Kiến trúc máy tính

Tần số đồng hồ

f0 

Khối điều khiển CU thực hiện:

- Điều khiển tất cả các hoạt động của CPU theo xung nhịp đồng hồ.

- Đưa ra ngoài CPU các tín hiệu điều khiển để tác động đến các trao đổi dữ liệu với bộ nhớ và vào/ ra.

- Đưa ra các thanh ghi và tác động ALU thực hiện nhiệm vụ cụ thể. Khối điều khiển thực hiện những tác động này là nhờ:

+ Diễn giải được (giải mã) các mã lệnh (Opcodes).

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 233 trang tài liệu này.

+ Định tuần tự các vi thao tác.

+ Thực hiện các vi thao tác.

+ Ra các quyết định dựa trên các cờ trạng thái của ALU.

- CU sinh 2 nhóm tín hiệu đầu ra:

+ Nhóm tín hiệu điều khiển các bộ phận bên trong CPU.

+ Nhóm tín hiệu điều khiển cácbộ phận bên ngoài CPU.

- Sử dụng nhịp đồng hồ để đồng bộ hóa các đơn vị bên trong CPU và giữa CPU với các thành phần bên ngoài.

3. Khối số học và logic ALU

- Bao gồm các đơn vị chức năng con để thực hiện các phép toán số học và logic:

+ Bộ cộng (ADD), bộ trừ (SUB), bộ nhân (MUL), bộ chia (DIV),…

+ Các bộ dịch (SHIFT) và quay (ROTATE).

+ Bộ phủ định (NOT), bộ và (AND), bộ hoặc (OR), và bộ hoặc loại trừ (XOR).

+ 2 cổng IN để nhận đầu vào từ các thanh ghi

+ 1 cổng OUT được nối với bus trong để gửi kết quả tới các thanh ghi

Hình 3. 10. Sơ đồ khối ALU

4. Bus trong

- Bus trong (Internal Bus) là kênh liên lạc của tất cả các thành phần trong CPU (Hình 3.3), có hỗ trợ liên lạc 2 chiều

- Bus trong có giao diện để trao đổi thông tin với Bus ngoài (Bus hệ thống).

- Bus trong luôn có băng thông lớn và tốc độ nhanh hơn so với Bus ngoài.

Hình 3. 11. Bộ xử lý AMD K6-2

Hình 3. 12. Bộ xử lý Intel Core 2 Duo

Các thông số quan trọng của CPU

- Tốc độ của CPU:

Thông số quan trọng nhất của CPU là tốc độ xung nhịp, đo bằng Hz. Ví dụ CPU có tốc độ 2,4 GHz tức là trong một giây nó có tới 2,4 tỉ xung nhịp. Con số này là một trong những thước đo sức mạnh của vi xử lý, tuy nhiên nó cũng phụ thuộc vào các phần khác (như bộ nhớ trong, RAM, hay bo mạch đồ họa). Một thông số đánh giá sức mạnh của bộ xử lý hiệu quả hơn là MIPS (Million Instruction Per Second – triệu lệnh trên một giây). Có nhiều công nghệ làm tăng tốc độ xử lý của CPU, ví dụ công nghệ Core 2 Duo. Tốc độ CPU có liên hệ với tần số đồng hồ làm việc của nó (tính bằng các đơn vị như MHz, GHz ...). Đối với các CPU cùng loại tần số này càng cao thì tốc độ xử lý càng tăng. Đối với CPU khác loại, thì điều này chưa chắc đã đúng; ví dụ CPU Core 2 Duo có tần số 2,6 GHz có thể xử lý dữ liệu nhanh hơn CPU 3,4 GHz một nhân. Tốc độ CPU còn phụ thuộc vào bộ nhớ đệm của nó, ví như Intel Core 2 Duo sử dụng chung cache L2 giúp cho tốc độ xử lý của hệ thống 2 nhân mới này nhanh hơn so với hệ thống 2 nhân thế hệ 1 (Intel Core Duo và Intel Pentium D) với mỗi core từng cache L2 riêng biệt.

