Bài giảng cấu trúc máy tính chương 4 ths nguyễn thị phong dung

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Bài giảng mơn học: CẤU TRÚC MÁY TÍNH Số tín chỉ: Tổng số tiết: 60 tiết (30 LT + 30 TH) GV: ThS Nguyễn Thị Phong Dung Email : ntpdung@ntt.edu.vn Mơn học: CẤU TRÚC MÁY TÍNH Chương • Tổng quan máy tính Chương • Biểu diễn số học máy tính Chương • Hệ thống máy tính Chương • CPU (Central Processing Unit) Chương • Bộ nhớ máy tính (Memory) Chương • Thiết bị giao tiếp – Thiết bị ngoại vi Chương • Cài đặt máy tính Chương • Sao lưu phục hồi -2- Chương 4: Bộ xử lý trung tâm (CPU) Cấu trúc CPU Tập ghi (Register File) Giới thiệu tập lệnh CPU Các thông số đặc trưng CPU Một số cơng nghệ bật CPU Các dịng sản phẩm Intel CPU Giới thiệu CPU • CPU (Central Processing Unit) - đơn vị xử lí trung tâm • CPU xem não bộ, phần tử cốt lõi máy vi tính Nhiệm vụ CPU xử lý chương trình liệu • CPU chip với vài chục chân Phức tạp hơn, CPU ráp sẵn mạch với hàng trăm chip khác -4- Cấu trúc CPU • Các khối bên CPU: • Control Unit (CU) • Arithmetic and Logic Unit (ALU) • Registers • Bus -5- Cấu trúc CPU • Arithmetic and Logic Unit (ALU): • Thực phép tốn số học logic • Số học: cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo, • Logic: AND, OR,XOR, NOT, dịch bit,… • Mơ hình kết nối ALU -6- Cấu trúc CPU • Control Unit (CU): • Nhận lệnh từ nhớ đưa vào ghi lệnh • Tăng nội dung ghi PC (Program Counter) nhận lệnh • Giải mã lệnh xác định thao tác mà lệnh u cầu • Phát tín hiệu điều khiển thực thi lệnh • Nhận tín hiệu u cầu từ BUS hệ thống giải đáp ứng yêu cầu -7- Cấu trúc CPU • Các thơng tin kết nối đến CU • Clock: tín hiệu xung nhịp từ mạch tạo dao động • Mã lệnh từ ghi lệnh đưa đến CU giải mã • Các trạng thái cờ đưa đến cho biết trạng thái CPU trạng thái thực phép tốn ALU • Các tín hiệu điều khiển từ BUS điều khiển • Các tín hiệu điều khiển bên CPU: điều khiển ghi, ALU • Các tín hiệu điều khiển bên ngồi CPU Bộ nhớ hay cổng vào -8- CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CPU • Cache vai trị Cache: • Quá trình xử lý liệu thực qua giai đoạn: • Đọc lệnh (Instruction Fecth) • Giải mã (Instruction Decode) • Thi hành (Execute) • Thâm nhập nhớ chuyển hướng • Lưu trữ kết (Result Writeback) • L2 Cache: đệm chương trình (lệnh) liệu từ RAM vào CPU • L1 Instruction Cache: đệm lệnh • L1 Data Cache: đệm liệu -9- Tập ghi (Register File) • Tập ghi (Register File - RF): • Registers thực chất vùng nhớ có tốc độ truy xuất cực nhanh, đặt bên CPU, nhận biết qua tên ghi (ví dụ: ghi AX, BX, CX…) • Chứa thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động thời điểm CPU • Số lượng ghi tùy thuộc vào vi xử lý cụ thể -> tăng hiệu CPU • Phân loại ghi: • • • • Thanh ghi đa dụng (General Register) Thanh ghi đoạn (Segment Register) Thanh ghi trỏ số (Pointer & Index register) Thanh ghi Con trỏ lệnh (Đếm chương trình) ghi trạng thái (Cờ) - 10 - Giới thiệu tập lệnh CPU • Các chế độ địa (Addressing modes): • Chế độ địa ghi (Register Addressing) • Dùng ghi toán hạng chứa liệu cần thao tác • Tốc độ thực lệnh nhanh CPU khơng thời gian tìm liệu • Ví dụ: MOV AL, BL ; AL:= BL MOV DS, BX ; DS:= BX ADD AL, DL ; AL:= AL + DL • Chế độ địa tức thời (Immediate Addressing) • Tốn hạng đích ghi, nhớ - Tốn hạng nguồn giá trị cụ thể (hằng số) • Ví dụ: MOV AL, 0Dh ; AL:=0Dh • Lệnh thường dùng để nạp liệu cần thao tác vào ghi - 24 - Giới thiệu tập lệnh CPU • Các chế độ địa (Addressing modes): • Chế độ địa trực tiếp (Direct Memory Addressing) • Một tốn hạng địa offset nhớ chứa giá trị cần thao tác Toán hạng ghi (khơng nhớ) • Ví dụ: MOV AL, [04FCh] ; đưa vào ghi AL nội dung nhớ có địa logic: 04FCh • Chế độ địa gián tiếp qua ghi (Indirect Memory Addressing) • Một tốn hạng ghi chứa địa offset ngăn nhớ chứa giá trị cần thao tác Tốn hạng ghi (khơng ngăn nhớ) • Ví dụ: MOV [BX], AL ; Đưa nội dung ghi AL vào ngăn nhớ có địa ; offset nằm ghi BX - 25 - Giới thiệu tập lệnh CPU • Các chế độ địa (Addressing modes): • Chế độ địa tương đối sở: (Offset Addressing) • Dùng ghi BX, BP số giá trị dịch chuyển để xác định ngăn nhớ DS, SS chứa giá trị liệu • Ví dụ: MOV [BX + N], CL offset BX + N ; Đưa nội dung ghi CL vào ngăn nhớ có địa MOV AL, [BP + N] ; ghi AL ; Đưa nội ngăn nhớ có địa offset BP + N vào • Chế độ địa tương đối số: (Offset Addressing) • Thanh ghi DI, SI số giá trị dịch chuyển để xác định ngăn nhớ chứa giá trị DS cần thao tác • Ví dụ: MOV [SI + N], AH ; Đưa nội dung ghi AH vào ngăn nhớ có địa ; offset SI + N MOV CL, [DI + N] ; Đưa nội dung ngăn nhớ có địa offset tại- DI 26+- Giới thiệu tập lệnh CPU • Các chế độ địa (Addressing modes): • Chế độ địa tương đối số sở: (Offset Addressing) • Chế độ địa kết hợp chế độ địa Dùng ghi sở ghi số để tính địa tốn hạng • Ví dụ: MOV [BX + SI + N], AX ; Đưa nội dung ghi AX vào ngăn nhớ có địa offset BX + SI + N (DS:BX + SI + N) MOV CL, [BP + DI + N] ; Đưa nội dung ngăn nhớ có địa offset ; BP + DI + N (DS:BP + DI + N) vào th.ghi CL - 27 - CÁC THƠNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CPU • CPU Clock Ratio Frequency • CPU Speed: tần số hoạt động theo thiết kế CPU • CPU Clock: tần số xung nhịp (clock) sở • Ratio Frequency (hay Multiplier): tỷ lệ nhân tần số để tạo xung nhịp lớn cấp phát cho CPU hoạt động • CPU speed = CPU clock x Ratio Frequency 66.6 MHz Clock Generator 66.6 MHz 66.6 MHz CPU Multiplier Clock 200 MHz CPU processing Unit - 28 - CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CPU • FSB – QPI – DMI: • Front Side Bus (FSB): cấu trúc máy tính dùng chipset, FSB tên gọi đường truyền liệu CPU chip cầu bắc (NorthBridge) • FSB freq = CPU clock x • Quick Path Interconnect (QPI): cấu trúc máy tính dùng chipset, với “bộ điều khiển RAM” (Memory Controller) chuyển từ chip bắc lên CPU, QPI tên gọi đường truyền liệu CPU chip cầu bắc (NorthBridge) • Direct Media Interface (DMI): cấu trúc máy tính dùng chipset, DMI tên gọi đường truyền liệu CPU chipset Mainboard - 29 - CÁC THƠNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CPU • Tập lệnh hỗ trợ tăng tốc xử lý đồ họa âm thanh: • Tập lệnh MMX: tang cường xử lý âm đồ họa • Tập lệnh SSE: bao gồm lệnh MMX, tăng cường thêm 70 lệnh hỗ trợ - 30 - CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CPU • Socket (hoặc Slot): • Socket (đế cắm), slot (khe cắm): module lắp đặt CPU vào Mainboard • Cho phép người dùng lựa chọn nhiều loại CPU để lắp đặt Socket 478 Socket 775 Socket 940 - 31 - CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CPU • Multi-Core: • Tích hợp nhiều xử lý CPU vật lý • Dual Core / Quad Core /… • EM64T: • Extended Memory 64 Technology (EM64T): cơng nghệ mã hố địa có độ dài 64-bit • EM64T cho phép CPU truy cập nhớ (RAM) có dung lượng lớn (264 bit – tương đương = 17.179.869.184 GB hay 16 ExaBytes) • Cơng nghệ 32bit hỗ trợ truy cập nhớ tối đa 4GB (3.2GB RAM + 0.8GB VGA RAM) - 32 - Một số công nghệ bật CPU • Lithography (cơng nghệ in thạch bản) • Lithography: cơng nghệ in mạch chip hợp chất bán dẫn (in thạch bản) • Thu nhỏ kích thước Lithography nhằm: • Gia tăng số lượng transistors bề mặt in => tăng Core, tăng cache… • Giảm quảng đường di chuyển dịng điện transistors => giảm nhiệt, giảm cơng suất tiêu thụ điện (TDP), tăng tốc độ xử lý… • Intel® Hyper-Threading • Cơng nghệ “Siêu phân luồng”: sử dụng thời gian nhàn rỗi CPU để thực thi luồng (thread) chương trình khác • Hyper Threading tạo nhân (core) ảo CPU vật lý - 33 - Một số công nghệ bật CPU • Intel SpeedStep • Công nghệ cho phép CPU tự động giảm tỉ lệ nhân tần số (Ratio Frequency) CPU nhàn rỗi • Ví dụ: nhàn rỗi, CPU có tốc độ thiết kế 2.4 GHz (100 MHz x 24) hoạt động tốc độ 1.0 GHz (100 MHz x 10) • Speedstep giúp giảm nhiệt, giảm in nng tiờu th ã Intelđ Turbo Boost ã Cụng nghệ tự động tăng tốc vượt thiết kế (gọi ép xung – Over clock) nhu cầu xử lý tăng cao • Ví dụ: CPU có tốc độ thiết kế 2.4 GHz (100 MHz x 24), turbo boost hoạt động tốc độ 2.8 GHz (120 MHz x 24) - 34 - Một số công nghệ bật CPU • Intel Virtualization Technology: • Cơng nghệ ảo hóa CPU • Cho phép ảo hóa CPU vật lý thành nhiều CPU ảo => xử lý nhiều Hệ điều hành (máy ảo) máy thật - 35 - Các dòng sản phẩm Intel CPU • Thế hệ máy tính dùng chip (Northbridge Southbridge) • … 286 🡪 386 🡪 486 🡪 586 (Pentium) • Pentium MMX 🡪 Pentium II 🡪 Pentium III 🡪 Pentium 🡪 Pentium – HT • Pentium-D 🡪 Pentium Dual Core 🡪 CoreTM Solo/Duo 🡪 CoreTM Duo/Quad • Thế hệ máy tính dùng chip – CPU đảm nhận Memory Controller • CoreTM i7 9xx (1st Generation) – dành cho Desktop • CoreTM i7 7xx (1st Generation) – dành cho Mobile (Laptop) • Thế hệ máy tính dùng chip: • CoreTM i7 8xx CoreTM i5, CoreTM i3 (1st Generation) • CoreTM i7, CoreTM i5, CoreTM i3 hệ (2nd Generation) trở sau - 36 - Các dòng sản phẩm Intel CPU • Sản phẩm Intel CPU giá thấp: • Song song với dịng CPU thức, Intel cịn sản xuất dòng CPU giá rẻ dành cho người dùng phổ thơng • Tương đương dịng sản phẩm từ Pentium MMX 🡪 CoreTM 2, dòng sản phẩm CPU giá rẻ gọi tên Celeron • Tương đương dòng sản phẩm từ CoreTM i7, i5, i3 (từ hệ trở sau) dòng sản phẩm CPU giá rẻ gọi tên Pentium • Các dịng sản phẩm Intel CPU khác: • Xeon CPU: dùng cho máy chủ chuyên dụng (Server) • Atom CPU: dùng cho máy tiết kiệm điện, tôc độ thấp… (Netbook / Smartphone) • Quark CPU: dùng cho thiết bị điều khiển thông minh - 37 - Thảo Luận 38