Bộ xử lý

Chia sẻ: Nguyen Vu | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

99
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tốc độ của bộ xử lý Hệ số nhân tốc xung nhịp Bus dữ liệu Bộ nhớ đệm Cache Các loại đế cắm (Socket) và khe cắm (Slot) bộ xử lý Công suất tiêu thụ và vấn đề làm mát cho bộ xử lý

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bộ xử lý

Chương 3 BỘ XỬ LÝ Nội dung  Các đặc tả bộ xử lý  Các bộ xử lý Intel  Các bộ xử lý công nghệ tiên tiến
BỘ XỬ LÝ Bộ xử lý - CPU (Central Processing Unit): Bộ não của hệ thống máy tính Chức năng ? Thực hiện chương trình chứa trong bộ nhớ Cơ chế: nhập tuần tự từng lệnh từ bộ nhớ và xử lý Điều khiển hoạt động trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ, giữa CPU với thiết bị vào/ra và với các thiết bị khác.  Công nghệ chế tạo: mạch tổ hợp cỡ lớn VLSI (Very Large Scale Integrated Circuit).
1. CÁC ĐẶC TẢ CỦA BỘ XỬ LÝ  Tốc độ của bộ xử lý  Hệ số nhân tốc xung nhịp  Bus dữ liệu  Bộ nhớ đệm Cache  Các loại đế cắm (Socket) và khe cắm (Slot) bộ xử lý  Công suất tiêu thụ và vấn đề làm mát cho bộ xử lý
1. CÁC ĐẶC TẢ CỦA BỘ XỬ LÝ  Tốc độ của bộ xử lý = Tần số hoạt động ?  = Tần số hoạt động ?  Tốc độ đồng hồ đo bằng tần số (Hz) = số chu kỳ nhịp /giây.  Chu kỳ nhịp (Clock Cycle): thành phần thời gian nhỏ nhất của CPU  Thực thi chương trình  Thực hiện lệnh  Chu kỳ lệnh  Thời gian cần để thực hiện xong một lệnh (Inst. cycle)  = 1 hoặc nhiều chu kỳ máy (machine cycle).  Chu kỳ máy  Thực hiện một cuộc chuyển dữ liệu đơn (machine cycle) thuần  Mỗi CPU cần số chu 1 hoặịpnhiềuờiơn một chu kỳ nhể thồngthi kỳ nhc và th h gian khác nhau địp đ ực  = lệnh. hồ.  Trước khi truyền dữ liệu cần thêm chu kỳ đợi  Chu kỳ đợi  Số chu kỳ để thực hiện lần truyền dữ liệu (Wait state) đầu tiên.
 Tốc độ của bộ xử lý ? Tốc độ thực hiện lệnh • f - tần số nhịp làm việc của CPU; f *N MIPS = • N - số đơn vị xử lý số học-logic ALU C + tw • C - số chu kỳ nhịp trung bình của một lệnh • tw- Hệ số thời gian truy nhập bộ nhớ ( cả chu kỳ đợi) ? Đánh giá tốc độ  Khó đánh giá chính xác: Phụ thuộc nhiều yếu tố  Dựa vào phép đo lường tiêu chuẩn (benchmark) Intel AMD, Cyrix  Tiêu chuẩn iCOM # ?  PR (Performance Rating) VD: 133MHz, 2.8GHz VD: PR 133, PR533 ? Khó khăn: !  Từ 486DX2: tốc độ CPU nhanh gấp nhiều lần FSB  Mỗi bảng mạch có thể xác lập để chạy với vài loại CPU tốc độ khác nhau, thông qua hệ số nhân xung nhịp.
