Nó được sảnxuất dựa trên công nghệ mạch tích hợp và thành phầncơbản trong Bộvi xử lý là transistor hay bóng bán dẫn nên lịch sử của nó gắn liềnvớilịch sử ra đời của transistor và sự phát
Trang 1ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH KIẾN TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
CỦA BỘ VI XỬ LÝ 64 BIT CỦA INTEL
Chương 1:Tổng quan về BộVXL của
Intel 4
1.1.Khái niệm 4
1.2.Lịch sử ra đời của BộVXL 5
1.3.Cấu trúc phần cứng của BộVXL 7
1.4.Nguyên lý hoạt đ<ng của BộVXL 10
1.5.Lập trình cho một VXL 14
Chương 2:Bộ vi xử lý 64 bit của Intel và các thế hệ BộVXL 17
2.1.Tổng quan về Bộvi xử lý 64 bit của Intel 17
2.2.Kiến trúc Bộvi xử lý 64 bit 18
2.3.64 bit dữ liệu mô hình 22
2.4.64 bit điều hành hệ thống thời gian 24
2.5.Itanium (Merced):2001 27
2.6.Itanium 2:2002-2010 28
2.7.Itanium 9300(Tkwila):2010 30
2.8.P4 Prescott (năm 2004) 30
2.9.Pentium D (năm 2005) 31
2.10.Pentium Extreme Edition (năm 2005) 31
2.11.Intel Core 2 Duo 32
Chương 3:Nguyên lý làm việc của Bộvi xử lý 64 bit của Intel 33
3.1.Sơ đồ khối 33
3.2.Nguyên lý làm việc của Bộnhớ Cache L1 34
3.3.Cách tổ chức và nguyên lý làm việc của Bộnhớ Cache L2 36
3.4.Tổ chức Cache nhớ L3 38
3.5.Độ rộng Bus dữ liệu và Bus địa chỉ (Data Bus và Add Bus) 39
3.6 Tốc độ xử lý và tốc độ BUS của CPU 3.7.Nguyên lý làm việc của các thanh ghi 41
3.8.Khối xử lý trung tâm ALU 42
3.9.Quy trình xử lý thông tin 43
3.10.Con trỏ ngăn xếp SP(Stack) 44
2 3.11.Khối điều khiển CU 45
89( "6% :;(5"6%:;(5 "6%:;(5 Bảng 1:Mô hình dữ liệu 64 bit 22
89( "6% <( "6%:;(5 "6%:;(5 Hình 1.1:Cấu trúc CPU 4
Hình 2.5: BỘvi xử lý Itanium 27
Hình 2.6: BỘxử lý Itanium tháng 2 năm 2003 28
Hình 2.9: Kiến trúc Pentium D ( năm 2005 ) 31
Trang 2Hình 2.11: Kiến trúc Intel core
TM
duo 32
Hình 3.1: Sơ đồ khối của Bộvi xử lý 33
Hình 3.2: Bộ nhớ Cache L1 34
Hình 3.3: Cách bản đồ hóa trực tiếp các làm việc của Cache L2 36
Hình 3.6: Minh họa về tốc đ< xử lý (speed CPU) và tốc đ< Bus (FSB) của CPU 40
Hình 3.8: BỘtính toán ALU 42
Hình 3.9: Quy trình xử lý thông tin 43
Hình 3.10: Con trỏ ngăn xếp SP 44
Hình 3.11: Khối điều khiển CU 45
Tài liệu tham khảo 47
3
Trang 4=>(5 -) ?(5 @A9(1B:CDE%F9(#G7A9( 1B :C DE %F9 (#G7G7
=>(5-)?(5@A9(1B:CDE%F9(#G7 "6%:;(5 ?(5@A9(1B:CDE%F9(#G7 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5(#G7
-H-H I&(&'" (&(&'"'" I&(&'" "6%:;(5
