bài tập lớn kiến trúc và hệ điều hành máy tính đề tài tìm hiểu cấu trúc cơ bản của cpu

1.2 Cac thanh phan co ban Bộ điều khiến: Quản lý hoạt động xử lý lệnh và điều phối luồng dữ liệu trong CPU va giữa các thành phần máy tính khác.. Bộ phận này có một thành phần giải mã lệ

TEN HOC PHAN:KIEN TRUC VA HE DIEU HANH MAY TINH

DE TAI: TIM HIEU CAU TRUC CO BAN CUA CPU

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thu Hằng Sinh viên thực hiện: — Nguyễn Văn Thuyết

Hà Nội, nắm 2022

Lớp CNTT 17-01

BAI TAP LON

TEN HOC PHAN:KIEN TRUC VA HE DIEU HANH MAY TINH

DE TAI: TIM HIEU CAU TRUC CO BAN CUA CPU

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thu Hằng Sinh viên thực hiện: — Nguyễn Văn Thuyết

LOINO

MUC LUC

CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA CPU - 5-22 22225221111221221212121 2 .te 6 1.1 Giới thiệu Ằ 222222222 6

1.2 Các thành phần cơ bản - - 221 S1 E E111 1121111111 2 1E tre re 6

1.3 Nguyên lí hoạt động của CPU - LG Q2 C12212 112111512521 1E HH rẻ 7

CHƯƠNG 2 CÁC LOẠI CPU G5 5 1 E1 1211111 1121111 1212111 1 ng rrag 9

2.1 Phân loại theo số lượng lỗi - ST 1 E1 1211112112121 1 1 HE n ở 9 2.2 Phân loại theo kiến trúc - 5 ST T2 212112112111 11 1 E111 1tr ng reg 10 2.3 Phân loại theo nhà sản xuẤt - 5S S11 E212 211212122 1 trai 12

5

MUC LUC HINH ANH

In 7341 sẽ 12 Hinh 3 Chip Intel đến từ thương hiệu lớn Intel nôi tiếng trên nhiều quốc gia 55-55:5225s2 13 Hinh 4 Chip Intel có khá năng tương thích với nhiều dòng laptop và PC trên thị trường 14

Hinh 5 Chip Intel có bộ vi xử lý đa lõi càng mạnh thì càng tỏa nhiều nhiỆt 5 s2 22S22225522 15

Lớp CNTT 17-01 Page 5

6

CHUONG 1: CAU TRUC CO BAN CUA CPU

1.1 Giới thiệu

CPU (Center Processor Unit) là bộ xử lý trung của máy tính, được ví như bộ não của con

người, toàn bộ quá trình xử lý, tính toán và điều khiến đều được thực hiện tai đây

Chương trình được thực thi gồm một dãy các chỉ thị được lưu trữ trong bộ nhớ Quá trình thực thi chương trinh gồm hai bước: CPU đọc chỉ thị từ bộ nhớ và thực thi chi thi đó Việc thực thi chương trình là sự lặp đi lặp lại quá trình lay chỉ thị và thực thi chi thi

Trong các CPU hiện nay có tới hàng trăm triệu Transistor được tích hợp trong một diện tích rất nhỏ khoảng 2 đến 3em2 (Core 2 Duo tên mã Conroe có 291 triệu transistor trên diện tích 143 mm2, CPU 45nm có tên mã là Wolfdale thudc ho Penryn, có kích thước là 107 mm? gom 410 triéu transistor)

CPU là linh kiện quyết định đến tốc độ của máy tính, tốc độ xử lý của CPU được tính

bằng MHz hoặc GHz

Hãng sản xuất CPU lớn nhất hiện nay là Intel (Mỹ) hãng này chiếm đến 90% thị phần về

CPU cho máy tính PC, ngoài ra còn có một số hãng cạnh tranh như AMD, Cyrix, Nexgen, Motorola

1.2 Cac thanh phan co ban

Bộ điều khiến: Quản lý hoạt động xử lý lệnh và điều phối luồng dữ liệu trong CPU va

giữa các thành phần máy tính khác Bộ phận này có một thành phần giải mã lệnh có nhiệm

vụ diễn giải các lệnh được tìm nạp từ bộ nhớ và chuyên đổi chúng thành các hoạt động vi

mô mà CPU có thê chạy Bộ điều khiển chỉ đạo các thành phan CPU khác để thực hiện các hoạt động cần thiết

Khối tính toán và logic (ALU): Là một thành phần quan trọng trong CPU, thực hiện các phép toán logic và toán học ALU có chức năng:

