tiểu luận tiểu luận môn cơ sở công nghệ thông tin đề tài tìm hiểu và nghiên cứu về cpu

CPU được xem như “bộ não”, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy tính, có nhiệm vụ xử lý các dữ kiện đầu vào, chương trình vi tính hay lệnh nhận được từ phần cứng và phần mềm trên

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ TP HỒ CHÍ MINH

-o0o -TRƯỜNG CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT KẾ

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KINH DOANH

TIỂU LUẬN

MÔN: CƠ SỞ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VÀ NGHIÊN CỨU VỀ CPU

Giảng viên: Trương Việt Phương

Mã lớp học phần: 23D1INF50900302

Sinh viên thực hiện:

TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 4 năm 2023

Đặng Thị Đông Thuỳ - 31221021835

Nguyễn Ngọc Minh Thư - 31221025352

Nguyễn Văn Thanh Nhã - 31221022165

Nguyễn Thị Ngọc Trúc - 31221022771

Thái Thị Anh Thư - 31211027337

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 2

1 Khái niệm: 2

2 Hình dạng: 2

3 Cấu tạo: 3

3.1 Khối điều khiển (Control Unit – CU): 3

3.2 Khối tính toán (Arithmetic Logic Unit – ALU): 3

3.3 Các thanh ghi (Registers): 3

3.4 Bộ đệm (Cache): 3

3.5 BUS: 4

3.6 Mã hoạt động Opcode (Operation Code): 4

4 Thông số: 4

4.1 Tốc độ xung nhịp: 4

4.2 Turbo Boost: 4

4.3 Số nhân (Cores): 4

4.4 Số luồng (Threads): 5

4.5 Bộ nhớ đệm (Cache memory): 5

4.6 Mức tiêu thụ điện năng (TDP): 5

4.7 Ổ cắm CPU (socket): 6

4.8 Card đồ họa tích hợp (iGPU): 6

4.9 Kiến trúc (Architecture): 6

5 Chức năng: 6

6 Nguyên lý hoạt động CPU: 7

6.1 Tìm nạp: 7

6.2 Giải mã: 7

6.3 Thực thi: 7

6.4 Lưu trữ: 8

7 Hiệu năng: 8

7.1 Tốc độ xung nhịp: 8

7.2 Số lõi CPU: 9

7.3 Bộ nhớ Cache: 9

7.5 Độ dài từ của CPU (Word length): 9

7.6 Nhiệt: 10

7.7 Kiến trúc CPU: Error! Bookmark not defined 8 Phương pháp cải thiện hiệu năng của CPU: 10

8.1 Làm mát CPU: 10

8.2 Ép xung CPU (Overclocking): 11

8.3 Nâng cấp bộ nhớ RAM: 11

8.4 Tối ưu hóa phần mềm: 11

9 Các dòng CPU trên thị trường: 12

10 Hạn chế và hướng phát triển: 13

10.1 Hạn chế: 13

10.2 Hướng phát triển của CPU: 13

KẾT LUẬN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

LỜI MỞ ĐẦU Trong nhịp sống hiện đại ngày nay, máy tính hầu như xuất hiện ở mọi nơi, mọi lĩnh vực, ngành nghề, là công cụ hữu ích hỗ trợ cho công việc cũng như trong học tập Máy tính đóng vai trò hết sức quan trọng trong vận hành, điều khiển máy móc, trong nghiên cứu và tìm kiếm thông tin Máy tính ngày càng phát triển hơn với đa dạng hình dáng, mẫu mã, chức năng để phù hợp với nhu cầu của nhiều đối tượng khác nhau Một máy tính hoạt động có hiệu quả sẽ giúp đỡ rất nhiều trong công việc, nhất là trong thời đại công nghệ 4.0 hiện nay, thời đại mà công nghệ thông tin đang phát triển sâu sắc và mạnh mẽ nhất Máy tính có vai trò vô cùng quan trọng trong xã hội hiện tại nhưng không nhiều người thực sự hiểu rõ về cấu tạo cũng như các yếu tố cấu thành nên một chiếc máy tính Mọi hoạt động của chúng ta được chi phối và điều khiển bởi não bộ, máy tính cũng như vậy, bộ phận được ví như bộ não của máy tính được gọi là CPU hay bộ xử lý trung tâm CPU là bộ phận khá quen thuộc với nhiều người nhưng không phải ai cũng hiểu rõ về nó Vì vậy, nhóm chúng em chọn đề tài về CPU nhằm mục đích làm rõ các vấn đề liên quan như khái niệm, chức năng, cũng như cách thức hoạt động của bộ phận này Thông qua đó, đưa ra các so sánh về những dòng CPU hiện có trên thị trường và đề ra các hướng phát triển của bộ phận này trong tương lai

