Gvhd: Nguyễn Minh Hùng Đề tài: Tìm Hiểu & Nghiên Cứu cpu

GIỚI THIỆU VỀ CPU

CPU là từ viết tắt của cụm Central Processing Unit (Đơn Vị Xử Lý Trung Tâm), là một bộ phận tính toán chính của máy tính. Nó được cấu thành bởi đơn vị số học-lôgic (ALU) và đơn vị điều khiển. Ngày nay, CPU trong hầu hết các máy tính được chứa trọn vẹn trên một chip đơn.

CPU, đồng hồ và bộ nhớ là những thành phần chính yếu tạo nên máy vi tính của bạn. Nhưng một hệ thống máy tính hoàn chỉnh cần đòi hỏi thêm các thành phần khác như: các đơn vị điều khiển, các thiết bị nhập, xuất và lưu trữ dữ liệu và một hệ điều hành.
Chiếc máy tính mà bạn dùng để đọc trang thông tin của chúng tôi sử dụng một CPU và nó đang giúp bạn làm công việc này. CPU có thể được xem như "quả tim" của bất cứ một máy tính thông thường nào, dù nó là máy tính để bàn, máy chủ hay máy tính xách tay. CPU của bạn có thể là loại Pentium, K6, PowerPC, Sparc hay bất cứ một nhãn hiệu hay loại CPU nào, nhưng tất cả chúng đều thực hiện gần như cùng một thứ và với cách thức gần như nhau.

Nếu như bạn đã từng tự hỏi không biết CPU trong máy tính của bạn đang làm gì, hoặc nếu bạn quan tâm về sự khác biệt giữa các loại CPU, thông tin mà chúng tôi cung cấp sẽ giúp bạn tìm hiểu xem làm sao mà các kỹ thuật luận lý số vô cùng đơn giản lại cho phép máy tính làm rất nhiều việc, từ chơi game, soạn văn bản cho đến việc đọc thư điện tử hay nghe nhạc, xem phim...

II/GIỚI THIỆU VỀ CPU INTEL

1. 
   SƠ LƯỢC VỀ TẬP ĐOÀN INTEL:
   

• 
  Pentium III Katmai: : tốc độ: 600 MHz ,FSB:100 MHz, 32KB cache l1, 512KB cache l2,socket 242(slot 1) ,sản xuất trên công nghệ: 0,25µm ,công xuất tiêu thụ 34.5w.
  

• 
  Pentium III XEON :ra đời năm 1999,tốc độ: 600MHz, FSB:133MHz,32KB cache l1,256 KB cache l2,socket SC330(slot2),công nghệ sản xuất 0.18µm,công xuất tiêu thụ 19.2w.
  

2. 
   Pentium 4:
   

• 
  Pentium IV : ra đời năm 2000 :tốc độ 2.6GHz, FSB :800MHz,20KB cache l1,512KB cache l2, socket 478,công nghệ sản xuất 90nm,công xuất tiêu thụ 89w.
  

2.3 Pentium D:

• 
  Pentium D:tốc độ: 3.0GHz,FSB:800MHz,4MB cache L2,socket 775,công nghệ sản xuất 65nm,công xuất tiêu thụ 95w.
  

4. 
   Dual Core :
   

• 
  Dual Core E6500: 2 nhân xử lí,tốc độ 2.93GHz,FSB 1066,2MB cache l2,socket 775,sản xuất trên công nghệ 45nm,công xuất tiêu thụ 65w.
  

2.5 Core 2 Duo:

• 
  Core 2 Duo T7300: có 2 nhân xử lý,tốc độ 2.0GHz,FSB :800MHz,4MB cache l2,socket 775,sản xuất trên công nghệ 65nm,công xuất tiêu thụ 35w
  

6. 
   Core 2 Quad:
   

• 
  Core 2 Quad Q6600: có 4 nhân xử lý,tốc độ 2.4GHz,FSB 1066MHz,8MB cache l2,socket 775,công xuất tiêu thụ ,sản xuất trên công nghệ 65nm.
  
• 
  
  

6. 
   Core i3 :
   

• 
  Core i3 530:tốc độ 2.93GHz,FSB:2.5GT/s ,4MB cache L2,socket 1156,công xuất tiêu thụ 73w,sản xuất trên công nghệ 32nm.
  

6. 
   Core i5:
   

• 
  Core i5 750: ra đời năm 2009, có 4 nhân ,tốc độ 3.2GHz,FSB: 2.5GT/s,8MB cache,socket 1156,công nghệ sản xuất :45nm, công xuất tiêu thụ 95w.
  

2.9 Core i7:

• 
  Core i7 920: có 4 nhân,tốc độ 2.93GHz,FSB:4.5 GT/s,8MB cache,socket 1156,công nghệ sản xuất 45nm,công xuất tiêu thụ 130w
  

3. CÁC DÒNG CPU LAPTOP CỦA INTEL:

3.1 Pentium 3:

• 
  Intel - Pentium III Mobile :tốc độ: 800MHz ,FSB: 100Mhz ,32KB cache L1,256KB cache l2,socket 370, công nghệ sản xuất: 0.13µm,công xuất tiêu thụ 0.95v.
  

2. 
   Pentium 4:
   

• 
  Intel Mobile Pentium 4 M 518 tốc độ: 2.80GHz ,1MB Cache l2 ,FSB:533MHz ,Socket 478 , công nghệ sản xuất: 90nm ,công xuất tiêu thụ 88w.
  

