›
›

Giáo trình Kiến trúc máy tính

pdf 130 trang vanle 2680
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kiến trúc máy tính", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_kien_truc_may_tinh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kiến trúc máy tính

  1. Giáo trình: kiến trúc máy tính
  2. CHƯƠNG 1 KIẾN TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH § 1. Những thành phần cơ bản của máy tính Biểu diễn thông tin trong máy tính I. Hệ đếm nhị phân và phương pháp biểu diễn thông tin trong máy tính. 1. Hệ nhị phân (Binary) 1.1. Khái niệm: Hệ nhị phân hay hệ đếm cơ số 2 chỉ có hai con số 0 và 1. Đó là hệ đếm dựa theo vị trí. Giá trị của một số bất kỳ nào đó tuỳ thuộc vào vị trí của nó. Các vị trí có trọng số bằng bậc luỹ thừa của cơ số 2. Chấm cơ số được gọi là chấm nhị phân trong hệ đếm cơ số 2. Mỗi một con số nhị phân được gọi là một bit (Binary digit). Bit ngoài cùng bên trái là bit có trọng số lớn nhất (MSB, Most Significant Bit) và bit ngoài cùng bên phải là bit có trọng số nhỏ nhất (LSB, Least Significant Bit) như dưới đây: 23 22 21 20 2-1 2-2 MSB 1 0 1 0 . 1 1 LSB Chấm nhị phân Số nhị phân (1010.11)2 có thể biểu diễn thành: 3 2 1 0 -1 -2 (1010.11)2 = 1*2 + 0*2 + 1*2 + 0*2 + 1*2 + 1*2 = (10.75)10. Chú ý: dùng dấu ngoặc đơn và chỉ số dưới để ký hiệu cơ số của hệ đếm. Đối với phần lẻ của các số thập phân, số lẻ được nhân với cơ số và số nhớ được ghi lại làm một số nhị phân. Trong quá trình biến đổi, số nhớ đầu chính là bit MSB và số nhớ cuối là bit LSB. Ví dụ 2: Biến đổi số thập phân (0.625)10 thành nhị phân: 0.625*2 = 1.250. Số nhớ là 1, là bit MSB. 0.250*2 = 0.500. Số nhớ là 0 0.500*2 = 1.000. Số nhớ là 1, là bit LSB. Vậy : (0.625)10 = (0.101)2. 2. Hệ thập lục phân (Hexadecima). 2.1. Khái niệm: Các hệ máy tính hiện đại thường dùng một hệ đếm khác là hệ thập lục phân. Hệ thập lục phân là hệ đếm dựa vào vị trí với cơ số là 16. Hệ này dùng các con số từ 0 đến 9 và các ký tự từ A đến F như trong bảng sau:
  3. Bảng 1.1 Hệ thập lục phân: Thập lục phân Thập phân Nhị phân 0 0 0000 1 1 0001 2 2 0010 3 3 0011 4 4 0100 5 5 0101 6 6 0110 7 7 0111 8 8 1000 9 9 1001 A 10 1010 B 11 1011 C 12 1100 D 13 1101 E 14 1110 F 15 1111 3. Bảng mã ASCII.(American Standard Code for Information Interchange). Người ta đã xây dựng bộ mã để biểu diễn cho các ký tự cũng như các con số Và các ký hiệu đặc biệt khác. Các mã đó gọi là bộ mã ký tự và số. Bảng mã ASCII là mã 7 bit được dùng phổ biến trong các hệ máy tính hiện nay. Với mã 7 bit nên có 27 = 128 tổ hợp mã. Mỗi ký tự (chữ hoa và chữ thường) cũng như các con số thập phân từ 0 9 và các ký hiệu đặc biệt khác đều được biểu diễn bằng một mã số như bảng 2-2. Việc biến đổi thành ASCII và các mã ký tự số khác, tốt nhất là sử dụng mã tương đương trong bảng. Ví dụ: Đổi các ký tự BILL thành mã ASCII: Ký tự B I L L ASCII 1000010 1001001 1001100 1001100 HEXA 42 49 4C 4C
  4. Bảng 1.2: Mã ASCII. Column bits(B7B6B5) Bits(row) 000 001 010 011 100 101 110 111 R B4 B3 B2 B1 0 1 2 3 4 5 6 7 O W 0 0 0 0 0 NUL DLE SP 0 @ P \ p 1 0 0 0 1 SOH DC1 ! 1 A Q A q 2 0 0 1 0 STX DC2 “ 2 B R B r 3 0 0 1 1 ETX DC3 # 3 C S C s 4 0 1 0 0 EOT DC4 $ 4 D T D t 5 0 1 0 1 ENQ NAK % 5 E U E u 6 0 1 1 0 ACK SYN & 6 F V F v 7 0 1 1 1 BEL ETB ‘ 7 G W G w 8 1 0 0 0 BS CAN ( 8 H X H x 9 1 0 0 1 HT EM ) 9 I Y I y A 1 0 1 0 LF SUB * : J Z J z B 1 0 1 1 VT ESC + ; K [ K { C 1 1 0 0 FF FS - N ^ N ~ F 1 1 1 1 SI US / ? O _ O DEL Control characters: NUL = Null; DLE = Data link escape; SOH = Start Of Heading; DC1 = Device control 1; DC2 = Device control 2; DC3 = Device control 3. DC4 = Device control 4; STX = Start of text; ETX = End of text; EOT = End of transmission; ENQ = Enquiry; NAK = Negative acknowlege. ACK = Acknowlege; SYN = Synidle; BEL = Bell. ETB = End od transmission block; BS = Backspace; CAN = Cancel. HT = Horizontal tab; EM = End of medium; LF = Line feed; SUB = Substitute. VT = Vertical tab; ESC = Escape; FF = From feed; FS = File separator. SO = Shift out; RS = Record separator; SI = Shift in; US = Unit separator. 4. Biểu diễn giá trị số trong máy tính. 4.1. Biểu diễn số nguyên. a. Biểu diễn số nguyên không dấu:
  5. Tất cả các số cũng như các mã trong máy vi tính đều được biểu diễn bằng các chữ số nhị phân. Để biểu diễn các số nguyên không dấu, người ta dùng n bit. Tương ứng với độ dài của số bit được sử dụng, ta có các khoảng giá trị xác định như sau: Số bit Khoảng giá trị n bit: 0 2n - 1 8 bit 0 255 Byte 16 bit 0 65535 Word b. Biểu diễn số nguyên có dấu: Người ta sử dụng bit cao nhất biểu diễn dấu; bit dấu có giá trị 0 tương ứng với số nguyên dương, bit dấu có giá trị 1 biểu diễn số âm. Như vậy khoảng giá trị số được biểu diễn sẽ được tính như sau: Số bit Khoảng giá trị: n bit 2n-1-1 8 bit -128 127 Short integer 16 bit -32768 32767 Integer 32 bit -231 231-1 (-2147483648 2147483647) Long integer 4.2. Biểu diễn số thực(số có dấu chấm (phẩy) động). Có hai cách biểu diễn số thực trong một hệ nhị phân: số có dấu chấm cố định (fĩed point number) và số có dấu chấm động (floating point number). Cách thứ nhất được dùng trong những bộ VXL(micro processor) hay những bộ vi điều khiển (micro controller) cũ. Cách thứ 2 hay được dùng hiện nay có độ chính xác cao. Đối với cách biểu diễn số thực dấu chấm động có khả năng hiệu chỉnh theo giá trị của số thực. Cách biểu diễn chung cho mọi hệ đếm như sau: R = m.Be. Trong đó m là phần định trị, trong hệ thập phân giá trị tuyệt đối của nó phải luôn nhỏ hơn 1. Số e là phần mũ và B là cơ số của hệ đếm. Có hai chuẩn định dạng dấu chấm động quan trọng là: chuẩn MSBIN của Microsoft và chuẩn IEEE. Cả hai chuẩn này đều dùng hệ đếm nhị phân. Thường dùng là theo tiêu chuẩn biểu diễn số thực của IEEE 754- 1985(Institute of Electric & Electronic Engineers), là chuẩn được mọi hãng chấp nhận và được dùng trong bộ xử lý toán học của Intel. Bit dấu nằm tại vị trí cao nhất; kích thước phần mũ và khuôn dạng phần định trị thay đổi theo từng loại số thực. Giá trị số thực IEEE được tính như sau: S -1 -n E 7 E 0 -127 R = (-1) *(1+M1*2 + +Mn*2 )*2 .
  6. Chú ý: giá trị đầu tiên M0 luôn mặc định là 1. - Dùng 32 bit để biểu diễn số thực, được số thực ngắn: -3,4.1038 < R < 3,4.1038 31 30 23 22 0 S E7 - E0 |Định trị (M1 - M23) - Dùng 64 bit để biểu diễn số thực, được số thực dài: -1,7.10308 < R < 1,7.10308 63 62 52 51 0 S E10 - E0 Định trị (M1 - M52) Ví dụ tính số thực: 0100 0010 1000 1100 1110 1001 1111 1100 Phần định trị: 2-4+2-5+2-8+2-9+2-10+2-12+2-15+ +2-16+2-17+2-18+2-19+2-20+2-21 = 0,1008906. Giá trị ngầm định là: 1,1008906. Phần mũ: 28+22+20 =133 Giá trị thực (bit cao nhất là bit dấu): 133-128=6. Dấu: 0 = số dương Giá trị số thực là: R = 1,1008906.26 = 70,457. Phương pháp đổi số thực sang số dấu phẩy động 32 bit: - Đổi số thập phân thành số nhị phân. - Biểu diễn số nhị phân dưới dạng ±1, xxxBy (B: cơ số 2). - Bit cao nhất 31: lấy giá trị 0 với số dương, 1 với số âm. - Phần mũ y đổi sang mã excess -127 của y, được xác định bằng cách: y + (7F)16. - Phần xxx là phần định trị, được đưa vào từ bit 22 0. Ví dụ: Biểu diễn số thực (9,75)10 dưới dạng dấu phẩy động. Ta đổi sang dạng nhị phân: (9,75)10 = (1001.11)2 = 1,00111B3. Bit dấu: bit 31 = 0. Mã excess - 127 của 3 là: 7F + 3 = (82)16 = 82H = (10000010)2. Được đưa vào các bit tiếp theo: từ bit 30 đến bit 23. Bit 22 luôn mặc định là 0.
