Báo cáo Đồồ án kiếến trúc máy tính Đếồ tài nghiến cứu bộ vi xử lý intel core i9 11900k

Những sản phẩm này đã góp phần nâng cao đời sống con người và đẩy mạnh cuộc cách mạng công nghệ thông tin.Máy tính điện tử ra đời vào đầu thập kỷ thứ tư của thế kỷ 20 và phát triển nhanh

Đ I H C ĐÀ NẴẴNG Ạ Ọ

TR ƯỜ NG Đ I H C CNTT VÀ TT Ạ Ọ VI T Ệ - HÀN



BÁO CÁO ĐỒỒ ÁN KIẾẾN TRÚC MÁY TÍNH

ĐẾỒ TÀI: NGHIẾN C U B VI X LÝ INTEL CORE I9-11900K Ứ Ộ Ử

Sinh viên th c hi nự ệ : Ph m Trung Nghĩaạ

Lê Văn Huy

Gi ng viên hả d : ThS Nguyễn Thị Huyền Trang

Đà nẵẵng, 19 tháng 03 nẵm 2022

TR ƯỜ NG Đ I H C CNTT VÀ TT Ạ Ọ VI T-HÀ Ệ N

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời Những sản phẩm này đã góp phần nâng cao đời sống con người và đẩy mạnh cuộc cách mạng công nghệ thông tin.Máy tính điện tử ra đời vào đầu thập kỷ thứ tư của thế kỷ 20 và phát triển nhanh chóng, làm nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực tính toán và xử lý thông tin, mở ra một kỷ nguyên mới trong lịch sử nhân loại - Kỷ nguyên máy tính điện tử.Với những công việc mà con người không thể làm được nhưng chiếc máy tính lại xử lí một cách rất đơn giản và nhanh chóng Có thể nói máy tính là những siêu công cụ,do con người chế tạo ra và để phục vụ cho chính cuộc sống của con người với những bộ não là bộ vi xử lý Công nghệ chip vi xử lý cũng đã phát triển mạnh mẽ lên một tầm cao mới Nó đạt được nhiều bước tiến lớn và trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống con người Vì vậy ở bài tập lớn này nhóm em

sẽ nghiên cứu và trình bày về bộ vi xử lý Intel Core i9 - 11900K, một bộ vi xử lý thương mại chứa đựng nhiều công nghệ cao và kỳ tích của loài người

MỤC LỤC Lời mở đầu

Mục lục

I Sơ lược về tập đoàn Intel

Tập đoàn Intel thành lập vào ngày 18 tháng 7 năm 1968, lúc đó là tập đoàn hợp nhất về thiết bị điện tử, sản xuất ờ Santa Clara, California, Hoa Kỳ bởi nhà hoá học kiêm vật lý học Gordon E Moore và Robert Noyce, sau khi họ đã rời khỏi công ty Fairchild Semiconductor

Ban đầu, Intel là nhà sản xuất bộ nhớ SRAM và DRAM và đây là sự kiện tiêu biểu đầu tiên cho các nhà sản xuất chip bộ nhớ sau này Hiện tại là nhà sản xuất các sản phẩm như chip vi xử lý cho máy tính bo mạch chủ ổ nhớ flash card mạng, , , và các thiết bị máy tính khác, đặc biệt là chế tạo và phát triển CPU từ năm 1971 cho đến khi họ đã và đang dẫn đầu trong lĩnh vực này

Thế hệ CPU đầu tiên mà họ sản xuất đó là CPU 404, CPU 808 rồi đến CPU Pentium, => CPU Core Dual, Core 2 Quad, … => và dòng CPU mới nhất, mạnh nhất cho tới thời điểm này là dòng Core i ( Core i3, Core i5, Core i7, Core i9 và Core M)

Bạn có thể nhìn vào sơ đồ sau là có thể hình dung ra lịch sử phát triển chíp CPU của họ

II Giới thiệu chung về bộ vi xử lý (CPU)

CPU được viết tắt từ Central Processing Unit bộ xử lý trung tâm– đóng vai trò cốt lõi giúp hệ thống máy tính thực thi các câu lệnh qua việc thực hiện và phân tích phép toán, so sánh, logic Bên cạnh đó, CPU còn có tác dụng xử lý các yêu cầu nhập hoặc xuất dữ liệu cơ bản của người dùng

CPU còn được biết đến với những tên gọi khác như: Processor, Microprocessor, Central processor