2. 
   Dual Core:
   

• 
  Intel Pentium Dual-Core Mobile Processor T2130: ra đời năm 2007,tốc độ:1.86Ghz,FSB: 533MHz ,1MB cache l2, Công nghệ sản xuất: 65nm ,công xuất tiêu thụ 31w.
  

2. 
   Core 2 Duo :
   

• 
  Intel Core 2 Duo T7300 ra đời năm 2007,2 nhân,tốc độ: 2.00GHz, FSB:800MHz,Socket P,4MB cache l2,công nghệ sản xuất: 65nm,công xuất tiêu thụ 35w.
  

3.5 Core 2 Quad :

• 
  Core 2 quad Q9000:ra đời năm 2009,4 nhân,tốc độ: 2.0GHz,FSB:1066MHz,socket,6MB cache ,công nghệ sản xuất 45nm,công xuất tiêu thụ 45w
  

• 
  Core™2 Solo Processor ULV SU3500, 1.4 Ghz, 3 MB, L2 Cache, Mobile Intel GS45 Express Chip(ICH 9), 1066 Mhz, 2 GB, DDR III RAM, 1066 MHz, Intel Graphics Media Accelerator 4500MHD, 512 MB,
  

7. 
   Core i3 :
   

• 
  Core i3 330:ra đời 01/2010,2 nhân,tốc độ 2.13GHz,FSB:2.5GT/s,3MB cache,socket,công nghệ sản xuất 32nm,công xuất tiêu thụ 35w.
  

7. 
   Core i5 :
   

• 
  Core i5 430M:ra đời quý 1 năm 2010,2 nhân ,tốc độ:2.5GHz,FSB 2.5Gt/s,3MB cache,socket M,công nghệ sản xuất 32nm,công xuất tiêu thụ 35w.
  

7. 
   Core i7 :
   

• 
  Core i7 -72QM:ra đời năm 2009,4 nhân,tốc độ:2.8GHz,FSB:2.5GT/s,6MB cache,socket,công nghệ sản xuất 45nm,công xuất tiêu thụ 45w.
  

III/ GIỚI THIỆU VỀ CPU AMD :

Nhà sản xuất các thiết bị bán dẫn nổi tiếng như các CPU tương thích dòng x86 (x86 compatible CPU), các bộ xử lý nhúng (embedded processor), các bộ nhớ truy cập nhanh (flash memory), các thiết bị lập trình logic và các thiết bị mạng. AMD là công ty đầu tiên sản xuất các bộ xử lý tương thích 386 và 486 vào các năm 1991, 1993 và là đối thủ cạnh tranh trực tiếp của hãng Intel cho đến ngày nay với các bộ vi xử lý công nghệ mới.

2. CÁC DÒNG CPU DESKTOP CỦA AMD:

1. 
   AMD Athlon™ II X2 :
   

• 
  AMD Athlon™ II X2 550 3.1GHZ,fsb 4000MHZ ,2x512 cache l2,6MB cache l3,socket AM3, công xuất tiêu thụ 80w,sản xuất theo công nghệ 45nm
  

1. 
   AMD Athlon II X3 :
   

• 
  AMD Athlon II X3 425 2.7GHz,FSB 2000MHz,512mb cache l2,socket am3+/am3,công xuất tiêu thụ 95w,sản xuất theo công nghệ 45nm
  

1. 
   AMD Athlon™ II X4 :
   

• 
  AMD Athlon™ II X4 620 2.6GHz,FSB 4000MHz,2MB cache l2,socket am3,công xuất tiêu thụ 95w,sản xuất theo công nghệ 45nm
  

1. 
   AMD Phenom™ II X2 :
   

• 
  AMD Phenom™ II X2 240 2.80GHz,FSB 4000MHz,2x1mb cache l2 socket am3 ,công xuất tiêu thụ 65w,sản xuất theo công nghệ 45nm
  

1. 
   AMD Phenom™ II X3 :
   

• 
  AMD Phenom™ II X3 710 2.6GHz,FSB 4000MHz,3x512kb cache l2,6mb cache l3,tiêu thụ điện năng 95w,socket am3,công nghệ sản xuất 45nm
  

1. 
   AMD Phenom™ II X4 :
   

• 
  AMD Phenom™ II X4 945 3.0GHz,FSB 4000 MHz,2mb cache l2,6mb cache l3,socket AM3 ,công xuất tiêu thụ 125w,công nghệ sản xuất 45nm
  

1. 
   Athlon™ X2 Dual-Core :
   

• 
  Athlon™ X2 Dual-Core 250,3.0GHz,FSB 4000MHz,2mb cache l2,socket am3,công xuất tiêu thụ 65w,công nghệ sản xuất 45nm
  

1. 
   AMD Sempron™ LE:
   

• 
  AMD Sempron™ LE-1250 ,2.2GHz,FSB 800MHz,512KB cache l2, socket am2,công xuất tiêu thụ 45w,sản xuất theo công nghệ 65nm.
  

1. 
   AMD Turion™ 64 X2 Mobile :
   

• 
  AMD Turion™ 64 X2 Mobile Technology TL-58 :1.9 GHz , 2x128KB cache l1,512 x2KB cache l2,socket s1,sản xuất theo công nghệ 65nm,công xuất tiêu thụ 95w.
  

1. 
   Athlon neo X2 :
   

• 
  Athlon neo X2 L510:1600MHz,1MB cache l2,FSB:800MHz,socket ASB1,sản xuất theo công nghệ,công xuất tiêu thụ 18w.
  

