Bài giảng Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 3: Bộ xử lý trung tâm. Nội dung chương này gồm có: Nhiệm vụ và cấu trúc cơ bản của CPU, hoạt động của CPU, kiến trúc các bộ xử lý tiên tiến. Mời các bạn cùng tham khảo.
KIẾN TRÚC VÀ TỔ CHỨC MÁY TÍNH (Computer Organization and Architecture) Chương Bộ xử lý trung tâm bangtqh@utc2.edu.vn Nội dung Nhiệm vụ cấu trúc CPU – Nhiệm vụ CPU – Cấu trúc CPU Hoạt động CPU Kiến trúc xử lý tiên tiến bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 3.1 Nhiệm vụ - Cấu trúc CPU Mơ hình máy tính bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm Các mơ hình máy tính Mơ hình Havard – Lệnh liệu lưu trữ hệ thống nhớ riêng biệt Mơ hình Von-Newmann – Lệnh liệu lưu trữ hệ thống nhớ mơ hình máy tính cá nhân bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm CPU họ Intel 8080 – Bộ xử lý đa – Đường dẫn liệu bit – Được dùng PC 8086 – – – – Có khả cao 16 bit Có cache lệnh, nhận trước lệnh 8088 (bus mở rộng bit), dùng lần đầu máy IBM PC 80286 – Bộ nhớ RAM: 1M – Có thể quản lý nhớ đến 16MB bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm CPU họ Intel 80386 – 32 bit – Hỗ trợ đa nhiệm 80486 – Chứa cache pipeline lệnh phức tạp – Thêm đồng xử lý toán học Petium – Siêu vô hướng – Nhiều lệnh thực song song Pentium Pro – – – – – Tăng tổ chức siêu vô hướng Chức ghi linh hoạt Tiên đốn rẽ nhánh Phân tích luồng liệu Thực suy đoán (speculative execution) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm CPU họ Intel Pentium II – Công nghệ MMX (MultiMedia eXtension) – Xử lý đồ họa, âm thanh, hình ảnh tốt Pentium III – Thêm lệnh dấu chấm động cho đồ họa 3D Pentium !V – Chú ý tới số ả Rập số La Mã – Tăng cường xử lý multimedia dấu chấm động Itanium – 64 bit – Nhận trước lệnh động, pipeline phần mềm – bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm Sự phát triển BXL họ Intel Year Chip L Transistors Clock rate MIPS 1971 4004 10µm 2.3K 740kHz 0.07 1972 8008 10µm 3.5K 500kHz 0.05 1974 8080 6µm 4.5K 2MHz 0.29 1978 8086 3µm 29K 5/8/10 MHz 0.33/0.66/0.75 1979 8088 3µm 29K 4.7/8 MHz 0.33/0.66 1982 80286 1.5µm 134K 6/8/16MHz 1.5 1985 80386 1µm 275K 33 9.9 1989 80486 0.8àm 1.2M 50MHz 41 1993 Pentium đ 0.6àm 3.1M 66MHz 126.5 1995 Pentium đ Pro 0.35àm 5.5M 200MHz 200 1998 Pentium đ !! 0.25àm 7.5M 333MHz >300 1998 Pentium Xeon 0.25µm 7.5M 400MHz 400 bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm Sự phát triển BXL họ Intel Year Chip L Transistors Clock rate MIPS 1999 Pentium đ !!! 0.25àm 9.9M 500MHz >500 2000 Pentium ® !V 0.18µm 42M 1.5GHz 1.5K 2002 P4 Northwood 0.13µm 55M 2.4GHz 6.5K-10K 2003 Itanium đ 0.13àm 410M 3.0GHz 9.726K 2008 Core i3 32nm 3.33GHz 2009 Core i5 32nm 3.6GHz 2011nay Core i7 32nm 4GHz bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm Minh họa số CPU intel Intel 4004 - 1970s (First Microprocessor) bangtqh@utc2.edu.vn Intel 8088 (LSI Microprocessor) Chương - Bộ xử lý trung tâm 10 Minh họa số CPU intel Pentium® III PowerPC 7400 (G4) 28M transistors / 733MHz-1Gz / 13-26W L=0.25µm shrunk to L=0.18µm bangtqh@utc2.edu.vn 6.5M transistors / 450MHz / 8-10W L=0.15µm Chương - Bộ xử lý trung tâm Minh họa số CPU intel Co l¹i Pentiumđ 42M transistors / 1.3-1.8GHz / 49-55W L=0.18àm