Bộ vi xử lý máy tính CPU

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. CPU là thành phần quan trọng nhất trong máy tính, là trung tâm xử lý và điều khiển mọi hoạt động của hệ thống, là một mạch tích hợp được tạo thành từ nhiều bóng bán dẫn (transistor).

BÀI 3: BỘ VI XỬ LÝ – CPU (CENTRAL PROCESSING UNIT) I - TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ 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. CPU là thành phần quan trọng nhất trong máy tính, là trung tâm xử lý và điều khiển mọi hoạt động của hệ thống, là một mạch tích hợp được tạo thành từ nhiều bóng bán dẫn (transistor). Chip vi xử lý đầu tiên là chip 4004 của hãng Intel (năm 1971). • Chức năng của vi xử lý: Điều khiển tất cả mọi hoạt động của máy tính từ các công việc như: tính toán, xử lý dữ liệu… đến các quá trình truy xuất, trao đổi thông tin với các thành phần khác trong hệ thống theo những chương trình được thiết lập sẵn. • Phân loại vi xử lý o Phân loại theo mục đích sử dụng: − Dùng cho các máy tính di động (Laptop, PDA…): thiết kế nhỏ gọn, hoạt động ở mức điện áp và xung clock thấp. − Dùng cho máy tính để bàn (Desktop Computer): thiết kế lớn, tốc độ xung clock cao, hệ thống tản nhiệt lớn. − Dùng cho máy trạm và máy chủ (Workstation, Server): có yêu cầu kỹ thuật khắc khe do phải vận hành liên tục trong thời gian dài với cường độ lớn o Phân loại theo kiến trúc thiết kế: − Netburst: Willamette, Northwood, Prescott, Presscott-2M, Smithfield, Cedar Mill, Presler − P6M/Banias: Banias, Dothan, Dothan533, Yonah − Core/Penryn: Conroe, Wolfdale, Kentsfield, Yorkfield − Nehalem/ Westmere, Gesher − Sandy Bridge o Phân loại theo công nghệ chế tạo: − Nhờ vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật mà vi xử lý ngày càng được cải tiến và thu nhỏ kích thước. − Ví dụ: công nghệ 130nm/ 90nm/ 65nm/ 45nm/ 32nm/ 22nm… • Các nhà sản xuất vi xử lý • Intel • Dòng Intel® Core ™ , Intel® Pentium®, Intel® Celeron® dùng cho máy để bàn, Laptop và Notebook. • Dòng Intel® Xeon ™ , Intel® Itanium ™ , dùng cho các máy chủ, máy trạm. 1 Một số vi xử lý của Intel  FAN vi xử lý của Intel • AMD (Advanced Micro Devices) • Dòng Phenom™, Athlon™, Sempron™ dùng cho máy để bàn. • Dòng Turion™ 64 X2 Dual-Core Mobile Technology, Athlon 64 X2, Mobile AMD Sempron dùng cho Laptop, Notebook. • Dòng Athlon MP, Opteron™ dùng cho máy chủ, máy trạm. Một số vi xử lý của AMD  FAN vi xử lý của AMD • Một số nhà sản xuất khác • Cyrix 2 • IDT • Rise • VIA • Motorola… II - CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 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. • Cấu tạo của vi xử lý Cấu tạo CPU • Control Unit (CU): Khổi điều khiển, điều khiển hoạt động của CPU và các thành phần khác: - Đọc lệnh từ chương trình trong bộ nhớ chính (instruction fetch). - Giải mã lệnh (instruction decode). - Thực thi lệnh đã giải mã một cách tuần tự (instruction excution). • Arithmetic Logic Unit (ALU): Khối tính toán, thực hiện các phép toán số học và logic - Các phép toán số học: +,-,*,/. - Các phép toán logic: NOT, AND, OR,… - Các phép so sánh. • Floating Point Unit (FPU) : Đơn vị tính toán số học dấu phảy động. • Register: Thanh ghi, lưu trữ toán hạng, kết quả và các thông số khác trong