Về số đồ nguyên lý cấu trúc bên trong của CPU
|
MỤC LỤC [] Show CPU là trung tâm đầu não điều khiển gần như toàn bộ các hoạt động của máy tính. CPU là một trong những tiêu chí đầu tiên để người dùng so sánh và lựa chọn cấu hình laptop, máy tính. Vậy CPU là gì, "mặt mũi" ra làm sao, hoạt động như thế nào? Hãy cũng Banlaptop.vn tìm hiểu qua bài viết dưới đây nhé! 1. CPU là gì?CPU là viết tắt của Central Processing Unit, tạm dịch là bộ xử lý trung tâm. Theo định nghĩa của Wikipedia, CPU là các mạch điện tử trong một máy tính, thực hiện các câu lệnh của chương trình máy tính bằng cách thực hiện các phép tính số học, logic, so sánh và các hoạt động nhập/xuất dữ liệu (I/O) cơ bản do mã lệnh chỉ ra. Thuật ngữ CPU đã được sử dụng trong ngành công nghiệp máy tính kể từ đầu những năm 1960. Theo truyền thống, thuật ngữ "CPU" chỉ một bộ xử lý, cụ thể là bộ phận xử lý và điều khiển (Control Unit) của nó, phân biệt với những yếu tố cốt lõi khác của một máy tính nằm bên ngoài như bộ nhớ và mạch điều khiển xuất/nhập dữ liệu Hiểu đơn giản thì CPU chính là bộ não của máy tính máy vi tính. Chức năng của CPU là xử lý và phân tích mọi dữ liệu nhập, mọi yêu cầu tính toán từ người dùng sau đó “ra lệnh” cho các thành phần khác thực hiện công việc 2. Hình dạng và Cấu tạo của CPUHình dạng:Dưới đây là hình ảnh thực tế về mặt trước và sau của một CPU Intel (Hầu hết các loại CPU ngày nay của mấy tính hay điện thoại đều có hình dạng giống như trong ảnh) Bộ vi xử lý được đặt và gia cố chắc chắn vào một đế cắm CPU (CPU socket) tương thích được tìm thấy trên bo mạch chủ (main). Như thấy trên hình, chip CPU thường có dạng hình vuông hoặc hình chữ nhật và có một góc nhỏ để đặt chip đúng vào CPU socket. Ở dưới cùng của con chip là hàng trăm chân nối được nối vào mỗi lỗ tương ứng trong đế cắm CPU. Qua nhiều năm, đã có hàng chục loại đế cắm khác nhau trên bo mạch chủ. Mỗi socket chỉ hỗ trợ các loại bộ xử lý cụ thể và mỗi bộ đều có cách bố trí chân riêng. Đa số CPU hiện nay đều được hàn chết trên main nên nếu bạn muốn thay thế nâng cấp CPU thì đồng thời cũng phải thay cả main mới Cấu tạo:CPU được cấu thành từ hàng triệu bóng bán dẫn được sắp xếp với nhau trên một bảng mạch nhỏ. Chẳng hạn Bộ xử lý Intel Pentium có 3.300.000 linh kiện bán dẫn transistor và thực hiện khoảng 188.000.000 lệnh mỗi giây. CPU gồm tất cả 5 thành phần, trong đó phần trung tâm sẽ có 3 bộ phận chính là CU, ALU và Registers: Là thành phần của CPU có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lý, được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống.Phần này là phần cốt lõi của một bộ xử lý được cấu tạo từ các mạch logic so sánh với các linh kiện bán dẫn như transistor tạo thành. Chức năng thực hiện các phép toán số học và logic sau đó trả lại kết quả cho các thanh ghi hoặc bộ nhớ. Là các bộ nhớ có dung lượng nhỏ nhưng tốc độ truy cập rất