Kiến trúc máy tính nguyên cứu nguyên lý hoạt Động, chức năng của vi xử lý intel core thế hệ thứ 11

Khả năng điều chỉnh và ổn định vượt trội Thế hệ này hỗ trợ ép xung bộ nhớ trong thời gian thực, cho phép thay đổi tần số DDR4 ngay lập tức mà không cần khởi động lại máy tính, mở rộng h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN &

TRUYỀN THÔNG VIỆT HÀNKhoa Khoa Học Máy Tính

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

NGUYÊN CỨU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, CHỨC NĂNG CỦA VI XỬ LÝ INTEL CORE THẾ HỆ THỨ 11

Sinh viên thực hiện: Võ Bình Minh – 22IT.B137

Hồ Văn Dân – 22IT.B027

Nguyễn Công Chung – 22IT.B

Lê Văn Học – 22IT.B087

Nguyễn Văn Hòa – 22IT.B

Giảng viên hướng dẫn: TS Dương Hữu Ái

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN &

TRUYỀN THÔNG VIỆT HÀN Khoa Khoa Học Máy Tính

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

NGUYÊN CỨU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG, CHỨC NĂNG CỦA VI XỬ LÝ INTEL CORE THẾ HỆ THỨ 11

Sinh viên thực hiện: Võ Bình Minh – 22IT.B137

Hồ Văn Dân – 22IT.B027 Nguyễn Công Chung – 22IT.B

Lê Văn Học – 22IT.B087

Nguyễn Văn Hòa – 22IT.B Giảng viên hướng dẫn: TS Dương Hữu Ái

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2023

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép em gửi lời cảm ơn tới các Thầy Cô giảng viên tại khoa KhoaHọc Máy Tính Trường Công nghệ Thông tin và Truyền thông Việt – Hàn đã tạo mọiđiều kiện giúp đỡ chúng em trong thời gian xây dựng và hoàn thành báo cáo học phầnKiến trúc máy tính này

Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Dương Hữu Ái người đã tận tìnhgiúp đỡ, chỉ bảo về nghiệp vụ và trực tiếp hướng dẫn nhóm chúng em trong suốt quátrình hoàn thành học phần này

Tuy nhiên do thời gian có hạn và cùng với nhiều nguyên nhân khác, mặc dù chúng em

đã nổ lực hết mình xong học phần của nhóm, tuy vẫn còn mắc phải những thiếu sót vàhạn chế Em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo của các thầy cô cùng tất cảcác bạn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

LỜI NÓI ĐẦU

Có thể nói công nghệ máy tính đã và đang thay đổi hàng giờ trong những năm gầnđây Đến thời điểm này thật đáng kinh ngạc khi định luật tăng theo hàm mũ của mật

độ linh kiện trên một chu vi điện tử cũng đồng nghĩa với khả năng xử lý của máy tínhvẫn đúng Cả thế giới đang ở trong một cuộc chạy đua công nghệ, càng ngày càngxuất hiện nhiều công ty sản xuất linh kiện máy tính Trong số đó không thể không kểđến Intel – một người khổng lồ trong lĩnh vực sản xuất thiết bị vi tính Công ty này tỏ

ra rất nổi trội trong lĩnh vực sản xuất vi xử lý (CPU) của máy tính, theo thống kê Intelđang chiếm 4/5 thị phần vi xử lý trên thế giới Được thành lập năm 1968 tại SantaClara, California, Hoa Kỳ, sau 3 năm Intel đã xuất ra thị trường dòng vi xử lý đầutiên:4004 với tốc độ 108KHz với 23.000 bóng bán dẫn Cho đến là Core i7 990X – bộ

vi xử lí nhanh nhất với 6 nhân, tốc độ 3,46 GHz, sử dụng công nghệ 32nm, đa nhân,siêu phân luồng Và gần đây nhất với sự xuất hiện của Intel core thế hệ thứ 11 Và đểhiểu rõ hơn về bộ vi xử lý Intel core i11, nhóm em đã chọn đề tài “Nghiên cứu nguyên