1/ Tốc độ làm việc: Tốc độ xử lý của CPU được quyết định bởi các yếu tố :

Hiện nay CPU phổ biến là Duo-Core (2 nhân), Quad-Core (4 nhân). Quý 2 năm 2010 Intel và AMD ra mắt CPU Six-Core (6 nhân).

4/ Đơn vị giao tiếp (BUS):

a. Hàng đợi lệnh (Instruction Queue)

Trong khi EU đang giải mã hay thi hành một lệnh không cần sử dụng các hệ thống BUS, BIU sẽ đưa vào sáu bytes lệnh tiếp theo. BIU chứa các byte này trong một thanh ghi FIFO (First - In - First - Out) gọi là hàng đợi. Khi EU đã sẵn sàng cho lệnh tiếp theo, nó sẽ chỉ cần đọc các byte lệnh trong hàng đợi của BIU. Việc này làm tăng tốc độ của hệ thống, và kỹ thuật này được gọi là pipelining.

b. Các thanh ghi đoạn (Segment Register)

Gồm bốn thanh ghi CS, DS, ES, SS, dùng để chứa địa chỉ đoạn. Bộ nhớ trong 1MB của CPU 8088 được chia thành các đoạn, mỗi đoạn chứa tối đa 64 KB, ở mỗi thời điểm CPU chỉ có thể truy xuất tối đa 4 đoạn được xác định bởi 4 thanh ghi CS, DS, ES và SS. Cụ thể:

• 
  Thanh ghi CS (Code Segment): dùng để chứa địa chỉ đoạn của đoạn chứa mã lệnh.
  
• 
  Thanh ghi DS (Data Segment): dùng để chứa địa chỉ đoạn của đoạn chứa dữ liệu.
  
• 
  Thanh ghi ES (Extra Segment): dùng để chứa địa chỉ đoạn của đoạn chứa dữ liệu bổ sung.
  
• 
  Thanh ghi đoạn SS (Stack Segment): dùng để chứa địa chỉ đoạn của đoạn chứa Stack.
  

Dùng để xác định địa chỉ offset của ô nhớ chứa mã lệnh của lệnh kế tiếp sẽ được CPU thi hành (ô nhớ này nằm trong đoạn được xác định bởi thanh ghi CS).

Khi CPU thực hiện một lệnh, thanh ghi IP sẽ tự động thay đổi để chỉ đến địa chỉ offset của ô nhớ chứa lệnh sẽ được CPU thi hành kế tiếp.

5/ BUS địa chỉ (Address BUS):

BUS địa chỉ là dụng cụ để CPU có thể xác định và nhận ra vị trí của các thiết bị trong hệ thống. Các thiết bị này có thể là các ô nhớ, các cổng giao tiếp. Số lượng đường dây trên BUS địa chỉ phụ thuộc vào từng loại VXL, có thể là 16, 20 hay nhiều hơn. Với bộ VXL 8086/8088 thì BUS địa chỉ có 20 đường dây ký hiệu từ A₀ -> A₁₉ , như vậy có 2²⁰ vị trí địa chỉ có thể phân biệt được.

6/ BUS dữ liệu (Data BUS):

BUS dữ liệu (Data BUS) dùng để chuyển thông tin (gồm cả dữ liệu và lệnh) giữa bộ VXL với các thiết bị khác trong hệ thống.

Quá trình chuyển thông tin từ bộ VXL đến các thiết bị khác trong hệ thống (có thể là bộ nhớ hay các thiết bị ngoại vi) được gọi là thao tác ghi (Write Operation), ngược lại quá trình nhận số liệu vào bộ VXL từ các thiết bị ngoại vi được gọi là thao tác đọc (Read Operation). Như vậy BUS dữ liệu vừa phải thu và phát thông tin nên nó là BUS hai chiều (Bidirectional BUS). Tất nhiên không thể thu phát đồng thời cùng một lúc được.

Bộ VXL Intel 8088 có điểm khác nhau quan trọng với 8086 là nó chỉ có BUS dữ liệu 8 bít thay vì 16 bít. Ðặc biệt trong họ VXL Intel (80X86), đều sử dụng kỹthuật Multiplex các đường dây của BUS địa chỉ và dữ liệu. Cụ thể đó là quá trình dùng chung các đường dây (các chân ra) nhưng lúc thì làm việc này, lúc thì làm việc khác, tức là thực hiện các công việc khác nhau trong các thời gian khác nhau. Khi đóng vai trò BUS dữ liệu các đường dây sẽ truyền thông tin cho các thiết bị của hệ thống, ngược lại khi đóng vai trò BUS địa chỉ, cũng chính các đường dây này được dùng để gửi ra các tín hiệu địa chỉ.

7/ BUS điều khiển (Control BUS):

BUS điều khiển (Control BUS) là tập hợp các đường dây điều khiển dùng để điều khiển các tác vụ của hệ thống. BUS điều khiển có từ 4 đến 10 đường tín hiệu, được sinh ra từ CPU, các tín hiệu điều khiển điển hình là: MEMR (MEMory Read), MEMW (MEMory Write), IOR (I/O Read) và IOW (I/O Write).

Ví dụ: khi muốn đọc một byte từ một vùng nhớ, CPU trước hết gửi địa chỉ vùng nhớ đó ra BUS địa chỉ, sau đó đưa ra tín hiệu Memory Read ra BUS dữ liệu. Tín hiệu Memory Read sẽ kích hoạt thiết bị nhớ để thiết bị này gửi số liệu ra BUS dữ liệu. Số liệu này theo BUS dữ liệu về CPU.