  7. Cuối cùng số thực (9,75)10 được biểu diễn dướiư dạng dấu phẩy động 32 bit như sau: 0100 0001 0001 1100 0000 0000 0000 0000 bit |31|30 23|22 0|
  8. § 2. Kiến trúc một máy tính đơn giản 2.1. Giới thiệu sơ lược cấu trúc của máy vi tính. So với từ khi ra đời, cấu trúc cơ sở của các máy vi tính ngày nay không thay đổi mấy. Mọi máy tính số đều có thể coi như được hình thành từ sáu phần chính (như hình 2-1): Hình 2-1: Giới thiệu sơ đồ khối tổng quát của máy tính số Data Bus Control Bus Thiết bị vào Bộ xử lý Bộ nhớ trong Bộ nhớ Phối ghép (Input Unit) trung tâm (Memory) ngoài vào/ra (CPU) ROM-RAM (Mass store (I/O) Unit) Thiết bị ra (Output Unit) Adrress Bus Trong sơ đồ này, các khối chức năng chính của máy tính số gồm: - Khối xử lý trung tâm (central processing unit, CPU), - Bộ nhớ trong (memory), như RAM, ROM - Bộ nhớ ngoài, như các loại ổ đĩa, băng từ - Khối phối ghép với các thiết bị ngoại vi (vào/ra) - Các bộ phận đầu vào, như bàn phím, chuột, máy quét . - Các bộ phận đầu ra, như màn hình, máy in . 2.2 Lịch sử phát triển của CPU 2.2.1.-BXL 4 bit 4004 là BXL đầu tiên được Intel đưa ra tháng 11 năm 1971, có tốc độ 740KHz, khả năng xử lý 0,06 triệu lệnh mỗi giây (milion instructions per second - MIPS); được sản xuất trên công nghệ 10 µm, có 2.300 transistor (bóng bán dẫn), bộ nhớ mở rộng đến 640 byte. 2.2.2 BXL 8bit 8008 (năm 1972) được sử dụng trong thiết bị đầu cuối Datapoint 2200 của Computer Terminal Corporation (CTC). 8008 có tốc độ 200kHz, sản xuất trên công nghệ 10 µm, với 3.500 transistor, bộ nhớ mở rộng đến
  9. 16KB. 8080 (năm 1974) sử dụng trong máy tính Altair 8800, có tốc độ gấp 10 lần 8008 (2MHz), sản xuất trên công nghệ 6 µm, khả năng xử lý 0,64 MIPS với 6.000 transistor, có 8 bit bus dữ liệu và 16 bit bus địa chỉ, bộ nhớ mở rộng tới 64KB. 8085 có tốc độ 2MHz, sản xuất trên công nghệ 3 µm, với 6.500 transistor, có 8 bit bus dữ liệu và 16 bit bus địa chỉ, bộ nhớ mở rộng 64KB. 2.2.3.-BXL 16bit 80186 (năm 1982) còn gọi là IAPX 186. Sử dụng chủ yếu trong những ứng dụng nhúng, bộ điều khiển thiết bị đầu cuối. Các phiên bản của 80186 gồm 10 và 12 MHz. 80286 (năm 1982) sử dụng công nghệ 1,5 µm, 134.000 transistor, bộ nhớ mở rộng tới 16 MB. Các phiên bản của 286 gồm 6, 8, 10, 12,5, 16, 20 và 25MHz. 2.2.4. BXL 32bit vi kiến trúc NetBurst (NetBurst micro-architecture) Intel386 gồm các họ 386DX, 386SX và 386SL. Intel386DX là BXL 32 bit đầu tiên Intel giới thiệu vào năm 1985, 386 sử dụng các thanh ghi 32 bit, có thể truyền 32 bit dữ liệu cùng lúc trên bus dữ liệu và dùng 32 bit để xác định địa chỉ. Cũng như BXL 80286, 80386 hoạt động ở 2 chế độ: real mode và protect mode. 386SL (năm1990) được thiết kế cho thiết bị di động, sử dụng công nghệ 1 µm, 855.000 transistor, bộ nhớ mở rộng 4GB; gồm các phiên bản 16, 20, 25 MHz. 486DX sử dụng công nghệ 1 µm, 1,2 triệu transistor, bộ nhớ mở rộng 4GB; gồm các phiên bản 25 MHz, 35 MHz và 50 MHz (0,8 µm). Pentium sử dụng công nghệ 0,8 µm chứa 3,1 triệu transistor, có các tốc độ 60, 66 MHz (socket 4 273 chân, PGA). Các phiên bản 75, 90, 100, 120 MHz sử dụng công nghệ 0,6 µm chứa 3,3 triệu transistor (socket 7, PGA). Phiên bản 133, 150, 166, 200 sử dụng công nghệ 0,35 µm chứa 3,3 triệu transistor (socket 7, PGA). Pentium MMX sử dụng công nghệ 0,35 µm chứa 4,5 triệu transistor, có các tốc độ 166, 200, 233 MHz (Socket 7, PGA). 2.2.5. Pentium Pro: Nối tiếp sự thành công của dòng Pentium, Pentium Pro được Intel giới thiệu vào tháng 9 năm 1995, sử dụng công nghệ 0,6 và 0,35 µm chứa 5,5 triệu transistor, socket 8 387 chân, Dual SPGA, hỗ trợ bộ nhớ RAM tối đa 4GB.
  10. 2.2.6. BXL Pentium II Đầu tiên, tên mã Klamath, sản xuất trên công nghệ 0,35 µm, có 7,5 triệu transistor, bus hệ thống 66 MHz, gồm các phiên bản 233, 266, 300MHz. Pentium II, tên mã Deschutes, sử dụng công nghệ 0,25 µm, 7,5 triệu transistor, gồm các phiên bản 333MHz (bus hệ thống 66MHz), 350, 400, 450 MHz (bus hệ thống 100MHz). Celeron (năm 1998) được “rút gọn” từ kiến trúc BXL Pentium II, dành cho dòng máy cấp thấp. 2.2.7. Pentium III (năm 1999) Bổ sung 70 lệnh mới (Streaming SIMD Extensions - SSE) giúp tăng hiệu suất hoạt động của BXL trong các tác vụ xử lý hình ảnh, audio, video và nhận dạng giọng nói. Pentium III gồm các tên mã Katmai, Coppermine và Tualatin. Coppermine sử dụng công nghệ 0,18 µm, 28,1 triệu transistor, bộ nhớ đệm L2 256 KB được tích hợp bên trong nhằm tăng tốc độ xử lý. Tualatin áp dụng công nghệ 0,13 µm có 28,1 triệu transistor, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB hoặc 512 KB tích hợp bên trong BXL, socket 370 FC-PGA (Flip-chip pin grid array), bus hệ thống 133 MHz. Có các tốc độ như 1133, 1200, 1266, 1333, 1400 MHz. Celeron Coppermine (năm 2000) được “rút gọn” từ kiến trúc BXL Pentium III Coppermine, còn gọi là Celeron II, được bổ sung 70 lệnh SSE. Sử dụng công nghệ 0,18 µm có 28,1 triệu transistor, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB tích hợp bên trong BXL, socket 370 FC-PGA, Có các tốc độ như 533, 566, 600, 633, 667, 700, 733, 766, 800 MHz (bus 66 MHz), 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300 MHz (bus 100 MHz). Tualatin Celeron (Celeron S) (năm 2000) được “rút gọn” từ kiến trúc BXL Pentium III Tualatin, áp dụng công nghệ 0,13 µm, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB tích hợp, socket 370 FC-PGA, bus hệ thống 100 MHz, gồm các tốc độ 1,0, 1,1, 1,2, 1,3 và 1,4 GHz. 2.2.8. Pentium 4 Intel Pentium 4 (P4) là BXL thế hệ thứ 7 dòng x86 phổ thông, được giới thiệu vào tháng 11 năm 2000. P4 sử dụng vi kiến trúc NetBurst có thiết kế hoàn toàn mới so với các BXL cũ (PII, PIII và Celeron sử dụng vi kiến trúc P6). Một số công nghệ nổi bật được áp dụng trong vi kiến trúc NetBurst như Hyper Pipelined Technology mở rộng số hàng lệnh xử lý, Execution Trace Cache tránh tình trạng lệnh bị chậm trễ khi chuyển từ bộ nhớ đến CPU, Rapid Execution Engine tăng tốc bộ đồng xử lý toán học, bus hệ thống (system bus) 400 MHz và 533 MHz; các công nghệ Advanced Transfer Cache, Advanced Dynamic Execution, Enhanced
  11. Floating point và Multimedia Unit, Streaming SIMD Extensions 2 (SSE2) cũng được cải tiến nhằm tạo ra những BXL tốc độ cao hơn, khả năng tính toán mạnh hơn, xử lý đa phương tiện tốt hơn. Pentium 4 đầu tiên (tên mã Willamette) xuất hiện cuối năm 2000 đặt dấu chấm hết cho "triều đại" Pentium III. Willamette sản xuất trên công nghệ 0,18 µm, có 42 triệu transistor (nhiều hơn gần 50% so với Pentium III), bus hệ thống (system bus) 400 MHz, bộ nhớ đệm tích hợp L2 256 KB, socket 423 và 478. P4 Willamette có một số tốc độ như 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2,0 GHz. P4 Northwood. Xuất hiện vào tháng 1 năm 2002, được sản xuất trên công nghệ 0,13 µm, có khoảng 55 triệu transistor, bộ nhớ đệm tích hợp L2 512 KB, socket 478. Northwood có 3 dòng gồm Northwood A (system bus 400 MHz), tốc độ 1,6, 1,8, 2,0, 2,2, 2,4, 2,5, 2,6 và 2,8 GHz. Northwood B (system bus 533 MHz), tốc độ 2,26, 2,4, 2,53, 2,66, 2,8 và 3,06 GHz (riêng 3,06 GHz có hỗ trợ công nghệ siêu phân luồng Hyper Threading - HT). Northwood C (system bus 800 MHz, tất cả hỗ trợ HT), gồm 2,4, 2,6, 2,8, 3,0, 3,2, 3,4 GHz. P4 Prescott (năm 2004). Là BXL đầu tiên Intel sản xuất theo công nghệ 90 nm, kích thước vi mạch giảm 50% so với P4 Willamette. Điều này cho phép tích hợp nhiều transistor hơn trên cùng kích thước (125 triệu transistor so với 55 triệu transistor của P4 Northwood), tốc độ chuyển đổi của transistor nhanh hơn, tăng khả năng xử lý, tính toán. Dung lượng bộ nhớ đệm tích hợp L2 của P4 Prescott gấp đôi so với P4 Northwood (1MB so với 512 KB). Ngoài tập lệnh MMX, SSE, SSE2, Prescott được bổ sung tập lệnh SSE3 giúp các ứng dụng xử lý video và game chạy nhanh hơn. Đây là giai đoạn "giao thời" giữa socket 478 - 775LGA, system bus 533 MHz - 800 MHz và mỗi sản phẩm được đặt tên riêng khiến người dùng càng bối rối khi chọn mua. Prescott A (FSB 533 MHz) có các tốc độ 2,26, 2,4, 2,66, 2,8 (socket 478), Prescott 505 (2,66 GHz), 505J (2,66 GHz), 506 (2,66 GHz), 511 (2,8 GHz), 515 (2,93 GHz), 515J (2,93 GHz), 516 (2,93 GHz), 519J (3,06 GHz), 519K (3,06 GHz) sử dụng socket 775LGA. Prescott E, F (năm 2004) có bộ nhớ đệm L2 1 MB (các phiên bản sau được mở rộng 2 MB), bus hệ thống 800 MHz. Ngoài tập lệnh MMX, SSE, SSE2, SSE3 tích hợp, Prescott E, F còn hỗ trợ công nghệ siêu phân luồng, một số phiên bản sau có hỗ trợ tính toán 64 bit. Dòng sử dụng socket 478 gồm Pentium 4 HT 2.8E (2,8 GHz), 3.0E (3,0 GHz), 3.2E (3,2 GHz), 3.4E (3,4 GHz). Dòng sử dụng socket 775LGA gồm Pentium 4 HT 3.2F, 3.4F, 3.6F, 3.8F với các tốc độ tương ứng từ 3,2 GHz đến 3,8 GHz, Pentium 4 HT 517, 520, 520J, 521, 524, 530, 530J, 531, 540, 540J, 541, 550, 550J, 551, 560, 560J, 561, 570J, 571 với các tốc độ từ 2,8 GHz đến 3,8 GHz.