Nhìn chung, CPU dùng để điều khiển tất cả hoạt động và được xem như đầu não của toàn hệ thống máy tính hoặc laptop CPU sẽ xử lý các dữ kiện từ phần mềm hệ

thống, phần mềm ứng dụng cho đến phần cứng đang hoạt động bình thường trên máy tính

1 Cách hoạt động của CPU

CPU sẽ có nhiệm vụ chính là điều khiển toàn bộ cơ chế làm việc của máy tính theo thuật toán và thao tác người dùng.Cụ thể, CPU sẽ nhận thông tin từ những thiết

bị ngoại vi bao gồm: Chuột, máy in, bàn phím,… đồng thời kết hợp với chương

trình đã lập trình trên máy tính và xử lý thông qua các phân tích phép tính, logic, so sánh để xuất kết quả ra màn hình Ngoài ra, những yêu cầu từ thiết bị ngoại vi cũng được xử lý nhanh chóng

Trên đây là những giải mã cụ thể về cách làm việc của CPU là gì, thế nhưng, quy

trình cốt lõi để vận hành hệ thống CPU sẽ trải qua 3 bước: Tìm nạp > giải mã > thực thi Dưới đây Vietnix sẽ cung cấp thông tin cụ thể hơn về 3 bước này.

 Tìm nạp

Quy trình tìm nạp sẽ có sự liên quan đến việc nhận vào một lệnh dưới dạng chuỗi các chữ số và được đưa đến CPU thông qua RAM Mỗi lệnh chỉ là một yếu tố nhỏ của từng thao tác, thế nên CPU cần biết lên nào sẽ đến kế tiếp

Bộ đếm chương trình (PC) sẽ giữ những địa chỉ lệnh hiện tại, sau đó cả PC và hàng loạt lệnh đều được đưa đến thanh ghi lệnh (IR) Độ dài của bộ đếm chương trình

sẽ tăng thêm nhằm tham chiếu cho địa chỉ lệnh kế tiếp

 Giải mã

Sau khi lệnh đã được tìm nạp và hoàn thành lưu trữ trong thanh ghi lệnh, khi đó CPU sẽ gửi lệnh đến bộ giải mã Điều này sẽ đưa ra các tín hiệu cụ thể của lệnh đến những vị trí khác của CPU để vận hành

 Thực thi

Đến bước thực thi, những lệnh được giải mã thành công và gửi đến từng bộ phận phù hợp trong CPU để thực hiện Kết quả sẽ được ghi vào CPU register – nơi chúng được tham chiếu bởi những lệnh kế tiếp, tương tự như chức năng của bộ nhớ trong máy tính

2 Cấu tạo của CPU

Về cơ bản CPU có nghĩa là bộ xử lý trung tâm, thế nên nó sẽ là sự kết hợp của nhiều chi tiết với công dụng khác nhau Dưới đây là 3 bộ phận cấu tạo hoàn chỉnh của mỗi chiếc CPU

 Khối điều khiển

Khối điều khiển còn được gọi là CU – Control Unit, chức năng chính của bộ phận gồm:

o CU đảm nhiệm việc dịch các lệnh đang xuất hiện trên chương trình máy tính

o CU có tác dụng điều khiển việc xử lý các lệnh

Đây là một phần quan trọng hàng đầu trong bộ xử lý trung tâm được cấu tạo bởi những mạch logic so sánh cùng những chi tiết bán dẫn transistor Ngoài ra, xung nhịp đồng hồ sẽ là yếu tố điều tiết chính xác hoạt động của CU

 Khối tính toán

Khối tính toán trong CPU là gì? Đây là một bộ phận được gọi là Arithmetic Logic Unit (ALU) đảm nhiệm chức năng thực hiện giải các phép toán gồm: Số học,

logic, so sánh

Sau khi hoàn thành quá trình này, ALU sẽ đưa ra kết quả và trả về bộ nhớ hoặc thanh ghi

 Các thanh ghi

Thanh ghi (Registers) là những bộ nhớ với dung lượng thấp tuy nhiên lại có đặc tính về tốc độ truy cập vô cùng cao Bộ phận này sẽ có nhiệm vụ cơ bản là lưu trữ

dữ liệu hoặc kết quả tạm thời có thể kể đến như: Kết quả thực hiện tính toán, dữ kiện các ô nhớ, toán hạng, thông tin điều khiển

CPU sẽ có nhiều thanh ghi nhưng quan trọng nhất là PC – Program Counter (bộ đếm chương trình) đề ra lệnh sẽ được thực hiện kế tiếp.