Định thời chu kỳ bus

Mỗi chu kỳ bus bắt đầu bằng việc xuất địa chỉ bộ nhớ hoặc I/O port (chu kỳ

xung nhịp T1). Với 8086 thì địa chỉ này có thể là địa chỉ bộ nhớ 20 bit, địa chỉ I/O gián

tiếp 16 bit (thanh ghi DX) hay địa chỉ I/O trực tiếp 8 bit. Bus điều khiển có 4 tín hiệu

tác động mức thấp là MEMR, MEMW, IOR và IOW.
Các chuỗi sự kiện xảy ra trong một chu kỳ bus đọc bộ nhớ:

T1: CPU xuất địa chỉ bộ nhớ. Các đường dữ liệu không hoạt động và các đường

điều khiển bị cấm

T2: Đường điều khiển MEMR xuống mức thấp. Đơn vị bộ nhớ ghi nhận chu

kỳ bus này là quá trình đọc bộ nhớ và đặt byte hay word có địa chỉ đó lên bus dữ liệu.

T3: CPU đặt cấu hình để các đường bus dữ liệu là nhập. Trạng thái này chủ yếu

để bộ nhớ có thời gian tìm kiếm byte hay word dữ liệu

T4: CPU đợi dữ liệu trên bus dữ liệu. Do đó, nó thực hiện chốt bus dữ liệu và

giải phóng các đường điều khiển đọc bộ nhớ. Quá trình này sẽ kết thúc chu kỳ bus.

Trong một chu kỳ bus, CPU có thể thực hiện đọc I/O, ghi I/O, đọc bộ nhớ hay

ghi bộ nhớ. Các đường bus địa chỉ và bus điều khiển dùng để xác định địa chỉ bộ nhớ hay I/O và hướng truyền dữ liệu trên bus dữ liệu.

Chú ý rằng CPU điều khiển tất cả các quá trình trên nên bộ nhớ bắt buộc phải

cung cấp được dữ liệu vào lúc MEMR lên mức cao trong trạng thái T4. Nếu không,

CPU sẽ đọc dữ liệu ngẫu nhiên không mong muốn trên bus dữ liệu. Để giải quyết vấn đề này, ta có thể dùng thêm các trạng thái chờ (wait state).

8/ Kiến trúc nội:

CPU có khả năng thực hiện các tác vụ dữ liệu theo tập lệnh bên trong. Một lệnhđược ghi nhận bằng mã đã được định nghĩa trước, gọi là mã lệnh (opcode). Trước khithực thi một lệnh, CPU phải nhận được mã lệnh từ bộ nhớ chương trình của nó. Quátrình xử lý này gọi là chu kỳ nhận lệnh (fetch cycle). Một khi các mã được nhận vàđược giải mã thì mạch bên trong CPU có thể tiến hành thực thi (execute) mã lệnh.

đặt chúng vào hàng chờ lệnh. EU (Execute Unit – đơn vị thực thi) sẽ giải mã và thựchiện các lệnh trong hàng. Chú ý rằng các đơn vị EU và BIU làm việc độc lập vớinhaunên BIU có khả năng đang nhận một lệnh mới trong khi EU dang thực thi lệnh trướcđó. Khi EU đã thực hiện xong lệnh, nó sẽ lấy mã lệnh kế tiếp trong hàng lệnh(instruction queue).

a/ Memory cache:

Đây là một khu vực bộ nhớ được tạo bằng bộ nhớ tĩnh (SRAM) có tốc độ cao nhưng đắt tiền thay vì bộ nhớ động (DRAM) có tốc độ thấp hơn và rẻ hơn, được dùng cho bộ nhớ chính. Cơ chế lưu trữ bộ nhớ cahce này rất có hiệu quả. Bởi lẽ, hầu hết các chương trình thực tế truy xuất lặp đi lặp lại cùng một dữ liệu hay các lệnh y chang nhau. Nhờ lưu trữ các thông tin này trong SRAM, máy tính sẽ khỏi phải truy xuất vào DRAM vốn chậm chạp hơn.

Một số bộ nhớ cache được tích hợp vào trong kiến trúc của các bộ vi xử lý. Chẳng hạn, CPU Intel đời 80486 có bộ nhớ cache 8 KB, trong khi lên đời Pentium là 16 KB. Các bộ nhớ cache nội (internal cache) như thế gọi là Level 1 (L1) Cache (bộ nhớ đệm cấp 1). Các máy tính hiện đại hơn thì có thêm bộ nhớ cache ngoại (external cache) gọi là Level 2 (L2) Cache (bộ nhớ đệm cấp 2). Các cache này nằm giữa CPU và bộ nhớ hệ thống DRAM. Sau này, do nhu cầu xử lý nặng hơn và với tốc độ nhanh hơn, các máy chủ (server), máy trạm (workstation) và mới đây là CPU Pentium 4 Extreme Edition được tăng cường thêm bộ nhớ đệm L3 Cache.

b/ Disk cache:

Bộ nhớ đệm đĩa cũng hoạt động cùng nguyên tắc với bộ nhớ cache, nhưng thay vì dùng SRAM tốc độ cao, nó lại sử dụng ngay bộ nhớ chính. Các dữ liệu được truy xuất gần đây nhất từ đĩa cứng sẽ được lưu trữ trong một buffer (phần đệm) của bộ nhớ. Khi chương trình nào cần truy xuất dữ liệu từ ổ đĩa, nó sẽ kiểm tra trước tiên trong bộ nhớ đệm đĩa xem dữ liệu mình cần đang có sẵn không. Cơ chế bộ nhớ đệm đĩa này có công dụng cải thiện một cách đáng ngạc nhiên sức mạnh và tốc độ của hệ thống. Bởi lẽ, việc truy xuất 1 byte dữ liệu trong bộ nhớ RAM có thể nhanh hơn hàng ngàn lần nếu truy xuất từ một ổ đĩa cứng.

xin nói thêm, người ta dùng thuật ngữ cache hit để chỉ việc dữ liệu được tìm thấy trong cache. Và hiệu năng của một cache được tính bằng hit rate (tốc độ tìm thấy dữ liệu trong cache).