cao, nằm ngay trong CPU, dùng để lưu trữ tạm thời các toán hạng, kết quả tính toán, địa chỉ các ô nhớ hoặc thông tin điều khiển. Mỗi thanh ghi có một chức năng cụ thể. Thanh ghi quan trọng nhất là bộ đếm chương trình (PC - Program Counter) chỉ đến lệnh sẽ thi hành tiếp theo. Phần bộ nhớ chứa mã máy của cpu(không bắt buộc) để có thể thực thi các lệnh trong file thực thi. Thực hiện việc điều khiển các khối và điều khiển tần số xung nhịp. Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng để đồng bộ các thao tác xử lý 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). Phần này là không cần thiết cho một CPU nhưng hầu hết có trong kiến trúc cisc. 3. Nguyên lý hoạt động của bộ vi xử lý CPUDù liên tục được cải tiến trong nhiều năm kể từ khi các CPU đầu tiên xuất hiện, nguyên lý hoạt động của CPU vẫn gồm 3 bước cơ bản: Tìm nạp, Giải mã và Thực thi. Tìm nạpquá trình tìm nạp liên quan đến việc nhận lệnh của CPU. Lệnh được biểu diễn dưới dạng một chuỗi các số và được chuyển tới CPU từ RAM. Mỗi lệnh chỉ là một phần nhỏ của một thao tác bất kỳ, vì vậy CPU cần phải biết lệnh nào sẽ đến tiếp theo. Địa chỉ lệnh hiện tại được giữ bởi một Program Counter - bộ đếm chương trình (PC). PC và các lệnh sau đó được đặt vào một Instruction Register - thanh ghi lệnh (IR). Độ dài của PC sau đó được tăng lên để tham chiếu đến địa chỉ của lệnh tiếp theo. Giải mãKhi một lệnh được tìm nạp và được lưu trữ trong IR, CPU sẽ truyền lệnh tới một mạch được gọi là bộ giải mã lệnh. Điều này chuyển đổi lệnh thành các tín hiệu được chuyển qua các phần khác của CPU để thực hiện hành động. Thực thiTrong bước cuối cùng, các lệnh được giải mã, gửi đến các bộ phận liên quan của CPU để được thực hiện. Các kết quả thường được ghi vào một CPU register, nơi chúng có thể được tham chiếu bằng các lệnh sau đó. Thanh Register này hoạt động giống như RAM vậy Tóm lại, CPU thực hiện công việc nhận lệnh từ các thao tác và request của người dùng, giải mã các lệnh đó sang ngôn ngữ máy, lưu trữ các lệnh đó và truyền đến các bộ phận khác trong máy tính để thực hiện yêu cầu của người dùng. Trong quá trình hoạt động, Bộ xử lý sản sinh rất nhiều nhiệt, vì vậy chúng được phủ một lớp tản nhiệt để làm mát, giúp CPU vận hành ổn định, trơn tru. Đó là lý do các máy tính đều được trang bị quạt tản nhiệt. Mời các bạn đọc tiếp Phần 2: Lịch sử hình thành, vai trò của CPU trong máy tính và các thông số kỹ thuật của CPU
Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6BÀI THUYẾT TRÌNHCẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPUNhóm thực hiện: Nhóm 3 – Lớp buổi chiềuNgày bảo vệ: 23/11/2012I. TỔNG QUAN VỀ BỘ VI XỬ LÝ1. Khái niệm CPU˗ CPU: Central Processing Unit – Đơn vị xử lý trung tâm.˗ Là một mạch tích hợp được tạo thành từ nhiều bóng bán dẫn (trasistor).