Đề tài các công nghệ cpu hiện đại

Các công nghệ CPU hiện đại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỀ TÀI :

CÁC CÔNG NGHỆ CPU HIỆN ĐẠI

GVHD: Th.S HUỲNH HỮU THUẬN

SVTH: NGUYỄN CÔNG MINH 0520043

PHAN TRỌNG HIỂN 0520015

TP Hồ Chí Minh – Tháng 06/2009

1

Các công nghệ CPU hiện đại

2

Mục lục

MỤC LỤC......................................................................................................2

I. TỔNG QUAN VỀ CPU (BỘ VI XỬ LÝ)...................................................3

1. Khái niệm và cấu tạo..........................................................................3

2. So sánh CPU (bộ vi xử lý) và MCU (bộ vi điều khiển)......................5

II. CÁC CÔNG NGHỆ CPU HIỆN ĐẠI........................................................8

1. Intel CPU............................................................................................8

2. AMD CPU..........................................................................................37

TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................70

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN..................................................................71

Các công nghệ CPU hiện đại

I. TỔNG QUAN VỀ

CPU (BỘ VI XỬ LÝ)

1.Khái niệm và cấu tạo

1.1 Khái niệm về CPU

CPU viết tắt của chữ Central Processing Unit, tạm dịch là đơn vị xử lí trung tâm. CPU có thể

được xem như não bộ, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi tính. Nhiệm vụ chính

của CPU là nhận và thực thi các lệnh. CPU có nhiều kiểu dáng khác nhau. Ở hình thức đơn

giản nhất, CPU là một con chip với vài chục chân. Phức tạp hơn, CPU được ráp sẵn trong các

bộ mạch với hàng trăm con chip khác.

1.2 Các yếu tố tác động đến hiệu suất của CPU

- Độ rộng Bus dữ liệu và Bus địa chỉ ( Data Bus và Address Bus )

- Tốc độ xử lý và tốc độ Bus ( tốc độ dữ liệu ra vào chân ) còn gọi là FSB

- Dung lượng bộ nhớ đệm Cache

Dưới đây là chi tiết về các yếu tố trên

1.2.1 Độ rộng Bus dữ liệu và Bus địa chỉ (Data Bus và Address

Bus)

Độ rộng Bus dữ liệu là nói tới số lượng đường truyền dữ liệu bên trong và bên ngoài CPU

Như ví dụ hình dưới đây thì CPU có 12 đường truyền dữ liệu ( ta gọi độ rộng Data Bus là 12

bit ), hiện nay trong các CPU từ Pentium 2 đến Pentium 4 đều có độ rộng Data Bus là 64 bit .

Tương tự như vậy thì độ rộng Bus địa chỉ ( Add Bus ) cũng là số đường dây truyền các thông

tin về địa chỉ. Địa chỉ ở đây có thể là các địa chỉ của bộ nhớ RAM, địa chỉ các cổng vào ra và

các thiết bị ngoại vi v v .. để có thể gửi hoặc nhận dữ liệu từ các thiết bị này thì CPU phải có

địa chỉ của nó và địa chỉ này được truyền đi qua các Bus địa chỉ.

Giả sử : Nếu số đường địa chỉ là 8 đường thì CPU sẽ quản lý được 28 = 256 địa chỉ

Hiện nay trong các CPU Pentium 4 có 64 bít địa chỉ và như vậy chúng quản lý được 264 địa

chỉ nhớ .

1.2.2 Tốc độ xử lý và tốc độ Bus của CPU

Tốc độ xử lý của CPU ( Speed ) : Là tốc độ chạy bên trong của CPU, tốc độ này được tính

bằng MHz hoặc GHz.

3

Các công nghệ CPU hiện đại

Thí dụ một CPU Pentium 3 có tốc độ 800MHz tức là nó dao động ở tần số 800.000.000 Hz ,

CPU pentium 4 có tốc độ là 2,4GHz tức là nó dao động ở tần số 2.400.000.000 Hz

Tốc độ Bus của CPU ( FSB ) : Là tốc độ dữ liệu ra vào các chân của CPU - còn gọi là Bus

phía trước : Front Site Bus ( FSB )

Thông thường tốc độ xử lý của CPU thường nhanh gấp nhiều lần tốc độ Bus của nó, dưới đây

là thí dụ minh hoạ về hai tốc độ này :

Minh hoạ về tốc độ xử lý ( Speed CPU ) và tốc độ Bus ( FSB ) của CPU

1.2.3 Bộ nhớ Cache ( Bộ nhớ đệm )

Bộ nhớ Cache là bộ nhớ nằm bên trong của CPU, nó có tốc độ truy cập dữ liệu theo kịp tốc

độ xủa lý của CPU, điều này khiến cho CPU trong lúc xử lý không phải chờ dữ liệu từ RAM

vì dữ liệu từ RAM phải đi qua Bus của hệ thống nên mất nhiều thời gian.