Trở lại chuyện bộ nhớ cache. Hồi thời Pentium đổ về trước, bộ nhớ cache nằm trên mainboard và một số mainboard có chừa sẵn socket để người dùng có thể gắn thêm cache khi có nhu cầu. Tới thế hệ Pentium II, Intel phát triển được công nghệ đưa bộ nhớ cache vào khối CPU. Nhờ nằm chung như vậy, tốc độ truy xuất cache tăng lên rõ rệt so với khi nó nằm trên mainboard. Nhưng do L2 Cache vẫn phải ở ngoài nhân CPU nên Intel phải chế ra một bo mạch gắn cả nhân CPU lẫn L2 Cache. Và thế là CPU có hình dạng to đùng như một cái hộp (gọi là cartridge) và được gắn vào mainboard qua giao diện slot (khe cắm), Slot 1. Tốc độ truy xuất cache lúc đó chỉ bằng phân nửa tốc độ CPU. Thí dụ, CPU 266 MHz chỉ có tốc độ L2 Cache là 133 MHz. Sang Pentium III cũng vậy. Mãi cho tới thế hệ Pentium III Coppermine (công nghệ 0.18-micron), Intel mới thành công trong việc tích hợp ngay L2 Cache vào nhân chip (gọi là on-die cache). Lúc đó, tốc độ L2 Cache bằng với tốc độ CPU và con CPU được thu gọn lại, đóng gói với giao diện Socket 370.
CPU Socket 370 với L2 Cache nằm ngay trên nhân CPU. Như đã nói, dung lượng của Cache CPU lợi hại lắm nghen. Phổ biến nhất là L2 Cache là một chip nhớ nằm giữa L1 Cache ngay trên nhân CPU và bộ nhớ hệ thống. Khi CPU xử lý, L1 Cache sẽ tiến hành kiểm tra L2 Cache xem có dữ liệu mình cần không trước khi truy cập vào bộ nhớ hệ thống. Vì thế, bộ nhớ đệm càng lớn, CPU càng xử lý nhanh hơn. Đó là lý do mà Intel bên cạnh việc tăng xung nhịp cho nhân chíp, còn chú ý tới việc tăng dung lượng bộ nhớ Cache. Do giá rất đắt, nên dung lượng Cache không thể tăng ồ ạt được. Bộ nhớ cache chính L1 Cache vẫn chỉ ở mức từ 8 tới 32 KB. Trong khi, L2 Cache thì được đẩy lên dần tới hiện nay cao nhất là Pentium M Dothan 2 MB (cho máy tính xách tay) và Pentium 4 Prescott 1 MB (máy để bàn). Riêng dòng CPU dành cho dân chơi game và dân multimedia “pro” là Pentium 4 Extreme Edition còn được bổ sung L3 Cache với dung lượng 2 MB. Đây cũng là CPU để bàn có tổng bộ nhớ cache lớn nhất (L1: 8 KB, L2: 512 KB, L3: 2 MB).
10/ Tập lệnh(intrucsion set):
Theo nguyên tắc làm việc của máy tính thì để thực hiện chương trình, CPU lần lượt đọc các lệnh, giải mã lệnh và thực hiện lệnh. Đối với một hệ máy tính, một lệnh được chia thành các mức độ khác nhau, mức thứ nhất đó là mức lệnh của người sử dụng. Đây là những câu lệnh dạng gần gũi với ngôn ngự tự nhiên của con người và máy tính không thể hiểu được.

Để máy tính có thể hiểu được, lệnh của người sử dụng được HĐH hay trình dịch ngôn ngữ phiên dịnh thành lệnh ở dạng ngôn ngữ máy và CPU có thể đọc và hiểu được.

Chúng ta có thể lấy một ví dụ để phân biệt giữa SISC và RISC như sau: Cộng 1 vào một vùng địa chỉ. Trong CISC, lệnh tương ứng phải thực hiện ba chức năng sau: đọc vùng bộ nhớ, cộng thêm 1, ghi trả lại kết quả. Trong RISC, mỗi chức năng trên là một lệnh. Điều khác biệt là trong CISC không cần tới nhiều thanh ghi, với lệnh trên CISC có thể đọc giá trị tại vùng nhớ vào ALU, thực hiện tăng lên 1 và trả kết quả vào vùng nhớ. Còn đối với CPU RISC, nếu giá trị cần đọc đã có sẵn ở thanh ghi thi không cần phải đọc nó từ bộ nhớ, giá trị sau khi tăng lên 1 có thể chứa ở thanh ghi mà không cần phải ghi kết quả vào bộ nhớ.