lý hoạt động, chức năng của bộ vi xử lý Intel core thế hệ thứ 11

MỤC LỤC

1 INTEL CORE I 11 LÀ ? GÌ 8

2 NHỨNG CẢI TIẾN CỦA DÒNG INTEL CORE THẾ HỆ THỨ 11 8

3 NHỮNG ĐIỂM NỔI BẬT TRÊN NTEL I CORE THẾ HỆ THỨ 11 8

3.1 Thiết kế tối ưu cho game thủ 8

3.2 Khả năng điều chỉnh và ổn định vượt trội 8 3.3 Các tính năng Giải trí và Streaming 9 3.4 Kết nối nhanh và đáng tin cậy 9

4 CHIP INTEL ĐƯỢC CHẾ TẠO NHƯ THẾ NÀO? 9CHƯƠNG II CHỨC NĂNG VÀ CÁC THÀNH PHẦN 9

2 CẤU TRÚC CỦA CPU 10

2.3 Khối số học và logic (ALU) 11

2.4 Đơn vị điều khiển (Control Unit) 11

2.5.1 Thanh ghi hiển thị với người dùng: 132.5.1.1 Thanh ghi đa năng 13

2.5.1.2 Thanh ghi địa chỉ 13

2.5.2 Thanh ghi điều khiển và trạng thái 13\

3 Các thông số cơ bản

1 Clock Speed: Tốc độ xung nhịp

13

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2: Cấu trúc bên trong CPU 10

Hình 3: Đầu vào và đầu ra ALU 11

Hình 4: Mô hình kết nối CU 12

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1. Intel core i11 là gì ?

Dòng chip Intel Core thế hệ thứ 11 có tên gọi chính thức là Tiger Lake, được xâydựng trên quy trình 10nm và được hỗ trợ bởi đồ họa Intel Xe mới, mang lại hiệu suấtmới cho trải nghiệm thực tế

Ngoài ra, bộ vi xử lý này gồm 3 dòng laptop core i3, i5 và i7 và được sản xuấttrên quy trình công nghệ 10nm SuperFin giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng phảnhồi trong thời gian chạy

Intel khẳng định cho đến nay đây là bộ vi xử lý tốt nhất thế giới dành cho laptopmỏng nhẹ, với khả năng đồ họa vượt trội so với các thế hệ trước

2. Những cải tiến của dòng intel core thế hệ thứ 11

Intel Core thế hệ 11 được tích hợp nhân đồ họa Iris Xe giúp cho hiệu năng xử lý

đồ họa của laptop được tăng lên đáng kể gấp 2.7 lần so với các thế hệ trước và 2 lần khi đang chơi game Con chip này còn hỗ trợ xuất ra màn hình 8K HDR

Bộ xử lý Intel Core thế hệ 11 có xung nhịp đồ họa tối đa là 1.35 GHz cùng với khảnăng Turbo boost lên đến 4.8 GHz

Ngoài ra, bộ xử lý này còn được trang bị WiFi 6 giúp máy tính kết nối một cách nhanh chóng Để tăng tốc độ sạc, màn hình ngoài và bộ nhớ được mở rộng Intel đã tích hợp thêm cổng Thunderbolt 4 để kết nối thêm với nhiều thiết bị ngoại vi và cáp đơn

3. Những điểm nổi bật trên Intel Core thế hệ thứ 11

3.1. Thiết kế tối ưu cho game thủ

Với bộ vi xử lý PC thế hệ thứ 11 mới này, Intel sẽ tiếp tục cải thiện hiệu suất chơi game trên máy tính để bàn và mang đến cho game thủ trải nghiệm đắm chìm nhất có thể

Phiên bản unlocked thế hệ thứ 11 này cũng tương thích với RAM DDR4 3200MHz đểchơi game mượt mà và đa nhiệm liền mạch