Too long to read on your phone? Save

to read later on your computer

Save to a Studylist

NỘI DUNG

1 Khái niệm:

CPU là viết tắt của Central Processing Unit, tạm dịch là "đơn vị xử lý trung tâm", là một bộ phận tính toán chính của máy tính Nó được cấu thành bởi đơn vị số học - logic (ALU) và đơn vị điều khiển CPU được xem như “bộ não”, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy tính, có nhiệm vụ xử lý các dữ kiện đầu vào, chương trình vi tính hay lệnh nhận được từ phần cứng và phần mềm trên PC

CPU hiện đại đều là các vi xử lý và được chứa trên chip vi mạch (IC) đơn Một vi mạch có chứa một CPU cũng có thể chứa bộ nhớ, giao diện cho các thiết bị ngoại vi, và các thành phần khác của một máy tính; việc các thiết bị tích hợp như vậy được gọi theo nhiều cách khác nhau: vi điều khiển hoặc hệ thống trên một vi mạch (SoC) Một số máy tính sử dụng một CPU đa nhân là một con chip duy nhất có chứa hai hoặc nhiều CPU được gọi là

“lõi” Hiệu suất CPU thường được đo bằng đơn vị megahertz (MHz) hoặc gigahertz (GHz) CPU có thể được tìm thấy trong các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay, máy tính để bàn, máy chủ và các thiết bị khác

2 Hình dạng:

CPU được thiết kế với dạng hình chữ nhật hoặc hình vuông tùy thuộc vào nhà sản xuất và kiểu CPU CPU hiện đại thường có kích thước nhỏ gọn hơn so với các phiên bản trước đây, do sử dụng công nghệ sản xuất tiên tiến và thiết kế tối ưu hóa để đạt được hiệu suất tốt hơn Khi nhìn vào hình ảnh của chúng, ta sẽ thấy phần chip sẽ được đặt và gia cố chắc chắn vào một ổ cắm CPU (socket CPU) tương thích được tìm thấy trên bo mạch chủ (main) Ở dưới cùng của chip là hàng trăm chân kết nối với mỗi lỗ tương ứng trên ổ cắm CPU

Hình dạng mặt trước CPU - bộ vi xử lý

Hình dạng mặt sau CPU - bộ vi xử lý

3 Cấu tạo:

CPU là một bộ xử lý trung tâm phức tạp, tuy nhiên chúng ta có thể chia thành các thành phần cơ bản sau:

3.1 Khối điều khiển (Control Unit – CU):

Đây là thành phần quan trọng, cốt lõi có vai trò thông dịch các lệnh của phần mềm, chương trình, qua đó điều khiển hoạt động xử lý của chip cũng như điều tiết xung nhịp một cách chính xác

3.2 Khối tính toán (Arithmetic Logic Unit – ALU):

Chức năng thực hiện các phép toán số học và logic bao gồm cộng, trừ, nhân, chia, and, or, not, … sau đó trả lại kết quả cho các thanh ghi hoặc bộ nhớ

3.3 Các thanh ghi (Registers):

Bao gồm các bộ nhớ dung lượng nhỏ tuy nhiên tốc độ truy cập lại cao, được xem là một bộ lưu trữ tạm thời các toán hạng, kết quả tính toán, địa chỉ trong ô nhớ hoặc thông tin điều khiển Có nhiều thanh ghi và mỗi thanh có một chức năng cụ thể, các thanh ghi phổ biến trong CPU bao gồm Accumulator, Instruction Register (IR), Memory Data Register (MDR) và Program Counter (PC) Trong đó thanh ghi quan trọng nhất là Program Counter (PC) hay còn gọi là Bộ đếm chương trình, dùng để chỉ đến lệnh tiếp theo cần thực hiện 3.4 Bộ đệm (Cache):