˗ Được xem như bộ não, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi tính.Toàn bộ quá trình xử lý, tính toán và điều khiển đều được thực hiện bởi CPU.˗ Chip vi xử lý đầu tiên là chip 4004 của hãng Intel (năm 1971).˗ CPU là thành phần quan trọng quyết định tới tốc độ của máy tính. Tốc độ xử lýcủa CPU thường được tính bằng MHz hoặc GHz:1 MHz = 106 Hz.1 GHz = 109 Hz.2. Chức năng của CPU˗ Điều khiển hoạt động của máy tính.˗ Thực thi chương trình: Chương trình được thực thi gồm một dãy các chỉ thịđược lưu trữ trong bộ nhớ; CPU đảm nhận việc thực thi này.˗ Quá trình thực thi chương trình gồm 2 bước: CPU đọc chỉ thị từ bộ nhớ vàthực thi chỉ thị đó. Việc thực thi chương trình là sự lặp đi lặp lại quá trình lấychỉ thị và thực thi chỉ thị.3. Phân loại CPUTheo mục đích sử dụng:˗ Dùng cho các máy tính di động (Laptop, PDA, …): Thiết kế nhỏ gọn, hoạtđộng ở mức điện áp và xung clock thấp.˗ Dùng cho máy tính để bàn (Desktop): Thiết kế lớn, tốc độ xung clock cao, hệthống tản nhiệt lớn.˗ Dùng cho máy trạm và máy chủ (Workstation, Server): Có yêu cầu kỹ thuậtkhắt khe do phải vận hành liên tục trong thời gian dài và cường độ lớn.Theo kiến trúc thiết kế:Năm học: 2012-2013 Trang: 1/7Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6˗ Netburst: Willamette, Northwood, Prescott, Pressott-2M, Smithfield, CedarMill, Presler.˗ P6M/Banias: Banias, Dothan, Dothan533, Yonah.˗ Core/Penryn: Conroe, Wolfdale, Kentsfield, Yorkfied.˗ Nehalem/Westmere, Gesher.˗ Sandy Bridge.Theo công nghệ chế tạo:˗ Nhờ vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật mà vi xử lý ngày càng được cảitiếng và thu nhỏ kích thước.˗ VD: Công nghệ 130nm, 90nm, 65nm, 45nm, 32nm, 22nm, …4. Các nhà sản xuất vi xử lý˗ Intel: http://www.intel.com˗ AMD (Advanced Micro Devices): http://www.amd.com˗ Các nhà sản xuất khác: Cyrix, NEXGEN, …II. CẤU TẠO CỦA CPUVi xử lý được cấu tạo từ nhiều thành phần với các chức năng chuyên biệt, phụthuộc vào từng nhà sản xuất. Tuy mỗi vi xử lý có thiết kế riêng nhưng tất cả đềucó cùng chung một nguyên lý hoạt động.Về cấu tạo, CPU gồm 3 khối chính:˗ ALU (Arithmetic Logic Unit – Đơn vị số học logic): Thực hiện các phép tínhtoán số học và logic cơ bản trên cơ sở các dữ liệu.˗ CU (Control Unit - Khối điều khiển): Tạo ra các lệnh điều khiển như điềukhiển ghi hay đọc, …˗ Registers (Các thanh ghi): Nơi chứa các lệnh trước và sau khi xử lý.1. Đơn vị số học và logica) Chức năng˗ ALU giữ vai trò tính toán trong CPU.Năm học: 2012-2013 Trang: 2/7Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6˗ ALU sử dụng hai thanh ghi toán hạng OP1 và OP2 để giữ các toán hạng và kếtquả.˗ ALU có thể thực hiện được các phép số học như cộng, trừ, tăng, giảm, nhân,chia, so sánh; các phép luận lý NOT, AND, OR, XOR, phép dịch (shift), quay(rotate).b) Mô hình kết nối của ALU2. Đơn vị điều khiển (Control Unit)a) Chức năng˗ Nhận lệnh từ bộ nhớ, đưa vào thanh ghi lệnh IP.˗ Tăng nội dung thanh ghi PC mỗi khi nhận lệnh xong.