3.2. Khả năng điều chỉnh và ổn định vượt trội

Thế hệ này hỗ trợ ép xung bộ nhớ trong thời gian thực, cho phép thay đổi tần số DDR4 ngay lập tức (mà không cần khởi động lại máy tính), mở rộng hỗ trợ ép xung

bộ nhớ cho các bo mạch chủ dòng H570 và B560

Đồng thời cho phép nhiều người dùng hơn trải nghiệm ép xung AVX-512, ép xung điện áp và tiện ích mở rộng Vector nâng cao (AVX) 2, cộng với Bộ điều khiển bộ nhớtích hợp (IMC) hoàn toàn mới với thời gian định tính rộng hơn và hỗ trợ Gear 2 (cũng

là Gear 1)

3.3. Các tính năng Giải trí và Streaming

Bộ xử lý thế hệ 11 này sẽ đem đến cho bạn trải nghiệm đa phương tiện, từ chơi những tựa game có đồ họa đỉnh cao cùng với đó là các tính năng bổ sung khác như: Hỗ trợ DDR4-3200, 20 làn PCIe 4.0, Intel Quick Sync Video, tăng cường chất lượng hình ảnh, Sẽ khiến những phút giây giải trí của bạn trở nên tuyệt vời hơn bao giờ hết

3.4. Kết nối nhanh và đáng tin cậy

Bộ xử lý Intel Core thế hệ thứ 11 được tích hợp WiFi 6 giúp kết nối nhanh chóng và cải thiện tốc độ truy cập gấp 3 lần so với WiFi 5 được trang bị ở các thế hệ trước đây

3.5. Hiệu năng thông minh

Bộ xử lý Intel Core thế hệ thứ 11 sử dụng hiệu suất thông minh dựa trên AI nâng cao

để tăng tốc độ hoàn thành nhiệm vụ trong năng suất, sáng tạo và các ứng dụng khác Đây là khẳng định từ chính Intel đưa khi so sánh với thế hệ 10 Bộ xử lý thế hệ 11 cũng có khả năng chạy tốt các ứng dụng nặng như: Đồ họa, phần mềm quản lý doanh nghiệp,

4. Chip intel được chế tạo như thế nào?

Nhà sản xuất đã thu lấy silicon dioxide (SiO2) từ cát, sau đó nung SiO2 với cacbon đểlấy khối silicon tinh khiết Bước tiếp theo, nhà sản xuất cắt các khối silicon tinh khiết thành các phiến, phủ chất cản quang, phơi sáng, tẩy rửa, khắc axit, mạ đồng, đánh bóng, kết nối transitor, thử nghiệm để cuối cùng ra được tấmđế Từ tấm đế này sau khi được đóng gói, đặt trong mạch nền và đậy vỏ, hình thành nên bộ vi xử lý lắp ghép trong máy tính và các thiết bị số

CHƯƠNG Ⅱ CHỨC NĂNG VÀ CÁC THÀNH PHẦN

1 Chức năng

Trong những năm qua, CPU đã có rất nhiều sự cải tiến và nâng cấp đáng kể Mặc dù vậy, nhưng các chức năng cơ bản của CPU vẫn luôn giống nhau với bao gồm ba bước đó là tìm nạp dữ liệu, giải mã các lệnh và cuối cùng là thực thi các kết quả lên CPU

Chức năng chính của CPU là thu nạp các dữ liệu đầu vào từ các kết nối bên ngoài ví dụ như bàn phím, chuột, máy in hoặc các chương trình phần mềm trên máy tính và tiến hành giải mã các dữ liệu và câu lệnh được yêu cầu Và cuối cùng CPU sau đó sẽ xuất các thông tin hiện lên trên màn hình máy tính của bạnhoặc thực hiện các tác vụ được yêu cầu từ những thiết bị và kết nối bên ngoài

