CHƯƠNG 4: BỘ VI XỬ LÝ CHƯƠNG 4: BỘ VI XỬ LÝ  Ngày nay có rất nhiều loại máy tính được Ngày nay có rất nhiều loại máy tính được sản xuất và bán trên thị trường, với chủng sản xuất và bán trên thị trường, với chủng loại rất đa dạng: từ những máy PC để bàn loại rất đa dạng: từ những máy PC để bàn cho tới các siêu máy tính thương mại. Bộ cho tới các siêu máy tính thương mại. Bộ vi xử lý của các máy này khác nhau như vi xử lý của các máy này khác nhau như thế nào? Phân loại các bộ vi xử lý theo cơ thế nào? Phân loại các bộ vi xử lý theo cơ chế vận hành của chúng sẽ giúp ta tìm chế vận hành của chúng sẽ giúp ta tìm được phương thức lập trình tốt nhất cho được phương thức lập trình tốt nhất cho máy tính của mình. máy tính của mình. 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG  Nguyên lý cơ bản của tất cả bộ xử lý máy tính đều giống Nguyên lý cơ bản của tất cả bộ xử lý máy tính đều giống nhau. Về cơ bản, chúng luôn lấy tín hiệu ở dạng 0 và 1 (tín nhau. Về cơ bản, chúng luôn lấy tín hiệu ở dạng 0 và 1 (tín hiệu nhị phân), hiệu nhị phân), chế tác chúng theo bộ chỉ thị chế tác chúng theo bộ chỉ thị và xuất ra tín và xuất ra tín hiệu 0 và 1. Điện áp trên cùng tuyến ở cùng thời điểm tín hiệu 0 và 1. Điện áp trên cùng tuyến ở cùng thời điểm tín hiệu được gởi đi sẽ quyết định tín hiệu là 0 hay là 1. hiệu được gởi đi sẽ quyết định tín hiệu là 0 hay là 1. Ví dụ: Ví dụ: Đối với hệ thống 3.3 volt, một ứng dụng 3.3 volt có Đối với hệ thống 3.3 volt, một ứng dụng 3.3 volt có tín hiệu là 1, còn một ứng dụng 0 volt có tín hiệu là 0. tín hiệu là 1, còn một ứng dụng 0 volt có tín hiệu là 0.  Bộ xử lý làm việc bằng cách tác động trở lại thiết bị nhập Bộ xử lý làm việc bằng cách tác động trở lại thiết bị nhập theo tín hiệu 0 và 1 bằng những cách đặc trưng rồi trả về theo tín hiệu 0 và 1 bằng những cách đặc trưng rồi trả về thiết bị xuất khi cần thiết. Hoạt động này xảy ra trong thiết bị xuất khi cần thiết. Hoạt động này xảy ra trong mạch được gọi là cổng logic, mỗi cổng phải có ít nhất một mạch được gọi là cổng logic, mỗi cổng phải có ít nhất một transistor (thiết bị bán dẫn). transistor (thiết bị bán dẫn).  Thật ra những bộ xử lý hiện nay chứa hàng triệu Thật ra những bộ xử lý hiện nay chứa hàng triệu transistor, điều này góp phần tạo ra một hệ thống logic transistor, điều này góp phần tạo ra một hệ thống logic rất phức tạp. Cổng logic của bộ xử lý cùng làm việc để rất phức tạp. Cổng logic của bộ xử lý cùng làm việc để đưa đến việc sử dụng logic kiểu Boolean, dựa vào hệ Đại đưa đến việc sử dụng logic kiểu Boolean, dựa vào hệ Đại số được xây dựng bởi nhà Toán học Geogre Boole. số được xây dựng bởi nhà Toán học Geogre Boole.  Những toán tử kiểu Boolean cơ bản là AND, OR, NOT, và Những toán tử kiểu Boolean cơ bản là AND, OR, NOT, và NAND (not AND). NAND (not AND).  Cổng AND xuất ra tín hiệu 1 nếu chúng nhận vào toàn Cổng AND xuất ra tín hiệu 1 nếu chúng nhận vào toàn là tín hiệu 1. là tín hiệu 1.  Cổng OR sẽ xuất ra tín hiệu 1 nếu ít nhất có 1 tín hiệu Cổng OR sẽ xuất ra tín hiệu 1 nếu ít nhất có 1 tín hiệu vào là 1. vào là 1.  