Cấu tạo và hoạt động của CPU

Kiến trúc máy tính

Chương 2: Bộ xử lý trung tâm


Các nội dung chính
●I. Cấu trúc cơ bản của CPU
●II. Hoạt động của CPU
●III. Bộ xử lý đa lõi
●IV. Lệnh và chế độ địa chỉ


I. Cấu trúc cơ bản của CPU
●1. Nhiệm vụ và cấu trúc của CPU
●2. Các thành phần chính bên trong CPU
●3. Các thông số kỹ thuật của CPU


I.1. Nhiệm vụ và cấu trúc cơ bản của CPU

- Ký hiệu: CPU viết tắt của chữ Central Processing Unit (đơn vị xử lí trung tâm).
- Nhiệm vụ: CPU có thể được xem như não bộ, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi tính. Nhiệm vụ chính của
CPU là xử lý các chương trình vi tính và dữ kiện.
- Hình dáng: Nhiều kiểu dáng khác nhau.
+ Đơn giản CPU là một con chip với vài chục chân.
+ Phức tạp CPU được ráp sẵn trong các bộ mạch với hàng trăm con chip khác.
- Mô tả: CPU là một mạch xử lý dữ liệu theo chương trình được thiết lập trước. Nó là một mạch tích hợp phức tạp gồm
hàng triệu transitor trên một bảng mạch nhỏ. Bộ xử lý trung tâm bao gồm Bộ điều khiển và Bộ làm tính.


I.2. Các thành phần chính trong CPU

●CPU có 3 khối chính:
●

Bộ điều khiển (Control Unit – CU)

●

Bộ số học và Logic (Arithmetic and Logic Unit – ALU)

●

Thanh ghi (Register – R)


I.2. Các thành phần chính trong CPU

●2.1. Bộ điều khiển (Control Unit )
●

CU: Là các vi xử lí có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của
chương trình và điều khiển hoạt động xử lí,được điều
tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống.

●

Clock: Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng để đồng
bộ các thao tác xử lí trong và ngoài CPU theo các
khoảng thời gian không đổi.

●

Khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung
nhịp.

●

Thanh ghi là phần tử nhớ tạm trong bộ vi xử lý dùng lưu
dữ liệu và địa chỉ nhớ trong máy khi đang thực hiện tác
vụ với chúng.


I.2. Các thành phần chính trong CPU

●2.2. Bộ số học-logic (ALU-Arithmetic Logic Unit)
● ALU: Có chức năng thực hiện các lệnh của đơn vị
điều khiển và xử lý tín hiệu.

● ALU thực hiện các phép tính số học (+,-,*,/ ) hay
các phép tính logic (so sánh lớn hơn, nhỏ hơn…).

●2.3. Thanh ghi (Register)
● Thanh ghi có nhiệm vụ ghi mã lệnh trước khi xử
lý và ghi kết quả sau khi xử lý


I.3. Các thông số kỹ thuật của CPU

●3.1. Tốc độ của CPU:
● Tốc độ xử lý của máy tính phụ thuộc vào tốc độ của CPU, RAM, Graphic Card,

Cache...

● Tốc độ CPU ~ tần số đồng hồ, đơn vị tính bằng MHz, GHz, …
● Ví dụ:
● CPU Core 2 Duo 2,6GHz nhanh hơn CPU 3,4GHz.
● Intel Core 2 Duo cache L2 (shared cache)
● Intel Core Duo, Intel Pentium D
● CPU Quad-Core (4 nhân)


I.3. Các thông số kỹ thuật của CPU

●3.2. Tốc độ BUS của CPU ( FSB – Front Side Bus )
●

FSB – Là tốc độ truyền tải dữ liệu ra vào CPU hay
là tốc độ dữ liệu chạy qua chân của CPU.