11/ CPU đa lõi:
Lý do lớn nhất việc đặt nhiều lõi lên cùng một vi mạch là sẽ giúp giảm không gian trên bản mạch chính khi có nhu cầu muốn sử dụng với số lượng CPU lõi đơn tương đương. Thêm nữa, lợi thế của việc sử dụng đa lõi trên cùng một vi mạch đương nhiên sẽ làm việc kết hợp cùng nhau chặt chẽ và nâng cao được hiệu quả hơn.

Khả năng tiết kiệm năng lượng cũng được phát huy thấy rõ đối với thiết kế này. Khi nhiều lõi cùng nằm trên một chip, xung tín hiệu truyền giữa các lõi sẽ ngắn hơn. Ngoài ra, đặc trưng của CPU đa lõi là chạy với điện năng thấp hơn vì công suất tiêu tốn để tín hiệu truyền trên dây bằng với bình phương điện áp chia cho điện trở trong dây, do đó điện năng thấp hơn sẽ dẫn đến kết quả là nguồn điện sử dụng đi.

Một lý do khác đối với việc tiết kiệm nguồn điện là tốc độ đồng hồ. CPU đa lõi có thể thực thi các hoạt động nhiều lần hơn trong một giây trong khi tần số thấp hơn. Ví dụ bộ xử lý MIT RAW 16 lõi hoạt động ở tần số 425MHz có thể thực thi gấp 100 lần các hoạt động trong một giây đối với Intel Pentium 3 đang chạy ở tần số 600 MHz. Có một quy tắc đơn giản là mỗi một phần trăm tăng thêm tốc độ đồng hồ sẽ tăng 3% điện năng tiêu thụ. Và tất nhiên là điều đó còn chưa tính tới tác động của các nhân tố khác có ảnh hưởng tới sự tiêu thụ điện năng.

CPU đa lõi còn có thể chia sẻ một mạch ghép nối bus tốt như mạch lưu trữ. Hình bên dưới là lược đồ của chip Core 2 dual của Intel – có tính năng là một L2 cache được chia sẻ. Kết quả là tiết kiệm được lượng không gian đáng kể. Theo Intel, CPU Core 2 dual có thể lên tới 4MB được chia sẻ L2 Cache.

Sơ đồ Bộ xử lý Core 2 Dual của Intel

Một nhân tố khác giới hạn lợi ích thực thi của CPU đa lõi là phần mềm chạy trên nó. Đối với người dùng bình thường, hiệu suất lớn nhất mà họ đạt được khi lựa chọn một CPU đa lõi là tính đa nhiệm được cải thiện. Ví dụ, với một CPU đa lõi ta sẽ thấy sự cải thiện lớn khi xem DVD trong lúc máy vẫn đang được quét virus mà tốc độ không bị ảnh hưởng, bởi vì từng ứng dụng sẽ được gán trên các lõi khác nhau.

Việc phát triển một ứng dụng đa luồng đích thực yêu cầu rất nhiều công việc phức tạp. Điều này rõ ràng cũng tốn khá nhiều chi phí vào một chu trình thiết kế phần mềm. Đó là lý do tại sao phần lớn các ứng dụng phần mềm sẽ không được phát triển như các ứng dụng thực sự đa luồng cho đến khi số lượng lõi đủ cao để thực hiện nhiều tác vụ mà không làm ảnh hưởng tới hiệu suất. Và điều này sẽ đạt được khi người dùng có nhu cầu.

12/ Các thuộc tính kỹ thuật của CPU

Word Size: kích thước từ nhớ là số bit lớn nhất mà CPU có thể xử lý ở một thời điểm.

Level 1 Execution Trace Cache: là bộ nhớ đệm bổ sung 8 KB, CPU Pentium 4 bao gồm bộ nhớ dò tìm thi hành lệnh mà dung lượng lên đến 12KB để đọc/giải mã theo thứ tự sự thực hiện của chương trình. Hiệu suất tăng dần này được gở bỏ việc đọc/giải mã theo mỗi vòng lặp và làm hiệu quả hơn không gian lưu trữ đệm cho đến khi những tập lệnh không được lưu nữa. Kết quả là nó chuyển một khối lượng lớn những lệnh đến bộ xử lý.

Level 2 Advanced Transfer Cache (ATC): Bộ nhớ đệm Level 2 có trong bộ xử lý từ 2,4Ghz trở lên. Level 2 ATC giúp thông lượng truyền dữ liệu nhiều hơn giữa hai kênh là bộ đệm Level 2 và bộ xử lý. Bộ đệm Level 2 có một mạch ghép nối 256bit (32 byte) mà nó truyền dữ liệu trong mỗi xung.

Level 3 cache: chỉ có Pentium 4 Extreme Edition 3,2GHz trở lên mới có bộ nhớ đệm Level 3. Đây là bộ nhớ thứ ba được thêm vào trên CPU. Nó được thiết kế đặc biệt để đáp ứng những nhu cầu cho những ai đòi hỏi cao về năng xuất. CPU có bộ nhớ Level 3 cung cấp một đường truyền rộng đến bộ nhớ. Thiết kế của cache L3 giúp cho những dữ liệu xử lý chứa đựng ở CPU được nhiều hơn và nhanh hơn.