Một dữ liệu trước khi được xử lý , thông qua các lệnh gợi ý của ngôn ngữ lập trình, dữ liệu

được nạp sẵn lên bộ nhớ Cache, vì vậy khi xử lý đến, CPU không mất thời gian chờ đợi .

Khi xử lý xong trong lúc đường truyền còn bận thì CPU lại đưa tạm kết quả vào bộ nhớ

Cache, như vậy CPU không mất thời gian chờ đường truyền được giải phóng .

Bộ nhớ Cache là giải pháp làm cho CPU có điều kiện hoạt động thường xuyên mà không phải

ngắt quãng chờ dữ liệu, vì vậy nhờ có bộ nhớ Cache mà hiệu quả xử lý tăng lên rất nhiều, tuy

nhiên bộ nhớ Cache được làm bằng Ram tĩnh do vậy giá thành của chúng rất cao .

4

Các công nghệ CPU hiện đại

1.3 Sơ đồ cấu tạo của CPU

CPU có 3 khối chính đó là

- ALU - Arithmetic Logic Unit (Đơn vị số học logic) : Khối này thực hiện các phép tính số

học và logic cơ bản trên cơ sở các dữ liệu.

- Control Unit : Khối này chuyên tạo ra các lệnh điều khiển như điều khiển ghi hay đọc ...

- Registers (Các thanh ghi) : Nơi chứa các lệnh trước và sau khi xử lý.

Sơ đồ cấu tạo bên trong CPU

Nguyên lý hoạt động của CPU

CPU hoạt động hoàn toàn phụ thuộc vào các mã lệnh , mã lệnh là tín hiệu số dạng 0,1 được

dịch ra từ các câu lệnh lập trình ,như vậy CPU sẽ không làm gì cả nếu không có các câu lệnh

hướng dẫn .

Khi chúng ta chạy một chương trình thì các chỉ lệnh của chương trình đó được nạp lên bộ nhớ

Ram, các chỉ lệnh này đã được dịch thành ngôn ngữ máy và thường trú trên các ngăn nhớ của

Ram ở dạng 0,1. CPU sẽ đọc và làm theo các chỉ lệnh một cách lần lượt.

Trong quá trình đọc và thực hiện các chỉ lệnh, các bộ giải mã sẽ giải mã các chỉ lệnh này

thành các tín hiệu điều khiển.

2. So sánh CPU (bộ vi xử lý) và MCU (bộ vi điều khiển)

2.1 Từ CPU (bộ vi xử lý)

5

Các công nghệ CPU hiện đại

Như phần trên đã trình bày, trong những thập niên cuối thế kỉ XX, từ sự ra đời của công nghệ

bán dẫn, kĩ thuật điện tử đã có sự phát triển vượt bậc. Các thiết bị điện tử sau đó đã được tích

hợp với mật độ cao và rất cao trong các diện tích nhỏ, nhờ vậy các thiết bị điện tử nhỏ hơn và

nhiều chức năng hơn. Các thiết bị điện tử ngày càng nhiều chức năng trong khi giá thành

ngày càng rẻ hơn, chính vì vậy điện tử có mặt khắp mọi nơi.

Bước đột phá mới trong công nghệ điện tử, công ty trẻ tuổi Intel cho ra đời bộ vi xử lý

đầu tiên. Đột phá ở chỗ: "Đó là một kết cấu logic mà có thể thay đổi chức năng của nó bằng

chương trình ngoài chứ không phát triển theo hướng tạo một cấu trúc phần cứng chỉ thực

hiện theo một số chức năng nhất định như trước đây"(trích từ dòng 17 đến 19, trang 3, 'Kĩ

thuật VI XỬ LÝ và lập trình ASSEMBLY cho hệ vi xử lý', tác giả Đỗ Xuân Tiến, nhà xuất

bản Khoa học và kĩ thuật). Tức là phần cứng chỉ đóng vai trò thứ yếu, phần mềm (chương

trình) đóng vai trò chủ đạo đối với các chức năng cần thực hiện. Nhờ vậy vi xử lý có sự mềm

dẻo hóa trong các chức năng của mình. Ngày nay vi xử lý có tốc độ tính toán rất cao và khả

năng xử lý rất lớn.

Vi xử lý có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu ra

ngoài sau khi đã xử lý. Và chức năng chính của Vi xử lý chính là xử lý dữ liệu, chẳng hạn

như cộng, trừ, nhân, chia, so sánh.v.v..... Vi xử lý không có khả năng giao tiếp trực tiếp với

các thiết bị ngoại vi, nó chỉ có khả năng nhận và xử lý dữ liệu mà thôi.