bangtqh@utc2.edu.vn Pentiumđ Northwood 55M transistors / 2-2.5GHz L=0.13àm Area=131mm2 Chng - Bộ12xử lý trung tâm 11 Chức CPU Chức – Điều khiển toàn hoạt động hệ thống – Xử lý liệu Nguyên tắc hoạt động – BXL hoạt động dựa theo chương trình nằm sẵn nhớ Cấu trúc – – – – – Khối điều khiển (Control Unit - CU) Khối số học - logic (Arithmetic - Logic Unit: ALU) Các ghi (Register File - RF) Đơn vị ghép nối BUS (Bus Interface Unit – BIU) Bus bên (Internal Bus) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 13 Nhiệm vụ CPU Nhận lệnh (Fetch Instructions): nhận lệnh từ nhớ Giải mã lệnh (Decode instructions): Giải mã lệnh nhận vào để biết lệnh làm Nhận liệu (Fetch Data): Lệnh yêu cầu nhận liệu từ bên vào Xử lý liệu (Process Data): Lệnh yêu cầu thực phép tốn Ghi liệu (Write Data): Lệnh yêu cầu cất kết ngồi Ngồi ra, q trình thực chương trình CPU cịn nhận u cầu từ bên ngồi (interrupt) xử lý yêu cầu bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 14 Chi tiết nhiệm vụ CPU Fetch Instructions - FI – Đia lệnh cần thực nằm đếm chương trình (PC - Program Counter), đưa qua đệm địa chỉ, qua bus địa để tìm ô nhớ chứa lệnh – Tiếp theo, CPU phát tín hiệu đọc nhớ vừa tìm – Nội dung ngăn nhớ chuyển qua data bus đưa đến ghi lệnh (Instruction Reg.) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 15 Chi tiết nhiệm vụ CPU (tt) Giải mã lệnh (Interpret Instructions) – Lệnh từ ghi lệnh đưa đến khối điều khiển – Tại đây, lệnh giải mã để xác định thao tác mà lệnh yêu cầu – Khi đó, khối điều khiển phát tín hiệu điều khiển tương ứng với lệnh bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 16 Chi tiết nhiệm vụ CPU (tt) Fetch Data – BXL phát địa ô nhớ/cổng vào chứa liệu cần nhận – BXL phát tín hiệu điều khiển đọc nhớ/cổng vào tương ứng – Dữ liệu chuyển qua bus liệu đưa vào tập ghi bên bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 17 Chi tiết nhiệm vụ CPU (tt) Xử lý liệu (Process Data - PD) – Dữ liệu chuyển từ ghi vào ALU – ALU thực phép toán điều khiển khối điều khiển – Kết phép toán cất tạm thời vào ghi liệu bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 18 Chi tiết nhiệm vụ CPU (tt) Ghi liệu (Write Data - WD) – BXL phát địa ô nhớ/cổng vào cần ghi liệu – BXL phát tín hiệu điều khiển ghi nhớ/cổng vào – Dữ liệu từ ghi liệu chuyển bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 19 Cấu trúc CPU bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 20 VXL họ Intel Core i3, i5, i7 Các VXL họ Core ix đời từ năm 2010 tiếp sau VXL họ Core – Quy ước đặt tên không liên quan tới số nhân – Các tên core i3, i5, i7 quy ước theo kiểu “sao” khách sạn • i3 (3 sao): lực xử lý mức thấp • i5 (4 sao): lực xử lý mức trung bình • i7 (5 sao): lực xử lý mức cao Các VLX học Core i3, i5, i7 dựa thế hệ vi kiến trúc: – Nehalam (2008): hệ – Sandy Bridge (2011): hệ – Ivy Bridge (2012): hệ bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 59 VXL họ Intel Core i3, i5, i7 Bổ sung thêm nhân đồ họa (GPU) vào CPU – GPU nằm đế với CPU – GPU có khả truy cập cache L3 giảm thời gian truy cập RAM – GPU hỗ trợ thư viện đồ họa DirectX 11.0, OpenGL 4.1, OpenCL 1.1 Thay Front-Side Bus (FSB) tốc độ thấp bus tốc độ cao (QPI – Quick Path Interconnect) kết nối CPU với