> Thực hiện các phép toán số học như cộng, trừ, nhân, cha

> Thực hiện các phép toán logic như AND, OR, NOT

> So sánh hai gia tri

> Chuyên đổi dữ liệu giữa các định dạng khác nhau

7 Thanh ghi:La cac vi tri lưu trữ bộ nhớ tộc độ cao, có kích thước nhỏ trong CPU Chúng chứa dữ liệu mà CPU hiện đang xử lý và tạo điều kiện truy cập nhanh vào dữ liệu CPU có một số loại thanh ghi như sau:

> Thanh ghi thông dụng chứa dữ liệu hoạt động

> Thanh ghi lệnh chứa lệnh hiện tại đang được xử lý

> Một bộ đếm chương trình chứa địa chỉ bộ nhớ của lệnh tiếp theo sẽ được tìm nạp Thanh ghi cung cấp thời gian truy cập nhanh hơn các mức bộ nhớ khác như RAM hoặc bộ nhớ đệm

Bus: Tủy thuộc vào kiến trúc CPU, có thể có một đơn vị giao diện bus riêng biệt hoặc

đơn vị quản lý bộ nhớ Các thành phần này xử lý các tác vụ liên quan đến bộ nhớ, chăng hạn

như quản lý tương tác giữa CPU và RAM Đơn vị này cũng xử lý bộ nhớ đệm — một đơn vị

bộ nhớ nhỏ tốc độ cao nằm trong CPU — và bộ nhớ ảo mà CPU yêu cầu đề xử lý dữ liệu

Đồng Hồ: CPU dựa vào tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa các hoạt động nội bộ Đồng hồ tạo ra một xung nhịp ôn định ở một tần số cụ thể và các chu kỳ xung nhịp này phối hợp các hoạt động của CPU Tốc độ xung nhịp được đo bằng hertz (Hz) và xác định có bao nhiêu

lệnh CPU co thé thực hiện mỗi giây CPU hiện đại có tốc độ xung nhịp thay đổi, điều chỉnh

dựa trên khối lượng công việc để cân bằng hiệu suất và mức tiêu thụ điện năng

1.3 Nguyên lí hoạt động của CPU

Nguyên lý hoạt động của CPU máy tính sẽ hoạt động theo 3 bước cơ bản: Fetch, Decode

và Execute Mặc dù qua nhiều năm và trải qua nhiều cải tiến nhưng nguyên lý hoạt động vẫn được giữ nguyên

Trong đó tìm nạp (Fetch) sẽ có chức năng nhận lệnh từ CPU được chuyên đến từ RAM Qua đó PC và hướng dẫn được đưa vào IR Độ dài của PC sau đó được tăng lên để tham chiếu đến địa chỉ của lệnh tiếp theo

Bước tiếp theo là giải mã (Decode) Ngay sau khi một lệnh được tìm nạp và lưu trữ trong

IR Ngay lúc này chúng sẽ được truyền đến một mạch được gọi là bộ giải mã lệnh bởi CPU

Lớp CNTT 17-01 Page 7

8

Mục đích của việc này là nhằm đổi lệnh thành tín hiệu được chuyển đến các bộ phận khác

của CPU đề thực hiện

Công đoạn cuối cùng chính là thực thi (Execute) Lúc này các lệnh được giải mã sẽ được gửi đến các bộ phận của CPU máy tính để tiễn hành thực thi Kết quả thường được ghi vào thanh ghi CPU, nơi chúng có thê được tham chiều bằng các hướng dẫn sau này Thanh đăng

ký này hoạt động giống như RAM

9

CHƯƠNG 2 CÁC LOẠI CPU

2.1 Phân loại theo số lượng lõi

CPU đơn lõi

Khái mệm: CPU đơn lõi là CPU chỉ có một lõi xử lý Lối xử lý là don vi thực hiện các phép toán và điều khiển hoạt động của CPU CPU đơn lối chỉ có thể thực hiện một

nhiệm vụ tại một thời điểm

Ưu điểm

>» Giá thành rẻ hơn CPU đa lỗi

> Tiêu thụ năng lượng ít hơn CPU đa lỗi

> Tương thích với nhiều phần mềm hơn CPU đa lõi

Nhược điểm

> Khả năng đa nhiệm thấp hơn CPU đa lõi

>» Hiệu năng thấp hơn CPU đa lối khi thực hiện các tác vụ nặng

Phù hợp với

> Người dùng có nhu cầu sử dụng cơ bản như lướt web, xem phim, nghe nhạc, soạn thảo văn bản

