Bộ vi xử lý (CPU) doc

BỘ VI XỬ LÝ (CPU) I. Lịch sử phát triển của CPU I.1. CPU là gì ? CPU (Central Processing Unit) được gọi là microprocessor hay processor – là một đơn vị xử lý trung tâm, được xem như não bộ, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi tính I.2. CPU ra đời từ đâu ? Trong lịch sử phát triển của mình, chiếc máy tính đã phát triển từ một chiếc máy chữ đơn thuần thành một thiết bị đóng vai trò căn bản trong phương thức mà hàng triệu con người chúng ta làm việc, liên lạc, học tập, giải trí và còn nhiều mô hình sử dụng khác nữa. Việc giới thiệu chiếc máy tính cá nhân IBM đầu tiên năm 1981 đã đánh dấu một bước ngoặt cơ bản trong ngành công nghiệp điện toán. I.3. Giai đọan phát triển của CPU I.3.1. Thập niên 70 Đây là dòng sản phẩm đầu tiên do Intel phát triển dùng cho các máy PC. IBM chính là nhà sản xuất máy tính cá nhân đầu tiên sử dụng loại CPU này. Những CPU tiêu biểu là seri 8086 (sản xuất năm 1978) và seri 8088 (sản xuất năm 1979) có thể truy cập được 1MB bộ nhớ. Vi xử lý thế hệ thứ 1 I.3.2. Thập niên 80 Được giới thiệu năm 1982, CPU 80286 của Intel một lần nữa đã khẳng định được vị thế của mình. Nhờ tính tương thích với những CPU của thế hệ trước nên những chương trình viết trước đó đều hoạt động bình thường trên CPU 80286 Vi xử lý thế hệ thứ 2 Là bước tiến quan trọng trong việc chuyển đổi cách xử lý các số liệu từ dạng 16bit thành dạng 32bit. CPU 80386 ra đời năm 1985 được thiết kế tối ưu cho các hoạt động tốc độ cao. Sử dụng cho các hệ điều hành cao cấp như Windows 3x và Windows NT với khả năng thực hiện nhiều tác vụ (multitasking) cùng lúc Vi xử lý thế hệ thứ 3 Giảm thời gian thực thi 1 câu lệnh: để hoàn thành 1 câu lệnh đơn giản thì CPU 486 sử dụng trung bình khoảng 2 chu kì xung clock trong khi CPU 386 cần 4 chu kì xung clock. Thiết kế bộ nhớ đệm trong cấu trúc của CPU giúp nâng cao tốc độ xử lý. Bổ sung tính năng “Burst-mode memory cycles” giúp truy xuất bộ nhớ nhanh hơn. Tích hợp bộ xử lý toán học nâng cao hoạt động, đồng thời với bộ xử lý toán học có sẵn nhằm tăng cường khả năng tính toán cho CPU. Vi xử lý thế hệ thứ 4 I.3.3. Thập niên 90 Được thiết kế với những cấu trúc và tính năng mới, điển hình là dòng sản phẩm Pentium của Intel và K5 của AMD. Intel Pentium Processor được giới thiệu vào ngày 19- 10-1992, CPU Pentium tương thích hoàn toàn với các CPU của Intel trước đó. CPU Pentium có 32bit bus và 64bit data giúp cho CPU di chuyển lượng dữ liệu gấp đôi so với các CPU thế hệ trước trong cùng một chu kì. Các CPU Intel Pentium thế hệ này hoạt động với xung clock khá cao (từ 75MHz đến 266MHz) như Pentium I, Pentium II, Pentium MMX. Vi xử lý thế hệ thứ 5 Được bổ sung nhiều chức năng mới hoàn toàn như: Dynamic Execution, Dual Independent Bus. Thế hệ thứ 6 được bắt đầu vào khoảng tháng 11-1995 (Pentium Pro). Kể từ đó, các sản phẩm tiếp theo đều có thiết kế căn bản tương tự như cấu trúc của