RAM Bổ sung công nghệ tự ép xung (Tubor Boost – i5, i7) Thay bus PCI bus DMI (Direct Media Interface) kết nối CPU với chip cầu nam Hỗ trợ nhớ cache L3 lớn 3-8MB bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 60 Intel Core i7 (Haswell) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 61 VLX họ AMD-A series bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 62 VLX họ AMD-A series bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 63 3.3.2 Các công nghệ tiên tiến Công nghệ Centrino Công nghệ thực thi không theo trật tự (Out of Order Execution) Công nghệ Cache thông minh (Advanced Smart Cache) Công nghệ tiết kiệm điện (SpeedStep) Công nghệ siêu phân luồng (Hyper Threading) Công nghệ ảo hóa (Virtualization) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 64 Công nghệ Centrino Là công nghệ hướng di động Intel đưa năm 2003, ứng dụng cho máy tính xách tay Centrino gồm thành phần – Intel CPU (Pentium M, Core 2….) – Intel Mobile Chipset – Intel Wireless network card bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 65 Công nghệ Centrino (tt) Các phiên Centrino – 2003: Pentimum M / Chipset Mobile 855 /PRO /wireless 2100/2200 – 2005: Pentium M / Chipset Mobile 915 / PRO/Wireless 2200BG – 2006: Core/Core 2/Chipset Mobile 945/PRO/Wireless 3945 ABG – 2007: Core Duo/Chipset GM965/WiFi Link 4965 AGN – 2008: Core Duo/Mobile Express Series 4/WiFi Link 5350 – 2009: Core i3, i5, i7/Mobile Express Series 5/Ultimate 6300 AGN – 2011: Sandy Bridge/Mobile Express Series 6/Ultimate 6300 AGN – 2012: Ivy Bridge/Mobile Express Series 7/Ultimate-N 6300 – 2013: Haswell/Mobile Express Series 8/Wilkin Peak bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 66 C.nghệ thực thi không theo trật tự Các lệnh chương trình thường thực thi theo phương pháp: – Thực thi tĩnh (theo trật tự - In Order Execution): Các lệnh nạp, giải mã, thực kết thúc theo trật tự chúng biên dịch – Thực thi động(Không theo trật tự - Out of Order Execution) • Lệnh chương trình nạp giải mã theo trật tự chúng sau biên dịch • Các lệnh sau giải mã thực khác với trật tự chúng sau biên dịch bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 67 C.nghệ thực thi không theo trật tự Ý tưởng – Các lệnh thực thi (execute) (khơng theo trật tự) tham số/toán hạng đầu vào chúng sẵn sàng (trong ghi) – Các lện phải hoàn tất (commit) giai đoạn lưu kết theo trật tự chương trình để đảm bảo kết thực lệnh kết chương trình Ưu điểm – Giảm tối thiểu thời gian chờ thực hiện; – Tận dụng tối đa lực đơn vị thực lệnh – Nếu có lệnh phải dừng chưa đủ điều kiện thực lệnh phía sau đủ điều kiện đẩy lên thực trước bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 68 C.nghệ thực thi không theo trật tự Nhược điểm – Phức tạp thực thi theo trật tự – Phải bổ sung thêm Khối cấp phát & Đổi tên ghi – Bổ sung thêm phận lập lịch động – Bổ sung thêm xếp thu hồi kết bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 69 Công nghệ OOE Pentium III bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 70 Công nghệ Advanced Smart Cache Cache chia sẻ (L2 L3) nhân cho phép – Nếu nhân có nhu cầu xử lý đơn vị liệu, copy liệu nạp vào cache chia sẻ – Giảm lưu lượng bus hệ thống – Dung lượng cache sử dụng hiệu • Khơng có biên giới cứng phân chia cache nhân • Nếu nhân có nhu cầu liệu lớn nhân khác, cấp dung lượng cache nhiều tận dụng không gian rảnh rỗi cache – Do không gian cache sử dụng hiệu Không gian cache hiệu dụng lớn cạnh tranh cache giảm tăng hệ số hit tăng hiệu hệ thống bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 71 Công nghệ thông minh (tt) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 72 Cache thông minh Core i7 bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 73 Công nghệ tiết kiệm điện Intel Speedstep công nghệ cho phép tự động thay đổi xung nhịp CPU phần mềm – Xung nhịp điện áp tự động điều chỉnh phù hợp với tải hệ thống, giúp giảm tiêu hao điện Hầu hết OS hỗ trợ công nghệ Speedstep – Windows – Linux – Unix (BSD, Solaris,…) – Mac OS bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 74 Các phiên Speedstep V1.1 Pentium II: Hỗ trợ chế độ làm việc thông qua điều chỉnh hệ số nhân xung nhịp – Tải cao: CPU hoạt động với xung nhịp 1GHz, tiêu thụ 20W – Tải thấp: CPU hoạt động với xung nhịp 600MHz tiêu thụ 6W V2.1 (Enhanced Speedstep) Pentium III mobile tương tự v1.1 đồng thời giảm điện áp CPU xuống chế độ tải thấp V2.2 Pentium 4-M hỗ trợ chế độ làm việc – Tải cao: CPU xung nhịp 1.8GHz tiêu thụ 30W – Tải thấp: CPU xung nhịp 1.2MHz tiêu thụ 20W bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 75 Các phiên Speedstep (tt) V3.1 (Enhanced PentiumM Intel Speedstep-EIST) – Tự động điều chỉnh xung nhịp điện áp theo bước (100MHz với lõi Banias 133MHz với lõi Dothan) khoảng 40-100% xung nhịp chuẩn – Bổ sung thêm khả điều chỉnh dung lượng hoạt động thực nhớ cache (ngắt điện bớt phần cache chế độ tải thấp) V3.2 (Enhanced EIST) – Cơ chế tương tự V3.1 – Hỗ trợ CPU nhiều nhân bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 76 Công nghệ Speedstep bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 77 Công nghệ siêu phân luồng Hyper Threading Technology công nghệ cho phép nhiêu luồng thực chạy đồng thời CPU vật lý – Do intel đưa vào năm 2002 CPU Xeon sau Pentium – Công nghệ áp dụng VXL họ Atom, Core iX nhiệu họ VXL khác – Đòi hỏi Hệ điều hành phải hỗ trợ đa xử lý nhiều luồng đồng thời (Stimultaneous Multi-Threading) Công nghệ siêu phân luồng thiết kế nhằm cải thiện khả xử lý song song – Mỗi CPU/Core vật lý có khả nưng thực luồng ảo – Các luồng ảo có khả chia sẻ tài ngun cơng việc bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 78 Công nghệ siêu phân luồng (tt) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 79 Công nghệ siêu phân luồng (tt) Công nghệ HT thực cách: – Mỗi CPU ảo có số thành phần riêng, thường phần lưu trạng thái kiến trúc (Architecture State), gồm đầy đủ ghi (thanh ghi liệu, ghi đoạn,…) – Các CPU ảo chia sẻ thành phân thực CPU vật lý bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 80 Công nghệ siêu phân luồng (tt) Hệ điều hành nhìn CPU hỗ trợ phân luồng CPU logic – Cho phép Hệ điều hành lập lịch xử lý luồng song song CPU ảo – Khi luồng bị dừng lý đó, HĐH cấp phát tài nguyên CPU vật lý cho luồng khác giúp cải thiện hiệu Tối ưu hóa HĐH hệ thống siêu phân luồng – Một hệ thống có CPU vật lý, CPU vật lý hỗ trợ CPU ảo có CPU ảo Nếu lập lịch HĐH không hỗ trợ siêu phân luồng coi CPU ảo