- Tốc độ Bus của CPU

Tốc độ Bus thể hiện khả năng giao tiếp nhanh hay chậm với các thành phần khác của máy tính.

FSB (Front Side Bus)

Hình 3. 13. Vị trí FSB trên Mainboard

FSB là đường truyền dữ liệu từ CPU đến bộ nhớ chính (RAM, ROM) và GPU (Graphic Processing Unit – Xử lý đồ họa). Vì thế khi tăng FSB không những chỉ tăng tốc độ của CPU mà còn tăng tốc độ của cả hệ thống.

BSB (Black Side Bus): là đường truyền dữ liệu từ CPU đến Cache L2.

- Bộ nhớ Cache.

Cache: Vùng nhớ mà CPU dùng để lưu các phần của chương trình, các dữ liệu sắp được sử dụng. Khi cần, CPU sẽ tìm thông tin trên cache trước khi tìm trên bộ nhớ chính.

Cache L1: Integrated cache (cache tích hợp) - cache được hợp nhất ngay trên CPU, là một khu vực bộ nhớ được tạo bằng bộ nhớ tĩnh (SRAM) có tộc độ cao nhưng đắt tiền và khó chế tạo. Cache L1 được đặt ngay trên CPU nên tốc độ rất nhanh. Đây là vùng chứa thông tin trước khi đưa vào cho bộ xử lý trung tâm thao tác. CPU trước hết tìm thông tin cần thiết ở cache này.

Cache L2: là cache thứ cấp, thông tin tiếp tục được tìm trên cache L2 nếu không tìm thấy trên cache L1. Cache L2 có tốc độ thấp hơn cache L1 và cao hơn tốc độ của các chip nhớ (memory chip). Trong một số trường hợp (như Pentium Pro), cache L2 cũng là cache tích hợp.

Ngoài các thông số trên, khi nói đến CPU chúng ta còn xét đến chủng loại đế cắm, công nghệ… Hiện nay Intel là hãng sản xuất CPU lớn nhất trên thị trường với dòng sản phẩn Intel Core i. Sau đây, ta sẽ tìm hiểu thêm một số thông số khác của CPU Intel Core i.

- Khe cắm và đế cắm CPU

Bộ vi xử lý được nối vào bo mạch chủ thông qua khe cắm (Slot) hoặc đế cắm (Socket). Người ta dùng kiểu của khe cắm và đế cắm để phân biệt chủng loại của Mainboard. Sau đây, chúng ta xem xét một số ví dụ về các khe cắm và đế cắm CPU của hãng Intel.

Ví dụ khe cắm slot:

Khe cắm kiểu này chỉ có ở máy Pentium II, CPU không gắn trực tiếp vào Mainboard mà được gắn vào 1 vỉ mạch, sau đó vỉ mạch được gắn xuống Mainboard thông qua khe slot.

Hình 3. 14. Khe cắm Slot

Đế cắm socket: xuất hiện trong các thế hệ máy tính đời mới từ Pentium III, nó được chia làm nhiều loại dựa theo số chân cắm, ví dụ Socket 370, Socket 775/ Socket

LGA 775/ Socket T. Hiện nay, các chip Intel sử dụng các loại socket gồm LGA 2011, LGA 1155, LGA 1366, LGA 1356, LGA 1150, LGA 2011-3.

- Socket 1156 / Socket H1 / Socket LGA1156

- Socket 1156, hay LGA1156, cũng được biết đến như socket H1.

- Là một mảng socket Land Grid được sử dụng bởi các thế hệ đầu tiên của máy trạm cấp Intel Core i3, Core i5, Core i7, cũng như Xeon 300 series bộ vi xử lý.

- Làm việc với các bộ vi xử lý với tần số từ 1,86 GHz đến 3,46 GHz.

- Kích thước của socket LGA1156 với tải cơ chế độc lập (ILM) là 3,08 x 2,01 (7,825 cm x 5,1 cm).

- Loại socket 1156 được sắp xếp 40x40 với 24x16 phần giữa, có 66 chân được để ở các góc, các cạnh socket .