  12. 2.2.9. BXL Celeron BXL Celeron được thiết kế với mục tiêu dung hòa giữa công nghệ và giá cả, đáp ứng các yêu cầu phổ thông như truy cập Internet, Email, chat, xử lý các ứng dụng văn phòng. Celeron Willamette 128 (2002), bản "rút gọn" từ P4 Willamette, sản xuất trên công nghệ 0,18 µm, bộ nhớ đệm L2 128 KB, bus hệ thống 400 MHz, socket 478. Celeron Willamette 128 hỗ trợ tập lệnh MMX, SSE, SSE2. Một số BXL thuộc dòng này như Celeron 1.7 (1,7 GHz) và Celeron 1.8 (1,8 GHz). Celeron NorthWood 128, "rút gọn" từ P4 Northwood, công nghệ 0,13 µm, bộ nhớ đệm tích hợp L2 128 KB, bus hệ thống 400 MHz, socket 478. Celeron NorthWood 128 cũng hỗ trợ các tập lệnh MMX, SSE, SSE2, gồm Celeron 1.8A, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8 tương ứng với các tốc độ từ 1,8 GHz đến 2,8 GHz. Celeron D (Presscott 256), được xây dựng từ nền tảng P4 Prescott, sản xuất trên công nghệ 90nm, bộ nhớ đệm tích hợp L2 256 KB (gấp đôi dòng Celeron NorthWood), bus hệ thống 533 MHz, socket 478 và 775LGA. Ngoài các tập lệnh MMX, SSE, SSE2, Celeron D hỗ trợ tập lệnh SSE3, một số phiên bản sau có hỗ trợ tính toán 64 bit. Celeron D gồm 310, 315, 320, 325, 325J, 326, 330, 330J, 331, 335, 335J, 336, 340, 340J, 341, 345, 345J, 346, 350, 351, 355 với các tốc độ tương ứng từ 2,13 GHz đến 3,33 GHz. 2.2.10. Pentium 4 Extreme Edition Pentium 4 Extreme Edition (P4EE) xuất hiện vào tháng 9 năm 2003, là BXL được Intel "ưu ái" dành cho game thủ và người dùng cao cấp. P4EE được xây dựng từ BXL Xeon dành cho máy chủ và trạm làm việc. Ngoài công nghệ HT "đình đám" thời bấy giờ, điểm nổi bật của P4EE là bổ sung bộ nhớ đệm L3 2 MB. Phiên bản đầu tiên của P4 EE (nhân Gallatin) sản xuất trên công nghệ 0,13 µm, bộ nhớ đệm L2 512 KB, L3 2 MB, bus hệ thống 800 MHz, sử dụng socket 478 và 775LGA, gồm P4 EE 3.2 (3,2 GHz), P4 EE 3.4 (3,4 GHz). 2.2.11.BXL 64 bit, vi kiến trúc NETBURST P4 Prescott (năm 2004) Vi kiến trúc NetBurst 64 bit (Extended Memory 64 Technology - EM64T) đầu tiên được Intel sử dụng trong BXL P4 Prescott (tên mã Prescott 2M). Prescott 2M cũng sử dụng công nghệ 90 nm, bộ nhớ đệm L2 2 MB, bus hệ thống 800 MHz, socket 775LGA. Ngoài các tập lệnh MX, SSE, SSE2, SSE3, công nghệ HT và khả năng tính toán 64 bit, Prescott 2M (trừ BXL 620) có hỗ trợ công nghệ Enhanced SpeedStep để tối ưu tốc độ làm việc nhằm tiết kiệm điện năng.
  13. Các BXL 6x2 có thêm công nghệ ảo hóa (Virtualization Technology). Prescott 2M có một số tốc độ như P4 HT 620 (2,8 GHz), 630 (3,0 GHz), 640 (3,2 GHz), 650 (3,4 GHz), 660, 662 (3,6 GHz) và 670, 672 (3,8 GHz). 2.2.12. Pentium D (năm 2005) Pentium D (tên mã Smithfield, 8xx) là BXL lõi kép (dual core) đầu tiên của Intel, được cải tiến từ P4 Prescott nên cũng gặp một số hạn chế như hiện tượng thắt cổ chai do băng thông BXL ở mức 800 MHz (400 MHz cho mỗi lõi), Cùng sử dụng vi kiến trúc NetBurst, Pentium D (mã Presler, 9xx) được Intel thiết kế mới trên công nghệ 65nm, 376 triệu transistor, bộ nhớ đệm L2 4 MB (2x2 MB), hiệu năng cao hơn, nhiều tính năng mới và ít tốn điện năng hơn Smithfield. Pentium D 915 và 920 tốc độ 2,8 GHz, 925 và 930 (3,0GHz), 935 và 940 (3,2 GHz), 945 và 950 (3,4 GHz), 960 (3,6GHz). Presler dòng 9x0 có hỗ trợ Virtualization Technology. 2.2.13. Pentium Extreme Edition (năm 2005) BXL lõi kép dành cho game thủ và người dùng cao cấp. Pentium EE sử dụng nhân Smithfield, Presler của Pentium D trong đó Smithfield sử dụng công nghệ 90nm, bộ nhớ đệm L2 được mở rộng đến 2 MB (2x1 MB), hỗ trợ tập lệnh MMX, SSE, SSE2, SSE3, công nghệ HT, Enhanced Intel SpeedStep Technology (EIST) và EM64T. Pentium 840 EE (3,20 GHz, bus hệ thống 800 MHz, socket 775LGA) là một trong những BXL thuộc dòng này. 2.2.14. BXL 64bit, kiến trúc Core Tại diễn đàn IDF đầu năm 2006, Intel đã giới thiệu kiến trúc Intel Core với năm cải tiến quan trọng là khả năng mở rộng thực thi động (Wide Dynamic Execution), tính năng quản lý điện năng thông minh (Intelligent Power Capability), chia sẻ bộ nhớ đệm linh hoạt (Advanced Smart Cache), truy xuất bộ nhớ thông minh (Smart Memory Access) và tăng tốc phương tiện số tiên tiến (Advanced Digital Media Boost). 2.2.15. Intel Core 2 Duo BXL lõi kép sản xuất trên công nghệ 65 nm, hỗ trợ SIMD instructions, công nghệ Virtualization Technology cho phép chạy cùng lúc nhiều HĐH, tăng cường bảo vệ hệ thống trước sự tấn công của virus (Execute Disable Bit), tối ưu tốc độ BXL nhằm tiết kiệm điện năng (Enhanced
  14. Intel SpeedStep Technology), quản lý máy tính từ xa (Intel Active Management Technology). Ngoài ra, còn hỗ trợ các tập lệnh MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3. Core 2 Duo (tên mã Conroe) có 291 triệu transistor, bộ nhớ đệm L2 4 MB, bus hệ thống 1066 MHz, socket 775LGA. Một số BXL thuộc dòng này: E6600 (2,4 GHz), E6700 (2,66 GHz). Core 2 Duo (tên mã Allendale) E6300 (1,86 GHz), E6400 (2,13 GHz) có 167 triệu transistor, bộ nhớ đệm L2 2MB, bus hệ thống 1066 MHz, socket 775LGA. E4300 (1,8 GHz) xuất hiện năm 2007 có bộ nhớ đệm L2 2 MB, bus 800 MHz, không hỗ trợ Virtualization Technology. 2.2.16. Core 2 Extreme BXL lõi kép dành cho game thủ sử dụng kiến trúc Core, có nhiều đặc điểm giống với BXL Core 2 như công nghệ sản xuất 65 nm, hỗ trợ các công nghệ mới Enhanced Intel SpeedStep Technology, Intel x86-64, Execute Disable Bit, Intel Active Management, Virtualization Technology, Intel Trusted Execution Technology các tập lệnh MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSSE3. 2.2.17. Core 2 Extreme Core 2 Extreme (tên mã Conroe XE) (tháng 7 năm 2006) với đại diện X6800 2,93 Ghz, bộ nhớ đệm L2 đến 4 MB, bus hệ thống 1066 MHz, socket 775LGA. Cuối năm 2006, con đường phía trước của BXL tiếp tục rộng mở khi Intel giới thiệu BXL 4 nhân (Quad Core) như Core 2 Extreme QX6700, Core 2 Quad Q6300, Q6400, Q6600 và BXL 8 nhân trong vài năm tới. Chắc chắn những BXL này sẽ thỏa mãn nhu cầu người dùng đam mê công nghệ và tốc độ. Hiện đã có loại CPU Quad-Core (4 nhân). Hãng AMD đã cho ra công nghệ gồm 2 bộ xử ly, mỗi bộ 2-4 nhân. Tuy nhiên loại CPU này vẫn chưa có mặt trên thị trường. 2.3 Chất liệu và công nghệ chế tạo CPU 2.3.1.Chất liệu Gốm và organic (hữu cơ) từ dòng Thoroughbred trở đi đều làm bằng organic. Hiện tại, công nghệ được áp dụng cho các CPU Chất liệu chủ yếu chế tạo cpu AMD là ceramic à MOS (Metal Oxide Semi-Conductor - bán dẫn ôxít kim loại), dựa vào một lớp ôxít kim loại nằm trên tấm
