Tiểu luận - đề tài - Các thế hệ bộ vi xử lý của Intel

Là m t tính ệ Intel® Hyper-Threading Intel® HT ộ xử năng nâng cao hi u năng xử lý, Công Ngh Intel HT cũng nâng cao năng suất ệ Intel® Hyper-Threading Intel® HT ệ Intel® Hyper-Thread

Giới thiệu

CPU được viết tắt từ cụm từ Central Processing Unit (đơn vị xử lý trung tâm), với chức năng xử lý các công việc tính toán và điều khiển hoạt động của máy

tính CPU được coi là đầu não của máy tính.

Lịch sử phát triển của CPU:

Sự ra đời và phát triển của CPU từ năm 1971 cho đến nay với các tên gọi tươngứng với công nghệ và chiến lược phát triển kinh doanh của hãng Intel: CPU

4004, CPU 8088, CPU 80286, CPU 80386, CPU 80486, CPU 80586, Core i3, i5, i7 Tóm tắt qua sơ đồ mô tả:

Lịch sử phát triển của CPU

Cấu tạo của CPU

CPU được cấu tạo bởi nhiều bộ phận khác nhau và mỗi bộ phận có chức năng chuyên biệt gồm:

Control Unit (CU): Điều khiển các hoạt động bên trong CPU

Đơn vị xử lý logic (ALU): Tính toán số nguyên và các phép toán logic (And, Or, Not, X-or)

Đơn vị xử lý số học (FPU): Tính toán số thực

Bộ giải mã lệnh (IDU): Chuyển đổi các lệnh của chương trình thành các yêu cầu

cụ thể

Bộ nhớ đệm (Cache): Lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình xử lý

Thanh ghi (Register): Chứa thông tin trước và sau khi xử lý

Các bus vào - ra (I/O Bus): Hệ thống đường dẫn tín hiệu kết nối các thành phần của CPU với nhau và với bo mạch chủ (MB)

Phân loại CPU

Phân loại theo kiến trúc thiết kế:

Core/Penryn: Conroe, Wolfdale, Kentsfield, Yorkfield

Kiến trúc Core có các cải tiến quan trọng như: Wide Dynamic Execution (khả năng mở rộng thực thi động)

Tính quản lý điện năng thông minh (Intelligent Power Capability)

Chia sẻ bộ nhớ đệm linh hoạt (Advanced Smart Cache): hai nhân shared cache L2, tăng dung lượng cache cho từng Core

Sandy Bridge là tên mã của một bộ vi xử lý:

Đang được phát triển bởi Intel và dự kiến sẽ là kiến trúc tiếp nối

Nehalem

Được thiết kế dựa trên quy trình công nghệ 32nm từ Westmere (tên cũ

là Nehalem-C) và áp dụng nó vào kiến trúc Sandy Bridge mới Tên mã trước đây cho BXL này là Gesher

Haswell là tên mã của một bộ vi xử lý:

Đang được phát triển bởi Intel và dự kiến sẽ là kiến trúc tiếp nối Sandy Bridge

Được thiết kế dựa trên quy trình công nghệ 22nm và có kế hoạch tung

ra dưới dạng sản phẩm thương mại vào năm 2012

Sẽ là CPU đầu tiên của Intel đưa vào thực thi các lệnh FMA (Fused Multiply-Add)

Phân loại theo công nghệ chế tạo:

Được chia làm nhiều công nghệ chế tạo từ 180nm cho đến ngày hôm nay là 22nm (sẽ ra đời vào tháng 12/2011)

Công nghệ chế tạo CPU

Nhận biết các kí hiệu trên CPU Core I :

Trên ký hiệu của CPU core I chúng ta thường thấy mã số sau đây:

Số 2 : được khoanh tròn màu đỏ cho biết core i3 này là thuộc đời 2.