CPU viết tắt của chữ Central Processing Unit (tiếng Anh), tạm dịch là đơn vị xử lí
trung tâm CPU có thể được xem như não b<, m<t trong những phần tử cốt lõi nhất
của máy vi tính Nhiệm vụ chính của CPU là xử lý các chương trình vi tính và dữ
kiện CPU có nhiều kiểu dáng khác nhau Ở hình thức đơn giản nhất, CPU là m<t
con chip với vài chục chân Phức tạp hơn, CPU được ráp sẵn trong các Bộmạch với
hàng trăm con chip khác CPU là m<t mạch xử lý dữ liệu theo chương trình được
thiết lập trước Nó là m<t mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu transistor.Hình 1.1 Cấu trúc CPU
- “vi xử lý” là thuật ngữ chung dùng để đề cập đến kỹ thuật ứng dụng các công nghệ
vi điện tử, công nghệ tích hợp và khả năng xử lý theo chương trình vào các lĩnh vực
khác nhau Vào những giai đoạn đầu trong quá trình phát triển của công nghệ vi xử
lý, các chip (hay các vi xử lý) được chế tạo chỉ tích hợp những phần cứng thiết yếu
như CPU cùng các mạch giao tiếp giữa CPU và các phần cứng khác Trong giaiđoạn này, các phần cứng khác (kể cả Bộ nhớ) thường không được tích hợp trên chip
mà phải ghép nối thêm bên ngoài Các phần cứng này được gọi là các ngoại vi(Peripherals) Về sau, nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ tích hợp, các ngoại
vi cũng được tích hợp vào bên trong IC và người ta gọi các vi xử lý đã được tíchhợp
thêm các ngoại vi là các “vi điều khiển” Việc tích hợp thêm các ngoại vi vào trong
cùng m<t IC với CPU tạo ra nhiều lợi ích như làm giảm thiểu các ghép nối bên 4
ngoài, giảm thiểu số lượng linh kiện điện tử phụ, giảm chi phí cho thiết kế hệ thống,
đơn giản hóa việc thiết kế, nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt
-HJH K% LM 39 NO&(&'" %F9 :C DE "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5
BỘvi xử lý là m<t trong nhữngthành tựu khoa học kỹ thuật vĩ đại trong thế kỷ XX
Trang 5của nhân loại Nó được sảnxuất dựa trên công nghệ mạch tích hợp và thành phầncơ
bản trong Bộvi xử lý là transistor (hay bóng bán dẫn) nên lịch sử của nó gắn liềnvớilịch sử ra đời của transistor và sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp.Vùng Santa Clara ở miền Nam vịnhSan Francisco (bang Canifornia, Mỹ) trồng rất
nhiều mận, trước kia được gọi làthung lũng mận khô Từ thâp niên 60, những vườn
mận ngày càng ít đi và SantaClata đã được đổi tên là Silicon Valley (thung lũngSilicon) Hiện nay,transistor, mạch tích hợp, Bộvi xử lý của Silicon Vallley đã xuất