 Hệ số nhân tốc xung nhịp 486 DX / 486 DX2  Yêu cầu nâng tốc độ CPU /66 MHz 33MHz  Tốc độ Mainboard không đáp ứng Cache Cache được Double  Bộ nhân tốc: tích hợp vào trong CPU Clock 33 MHz  Hệ số nhân tốc (bus Ratio) (a) 33 MHz (b) a- VXL 486 không nhân tốc độ ? Tốc độ CPU b- VXL 486 với bộ nhân đôi tốc độ CPU speed = Host Clock x Bus Ratio (Tốc độ CPU = Tốc độ Bus x Hệ số nhân) Thiết lập tốc độ và hệ số nhân (multiplier) ?  Dùng jumper hoặc cấu hình tốc độ trong BIOS ? Overclocking: 
 Bus dữ liệu  Bus dữ liệu trong  Cấu thành từ các đường dữ liệu và các thanh ghi trong.  Kích thước thanh ghi: xác định dạng phần mềm và lệnh mà bộ xử lý có thể chạy.  CPU từ 386  Pentium III là các bộ xử lý 32-bit,   có thể chạy các hệu trong hành ấp đôi bus dữ ềệu ngoài 8088, 386SX: bus dữ liệ điều rộng g và phần m li m 32-bit.  ??? • Truyền và nạp dữ liệu bên trong CPU với kích thước đầy đủ = kích thước thanh ghi • Truyền và nạp dữ liệu với bên ngoài sẽ bị hạn chế bởi độ rộng của bus dữ liệu ngoài.  Pentium: bus dữ liệu ngoài 64-bit, thanh ghi chỉ có 32-bit, • Do có 2 pipeline 32-bit để xử lý, nên việc nạp dữ liệu rất hiệu quả.
 Bus dữ liệu  Bus dữ liệu ngoài  Tập hợp các dây để nhận gửi dữ liệu.  Độ rộng bus dữ liệu ngoài xác định kích thước một khối bộ nhớ (a bank of memory).  Kích thước bus dữ liệu: • 286, 386SX : 16-bit • 386DX, 486: 32-bit • Pentium: 64-bit  Có thể ghi/đọc bộ nhớ cùng một lúc với 16, 32 hay 64-bit  BankRAM?  Lắp đặt bộ nhớ RAM?
 CACHE ? Tốc độ xử lý của CPU phụ thuộc vào: Tốc độ truy nhập bộ nhớ chính  Bộ nhớ chính (bộ nhớ thao tác- Main memory)  Dung lượng nhớ khá hạn chế  Dùng DRAM  Tốc độ truy nhập chậm (~ 100÷10 ns)  Phải làm tươi thông tin (Refresh) ! Chỉ dùng bộ nhớ chính  hạn chế khả năng của CPU.  Tổ chức bộ nhớ PC theo kiểu hệ thống có phân cấp:  Tăng tốc độ xử lý của CPU  Đảm bảo khả năng lưu trữ lớn  Thêm vào hệ thống một bộ nhớ có tốc độ truy nhập cao, dùng SRAM  Bộ nhớ cache
CACHE • Dùng lưu trữ các lệnh và dữ liệu thường sử dụng nhiều trong quá trình thực hiện chương trình. • Cơ chế nạp lệnh, suy đoán cho phép dự đoán nhu cầu của CPU và nạp trước các dữ liệu cần thiết vào cache. • Khi CPU có yêu cầu, dữ liệu sẽ được nạp từ cache thay vì nạp từ bộ nhớ chính, tăng hiệu năng xử lý hệ thống Cache controller CPU Cache Cache Main L1 L2 memory Hình 3.2 Hệ thống bộ nhớ dùng Cache
CACHE Cache L1 (Cache Level 1)  Lưu trữ một số mã lệnh và dữ liệu của công việc hiện thời.  Dung lượng nhỏ: ban đầu là 8 KiB, sau tăng lên 16, 32 KiB...  Được thiết kế trong khuôn bộ xử lý,  Tốc độ xung nhịp bằng với tốc độ BXL  Từ kiến trúc P5 cache L1 được tách Intel 486 Cache L1 (8KB) Cache L1 (8KB) thành hai phần riêng: DCache DCache ICache ICache Pentium P5 (8KiB) (8KiB)  ICache cho mã lệnh (8KiB) (8KiB) DCache DCache ICache ICache  DCache cho dữ liệu Pentium III (16KiB) (16KiB) (16KiB) (16KiB) DCache DCache  Pentium IVchỉ còn 8 KiB DCache, Pentium IV (8/16KiB) ETC Cache (8/16KiB) ETC Cache ICache cho mã lệnh thay bằng cache Pentium D DCache DCache ETC Cache ETC Cache (16KiB) (16KiB) ETC (Execution Trace Cache).
