Bài giảng Chương 4: CPU: Central Processing Unit (CPU)

BỘ XỬ LÝCENTRAL PROCESSING UNIT(CPU)1Mục đíchTìm hiểu các dạng khác nhau của CPUCác thông số chính cũng như đặc tính hoạt động của chúngclock speed, internal/external cache memory, voltages và hình dáng2CHỨC NĂNGTính tốn tốn học.Các phép so sánh luận lý.Điều tác dữ liệu.34Clock SpeedClock speed là tần số thực thi các chỉ thị của CPUMillions of cycles per second (megahertz [MHz])Billions of cycles per second (gigahertz [GHz])5Cache MemoryCache memory là bộ nhớ tốc độ cao dùng để nạp cacù chỉ thị và lệnh thường xuyên sử dụng nhằm làm tăng hiệu xuất của máy.Bao gồm level 1(L1) cache, level 2 (L2) cache (Nằm ngoài mạch CPU)6BusKhả năng truyền thông của CPU với các thành phần khác dựa trên hệ thống mạch hỗ trợ. Hệ thống mạch mạch này được gọi là BUSBUS để di chuyển thông tin vào và ra CPU cũng như các thiết bị khác , cho phép các thiết bị gắn kết với nhau thành một khối thống nhất 7Bus dữ liệu: 8/16/32/64 bitBus dữ liệu càng lớn chuyển giao dữ liệu càng nhanh.Bus địa chỉ: Xác định vị trí I/O hoặc vị trí trong bộ nhớ số luợng các bit trong bus địa chỉ biểu thị số lượng vật lý mà CPU cĩ thể truy cập.VD: CPU 20 dịng địa chỉ  cĩ thể định địa chỉ 220 byte.8Bus điều khiển:Đồng bộ hố và phối hợp hoạt động CPU với các loại tín hiệu điều khiển.Các loại tín hiệu điều khiển:Chức năng đọc, ghiCác kênh ngắtĐiều khiển và trọng tài busĐiều khiển DMA9Các thành phần trong CPUKhối ALUKhối điều khiểnCác thanh ghiBus Speed: Các Motherboard thường thiết kế để có thể hỗ trợ nhiều dạng CPU với nhiều tốc độ khác nhau . Người dùng có thể thiết lập tốc độ BUS và hệ số nhân thông qua Jumper hay cơ cấu cấu hình khác ( BIOS setup) trên bo mạch chính 10Tốc độ BUS có thể là 66Mhz, 100->533MhzTốc độ CPUHệ số nhânTốc độ BUSTốc độ CPUHệ số nhânTốc độ BUS661x661001.5x66751.5x503335x66901.5x603503.5x10011Các chế độ định địa chỉDùng để định địa chỉ bộ nhớVD: CPU 8086 20 đường địa chỉquản lý 220 Byte =1MB: Chương trình DOS.CPU > 20dịng địa chỉ: DOS bị giới hạn  dùng phần mềm khác để mở rộng DOS và quản lý bộ nhớ mở rộng 12Để tương thích: CPU cĩ thể vận hành 2 chế độ:Chế độ thực (Real mode):xử lý giống 8086 chỉ truy cập 1MBDos và các chương trình DosChề độ bảo vệ: (Protected mode)Vận dụng tất cả các dịng địa chỉ bộ nhớ vật lý lớn và hỗ trợ bộ nhớ ảoWindows 98, Windows 200013Điện áp hoạt động (Voltages) Voltage Regulator Module (VRM): Cho phép CPU chạy mức điện áp thấp hơn so với các mạch I/O.14Hệ thống P-RATING [PR]Năm 1996Dùng để so sánh khả năng vận hành với các CPU Intel.VD: AMD 133Mhz Am5x86 đánh dấu PR75 vận hành tương đương 1 Pentium 75 Mhz.15CPU CISC và RISCCISC: (Complex Instruction Set Computing):Tập lệnh phức tạp.Các CPU truyền thốngMạch phức tạp, bù lại khả năng vận hành CPU.Pentium MMX, AMD K6-216RISC: (Reduced Instruction Set Computing):Hạn chế các chỉ lệnh.Vận hành CPU nhanh hơn với điện năng ít hơn.