Kỹ thuật vi xử lý- chương 6: Cácvi xử lý và công nghệ tiên tiến potx

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG MÔN
KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
Giảng viên: TS. Hoàng Xuân Dậu
Điện thoại/E-mail:
Bộ môn: Khoa học máy tính - Khoa CNTT1
Học kỳ/Năm biên soạn: Học kỳ 1 năm học 2009-2010
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ
CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 2
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
NỘI DUNG
A. Giới thiệu các VXL dựa trên kiến trúc IA-32 và Intel 64
1. Các vi xử lý x86 (8086, 80286, 80386, 80486)
2. Các vi xử lý dòng Intel Pentium (Pen I, II, III, M và IV)
3. Các vi xử lý dòng Xeon, Core và Atom
B. Các kiến trúc & công nghệ VXL tiên tiến
4. Vi kiến trúc P6
5. Mô tơ thực thi không theo trật tự (Out of Order Execution)
6. Vi kiến trúc Intel NetBurst
7. Vi kiến trúc Intel Core
8. Vi kiến trúc Intel Atom
9. Tập lệnh SIMD
10.Công nghệ Hyper-Threading
11.Kiến trúc Intel 64
12.Công nghệ ảo hoá
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ

www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 3
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
1. Các vi xử lý x86 - 8086
 8086 là VXL đầu tiên của kiến
trúc IA-32
 Thanh ghi 16 bits
 Bus: data bus 16-bit; address
bus 20-bit
 Không gian bộ nhớ max: 1MB
 Bộ nhớ được phân đoạn
(segmentation): mỗi đoạn có
kích thước 64KB.
 Địa chỉ logic ô nhớ:
Segment : Offset
Địa chỉ đoạn : địa chỉ lệch
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 4
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
1. Các vi xử lý x86 - 80286
 Data bus 16-bit, address bus
24-bit
 Không gian bộ nhớ max:
16MB
 Hỗ trợ quản lý bộ nhớ ảo

 Hỗ trợ hoạt động ở chế độ bảo
vệ (protected mode).
 Các cơ chế bảo vệ:
 Kiểm tra giới hạn đoạn
 Lựa chọn Read-only và
Execute-only
 4 mức đặc quyền
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 5
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
1. Các vi xử lý x86 - 80386
 Là VXL 32-bit đầu tiên của dòng kiến trúc
IA-32
 Sử dụng các thanh ghi 32 bits
 Data bus 32-bit, address bus 32-bit
 Không gian bộ nhớ max: 4GB
 Tương thích tốt với các VXL 8086 và 286
 Hỗ trợ thực hiện lệnh song song
 Hỗ trợ các phương thức quản lý bộ nhớ:
 Phân đoạn (Segment Memory Model)
 Phân trang (Page Memory Model)
 Tuyến tính (Flat Memory Model)
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 6

CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
1. Các vi xử lý x86 - 80486
 Hỗ trợ thực hiện lệnh song song
tốt hơn 386.
 Việc thực hiện lệnh được chia
thành 5 giai đoạn: 5 lệnh chạy
song song trong pipeline
 Tích hợp cache L1 8KB
 Tích hợp đồng xử lý số thực 487
 Tích hợp khả năng quản lý nguồn
và quản lý hệ thống
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 7
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
2. Các vi xử lý Pentium I
 Hỗ trợ 2 ống lệnh: u và v pipes, có
thể thực hiện 2 lệnh/1 chu kỳ đồng
hồ
 Tích hợp 8KB cache L1 cho mã lệnh
và 8KB cache L1 cho dữ liệu
 Tích hợp khả năng dự đoán rẽ
nhánh
 Đường dữ liệu trong 128 và 256 bits
 Bus dữ liệu ngoài có thể tăng lên 64
bits
 Hỗ trợ công nghệ MMX (sử dụng
SIMD)

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 8
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
2. Các vi xử lý Pentium II
 Hỗ trợ công nghệ MMX
cải tiến
 Tích hợp 16KB cache L1
cho mã lệnh và 16KB
cache L1 cho dữ liệu
 Tích hợp cache L2 với
nhiều lựa chọn: 256, 512
và 1MB
 Hỗ trợ tính năng quản lý
nguồn nâng cao
 Sử dụng khe cắm kiểu
Slot 1
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 9
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
2. Các vi xử lý Pentium III
 Giới thiệu tập lệnh SSE
(Streaming SIMD
Extensions):
 Hỗ trợ tập các thanh ghi