Hình 3. 15. Socket 1156

- Socket LGA 2011

Cũng được gọi là socket R. Nó thay thế của Intel LGA 1366 (socket B) và LGA 1567 trong việc thực hiện và cao cấp máy tính để bàn và máy chủ. Socket này có 2011 tiếp xúc.

Hình 3. 16. Socket LGA 2011

LGA 2011-v3 (còn gọi là LGA 2011-3) là một cập nhật thế hệ của socket, sử dụng cho Haswell-E và Haswell-EP CPU.

- Công nghệ của CPU

Các công nghệ mới đã được ứng dụng trên chip Intel Core i như Hyper Threading Technology, Multi Core, Turbo Boost.

+ Hyper Threading Technology (HTT)

Hyper Threading Technology là công nghệ siêu phân luồng, giúp các các nhân xử lý có thể giả lập thêm một nhân nữa để xử lý. Tính năng này giúp CPU có thể xử lý nhiều luống dữ liệu hơn số nhân thực có sẵn. Công nghệ này đã có trên tất cả các dòng và các thế hệ vi xử lý Intel Core i.

Hình 3. 17. Mô tả xử lý HTT

+ Multi Core (đa nhân):

Công nghệ chế tạo CPU có hai hay nhiều nhân, xử lý vật lý hoạt động song song với nhau, mỗi nhân đảm nhận những công việc riêng biệt nhau.

Hình 3. 18. Mô tả xử lý Multi Core

+ Công nghệ Turbo Boost

Hình 3. 19. Minh họa tính năng Intel Turbo Boost

Turbo Boost là một tính năng chỉ có trên các vi xử lý Core i5 và i7 của dòng Intel Core i cho phép các vi xử lý tạm thời tự ép xung. Tính năng này giúp cho một vài nhân cần xử lý nặng hơn tự tăng xung nhịp của mình giúp tăng hiệu quả sử dụng điện năng và hiệu năng xử lý cho sản phẩm.

- Phân loại theo kiến trúc thiết kế của các dòng Core i:

Kể từ khi ra mắt, dòng CPU Intel Core i đã trải qua 5 thế hệ là Nehalem, Sandy Bridge, Ivy Bridge, Haswell và Broadwell. Thế hệ càng mới càng được nâng cấp khả năng xử lí và trang bị card đồ họa tích hợp mạnh hơn thế hệ trước. Thế hệ mới nhất cũng là thế hệ có hiệu năng mạnh mẽ cùng các công nghệ hiện đại nhất.

+ Nehalem (Thế hệ đầu)

Kiến trúc Nehalem trên Core i được Intel thiết kế để thay thế kiến trúc Core 2 cũ, Nehalem vẫn được sản xuất trên quy trình 32nm. Với Core i thế hệ Nehalem, Intel lần đầu tiên đã tích hợp công nghệ Turbo Boost cùng với Hyper Threading Technology trên cùng một con chip giúp tăng hiệu năng đáng kể so với các thế hệ chip xử lý trước.

+ Sandy Bridge (Thế hệ thứ 2)

Sandy Bridge thế hệ kế nhiệm kiến trúc Nehalem. Kiến trúc Sandy Bridge vẫn tiếp tục sử dụng quy trình 32nm nhưng so với Nehalem GPU (đơn vị xử lý đồ họa) với CPU đã cùng được sản xuất trên quy trình 32 nm và cùng nằm trên một đế. Thiết kế này giúp giảm diện tích và tăng khả năng tiết kiệm điện nhờ CPU và GPU sẽ sử dụng chung bộ nhớ đệm. Ngoài ra, năng lực mã hóa/giải mã video cũng được tăng đáng kể với tính năng Intel Quick Sync Video. Tính năng Turbo Boost cũng được nâng cấp với phiên bản 2.0.

+ Ivy Bridge (Thế hệ thứ 3)

So với Sandy Bridge, Ivy Bridge của Intel đã sử dụng quy trình sản xuất mới 22 nm và sử dụng công nghệ bóng bán dẫn 3D Tri-Gate. Quy trình sản xuất mới giúp giảm diện tích đế mà vẫn tăng đáng kể số lượng bóng bán dẫn trên CPU.

