Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CPU

Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6
BÀI THUYẾT TRÌNH
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
Nhóm thực hiện: Nhóm 3 – Lớp buổi chiều
Ngày bảo vệ: 23/11/2012
I. TỔNG QUAN VỀ BỘ VI XỬ LÝ
1. Khái niệm CPU
˗ CPU: Central Processing Unit – Đơn vị xử lý trung tâm.
˗ Là một mạch tích hợp được tạo thành từ nhiều bóng bán dẫn (trasistor).
˗ Được xem như bộ não, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi tính.
Toàn bộ quá trình xử lý, tính toán và điều khiển đều được thực hiện bởi CPU.
˗ Chip vi xử lý đầu tiên là chip 4004 của hãng Intel (năm 1971).
˗ CPU là thành phần quan trọng quyết định tới tốc độ của máy tính. Tốc độ xử lý
của CPU thường được tính bằng MHz hoặc GHz:
1 MHz = 10
6
Hz.
1 GHz = 10
9
Hz.
2. Chức năng của CPU
˗ Điều khiển hoạt động của máy tính.
˗ Thực thi chương trình: Chương trình được thực thi gồm một dãy các chỉ thị
được lưu trữ trong bộ nhớ; CPU đảm nhận việc thực thi này.
˗ Quá trình thực thi chương trình gồm 2 bước: CPU đọc chỉ thị từ bộ nhớ và
thực thi chỉ thị đó. Việc thực thi chương trình là sự lặp đi lặp lại quá trình lấy
chỉ thị và thực thi chỉ thị.
3. Phân loại CPU
Theo mục đích sử dụng:
˗ Dùng cho các máy tính di động (Laptop, PDA, …): Thiết kế nhỏ gọn, hoạt
động ở mức điện áp và xung clock thấp.

˗ Dùng cho máy tính để bàn (Desktop): Thiết kế lớn, tốc độ xung clock cao, hệ
thống tản nhiệt lớn.
˗ Dùng cho máy trạm và máy chủ (Workstation, Server): Có yêu cầu kỹ thuật
khắt khe do phải vận hành liên tục trong thời gian dài và cường độ lớn.
Theo kiến trúc thiết kế:
Năm học: 2012-2013 Trang: 1/7
Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6
˗ Netburst: Willamette, Northwood, Prescott, Pressott-2M, Smithfield, Cedar
Mill, Presler.
˗ P6M/Banias: Banias, Dothan, Dothan533, Yonah.
˗ Core/Penryn: Conroe, Wolfdale, Kentsfield, Yorkfied.
˗ Nehalem/Westmere, Gesher.
˗ Sandy Bridge.
Theo công nghệ chế tạo:
˗ Nhờ vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật mà vi xử lý ngày càng được cải
tiếng và thu nhỏ kích thước.
˗ VD: Công nghệ 130nm, 90nm, 65nm, 45nm, 32nm, 22nm, …
4. Các nhà sản xuất vi xử lý
˗ Intel:
˗ AMD (Advanced Micro Devices):
˗ Các nhà sản xuất khác: Cyrix, NEXGEN, …
II. CẤU TẠO CỦA CPU
Vi xử lý được cấu tạo từ nhiều thành phần với các chức năng chuyên biệt, phụ
thuộc vào từng nhà sản xuất. Tuy mỗi vi xử lý có thiết kế riêng nhưng tất cả đều
có cùng chung một nguyên lý hoạt động.
Về cấu tạo, CPU gồm 3 khối chính:
˗ ALU (Arithmetic Logic Unit – Đơn vị số học logic): Thực hiện các phép tính
toán số học và logic cơ bản trên cơ sở các dữ liệu.
˗ CU (Control Unit - Khối điều khiển): 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.
1. Đơn vị số học và logic
a) Chức năng
˗ ALU giữ vai trò tính toán trong CPU.
Năm học: 2012-2013 Trang: 2/7
Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6
˗ ALU sử dụng hai thanh ghi toán hạng OP1 và OP2 để giữ các toán hạng và kết
quả.
˗ ALU có thể thực hiện được các phép số học như cộng, trừ, tăng, giảm, nhân,
chia, so sánh; các phép luận lý NOT, AND, OR, XOR, phép dịch (shift), quay
(rotate).
b) Mô hình kết nối của ALU
2. Đơn vị điều khiển (Control Unit)
a) Chức năng
˗ Nhận lệnh từ bộ nhớ, đưa vào thanh ghi lệnh IP.
˗ Tăng nội dung thanh ghi PC mỗi khi nhận lệnh xong.
˗ Giải mã lệnh và xác định thao tác mà lệnh yêu cầu.
˗ Phát ra tín hiệu điều khiển thực thi lệnh.
˗ Nhận ra tín hiệu yêu cầu từ BUS hệ thống và giải quyết đáp ứng yêu cầu đó.
b) Mô hình kết nối của CU:
c) Các thông tin kết nối đến CU:
˗ Clock: Tín hiệu xung nhịp từ mạch dao động.
˗ Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến CU giải mã.
Năm học: 2012-2013 Trang: 3/7
Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6
˗ Các trạng thái cờ đưa đến cho biết trạng thái của CPU cũng như trạng thái thực
hiện các phép toán trong ALU.
˗ Các tín hiệu điều khiển từ BUS điều khiển.
˗ Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU: Điều khiển thanh ghi, ALU.
˗ Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU; đó là bộ nhớ hay cổng vào ra.