Pentium Pro. Vi xử lý thế hệ thứ 6 Intel Celeron, Intel Pentium III: được giới thiệu vào tháng 2-1999, bổ sung thêm một số như: xử lý ảnh, đồ họa, xem phim, nghe nhạc, nhận dạng giọng nói. Intel Celeron, Intel Pentium III I.3.4. Thập niên đầu thế kỉ 21 Là thế hệ của CPU Pentium 4 dùng kiến trúc NetBurst do Intel sản xuất. Dòng CPU Pentium kết thúc vào ngày 27 tháng 7 năm 2006 và được thay thể bởi dòng Intel Core (sử dụng nhân "Conroe"). CPU Pentium 4 Đặc trưng của vi xử lý thế hệ này là CPU có khả năng xử lý dữ liệu 64bit. Intel Itanium and Itanium 2: được thiết kế với công nghệ 90nm dùng cho các máy chủ hoặc trạm cần hiệu năng cao. Itanium là CPU đầu tiên của Intel có cấu trúc 64bit được giới thiệu vào ngày 21-5-2001. Itanium 2 là CPU dành cho server được giới thiệu vào tháng 6-2002. Intel Itanium and Itanium 2 AMD Athlon 64 & AMD Athlon 64 FX: là CPU 64bit dành cho máy tính cá nhân thông thường với bộ điều khiển bộ nhớ được tích hợp trong CPU giúp truy xuất dữ liệu trực tiếp vào bộ nhớ với thời gian nhanh nhất. Điểm khác biệt giữa Athlon 64 và Athlon 64 FX là dung lượng cache và độ rộng của bus bộ nhớ. AMD Athlon 64 & AMD Athlon 64 FX II. Các vấn đề liên quan II.1. Khái niệm Vi xử lý được cấu tạo từ nhiều thành phần với các chức năng chuyên biệt, phụ thuộc vào từng nhà sản xuất. Tuy mỗi vi xử lý có thiết kế riêng nhưng tất cả đều có cùng chung một nguyên lý hoạt động. II.2. Cấu tạo CPU: II.2.1. Bộ điều khiển (Control Unit-CU) Là các vi xử lí có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lí,được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống. Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng để đồng bộ các thao tác xử lí trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không đổi.Khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung nhịp.Tốc độ theo đó xung nhịp hệ thống tạo ra các xung tín hiệu chuẩn thời gian gọi là tốc độ xung nhịp - tốc độ đồng hồ tính bằng triệu đơn vị mỗi giây-Mhz. Thanh ghi là phần tử nhớ tạm trong bộ vi xử lý dùng lưu dữ liệu và địa chỉ nhớ trong máy khi đang thực hiện tác vụ với . II.2.2.Bộ số học-logic (Arithmetic Logic Unit-ALU) Có chức năng thực hiện các lệnh của đơn vị điều khiển và xử lý tín hiệu. Theo tên gọi,đơn vị này dùng để thực hiện các phép tính số học(+,-,*,/)hay các phép tính logic(so sánh lớn hơn,nhỏ hơn ) II.2.3.Thanh ghi (Register) Thanh ghi (register) là thành phần lưu trữ dữ liệu bên trong CPU, mỗi thanh ghi có độ dài nhất định (16 bit hoặc 8 bit) và được nhận biết bằng một tên riêng. Tùy vào độ dài và chức năng mà thanh ghi có công dụng chứa dữ liệu hoặc kết quả của phép toán, hoặc là các địa chỉ dùng để định vị bộ nhớ khi cần thiết. Nội dung của thanh ghi được truy xuất thông qua tên riêng của nó, do đó tên thanh ghi là từ khóa quan trọng cần phải lưu ý trong lập trình. CPU-8086 có 16 thanh ghi, mỗi thanh ghi là 16 bit, có thể chia 4 nhóm sau: 