˗ Giải mã lệnh và xác định thao tác mà lệnh yêu cầu.˗ Phát ra tín hiệu điều khiển thực thi lệnh.˗ Nhận ra tín hiệu yêu cầu từ BUS hệ thống và giải quyết đáp ứng yêu cầu đó.b) Mô hình kết nối của CU:c) Các thông tin kết nối đến CU:˗ Clock: Tín hiệu xung nhịp từ mạch dao động.˗ Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến CU giải mã.Năm học: 2012-2013 Trang: 3/7Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6˗ Các trạng thái cờ đưa đến cho biết trạng thái của CPU cũng như trạng thái thựchiện các phép toán trong ALU.˗ Các tín hiệu điều khiển từ BUS điều khiển.˗ Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU: Điều khiển thanh ghi, ALU.˗ Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU; đó là bộ nhớ hay cổng vào ra.3. Tập thanh ghia) Chức năng˗ Thanh ghi là một dạng bộ nhớ hoạt động được ở tốc độ cao.˗ Bộ thanh ghi chính là bộ nhớ trong của CPU.˗ Chứa thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tịa của CPU.˗ Số lượng các thanh ghi trong bộ thanh ghi thường bị hạn chế vì khó chế tạo,giá thành cao; Số lượng thanh ghi tùy thuộc vào bộ vi xử lý cụ thể => tăng hiệunăng của CPU.˗ Thực chất là vùng nhớ được CPU nhận biết qua tên thanh ghi và có tốc độ truyxuất cực nhanh.˗ CPU dùng các thanh ghi với những mục đích khác nhau thể hiện qua tên gọicủa mỗi thanh ghi.˗ Thanh ghi chia làm 2 loại: Loại lập trình được và loại không lập trình được.b) Phân loại thanh ghi theo chức năng˗ Nhóm thanh ghi địa chỉ:Thanh ghi sử dụng để quản lý địa chỉ của ngăn nhớ hay cổng vào/ra.˗ Nhóm thanh ghi dữ liệu:Thanh ghi được dùng để lưu trữ dữ liệu tạm thời.˗ Nhóm thanh ghi đa năng:Thanh ghi có thể chứa dữ liệu hoặc địa chỉ đều được.˗ Nhóm thanh ghi điều khiển/trạng thái:Thanh ghi chứa thông tin về trạng thái của CPU.˗ Nhóm thanh ghi lệnh:Thanh ghi chứa lệnh đang được thực hiện.c) Một số thanh ghi điển hình• Thanh ghi bộ đếm chương trình PC (program counter) dùng để giữ địachỉ ô nhớ chứa mã lệnh sắp thi hành. Địa chỉ này sẽ được CPU đưa lêntuyến địa chỉ trong bước lấy lệnh.• Thanh ghi con trỏ chồng SP (Stack Pointer – Con trỏ ngăn xếp) dùng chophương pháp định địa chỉ theo chồng. Chồng là một vùng bộ nhớ đượcdành riêng để chứa các thông tin cần cất tạm trong một khoảng thời gianngắn, hoặc đôi khi có số lượng lớn mà không thể chứa trong các thanh ghi.Năm học: 2012-2013 Trang: 4/7Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6SP giữ địa chỉ đỉnh chồng là nơi thông tin được cất vào. Chồng còn đượcgọi là dãy vào sau ra trước (Last In First Out).III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPU˗ CPU hoạt động hoàn toàn phụ thuộc vào các mã lệnh; Mã lệnh là tín hiệu sốdạng 0, 1 được dịch ra từ các câu lệnh lập trình. Như vậy, CPU sẽ không làmgì cả nếu không có các câu lệnh hướng dẫn.