Và cổng NOT lấy ra một tín hiệu nhập đơn và phủ định Và cổng NOT lấy ra một tín hiệu nhập đơn và phủ định nó, tức là xuất ra 1 nếu tín hiệu nhập vào là 0 và nó, tức là xuất ra 1 nếu tín hiệu nhập vào là 0 và ngược lại. ngược lại.  Dòng điện qua mỗi cổng được điều khiển bởi transistor Dòng điện qua mỗi cổng được điều khiển bởi transistor của cổng đó. Tuy nhiên, những transistor này không phải của cổng đó. Tuy nhiên, những transistor này không phải là những đơn vị độc lập và riêng lẻ. Thay vào đó, một số là những đơn vị độc lập và riêng lẻ. Thay vào đó, một số lượng lớn transistor được chế tạo từ một mẩu silicon đơn lượng lớn transistor được chế tạo từ một mẩu silicon đơn (hoặc chất liệu bán dẫn khác) và được nối với nhau mà (hoặc chất liệu bán dẫn khác) và được nối với nhau mà không cần dây nối hay những chất liệu bên ngoài nào không cần dây nối hay những chất liệu bên ngoài nào khác. Những đơn vị này được gọi là những mạch tích hợp khác. Những đơn vị này được gọi là những mạch tích hợp (ICs), và việc phát triển chúng về cơ bản tạo ra sự phức (ICs), và việc phát triển chúng về cơ bản tạo ra sự phức tạp của bộ vi xử lý. tạp của bộ vi xử lý.  Sự tích hợp của các mạch không chỉ dừng lại ở vi mạch Sự tích hợp của các mạch không chỉ dừng lại ở vi mạch đầu tiên. Khi mạch tích hợp đầu tiên kết nối nhiều đầu tiên. Khi mạch tích hợp đầu tiên kết nối nhiều transistor, gọi là mạch tích hợp bội - liên kết theo một transistor, gọi là mạch tích hợp bội - liên kết theo một quy trình được xem như là tích hợp cỡ lớn (LSI); cuối quy trình được xem như là tích hợp cỡ lớn (LSI); cuối cùng khi những bộ mạch tích hợp được kết nối theo một cùng khi những bộ mạch tích hợp được kết nối theo một quy trình có độ tích hợp rất cao (VLSI). quy trình có độ tích hợp rất cao (VLSI).  Những bộ vi xử lý hiện đại ngày nay chứa hàng Những bộ vi xử lý hiện đại ngày nay chứa hàng triệu transistor cực nhỏ. Được dùng kết hợp với triệu transistor cực nhỏ. Được dùng kết hợp với điện trở, tụ điện và điôt, cấu tạo nên cổng logic. điện trở, tụ điện và điôt, cấu tạo nên cổng logic. Các cổng logic cấu tạo nên mạch tích hợp, và Các cổng logic cấu tạo nên mạch tích hợp, và các mạch tích hợp cấu tạo nên những hệ thống các mạch tích hợp cấu tạo nên những hệ thống điện tử. điện tử.  Intel là hãng sản xuất nổi tiếng đầu tiên với con Intel là hãng sản xuất nổi tiếng đầu tiên với con chip xử lý đơn phức tạp chứa tất cả những cổng chip xử lý đơn phức tạp chứa tất cả những cổng logic của bộ xử lý có độ tích hợp cao - thế hệ logic của bộ xử lý có độ tích hợp cao - thế hệ Intel 4004 - sản xuất sau năm 1971. Intel 4004 - sản xuất sau năm 1971.  