Tìm hiểu về cách làm việc của CPU

Tìm hiểu cách làm việc CPU Tuy vi xử lý có thiết kế riêng tất có nguyên lý chung – thứ mà muốn giới thiệu đến bạn Chúng giới thiệu đến kiến trúc CPU chung để bạn hiểu thêm sản phẩm Intel AMD khác chúng CPU (Central Processing Unit) – gọi microprocessor hay processor – đơn vị xử lý liệu trung tâm Cách xử lý liệu hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình viết từ trước Chương trình nói chung bảng tính, xử lý từ hay game đó: với CPU điều khác biệt điểm này, không hiểu chương trình thực Nó tuân theo thứ tự (được gọi lệnh hay lệnh) có bên chương trình Khi bạn kích đúp vào biểu tượng để chạy chương trình xảy là: Chương trình lưu bên ổ đĩa cứng đưa vào nhớ RAM Ở chương trình loạt lệnh CPU CPU sử dụng mạch phần cứng gọi memory controller để tải liệu chương trình từ nhớ RAM Lúc liệu bên CPU xử lý Những diễn phụ thuộc vào chương trình vừa nạp CPU tiếp tục tải thực thi chương trình thực công việc với liệu xử lý, việc hiển thị kết thực lên hình Hình 1: Dữ liệu lưu đưa vào CPU Trước đây, CPU điều khiển truyền tải liệu ổ đĩa cứng nhớ RAM Vì ổ đĩa cứng thường có tốc độ truy cập thấp so với nhớ RAM nên làm chậm chung cho hệ thống, CPU bận liệu truyền tải từ ổ đĩa cứng vào nhớ RAM Phương pháp gọi PIO, Processor I/O (hay Programmed I/O) Ngày nay, truyền tải liệu ổ đĩa cứng nhớ RAM thực mà không sử dụng đến CPU, làm cho hệ thống hoạt động nhanh Phương pháp gọi bus mastering hay DMA (Direct Memory Access) Để đơn giản hóa cho hình vẽ, không đưa vào chip cầu nối (được gọi north bridge chip) ổ đĩa cứng nhớ RAM hình 1, nhiên có chip vị trí nối Các vi xử lý AMD dựa sockets 754, 939 940 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Athlon 64 FX, Opteron số mô hình Sempron) có memory controller nhúng bên Điều có nghĩa với vi xử lý này, CPU truy cập nhớ RAM cách trực tiếp mà không sử dụng north bridge chip thể hình Để hiểu tốt vai trò chipset máy tính, bạn nên tham khảo thêm hướng dẫn nói chipset Clock Clock tín hiệu sử dụng để đồng hóa thứ bên máy tính Hãy xem hình 2, xung clock điển hình: xung hình vuông biến thiên mức “0” “1” với tốc độ cố định Trên hình vẽ bạn thấy chu kỳ xung clock Bắt đầu chu kỳ tín hiệu clock biến thiên từ “0” lên “1”; đánh dấu mũi tên Tín hiệu clock đo theo đơn vị có tên gọi Hertz (Hz), số chu kỳ clock giây đồng hồ Một xung clock 100MHz có nghĩa giây đồng hồ có 100 triệu chu kỳ xung nhịp Hình 2: Tín hiệu xung clock Trong máy tính, tất định thời đo dạng chu kỳ clock Ví dụ, nhớ RAM có độ trễ “5” điều có nghĩa giữ chậm chu kỳ xung nhịp để thực công việc cung cấp liệu Trong CPU, tất lệnh giữ chậm số chu kỳ xung clock để thực thi Ví dụ, lệnh giữ chậm đến chu kỳ xung clock để thực thi xong Với CPU, điều thú vị biết chu kỳ xung clock mà lệnh cần, biết điều giữ bảng liệt kê thông tin Chính có hai lệnh thực thi biết lệnh giữ chậm chu kỳ xung clock để thực thi tự động thực thi lệnh vào chu kỳ clock thứ Rõ ràng cách lý giải chung cho CPU với khối thực thi – vi xử lý đại có số khối thực thi làm việc song song thực thi lệnh thứ hai thời điểm với lệnh đầu Điều gọi kiến trúc “superscalar”, kỹ kiến trúc phần sau Vậy clock phải thực với hiệu xuất? Nghĩ clock hiệu suất thứ khái niệm hoàn toàn sai vi xử lý Nếu bạn so sánh hai CPU giống nhau, CPU