  15. silicon kết nối bởi các đường hợp chất dẫn điện. Người ta đã cải tiến MOS thành CMOS (Complimentary MOS - MOS bổ trợ) hoạt động ở điện thế thấp. Đây là 2 công nghệ có mặt trong hầu hết các thiết bị máy tính. Để đáp ứng nhu cầu làm cho CPU ngày càng nhanh hơn, ít tiêu hao năng lượng hơn các công nghệ 0,25 -> 0,18 -> 0,13 micron lần lượt ra đời. Nhưng chính sự thu nhỏ các cầu nối trong CPU này khiến việc áp dụng MOS và CMOS trở nên ngày càng khó khăn hơn, do các cầu nối này nằm quá sát nhau nên dễ dẫn đến hiện tượng đóng điện chéo lên các cầu bên cạnh. Một nhược điểm quan trọng khác của công nghệ MOS là phần silicon ở giữa các cầu nối (có vai trò như một tụ điện) phải nạp được điện dung tối đa để có thể đóng - và lại phải thoát hết điện dung để có thể mở. Việc này tốn thời gian xử lý, và lãng phí thời gian xử lý trên CPU. Các nhà sản xuất CPU đã cải tiến MOS hiện có như việc thay oxit nhôm bằng oxit đồng làm tăng xung nhịp lên đáng kể. Nhưng để CPU có thể đạt tới tốc độ 5-10 GHz phải có một giải pháp khắc phục triệt để hơn nữa 2 nhược điểm nêu trên. Đó chính là công nghệ SOI (Silicon On Insulator). IBM đã phát triển công nghệ này từ năm 1990 cho CPU của IBM, với mục đích giảm điện năng sử dụng, tăng xung nhịp v.v nhưng công nghệ này vẫn chưa thực sự được ứng dụng ngay cho đến cuối thế kỉ 20, khi việc tăng xung nhịp cho các dòng CPU hiện đại cần thêm các phương pháp sản xuất khác. Cải tiến SOI là điện dung của tụ silicon giữa các cầu được cực tiểu hoá làm giảm thời gian cần thiết để thoát/nạp, để mở và đóng cầu nối. Điều này giúp tăng xung nhịp lên rất nhiều. Sở dĩ SOI làm được điều đó là nhờ việc chèn vào giữa tấm silicon một lớp vật liệu cách điện và để lại một phần silicon nhỏ ở giữa các cầu nối. Lớp vật liệu cách điện này là một dạng của ôxít silicon được tạo ra bằng kĩ thuật SIMOX (Seperation by Implantation of Oxygen) - khí ôxi được ép lên bề mặt của silicon wafer ở áp suất và nhiệt độ cao, khi đó silicon phản ứng với ôxi tạo nên 1 lớp ôxít silicon bám vào silicon wafer bên dưới. SOI sẽ không thay thế hoàn toàn MOS/CMOS mà chỉ tối ưu hoá cho hai công nghệ này: - CPU dùng SOI sẽ nhanh hơn đến 30% so với CPU dùng MOS/CMOS nếu có cùng một xung đồng hồ như nhau. - Yêu cầu về điện năng thấp hơn nhiều so với MOS/CMOS (ít hơn khoảng 50%), CPU sẽ chạy mát hơn - vượt qua một trở ngại lớn của việc nâng tốc độ các bộ xử lý. - Cho phép thu nhỏ công nghệ sản xuất CPU xuống 0.09 micron hay thấp hơn cùng với SOI có nghĩa rằng các bộ vi xử lý sẽ được tăng tốc rất nhanh và tốc độ 5-10GHz sẽ sớm đạt được. Thế nhưng SOI cần có silicon đạt độ nguyên chất 100% - thứ mà công nghệ hiện nay chưa sản xuất được. Isonics là 1 công ty đang nghiên cứu sản xuất loại silicon wafer
  16. này. AMD thực sự trông đợi vào SOI để khắc phục những nhược điểm của CPU như tiêu tốn nhiều điện năng và chạy nóng hơn. bộ xử lý K8 của IBM, hay còn gọi là Hammer dùng công nghệ SOI đang được mong đợi. Nội lực công nghệ - HyperTransport, Cool'n'Quiet. AMD đặc biệt ưu ái CPU 64 bit với công nghệ 'siêu chuyển' HyperTransport và tự điều chỉnh hoạt động Cool'n'Quiet. HyperTransport giúp việc truyền thông tin giữa các chip (cầu nam, cầu bắc, BXL, bộ nhớ, ) nhanh hơn, khả năng 'nói chuyện' với một chip hoặc thiết bị khác nhanh hơn với lượng tiêu thụ lớn hơn. HyperTransport làm cho đường truyền rộng hơn, do đó tốc độ truyền nhanh và nhiều hơn. Công nghệ này có thể áp dụng cho tất cả băng thông của bo mạch chủ, từ chipset đến BXL, bộ nhớ, AGP, PCI, Cool'n'Quiet là một cải tiến khác dành cho dòng BXL 64 bit, tốc độ và điện năng tiêu thụ của BXL sẽ được điều chỉnh tự động. Nếu có ít ứng dụng được chạy (BXL xử lý ít) thì Cool'n'Quiet sẽ giảm tốc độ và điện thế BXL, ngược lại, khi cần xử lý nhiều thì BXL sẽ được tăng tốc độ và điện thế. 2.4 Nguyên tắc hoạt động của CPU CPU (Central Processing Unit) – cũng được gọi là microprocessor hay processor – là một đơn vị xử lý dữ liệu trung tâm. Cách nó xử lý dữ liệu như thế nào hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình được viết từ trước. Chương trình nói chung có thể là một bảng tính, một bộ xử lý từ hay một game nào đó. Nó chỉ tuân theo các thứ tự (được gọi là các chỉ lệnh hay các lệnh) có bên trong chương trình. Khi một chương trình nào đó được chạy thì thứ tự được thực hiện như sau: a. Chương trình đã lưu bên trong ổ đĩa cứng sẽ được đưa vào bộ nhớ RAM. Ở đây chương trình chính là một loạt các chỉ lệnh đối với CPU. b. CPU sử dụng mạch phần cứng được gọi là memory controller để tải dữ liệu chương trình từ bộ nhớ RAM. c. Lúc đó dữ liệu bên trong CPU sẽ được xử lý. d. Những gì diễn ra tiếp theo sẽ phụ thuộc vào chương trình vừa được nạp. CPU có thể tiếp tục tải và thực thi chương trình hoặc có thể thực hiện một công việc nào đó với dữ liệu đã được xử lý, như việc hiển thị kết quả thực hiện nào đó lên màn hình. Hình 2.4: Dữ liệu lưu được đưa vào CPU