Con chip này có bộ vi xử lý Con chip này có bộ vi xử lý 4-bit 4-bit , dùng trong máy , dùng trong máy tính bỏ túi. Nó xử lý dữ liệu với 4 bit, nhưng những tính bỏ túi. Nó xử lý dữ liệu với 4 bit, nhưng những chỉ thị của nó là 8 long-bit chỉ thị của nó là 8 long-bit . Chương trình và dữ liệu . Chương trình và dữ liệu tách rời, lần lượt là 1KB và 4KB. Cũng có 16 thanh tách rời, lần lượt là 1KB và 4KB. Cũng có 16 thanh ghi đa năng 4-bit (hay 8-bit). Intel 4004 có 46 chỉ ghi đa năng 4-bit (hay 8-bit). Intel 4004 có 46 chỉ thị, chỉ dùng 2,300 transistor trong 1 thị, chỉ dùng 2,300 transistor trong 1 DIP 16-pin DIP 16-pin (kiểu đóng gói) và chạy ở tốc độ 740kHz (8 vòng (kiểu đóng gói) và chạy ở tốc độ 740kHz (8 vòng trên một chu trình CPU 10.8 micro giây). trên một chu trình CPU 10.8 micro giây).  Chỉ trong vòng vài năm 2 dòng vi xử lý đã thống trị Chỉ trong vòng vài năm 2 dòng vi xử lý đã thống trị công nghiệp PC - Pentium của Intel và PowerPC của công nghiệp PC - Pentium của Intel và PowerPC của Motorola. Những CPU này cũng là những thử nghiệm Motorola. Những CPU này cũng là những thử nghiệm tốt nhất của 2 kiến trúc CPU đang cạnh tranh nhau tốt nhất của 2 kiến trúc CPU đang cạnh tranh nhau trong 2 thập kỉ qua - nhóm phát minh ra con chip trong 2 thập kỉ qua - nhóm phát minh ra con chip CISC và sau đó là nhóm phát minh ra chip RISC. CISC và sau đó là nhóm phát minh ra chip RISC. CISC CISC  CISC (máy tính có bộ chỉ lệnh phức hợp) là kiến trúc CISC (máy tính có bộ chỉ lệnh phức hợp) là kiến trúc truyền thống của máy tính, trong đó CPU sử dụng vi mã truyền thống của máy tính, trong đó CPU sử dụng vi mã để thực hiện bộ chỉ lệnh rất toàn diện. để thực hiện bộ chỉ lệnh rất toàn diện.  Chỉ trong một vài năm, xu hướng của các hãng sản xuất Chỉ trong một vài năm, xu hướng của các hãng sản xuất là xây dựng những CPU tăng thêm độ phức tạp có bộ là xây dựng những CPU tăng thêm độ phức tạp có bộ lệnh chỉ thị lớn hơn. lệnh chỉ thị lớn hơn.  Vào năm 1974, viện nghiên cứu IBM đã quyết định đưa Vào năm 1974, viện nghiên cứu IBM đã quyết định đưa ra một phương pháp giảm đột ngột số chỉ lệnh mà con ra một phương pháp giảm đột ngột số chỉ lệnh mà con chip phải thực thi. Vào giữa những năm 1980, điều này chip phải thực thi. Vào giữa những năm 1980, điều này đã dẫn đến một số hãng sản xuất máy tính đổi hướng đã dẫn đến một số hãng sản xuất máy tính đổi hướng bằng cách phát minh những CPU có tính năng thực thi chỉ bằng cách phát minh những CPU có tính năng thực thi chỉ một bộ hữu hạn các chỉ lệnh. một bộ hữu hạn các chỉ lệnh. RISC RISC  RISC (máy tính dùng tập lệnh rút gọn) CPU giữ kích RISC (máy tính dùng tập lệnh rút gọn) CPU giữ kích thước chỉ lệnh không đổi. Một lợi thế của CPU RISC là thước chỉ lệnh không đổi. Một lợi thế của CPU RISC là chúng có thể thực thi những chỉ lệnh rất nhanh bởi vì các chúng có thể thực thi những chỉ lệnh rất nhanh bởi vì các chỉ lệnh quá đơn giản. Mặt khác, lợi thế quan trọng hơn chỉ lệnh quá đơn giản. Mặt khác, lợi thế quan trọng hơn là chip RISC phụ thuộc không nhiều vào những transistor, là chip RISC phụ thuộc không nhiều vào những transistor, làm cho chúng rẻ hơn trong thiết kế và sản xuất. làm cho chúng rẻ hơn trong thiết kế và sản xuất.  