hiện trêntoàn thế giới Tập đoàn điện thoại AT &(&'" T (American Telephone
&(&'"Telegraph) đã đầu tư xây dựng m<t số phòng thí nghiệm tại Marray Hill (bangNewJersey) Các phòng thí nghiệm này tập trung m<t đ<i ngũ các nhà khoa họcgiỏi,chú trọng ngiên cứu, cải tiến những sản phẩm do tập đoàn AT &(&'" T sản xuất.Vào
ngày 23 tháng 12 năm 1947, ba nhà khoa học Wiliam Shockley, John
Pardeen,Walter Brattian đã mời giám đốc các trung tâm nghiên cứu đến để giới thiệu
m<tBộkhuếch đại rất lạ Ba nhà khoa học này đang nghiên cứu về các chất bán dẫn
-những tinh thể có m<t đặc điểm vật lý rất quan trọng: chỉ cho dòng điện
Trang 6nhiều nhàkhoa học nổi tiếng thời ấy Nhưng dưới quyền chỉ đạo của Shockley, các
nhà khoahọc trẻ rất khó phát triển Năm 1957, cu<c xung đ<t bùng nổ: tám nhà khoa
học(đứng đầu là Bob Noyce 27 tuổi - tiến sĩ khoa học thu<c viện công
nghệMassachusetts) quyết định 'ly khaí, thành lập m<t Bộphận nghiên cứuchất bán
dẫn trong tập đoàn Fairchild Camera and Instrument ở MountainWiew Theo quan
điểm của họ, người chính được khâm phục chính là nhà vật lý họcngười Anh 5
Đang tải xuống
Buổi làm việc của haibên chỉ kéo dài m<t ngày Đêm hôm ấy, Hoff đi nghỉ ở Tahiti
và suy nghĩ rằng,theo dự án của Busicom, máy tính sẽ rất đắt tiền và rất phức tạp
Thế là vàingày sau, Hoff đề xuất với Busicom phương pháp sản xuất máy tính bằng
cách tậphợp các mạch tích hợp có những chức năng cơ bản của máy tính Trên m<t
diệntích có mỗi cạnh 0,5 cm là 2000 transistor mang nhiều chức năng: Bộphần xử
lýtrung tâm, mạch Bộnhớ ROM (Read Only Memory) chứa chương trình cho sẵn để
tínhtoán, m<t Bộnhớ RAM (Random Access Memory) - Bộnhớ có thể đọc, xoá và
viếtthông tin, chứa dữ liệu cho người sử dụng nạp vào để xử lý Đây quả là sángkiến
thiên tài: m<t máy điện toán trên m<t 'con rệp' duy nhất Chỉcòn thiếu màn hình và
bàn phím Sau này, Hoff đã gọi sản phẩm mới ấy là b<vi xử lý Hợp đồng giữa Ted
Hoff và Busicom được kí kết, dành đ<c quyềnkhai thác cho Busicom Hai kỹ sư điện
tử khác tên là Mazor và Frederico Faggincùng tham gia xây dựng dự án Bộvi xửký
Vào tháng 1 năm 1971, Bộvi xử lí đầutiên được ra đời, mang số hiệu 4004 Tháng
11 năm 1971, tạp chí Tin tức điện tửcông bố chính thức sản phẩm 4004 Trong thời
Trang 7gian ấy, Intel mua lại bản quyềnBộvi xử lí của Busicom.
Sau này, Ted Hoff phát biểu:'Khi làm việc về dự án Bộvi xử lí, tôi chỉ nghĩ đến việc