ngang – Nếu thời điểm có luồng yêu cầu thực HĐH chọn CPU ảo CPU vật lý để chạy CPU vật lý tải cao CPU vật lý rỗi hồn tồn hiệu hệ thống khơng hỗ trợ siêu phân luồng – Để tránh tượng này, HĐH phải có khả phân biệt CPU vật lý CPU ảo để lập lịch cho phù hợp bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 81 Công nghệ siêu phân luồng (tt) Hiệu hệ thống siêu phân luồng – Cải thiện hiệu cho ứng dụng đa luồng – Cho phép nhiều luồng thực đồng thời – Cải thiện khả đáp ứng ứng dụng Số liệu thực nghiệm công nghệ siêu phân luồng – Tăng diện tích đế (die) khoảng 5% so với CPU thường – Hiệu tăng khoảng 15-30% (theo Intel) – Theo thực nghiệm Tom’s Hardware, Pentium IV 3.0GHz có HT nhanh Pentium IV 3.6 GHz khơng có HT – Hiệu phụ thuộc vào ứng dụng, chạy đồng thời chương trình nặng tải (tính tốn nhiều) chạy chậm có HT bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 82 Cơng nghệ ảo hóa (Virtualization) Ảo hóa – Là kết hợp công nghệ phần cứng phần mềm để tạo máy ảo (VM – Virtual Machine) – Cho phép trừu tượng hóa phần cứng để máy tính hoạt đọng nhiều máy tính Ưu điểm – Giảm số máy vật lý đảm bảo đa dạng tảng theo yêu cầu – Tiết kiệm không gian vật lý, điện tiện ích phục vụ khác – Hữu ích việc phát triển, kiểm thử phần mềm – Hỗ trợ cân tải động khôi phục sau cố – Sử dụng nhiều điện tốn đám mấy, dịch vụ hóa tài nguyên phần cứng bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 83 Cơng nghệ ảo hóa (tt) Virtual Machine Monitor (VMM) – Là phần trung tâm công nghệ ảo hóa – Điểm khó khăn thiết kết VMM vấn đề điều khiển sử dụng tài nguyên vật lý cách hiệu (Vấn đề ánh xạ nhớ; Vấn đề ánh xạ thiết bị vào/ra….) bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 84 Cơng nghệ ảo hóa (tt) CPU hỗ trợ ảo hóa giúp cho – – – – Giảm tải thao tác VMM Tăng tốc độ lực VMM Giảm độ phức tạp phát riển VMM Giúp VMM chia sẻ tài nguyên phần cứng hiệu Một số phần mềm tạo máy ảo ứng dụng HĐH – – – – – – – MS Windows Virtual PC VMWare Workstation, VMWare Server Oracle VM KVM Virtual Box IMB VM Sun xVM bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 85 Công nghệ ảo hóa (tt) Một số phần mềm tạo máy ảo HĐH – – – – – – Microsoft Hyper-V VMWare vSphere Hypervisor Linux-VServer Sloaris Containers OpenVZ Free VPS Đặc điểm: – Được cài trực tiếp lên phần cứng vật lý, trực tiếp quản lý tối ưu hóa cho chia sẻ tài nguyên phần cứng – Hỗ trợ nhiều máy ảo tốc độ cao – Thích hợp với ảo hóa máy chủ, tạo máy chủ ảo bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 86 Thắc mắc – Thảo luận? bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý trung tâm 87 ... Northwood 0. 13? ?m 55M 2.4GHz 6.5K-10K 20 03 Itanium đ 0. 13? ?m 410M 3. 0GHz 9.726K 2008 Core i3 32 nm 3. 33GHz 2009 Core i5 32 nm 3. 6GHz 2011nay Core i7 32 nm 4GHz bangtqh@utc2.edu.vn Chương - Bộ xử lý... 1.5 1985 8 038 6 1µm 275K 33 9.9 1989 80486 0.8µm 1.2M 50MHz 41 19 93 Pentium ® 0.6µm 3. 1M 66MHz 126.5 1995 Pentium ® Pro 0 .35 µm 5.5M 200MHz 200 1998 Pentium đ !! 0.25àm 7.5M 33 3MHz >30 0 1998 Pentium... 42M transistors / 1 . 3- 1.8GHz / 4 9-5 5W L=0.18àm bangtqh@utc2.edu.vn Pentiumđ Northwood 55M transistors / 2-2 .5GHz L=0. 13? ?m Area= 131 mm2 Chương - Bộ12xử lý trung tâm 11 Chức CPU Chức – Điều khiển