128 bit
 Tăng tốc các lệnh đồ
hoạ 3D
 Tần số làm việc từ
450MHz – 1.4GHz
 Tích hợp 2 mức cache
 Sử dụng khe cắm kiểu
Socket 370
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 10
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
2. Các vi xử lý Pentium IV
 Dựa trên vi kiến trúc Intel
NetBurst
 Hỗ trợ các tập lệnh tiên tiến
SSE, SSE2, SSE3
 Một số phiên bản Pentium 4
mới hỗ trợ công nghệ siêu
phân luồng (hyper-
threading)
 Các phiên bản Pentium 4
672 và 662 hỗ trợ công
nghệ ảo hoá (Virtualization
Technology).
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU

BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 11
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
2. Các vi xử lý Pentium M
 Là VXL được thiết kế cho các
máy tính xách tay: tiêu thụ điện
năng thấp, hiệu năng cao
 Các tính năng tiên tiến của
Pentium M:
 Thực thi động (Dynamic
execution)
 On-chip 32K data L1 cache,
32K instruction L1 cache
 On-chip L2 cache - đến 2MB
 Advanced Branch Prediction
and Data Prefetch Logic
 Hỗ trợ các tập lệnh MMX,
SSE và SSE2
 Công nghệ quản lý nguồn tiên
tiến Intel Speedstep
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 12
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
3. Các vi xử lý dòng Xeon
 Được thiết kế riêng cho các máy
chủ nhiều CPU có hiệu năng cao
 Các VXL Intel Xeon dựa trên vi

kiến trúc Intel P6, NetBurst và
Core
 Dòng Intel Xeon MP hỗ trợ công
nghệ siêu phân luồng (hyper-
threading)
 Dòng Intel Xeon 5100 dựa trên vi
kiến trúc Core và Intel 64 tiết kiệm
năng lượng và cho hiệu năng cao.
Đồng thời nó cũng hỗ trợ công
nghệ ảo hoá (Virtualization
Technology).
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 13
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
3. Các vi xử lý dòng Core Duo & Core Solo
 Dựa trên vi kiến trúc Core. Core
Solo đơn nhân có nhiều cải tiến
so với Pentium M.
 Các tính năng tiên tiến:
 Smart Cache cho phép chia sẻ
dữ liệu giữa 2 nhân
 Cải tiến pha giải mã và thực
hiện các lệnh SIMD
 Các công nghệ giảm tiêu hao
điện: Dynamic Power
Coordination và Enhanced
Intel Deeper Sleep

 Intel Advanced Thermal
Manager sử dụng các sensor
số
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 14
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
3. Các vi xử lý dòng Atom
 Dựa trên vi kiến trúc Atom và
công nghệ 45nm.
 Vi kiến trúc Atom tối ưu hoá cho
các thiết bị có kích thước nhỏ và
tiêu thụ ít năng lượng
 Các đặc điểm tiên tiến:
 Enhanced SpeedStep
Technology
 Deep Power Down
Technology with Dynamic
Cache Sizing
 Intel Virutalization Technology
 Intel 64 architechure
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 15
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
4. Vi kiến trúc P6

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 16
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
4. Vi kiến trúc P6
 Vi kiến trúc P6 đầu tiên được sử dụng trong Pentium Pro
(sau Pen I). Sau đó kiến trúc này được tích hợp thêm
cache L2 (còn gọi là Advanced Transfer Cache)
 Vi kiến trúc P6 hỗ trợ ống lệnh siêu vô hướng có khả
năng thực hiện trung bình 3 lệnh/CK đồng hồ.
 Ống lệnh của P6 gồm 12 giai đoạn có hỗ trợ thực hiện
lệnh không theo trật tự (out-of-order execution).
 P6 hỗ trợ 2 mức cache:
 Cache L1 gồm 2 phần: 8K cache lệnh và 8K cache dữ liệu
được kết nối trực tiếp với ống lệnh
 Cache L2 có thể là 256K, 512K hoặc 1MB kết nối với nhân
CPU nhờ bus 64 bits
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 17
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
4. Vi kiến trúc P6
 Hạt nhân của vi kiến trúc P6 là cơ chế thực hiện lệnh
không theo trật tự (out-of-order execution) hay còn gọi là
thực thi động (dynamic execution).
 Cơ chế thực thi động gồm 3 phần:

1. Deep Branch Prediction: cho phép VXL giải mã các lệnh
bên ngoài các lệnh rẽ nhánh giúp cho ống lệnh luôn được
điền đầy. P6 được tích hợp các thuật toán dự đoán rẽ
nhánh được tối ưu hoá ở mức cao để dự đoán hướng
thực hiện của lệnh;
2. Dynamic data flow analysis: yêu cầu phân tích luồng dữ
liệu chuyển qua VXL theo thời gian thực để xác định các
phụ thuộc và khả năng thực hiện các lệnh không theo trật
tự;
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 18
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
4. Vi kiến trúc P6
 Cơ chế thực thi động gồm 3 phần:
3. Speculative execution:
• VXL có khả năng thực hiện các lệnh bên ngoài một lệnh rẽ nhánh
có điều kiện chưa được thực hiện xong;
• Sau đó hệ thống sẽ lưu kết quả của lệnh theo trật tự ban đầu của
các lệnh
• P6 thực hiện Speculative execution bằng cách:
– Tách việc thực hiện lệnh khỏi việc xử lý kết quả
– Sử dụng kết quả phân tích luồng dữ liệu để thực hiện tất cả các lệnh
sắn có và lưu kết quả vào các thanh ghi tạm thời
– Khối Retirement Unit sẽ tìm các lệnh đã thực hiện xong và không còn
phụ thuộc dữ liệu cũng như liên quan đến các lệnh rẽ nhánh chưa
hoàn thất để xử lý và lưu kết quả ra bộ nhớ theo trật tự ban đầu của
nó.

BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 19
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
5. Mô tơ thực thi không theo trật tự
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 20
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
6. Vi kiến trúc Intel NetBurst
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 21
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
6. Vi kiến trúc Intel NetBurst
 The Rapid Execution Engine
 Các ALU chạy với tốc độ gấp đôi tần số của CPU
 Các lệnh cơ sở với số nguyên có thể được thực hiện trong ½ CK
đồng hồ
 Hyper-Pipelined Technology
 Ống lệnh dài cho phép CPU hoạt động với xung nhịp rất cao
 Có khả năng mở rộng tốt trong tương lai
 Advanced Dynamic Execution
 Deep, out-of-order, speculative execution engine

• Tối đa 126 lệnh được xử lý đồng thời
• Tối đa nạp đồng thời 48 lệnh, lưu được 24 lệnh
 Khả năng dự đoán rẽ nhánh được cải tiến
• Giảm được penalty khi đoán sai - điều thường gặp với các ống lệnh dài
(nhiều giai đoạn)
• Sử dụng thuật toán dự đoán rẽ nhánh tiên tiến
• Mảng lưu các đích rẽ nhánh chứa được 4K phần tử
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 22
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
6. Vi kiến trúc Intel NetBurst
 Hệ thống cache mới
 Cache L1 (64 bytes/line)
• Advanced Execution Trace Cache lưu các lệnh đã giải mã
• Execution Trace Cache triệt tiêu trễ giải mã trong vòng lặp thực hiện
lệnh
• Độ trễ rất thấp
 Cache L2 (64 bytes/line)
• Cache L2 còn gọi là Advance Transfer Cache 8 đường được tích hợp
trên chip
• Băng thông và hiệu năng tăng theo tần số làm việc của CPU
 Hệ thống bus mới
 Hỗ trợ quad-pumped, cho phép đạt tốc độ truyền dẫn đến 4
lần tốc độ hiệu dụng
 Có khả năng đạt băng thông 8,5GB/s
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 23
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
6. Vi kiến trúc Intel NetBurst
 Kiến trúc siêu vô hướng tăng tốc xử lý song song tốt hơn
 Mở rộng tập thanh ghi phần cứng sử dụng với kỹ thuật đổi
tên thanh ghi  giảm các hạn chế với không gian tên của
thanh ghi.
 NetBurst Out-Of-Order Execution Core
 Cung cấp khả năng thực hiện các lệnh không theo trật tự 
nâng cao khả năng xử lý song song
 Các lệnh có thể được sắp xếp lại sao cho nếu một vi thao tác
bị trễ thì các vi thao tác khác sẽ được thay thế thực hiện
 CPU sử dụng một số bộ đệm để lưu luồng các vi thao tác
 Có khả năng tiếp nhận để thực hiện đồng thời đến 6 vi thao
tác trong 1 CK đồng hồ.
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 24
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
6. Vi kiến trúc Intel NetBurst
 Retirement Unit
 Retirement Unit tiếp nhận các kết quả từ các vi thao tác đã
được thực hiện
 Xử lý và cập nhật các kết quả theo trật tự ban đầu của
chương trình.
 Bộ phận Reorder Buffer lưu toàn bộ các vi thao tác đã được

thực thi và cập nhật trật tự của chúng.
 Retirement Unit cũng lưu vết các lệnh rẽ nhánh và gửi các
thông tin cập nhật về đích rẽ nhánh đến BTB.
BÀI GIẢNG MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
www.ptit.edu.vn
GIẢNG VIÊN: TS. HOÀNG XUÂN DẬU
BỘ MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH - KHOA CNTT1
Trang 25
CHƯƠNG 6 – CÁC VI XỬ LÝ VÀ CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
7. Vi kiến trúc Intel Core