Là một bộ nhớ tạm được tích hợp trực tiếp vào CPU Nó được sử dụng để lưu trữ các

dữ liệu và chỉ thị được sử dụng thường xuyên để cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu nhanh hơn

từ bộ nhớ chính

3.5 BUS:

Là đường truyền dữ liệu chung giữa các thành phần của hệ thống máy tính, kết nối CPU, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi và các thành phần khác BUS được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các thành phần và đồng bộ hóa các hoạt động của hệ thống

3.6 Mã hoạt động Opcode (Operation Code):

Là bộ nhớ dùng để chứa mã máy của CPU, nhờ đó nó có thể thực hiện các lệnh trong file cần thực thi Là thành phần không bắt buộc phải có

4 Thông số:

4.1 Tốc độ xung nhịp:

Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tốc độ xử lý của CPU Là yếu tố tiên quyết trong cách chọn CPU khi xét đến tốc độ xử lý Hiểu đơn giản, xung nhịp thể hiện số chu kỳ

mà CPU thực hiện được mỗi giây Xung nhịp càng lớn, CPU càng thực hiện được nhiều chu

kỳ hơn, tốc độ xử lý càng nhanh hơn

4.2 Turbo Boost:

Thường CPU sẽ có chỉ số xung nhịp từ xung cơ bản đến xung boost Xung cơ bản thể hiện tần số mà CPU đang chạy và được tính bằng GHz, nghĩa là số chu kỳ xung nhịp mà CPU thực hiện trong một giây Tuy nhiên, xung boost chỉ được kích hoạt khi CPU cần đạt hiệu suất tối đa, ví dụ như khi xử lý một tác vụ yêu cầu tốc độ xử lý cao Nếu không có nhu cầu về hiệu suất cao, CPU sẽ hoạt động ở mức xung cơ bản để tiết kiệm điện năng và giảm nhiệt độ hoạt động

Ví dụ: Intel Core i7-10700K CPU này có xung nhịp cơ bản là 3.8 GHz và Turbo Boost lên đến 5.1 GHz Như vậy với xung nhịp bình thường là 3.8 GHz nhưng cần thì có thể đẩy lên 5.1 GHz

4.3 Số nhân (Cores):

Chỉ số nhân xử lý trên CPU, đây là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu năng của CPU Mỗi nhân xử lý có thể thực hiện một số lượng tác vụ xử lý độc lập cùng một lúc, và số lượng nhân trên một CPU cũng xác định khả năng xử lý đa nhiệm của CPU

Ví dụ: Một CPU có 2 nhân sẽ có khả năng xử lý đa nhiệm kém hơn một CPU có 4 nhân, vì CPU 4 nhân có thể xử lý nhiều tác vụ đồng thời hơn Ngoài ra, mỗi nhân xử lý

cũng có tốc độ xung nhịp riêng, làm tăng khả năng xử lý các tác vụ yêu cầu tốc độ xử lý cao hơn

(Cũng như đường có nhiều làn thì sẽ trở nên thông thoáng hơn, tốc độ di chuyển của các

phương tiện sẽ nhanh hơn) 4.4 Số luồng (Threads):

Luồng CPU là tập hợp các trình điều khiển và truyền dữ liệu xử lý của CPU Do vậy, một CPU có nhiều luồng sẽ phát huy tối ưu năng lực xử lý và cho phép CPU đó hoạt động

đa tác vụ hơn trong cùng thời điểm Điều này giúp tối ưu tài nguyên và rút ngắn thời gian chờ đợi của người dùng

4.5 Bộ nhớ đệm (Cache memory):

Đây là bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm thời để giúp CPU truy cập dữ liệu nhanh hơn CPU với bộ nhớ đệm lớn có thể xử lý dữ liệu nhanh hơn Với bộ nhớ đệm cache lớn hơn và tốc độ truy xuất nhanh hơn, CPU sẽ hoạt động nhanh hơn và hiệu suất của máy tính sẽ được cải thiện

4.6 Mức tiêu thụ điện năng (TDP):

Chỉ số đo lường mức tiêu thụ điện năng và nhiệt độ tối đa mà một CPU có thể hoạt

của CPU TDP thường được sử dụng để giúp người dùng chọn nguồn cung cấp điện phù hợp với việc sử dụng CPU của mình, đồng thời giúp các nhà sản xuất CPU thiết kế các hệ thống tản nhiệt phù hợp để giảm nhiệt độ của CPU