  17. Sự truyền tải dữ liệu giữa ổ đĩa cứng và bộ nhớ RAM được thực hiện mà không sử dụng đến CPU, như vậy nó sẽ làm cho hệ thống hoạt động nhanh hơn. Phương pháp này được gọi là bus mastering hay DMA (Direct Memory Access). Các bộ vi xử lý của AMD dựa trên sockets 754, 939 và 940 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Athlon 64 FX, Opteron và một số mô hình Sempron) có một memory controller được nhúng bên trong. Điều đó có nghĩa rằng với các bộ vi xử lý này, CPU truy cập trực tiếp bộ nhớ RAM. 2.4.1.Clock Clock chính là một tín hiệu được sử dụng để đồng bộ hóa mọi thứ bên trong máy tính. Hãy xem trong hình 2.4.1, đây chính là một xung clock điển hình: nó là một xung hình vuông biến thiên ở mức “0” và “1” với một tốc độ được cố định. Trên hình vẽ ta có thể thấy 3 chu kỳ của xung clock này. Bắt đầu của mỗi một chu kỳ khi tín hiệu clock biến thiên từ “0” lên “1”; chúng được đánh dấu nó bằng một mũi tên. Tín hiệu clock được đo theo đơn vị có tên gọi là Hertz (Hz), đây là số chu kỳ clock trong mỗi giây đồng hồ. Một xung clock 100MHz có nghĩa là trong một giây đồng hồ có 100 triệu chu kỳ xung nhịp. Hình 2: Tín hiệu xung clock Trong máy tính, tất cả các bộ định thời đều được đo dưới dạng các chu kỳ clock. Ví dụ, một bộ nhớ RAM có độ trễ là “5” thì điều đó có nghĩa là nó sẽ giữ chậm 5 chu kỳ xung nhịp để thực hiện công việc cung cấp dữ liệu. Trong CPU, tất cả các chỉ lệnh giữ chậm một số chu kỳ xung clock nào đó để được thực thi. Ví dụ, một chỉ lệnh nào đó có thể được giữ chậm đến 7 chu kỳ xung clock để được thực thi xong. CPU biết được bao nhiêu chu kỳ xung clock mà mỗi chỉ lệnh cần, nó biết được điều này bởi CPU giữ một bảng liệt kê các thông tin này. Chính vì vậy nếu CPU có hai chỉ lệnh được thực thi và nó biết rằng chỉ lệnh đầu tiên sẽ giữ chậm 7 chu kỳ xung clock để thực thi thì nó sẽ tự động thực thi chỉ lệnh kế tiếp vào chu kỳ clock thứ 8. Rõ ràng đây là một cách lý giải chung cho CPU với một khối thực thi – các bộ vi xử lý hiện đại có một số khối thực thi làm việc song song và nó có thể thực thi chỉ lệnh thứ hai tại cùng thời điểm với chỉ lệnh đầu. Điều này được gọi là kiến trúc “superscalar”. Nếu so sánh hai CPU giống nhau, CPU nào chạy ở tốc độ clock cao hơn sẽ
  18. nhanh hơn. Trong trường hợp này, với một tốc độ clock cao hơn, thời gian giữa mỗi chu kỳ clock sẽ ngắn hơn, vì vậy những công việc sẽ được thực thi tốn ít thời gian hơn và hiệu xuất sẽ cao hơn. Tuy nhiên khi so sánh hai bộ bộ vi xử lý khác nhau thì điều này hoàn toàn không đúng. Nếu ta lấy hai bộ vi xử lý có kiến trúc khác nhau – ví dụ, khác nhau về nhà sản xuất như Intel và AMD – những thứ bên trong hai CPU này là hoàn toàn khác nhau. Như đã đề cập, mỗi chỉ lệnh cần đến một số chu kỳ clock nhất định để được thực thi. Chúng ta hãy nói rằng bộ vi xử lý “A” cần đến 7 chu kỳ clock để thực thi một chỉ lệnh nào đó và bộ vi xử lý “B” cần 5 chu kỳ clock để thực hiện một chỉ lệnh tương tự. Nếu chúng đang chạy với cùng một tốc độ clock thì bộ vi xử lý “B” sẽ nhanh hơn, vì nó có thể xử lý chỉ lệnh này tốn ít thời gian hơn. Với các CPU hiện đại, có nhiều vấn đề cần phải xem xét đến hiệu xuất này, vì các CPU có số lượng khối thực thi khác nhau, kích thước cache khác nhau, các cách truyền tải dữ liệu bên trong CPU cũng khác nhau, cách xử lý các chỉ lệnh bên trong các khối thực thi và tốc độ clock khác nhau với thế giới thực bên ngoài, Khi tín hiệu clock của bộ vi xử lý cao thì có một vấn đề mà chúng ta gặp phải. Bo mạch chủ, nơi mà bộ vi xử lý được cài đặt không thể làm việc bằng cách sử dụng cùng tín hiệu clock. Nếu xem bo mạch chủ, ta sẽ thấy một số đường và rãnh. Các đường và rãnh này là những mạch in nối một số mạch của máy tính. Vấn đề ở đây là với tốc độ clock cao, các dây mạch in này sẽ bắt đầu làm việc như anten, chính vì vậy tính hiệu, thay vì đến vị trí cần đến ở phía cuối đầu dây lại biến mất, được truyền đi như các sóng vô tuyến. 2.4.2 External Clock Vì vậy các nhà sản xuất CPU đã bắt đầu sử dụng một khái niệm mới, khái niệm được gọi là nhân xung clock, ứng dụng này bắt đầu được sử dụng trong bộ vi xử lý 486DX2. Với cơ chế này (được sử dụng trong tất cả các CPU ngày nay), CPU có một clock ngoài (external clock) được sử dụng khi truyền tải dữ liệu vào ra bộ nhớ RAM (sử dụng north bridge chip) và một clock trong cao hơn. Để đưa ra một ví dụ thực, trong số 3.4 GHz Pentium 4 thì con số “3.4 GHz” chính là clock trong của CPU, clock này đạt được bằng cách nhân 17 với clock ngoài là 200 của nó. Mô phỏng ví dụ này trong hình 2.4.2
  19. Hình 2.4.2: Clock trong và ngoài trên Pentium 4 3.4 GHz. Sự khác nhau lớn giữa clock trong và clock ngoài trên các CPU hiện đại là cách vượt qua nhược điểm từ tính như đã nói trên để tăng hiệu suất máy tính. Tiếp tục với ví dụ về Pentium 4 3.4 GHz ở trên, nó phải giảm tốc độ của nó đi 17 lần khi thực hiện đọc dữ liệu từ bộ nhớ RAM! Trong suốt quá trình này, nó làm việc như một CPU với tốc độ 200MHz. Một số kỹ thuật được sử dụng để tối thiểu hóa ảnh hưởng của sự khác nhau clock này. Một trong số chúng là sử dụng cache nhớ bên trong CPU. Phương pháp khác là truyền tải nhiều khối dữ liệu trên mỗi một chu kỳ clock. Các bộ vi xử lý của hai hãng Intel và AMD đều sử dụng tính năng này, tuy nhiên trong khi CPU của AMD truyền tải hai dữ liệu trên một chu kỳ clock thì các CPU của Intel truyền tải 4 dữ liệu trên mỗi chu kỳ. Hình 2.4.3: Truyền tải nhiều dữ liệu trên mỗi chu kỳ clock
  20. Chính vì điều đó nên các CPU của AMD được liệt vào loại có tốc độ gấp hai clock ngoài thực. Ví dụ, một CPU của AMD với external clock là 200MHz được liệt vào CPU có clock ngoài là 400MHz. Điều tương tự cũng được áp dụng đối với các CPU của Intel, với external clock là 200MHz thì CPU của nó sẽ có tốc độ clock ngoài là 800Mhz. Kỹ thuật truyền tải hai dữ liệu trên mỗi một chu kỳ clock được gọi là DDR (Dual Data Rate), còn kỹ thuật truyền tải 4 dữ liệu trên một chu kỳ clock được gọi là QDR (Quad Data Rate). 2.4.3 Sơ đồ khối của một CPU Trên hình 2.4.4 sơ đồ khối cơ bản của một CPU hiện đại. Có nhiều sự khác nhau giữa các kiến trúc của AMD và Intel. Việc hiểu được các kiến thức cơ bản này sẽ là một bước để ta có thể hiểu được cách các CPU của Intel và AMD làm việc như thế nào và sự khác nhau giữa chúng. Dòng nét chấm trên hình 2.4.4 thể hiện phần “body” của CPU, vì bộ nhớ RAM được đặt bên ngoài CPU. Đường dữ liệu giữa bộ nhớ RAM và CPU thường là 64-bit (hoặc 128-bit khi sử dụng cấu hình bộ nhớ kênh dual), đang sử dụng clock nhớ hoặc clock ngoài của CPU (clock thấp). Số lượng bit đã sử dụng và tốc độ clock có thể được kết hợp trong một khối có tên gọi là tốc độ truyền tải, tính theo MB/s. Để tính toán tốc độ truyền tải, công thức được thực hiện tính tốc độ này bằng số bit x clock/8. Với hệ thống sử dụng các bộ nhớ DDR400 trong cấu hình kênh đơn (64 bit) thì tốc độ truyền tải sẽ là 3.200MB/s, còn với hệ thống tương tự sử dụng các bộ nhớ kênh dual (128 bit) sẽ có tốc độ truyền tải bộ nhớ là 6.400 MB/s.