Ý nghĩa của ký hiệu bằng chữ cái trong Core I đời 1:

Ý nghĩa của ký hiệu bằng chữ cái trong Core I đời 2:

\

Kiến trúc Bo mạch chủ (MB) qua các dòng CPU:

Kiến trúc MB dành cho CPU các đời CPU trước Core i3:

Sơ đồ cấu tạo của MB cho CPU thông thường

Kiến trúc MB dành cho CPU intel từ Core i3, i5, i7: đã được tích hợp bộ điều khiển RAM và card màn hình bên trong CPU

Kiến trúc tổng quát hệ thống Lynnfield, Clarkdale và Kiến trúc tổng quát hệ thống Bloomfield

Sơ đồ cấu tạo của MB

Bảng thông số kỹ thuật của CPU core i3, i5, i7

Các thông số của Core I3, I5 và I7

Công nghệ của CPU

Hyper Threading Technology (HTT): là công nghệ siêu phân luồng cho phép giả lập thêm CPU luận lý trong cùng một CPU vật lý, giúp CPU có thể xử lý được nhiều thông tin hơn

Mô tả xử lý HTT

Vì sao h điều hành có thể làm được nhiều vi c hơn và hi u quả hơn

Công Ngh Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) 1 sử dụng tài nguyên của b xử ộ xử

lý hi u quả hơn, cho phép nhiều luồng xử lý chạy trên mỗi nhân Là m t tính ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ộ xử năng nâng cao hi u năng xử lý, Công Ngh Intel HT cũng nâng cao năng suất ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)

b xử lý, nâng cao khả năng xử lý tổng thể trên phần mềm phân luồng.ộ xử

Công Ngh Intel HT được cung cấp trên những b xử lý Intel® Core™ thế h ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ộ xử ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)trước,dòng b xử lý Intel® Core™ thế h 3ộ xử ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) , và dòng b xử lý Intel® Xeon® Kết ộ xử hợp m t trong các b xử lý Intel® này và các chipset với HĐH và BIOS hỗ trợ ộ xử ộ xử Công Ngh Intel® HT, bạn có thể:ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)

Chạy đồng thời nhiều ứng dụng đòi hỏi khả năng xử lý cao, đồng thời duy trì khả năng đáp ứng của h thốngệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)

Giữ cho h thống được bảo v , hoạt đ ng hi u quả, dễ quản trị đồng thời ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ộ xử ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)giảm tối đa ảnh hưởng đến năng suất công vi cệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)

Cung cấp năng lực th ng dư để sử dụng khi công vi c kinh doanh sau này phátặng dư để sử dụng khi công việc kinh doanh sau này phát ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)triển và để thực hi n giải pháp mớiệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)

Đồ họa n ng cũng chẳng gây suy giảm khả năng xử lý ặng cũng chẳng gây suy giảm khả năng xử lý

Với Công Ngh Intel HT, người say mê đa phương ti n có thể sản xuất, chỉnh ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)sửa, và mã hóa các t p tin n ng về đồ họa và đồng thời chạy các ứng dụng ặng dư để sử dụng khi công việc kinh doanh sau này phátngầm như phần mềm bảo v chống vi rút mà vẫn không suy giảm khả năng xử ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)

lý của h thống.ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)

Multi Core (đa nhđn): Công nghệ chế tạo CPU có hai hay nhiều nhđn, xử

lý vật lý hoạt động song song với nhau, mỗi nhđn đảm nhận những công việc riíng biệt nhau

Mô tả xử lý Multi Core

Intel® Turbo Boost: Lă công nghệ nđng hiệu suất mây tính lín thím 20%,

giúp hệ thống hoạt động nhanh hơn vă kĩo dăi thời lượng pin, bằng câch tự động điều chỉnh xung nhịp của từng nhđn độc lập cho phù hợp với nhu cầu xử lý

Mô hình Turbo boost

Giải quyí́t được nhií̀u vi c hơn, công vi c hi u quả hơn

B xử lý có cả Công Ngh Intel HT vặ̃ xử ị́ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) Công Ngh Intel® Turbo Boostị́ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) (ho c ặng dư đí̉ sử dụng khi công viị́c kinh doanh sau này phátCông Ngh Intel® Turbo Boost 2.0, có trong dòng b xử lý Intel Core thế h 3) ị́ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ộ xử ị́ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)

có khả năng xử lý cao hơn, giải quyết công vi c nhanh hơn Sự kết hợp câc ị́ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)công ngh năy cho phĩp xử lý được nhiều luồng trong cùng m t lúc, linh hoạt ị́ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ộ xử thích ứng với khối lượng công vi c cần xử lý, vă tự đ ng tắt câc nhđn không ị́ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ộ xử hoạt đ ng Nó tăng cao tần số của b xử lý trín những nhđn xử lý phải xử lý ộ xử ộ xử nhiều công vi c, tăng vọt hi u năng xử lý cao hơn nữa cho câc ứng dụng phđn ị́ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ị́ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)luồng