II/ CẤU TẠO :

1/ Các thành phần cơ bản của cpu:
CU (Control Unit): Đơn vị điều khiển : Điểu khiển hoạt động của hệ thống theo chương trình đã dựng sẵn. Có chức năng điều khiển toàn bộ tiến trình chuyển giao dữ liệu từ chổ này sang chổ khác trong khi quá trình tính toán đang tiếp tục thực hiện

ALU (Arithmetic and Logic Unit): Đơn vị số học và luận lý. Thực hiện tất cả các tính toán số học và lôgic. Đơn vị số học và luận lý chỉ thực hiện các phép toán số học đơn giản như phép cộng, trừ, nhân, chia. Để CPU có thể xử lý dữ liệu với các số thực với độ chính xác cao và các phép toán phức tạp như sin, cos, tính tích phân…, các CPU thường được trang bị thêm bộ đồng xử lý toán học (FPU: Floatting Point Unit ) còn được gọi là bộ xử lý dấu chấm động.

2/ Các chức năng cơ bản của cpu:

Thực hiện các lệnh về xử lý dữ liệu & các lệnh nhập xuất dữ liệu, các lệnh đọc, ghi, xóa dữ liệu trên các thiết bị lưu trữ, các lệnh về quản lý bộ nhớ bao gồm cấp phát và giải phóng tài nguyên bộ nhớ.
3/ Các thành phần chính vật lý:

a. CPU INTEL :

Bộ vi xử lý là trái tim của máy tính hiện đại; đây là một loại chip được tạo thành từ hàng triệu transistor và những thành phần khác được tổ chức thành những khối chức năng chuyên biệt, bao gồm đơn vị xử lý số học, khối quản lý bộ nhớ và bộ nhớ đệm, khối luân chuyển dữ liệu và phép toán luận lý suy đoán.

• 
  Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ
  tạp chất thấp.
  
• 
  Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter ) viết tắt là E,  và cực thu hay cực góp ( Collector )viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P )nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị chonhau được.
  

Bất kỳ chương trình máy tính nào cũng bao gồm rất nhiều lệnh để thao tác với dữ liệu. Bộ xử lý sẽ thực hiện chương trình qua bốn giai đoạn xử lý: nạp, giải mã, thực thi và hoàn tất.

Giai đoạn nạp (lấy lệnh và dữ liệu) đọc các lệnh của chương trình và dữ liệu cần thiết vào bộ xử lý.

Giai đoạn giải mã xác định mục đích của lệnh và chuyển nó đến phần cứng tương ứng.

Giai đoạn thực thi là lúc có sự tham gia của phần cứng, với lệnh và dữ liệu đã được nạp sẵn, các lệnh sẽ được thực hiện.

Quá trình này có thể gồm các tác vụ như cộng, chuyển bít hay nhân thập phân động.

Giai đoạn hoàn tất sẽ lấy kết quả của giai đoạn thực thi và đưa vào thanh ghi của bộ xử lý hay bộ nhớ chính.

Một bộ phận quan trọng của bộ vi xử lý là đồng hồ xung nhịp được thiết kế sẵn, xác định tốc độ làm việc tối đa của những bộ phận khác và giúp đồng bộ hoá những hoạt động liên quan. Hiện nay tốc độ nhanh nhất của bộ xử lý có trên thị trường là trên 2 GHz hay hơn hai tỷ xung nhịp mỗi giây. Một số người thích sử dụng thủ thuật "ép" xung để chạy ở tốc độ cao hơn, nhưng nên nhớ là khi đó nhiệt độ làm việc của chip sẽ cao hơn và có thể gây trục trặc.

b. CPU AMD
Chất liệu chủ yếu chế tạo cpu AMD là ceramic (gốm) và organic ( hữu cơ) từ dòng Thoroughbred trở đi đều làm bằng organic.Hiện tại, công nghệ được áp dụng cho các CPU là MOS (Metal Oxide Semi-Conductor - bán dẫn ôxít kim loại), dựa vào một lớp ôxít kim loại nằm trên tấm silicon kết nối bởi các đường hợp chất dẫn điện.Người ta đã cải tiến MOS thành CMOS (Complimentary MOS - MOS bổ trợ) hoạt động ở điện thế thấp.

Để đáp ứng nhu cầu làm cho CPU ngày càng nhanh hơn, ít tiêu hao năng lượng hơn các công nghệ 0,25 -> 0,18 -> 0,13 micron lần lượt ra đời. Nhưng chính sự thu nhỏ các cầu nối trong CPU này khiến việc áp dụng MOS và CMOS trở nên ngày càng khó khăn hơn, do các cầu nối này nằm quá sát nhau nên dễ dẫn đến hiện tượng đóng điện chéo lên các cầu bên cạnh. Một nhược điểm quan trọng khác của công nghệ MOS là phần silicon ở giữa các cầu nối (có vai trò như một tụ điện) phải nạp được điện dung tối đa để có thể đóng - và lại phải thoát hết điện dung để có thể mở. Việc này tốn thời gian xử lý, và lãng phí thời gian xử lý trên CPU.

Cải tiến SOI là điện dung của tụ silicon giữa các cầu được cực tiểu hoá làm giảm thời gian cần thiết để thoát/nạp, để mở và đóng cầu nối. Điều này giúp tăng xung nhịp lên rất nhiều. Sở dĩ SOI làm được điều đó là nhờ việc chèn vào giữa tấm silicon một lớp vật liệu cách điện và để lại một phần silicon nhỏ ở giữa các cầu nối. Lớp vật liệu cách điện này là một dạng của ôxít silicon được tạo ra bằng kĩ thuật SIMOX (Seperation by Implantation of Oxygen) - khí ôxi được ép lên bề mặt của silicon wafer ở áp suất và nhiệt độ cao, khi đó silicon phản ứng với ôxi tạo nên 1 lớp ôxít silicon bám vào silicon wafer bên dưới.