Ví dụ: Mức TDP của CPU thường tùy thuộc vào nhiều yếu tố như kiến trúc CPU, số lõi và luồng, xung nhịp, bộ nhớ đệm, công nghệ sản xuất,

4.7 Ổ cắm CPU (socket):

Chân cắm đóng vai trò như mối nối bộ vi xử lý với bo mạch chủ, đồng thời cố định

vị trí của con chip Nhờ vậy, dù bạn có xê dịch PC, laptop thì con chip vẫn có thể giữ nguyên vị trí Ngoài việc lạ mối nối, chân cắm còn là phương tiện truyền dữ liệu giữa CPU

và bo mạch chủ

4.8 Card đồ họa tích hợp (iGPU):

Là bộ phận xử lý các tác vụ liên quan đến đồ họa, hình ảnh 2D, 3D có sẵn trên thiết

bị, hỗ trợ tích cực nếu như máy chưa trang bị card rời Việc dùng CPU có card đồ họa tích hợp mang đến nhiều lợi ích, nhất là trong những trường hợp máy tính gặp sự cố với card rời

4.9 Kiến trúc (Architecture):

Kiến trúc CPU, như x86, ARM, RISC-V, Power, SPARC, cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tính năng của CPU

5 Chức năng:

CPU (Central Processing Unit) có vai trò quan trọng trong hệ thống máy tính, vai trò chính của nó bao gồm:

Xử lý dữ liệu:

CPU là trung tâm xử lý dữ liệu của máy tính, có khả năng xử lý và phân tích các thông tin thô từ các thiết bị đầu vào, sau đó thực hiện các phép tính để sản xuất ra kết quả đầu ra Điều khiển các hoạt động của hệ thống:

CPU quản lý và kiểm soát các hoạt động của hệ thống máy tính, bao gồm quản lý bộ nhớ, điều khiển thiết bị ngoại vi và quản lý luồng dữ liệu

Thực hiện các phép tính toán:

CPU có khả năng thực hiện các phép tính số học và logic, bao gồm các phép toán đơn giản như cộng, trừ, nhân, chia và phép toán phức tạp hơn như Toán học cao cấp, vi phân, tích phân, đại số tuyến tính, v.v

Thực hiện các chương trình:

CPU chịu trách nhiệm chạy các chương trình máy tính và kiểm soát hoạt động của chúng

Nó đọc và phân tích các lệnh trong các chương trình, sau đó thực hiện các hoạt động theo lệnh đó

Tính toán thời gian:

CPU có vai trò tính toán thời gian, quản lý thời gian thực của hệ thống, quản lý các hoạt động đồng bộ và thực hiện các hoạt động theo thời gian đó

6 Nguyên lý hoạt động CPU:

Dù đã trải qua nhiều lần cải tiến nhưng CPU vẫn giữ nguyên nguyên lý hoạt động với các bước cơ bản: Tìm nạp (Fetch), Giải mã (Decode), Thực thi (Execute), Lưu trữ (Store) 6.1 Tìm nạp:

Tìm nạp là quá trình CPU nhận lệnh từ RAM và lệnh thường ở dạng một chuỗi số nhị phân Mỗi lệnh được CPU nhận chỉ là một phần nhỏ của thao tác mà ta thực hiện CPU

sẽ thực hiện một cách tuần tự các lệnh do vậy nó cần biết lệnh nào sẽ được thực hiện tiếp theo Địa chỉ lệnh hiện tại được lưu trữ bởi một bộ đếm chương trình (Program Counter PC) Các lệnh được lưu trữ trong thanh ghi được gọi là thanh ghi lệnh (Instruction Register -IR) Khi lệnh đó đã được thực hiện thì PC sẽ thêm một địa chỉ tham chiếu cho lệnh tiếp theo

đi qua, khi đó độ dài của PC sẽ tăng lên

Ví dụ: Nếu PC đang lưu trữ địa chỉ 1, thì có nghĩa địa chỉ 0 đang được thực hiện, và địa chỉ 1 sẽ là địa chỉ tiếp theo Sau đó khi lệnh ở địa chỉ 1 được đọc thì địa chỉ 2 được thực thi tiếp theo sẽ được lưu vào PC