Ivy Bridge còn tích hợp sẵn chip đồ họa hỗ trợ DirectX 11 như HD 4000, có khả năng phát video siêu phân giải và xử lý các nội dung 3D.

+ Haswell (Thế hệ thứ 4)

Thế hệ chip xử lý Haswell được tập trung vào những thiết bị “2 trong 1”. Intel đã giảm kích thước vi xử lí Core cho phép sản xuất những mẫu ultrabook mỏng hơn, mà còn giúp cho ra đời những thiết bị 2 trong 1 (hay còn gọi là thiết bị lai giữa laptop và tablet) mỏng hơn. Chip quản lý nhiệt trên Haswell cũng giúp các thiết bị ultrabook chạy mát mẻ hơn.

Haswel cũng được Intel giới thiệu tiết kiệm điện năng gấp 20 lần so với Sandy Bridge ở chế độ chờ trong khi hiệu năng đồ họa cũng tăng đáng kể. Bên cạnh việc nâng cấp từ chip đồ họa Intel HD 4000, Intel còn bổ sung thêm dòng chip đồ họa mạnh mẽ Iris/ Iris Pro dành cho các chip cao cấp.

+ Broadwell (thế hệ thứ 5)

Là thế hệ mới nhất của Intel, Broadwell chính là phiên bản thu nhỏ của Haswell, nói là phiên bản thu nhỏ nhưng đây không phải là kích thước vật lý của con chip mà là sự thu nhỏ của các bóng bán dẫn tạo nên bộ não CPU.

Intel Broadwell sử dụng bóng bán dẫn có kích thước 14nm, gần bằng 1 nửa so với Haswell và chỉ bằng 1/5 so với thế hệ đầu tiên. Intel cho biết Broadwell hoạt động hiệu quả hơn Haswell 30%, có nghĩa nó tiêu thụ điện ít hơn 30% nhưng mang đến hiệu năng cao hơn khi ở cùng một tốc độ xung nhịp. Intel Broadwell tạo ra 1 cuộc cách mạng mới với các ưu điểm như: tiết kiệm PIN, nâng cao hiệu suất.

Cách phân biệt các dòng CPU Core i qua tên gọi

Với nhiều thế hệ CPU Core i, người dùng có thể dễ dàng phân biệt được các thế hệ sản phẩm này thông qua cách ký hiệu trên CPU hay cách gọi tên CPU. Thông thường, các ký hiệu được sắp xếp như sau:

Hình 3. 20. Ký hiệu trên CPU

Tên bộ xử lý = Thương hiệu (Intel Core) + Tên dòng CPU – Số thứ tự thế hệ (Thế hệ 1 không có kí tự này) + SKU + Ký tự đặc điểm sản phẩm.

Ví dụ: CPU Core i Nehalem (Thế hệ 1) tên gọi sẽ có dạng: Intel Core i3 - 520M, Intel Core i5 - 282U…

Ý nghĩa của một số ký tự cuối của tên sản phẩm (ngoài ra còn số ký tự khác) E (Chip E): Chip hai lòi, cân bằng giữa hiệu năng và giá thành.

Q (chip Q): Chip 4 lòi, cho hiệu năng cao cấp, phù hợp với các laptop có nhu cầu sử dụng cao.

U (Chip U): Đây là CPU tiết kiệm năng lượng thường có xung nhip thấp, thường được sử dụng trên các sản phẩm chú trọng đến việc tiết kiệm năng lượng.

M (Chip M): Đây là CPU dành cho các Laptop có xung nhip cao và mạnh, thường được sử dụng trong các Laptop chuyên chơi game hoặc xử lý đồ họa.

Hiện nay i3, i5, i7 với 2 loại socket là 1156 và 1366. Trong đó loại CPU dùng Socket 1156 là nhiều nhất, còn loại 1366 chỉ còn ở CPU Core i7 920 2.66 GHz. Core i3, i5, i7 cải thiện rất nhiều về tốc độ xử lý của máy tính vì có cấu tạo nhiều nhân,