  21. Hình 2.4.4. Sơ đồ khối cơ bản của một CPU Tất cả các mạch bên trong phần đánh dấu chấm chạy ở tốc độ clock trong của CPU. Phụ thuộc vào CPU mà một số phần bên trong có nó có thể chạy ở tốc độ clock cao hơn. Cũng vậy, đường dữ liệu giữa các khối CPU có thể rộng hơn, nghĩa là truyền tải nhiều bit hơn trên mỗi chu kỳ clock 64 và 128. Ví dụ, đường dữ liệu giữa bộ nhớ cache L2 và cache chỉ lệnh L1 trên các bộ vi xử lý hiện đại thường là 256 bit. Số bit được truyền tải trên mỗi chu kỳ clock càng cao thì sự truyền tải sẽ được thực hiện càng nhanh (hay nói cách
  22. khác, tốc độ truyền tải sẽ cao hơn). Trên hình 2.4.4, mũi tên giữa bộ nhớ RAM và cache nhớ L2; mũi tên giữa các khối khác để diễn tả tốc độ clock khác nhau và bề rộng của đường dữ liệu đã sử dụng. 2.4.4 Memory Cache Memory Cache là một kiểu bộ nhớ hiệu suất cao, cũng được gọi là bộ nhớ tĩnh. Kiểu bộ nhớ đã sử dụng trên bộ nhớ RAM chính của máy tính được gọi là bộ nhớ động. Bộ nhớ tĩnh tiêu tốn nhiều năng lượng điện hơn, đắt hơn và có kích thước vật lý lớn hơn so với bộ nhớ động, tuy nhiên nó lại chạy nhanh hơn. Nó có thể làm việc với cùng tốc độ clock của CPU, điều mà bộ nhớ động không thể thực hiện được. Khi CPU cần nạp dữ liệu ở ngoài, nó phải làm việc ở tốc độ clock thấp hơn do vậy mà kỹ thuật cache nhớ được sử dụng ở đây để khắc phục nhược điểm này. Khi CPU nạp dữ liệu từ một vị trí nhớ nào đó thì mạch điều khiển memory cache controller nạp vào cache nhớ một khối dữ liệu bên dưới vị trí hiện hành mà CPU đã nạp. Vì các chương trình được thực hiện theo thứ tự nên vị trí nhớ tiếp theo mà CPU sẽ yêu cầu có thể là bị trí ngay dưới vị trí nhớ mà nó đã nạp. Do memory cache controller đã nạp rất nhiều dữ liệu dưới vị trí nhớ đầu tiên được đọc bởi CPU nên dữ liệu kế tiếp sẽ ở bên trong cache nhớ, chính vì vậy CPU không cần phải thực hiện thao tác lấy dữ liệu bên ngoài: nó đã được nạp vào bên trong cache nhớ nhúng trong CPU, chính vì nhúng trong CPU mà chúng có thể truy cập bằng tốc độ clock trong. Cache controller luôn luôn quan sát các vị trí nhớ đã và đang được nạp dữ liệu từ một vài vị trí nhớ sau khi vị trí nhớ vừa được đọc. Một ví dụ thực tế, nếu một CPU đã nạp dữ liệu được lưu tại địa chỉ 1.000 thì cache controller sẽ nạp dữ liệu từ “n” địa chỉ sau địa chỉ 1.000. Số “n” được gọi là trang; nếu một bộ vi xử lý này làm việc với 4KB trang (giá trị điển hình) thì nó sẽ nạp dữ liệu từ các địa chỉ 4.096 dưới vị trí nhớ hiện
  23. Hình 2.4.5: Memory cache controller làm việc như thế nào hành đang được nạp (địa chỉ 1.000 trong ví dụ). 1KB bằng 1.024 byte, do đó là 4,096 chứ không phải 4,000. Chúng tôi đã thể hiện ví dụ này trên hình 2.4.5. Memory cache càng lớn thì cơ hội cho dữ liệu yêu cầu bởi CPU ở đây càng cao, chính vì vậy CPU sẽ giảm sự truy cập trực tiếp vào bộ nhớ RAM, do đó hiệu suất hệ thống tăng (hãy nên nhớ rằng khi CPU cần truy cập trực tiếp vào bộ nhớ RAM thì nó phải thực hiện ở tốc độ clock thấp hơn nên giảm hiệu suất của toàn hệ thống). Chúng ta gọi là “hit” khi CPU nạp một dữ liệu yêu cầu từ cache và “miss” nếu dữ liệu yêu cầu không có ở đó và CPU cần phải truy cập vào bộ nhớ RAM của hệ thống. L1 và L2 tương ứng là “Level 1” và “Level 2”, được đại diện cho khoảng cách chúng cách lõi CPU (khối thực thi). Một sự ngờ vực hay có ở đây là tại sao có đến 3 bộ nhớ Cache (L1 data cache, L1 instruction cache và L2 cache). Hãy chú ý trên hình 2.4.5 và thấy được rằng L1 instruction cache làm việc như một “input cache”, trong khi đó L1 data cache làm việc như một “output cache”. L1 instruction cache – thường nhỏ hơn L2 cache – chỉ hiệu quả khi chương trình bắt đầu lặp lại một phần nhỏ của nó (loop), vì các chỉ lệnh yêu cầu sẽ gần hơn với khối tìm nạp. Trên trang chi tiết kỹ thuật của một CPU, L1 cache có thể được thể hiện bằng một hình ảnh hoàn toàn khác. Một số nhà máy sản xuất liệt kê hai L1 cache riêng biệt (đôi khi gọi cache chỉ lệnh là “I” và cache dữ liệu là “D”), một số hãng ghi số lượng của cả hai là 128 KB nhưng điều đó có nghĩa là 64 KB cho
  24. cache chỉ lệnh và 64 KB cho cache dữ liệu. Mặc dù vậy đối với các CPU Pentium 4 và Celeronn đời mới dựa trên socket 478 và 775 thì không có hiện tượng này. Các bộ vi xử lý Pentium 4 (và các bộ vi xử lý Celeron sử dụng socket 478 và 775) không có L1 instruction cache mà thay vào đó chúng có một trace execution cache, đây là cache được đặt giữa khối giải mã và khối thực thi. Chính vì vậy đây là L1 instruction cache nhưng tên đã được thay đổi và ở một vị trí cũng khác. Chúng ta đang đề cập đến điều này là vì đây là một lỗi rất thường xảy ra khi nghĩ rằng các bộ vi xử lý Pentium 4 không có L1 instruction cache. Vậy khi so sánh Pentium 4 với các CPU khác mọi người hãy nghĩ rằng L1 cache của nó nhỏ hơn nhiều. 2.4.6 Rẽ nhánh Nhưng chúng tôi đã đề cập đến một vài lần từ trước, một trong những vấn đề chính đối với các CPU là có quá nhiều ‘”miss” đối với cache, vì khối tìm nạp phải truy cập trực tiếp vào bộ nhớ RAM (chậm), nên làm chậm cả hệ thống. Thường sử dụng cache nhớ tránh được rất nhiều vấn đề này nhưng có một giải pháp điển hình có thể giải quyết vấn đề này đó là rẽ nhánh: Nếu ở giữa chương trình có một chỉ lệnh JMP (“jump” hoặc “go to”) gửi chương trình đến một vị trí nhớ khác hoàn toàn, vị trí mới này sẽ không được nạp trong L2 memory cache, mà chỉ làm cho khối tìm nạp vào vị trí đó một cách trực tiếp trong bộ nhớ RAM. Để giải quyết vấn đề này, cache controller của các CPU hiện đại phân tích khối nhớ mà nó đã nạp và bất cứ khi nào có tìm thấy một chỉ lệnh JMP thì nó sẽ nạp khối nhớ này vào vị trí đó trong L2 memory cache trước khi CPU xử lý chỉ lệnh JMP đó. Hình 2.4.6. Giải pháp nhánh không điều kiện
  25. Điều này quả mang lại sự thực thi dễ dàng hơn nhiều, vấn đề ở đây là khi chương trình có một rẽ nhánh điều kiện, nghĩa là địa chỉ mà chương trình sẽ vào phục thuộc vào một điều kiện vẫn chưa được biết. Ví dụ, nếu a = b thì vào địa chỉ 2. Minh họa ví dụ này trên hình 2.4.7. Điều này sẽ tạo ra một “miss” đối với cache, vì các giá trị của a và b hoàn toàn không được biết đến và cache controller sẽ chỉ đang xem xét các chỉ lệnh giống JMP. Giải pháp thực hiện ở đây là: cache controller nạp cả hai điều kiện vào cache nhớ. Sau khi CPU xử lý chỉ lệnh rẽ nhánh, nó sẽ đơn giản loại bỏ một trường hợp không được chọn. Việc nạp bộ nhớ cache với dữ liệu không cần thiết sẽ tốt hơn so với việc truy cập vào bộ nhớ RAM. Hình 2.4.7: Giải pháp rẽ nhánh có điều kiện 2.4.7 Việc xử lý chỉ lệnh Khối tìm nạp chịu hoàn toàn trách nhiệm về việc nạp các chỉ lệnh từ bộ nhớ. Đầu tiên, nó xem xem chỉ lệnh được yêu cầu bởi CPU có trong L1 instruction cache hay không. Nếu không có ở đây, nó sẽ vào L2 memory cache. Nếu chỉ lệnh cũng không có trong L2 memory cache thì nó sẽ phải nạp trực tiếp từ bộ nhớ RAM. Khi ta bật máy tính, tất cả các cache đều trống rỗng, tuy nhiên khi hệ thống bắt đầu nạp hệ điều hành, CPU bắt đầu xử lý các chỉ lệnh đầu tiên từ ổ cứng và cache controller bắt đầu nạp các cache và đó là những gì bắt đầu để chuẩn bị thực hiện xử lý một chỉ lệnh. Sau khi khối tìm nạp đã có được chỉ lệnh cần thiết cho CPU để được xử lý, nó gửi chỉ lệnh này đến khối giải mã. Khối giải mã sẽ chỉ ra chỉ lệnh này thực hiện những nhiệm vụ gì. Nó thực hiện điều đó bằng cách hỏi ý kiến bộ nhớ ROM