●

Tốc độ Bus của CPU phải phù hợp với tốc độ Bus
của Chipset bắc.
●

Chip Pen2 và Pen3 có FSB: 66MHz, 100MHz và
133MHz

●

Chíp Pen4 có FSB: 400MHz, 533MHz, 800MHz,

1066MHz, 1333MHz và 1600MHz


I.3. Các thông số kỹ thuật của CPU
●3.3. Bộ nhớ Cache.
●

Cache: Vùng nhớ mà CPU dùng để lưu các phần của chương trình, các tài 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. CacheL1 tăng tốc độ CPU do thông tin truyền đến và
đi nhanh hơn là phải chạy qua bus hệ thống.

●

Cache L2: 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.

Bé xö lý

TËp
thanh
ghi

Cache

Cache

L1

L2

Bé

Bé

nhí

nhí

chÝnh

ngoµi


II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
●Giai đoạn nạp:
●

Lấy lệnh và dữ liệu, đọc các lệnh của chương trình và dữ liệu cần thiết vào bộ xử lý.

●Giai đoạn giải mã:
●

Xác định mục đích của lệnh và chuyển nó đến phần cứng tương ứng.

●Giai đoạn thực thi:
●

Có sự tham gia của phần cứng, với lệnh và dữ liệu đã được nạp sẵn, các lệnh sẽ được thực hiện. Quá trình
này có thể gồm các tác vụ như cộng, chuyển bít hay nhân thập phân động.

●Giai đoạn hoàn tất:
●

Lấy kết quả của giai đoạn thực thi và đưa vào thanh ghi của bộ xử lý hay bộ nhớ chính.


II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
●Ví dụ: CPU thực hiện tính toán biểu thức:
2+3=5

●Các ký hiệu:
●

PU (Prefetch Unit)
●

●

IC (Instruction Cache)
●

●

Đơn vị giải mã.

CU (Control Unit)

●

●

Cache chỉ thị lệnh

DU (Decode Unit)
●

●

Đơn vị nạp lệnh

Đơn vị điều khiển

DC(Data cache)
●

Cache dữ liệu


II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
●Bước 1: Nhấn phím ‘2’
●

Phát tín hiệu đến Đơn vị nạp lệnh

●

Phát tín hiệu đến cache chỉ thị lệnh

●

Cache chỉ thị lệnh chứa dữ liệu 2=X
●

Dữ liệu mới từ bộ nhớ chính được đưa vào vi
xử lý thông qua các BUS; được lưu trữ vào
IC, khi đó, dữ liệu được gán một mã ‘2=X’.


II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
● IC cung cấp bản sao dữ liệu ‘2=X’ tới
PU và DU để xử lý.

● Tại DU, mã lệnh ‘2=X’ được dịch và
giải mã thành chuỗi nhị phân và
chuyển đến CU và DC.


II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
●Bước 2: Nhấn phím số ‘3’
●Cung cấp chỉ thị lệnh tới PU và IC
●IC được lưu trữ thêm giá trị ‘3=Y’.


II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
●PU chuyển một bản sao của mã lệnh
‘3=Y’ đến IC và chuyển nó đến DU chờ
xử lý.

●Tại DU, mã lệnh ‘3=Y’ được dịch và giải
mã thành chuỗi các số nhị phân, rồi được
chuyển đến CU và DC chờ xử lý.


II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
●Bước 3: Nhấn phím ‘+’
●

Khi nhấn phím ‘+’, PU yêu cầu bộ nhớ chính và
IC cung cấp các chỉ thị lệnh liên quan đến dữ
liệu mới.

●

Vì đây là dữ liệu hoàn toàn mới, ‘+’ từ bộ nhớ
chính được chuyển đến vi xử lý và được lưu
trữ tại IC với mã ‘X+Y=Z’, biểu thị phép tính
CỘNG.