sáng chế m<tmáy tính chữ chưa ý thức được sức phát triển của sản phẩm ấy trong
tương lai'.Riêng đối với Bob Noyce, ông đã nảy ra ý tưởng sẽ ứng dụng Bộvi xửlí
vào m<tvài lĩnh vực hoạt đ<ng có tính chất phổ cập dễ sinh lợi Còn Gordon Moore
đãphát biểu trong thập niên 60 câu nói nổi tiếng sau này được gọi là định
1 GHz !
Nhưng chưa dừng lại ở đó, gần đâynhất là Pentium IV 'kinh hoàng' với tốc đ< 2 GHz
được Intel giớithiệu vào tháng 8/2001
Hiện nay ba nhà khoa học đoạtgiải Nobel: Wiliam Shockley, John Pardeen, Walter
Brattain đã qua đời JohnPardeen còn đoạt giải Nobel vật lý vào năm 1972 (lần thứ
2) Bob Noyce cũng đãqua đời vào năm 1990 Còn Gordon Moore và Ted Hoff vẫn
tiếp tục chỉ đạo Intel ởSilicon Valley, xây dựng Intel trở thành tập đoàn sản xuấtb<
vi xử lí hàng đầuthế giới
-HPH QA #G73R% , S( %T(5 %F9 :C DE =>(5-)?(5@A9(1B:CDE%F9(#G7 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5
Về cơ bản kiến trúc của m<t vi xử lý gồm những phần cứng sau: - Đơn vị xử lýtrung tâm CPU (Central Processing Unit) - Các Bộnhớ (Memories) - Các cổng 7
vào/ra song song (Parallel I/O Ports) - Các cổng vào/ra nối tiếp (Serial I/O Ports) -
Trang 8BỘnão của mỗi vi xử lý chính là CPU, các phần cứng khác chỉ là các cơ quan chấp
hành dưới quyền của CPU Mỗi cơ quan này đều có m<t cơ chế hoạt đ<ng nhất định
mà CPU phải tuân theo khi giao tiếp với chúng Để có thể giao tiếp và điều khiển
các cơ quan chấp hành (các ngoại vi), CPU sử dụng 03 loại tín hiệu cơ bản là tínhiệu địa chỉ (Address), tín hiệu dữ liệu (Data) và tín hiệu điều khiển (Control) Về
mặt vật lý thì các tín hiệu này là các đường nhỏ dẫn điện nối từ CPU đến các ngoại
vi hoặc thậm chí là giữa các ngoại vi với nhau Tập hợp các đường tín hiệu có cùng
chức năng gọi là các bus Như vậy ta có các bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điềukhiển Có thể mô tả sơ Bộcấu trúc phần cứng của m<t vi xử lý theo hình sau:Sau đây là mô tả sơ Bộvề các phần cứng bên trong m<t vi xử lý
1 Đơn vị xử lý trung tâm CPU: CPU có cấu tạo gồm có đơn vị xử lý số học và lôgic
(ALU), các thanh ghi, các khối lôgic và các mạch giao tiếp Chức năng của CPUlà
tiến hành các thao tác tính toán xử lý, đưa ra các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điềukhiển nhằm thực hiện m<t nhiệm vụ nào đó do người lập trình đưa ra thông qua các
hơi” thường thấy là các Bộnhớ SRAM
3 Cổng vào/ra song song: Đây là các đường tín hiệu được nối với m<t số chân của
IC dùng để giao tiếp với thế giới bên ngoài IC Giao tiếp ở đây là đưa điện áp ra
Trang 9hoặc đọc vào giá trị điện áp tại chân cổng Các giá trị điện áp đưa ra hay đọc vàochỉ
có thể đwocj biểu diễn bởi m<t trong hai giá trị lôgic (0 hoặc 1) Trong kỹ thuật vi
xử lý, người ta thường dùng quy ước lôgic dương: giá trị lôgic 0 ứng với mức điện
các giá trị lôgic khác nhau đối với từng chân cổng (từng đường tín hiệu vào/ra) M<t
điều cần chú ý nữa đối với các cổng vào/ra đó là chúng có thể được tích hợp thêm
(nói đúng hơn là kiêm thêm) các chức năng đặc biệt liên quan đến các ngoại vi khác
4 Cổng vào/ra nối tiếp: Khác với cổng song song, với cổng nối tiếp các bit dữ liệu
được truyền lần lượt trên cùng m<t đường tín hiệu thay vì truyền cùng m<t lúc trên
các đường tín hiệu khác nhau Thông thường thì việc truyền dữ liệu bằng cổng nối