2 Cấu trúc của CPU

2.2 Nhiệm vụ của CPU

- Truy xuất lệnh: Bộ xử lý đọc lệnh từ bộ nhớ (thanh ghi, bộ nhớ cache, bộnhớ chính)

- Giải mã lệnh: Lệnh được giải mã để xác định hành động nào được yêu cầu

- Truy xuất dữ liệu: Việc thực thi một lệnh có thể yêu cầu thực hiện một sốphép toán số học hoặc logic trên dữ liệu

- Xử lý dữ liệu: Việc thực thi một lệnh có thể yêu cầu thực hiện một số phéptoán số học hoặc logic trên dữ liệu

- Ghi dữ liệu: Kết thúc việc thực hiện có thể yêu cầu ghi dữ liệu vào bộnhớhoặc module I/O

2.3 Khối số học và logic (ALU)

- Là thành phần thực hiện phép toán số học và logic trên dữ liệu

● Xây dựng từ các linh kiện số đơn giản

● Lưu trữ các chữ số nhị phân và thực hiện các phép toán logicBoolean đơn giản

- Tất cả các bộ phận khác trong hệ thống máy tính đưa dữ liệu tới ALU đểALU xử lý rồi sau đó nhận lại kết quả

2.4 Đơn vị điều khiển (Control Unit)

● Chức năng:

- Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi lệnh

- Tăng nội dung của PC để trở sang lệnh kế tiếp

- Giải mã lệnh đã được nhận để xác định thao tác mà lệnh yêu cầu

- Phát ra các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh

- Nhận các tín hiệu yêu cầu từ bus hệ thống và đáp ứng với các yêucầu đó

Hình 4: Mô hình kết nối CU

o Tín hiệu đến CU

- Clock: tín hiệu nhịp từ mạch tạo dao động bên ngoài.

- Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến để giải mã

- Các cờ từ thanh ghi cờ cho biết trạng thái của CPU

- Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển

o Tín hiệu đi ra từ CPU

- Điều khiển các thanh ghi

- Điều khiển ALU

o Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU

- Được coi là cấp bộ nhớ cao nhất trong hệ thống phân cấp

- Số lượng thanh ghi nhiều tăng hiệu năng của CPU➩

2.5.1 Thanh ghi hiển thị với người dùng:

- Được tham chiếu bằng ngôn ngữ máy và CPU thực hiện

- Phân loại theo chức năng

● Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ hoặc dữ liệu

● Thanh ghi dữ liệu: chứa tạm thời dữ liệu, không được sửdụng trong tính toán địa chỉ toán hạng

● Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của ngăn nhớ hay cổngvào/ra

● Thanh ghi mã điều kiện (trạng thái): Còn gọi là thanh ghi cờ(flag)

● Là các bit do phần cứng của bộ xử lý đặt theo kết quả hoạtđộng

2.5.1.1 Thanh ghi đa năng

- Có thể được lập trình viên gán cho nhiều chức năng khác nhau

- Có thể được sử dụng cho dữ liệu hoặc định địa chỉ

- So sánh thanh ghi đa năng và chuyên dụng

● Đa năng:

- Tăng lựa chọn cho lập trình viên và linh hoạt

- Tăng độ phức tạp và kích thước lệnh

 Chuyên dụng:

- Lệnh nhỏ hơn, nhanh hơn

- Ít linh hoạt hơn

2.5.1.2 Thanh ghi địa chỉ

- Con trỏ dữ liệu DP (Data Pointer)

- Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer)

- Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số (Base Register & Index Register)

2.5.2 Thanh ghi điều khiển và trạng thái

- Bốn thanh ghi cần thiết để thực thi lệnh

 Bộ đếm chương trình (PC): chứa địa chỉ của lệnh sắp được truyxuất

 Thanh ghi lệnh (IR): bao gồm hướng dẫn được truy xuất gần đâynhất

 Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (MAR): chứa địa chỉ của một vị trí trong