Nhờ Công Ngh Intel HT, các doanh nghi p có thể:ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)

Nâng cao năng suất công vi c nhờ làm được nhiều vi c đồng thời hơn mà ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)không bị ch m máy

Cho thời gian đáp ứng nhanh hơn trên Internet và trong các ứng dụng thương mại đi n tử, cải thi n cảm nh n của khách hàngệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)

Nâng cao số giao dịch có thể xử lý được trong cùng m t lúcộ xử

Sử dụng các ứng dụng 32-bit hi n tại nhưng vẫn duy trì khả năng sẵn sàng sử ệ Intel® Hyper-Threading (Intel® HT)dụng cho các ứng dụng 64-bit trong tương lai

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT VI XỬ LÝ

Trước hết, sẽ nói qua về một khái niệm rất hay được nhắc tới trong kỹ thuật vi

xử lý – “không gian địa chỉ” Nó được hiểu là số lượng địa chỉ mà CPU có thể phân biệt được Trong một bộ nhớ có rất nhiều ô nhớ và CPU thường phải truynhập (ghi hoặc đọc) đến từng ô nhớ cụ thể, do đó CPU tất nhiên phải phân biệtđược các ô nhớ riêng rẽ với nhau Mỗi ô nhớ cần phải có một địa chỉ gắn với

nó Địa chỉ này chỉ dành riêng cho ô nhớ đó, không trùng với địa chỉ của một ô nhớ nào khác, khi truy nhập tới địa chỉ đó tức là truy nhập đến ô nhớ đó Ngoài ô nhớ, trong vi xử lý còn có một số phần cứng khác cũng cần có một địa chỉ dành riêng cho nó như các thanh ghi điều khiển, các thanh ghi dữ liệu… Thường thì hầu như tất cả những phần cứng cần được truy nhập hay tác động đến đều phải được gắn với một hay nhiều địa chỉ Lấy ví dụ, để có thể giao tiếp

và điều khiển một bộ đếm (timer/counter), CPU cần phải tác động đến các thanh ghi quy định chế độ hoạt động, thanh ghi chứa số đếm của bộ đếm đó Các thanh ghi này đều có địa chỉ gán riêng cho chúng và nhờ các địa chỉ đó mà CPU có thể ghi/đọc giá trị của các thanh ghi, qua đó tác động lên bộ đếm

Vi xử lý hoạt động theo một số nguyên tắc cơ bản sau: - Các thao tác tính toán

xử lý sẽ được vi xử lý, hay nói đúng hơn là CPU, thực hiện theo các chỉ dẫn (chính là các lệnh) đặt trong bộ nhớ chương trình Đương nhiên trong bộ nhớ chương trình không có những chỉ dẫn kiểu như “hãy đưa điện áp +5VDC ra chân cổng A!” hay “dừng cái bộ đếm đó lại, đừng cho nó đếm thêm một xung

nhịp nào nữa!” hay “hãy tạm thời chờ ở đây cho đến khi nào điện áp tại chân B

có giá trị lôgic bằng 0!” Đó là ngôn ngữ của con người, các vi xử lý không nghe được và đương nhiên không hiểu được những câu đó, chúng chỉ có thể nhận biết được hai và chỉ hai giá trị lôgic trái ngược nhau mà thôi Hai giá trị lôgic trái ngược nhau có thể là đen-trắng, không-có, cao-thấp… Điều đó không quan trọng, cái quan trọng là về mặt vật lý (điện học), nhờ một cơ chế nào đó mà khiđọc nội dung của bộ nhớ hay đọc giá trị lôgic của một cổng vào ra, vi xử lý có thể phân biệt được khi nào giá trị đọc được là giá trị lôgic thứ nhất và khi nào thì không phải thế Theo truyền thống người ta quy định chung rằng các giá trị lôgic đó là 0 và 1 Biểu thị các giá trị lôgic đó theo quy ước lôgic dương là điện