Vẫn còn nhiều tranh luận giữa những chuyên gia về kết Vẫn còn nhiều tranh luận giữa những chuyên gia về kết quả cuối cùng của kiến trúc RISC. Những người đề xướng quả cuối cùng của kiến trúc RISC. Những người đề xướng tranh luận rằng RISC vừa rẻ hơn vừa nhanh hơn, và vì tranh luận rằng RISC vừa rẻ hơn vừa nhanh hơn, và vì vậy nó là máy của tương lai. vậy nó là máy của tương lai.  Lưu ý rằng việc tạo ra phần cứng đơn giản hơn, kiến trúc Lưu ý rằng việc tạo ra phần cứng đơn giản hơn, kiến trúc RISC đặt nặng về phần mềm hơn - trình biên dịch RISC RISC đặt nặng về phần mềm hơn - trình biên dịch RISC phải tạo ra phần mềm để thực thi những chỉ lệnh phức phải tạo ra phần mềm để thực thi những chỉ lệnh phức tạp mà máy tính CISC hoạt động bên trong phần cứng. tạp mà máy tính CISC hoạt động bên trong phần cứng. Họ cho rằng điều này không có ích bởi vì những bộ vi xử Họ cho rằng điều này không có ích bởi vì những bộ vi xử lý quy ước ngày càng tăng tốc độ và rẻ hơn. lý quy ước ngày càng tăng tốc độ và rẻ hơn.  Trong một chừng mực nào đó, ý kiến này đang trở thành Trong một chừng mực nào đó, ý kiến này đang trở thành vấn đề tranh luận bởi vì những thực thi CISC và RISC vấn đề tranh luận bởi vì những thực thi CISC và RISC ngày càng trở nên giống nhau. Nhiều con chip RISC hiện ngày càng trở nên giống nhau. Nhiều con chip RISC hiện nay có nhiều chỉ lệnh và ngược lại, những con chip CISC nay có nhiều chỉ lệnh và ngược lại, những con chip CISC hiện nay sử dụng nhiều kỹ thuật trước đây kết hợp với hiện nay sử dụng nhiều kỹ thuật trước đây kết hợp với con chip RISC. Chip CISC của Intel đã dùng kỹ thuật RISC con chip RISC. Chip CISC của Intel đã dùng kỹ thuật RISC trong chip 486 của nó và làm tăng số lượng trong những trong chip 486 của nó và làm tăng số lượng trong những bộ xử lý của dòng Pentium. bộ xử lý của dòng Pentium. [...]... động lực là một bộ xử lý Pentium có một tốc độ xung nhịp đa định Bộ xử lý Pentium ấy được tháo ra khỏi hệ thống và được thay một bộ xử lý cạnh tranh Trình Benchmark winstone 96 được chạy lại lần nữa, và người ta thu được một điểm winstone thứ 2 từ cùng hệ thống đó, nhưng giờ đang chạy bộ xử lý cạnh tranh kia Cấu hình hệ thống được giữ giống hệt hệ thống cũ, và tất cả các thiết bị ngoại vi đều được ghi... lộ trình nâng cấp cho các CPU Xử lý lệnh theo đường ống (Pipelining)  Các CPU xử lý các lệnh và tạo ra kết quả thông qua một chuỗi phức tạp các khóa chuyển bằng transistor ở bên trong bản thân của CPU (hệt như mọi chip luận lý khác)  Các CPU cũ đã xử lý mỗi lúc một lệnh – tức là lệnh trước đã được lấy về và được xử lý hoàn toàn rồi một lệnh mới mới được đọc về Vi c xử lý một lệnh có thể được hoàn... thể)  Kỹ thuật xử lý theo đường ống (pipelining), hoặc xử lý lệnh liên tiếp (Intruction Pipelining) cho phép lệnh mới bắt đầu được xử lý trong khi các lệnh hiện tại vẫn đang được xử lý  Bằng cách này, CPU thực sự có thể được thực hiện vài lệnh trong cùng một chu kì xung nhịp Nói cách khác, đối với một chu kì xung nhịp cho trước bất kỳ, có thể có vài lệnh “In the pipeline” cùng một lúc Xử lý theo đường... suất cao hơn tất cả những bộ xử lý trước đây Thay vì sử dụng cache của bản mạch