  26. tồn tại bên trong CPU, được gọi là microcode. Mỗi chỉ lệnh mà CPU hiểu đều có một microcode của nó. Microcode sẽ “ra lệnh” cho CPU thực hiện những gì. Nó giống như hướng dẫn từng bước trong các tài liệu hướng dẫn. Ví dụ, nếu chỉ lệnh đã nạp bổ sung a+b thì microcode của nó sẽ bảo với khối giải mã rằng nó cần có hai tham số a và b. Khối giải mã sau đó sẽ yêu cầu khối tìm nạp lấy dữ liệu có trong hai vị trí nhớ kế tiếp, phù hợp với các giá trị của a và b. Sau khi khối giải mã “dịch” xong chỉ lệnh và lấy được tất cả dữ liệu cần thiết để thực thi chỉ lệnh, nó sẽ gửi tất cả dữ liệu này và hướng dẫn từng bước về cách thực thi chỉ lệnh đó đến khối thực thi. Khối thực thi sẽ thực thi chỉ lệnh này. Trên các CPU hiện đại, ta sẽ thấy có nhiều khối thực thi làm việc song song. Điều này được thực hiện để tăng hiệu suất của CPU. Ví dụ, một CPU có 6 khối thực thi sẽ có thể thực thi đến 6 chỉ lệnh song song đồng thời, chính vì vậy theo lý thuyết nó hoàn toàn có thể thực hiện được một hiệu suất bằng với 6 bộ vi xử lý mà chỉ có một khối thực thi. Kiểu kiến trúc này được gọi là kiến trúc “superscalar”. Thông thường các CPU hiện đại không có nhiều khối thực thi giống nhau; chúng có các khối thực thi dành riêng cho mỗi loại chỉ lệnh. Một ví dụ dễ hiểu nhất ở đây là FPU, Float Point Unit, khối chịu trách nhiệm thực thi các chỉ lệnh toán học phức tạp. Thường giữa khối giải mã và khối thực thi có một khối (gọi là khối gửi đi hoặc lập biểu) chịu trách nhiệm về việc gửi chỉ lệnh đến đúng khối thực thi, có nghĩa là nếu là một chỉ lệnh toán học thì nó sẽ gửi chỉ lệnh đó đến FPU chứ không gửi đến khối thực thi chung. Cũng vì vậy các khối thực thi chung được gọi là ALU (Arithmetic and Logic Unit). Cuối cùng, khi việc xử lý được thực hiện, các kết quả sẽ được gửi đến L1 data cache. Tiếp tục ví dụ a+b của chúng ta, kết quả sẽ được gửi ra L1 data cache. Kết quả này có thế sau đó được gửi lại đến bộ nhớ RAM hoặc đến một địa điểm khác như video card chẳng hạn. Tuy nhiên điều này sẽ phụ thuộc vào chỉ lệnh kế tiếp sẽ được xử lý tiếp theo (chỉ lệnh kế tiếp có thể là in kết quả ra màn hình). Một tính năng thú vị khác mà tất cả các bộ vi xử lý đều có đó là “pipeline” – trong thiết kế máy tính đây là một tuyến lắp ráp thuộc phần cứng làm tăng tốc độ xử lý các lệnh thông qua quá trình thực hiện, truy tìm và ghi trở lại. Thiết kế này có khả năng có một số chỉ lệnh khác ở một số tầng khác của CPU ở cùng thời điểm. Sau khi khối tìm nạp đã gửi chỉ lệnh đến khối giải mã, nó sẽ không làm gì (nhàn rỗi)? Vậy về việc thay thế không làm gì bằng cách cho khối này lấy chỉ lệnh kế tiếp thì sao? Khi chỉ lệnh đầu tiên vào tới khối thực thi, khối chỉ lệnh có thể gửi chỉ lệnh thứ hai đến khối giải mã và lấy chỉ lệnh thứ ba, và quá trình cứ tiếp tục như vậy. Trong CPU hiện đại có pipeline 11 tầng (mỗi tầng là một khối của CPU), nó sẽ có thể có đến 11 chỉ lệnh bên trong tại cùng một thời điểm. Trong thực tế, khi tất cả các CPU hiệu đại đều có kiến trúc “superscalar“ thì số chỉ lệnh đồng thời bên trong CPU sẽ cao hơn. Cũng vậy, với CPU pipeline có 11 tầng, một chỉ lệnh được
  27. thực thi hoàn toàn sẽ phải chuyển qua 11 khối. Nếu càng có nhiều số tầng hay khối như vậy thì lượng thời gian mà mỗi chỉ lệnh giữ chậm để được thực thi sẽ nhiều hơn. Hay nói cách khác, hãy nhớ rằng một số chỉ lệnh có thể chạy bên trong CPU cùng một thời điểm. Chỉ lệnh đầu tiên đã nạp bởi CPU có thể giữ chậm 11 bước để được xử lý xong, nhưng khi nó đi ra thì chỉ lệnh thứ hai sẽ cũng được xử lý ngay sau đó (chỉ mất một số bước giữ chậm chứ không phải là toàn bộ 11 tầng). Có một số mẹo khác được sử dụng bởi các CPU hiện đại nhằm tăng hiệu suất hệ thống. Chúng sẽ xét hai trong số chúng, đó là thực thi không tuân theo thứ tự (OOO) và thực thi có suy đoán a. Thực thi không tuân theo thứ tự (OOO) Hãy nhớ rằng chúng tôi đã nói rằng các CPU hiện đại có một số khối thực thi làm việc song song và có một số kiểu khác đối với các khối thực thi, như ALU - khối thực thi chung, và FPU – khối thực thi toán học. Hãy lấy một ví dụ chung để hiểu rõ vấn đề này, chúng ta hãy cho CPU ví dụ có 6 cỗ máy thực thi, 4 chỉ lệnh chung (generic instruction) cho ALU và 2 chỉ lệnh toán học (math instruction) cho FPU. Chúng ta cũng cho rằng chương trình có thứ tự chỉ lệnh dưới đây. 1. chỉ lệnh chung (ALU) 2. chỉ lệnh chung 3. chỉ lệnh chung 4. chỉ lệnh chung 5. chỉ lệnh chung 6. chỉ lệnh chung 7. chỉ lệnh toán học (FPU) 8. chỉ lệnh chung 9. chỉ lệnh chung 10. chỉ lệnh toán học Điều gì sẽ xảy ra? Khối gửi đi/lập lịch sẽ gửi 4 chỉ lệnh đầu tiên đến các khối ALU nhưng sau đó chỉ lệnh thứ 5 CPU sẽ cần phải đợi cho một chỉ lệnh của ALU của chúng được giải phóng để tiếp tục xử lý, vì lúc này tất cả
  28. 4 khối thực thi chung đều bận cả. Điều này không tốt bởi vì chúng ta vẫn có 2 chỉ khối toán học (FPU) chưa dùng đến, rõ ràng chúng đang trong chế độ nhàn rỗi. Chính vì vậy, một thực thi không tuân theo thứ tự (OOO) (tất cả các CPU hiện đại đều có tính năng này) sẽ xem chỉ lệnh kế tiếp xem nó có thể được gửi đến một trong hai khối thực thi đang nhàn rỗi kia không. Trong ví dụ của chúng ta, nó không thể, vì chỉ lệnh thứ 6 cũng cần đến một khối thực thi chung (ALU) để xử lý. Cỗ máy thực thi không tuân theo thứ tự vẫn tiếp tục công việc tìm kiếm của nó và tìm ra rằng chỉ lệnh thứ 7 là một chỉ lệnh toán học và có thể được thực thi tại khối thực thi toán học đang nhàn rỗi. Do các khối thực thi toán học khác vẫn đang nhàn rỗi nên nó sẽ vào chương trình để tìm kiếm chỉ lệnh toán học khác. Trong ví dụ của chúng ta, nó sẽ nhảy qua chỉ lệnh thứ 8 và 9 và nạp chỉ lệnh thứ 10. Trong ví dụ của chúng ta, các khối thực thi sẽ luôn xử lý tại cùng một thời điểm, các chỉ lệnh được thực thi lúc này là chỉ lệnh thứ 1, 2, 3, 4, 7 và 10. Tên OOO đến từ thực tế rằng CPU không cần phải đợi mà nó có thể kéo một chỉ lệnh ở cuối chương trình và xử lý nó trước các chỉ lệnh ở trên. Rõ ràng cỗ máy thực thi không tuân theo thứ tự OOO không thể mãi tìm kiếm một chỉ lệnh nếu không có chỉ lệnh nào cần (ví dụ như trong ví dụ trên là không có chỉ lệnh toán học chẳng hạn). Cỗ máy này của tất cả các CPU có một giới hạn nhất định về số lượng chỉ lệnh mà có có thể tìm (thường là 512). b. Thực thi có suy đoán Hãy cho rằng một trong những chỉ lệnh chung là một chỉ lệnh rẽ nhánh có điều kiện. Vậy cỗ máy thực thi OOO sẽ thực hiện những gì? Nếu CPU bổ sung một tính năng gọi là thực thi có suy đoán (tất cả các CPU hiện đại đều có), nó sẽ thực thi cả hai nhánh. Xem xét ví dụ bên dưới. 1. chỉ lệnh chung 2. chỉ lệnh chung 3. nếu a=<b tới chỉ lệnh 15 4. chỉ lệnh chung 5. chỉ lệnh chung 6. chỉ lệnh chung 7. chỉ lệnh toán học 8. chỉ lệnh chung 9. chỉ lệnh chung 10. chỉ lệnh toán học 15. chỉ lệnh toán học 16. chỉ lệnh chung
  29. Khi cỗ máy thực thi không theo thứ tự phân tích chương trình này, nó sẽ kéo chỉ lệnh 15 vào FPU, lúc này FPU đang nhàn rỗi. Chính vì vậy tại thời điểm này, chúng ta có cả hai nhánh cùng được xử lý đồng thời. Nếu khi CPU kết thúc việc xử lý chỉ lệnh thứ ba biết được a>b thì CPU sẽ loại bỏ việc xử lý của chỉ lệnh 15. Ta có thể nghĩ điều này gây tốn thời gian nhưng trong thực tế nó hoàn toàn không tốn thời gian. Nó hoàn toàn không đáng bao nhiêu để CPU thực thi chỉ lệnh riêng đó, vì FPU kiểu gì cũng nhàn rỗi. Mặt khác nếu a=<b thì CPU sẽ có được mức lợi về hiệu suất ở đây, vì khi chỉ lệnh thứ ba yêu cầu chỉ lệnh 15, đây là chỉ lệnh đã được xử lý rồi, tiếp theo đó là chỉ lệnh 16, và các chỉ lệnh sau đó. Chỉ lệnh 16 cũng đã được xử lý bởi cỗ máy thực thi không theo thứ tự. 2.5.CÔNG NGHÊ SOI 2.5.1 Các công nghệ chế tạo vi mạch hiện tại Vật liệu bán dẫn là một loại vật liệu không dẫn điện ở điều kiện thường nhưng dẫn điện ở một điều kiện đặc biệt nào đó. Công nghệ hiện tại dựa vào một lớp ôxít kim loại nằm trên phiến silíc kết nối bởi các đường hợp chất dẫn điện. Lớp kim loại ôxít đóng vai trò như một transistor, khi được nối với nguồn có điện thế cao, lớp ôxít này làm cho phần silíc bên dưới trở nên dẫn điện và cho dòng điện được truyền từ cầu nối này qua cầu nối kia, tạo thành các vi mạch điện tử thuộc loại “bật/tắt” hay “1/0” - nguồn gốc của công nghệ máy vi tính hiện đại (Hình 2.5.1). Hình 2.5.1. Nguyên lý làm việc của vi mạch điện tử Khi làm việc, dòng điện sẽ chạy từ cầu nối có điện thế cao sang cầu nối có điện thế thấp mỗi khi phiến silíc dẫn điện. Người ta điều khiển việc này bằng cách cho dòng điện đi qua lớp ôxít bên trên khi nào cần dẫn điện và ngắt khi không cần. Công nghệ này được gọi là công nghệ MOS