 Opcode

Opcode trong CPU là bộ phận lưu trữ mã máy của bộ xử lý trung tâm được thực hiện các lệnh trong tệp được cho phép

 Phần điều khiển

Nhiệm vụ của phần điều khiển trong CPU là gì? Đối với bộ phận này sẽ có 2 nhiệm vụ chính, gồm chức năng điều khiển toàn bộ các khối được trang bị tại CPU

và kiểm soát tần số xung nhịp của hệ thống

Một số thông tin về xung nhịp trong bộ xử lý trung tâm:

i. Việc điều chỉnh đồng bộ hàng loạt thao tác bên trong lẫn ngoài CPU sẽ được thực hiện bởi mạch xung nhịp trong thời gian giữ nguyên

ii. Một chu kỳ xung nhịp sẽ được tính là thời gian chờ của hai xung gọi

iii. Tốc độ xung nhịp sẽ được xác định bởi hàng triệu đơn vị trong mỗi giây (MHz) dựa trên xung tín hiệu đúng chuẩn xác do xung nhịp hệ thống tạo ra

3 Tốc độ xử lý của CPU

Bên cạnh việc hiểu về CPU dùng để làm gì thì bạn nên nắm được tốc độ của bộ xử

lý trung tâm Tốc độ xử lý của CPU còn được xem là tốc độ xung nhịp của bộ phận này, đồng thời được công nhận và tính toán dựa trên đơn vị GHz (Gigahertz) Khi có được chỉ số GHz biểu thị số chu kỳ mà CPU thực hiện mỗi giây sẽ xác định

rõ hiệu năng của nó Loại bỏ các yếu tố tác động khác thì tốc độ xung nhịp cao thể hiện CPU có khả năng xử lý nhanh và tối ưu được nhiều vấn đề

Một số điều sẽ tác động đến xung nhịp CPU, gồm:

 Nhân và luồng: Số nhân và luồng càng nhiều sẽ mang lại hiệu năng càng

cao (2 nhân 4 luồng, 4 nhân 8 luồng, 10 nhân 20 luồng,…)

 Tiến trình của vi xử lý: 5nm,10nm,14nm, 22nm, 32nm (công nghệ sản

xuất) thông số càng nhỏ sẽ mang lại hiệu năng tối ưu cùng đặc tính tiết kiệm điện tốt hơn

 Công nghệ hỗ trợ: Siêu phân luồng, turbo boost, pipeline,… của các hãng

tạo ra để có hiệu suất tốt hơn

 Card đồ hoạ: Dạng tích hợp giúp xuất thông tin ra màn hình.

 Bộ nhớ đệm: Hỗ trợ lưu trữ dữ liệu thường dùng và dự đoán lệnh sẽ dùng

tiết kiệm thời gian chờ của bộ xử lý trung tâm

 TDP: Công suất thoát điện càng được tối ưu sẽ mang lại hiệu quả cao.

4. Thiết kế của bộ vi xử lý

Bộ vi xử lý là một bộ phần quan trọng trong kết cấu của bộ xử lý trung tâm, thường được gọi là chip CPU và có một vị trí dành riêng cho thiết bị này được lắp đặt ăn khớp dễ dàng

Thiết kế của chip CPU khá dễ nhận biết với hình vuông hoặc số ít đơn vị sử dụng dạng chữ nhật Mặt trên thông thường sẽ chứa một số thông tin về chip, mặt dưới

là hàng loạt các chân cắm đã được chế tác nhằm tối ưu công suất hoạt động của nó

5 FSB (Front Side Bus)

FSB – Front Side Bus là tốc độ được xác định đối với luồng dữ liệu vào/ra bộ xử

lý trung tâm Hiệu năng của Bus CPU sẽ tương đồng với Bus chipset bắc Trong đó:

 Hiệu năng xử lý Bus CPU là chính (duy nhất)

 Hiệu năng xử lý Bus chipset bắc sẽ hỗ trợ tốc độ FSB càng nhiều càng tốt (từ 2 đến 3 FSB)

Ví dụ: Đối với chip pen 2, pen 3: Tốc độ Front Side Bus từ 66MHz đến 133MHz Đối với chip pen 4: Tốc độ Front Side Bus từ 400MHz đến 1600MHz

6.Bộ nhớ Cache

Bộ nhớ Cache được chế tạo ra với với công dụng là bộ nhớ đệm, đây là nơi cất giữ chương trình và hàng loạt các dữ liệu chuẩn bị sử dụng Lúc cần dữ liệu, CPU sẽ rà soát trên cache trước khi thực hiện kiểm tra bộ nhớ chính