SOI sẽ không thay thế hoàn toàn MOS/CMOS mà chỉ tối ưu hoá cho hai công nghệ này:
- CPU dùng SOI sẽ nhanh hơn đến 30% so với CPU dùng MOS/CMOS nếu có cùng một xung đồng hồ như nhau.
- Yêu cầu về điện năng thấp hơn nhiều so với MOS/CMOS (ít hơn khoảng 50%), CPU sẽ chạy mát hơn - vượt qua một trở ngại lớn của việc nâng tốc độ các bộ xử lý.
- Cho phép thu nhỏ công nghệ sản xuất CPU xuống 0.09 micron hay thấp hơn cùng với SOI có nghĩa rằng các bộ vi xử lý sẽ được tăng tốc rất nhanh và tốc độ 5-10GHz sẽ sớm đạt được. Thế nhưng SOI cần có silicon đạt độ nguyên chất 100% - thứ mà công nghệ hiện nay chưa sản xuất được. Isonics là 1 công ty đang nghiên cứu sản xuất loại silicon wafer này. AMD thực sự trông đợi vào SOI để khắc phục những nhược điểm của CPU như tiêu tốn nhiều điện năng và chạy nóng hơn. Cả thế giới đang mong đợi bộ xử lý K8 của họ, hay còn gọi là Hammer dùng công nghệ SOI.
4/ Thành phần chính luận lý:
Mạch của bộ xử lý được thiết kế thành những phần luận lý riêng biệt - khoảng hơn một chục bộ phận - được gọi là những đơn vị thực thi. Chúng có nhiệm vụ thực hiện bốn giai đoạn trên và có khả năng xử lý gối đầu. Dưới đây là một số đơn vị thực thi phổ biến nhất.

a/ Bộ luận lý số học: Xử lý tất cả những phép toán số học. Đôi lúc đơn vị này được chia thành những phân hệ, một chuyên xử lý các lệnh cộng và trừ số nguyên, phân hệ khác chuyên tính toán các phép nhân và chia số phức.

b/ Bộ xử lý dấu chấm động (FPU): Thực hiện tất cả các lệnh liên quan đến dấu chấm động (không phải là số nguyên). Ban đầu FPU là bộ đồng xử lý gần ngoài nhưng hiện nay nó được tích hợp ngay trên bộ xử lý để tăng tốc độ xử lý.

c/ Bộ phận nạp/lưu: Quản lý tất cả lệnh đọc hay ghi bộ nhớ.

f/ Bộ phận xử lý vector (VPU): Xử lý các lệnh đơn, đa dữ liệu (single instruction multiple data-SIMD) để tăng tốc các tác vụ đồ hoạ. Những lệnh theo kiểu vector này gồm các tập lệnh mở rộng cho multimedia của Intel, 3DNow của AMD, AltiVec của Motorola. Trong một vài trường hợp không có bộ phận VPU riêng, chẳng hạn Intel và AMD tích hợp những tính năng này vào trong FPU của Pentium 4 và Athlon.

Không phải tất cả các bộ phận này đều thực thi lệnh. Người ta đã có những nỗ lực to lớn để bảo đảm cho bộ xử lý lấy lệnh và dữ liệu ở tốc độ nhanh nhất. Tác vụ nạp truy cập bộ nhớ chính (không nằm ngay trên CPU) sẽ chiếm nhiều chu kỳ xung nhịp, trong khi đó CPU lại không làm gì cả.

Tuy nhiên, BPU sẽ phải làm việc rất nhiều để lấy sẵn dữ liệu và lệnh.

Một cách giảm thiểu tình trạng không hoạt động của CPU là trữ sẵn mã và dữ liệu thường được truy cập trong bộ nhớ ngay trên chip, như vậy CPU có thể truy cập mã và dữ liệu trên bộ nhớ đệm chỉ trong một chu kỳ xung nhịp. Bộ nhớ đệm chính ngay trên CPU (còn gọi là Level1 hay L1) thường chỉ có dung lượng khoảng 32KB và chỉ có thể lưu được một phần chương trình hay dữ liệu. Thủ thuật để thiết kế bộ nhớ đệm là tìm giải thuật để lấy thông tin quan trọng vào L1 khi cần đến. Điều này có ý nghĩa hết sức quan trọng đối với tốc độ nên hơn một nửa số lượng transistor của bộ xử lý có thể dành cho bộ nhớ đệm.

Tuy nhiên, hệ điều hành đa nhiệm và một loạt các ứng dụng chạy đồng thời có thể làm quá tải ngay cả với bộ nhớ đệm L1 được thiết kế tốt nhất. Để giải quyết vấn đề này, cách đây nhiều năm, các nhà sản xuất đã bổ sung đường truyền tốc độ cao để bộ xử lý có thể giao tiếp với bộ nhớ đệm thứ cấp (Level2, L2) với tốc độ khoảng 1/2 hay 1/3 tốc độ của bộ xử lý.

III/ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG:

Trong đó: F (Fetch): đọc lệnh

Với CPU làm việc như vậy chúng ta có thể thấy rằng mỗi lệnh phải thực hiện trong 3 nhịp thời gian. Tại nhịp t2 thì chỉ có bộ phận giải mã là bận rộn còn bộ đọc lệnh thì nhàn rỗi. Trong thời điểm t3 thì cả hai bộ phận đọc lệnh và giải mã đều rỗi. Do đó hiệu năng làm việc của CPU thấp.