Ít linh hoạt hơn so với CISC.17Xử lý lệnh theo đường ốngCPU xử lý mỗi lần 1 lệnhLệnh được nạp và xử lý hồn tồn, sau đĩ đến lệnh khác.Kỹ thuật lập ống dẫn:Lệnh mới xử lý trong khi lệnh hiện hành vẫn xử lý thực hiện vài lệnh trên cùng 1 xung nhịp. Tuy nhiên chỉ cĩ thể hồn tất mỗi xung nhịp 1 lệnh. 18Tiên đốn nhánhNạp lệnh kế tiếp trước khi hồn tất chỉ lệnh trước  sai khi gặp lệnh nhảy.Tiên đốn đúng đắn chỉ lệnh kế tiếp: đốn sai phải xác định lại19Thực Hiện Siêu Hướng: ( Superscalar) Bổ xung nhiều ống lệnh xử lý nhiều lệnh trong 1 xung nhịp.Pentium Pro dùng hai ống dẫn thi hànhKiến trúc siêu hướng thường được kết hợp với các chip cao cấp RISC (Reduced Instrution Set Computer) 20Thi hành độngCho phép xử lý đánh giá luồng chương trình và chọn thứ tự tốt nhất để xử lý các chỉ lệnh  vận hành tốt hơn các tài nguyên.21Công Nghệ MMX Công Nghệ MMX là một bổ xung để cải tiến việc nén/ giải nén Video, thao tác hình ảnh, mã hóa và xử lí I/O 	MMX bao gồm 2 cải tiến lớn về mặt cấu trúc BXL	- Có Cache L1 lớn hơn	- Hỗ trợ thêm 57 lệnh mới , cùng với một khả năng lệnh mới gọi là SIMD22SSE ( Streaming SIMD Extensions)SSE có 70 lệnh mới xử lí đồ họa và âm thanh , cho phép tính toán dấu phẩy động với một đơn vị riêng biệt (nhược điểm của MMX là chỉ xử lí số nguyên).Cho phép các phần mềm đồ họa khả năng xử lí và hiển thị hình ảnh với độ phân giải cao , chất lượng cao23- Các trình ứng dụng đa phương tiện chất lượng âm thanh, video MPEG-2 cao , mã hóa và giải mã động thời	- Có độ chính xác cao hơn và thời gian phản hồi nhanh hơn khi chạy các ứnh dụng nhận dạng tiếng nói.243DNOW Và ENHANCED 3DNOWTrong các bộ xử lí AMD , tương tự SSE của IntelEnhanced 3dnow	bổ xung thêm 24 lệnh + 21 lệnh ban đầu 25Các loại CPUNameDateTransistorsMicronsClock speedData widthMIPS808019746,00062 MHz8 bits0.648088197929,00035 MHz16 bits8-bit bus0.33802861982134,0001.56 MHz16 bits1803861985275,0001.516 MHz32 bits58048619891,200,000125 MHz32 bits20Pentium19933,100,0000.860 MHz32 bits64-bit bus10026Pentium II19977,500,0000.35233 MHz32 bits64-bit bus~300Pentium III19999,500,0000.25450 MHz32 bits64-bit bus~510Pentium 4200042,000,0000.181.5 GHz32 bits64-bit bus~1,70027ChipData BusWidth (in Bits)Address BusWidth (in Bits)Speed(in MHz)TransistorsOther SpecificationsPentium643260–2003.3 millionSuperscalarPentiumPro6432150–2005.5 millionDynamic executionPentium II6432233–4507.5 million32KB of L1 cache dynamic execution, and MMX technologyPentium II Xeon6432400–6007.5 millionMultiprocessor version of Pentium II28Celeron6432400–6007.5 millionValue version of Pentium IIPentium III6432350–10009.5–28 millionSECC2 packagePentium III Xeon6432350–10009.5–28 millionMultiprocessor version of Pentium IIIPentium 464321200–310042 million20KB L1256–512KB L2 on chip29Processor Speed (in MHz) Socket Pins Voltage CachePentium-P5 60–66 4 2735V16KBPentium-P54C 75–2005 hoặc 7320 ,3213.3V 16KBPentium-P55C 166–33373213.3V32KBPentium Pro 150–20083872.5V32KB	Pentium II 233–450SECCN/A3.3V32KBPentium III 450–1130 SECCII or 370N/A 3.3V32KBPentium 4 1300–3400+423 or 478423 ,478 1.3–1.720KB30Chip Socket Speed (in MHz) Transistors Intel EquivalentK67166–3008.8 millionPentium MMX–Pentium IIK6-II7/Super 7 266–550 9.3 millionPentium IIK6-IIISuper 7400–600 21.3 millionPentium IIAthlon ClassicSlot A500–100022 millionPentium IIIAthlonThunderbirdSocket A650–1400 37 millionPentium IIIAthlon XPPalominoSocket A 1333–1733 37.5 million Pentium III–4Athlon XPThoroughbredSocket A 1467–2250 37.2–37.6 millionPentium 43132