Bộ nhớ đệm có kích thước lưu trữ lớn sẽ tiết kiệm được thời gian xử lý dữ liệu 3 loại cache bạn nên biết:

 Cache L1: Kích thước từ 8KB đến 32KB, nơi mà CPU tìm kiếm dữ liệu

trước tiên

 Cache L2: Kích thước từ 256KB đến 8M, nếu không có dữ liệu cần tại

cache L1, CPU sẽ rà soát tại đây

 Cache L3: Là cache phân bổ thông tin đến L2 và L1, đồng thời được trang

bị trên mainboard

III Chi tiết về CPU Intel Core i9-11900K

1 Sơ lược về dòng sản phẩm Core i9

Ra đời khá trễ hơn so với những người anh em như Core i3, Core i5 hay Core i7,

cụ thể vào năm 2018, Intel Core i9 là dòng chip thế mới của Intel được ra mắt và

sử dụng nền tảng kiến trúc Skylake-X Tương tự như dòng chip Threadripper 16 nhân của AMD, Core i9 cũng được trang bị bộ vi xử lý đa lõi trên tất cả các phiên bản chip Việc trang bị nhiều lõi và luồng giúp cho Core i9 giúp gia tăng tốc độ xử

lý cũng như khả năng đa nhiệm.

Có thể dễ dàng nhận thấy dòng CPU Core i9 có thông số khá khủng từ số nhân số luồng đến xung nhịp, bộ nhớ đệm và số đường truyền của PCIe Đi kèm với đó là mức tiêu thụ điện năng rất cao (140W và ở i7 7740K chỉ 112W) và mức giá không

hề dễ tiếp cận, từ 999 đến 1700 đô la Mỹ và i7 chỉ từ 345 đến 600 đô la Mỹ

2 Sơ lược về i9-11900K

Quý 1 năm 2021, các bộ vi xử lý thế hệ thứ năm của Core i9 tiếp tục được ra mắt Core i9-11900K xuất hiện như một lựa chọn dễ tiếp cận với mức giá khá dễ chịu nhưng hiệu năng vẫn không hề thua kém những người anh em Core i5 i7 i9 và các đối thủ cạnh tranh Đối tượng khách hàng hướng đến sẽ là các lập trình viên, ngành thiết kế đồ họa, các streamer hay đơn giản là người dùng chơi game, làm việc cơ bản

3 Thông số chi tiết

CPU Intel® Core® i9-11900K (Rocket

Lake)

Số nhân 8

Tốc độ xử lý 3.50 GHz

Tốc độ xử lý tối đa 5.30 GHz

Điện năng tiêu thụ 125W

Công nghệ CPU 14nm

Bộ nhớ đệm 16 MB Intel® Smart Cache

Bộ nhớ hỗ trợ tối đa 128 GB

Loại bộ nhớ DDR4-3200

Nhân đồ họa Intel® UHD Graphics 750 Công nghệ PCIe PCIe 4.0

4 Các công nghệ tích hợp:

Hãy cùng so sánh nhẹ với thế hệ tiền nhiệm là i9-10900K:

Ta có thể nhận thấy mặc dù thông số của CPU i9 thế hệ 11 thua thiệt khá nhiều, từ

số nhân số luồng, xung nhịp cơ bản đến bộ nhớ đệm cache nhưng hiệu năng vẫn cao hơn đến 14% Đó là do trên bộ vi xử lý này đã có nhiều sự nâng cấp, điển hình

là công nghệ PCIe 4.0, card đồ họa tích hợp được nâng cấp từ Iris 630 lên Iris Xe

UHD Graphic 750 đời mới, giới hạn buss của ram từ 2666MHz lên 3200MHz cùng hang loạt các công nghệ khác mà chúng em sẽ giới thiệu dưới đây:

 PCIe viết tắt của eripheral omponent nterconnect xpress, là một tiêu P C I e

chuẩn tốc độ cao để kết nối các phần cứng ngoại vi với mainboard, cùng các

bộ phận khác trong máy tính PCIe 4.0 là thế hệ thứ tư trong giao thức kết nối bus mở rộng PCIe với thành phần ngoại vi (card đồ họa, ổ cứng, SSD,

Wi-Fi và Ethernet), được PCI Special Interest Group (PCI-SIG) phát triển và giới thiệu vào năm 2017 PCIe 4.0 dễ dàng cho phép các thành phần ngoại vi đạt tốc độ cao, gấp đôi so với PCIe 3.0 Việc này

có thể tăng tốc độ xử lý của máy tính rõ rệt, giảm độ trễ

của internet, màn hình, tăng tốc độ đọc và ghi trên bộ nhớ,….

