương diện cấu tạo Transistor tương đươngvới hai Diode đấu ngược chiều nhau .Hình 2.5 Cấu tạo transistor- Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực gốc, ký hiệulà B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp.- Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter ) viết tắt làE, và cực thu hay cực góp ( Collector )viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C cócùng loại bán dẫn (loại N hay P )nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khácnhau nên không hoán vị cho nhau được.Bộ vi xử lý của máy tính hiện nay đã phát triển cực mạnh về khả năng, tốc độvà tính phức tạp so với thập niên trước đây. Tốc độ cao, kích thước nhỏ, sốlượng transistor khổng lồ. Nếu bộ xử lý năm 1983 chỉ có 30.000 transistor thìhiện nay với một số bộ xử lý con số này là trên 40 triệu.2.2 Nguyên tắc hoạt động của CPU2.2.1 Nguyên lý hoạt độngBất kỳ chương trình máy tính nào cũng bao gồm rất nhiều lệnh để thao tácvới dữ liệu. Bộ xử lý sẽ thực hiện chương trình qua bốn giai đoạn xử lý: nạp,giải mã, thực thi và hoàn tất.• Giai đoạn nạp (lấy lệnh và dữ liệu) đọc các lệnh của chương trình vàdữ liệu cần thiết vào bộ xử lý.30CHƯƠNG 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPU• Giai đoạn giải mã xác định mục đích của lệnh và chuyển nó đến phầncứng tương ứng.• Giai đoạn thực thi là lúc có sự tham gia của phần cứng, với lệnh vàdữ liệu đã được nạp sẵn, các lệnh sẽ được thực hiện.Quá trình này cóthể gồm các tác vụ như cộng, chuyển bít hay nhân thập phân động.• Giai đoạn hoàn tất sẽ lấy kết quả của giai đoạn thực thi và đưa vàothanh ghi của bộ xử lý hay bộ nhớ chính.Một bộ phận quan trọng của bộ vi xử lý là đồng hồ xung nhịp được thiết kếsẵn, xác định tốc độ làm việc tối đa của những bộ phận khác và giúp đồng bộhoá những hoạt động liên quan. Hiện nay tốc độ nhanh nhất của bộ xử lý có trênthị trường là trên 2 GHz hay hơn hai tỷ xung nhịp mỗi giây. Một số người thíchsử dụng thủ thuật "ép" xung để chạy ở tốc độ cao hơn, nhưng nên nhớ là khi đónhiệt độ làm việc của chip sẽ cao hơn và có thể gây trục trặc.2.2.2 Phương pháp thực hiện lệnh2.2.2.1 CPU đời cũĐối với CPU, do việc xử lý thông tin trong CPU là hoàn toàn tự động theonhững chương trình có sẵn trong bộ nhớ, CPU cần phải biết thời điểm đọc lệnh,đọc lệnh xong thì mới chuyển đến thời điểm CPU tiến hành giải mã lệnh, giảimã lệnh xong thì CPU mới tiến hành việc thực hiện lệnh. Thực hiện xong thìCPU mới tiến hành việc đọc lệnh kế tiếp.Đây là các công đoạn khi CPU thực hiện và không thể lẫn lộn được mà phảiđược thực hiện một cách tuần tự.Để giải quyết vấn đề này, trong CPU cần phải có một bộ tạo nhịp thời gianlàm việc (CPU Clock). Tại nhịp thời gian này, CPU thực hiện việc đọc lệnh, tạinhịp thời gian tiếp theo, CPU thực hiện việc giải mã lệnh…Nhịp thời gian càngngắn, tốc độ CPU thực hiện lệnh càng nhanh. Chẳng hạn với một CPU pentiumMMX 233 MHz, điều đó có nghĩa là bộ tạo nhịp của CPU đó tạo ra 233 triệunhịp làm việc trong 1 giây.Ví dụ: việc phân chia thời gian thực hiện lệnh đối với một CPU (đời cũ) cóthể mô tả như sau:31

Xem Thêm