áp cao (xấp xỉ +5VDC) cho giá trị 1 và điện áp thấp (xấp xỉ 0VDC) cho giá trị 0 Như vậy, thay vì nói với vi xử lý rằng “hãy đưa ra giá trị lôgic 1 tại chân cổng A!”, người ta mã hoá câu nói đó thành một chuỗi các bit lôgic 0-1 (ví dụ

00001010 chẳng hạn) rồi đặt trong bộ nhớ chương trình của IC CPU khi cấp nguồn nuôi sẽ đọc và tất nhiên nó hiểu cái chuỗi 0-1 đó có nghĩa là gì và nó sẽ thực hiện theo ý nghĩa của lệnh nó dịch ra từ chuỗi 0-1 đó Vậy tại sao nó hiểu được? Xin trả lời là bạn lại lan man rồi đấy! Nó hiểu được đơn giản vì người ta chế tạo ra đã như thế rồi Hãy biết chấp nhận như vậy vào lúc này! - Việc thực hiện các lệnh sẽ diễn ra tuần tự (lệnh ở địa chỉ thấp hơn được thực hiện trước)bắt đầu từ địa chỉ reset Địa chỉ reset là địa chỉ của bộ nhớ chương trình mà tại

đó, sau khi được cấp nguồn nuôi, CPU sẽ bắt đầu đọc và thực hiện theo chỉ dẫn được mã hóa đặt tại đó Mỗi loại vi xử lý có một địa chỉ reset riêng

(thường là từ 0000H) do nhà sản xuất quy định - Các lệnh được thực hiện tuần

tự là nhờ có thanh ghi “bộ đếm chương trình”(PC) Thanh ghi này chứa địa chỉ của ô nhớ chứa mã của lệnh tiếp theo sẽ được thực hiện Khi CPU tìm nạp được mã của lệnh n, thanh ghi PC sẽ tự độngtăng lên 1 đơn vị để trỏ vào ô nhớchứa mã của lệnh (n+1) - CPU thực hiện một lệnh theo các bước nhỏ Thường thì các bước đó bao gồm: tìm nạp mã lệnh (fetch-tức là truy cập bộ nhớ

chương trình, đọc lấy giá trị tại ô nhớ có địa chỉ trỏ bởi thanh ghi PC, lưu vào một thanh ghi chuyên dùng chứa mã lệnh trong CPU), giải mã lệnh (decode-giải mã giá trị đã lấy được và đang đặt trong thanh ghi chứa mã lệnh trong CPU), cuối cùng là thực hiện lệnh (execute-thực hiện chỉ dẫn được giải mã ra

từ mã lệnh đọc được) Những vi xử lý đầu tiên được thiết kế với phương thức

thực hiện lệnh một cách thuần “tuần tự”, nghĩa là thực hiện tuần tự 3 bước đối với lệnh thứ n rồi mới thực hiện 3 bước tiếp theo của lệnh thứ (n+1).

Sau này, các vi xử lý được thiết kế với CPU được module hóa thành từng phần riêng biệt có hoạt động khá độc lập với nhau, do đó mà cấu trúc xử lý đường ống (pipeline) ra đời Với cấu trúc này, các bước nhỏ trong việc thực hiện các lệnh sẽ được gối lên nhau, trong khi một phần cứng của CPU thực hiện bước 3 (thực hiện lệnh) của lệnh n thì một phần cứng khác của CPU thực hiện việc giải

mã lệnh tiếp theo (lệnh thứ n+1), và đồng thời một phần cứng khác nữa trong CPU tìm nạp mã của lệnh thứ (n+2)

BXL 4bit 4004 là BXL đầu tiên được Intel giới thiệu vào tháng 11 năm 1971,

BXL 8bit 8008 (năm 1972)

Được sử dụng trong thiết bị đầu cuối Datapoint 2200 của Computer Terminal Corporation (CTC)

8008 có tốc độ 200kHzsản xuất trên công nghệ 10 µm, với 3.500 transistor, bộ nhớ mở rộng đến 16KB

-8080 (năm 1974) sử dụng trong máy tính Altair 8800, có tốc độ gấp 10 lần

8008 (2MHz), sản xuất trên công nghệ 6 µm, khả năng xử lý 0,64 MIPS với 6.000 transistor, có 8 bit bus dữ liệu và 16 bit bus địa chỉ, bộ nhớ mở rộng tới 64KB