> Người dùng có ngân sách han hẹp

> May tinh có cầu hình thấp

CPU đa lõi

Khái niệm: CPU đa lõi là CPU có nhiều lõi xử lý Lõi xử lý là đơn vị thực hiện các phép toán và điều khiển hoạt động của CPU CPU đa lõi có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ cùng lúc, giúp tăng hiệu năng của máy tính

Ưu điểm

> Khả năng đa nhiệm cao

> Hiệu năng cao khi thực hiện các tác vụ nặng

> Tiết kiệm thời gian chờ đợi

Nhược điểm

Lớp CNTT 17-01 Page 9

10

> Giả thành cao hơn CPU đơn lỗi

> Tiêu thụ năng lượng nhiều hơn CPU đơn lõi

> Có thể không tương thích với một sô phần mềm cũ

Lua chon CPU da 161

> Nên cân nhắc nhu cầu sử dụng và ngân sách

> Nếu bạn cần thực hiện các tác vụ nặng như chơi game, chính sửa video, lập trình, thì nên chọn CPU da 161

> Nếu bạn chí sử dụng máy tính cho các tác vụ cơ bản như lướt web, xem phim, nghe nhạc, thì CPU đơn lõi là lựa chọn phù hợp

2.2 Phân loại theo kiến trúc

x86

X86 là gì được giải thích kiến trúc CPU của Intel được sử dụng để đại diện cho các

bộ vi xử lý ra đời sau bộ vi xử lý 8086 ban đầu X86 xuất phát từ bộ vi xử lý 8086 16-bit ra

đời vào năm 1978, đại diện là Intel 8086 và 8088 X86 thường dùng đề chỉ các bộ vi xử lý Intel như phiên bản như 286, 386, 486 va 586

Trong thời hiện đại, X86 được mở rộng đề chỉ bất kỳ bộ vi xử lý 32 bit nào cung cấp khả

năng tương thích ngược với kiến trúc lệnh x86 Tên đầy đủ của các bộ vi xử lý thường là

80286, 80386, 80486 và 80586 Do đó, X86 là viết tắt của 80x86, với 80 được sử dụng để

tránh việc lặp lại và ngắn gọn hơn

Tìm hiểu X86 là gì cũng nên biết về đặc điểm kiến trúc Kiến trúc X86 là một trong những kiến trúc máy tính phô biến và quan trọng trong lịch sử

> Kiến trúc X86 được thiết kế với tập lệnh đa dạng và phức tạp Điều này có nghĩa là

máy tính x86 có thê thực hiện nhiều lệnh phức tạp như phép tính số học, điều kiện

nhảy, truy cập bộ nhớ và nhiều chức năng khác trong I lệnh duy nhất

> Kiến trúc X86 sử dụng thanh ghi đề lưu trữ và xử lý dữ liệu Các thanh ghi quan trọng

như EAX, EBX, ECX, EDX cho phép tính số học, ESI, EDI đề làm việc với bộ nhớ

Lớp CNTT 17-01 Page 10

11

> Kién tric X86 hé tro việc thực hiện nhiều luồng thực thi song song, thông qua việc sử dụng bộ vi xử lý đa nhân

> Kiến trúc X86 có khả năng chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động khác nhau như chế

độ bảo vệ và chế độ thực Chế độ bảo vệ cung cấp tính năng bảo mật ôn định hơn cho

CPU VÀ RAM

CPU và RAM đều là thành phần của hệ thống chức năng trung tâm máy tính Máy tính

không thê hoạt động nếu không có bộ xử lý và không thê hoạt động nếu không có bộ nhớ RAM lưu trữ tất cả dữ liệu liên quan đến các chức năng đang diễn ra trong chương trình trong khi CPU lấy những thông tin này, xử lý và đưa tro lai RAM Noi cach khac, neu RAM

là bình dầu của ô tô thì CPU là bộ điều khiển của ô tô RAM và CPU phối hợp làm việc đề

khởi động hệ điều hành

CPU POWERPC

PowerPC (Performance Optimization With Enhanced RISC — Performance

Computing, đôi khi được viết tắt là PPC) là một kiến trúc tập lệnh của bộ lệnh máy tính rút

gon(RISC) cua lién minh Apple- IBM- Motorola, duoc goi la AIM, tạo ra PowerPC, như một bộ lệnh phat triển, từ năm 2006 được đặt tên là Power ISA, trong khi tên cũ tồn tại như một nhãn hiệu cho một số triển khai bộ xử ly Power Architecture

PowerPC là nền tảng của các sáng kiến PReP và Nền tảng tham chiếu phần cứng chung của AIM trong những năm 1990 Ban đầu được dành cho máy tính cá nhân, kiến trúc