quá trình tính toán của CPU. Bao gồm: 3 - Con trỏ chương trình (PC - Program Counter). - Các thanh ghi đa chức năng. - Thanh ghi chỉ số (index register). - Thanh ghi cờ (flag register). • Cache L1: bộ nhớ đệm cấp 1 – nơi lưu trữ các dữ liệu nằm chờ các ứng dụng hay phần cứng xử lý.Mục đích của nó là để tăng tốc độ xử lý • Cache L2: bộ nhớ đệm cấp 2. • Bộ giải mã: Giải mã các lệnh, giải mã địa chỉ truy cập vào bộ nhớ. • IO – BUS Unit: kết nối và trao đổi thông tin giữa Bus bên trong và Bus bên ngoài CPU. • Nguyên lý hoạt động o Giai đoạn nạp: đọc các lệnh của chương trình và dữ liệu cần thiết vào bộ xử lý. o Giai đoạn giải mã: xác định mục đích của lệnh và chuyển nó đến phần cứng tương ứng. o Giai đoạn thực thi: thực hiện các lệnh và dữ liệu đã được nạp sẵn. o Giai đoạn hoàn tất: lấy kết quả của giai đoạn thực thi đưa vào thanh ghi của bộ xử lý hay bộ nhớ chính. Quá trình tìm kiếm thông tin của CPU Vi xử lý thực hiện việc xử lý theo phương pháp truy cập bộ nhớ trực tiếp ( DMA: Direct Memory Access). Vi xử lý của AMD thì ngay bên trong cấu trúc đã có tích hợp bộ điều khiển bộ nhớ giúp truy cập trực tiếp dữ liệu mà không cần thông qua chipset theo dạng điểm đến điểm (Hyper Transport Technology).Vi xử lý của Intel và các hãng khác, việc truy xuất trực tiếp không thông qua bộ điều khiển trên chipset. Khi đó dữ liệu được truyền trực tiếp đến vi xử lý. • ĐẶC TRƯNG CỦA VI XỬ LÝ Mỗi vi xử lý đều có những đặc trưng và các thông số kỹ thuật khác nhau. Tuy nhiên khi đề cập đến vi xử lý chúng ta thường quan tâm đến một số yếu tố sau đây: − Tốc độ làm việc (đơn vị đo Ghz) 4 − BUS (FSB) − Bộ nhớ đệm (Cache) o Cache L1, L2 o L3 − Tập lệnh (Intructions Set) − Độ rộng Bus − Điện áp hoạt động − Socket/ slot III - CÔNG NGHỆ CỦA VI XỬ LÝ • Hyper Threading Technology: Siêu phân luồng Công nghệ mô phỏng một CPU vật lý như hai CPU luận lý, sử dụng tài nguyên vật lý được chia sẻ và có cấu trúc chung giống nhau. Hệ điều hành và chương trình ứng dụng hoạt động trên cả hai CPU logic giúp tốc độ xử lý trung bình nhanh hơn so với một CPU vật lý. • Dual Core, Quad Core: Đa nhân 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 việc riêng biệt không liên quan đến nhân còn lại. • Intel Extended Memory 64 Technology (EM64T) 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 hay 16ExaBytes). • Intel Virtualization Technology: Công nghệ ảo hóa Công nghệ ảo hóa cho phép nhiều OS khác nhau chạy trên cùng một nền tảng phần cứng mà không bị xung đột. Giúp cải thiện khả năng quản lý, hạn chế thời gian không hoạt động và tận dụng tối đa hiệu suất của CPU. Công nghệ ảo hóa khác với chế độ multi-boot của hệ thống Multi boot: chỉ cho phép 1 OS hoạt động tại 1 thời điểm. Công nghệ ảo hóa: cho phép chạy nhiều OS cùng một lúc. Những CPU có hỗ trợ công nghệ ảo hóa: Intel® vPro™, Intel® Xeon®, Intel® Itanium®. • AMD HTT (Hyper TransportTM™ Technology) Công nghệ rút ngắn khoảng cách giữa CPU với chip cầu bắc và các thành phần khác trên mainboard. Hyper Transport™ Technology cung cấp các kết nối có tốc độ cực nhanh và độ trễ nhỏ theo kiểu điểm đến điểm giữa CPU và các thành phần trên mainboard thông qua Hyper Transport bus. • Và một số công nghệ khác như: Enhanced Intel SpeedStep, Execute Disable Bit… IV - CÁC THẾ HỆ VI XỬ LÝ Vi xử lý được chia làm 8 thế hệ với các đặc trưng và thông số kỹ thuật khác nhau tuỳ thuộc vào công nghệ và giai đoạn phát triển. • Vi xử lý thế hệ thứ 1: 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. 