CACHE Cache L2 (Cache Level 2) - Cache thứ cấp o Được dùng nhằm giảm bớt thời gian chờ khi lỡ cache L1 Pentium P5 128-512 KiB On board = tốc độ FSB Pentium II 512KiB Cùng CPU = 1/3–1/2 tốc độ CPU P6, Celeron 256KiB-1MiB On die = tốc độ CPU Pentium III 256KiB-1MiB On die ATC Cache Pentium IV 256KiB-1MiB On die ATC Cache Pentium D 1 or 2MiB x2 On die Cache riêng cho mỗi core Dual Core 1MiB On die Share Cache - Công nghệ Smart Core 2 Duo 2 or 4MiB On die Share Cache - Công nghệ Smart Cache L3 (Integrated Cache Level 3) o Cache L3 với 2MB được thiết dành cho một số hệ thống như: PIV Extreme Edition
Kỹ thuật xử lý lệnh kiểu đường ống (Pipeline)  Kỹ thuật cơ bản của các CPU từ 8086  Tăng tốc độ xử lý  Một lệnh được chia thành n phép xử lý nhỏ  Thực hiện lần lượt trong 1 đường ống n giai đoạn (Stage).  Quá trình xử lý lệnh đồng thời xảy ra trên mọi giai đoạn Stage1 P1 Stage2 P2 Stage N 1 0 0 1n0 1 1 0 P 0100101 1 0 1 0R1 0 1 1 01 R2 Rn Số giai đoạn đường ống gia Tăng tốc độ thực thi lệnh ? tăng Prescott 31 Pentium 4 20 Pen III 10  Lỗi tại 1 giai đoạn  toàn đường ống sẽ bị xóa, Pentium 5 quá trình xử lý phải thực hiện lại từ đầu Pentium M 14  Thiết kế dự đoán rẽ nhánh lệnh Branch Prediction
Đế cắm (Socket) và khe cắm (Slot) Đế cắm Số chân Bố trí chân Điện áp Bộ xử lý Socket 1 169 17x17 PGA 5V 486 SX, DX/DX2, DX2 OverDrive Socket 2 238 19x19 PGA 5V 486 SX, DX/DX2, Pentium OverDrive Socket 3 237 19x19 PGA 5/3.3V 486 SX, DX/DX2/ DX4, AMD 5x86 Socket 4 273 21x21 PGA 5V Pentium 60/66, OverDrive Socket 5 320 37x37 SPGA 3.3/3.5V Pentium 75-200 OverDrive Socket 6 235 19x19 PGA 3.3V 486 DX4, Pentium Overdrive Socket 7 321 37x37 SPGA VRM Pentium 75-233+, MMX, K5/K6, MI/II Socket 8 387 Dual patern SPGA Auto VRM Pentium PRO Socket 370 370 37x37 SPGA Auto VRM Celeron/ Pentium III PPGA/FC-PGA Slot A 242 Slot Auto VRM AMD Athlon PGA Socket A 462 PGA Socket Auto VRM AMD Athlon / Duron SECC Slot 1 242 Slot Auto VRM Pentium II/III, Celeron SECC Slot 2 330 Slot Auto VRM Pentium II/III Xeon Socket 423 423 SPGA Auto VRM Pentium IV Socket 478 478 SPGA Auto VRM Pentium IV LGA 775 775 SPGA Auto VRM Pentium IV
Socket & Slot ? Đế cắm dạng ZIF (Zero insertion force) Socket 1-7, kiểu PGA hoặc SPGA: tối đa 321 chân Socket 8 cho Pentium Pro dạng SPGA kép Slot1 cho PII, PIII đầu và Slot2 cho Xeon: dùng các điểm tiếp xúc SK 370 cho PIII Tualtin, Celeron và SK 423/478 cho P4 Slot 1 Socket 370 Socket 478
LGA775 (Land Grid Array 775)  LGA775 • 775 điểm tiếp xúc thay cho các chân cắm  tránh được hiện tượng cong hoặc gẫy chân CPU • Áp dụng từ dòng Prescott thứ 2 (sau Prescott đầu dùng SK478). • Thường được hỗ trợ bởi các chipset 9x • Kết cấu ổ cắm khá phức tạp, nhưng cho phép chế tạo các CPU có mật độ tiếp xúc (chân) dày đặc hơn, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nhưng chi phí thấp.