tiếp phải tuân theo m<t cơ chế, m<t giao thức hay m<t nguyên tắc nhất định Có thể
kể ra m<t số giao thức như SPI, I2C, SCI… Cổng nối tiếp có 02 kiểu truyền dữ liệu
chính: - Truyền đồng Bộ(synchronous): thiết bị truyền và thiết bị nhận đều dùngchung m<t xung nhịp (clock) - Truyền dị Bộ(asynchronous): thiết bị truyền và thiết
bị nhận sử dụng hai nguồn xung nhịp riêng Tuy nhiên hai nguồn xung nhịp nàykhông được khác nhau quá nhiều
Xung nhịp là yếu tố không thể thiếu trong truyền dữ liệu nối tiếp và nó có vaitrò xác
định giá trị của bit dữ liệu (hay nói đúng hơn là xác định thời điểm đọc mức lôgic
trên đường truyền dữ liệu)
Trang 10Cổng nối tiếp có thể có m<t trong các tính năng sau: Đơn công: thiết bị chỉ có thể
hoặc truyền hoặc nhận dữ liệu Bán song công: thiết bị có thể truyền và nhận dữ liệu
nhưng tại m<t thời điểm chỉ có thể làm m<t trong hai việc đó Song công: thiết
bị có
thể truyền và nhận dữ liệu đồng thời
5 BỘđếm/BỘđịnh thời: Đây là các ngoại vi được thiết kế để thực hiện m<t nhiệm
vụ đơn giản: đếm các xung nhịp Mỗi khi có thêm m<t xung nhịp tại đầu vào đếm thì
giá trị của Bộđếm sẽ được tăng lên 01 đơn vị (trong chế đ< đếm tiến/đếm lên) hay
giảm đi 01 đơn vị (trong chế đ< đếm lùi/đếm xuống)
Xung nhịp đưa vào đếm có thể là m<t trong hai loại: Xung nhịp bên trong IC
xung nhịp bên loại này thường đều đặn nên ta có thể dùng để đếm thời gian m<tcách khá chính xác Xung nhịp bên ngoài IC Đó là các tín hiệu lôgic thay đổi liên
9
Đang tải xuống
Đang tải xuống
Đang tải xuống
Đang tải xuống
Đang tải xuống
Đang tải xuống
Trang 11Đang tải xuống
Đang tải xuống
Đang tải xuống
Đang tải xuống
Đang tải xuống
Đang tải xuống
Đang tải xuống
Đang tải xuống
con trỏ cho những địa chỉ không phù hợp với các DMA đăng ký của thiết
bị Vấn đề này được giải quyết bằng cách có hệ điều hành các hạn chế b<nhớ của thiết bị vào tài khoản khi tạo yêu cầu trình điều khiển cho DMA,hoặc bằng cách sử dụng m<t IOMMU
JH*H /*"6%:;(5 "6%:;(5&#N&BA 0( '# `(5# O&5&9( "6%:;(5&(&'"#G7 N&(&'"BA 0( ' #G7 `(5 #G7 O&(&'" 5&(&'"9("6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5 "6%:;(5
-abX) UNICOS Cray phát hành , 64-bit đầu tiên thực hiện các hệ"6%:;(5thống Unix điều hành."6%:;(5
-aaP) Tháng mười hai phát hành 64-bit Tháng Mười Hai OSF / 1"6%:;(5AXP Unix như hệ điều hành (sau này đổi tên Tru64 UNIX) cho hệ thốngcủa mình dựa trên kiến trúc Alpha
-aa*) Hỗ trợ cho các Bộxử lý MIPS R8000 được thêm vào bởi Silicon"6%:;(5
Graphics IRIX hệ thống hoạt đ<ng trong 6,0 phát hành
-aaX) OpenVMS Tháng Mười Hai phiên bản 7.0, phiên bản 64-bit đầy đủ"6%:;(5đầu tiên của OpenVMS cho Alpha Linux 64-bit đầu tiên phân phối cho
kiến trúc Alpha được phát hành "6%:;(5
-aa/) Hỗ trợ cho các Bộxử lý MIPS R4000 được thêm vào bởi Silicon"6%:;(5
Graphics IRIX hệ thống điều hành trong phiên bản 6.2
-aab) Sun phát hành Solaris 7 , với đầy đủ 64-bit UltraSPARC hỗ trợ."6%:;(5
Jccc) IBM phát hành z / OS , hệ điều hành 64-bit xuống từ MVS , mới"6%:;(5
64-bit máy tính lớn zSeries , Linux 64-bit trên zSeries sau việc phát hànhCPU gần như ngay lập tức
Trang 12Jcc-) Microsoft phát hành Windows XP 64-Bit Edition cho kiến trúc"6%:;(5của Itanium 64 IA, mặc dù nó đã có thể chạy các ứng dụng 32-bit thôngqua m<t lớp thực hiện.