12 nay noi tiếng vì được các dòng Power Macintosh, PowerBook, iMac, iBook va Xserve cua Apple sử dụng từ năm 1994 đến 2006, khi Apple chuyển sang x86 của Intel Nó đã trở thành một phân khúc thích hợp trong máy tính cá nhân, nhưng vẫn phô biến cho các bộ xử

lý nhúng và hiệu năng cao Việc sử dụng nó trong thế hệ thứ 7 của máy chơi game video và các ứng dụng nhúng đã cung cấp một loạt các ứng dụng Ngoài ra, CPU PowerPC vẫn được

sử dụng trong AmigaOne và máy tinh ca nhân AmigaOS 4 của bên thứ ba

PowerPC chu yếu dựa trên kiến trúc tập lệnh POWER trước đây của IBM và duy trì mức độ tương thích cao với nó; các kiến trúc vẫn đủ gần đề các chương trình và hệ điều hành tương tự sẽ chạy trên cả hai nếu chuẩn bị cân thận; các chip mới hơn trong sê-ri POWER sw dung Power ISA

2.3 Phân loại theo nhà sản xuất

Bộ xử lý ARM phần lớn dựa kiến trúc RISC (máy tính có tập lệnh rút gọn RISC),

cung cấp năng lượng cho hầu hết các thiết bị điện thoại thông minh và máy tính bảng trên thị

trường, cũng như bảng điều khiến trò chơi và hàng loạt thiết bị các thiết bị thông minh khác

nhau, từ smart TV và đồng hồ thông minh

Bản sao trực tiếp của cả ARM và RISC bao gồm tất cả các bộ xử lý khác dựa trên

máy tính có tập lệnh phức tạp hoặc kiến trúc CISC Với việc giới thiệu CPU cấp máy tính để

bàn dựa trên Advanced RISC Machine, bộ xử lý x86 từ các nhà sản xuất như Intel và AMD

đóng vai trò là đối tác cụ thê hơn

2.3.2 INTEL

Chip Intel, còn gọi vi xử lý Intel, là loại chip do tập đoàn Intel thiết kế và sản xuất

Có thê nói, chip Intel là một trong những thương hiệu chip máy tính lớn nhất trên nhiều quốc gia

Vì Intel được biết đến là thương hiệu chuyên sản xuất thiết bị chất bán dẫn lớn nhất

thể giới và cũng là nhà phát minh ra chuỗi vi mạch xử lý thé hệ x86

Lớp CNTT 17-01 Page 13

14 Ngoài ra, Intel còn chuyên sản xuất các chip bo mạch chủ, chip đồ họa, bộ xử lý nhúng và nhiều các thiết bị khác liên quan đến công nghệ thông tin

Hình 3 Chip Imel đến từ thương hiệu lớn Imel nổi tiếng trên nhiễu quốc gia

Ưu điểm

> Có khả năng tương thích với nhiều dòng laptop và PC trên thị trường

Tiêu thụ điện năng ít hơn so với nhiều dòng chip của các hãng khác

Ít tỏa nhiệt giúp máy hoạt động ôn định trong suốt thời gian vận hành

> Hỗ trợ ép xung (tùy theo dòng chip) giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của máy tính

> It gap lỗi liên quan đến xung độ phần mềm cũng như giảm thiêu tình trạng làm cho pin máy tính bị tụt nhanh

thống làm mát phải làm việc liên tục

> Bộ vi xử lý đa lõi (càng mạnh) thì nhiệt tỏa ra càng nhiều, từ đó có thể ảnh hưởng đến độ bên của bộ xử lý và làm cho thiết bị dễ bị nóng khi chạm vảo

> Gia chip Intel nhìn chung cao hơn so với nhiều chip của các thương hiệu khác

Lớp CNTT 17-01 Page 15

16

Hình 5 Chíp Imel có bộ vì xử lý đa lõi càng mạnh thì càng tỏa nhiều nhiệt

2.3.3 AMD

AMD là thương hiệu chip máy tính lớn thứ 2 thế giới chỉ sau Intel Hãng sản xuất

AMD (Advanced Micro Devices) có trụ sở tai Hoa Ky con là một thương hiệu lớn về sản

xuất card đồ họa rời và các linh kiện điện tử khác

AMD san xuat CPU máy tính, laptop với cầu trúc thiết kế chip độc quyền của hãng để cạnh tranh với đối thủ Intel Ngoài ra hãng còn sản xuất cả chip GPU rời và GPU tích hợp trên CPU của hãng

Lớp CNTT 17-01 Page 16