Để vi xử lý hoạt động cần có chương trình kèm theo, các chương trình này điều khiển

các mạch logic và từ đó vi xử lý xử lý các dữ liệu cần thiết theo yêu cầu. Chương trình là tập

hợp các lệnh để xử lý dữ liệu thực hiện từng lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ, công việc thực

hành lệnh bao gồm: nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh và thực hiện lệnh sau khi đã giải mã.

Để thực hiện các công việc với các thiết bị cuối cùng, chẳng hạn điều khiển động cơ, hiển

thị kí tự trên màn hình .... đòi hỏi phải kết hợp vi xử lý với các mạch điện giao tiếp với bên

ngoài được gọi là các thiết bị I/O (nhập/xuất) hay còn gọi là các thiết bị ngoại vi. Bản thân

các vi xử lý khi đứng một mình không có nhiều hiệu quả sử dụng, nhưng khi là một phần của

một máy tính, thì hiệu quả ứng dụng của Vi xử lý là rất lớn. Vi xử lý kết hợp với các thiết bị

khác được sử trong các hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý một lượng lớn các phép tính

phức tạp, có tốc độ nhanh. Chẳng hạn như các hệ thống sản xuất tự động trong công nghiệp,

các tổng đài điện thoại, hoặc ở các robot có khả năng hoạt động phức tạp v.v...

2.2 Đến MCU (bộ vi điều khiển)

Bộ Vi xử lý có khả năng vượt bậc so với các hệ thống khác về khả năng tính toán, xử lý, và

thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệu quả đối với các bài

toán và hệ thống lớn.Tuy nhiên đối với các ứng dụng nhỏ, tầm tính toán không đòi hỏi khả

năng tính toán lớn thì việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc. Bởi vì hệ thống dù lớn hay nhỏ,

nếu dùng vi xử lý thì cũng đòi hỏi các khối mạch điện giao tiếp phức tạp như nhau. Các khối

này bao gồm bộ nhớ để chứa dữ liệu và chương trình thực hiện, các mạch điện giao tiếp ngoại

vi để xuất nhập và điều khiển trở lại, các khối này cùng liên kết với vi xử lý thì mới thực hiện

được công việc. Để kết nối các khối này đòi hỏi người thiết kế phải hiểu biết tinh tường về

các thành phần vi xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi. Hệ thống được tạo ra khá phức tạp,

chiếm nhiều không gian, mạch in phức tạp và vấn đề chính là trình độ người thiết kế. Kết quả

là giá thành sản phẩm cuối cùng rất cao, không phù hợp để áp dụng cho các hệ thống nhỏ.

6

Các công nghệ CPU hiện đại

Vì một số nhược điểm trên nên các nhà chế tạo tích hợp một ít bộ nhớ và một số mạch

giao tiếp ngoại vi cùng với vi xử lý vào một IC duy nhất được gọi là Microcontroller - Vi

điều khiển. Vi điều khiển có khả năng tương tự như khả năng của vi xử lý, nhưng cấu trúc

phần cứng dành cho người dùng đơn giản hơn nhiều. Vi điều khiển ra đời mang lại sự tiện lợi

đối với người dùng, họ không cần nắm vững một khối lượng kiến thức quá lớn như người

dùng vi xử lý, kết cấu mạch điện dành cho người dùng cũng trở nên đơn giản hơn nhiều và có

khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị bên ngoài. Vi điều khiển tuy được xây dựng với

phần cứng dành cho người sử dụng đơn giản hơn, nhưng thay vào lợi điểm này là khả năng

xử lý bị giới hạn (tốc độ xử lý chậm hơn và khả năng tính toán ít hơn, dung lượng chương

trình bị giới hạn). Thay vào đó, Vi điều khiển có giá thành rẻ hơn nhiều so với vi xử lý, việc

sử dụng đơn giản, do đó nó được ứng dụng rộng rãi vào nhiều ứng dụng có chức năng đơn

giản, không đòi hỏi tính toán phức tạp.

Vi điều khiển được ứng dụng trong các dây chuyền tự động loại nhỏ, các robot có chức

năng đơn giản, trong máy giặt, ôtô v.v...

Năm 1976 Intel giới thiệu bộ vi điều khiển (microcontroller) 8748, một chip tương tự

như các bộ vi xử lý và là chip đầu tiên trong họ MCS-48. Độ phức tạp, kích thước và khả

năng của Vi điều khiển tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi intel tung ra chip

8051, bộ Vi điều khiển đầu tiên của họ MCS-51 và là chuẩn công nghệ cho nhiều họ Vi điều

khiển được sản xuất sau này. Sau đó rất nhiều họ Vi điều khiển của nhiều nhà chế tạo khác

nhau lần lượt được đưa ra thị trường với tính năng được cải tiến ngày càng mạnh.

Bộ vi điều khiển xét về nguyên lý hoạt động đã bao gồm bộ vi xử lý bên trong nó

7