3 Các thông số cơ bản

3.1 Clock Speed: Tốc độ xung nhịp

Tốc độ xung nhịp (Clock Speed) là tốc độ mà CPU hoạt động Tốc độ nàythường được đo với đơn vị GHz (Gigahertz) Xung nhịp càng cao thì tốc độ xử lýcàng nhanh chóng Hầu hết các bộ vi xử lý trên máy tính, laptop hiện nay đều cókhả năng tự điều chỉnh xung nhịp để phù hợp với các tác vụ, các lệnh cần thựchiện và tương ứng với nhiệt độ của máy tính Do đó, bạn có thể thấy trong thông

số của máy tính, laptop thường có chỉ số xung nhịp tối thiểu và tối đa của CPU

3.2 Turbo Speed: Tốc độ xung nhịp tối đa

Tốc độ xung nhịp tối đa (Turbo Speed) là xung nhịp CPU có thể đạt đượckhi ép xung Mặc dù việc này có thể tăng tốc CPU lên gần như gấp đôi song lại cómột số ảnh hưởng cho thiết bị Bạn nên tìm hiểu máy tính nào có thể ép xung được trước khi áp dụng cho thiết bị của mình

3.3 Core: Số nhân

Mỗi loại CPU đều được cấu tạo từ nhiều nhân, còn gọi là core Trong đó

mỗi nhân là một đơn vị độc lập với các chức năng xử lý các dải chỉ dẫn của hệthống khác nhau Các nhân trong CPU có thể tự sắp xếp và phân chia công việc,nhờ đó hệ thống có thể xử lý và chạy nhiều ứng dụng cùng lúc Nhờ vậy, nếu CPU

có càng nhiều nhân thì khả năng xử lý sẽ tốt hơn, hỗ trợ tối ưu công việc, tác vụ từngười dùng

3.4 Thread: Số luồng

Luồng (Thread) có chức năng chia sẻ dữ liệu với các luồng khác trong cùngmột tiến trình Luồng hỗ trợ các chương trình xử lý được nhiều công việc hơntrong cùng một thời điểm

3.5 Socket: Chân cắm

Nhiều người mua máy tính thường ít quan tâm đến vấn đề này, tuy

nhiên chân cắm (Socket) có vai trò rất quan trọng và cần lưu ý đặc biệt Chân cắmđóng vai trò như mối nối bộ vi xử lý với mainboard, đồng thời cố định vị trí củacon chip Nhờ vậy, dù bạn có xê dịch PC, laptop thì con chip vẫn có thể giữnguyên vị trí Ngoài việc lạ mối nối, chân cắm còn là phương tiện truyền dữ liệugiữa CPU và mainboard

- Giải nghĩa opcode

- Truy xuất toán hạng

- Thực hiện lệnh

- Cất toán hạng

● Ngắt

- Nếu CPU cho phép ngắt và nhận được tín hiệu ngắt, lưu trạng thái xử lý hiện tại và phục vụ ngắt đó

Có thể cần truy cập bộ nhớ để truy xuất toán hạng

Địa chỉ gián tiếp thì cần nhiều truy cập bộ nhớ hơn

Có thể coi việc truy xuất địa chỉ gián tiếp như một giai đoạn khác trong chu kỳlệnh

Hình 6 Sơ đồ chu trình lệnh

Hình 7 Sơ đồ trạng thái chu kỳ lệnh

4.1 Luồng dữ liệu, chu kì truy xuất

● PC chứa địa chỉ của lệnh tiếp theo

● Địa chỉ chuyển đến MAR

● Địa chỉ đặt lên bus địa chỉ

● Khối điều khiển gửi yêu cầu một lần đọc bộ nhớ

● Kết quả được đặt trên bus dữ liệu, sao chép vào MBR rồi chuyển tới IR

● PC được tăng lên 1

Hình 8 Sơ đồ chu kỳ truy xuất

4.2 Chu kì thi hành

● Giải mã lệnh:

- Lệnh từ thanh ghi lệnh IR được đưa đến CU

- CU giải mã lệnh để xác định thao tác phải thực hiện

● Truy xuất dữ liệu: tương tự truy xuất lệnh

Thi hành lệnh:

- Có nhiều hình thức, phụ thuộc vào opcode

- Có thể bao gồm:

+ Đọc hoặc ghi bộ nhớ

+ Vào/ra

+ Truyền dữ liệu giữa các thanh ghi

+ Hoạt động của ALU

4.3 Luồng dữ liệu, chu kì gián tiếp

● Kiểm tra nội dung của IR

● Nếu địa chỉ gián tiếp thì thực hiện chu kỳ gián tiếp

- N bit ngoài cùng bên phải của MBR chuyển tới MAR

- khối điều khiển yêu cầu một lần đọc bộ nhớ

- Chuyển toán hạng mong muốn vào MBR

Hình 9 Sơ đồ chu kì gián tiếp

4.4 Luồng dữ liệu, chu kì ngắt

● PC hiện tại được lưu lại để có thể tiếp tục hoạt động sau ngắt → Nội dung của

PC chuyển sang MBR

● Vị trí bộ nhớ đặc biệt (VD: con trỏ ngăn xếp) được nạp vào MAR

● MBR ghi vào bộ nhớ

● Địa chỉ của trình xử lý ngắt được nạp vào PC

● Lệnh tiếp theo (lệnh đầu tiên trong xử lý ngắt) được truy xuất

Hình 10 Sơ đồ chu kỳ ngắt

Tóm tắt: Qua chương 2, nhóm biết được các chức năng chính cũng như thành

phần của CPU Bên cạnh đó, nhóm còn được tìm hiểu về cách hoạt động củaCPU

Chương Ⅲ Bài tập về Assembly

1 Tổng quan về ngôn ngữ Assembly

Ngôn ngữ assembly (còn gọi là hợp ngữ) là một ngôn ngữ bậc thấp được dùng trongviệc viết các chương trình máy tính Ngôn ngữ assembly sử dụng các từ có tính gợinhớ, các từ viết tắt để giúp ta dễ ghi nhớ các chỉ thị phức tạp và làm cho việc lập trìnhbằng assembly dễ dàng hơn Mục đích của việc dùng các từ gợi nhớ là nhằm thay thếviệc lập trình trực tiếp bằng ngôn ngữ máy được sử dụng trong các máy tính đầu tiênthường gặp nhiều lỗi và tốn thời gian

Một chương trình viết bằng ngôn ngữ assembly được dịch thành mã máy bằng mộtchương trình tiện ích được gọi là assembler (một chương trình assembler khác với mộttrình biên dịch ở chỗ nó chuyển đổi mỗi lệnh của chương trình assembly thành mộtlệnh.) Các chương trình viết bằng ngôn ngữ assembly liên quan rất chặt chẽ đến kiếntrúc của máy tính Điều này khác với ngôn ngữ lập trình bậc cao, ít phụ thuộc vàophần cứng

Trước đây ngôn ngữ assembly được sử dụng khá nhiều nhưng ngày nay phạm vi sửdụng khá hẹp, chủ yếu trong việc thao tác trực tiếp với phần cứng hoặc làm các côngviệc không thường xuyên Ngôn ngữ này thường được dùng cho trình điều khiển(tiếng Anh: driver), hệ nhúng bậc thấp (tiếng anh: low-level embedded system) và các

hệ thời gian thực Những ứng dụng này có ưu điểm là tốc độ xử lí các lệnh assemblynhanh

Mặc dù vậy việc lập trình hợp ngữ lại giúp chúng ta thấy rõ hơn mối quan hệ giữa cácthành phần chức năng bên trong máy tính và hệ điều hành Ngoài ra, còn giúp chúng

ta hiểu rõ hơn về kiến trúc máy tính, tổ chức hoạt động bên trong máy tình và hệ điềuhành

2 Demo chương trình Assembly