II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
●- Tại CU, mã lệnh được xử lý, lệnh CỘNG
(ADD) được gửi đến ALU, nơi mà ‘X’ và ‘Y’ được
cộng lại; sau đó, chúng được gửi đến DC. ALU
liên lạc với các Thanh ghi (Registers) và gửi kết
quả ‘5’ đến đó để được lưu trữ tại một trong các
địa chỉ

II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
●Bước 4: Nhấn phím ‘=’
●

Khi nhấn phím ‘=’, PU kiểm tra trên IC để tìm
chỉ thị lệnh cho dữ liệu mới nhập, nhưng không
tìm thấy.

●

Chỉ thị lệnh ‘=’ được chuyển từ bộ nhớ chính
đến vi xử lý thông qua các BUS, sau đó được
lưu trữ tại một địa chỉ trong IC với mã lệnh
‘Print Z’.


II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
● PU yêu cầu một bản sao của mã lệnh
‘Print Z’ để chuyển đến DU chờ xử lý.

● Tại DU, mã lệnh ‘Print Z’ được dịch và
giải mã thành chuỗi các số nhị phân,
rồi chuyển chuỗi đó đến CU chờ xử lý.


II. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU
●

Lúc này, giá trị của Z đã được tính toán xong

(ở bước 3) và kết quả đang được lưu trữ tại
các thanh ghi (Registers). Lệnh Print chỉ nhận
về nội dung của thanh ghi chứa kết quả và
xuất nó ra màn hình để bạn có thể thấy kết quả
cuối cùng. Đến đây, CPU đã giúp người dùng
tính xong phép toán ‘2+3=5’.


III. BỘ XỬ LÝ ĐA LÕI (ĐA NHÂN) – MULTICORE

●1. Giới thiệu chung
●2. Nhu cầu về xử lý đa nhiệm
●3. Cấu tạo vật lý của CPU đa lõi
●4. Thế hệ CPU đa lõi đầu tiên
●5. Các thế hệ kế tiếp


III. BỘ XỬ LÝ ĐA LÕI (ĐA NHÂN) – MULTICORE

●1. Giới thiệu chung
●

CPU đa nhân, CPU đa lõi (multi-core) là bộ
vi xử lý trung tâm (Central Processing Unit) có
nhiều đơn vị vi xử lý được tích hợp trên cùng
một CPU vật lý duy nhất, như là sự ghép nối
nhiều CPU thông thường thành một CPU duy
nhất.

●

Hiệu năng của máy tính tăng lên do có tính
chất đa nhân.


III. BỘ XỬ LÝ ĐA LÕI (ĐA NHÂN) – MULTICORE

●2. Nhu cầu về xử lý đa nhiệm
●

Có rất nhiều phần mềm đang hoạt động đồng thời ở chế độ nền (background) trong hệ điều hành.

●

Máy chủ được kết hợp đồng thời cung cấp nhiều dịch vụ.

●

Các trình cần nhiều không gian và tốc độ: xử lý đồ hoạCác trình cần nhiều không gian và tốc độ: xử lý đồ hoạ,
biên tập videoCác trình cần nhiều không gian và tốc độ: xử lý đồ hoạ, biên tập video, chơi game, nghe nhạc,
máy tính sẽ xử lý chậm chạp, thậm chí treo máy.

●

Nếu cùng số lượng và mức độ của các ứng dụng đó, nếu được xử lý trên một máy tínhNếu cùng số lượng và
mức độ của các ứng dụng đó, nếu được xử lý trên một máy tính có hai CPU độc lập thì hệ thống sẽ thực hiện
nhanh hơn, không xảy ra xử lý chậm, lỗi hệ thống, treo máy...

●

Để đáp ứng mọi nhu cầu của người sử dụng máy tínhĐể đáp ứng mọi nhu cầu của người sử dụng máy tính
càng đòi hỏi đến năng lực của CPU lớn lên.

●

CPU có khả năng xử lý nhiều luồng, đa nhân, có công nghệ siêu phân luồng...thì sẽ xử lý công việc nhanh
hơn.


III. BỘ XỬ LÝ ĐA LÕI (ĐA NHÂN) – MULTICORE

●3. Cấu tạo vật lý của CPU đa lõi