3. Tập thanh ghi
a) Chức năng
˗ Thanh ghi là một dạng bộ nhớ hoạt động được ở tốc độ cao.
˗ Bộ thanh ghi chính là bộ nhớ trong của CPU.
˗ Chứa thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tịa của CPU.
˗ Số lượng các thanh ghi trong bộ thanh ghi thường bị hạn chế vì khó chế tạo,
giá thành cao; Số lượng thanh ghi tùy thuộc vào bộ vi xử lý cụ thể => tăng hiệu
năng của CPU.
˗ Thực chất là vùng nhớ được CPU nhận biết qua tên thanh ghi và có tốc độ truy
xuất cực nhanh.
˗ CPU dùng các thanh ghi với những mục đích khác nhau thể hiện qua tên gọi
của mỗi thanh ghi.
˗ Thanh ghi chia làm 2 loại: Loại lập trình được và loại không lập trình được.
b) Phân loại thanh ghi theo chức năng
˗ Nhóm thanh ghi địa chỉ:
Thanh ghi sử dụng để quản lý địa chỉ của ngăn nhớ hay cổng vào/ra.
˗ Nhóm thanh ghi dữ liệu:
Thanh ghi được dùng để lưu trữ dữ liệu tạm thời.
˗ Nhóm thanh ghi đa năng:
Thanh ghi có thể chứa dữ liệu hoặc địa chỉ đều được.
˗ Nhóm thanh ghi điều khiển/trạng thái:
Thanh ghi chứa thông tin về trạng thái của CPU.
˗ Nhóm thanh ghi lệnh:
Thanh ghi chứa lệnh đang được thực hiện.
c) Một số thanh ghi điển hình
• Thanh ghi bộ đếm chương trình PC (program counter) dùng để giữ địa
chỉ ô nhớ chứa mã lệnh sắp thi hành. Địa chỉ này sẽ được CPU đưa lên
tuyến địa chỉ trong bước lấy lệnh.
• Thanh ghi con trỏ chồng SP (Stack Pointer – Con trỏ ngăn xếp) dùng cho
phương pháp định địa chỉ theo chồng. Chồng là một vùng bộ nhớ được

dành riêng để chứa các thông tin cần cất tạm trong một khoảng thời gian
ngắn, hoặc đôi khi có số lượng lớn mà không thể chứa trong các thanh ghi.
Năm học: 2012-2013 Trang: 4/7
Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6
SP giữ địa chỉ đỉnh chồng là nơi thông tin được cất vào. Chồng còn được
gọi là dãy vào sau ra trước (Last In First Out).
III. 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 chạy một chương trình, các lệnh của nó sẽ 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.
˗ Chu kỳ lệnh CPU bao gồm: Nhận lệnh, giải mã lệnh, nhận toán hạng, thực hiện
lệnh, cất toán hạng, ngắt.
˗ Giản đồ trạng thái chu kỳ lệnh:
IV. CÁC YẾU TỐ TÁC ĐỘNG TỚI HIỆU SUẤT CỦA CPU
• Đặc trưng của bộ vi xử lý:
Mỗi bộ VXL có những đặc trưng và thông số kỹ thuật khác nhau. Tuy nhiên,
khi đề cập đến vi xử lý, chúng ta thường quan tâm đến một số yếu tố sau:
˗ Tốc độ làm việc
˗ BUS (FSB)
˗ Bộ nhớ đệm (Cache)
˗ Tập lệnh (Intruction Set)
˗ Độ rộng BUS
˗ Điện áp hoạt động
Năm học: 2012-2013 Trang: 5/7

Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6
˗ Socket/slot
˗ …
1. Độ rộng BUS dữ liệu và BUS địa chỉ (Data BUS và Add BUS)
˗ Độ rộng bus dữ liệu là nói tới số lượng đường truyền dữ liệu bên trong và bên
ngoài CPU.
˗ Hiện nay, trong các CPU từ Pentium 2 đến Pentium 4 đều có độ rộng Data
BUS là 64 bit.
˗ Tương tự như vậy, độc 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, các cổng vào ra và các thiết bị ngoại vi, … Để có thể gửi hoặc nhận dữ
liệu từ các thiết bị thì CPU phải có địa chỉ của nó và địa chỉ này được truyền đi
qua các BUS địa chỉ.
˗ Hiện nay, trong các CPU 4 có 64 bit địa chỉ; do đó, chúng quản lý được 264
địa chỉ nhớ.
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.
˗ Ví dụ: Một CPU Pentium 3 có tốc độ 800 MHz nghĩa là nó dao động ở tần
số 800.000.000 Hz; CPU Pentium 4 có tốc độ là 2.4 GHz nghĩa 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.
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 xử 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.
Năm học: 2012-2013 Trang: 6/7
Thực tập lắp ráp và bảo trì thiết bị tin học Nhóm 3 – Lớp buổi chiều thứ 6
• 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 khiển hoạt động thường
xuyên mà không phải ngắt quảng 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 đó, giá thành rất cao.
Năm học: 2012-2013 Trang: 7/7