chạy tốc độ clock cao nhanh Trong trường hợp này, với tốc độ clock cao hơn, thời gian chu kỳ clock ngắn hơn, công việc thực thi tốn thời gian hiệu xuất cao Tuy nhiên so sánh hai bộ vi xử lý khác điều hoàn toàn không Nếu bạn lấy hai vi xử lý có kiến trúc khác – ví dụ, khác nhà sản xuất Intel AMD – thứ bên hai CPU hoàn toàn khác Như đề cập, lệnh cần đến số chu kỳ clock định để thực thi Chúng ta nói vi xử lý “A” cần đến chu kỳ clock để thực thi lệnh vi xử lý “B” cần chu kỳ clock để thực lệnh tương tự Nếu chúng chạy với tốc độ clock vi xử lý “B” nhanh hơn, xử lý lệnh tốn thời gian Với CPU đại, có nhiều vấn đề cần phải xem xét đến hiệu xuất này, CPU có số lượng khối thực thi khác nhau, kích thước cache khác nhau, cách truyền tải liệu bên CPU khác nhau, cách xử lý lệnh bên khối thực thi tốc độ clock khác với giới thực bên ngoài,… Tuy nhiên bạn không cần phải lo lắng điều đó, giới thiệu chúng hướng dẫn Khi tín hiệu clock vi xử lý cao có vấn đề mà gặp phải Bo mạch chủ, nơi mà vi xử lý cài đặt làm việc cách sử dụng tín hiệu clock Nếu xem bo mạch chủ, bạn thấy số đường rãnh Các đường rãnh mạch in nối số mạch máy tính Vấn đề với tốc độ clock cao, dây mạch in bắt đầu làm việc anten, tính hiệu, thay đến vị trí cần đến phía cuối đầu dây lại biến mất, truyền sóng vô tuyến Hình 3: Mạch in bên bo mạch chủ làm việc anten External Clock Vì nhà sản xuất CPU bắt đầu sử dụng khái niệm mới, khái niệm gọi nhân xung clock, ứng dụng bắt đầu sử dụng vi xử lý 486DX2 Với chế (được sử dụng tất CPU ngày nay), CPU có clock (external clock) sử dụng truyền tải liệu vào nhớ RAM (sử dụng north bridge chip) clock cao Để đưa ví dụ thực, số 3.4 GHz Pentium số “3.4 GHz” clock CPU, clock đạt cách nhân 17 với clock 200 Mô ví dụ hình Sự khác lớn clock clock CPU đại cách vượt qua nhược điểm từ tính nói để tăng hiệu suất máy tính Tiếp tục với ví dụ Pentium 3.4 GHz trên, phải giảm tốc độ 17 lần thực đọc liệu từ nhớ RAM! Trong suốt trình này, làm việc CPU với tốc độ 200MHz Một số kỹ thuật sử dụng để tối thiểu hóa ảnh hưởng khác clock Một số chúng sử dụng cache nhớ bên CPU Phương pháp khác truyền tải nhiều khối liệu chu kỳ clock Các vi xử lý hai hãng Intel AMD sử dụng tính này, nhiên CPU AMD truyền tải hai liệu chu kỳ clock CPU Intel truyền tải liệu chu kỳ Hình 4: Truyền tải nhiều liệu chu kỳ clock Chính điều nên CPU AMD liệt vào loại có tốc độ gấp hai clock thực Ví dụ, CPU AMD với external clock 200MHz liệt vào CPU có clock 400MHz Điều tương tự áp dụng CPU Intel, với external clock 200MHz CPU có tốc độ clock 800Mhz Kỹ thuật truyền tải hai liệu chu kỳ clock gọi DDR (Dual Data Rate), kỹ thuật truyền tải liệu chu kỳ clock gọi QDR (Quad Data Rate)  ... thời gian Với CPU đại, có nhiều vấn đề cần phải xem xét đến hiệu xuất này, CPU có số lượng khối thực thi khác nhau, kích thước cache khác nhau, cách truyền tải liệu bên CPU khác nhau, cách xử lý... cài đặt làm việc cách sử dụng tín hiệu clock Nếu xem bo mạch chủ, bạn thấy số đường rãnh Các đường rãnh mạch in nối số mạch máy tính Vấn đề với tốc độ clock cao, dây mạch in bắt đầu làm việc anten,... thi tự động thực thi lệnh vào chu kỳ clock thứ Rõ ràng cách lý giải chung cho CPU với khối thực thi – vi xử lý đại có số khối thực thi làm việc song song thực thi lệnh thứ hai thời điểm với lệnh