Công suất tiêu thụ và vấn đề làm mát cho bộ xử lý Công suất tiêu thụ tăng làm nhiệt lượng tỏa ra lớn khó nâng cao xung nhịp CPU Xu hướng thiết kế:  Giảm điện áp làm việc  Điện áp 5V  điện áp thấp dưới 2V  siêu thấp < 1V  Tần số hoạt động tăng  Giảm kích thước các phần tử trong  Thay đổi quy trình công nghệ: 10µm  0.13µm  kích thước nano CPU (90, 65, 45..32 nm)  Số transitor tăng: 3.1 triệu của Pentium P5  42 triệu của P4  hàng trăm triệu transitor trên các Core 2 Duo  Sử dụng công nghệ vật liệu khác  Dây dẫn nhôm  đồng, giúp điện trở giảm Các công nghệ CPU, chipset cũng nhằm vào mục tiêu giảm điện năng tiêu thụ và nhiệt lượng của CPU
Công suất tiêu thụ và vấn đề làm mát cho bộ xử lý  Tản nhiệt  Gồm một tấm kim loại chia thành các cánh, nhờ vậy tăng được diện tích toả nhiệt.  Giữa tấm kim loại và CPU thường được bôi một lớp epoxy, tăng diện tích tiếp xúc bề mặt.  FAN  Quạt gió để hút nhiệt từ các cánh tản nhiệt ra.  Các quạt thường lấy điện áp trên mainboard (hoặc từ bộ nguồn),  FAN tiêu chuẩn: công suất khoảng 1W (0.2A-5V)
2. CÁC BỘ XỬ LÝ INTEL Họ 4 bit/8 bit: 4004 | 4040 | 8008 | 8080 | 8085 Họ 16 bit: 8086 | 8088 | 80186 | 80286 Họ 32 bit: 80386 | 80486 Họ Pentium: Pentium | Pentium Pro | Pentium II | Celeron | Pentium III | Pentium III-M | Pentium 4 | Pentium 4-M | Mobile Pentium 4 | Pentium 4 EE | Celeron D | Pentium D | Pentium EE Pentium Mobile: Pentium M | Celeron M Họ Core: Core Duo | Core Solo | Core 2 Duo | Core 2 Extreme Họ Server: Xeon Non x86 compatibili: Intel iAPX 432 | Intel i860 | Intel i960  Kiến trúc IA-64: Itanium | Itanium 2
PENTIUM P5 Thế hệ thứ 5, tên mã Pentium P5: Pentium P5 | Pentium MMX |  Kiến trúc siêu hướng (super scalar)  Thực thi kỹ thuật xử lý song song mức lệnh ILP (Instuction Level Parallelism)  Super scalar với:  Hai đường ống lệnh (pipeline) nguyên, ống lệnh dấu chấm động  Thao tác các chỉ lệnh đa hướng  thực thi nhiều lệnh cùng một lúc.  Công nghệ MMX (Multimedia Extensions)  Mở rộng cho các ứng dụng multimedia, để cải tiến việc nén/giải nén video, xử lý âm thanh, hình ảnh. Cải tiến cấu trúc:  Tăng Cache L1, nâng cao hiệu năng của bộ xử lý  Bổ sung 57 lệnh cho xử lý video, âm thanh và đồ hoạ cùng P.P SIMD (Single Intenction Multiple Data)  cho phép một lệnh duy nhất xử lý trên nhiều vùng dữ liệu cùng một lúc