1. Thanh ghi đoạn: Gồm 4 thanh ghi 16 bit: CS, DS, ES, SS. Đây là những thanh ghi dùng để chứa địa chỉ đoạn của các ô nhớ khi cần truy xuất. Mỗi thanh ghi đoạn quản lý 1 đoạn tối đa 64K ô nhớ trong bộ nhớ trong. Người sử dụng chỉ được phép truy xuất ô nhớ dựa vào địa chỉ tương đối. CPU (cụ thể là BIU) có nhiệm vụ chuyển đổi địa chỉ tương đối thành địa chỉ tuyệt đối để truy xuất vào ô nhớ tuyệt đối tương ứng trong bộ nhớ. CS: Thanh ghi đoạn mã lệnh, lưu địa chỉ đoạn chứa mã lệnh chương trình của người sử dụng DS: Thanh ghi đoạn dữ liệu, lưu địa chỉ đoạn chứa dữ liệu (các biến) trong chương trình. ES: Thanh ghi đoạn dữ liệu thêm, lưu địa chỉ đoạn chứa dữ liệu thêm trong chương trình. SS: Thanh ghi đoạn ngăn xếp, lưu địa chỉ đoạn của vùng ngăn xếp. CS:Code Segment DS:Data Segment ES:Extra data Segment SS:Stack Segment Thông thường bốn thanh ghi này có thể chứa những giá trị khác nhau, do đó chương trình có thể được truy cập trên bốn đoạn khác nhau và chương trình chỉ có thể truy cập cùng 1 lúc tối đa bốn đoạn. Mặc khác, đối với những chương trình nhỏ, chỉ sử dụng 1 đoạn duy nhất, khi đó cả bốn thanh ghi đều chứa cùng giá trị địa chỉ đoạn, gọi là đoạn chung. 2. Thanh ghi đa dụng (General Register): Bao gồm bốn thanh ghi đa dụng 16 bit (AX, BX, CX, DX). Mỗi thanh ghi đa dụng có thể được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, tuy nhiên từng thanh ghi có công dụng riêng của nó. AX : Là thanh ghi tích lũy cơ bản. Mọi tác vụ vào/ra đều dùng thanh ghi này, tác vụ dùng số liệu tức thời, một số tác vụ chuỗi ký tự và các lệnh tính toán đều dùng thanh AX. BX: Thanh ghi nền dùng để tính toán địa chỉ ô nhớ. CX: Là thanh ghi đếm, thường dùng để đếm số lần trong một lệnh vòng lặp hoặc lệnh xử lý chuổi ký tự. DX: Thanh ghi dữ liệu, thường chứa địa chỉ của một số lệnh vào/ra, lệnh tính toán số học (kể cả lệnh nhân và chia). Mỗi thanh ghi 16 bit có thể chia đôi thành 2 thanh ghi 8 bit. Do đó, CPU-8086 có 8 thanh ghi 8 bit là: AH, AL; BH, BL; CH, CL; DH, DL (thanh ghi AH và AL tương ứng với byte cao và byte thấp của thanh ghi AX, tương tự cho các thanh ghi 8 bit còn lại). Ví dụ: AX = 1234h => AH = 12h, AL = 34h 3. Thanh ghi con trỏ và chỉ số (Pointer & Index register): Chức năng chung của nhóm thanh ghi này là chứa địa chỉ độ dời của ô nhớ trong vùng dữ liệu hay ngăn xếp. SI : Thanh ghi chỉ số nguồn DI : Thanh ghi chỉ số đích BP: Thanh ghi con trỏ nền dùng để lấy số liệu từ ngăn xếp. SP:Thanh ghi con trỏ ngăn xếp luôn chỉ vào đỉnh ngăn xếp. SI:Source Index Reg. DI:Destination Index Reg. BP:Base Pointer Reg. SP:Stack Pointer Reg. SI và DI chứa địa chỉ độ dời của ô nhớ tương ứng trong đoạn có địa chỉ chứa trong DS hoặc ES (dữ liệu, còn gọi là Biến). Còn BP và SP chứa địa chỉ độ dời của ô nhớ tương ứng trong đoạn có địa chỉ chứa trong SS, dùng để thâm nhập số liệu trong ngăn xếp. 4. Thanh ghi Đếm chương trình và thanh ghi trạng thái (Cờ): F:Flag Register. IP:Intrucstion Pointer Reg. II.3. Nguyên lý hoạt động của CPU II.3.1.