6.2 Giải mã:

Giải mã là quá trình mà sau khi lệnh đã được tìm nạp và lưu trữ trong IR, lệnh sẽ được chuyển đến một bộ giải mã lệnh của CPU Hành động này nhằm chuyển đổi lệnh thành tín hiệu thông báo và phân công cho các bộ phận khác của CPU thực hiện

6.3 Thực thi:

Trong bước thực thi, các lệnh đã được giải mã sẽ chuyển đến các bộ phận khác nhau của CPU để thực thi Các kết quả cuối cùng được ghi vào thanh ghi CPU, ở nơi các lệnh đến sau có thể tham chiếu chúng Thanh ghi này có hoạt động giống như RAM Còn nếu như một kết quả không cần được lưu trữ trong thanh ghi CPU, hoặc nó tồn tại lâu hơn mục đích của nó thì kết quả này sẽ được gửi tới RAM hoặc ổ cứng để lưu trữ hay xuất ra màn hình

6.4 Lưu trữ:

Sau khi dữ liệu được tính toán xong sẽ được đưa đến RAM và ổ cứng để lưu trữ Bản thân CPU có khả năng lưu trữ dữ liệu ở bất kỳ thanh ghi nào của nó trong một thời gian ngắn

Tuy nhiên, mọi dữ liệu trong CPU chắc chắn sẽ mất khi mất điện Các tiến trình đang chạy cũng sẽ dừng ngay lập tức Các thanh ghi trong CPU có mục đích chính là lưu trữ dữ liệu trong các quy trình và chương trình đang chạy Do đó ngay khi thực hiện xong các dữ liệu

sẽ được chuyển đi nơi khác Hoạt động của CPU, được hiểu một cách đơn giản là máy tính

sẽ nhận lệnh từ người dùng và đưa đến CPU, CPU tiến hành giải mã thông tin thành ngôn ngữ máy sau đó lưu trữ và chuyển đến các bộ phận máy tính và thực hiện yêu cầu người dùng

Ngoài ra, CPU còn có chức năng đa nhiệm Đây là chức năng cho phép máy tính thực hiện nhiều tác vụ Một cách chính xác, CPU chuyển đổi qua lại nhanh chóng giữa các tác vụ khác nhau để dường như tất cả chúng đang được thực hiện cùng lúc Giống như khi bạn đang soạn thảo văn bản, trong khi đó lại có một trình duyệt đang được mở và có cả một bản nhạc đang phát trên máy tính CPU sẽ chuyển đổi liên tục giữa các tác vụ này giống như

nó đang được thực hiện cùng lúc

Hiện nay, các nhà sản xuất bắt đầu đặt nhiều CPU nhỏ hơn được gọi là lõi Một CPU

có hai CPU bên trong được gọi là lõi kép, có bốn lõi là lõi tứ, cho đến lõi tám, tức là có tám CPU nhỏ bên trong Các CPU kiểu này có thể thực hiện đa tác vụ vì mỗi CPU có thể xử lý một tác vụ tại một thời điểm Điều này làm máy tính mạnh hơn cũng như làm tăng tốc độ xử lý

7 Hiệu năng:

Hiệu suất CPU có tác động lớn đến tốc độ tải các chương trình và độ chạy mượt của chúng, có một vài cách khác nhau để đo lường hiệu suất của bộ xử lý

7.1 Tốc độ xung nhịp:

Tốc độ xung nhịp (cũng là "xung nhịp" hoặc "tần số") là một trong những thông số quan trọng nhất Tốc độ này được hiểu là số chu kỳ quay của một CPU trong mỗi giây và được đo bằng GHz (gigahertz) Ngày nay, các CPU làm việc hiệu quả hơn, nghĩa là, chúng

có thể làm việc nhiều hơn cho mỗi chu kỳ Vì vậy, khi mua PC, bạn nên chú ý đến thế hệ CPU, nên lựa chọn CPU thế hệ mới để hiệu năng được tăng lên Gần đây thì các nhà sản xuất trên thế giới thiết kế những CPU theo xu hướng tăng số lõi thay vì tăng xung nhịp