chính cơ bản chạy với tốc độ của bus bộ nhớ, nó dùng một cache tích hợp cấp 2 với bus của nó, chạy ở tốc độ bộ xử lý đầy đủ, đặc trưng cho 3 lần tốc độ mà cache chạy trên Pentium MMX  Intel's p55c mmx (multimedia extension) giới thiệu vào đầu năm 1997 Nó là sự thay đổi lớn kiến trúc cơ bản của bộ xử lý danh cho pc trong 10... năng xử lý Hệ quả là tính năng Branch prediction của một CPU hiện đại hẳn phải là cực kì mạnh mẽ Thi hành động (Dynamic Execution)  Ngay cả CPU nhanh nhất cũng thi hành theo thứ tự mà chúng được vi t bên trong chương trình cụ thể Điều này có nghĩa là chương trình được vi t một cách không đúng đắn, không hiệu quả sẽ làm giảm hiệu suất xử lý của CPU  Trong nhiều trường hợp, ngay cả mã lệnh được vi t... Hubs(MRH-R) để tăng tối đa kích thước bộ nhớ lên 4 GB (8RIMMs)  Một năm sau một thế hệ nhiều processor đã được công bố , cho phép 4 và 8 processor cho đa xử lý đối xứng (SMP) và tính năng tích hợp cache L3 512 kb hoặc 1 Mb Pentium III   Kế thừa của bộ xử lý Intel Pentium II, trước kia là bảng mã có tên là Kâtmi được đưa ra thị trường vào mùa xuân năm 1999 Bộ vi xử lí mới này được giới thiệu có 70... thiết bị ngoại vi đều được ghi chú tài liệu kỹ lưỡng Bộ xử lý cạnh tranh ấy được cấp điểm PR cao nhất mà tại đó nó cung cấp những điểm winstone bằng hoặc lớn hơn CPU đang xét Ví dụ, nếu một bộ xử lý AMD K5, cung cấp được hiệu năng bằng hoặc tốt hơn một bộ Pentium 90Mhz, thì nó nhận được điểm PR là 90 Các đế cắm CPU   Một ý tưởng quan trọng khác trong vi c phát minh và tính khả năng nâng cấp của CPU... kém trong quá trình lắp ráp và liên kết phẩn mềm Kỹ thuật thi hành lệnh cho phép bộ xử lý ước lượng “dòng chảy” của chương trình và “chọn lựa” thứ tự tốt nhất để xử lý các lệnh Khi được thực hiện một cách đúng đắn, sự “sắp xếp thứ tự lại một cách chọn lọc” các lệnh sẽ cho phép CPU tận dụng thậm chí còn tốt hơn tài nguyên xử lý của nó - và giúp làm tăng hiệu năng tổng thể của CPU CPU cache RAM    Dòng... Pentium Pro được giới thiệu vào năm 1995 là thế hệ kế tục của dòng Pentium, là bộ xử lý đầu tiên của thế hệ thứ 6 và đưa ra một vài kỹ thuật đặc biệt duy nhất chưa từng thấy trong bộ xử lý PC trước đó Pentium Pro là CPU đầu tiên của xu hướng mới làm thay đổi cơ bản cách thức thực thi những chỉ lệnh, bằng cách chuyển sang những vi chỉ lệnh tương tự như RISC và thực thi chúng theo hướng cải tiến bên trong... ( và các quy định chân cắm khác nhau ), cho nên phải dùng một đế cắm vật lý xác định trên bo mạch chính thì mới thích nghi được với từng thế hệ bổ xử lý mới Các CPU lúc đầu không sẵn sàng để đổi lẫn cho nhau, và vi c nâng cấp một CPU thường có nghĩa là phải nâng cấp luôn mainboard Với sự ra đời của các CPU I486, khái niệm bộ xử lý Overdrive đã trở nên được nhiều người ưa thích thay thế một CPU có sẵn . CHƯƠNG 4: BỘ VI XỬ LÝ CHƯƠNG 4: BỘ VI XỬ LÝ  Ngày nay có rất nhiều loại máy tính được Ngày nay. mại. Bộ cho tới các siêu máy tính thương mại. Bộ vi xử lý của các máy này khác nhau như vi xử lý của các máy này khác nhau như thế nào? Phân loại các bộ vi