Điều kiện để CPU họat động • Có điện áp VCORE cấp cho CPU (1) • Có xung Clock (2) • Có tín hiệu CPU_RST# (tín hiệu khởi động CPU từ Chipset bắc) (3) • Có tín hiệu PWR_OK (tín hiệu báo các mạch ổn áp và nguồn ATX đã tốt) (4) • Bốn điều kiện trên trùng với các điều kiện để có tín hiệu Reset hệ thống, vì • vậy khi Mainboard đã có tín hiệu Reset hệ thống thì các điều kiện trên cũng đã có. • Socket kết nối CPU với Mainboard tiếp xúc tốt (5) • CPU có tốc độ BUS được Mainboard hỗ trợ (6) • CPU nạp được chương trình BIOS (7) • Sau khi Mainboard có tín hiệu Reset hệ thống thì cần có thêm ba điều kiện (5), (6), (7) như ở trên để CPU có thể hoạt động. II.3.2.Quá trình nạp Bios và họat động của CPU Nguồn chính của nguồn ATX hoạt động cung cấp các điện áp xuống Mainboard, đồng thời báo tín hiệu P.G (Power Good) xuống mạch Logic của Mainboard. Mạch ổn áp VRM (mạch cấp nguồn cho CPU) hoạt động cung cấp điện áp VCORE cho CPU và báo tín hiệu VRM_GD (tín hiệu báo mạch ổn áp VRM đã tốt) xuống mạch Logic. Mạch Logic (tích hợp trong SIO hoặc Chipset nam hoặc trên IC-Logic) sẽ kiểm tra các tín hiệu báo sự cố trên (các Mainboard đời mới, mạch Logic kiểm tra cả tín hiệu báo về từ mạch ổn áp cho Chipset và RAM), khi nguồn ATX và các mạch ổn áp hoạt động tốt, mạch Logic sẽ cho ra tín hiệu PWRGD_ICH (báo cho Chipset nam tình trạng các mức nguồn đã tốt) Chipset nam cho ra tín hiệu Reset hệ thống khi có đủ các điều kiện cần thiết. Tín hiệu Reset hệ thống (PCI_RST#) sẽ khởi động Chipset bắc và các thành phần khác trên Mainboard Chipset bắc hoạt động và cho ra tín hiệu CPU_RST# để khởi động CPU CPU hoạt động và phát tín hiệu để truy cập BIOS Nạp được chương trình BIOS, CPU sẽ duy trì sự hoạt động, đồng thời nó sử dụng chương trình BIOS để tiếp tục khởi động và kiểm tra các thành phần của máy… II.3.3.Kiểm tra sự họat động của CPU Làm sao để biết CPU có hoạt động hay không và nó hoạt động khi nào là điều mà chúng ta cần biết khi sửa chữa Mainboard. Một điều bạn đã biết (khi đã tìm hiểu các chương trước) là CPU chỉ hoạt động khi đã có xung Clock và có tín hiệu Reset hệ thống, vì Reset hệ thống khởi động Chipset bắc và khi Chipset bắc hoạt động mới tạo tín hiệu khởi động CPU. II.3.3.1. Phương pháp kiểm tra sự họat động của CPU Gắn CPU vào Mainboard, gắn tạm toả nhiệt cho CPU, lưu ý – BUS của CPU phải được Main hỗ trợ. Cấp nguồn cho Mainboard, gắn cả rắc 20 pin và rắc 4 pin để cấp nguồn cho mạch ổn áp VRM. Gắn Card Test Main vào khe PCI Bật công tắc và quan sát: Trước tiên đèn CLK phải sáng => cho biết xung Clock tốt. Sau đó đèn RST phải sáng rồi tắt => cho biết tín hiệu Reset hệ thống tốt. Tiếp theo bạn quan sát đèn OSC và BIOS, nếu hai đèn này sáng => Cho ta biết CPU đã hoạt động và đã nạp được chương trình BIOS (hai đèn OSC và BIOS thường cùng sáng hoặc cùng tắt) II.3.3.2. Nguyên