8085 (năm 1976) sử dụng trong Toledo scale và những thiết bị điều khiển ngoại vi 8085 có tốc độ 2MHz, sản xuất trên công nghệ 3 µm, với 6.500

transistor, có 8 bit bus dữ liệu và 16 bit bus địa chỉ, bộ nhớ mở rộng 64KB.3-BXL 16bit C8086

-Xuất hiện tháng 6 năm 1978, sử dụng trong những thiết bị tính toán di động

8086 được sản xuất trên công nghệ 3 µm, với 29.000 transistor, có 16 bit bus

dữ liệu và 20 bit bus địa chỉ, bộ nhớ mở rộng 1MB Các phiên bản của 8086 gồm 5, 8 và 10 MHz.

8088 trình làng vào tháng 6 năm 1979, là BXL được IBM chọn đưa vào chiếc máy tính (PC) đầu tiên của mình; điều này cũng giúp Intel trở thành nhà sản xuất BXL máy tính lớn nhất trên thế giới 8088 giống hệt 8086 nhưng có khả năng quản lý địa chỉ dòng lệnh 8088 cũng sử dụng công nghệ 3 µm, 29.000 transistor, kiến trúc 16 bit bên trong và 8 bit bus dữ liệu ngoài, 20 bit bus địa chỉ, bộ nhớ mở rộng tới 1MB Các phiên bản của 8088 gồm 5 MHz và 8 MHz

80186 (năm 1982) còn gọi là iAPX 186 Sử dụng chủ yếu trong những ứng dụngnhúng, bộ điều khiển thiết bị đầu cuối Các phiên bản của 80186 gồm 10 và 12 MHz

80286 (năm 1982) được biết đến với tên gọi 286, là BXL đầu tiên của Intel có thể chạy được tất cả ứng dụng viết cho các BXL trước đó, được dùng trong PC của IBM và các PC tương thích 286 có 2 chế độ hoạt động: chế độ thực (real mode) với chương trình DOS theo chế độ mô phỏng 8086 và không thể sử dụng quá 1 MB RAM; chế độ bảo vệ (protect mode) gia tăng tính năng của bộ

-Công nghệ MMX đáp ứng về đa phương tiện và truyền thông

-Công nghệ 0,35 μm, 275.000 transistor m chứa 4,5 triệu transistor

-Tốc độ 166, 200, 233 MHz L2 (cache L2) 256KB

-SX năm 2006, BXL lõi kép sản xuất trên công nghệ 65 nm

CPU cho các máy Pentium 2

Tốc độ CPU từ 233 MHz đến 450 MHzTốc độ Bus ( FSB ) là 66 và 100 MHz

Bộ nhớ Cache 128K - 256K-Năm sản xuất : 1997 - 1998

Mainboard hỗ trợ : sử dụng Mainboard có khe cắm Slot

Pentium III:Tốc độ từ 500 MHz đến 1.300 MHz

Tốc độ Bus ( FSB ) 100 MHz và 133 MHz

Bộ nhớ Cache từ 256K- 512K

Năm sản xuất : 1999 -2000

Đế cắm trên Mainboard là Socket 370

CPU cho các máy Pentium 4

Tốc độ xử lý từ 1.400 MHz đến 3.800 MHz ( 2006 ) và chưa cógiới hạn cuối

Tốc độ Bus ( FSB ) 266, 333, 400, 533, 666, 800 MHz

Bộ nhớ Cache từ 256 đến 512KNăm sản xuất từ 2002 đến nay ( 2006) vẫn tiếp tục sản xuất

Sử dụng Mainboard có đế cắm CPU là Socket 478

Đặc trưng và ứng dụng của Core i3, i5,i7

Đặc trưng:

Core i3: Được intel cho ra đời theo từng bộ vi xử lý (BVXL) ứng với chủng loại của máy tính và theo từng kiến trung khác nhau Sau đây là những kiến trúc cơ bản của từng dòng CPU core i:

Cho PCKiến trúc Clarkdale - nền tảng 32 nm

 Dựa trên Westmere

 Tất cả các tập lệnh hỗ trợ: MMX , SSE , SSE2 , SSE3 , SSSE3 , SSE4.1 , SSE4.2 ,Enhanced Intel SpeedStep Technology (EIST), Intel 64 , XD bit (một bit NX thực hiện), Intel VT-x , Hyper-Threading , Smart Cache