˗ Khi chạy một chương trình, các lệnh của nó sẽ được nạp lên bộ nhớ RAM. Cácchỉ lệnh này đã được dịch thành ngôn ngữ máy và thường trú trên các ngăn nhớcủa RAM ở dạng 0, 1.˗ CPU sẽ đọc và làm theo các chỉ lệnh một cách lần lượt.˗ Trong quá trình đọc và thực hiện các chỉ lệnh, các bộ giải mã sẽ giải mã cácchỉ lệnh này thành các tín hiệu điều khiển.˗ Chu kỳ lệnh CPU bao gồm: Nhận lệnh, giải mã lệnh, nhận toán hạng, thực hiệnlệnh, cất toán hạng, ngắt.˗ Giản đồ trạng thái chu kỳ lệnh:IV. CÁC YẾU TỐ TÁC ĐỘNG TỚI HIỆU SUẤT CỦA CPU• Đặc trưng của bộ vi xử lý:Mỗi bộ VXL có những đặc trưng và thông số kỹ thuật khác nhau. Tuy nhiên,khi đề cập đến vi xử lý, chúng ta thường quan tâm đến một số yếu tố sau:˗ Tốc độ làm việc˗ BUS (FSB)˗ Bộ nhớ đệm (Cache)˗ Tập lệnh (Intruction Set)˗ Độ rộng BUS˗ Điện áp hoạt độngNăm học: 2012-2013 Trang: 5/7Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6˗ Socket/slot˗ …1. Độ rộng BUS dữ liệu và BUS địa chỉ (Data BUS và Add BUS)˗ Độ rộng bus dữ liệu là nói tới số lượng đường truyền dữ liệu bên trong và bênngoài CPU.˗ Hiện nay, trong các CPU từ Pentium 2 đến Pentium 4 đều có độ rộng DataBUS là 64 bit.˗ Tương tự như vậy, độc rộng BUS địa chỉ (Add BUS) cũng là số đường dâytruyền các thông tin về địa chỉ. Địa chỉ ở đây có thể là các địa chỉ của bộ nhớRAM, các cổng vào ra và các thiết bị ngoại vi, … Để có thể gửi hoặc nhận dữliệu từ các thiết bị thì CPU phải có địa chỉ của nó và địa chỉ này được truyền điqua các BUS địa chỉ.˗ Hiện nay, trong các CPU 4 có 64 bit địa chỉ; do đó, chúng quản lý được 264địa chỉ nhớ.2. Tốc độ xử lý và tốc độ BUS của CPU• Tốc độ xử lý của CPU (Speed):˗ Là tốc độ chạy bên trong của CPU. Tốc độ này được tính bằng MHz hoặcGHz.˗ Ví dụ: Một CPU Pentium 3 có tốc độ 800 MHz nghĩa là nó dao động ở tầnsố 800.000.000 Hz; CPU Pentium 4 có tốc độ là 2.4 GHz nghĩa là nó daođộng ở tần số 2.400.000.000 Hz.• 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 độBUS của nó.3. Bộ nhớ Cache (Bộ nhớ đệm)• Bộ nhớ Cache là bộ nhớ nằm bên trong của CPU, nó có tốc độ truy cập dữliệu theo kịp tốc độ xử lý của CPU, điều này khiến cho CPU trong lúc xử lýkhông phải chờ dữ liệu từ RAM vì dữ liệu từ RAM phải đi qua BUS của hệthống nên mất nhiều thời gian.• Một dữ liệu trước khi được xử lý, thông qua các lệnh gợi ý của ngôn ngữlập trình, dữ liệu được nạp sẵn lên bộ nhớ Cache, vì vậy, khi xử lý đến,CPU không mất thời gian chờ đợi.Năm học: 2012-2013 Trang: 6/7Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6• Khi xử lý xong trong lúc đường truyền còn bận thì CPU lại đưa tạm kết quảvào bộ nhớ Cache; như vậy, CPU không mất thời gian chờ đường truyềnđược giải phóng.• Bộ nhớ Cache là giải pháp làm cho CPU có điều khiển hoạt động thườngxuyên mà không phải ngắt quảng chờ dữ liệu; vì vậy, nhờ có bộ nhớ Cachemà hiệu quả xử lý tăng lên rất nhiều; Tuy nhiên, bộ nhớ Cache được làmbằng RAM tĩnh, do đó, giá thành rất cao.Năm học: 2012-2013 Trang: 7/7 |