nhân CPU không họat động( khi đã có tín hiệu Reset hệ thống) • Khi Mainboard đã có tín hiệu Reset hệ thống mà CPU vẫn không hoạt động (kiểm tra thấy đèn OSC và BIOS tắt) là do những nguyên nhân sau đây. • CPU có BUS không được Mainboard hỗ trợ • Socket kết nối CPU bị hỏng (có chân không tiếp xúc) • Chân IC – ROM BIOS tiếp xúc không tốt • Lỗi chương trình BIOS • Chipset bắc hỏng hoặc bong chân II.4. Tốc độ xử lý của CPU Tốc độ xử lý của máy tính phụ thuộc vào tốc độ của CPU, nhưng nó cũng phụ thuộc vào các phần khác (như bộ nhớ trong, RAM, hay bo mạch đồ họa). Có nhiều công nghệ làm tăng tốc độ xử lý của CPU. Ví dụ công nghệ Core hay Nehalem. Tốc độ CPU có liên hệ với tần số đồng hồ làm việc của nó (tính bằng các đơn vị như MHz, GHz, ). Đối với các CPU cùng loại tần số này càng cao thì tốc độ xử lý càng tăng. Đối với CPU khác loại, thì điều này chưa chắc đã đúng; ví dụ CPU Core 2 Duo có tần số 2,6GHz có thể xử lý dữ liệu nhanh hơn CPU 3,4GHz một nhân. Tốc độ CPU còn phụ thuộc vào bộ nhớ đệm của nó, ví như Intel Core 2 Duo sử dụng chung cache L2 (shared cache) giúp cho tốc độ xử lý của hệ thống 2 nhân mới này nhanh hơn so với hệ [...]... Bloomfield và Lynnfield, Core i7 bao gồm những bộ xử lý cho máy để bàn mới nhất những CPU này được coi là bộ xử lý hiện đại nhất và nhanh nhất của Intel Những bộ xử lý 45nm này dựa trên vi cấu trúc Nehalem của intel, có những tính năng như Hyper-Threading, cho phép chip thực thi 8 luồng dữ liệu cùng lúc trên 4 nhân xử lý, quản lý điện năng tốt hơn và mạch điều khiển bộ nhớ tích hợp Gia đình Core i7 dành cho... diện nối tiếp PCI Express thực hiện vi c truyền dữ liệu đi kèm theo xung nhịp đồng hồ , QPI có Đồng hồ truyền bằng liên kết tín hiệu khác khác với phương thức truyền dữ liệu trong Bus Serial Như vậy phương thức truyền dữ liệu của QPI cũng tương tự như HyperTransport của AMD Cũng bằng cách như vậy những bộ vi xử lí chuyên dụng đều sử dụng phương thức như vậy như bộ vi xửl í Cell trong PS3 , XCPU trong... cache L2 riêng biệt (Bộ nhớ đệm dùng để lưu các lệnh hay dùng, giúp cho vi c nhập dữ liệu xử lý nhanh hơn) Hiện nay công nghệ sản xuất CPU mới nhất là 32nm Tháp so sánh tốc độ CPU II.5 Bus và Bus hệ thống: II.5.1.Bus Mục đích chính của Bus là lưu thông, vận chuyển tín hiệu, dữ liệu Trong máy tính, người ta coi bus như kênh, tuyến – đường dẫn nội bộ để truyền tín hiệu từ bộ phận này sang bộ phận khác trong... CPU vật lý Multi–core Công nghệ chế tạo vi xử lý có 2 lõi vật lý thực sự (nhân) hoạt động song song với nhau, mỗi nhân sẽ đảm nhận những công vi c riêng biệt không liên quan đến nhân còn lại DUAL CORE QUAD CORE Extended memory 64 technology EM64T là công nghệ mã hoá địa chỉ có độ dài 64-bit (phiên bản nâng cấp trong cấu trúc IA-32), cho phép CPU truy cập bộ nhớ có dung lượng lớn (2^64 bit = 17179869184Gb... Bloomfield, gồm 2 bộ xử lý có tốc độ xung nhịp lần lượt là 3.2 GHz và 