24
Trang 13Jcc-) Linux sẽ trở thành hạt nhân hệ điều hành đầu tiên hỗ trợ đầy đủ"6%:;(5
x86-64 (trên m<t giả lập, như là không có Bộvi xử lý x86-64 đã được
phát hành)."6%:;(5
JccP) Apple phát hành Mac OS X 10.3 "Panther" hệ điều hành có thêm"6%:;(5
hỗ trợ cho số học có nguồn gốc số nguyên 64-bit trên Bộ vi xử
lý PowerPC 970 M<t số Linux phân phối phát hành với sự hỗ trợcho AMD64 Microsoft công bố kế hoạch tạo ra m<t phiên bản của nó
điều hành Windows hệ thống để hỗ trợ kiến trúc AMD64, với khả năng
tương thích ngược với các ứng dụng 32-bit.FreeBSD phát hành với sự hỗ
trợ cho AMD64
JccX) Ngày 31 tháng 1, Sun phát hành Solaris 10 với sự hỗ trợ cho Bộvi"6%:;(5
xử lý AMD64 và EM64T Ngày 29 Tháng 4, Apple phát hành Mac OS X
10,4 "Tiger" cung cấp hỗ trợ giới hạn cho các ứng dụng 64-bit dòng lệnh
trên các máy tính với Bộvi xử lý PowerPC 970, sau đó phiên bản dành
cho máy Mac nền Intel hỗ trợ các ứng dụng dòng lệnh 64-bit trên máy
tính Mac với EM64T Bộvi xử lý Ngày 30 tháng tư, Microsoft phát
hành Windows XP Professional x64 Edition cho Bộvi xử lý AMD64 và
EM64T
Jcc/) Microsoft phát hành Windows Vista , bao gồm cả m<t phiên bản"6%:;(5
64-bit cho các Bộ vi xử lý AMD64/EM64T giữ lại 32-bit tươngthích Trong phiên bản 64-bit, tất cả các ứng dụng Windows và các thành
phần là 64-bit, mặc dù nhiều cũng có phiên bản 32-bit bao gồm khả năng
tương thích với các plugin
Jccd) Apple phát hành Mac OS X 10.5 "Leopard", hỗ trợ đầy đủ các ứng"6%:;(5dụng 64-bit trên máy PowerPC 970 hoặc các Bộvi xử lý EM64T
25
Trang 14Jcca) Apple phát hành Mac OS X 10.6 "Snow Leopard", mà đi kèm với"6%:;(5m<t hạt nhân 64-bit cho AMD64/Intel64 Bộvi xử lý, mặc dù chỉ có m<t
số mô hình gần đây của máy tính của Apple sẽ chạy hạt nhân 64-bit theomặc định Hầu hết các ứng dụng đi kèm với hệ điều hành Mac OS X 10.6bây giờ cũng 64-bit.Microsoft phát hành Windows 7 , trong đó, giống
như Windows Vista, bao gồm m<t phiên bản 64-bit đầy đủ choAMD64/Intel 64 Bộxử lý, hầu hết các máy tính mới được nạp theo mặc
định với m<t phiên bản 64-bit Nó cũng phát hành Windows Server 2008R2 , là hệ thống 64-bit đầu tiên điều hành chỉ được phát hành bởiMicrosoft
Jc ) Apple phát hành Mac OS X 10,7 , "Sư tử", chạy hạt nhân 64-bit"6%:;(5
theo mặc định trên máy được hỗ trợ Máy cũ không thể chạy hạt nhân bit chạy hạt nhân 32-bit, nhưng, như với phiên bản trước đó, vẫn có thể
64-chạy các ứng dụng 64-bit, Lion không hỗ trợ các máy tính với Bộvi xử lý32-bit Gần như tất cả các ứng dụng đi kèm với hệ điều hành Mac OS X
10,7 bây giờ cũng 64-bit, bao gồm cả iTunes
26