5 • Vi xử lý thế hệ thứ 2: 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 3: 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 4: − 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 5: 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 6: 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.  2 dòng vi xử lý đặc trưng ở thế hệ này: 6  Intel Celeron: Thích hợp cho các công việc văn phòng, gọn nhẹ.  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. • Vi xử lý thế hệ thứ 7 − 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"). • Vi xử lý thế hệ thứ 8 − 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.  Một số vi xử lý được sử dụng rộng rãi hiện nay: Intel Pentium 4, Intel Celeron, Intel Dual Core, Intel Core 2 Duo, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7… • CHẨN ĐOÁN VÀ XỬ LÝ SỰ CỐ CPU Sự cố Chẩn đoán Khắc phục Máy hoạt động một lúc thì tự Reset hoặc Shut down. Nguyên nhân chủ yếu là do nhiệt độ của CPU quá cao hoặc nguồn cung cấp không ổn định. Kiểm tra bộ phận tản nhiệt, keo tản nhiệt, nguồn điện. Sau khi lắp CPU, bật máy lên thì màn hình thông báo: “CPU Intel Ucode loading Error” và yêu cầu nhấn phím F1 để tiếp tục. Nếu nhấn F1 mà máy hoạt động bình thường thì nguyên nhân là do mainboard có hỗ công nghệ Hyper Threading nhưng BIOS lại chưa hỗ trợ. Nâng cấp BIOS. Nếu nhấn F1 mà máy vẫn báo lỗi thì do mainboard không có s/p công nghệ Intel Hyper-Threading. Thay CPU khác mà mainboard có hỗ trợ (xem trong User Guide hoặc vào Website.) Hệ thống không có bất kỳ tín hiệu gì khi khởi động. Do gắn CPU sai vị trí, BIOS không hỗ trợ, mainboard không hỗ trợ. Kiểm tra lại CPU, xem thêm User Guide để biết thêm thông tin về CPU mà mainboard hỗ trợ. Hệ thống hiển thị câu thông báo: “Math Coprocessor Failure”. Lỗi do hỏng ALU. Thay thế CPU khác. 7 Máy tính hoạt động chậm, vào System Properties thấy tốc độ CPU nhỏ hơn tốc độ ghi trên nhãn. Thiết lập hệ số nhân của CPU trong CMOS không chính xác. Vào CMOS để hiệu chỉnh lại cho phù hợp. BÀI TẬP KIỂM TRA − CPU AMD K6 là sản phẩm của nhà sản xuất? − Bộ nhớ đệm trong vi xử lý được gọi là? − Khi lựa chọn CPU, ta cần quan tâm tới các thông số kỹ thuật nào? − Itanium 2 là thế vi xử lý dùng cho loại máy tính? − FPU là đơn vị xử lý? − Sự khác biệt cơ bản giữa dòng Celeron và Pentium là? − Sự khác biệt cơ bản giữa dòng Dual Core và Core 2 Duo? 8 . ngày 1 9-1 0-1 992, CPU Pentium tương thích hoàn toàn với các CPU của Intel trước đó. − CPU Pentium có 32 bit bus và 64bit data giúp cho CPU di chuyển lượng dữ liệu gấp đôi so với các CPU thế. trong quá trình tính toán của CPU. Bao gồm: 3 - Con trỏ chương trình (PC - Program Counter). - Các thanh ghi đa chức năng. - Thanh ghi chỉ số (index register). - Thanh ghi cờ (flag register). •. hiệu năng cao. − Itanium là CPU đầu tiên của Intel có cấu trúc 64bit được giới thiệu vào ngày 2 1-5 -2 001. − Itanium 2 là CPU dành cho server được giới thiệu vào tháng 6-2 002.  Một số vi xử lý được