3.33 GHz Đây là những CPU dành riêng cho các game như Call of Duty hay Crysis và các nhà thiết kế đồ họa, đem lại môi trường thực hơn cho game thủ và những nhà thiết kế đồ họa hay media Ngoài ra Intel cũng có CPU Core i7 cho máy xách tay với mật danh Clarksfield Intel đã mới thông báo chính thức cho ra mắt những bộ vi xử lí này Core... Electronics) thành lập năm 1968 tại Santa Clara, California, Hoa Kỳ Intel sản xuất các sản phẩm như chip vi xử lý cho máy tính, bo mạch chủ, ổ nhớ flash, cạc mạng và các thiết bị máy tính khác 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 III.1.2 Phân loại Core i7, Core i5, Core i3, Core 2, Core 2 Duo, Pentium D, Core Duo... hóa cũng đóng vai trò quan trọng trong một nhà máy sản xuất Các mẻ wafer được giữ sạch cũng như được xử lý nhanh và hiệu quả khi chúng đi qua các bình đựng có cửa mở về phía trước (FOUP) Mỗi FOUP được gắn nhãn có mã vạch xác định các thành phần được sử dụng để sản xuất chip Nhãn này đảm bảo vi c xử lý chính xác ở mỗi bước trong quy trình sản xuất Tại nhà máy 300 mm, một FOUP chứa tới 25 tấm wafer và... hóa cũng đóng vai trò quan trọng trong một nhà máy sản xuất Các mẻ wafer được giữ sạch cũng như được xử lý nhanh và hiệu quả khi chúng đi qua các bình đựng có cửa mở về phía trước (FOUP) Mỗi FOUP được gắn nhãn có mã vạch xác định các thành phần được sử dụng để sản xuất chip Nhãn này đảm bảo vi c xử lý chính xác ở mỗi bước trong quy trình sản xuất Tại nhà máy 300 mm, một FOUP chứa tới 25 tấm wafer và... hệ thống tín hiệu Vi phân , cùng với hai dây cho Xung đồng hồ tổng cộng là 42 dây dẫn ( 20 x 2 + 2 ) cho kiểu Full-Width Mỗi thiết bị có bộ phận Thu và Phát riêng biệt vì thế một liên kết sẽ là 84 chân kết nối So với 150 chân của FSB 64-bit của Intel cũ khi QPI gần như giảm đi hơn một nửa Như vậy độ phức tạp của dây dẫn kết nối giữa những liên kết giảm đi đáng kể II.6 Bộ nhớ Cache Bộ nhớ đệm nhanh... sản xuất chip (Fab) Trong các cơ sở sản xuất tinh vi này, Intel chế tạo chip trong những khu vực đặc biệt được gọi là Phòng sạch Do các phần tử không nhìn thấy hoặc bụi bẩn có thể phá hỏng mạch điện phức tạp trên chip, không khí trong phòng sạch cũng phải "siêu" sạch (gấp hàng nghìn lần độ sạch của phòng mổ trong bệnh vi n) Nhân vi n kỹ thuật mặc những bộ quần áo đặc biệt, thường được gọi là "trang phục . Lynnfield, Core i7 bao gồm những bộ xử lý cho máy để bàn mới nhất. những CPU này được coi là bộ xử lý hiện đại nhất và nhanh nhất của Intel. Những bộ xử lý 45nm này dựa trên vi cấu trúc Nehalem của. BỘ VI XỬ LÝ (CPU) I. Lịch sử phát triển của CPU I.1. CPU là gì ? CPU (Central Processing Unit) được gọi là microprocessor hay processor – là một đơn vị xử lý trung tâm, được xem như não bộ, . clock. Thiết kế bộ nhớ đệm trong cấu trúc của CPU giúp nâng cao tốc độ xử lý. Bổ sung tính năng “Burst-mode memory cycles” giúp truy xuất bộ nhớ nhanh hơn. Tích hợp bộ xử lý toán học nâng