 Việc nâng cấp từ Iris Xe UHD Graphic 630 lên thế hệ tiếp theo Iris Xe UHD Graphic 750 sẽ giúp máy tính xử lý hình ảnh mượt mà hơn, hỗ trợ 1 màn hình 4K với tốc độ quét màn hình tối đa 60Hz, hoặc tối đa tới 3 màn hình với độ phân giải thấp hơn

 Hiện tại nhưng thanh ram có tốc độ buss lên đến 3600MHz đã phổ biến trên thị trường với mức giá rất dễ tiếp cận nên việc nâng cấp bang thông của RAM từ 2666MHz lên 3200MHz là rất cần thiết và hợp lý RAM là một thành phần cực kỳ quan trọng trong hệ thống máy tính, ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu năng, tốc độ xử lý của máy tính

 Trong các thế hệ trước, Intel đã xử dụng nhiều công nghệ tăng tốc cho bộ vi

xử lý của mình, bao gồm Turbo Boost 2.0, Turbo Boost 3.0 và Thermal Velocity Boost (TVB) Phương pháp gia tốc được sử dụng phụ thuộc vào số lượng nhân có sẵn, vì vậy trong khối lượng công việc hai nhâ, TVB sẽ kích hoạt và đưa xung nhịp lên đến 5.3GHz miễn là có đủ điện cung cấp và làm mát đủ tốt để giữ cho CPU luôn dưới 70 độ Khi ba hoặc bốn nhân đang được sử dụng, xung nhịp trên tất cả các nhân sẽ được điều chỉnh ở mức 5.1GHz Trong khối lượng công việc sử dụng ba hoặc bốn nhân, Intel Core i9-11900K hoặc KF có thể sử dụng Thermal Velocity Boost hoặc Adaptive Boost để đạt xung nhịp gia tốc 5.1GHz Khi bốn đến tám nhân đang được sử dụng, Adaptive Boost sẽ bắt đầu đạt tới 5.1GHz trên tất cả các nhân đó, Tuy nhiên, bộ xử lý phải đáp ứng các yêu cầu nhất định về nguồn điện và có hệ thống tản nhiệt thích hợp để tránh quá nhiệt Trong trường hợp của Adaptive

Boost, CPU phải được giữ dưới mức 100 độ, đây có vẻ như là lẽ thường đối với bất kỳ hệ thống PC mạnh mẽ

 Đi kèm cùng CPU Intel thế hệ thứ 11 là bo mạch chủ Z690 cũng đã được trang bị hệ thống Thunderbolt 4 và Wi-Fi 6E Hai nâng cấp nhỏ này góp phần tăng tốc độ truyền tải dữ liệu một cách đáng kể và tạo sự tiện lợi như sạc từ cổng USB type C có hỗ trợ Thunderbolt 4 cho điện thoại, laptop,… hỗ trợ xuất hình ảnh chất lượng cao thông qua kết nối này…

 Intel® Gaussian & Neural Accelerator 2.0, Tăng cường học sâu Intel® Deep Learning Boost (Intel® DL Boost), Hỗ trợ bộ nhớ Intel® Optane™, Intel® Thermal Velocity Boost, Công Nghệ Intel® Turbo Boost Max 3.0, Công nghệ

Intel® Turbo Boost 2.0, Công nghệ siêu Phân luồng Intel®, Phần mở rộng bộ hướng dẫn: Intel® SSE4.1, Intel® SSE4.2, Intel® AVX2, Intel® AVX-512, Công nghệ Intel SpeedStep, Công nghệ theo dõi nhiệt ,Công nghệ bảo vệ danh tính Intel®

 Ngoài ra, bảo mật và độ tin cậy là một điều vô cùng cần thiết Trên vi xử lý này, ta sẽ có hàng loạt các công nghệ bảo mật đến từ Intel như Intel vPro® Platform, Intel® AES New Instructions, Khóa bảo mật, Mở Rộng Bảo Vệ Phần Mềm Intel® (Intel® SGX), Intel® OS Guard, Công nghệ Intel® Trusted Execution, Bit vô hiệu hoá thực thi, Intel® Boot Guard, Chương trình nền ảnh cố định Intel® (SIPP), Công nghệ ảo hóa Intel® (VT-x), Công nghệ ảo hóa Intel® cho nhập/xuất được hướng vào (VT-d), Intel® VT-x với bảng trang mở rộng…

IV Giới thiệu về ngôn ngữ Assembly

1 Sự ra đời của Assembly

2.