  30. (Metal Oxide Semi-Conductor - bán dẫn ôxít kim loại). Một công nghệ khác nữa là CMOS (Complimentary MOS - MOS bổ trợ), CMOS chỉ yêu cầu điện thế thấp chạy qua lớp ôxít kim loại, ngược với MOS. Hầu hết các thiết bị bán dẫn, đặc biệt là máy tính, đều dùng một hoặc cả hai công nghệ này. Các cầu nối trên càng ngày càng nhỏ đi cùng với sự thu nhỏ của liên kết CPU qua các công nghệ 0,25 → 0,18 → 0,13μm Công nghệ nói trên càng ngày càng khó áp dụng mà không xảy ra hiện tượng đóng điện chéo qua các cầu khác không liên quan nằm bên cạnh do chúng nằm quá sát nhau. Do vậy, công nghệ này cần phải được thay đổi nếu muốn có được những bước tiến mới trong sản xuất các linh kiện bán dẫn nói chung, và sản xuất CPU nói riêng. Các cải tiến khác cho công nghệ MOS/CMOS có sẵn cũng mang đến một sự tiến bộ nào đó, bằng chứng là cả AMD và Intel đều đã sản xuất sản phẩm của mình bằng công nghệ 0,13μm. 2.5.2 Công nghệ SOI Trong công nghệ SOI, một lớp vật liệu cách điện được chèn vào giữa phiến silíc, để lại một phần silíc nhỏ ở giữa các cầu nối (Hình 2.5.2). Lợi thế của SOI là với sự chèn thêm lớp cách điện này, điện dung của tụ silíc giữa các cầu được cực tiểu hoá, do đó giảm thời gian cần thiết để thoát/nạp, để mở và đóng cầu nối. Điều này giúp tăng số công việc xử lý được trong một đơn vị thời gian. Hình 2.5.2. Công nghệ SOI Hình 2.5.3 là một ví dụ so sánh giữa một mạch điện MOS và một mạch điện SOI. Điểm bất lợi của vi xử lý dùng công nghệ MOS là phần silíc ở giữa các cầu nối (có vai trò như một tụ điện) phải nạp được điện dung tối đa để có thể đóng - và lại phải thoát hết điện dung khi mở. Việc này tốn thời gian xử lý, lãng phí thời gian xử lý trên CPU và là điều mà cả các nhà sản xuất lẫn chúng ta đều không mong muốn. Còn đối với công nghệ SOI thì phần silíc giữa các cầu nhỏ, thời gian tích điện nhỏ, tốc độ nhanh. Lớp cách điện được dùng trong công nghệ SOI phổ biến là một dạng của
  31. ôxít silíc hay thậm chí thuỷ tinh, nhưng có cấu trúc khác với cấu trúc pha lê dẫn điện của phiến silíc. Hình 2.5.3. So sánh công nghệ MOS và SOI Về mặt hoá học, rất khó có thể ghép được 2 lớp silíc có cấu trúc pha lê và không phải pha lê với nhau. Hãng IBM đã sử dụng một kĩ thuật có tên là SIMOX (Seperation by Implantation of Oxygen - ngăn cách bởi phương pháp cấy khí ôxi) để tạo một lớp ngăn cách bằng ôxít silíc (SiO2) trên phiến silíc. Khí ôxi được ép lên bề mặt của bề mặt phiến silíc ở áp suất và nhiệt độ cao, khi đó silíc phản ứng với ôxi tạo nên một lớp ôxít silíc bám vào phiến silíc bên dưới. Tức là họ không tìm cách hàn gắn hai phần silíc và ôxít silíc vào nhau mà tạo một lớp ôxít silíc ngay trên phần silíc có sẵn (Hình 2.5.4). Hình 2.5.4. Phương pháp SIMOX a. Ưu điểm của SOI SOI có nhiều ưu điểm. Thứ nhất, việc giảm thời gian đóng mở các cầu nối có nghĩa rằng các bộ vi xử lý dùng công nghệ này sẽ nhanh hơn đến
  32. 30% so với các bộ vi xử lý dùng công MOS/CMOS nếu có cùng một xung đồng hồ như nhau. Một ưu điểm nữa của SOI là các vi xử lý dùng công nghệ này sẽ yêu cầu công suất thấp hơn nhiều so với MOS/CMOS. Một xu hướng vài năm gần đây là khi mọi người sử dụng nhiều công nghệ tiên tiến hơn thì công suất của các bộ vi xử lý càng tăng theo. Ví dụ, vi xử lý 486 yêu cầu công suất khoảng 5W, trong khi đó một vi xử lý Pentium tiêu tốn khoảng 10W và một vi xử lý Pentium II 400MHz có công suất tiêu thụ khoảng 28W. Công suất tăng có nghĩa là hạn chế những ứng dụng của các bộ vi xử lý, đặc biệt là trong các ứng dụng di động. Khả năng của công nghệ SOI là yêu cầu một nguồn công suất thấp xuất phát từ thực tế mạch điện SOI có thể hoạt động tại điện thế thấp với cùng hiệu suất như công nghệ CMOS tại điện thế cao. Do đó, SOI sẽ có một tác động rất lớn vào các ứng dụng yêu cầu công suất thấp chẳng hạn như các ứng dụng vô tuyến và xách tay. Bên cạnh đó, SOI cho phép thu nhỏ vi mạch lại đáng kể. Việc thu nhỏ tiến trình sản xuất xuống 90nm (0,09μm) hay thấp hơn cùng với SOI có nghĩa rằng các bộ vi xử lý sẽ được tăng tốc rất nhanh và tốc độ 5-10GHz sẽ sớm đạt được. b. Tương lai của công nghệ SOI Tuy SOI có rất nhiều ưu điểm so với MOS/CMOS nhưng nó sẽ không thay thế hoàn toàn MOS/CMOS mà chỉ tối ưu hoá cho hai công nghệ này. SOI sẽ được kết hợp với các công nghệ khác để tạo ra các loại vi xử lý mới. AMD, Intel và IBM đang nghiên cứu công nghệ 90nm, bước tiếp theo trong quá trình phát triển công nghệ chế tạo vi mạch. Intel hi vọng sẽ đưa ra bộ vi xử lý Pentium 4 dựa trên công nghệ này vào nửa cuối năm 2003, trong khi đó các sản phẩm của AMD sẽ được đưa vào sản xuất trong quí 4 năm 2003 và đưa ra thị trường vào quí 1 năm 2004. Và vừa qua, IBM và AMD đã ký một thoả thuận cùng nghiên cứu và phát triển các loại vi xử lý mới dựa trên công nghệ 65nm và 45nm. Đây thực sự là một bước tiến to lớn trong công nghệ chế tạo vi mạch và thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi vi mạch vào tất cả các lĩnh vực như công nghệ thông tin, viễn thông và tự động hoá. 2.6 kiến trúc Pentium M khi tất cả các CPU mới của Intel sử dụng kiến trúc Pentium M, việc nghiên cứu kiến trúc này là một việc quan trọng để từ đó ta có thể hiểu sâu được kiến trúc của các CPU Core Solo hay Core Duo (Yonah) và cũng hiểu được
  33. lớp nền tảng cho việc tiến tới kiến trúc lõi siêu nhỏ (Core microarchitecture), được sử dụng bởi các CPU Merom, Conroe và Woodcrest. Pentium M được xây dựng dựa trên kiến trúc thế hệ thứ 6 của Intel, cùng được sử dụng trong các CPU Pentium Pro, Pentium II và Pentium III, tuy nhiên lại không trên Pentium 4 như nhiều ta nghĩ, mục đích của nó nhằm vào các máy tính di động. Ta có thể nghĩ Pentium M như một Pentium III được nâng cao. Nhưng cần chú ý để không nhầm lẫn Pentium M với Pentium III. Đôi khi Pentium M còn được gọi là Centrino. Quả thực nó có thể được gọi như vậy khi ta có một laptop CPU Pentium M, chipset Intel 855 hay 915 và Intel/PRO wireless LAN. Chính vì vậy nếu ta có một laptop được xây dựng trên Pentium M mà không có những điều kiện bổ sung như trên thì không thể được coi là Centrino. Cơ bản về cách kiến trúc P6 làm việc như thế nào và những điểm gì mới khi so sánh Pentium M với Pentium III. Cũng vì vậy mà trong này ta sẽ biết thêm được về cách làm việc của các CPU Pentium Pro, Pentium II, Pentium III và Celeron (chúng cũng chính là các mô hình dựa trên P6, nghĩa là slot 1 và socket 370). Trước khi tiếp tục, chúng ta hãy xem xét đến sự khác nhau giữa các CPU Pentium M và Pentium III: Nhìn bên ngoài, Pentium M làm việc giống như Pentium 4, truyền tải 4 dữ liệu trên một chu kỳ clock. Kỹ thuật này được gọi là QDR (Quad Data Rate – Gấp bốn lần tốc độ dữ liệu) và làm cho bus nội bộ có hiệu suất tăng gấp 4 lần với tốc độ clock thực của nó, ta có thể xem bảng dưới đây. Clock thực Hiệu suất Tốc độ truyền 100 MHz 400 MHz 3.2 GB/s 133 MHz 533 MHz 4.2 GB/s • L1 memory cache: Hai L1 memory cache 32 KB, một cho dữ liệu và một cho chỉ lệnh (Pentium III có hai L1 memory cache16 KB). • L2 memory cache: 1 MB trên các mô hình 130 nm (lõi “Banias”) hay 2 MB trên các mô hình 90 nm (lõi “Dothan”). Pentium II chỉ có đến 512 KB. Celeron M, phiên bản rẻ tiền nhất của Pentium M cũng có 512 KB L2 memory cache. Hỗ trợ cho các chỉ lệnh SSE2. • Dự báo nhánh cao cấp: Dự báo nhánh đã được thiết kế lại (và được dựa trên mạch của Pentium 4) để cải thiện hiệu suất. • Sự hợp nhất nhiều hoạt động nhỏ: Bộ giải mã chỉ lệnh hợp nhất được hai hành động nhỏ thành một để có thể tiết kiệm được năng lượng và
  34. cải thiện hiệu suất. Chúng ta sẽ nói kỹ hơn về vấn đề này ở phần dưới. • Công nghệ SpeedStep nâng cao, đây là công nghệ cho phép các CPU có thể giảm được clock trong chế độ nhàn rỗi để tiết kiệm thời gian sống của pin. Một số tính năng nhằm tiết kiệm cho pin cũng đã được bổ sung vào kiến trúc siêu nhỏ của Pentium M, vì mục đích của các CPU này ban đầu được thiết kế cho máy tính di động. Bây giờ chúng ta hãy đi xem xét sâu hơn về kiến trúc của Pentium M. 2.6.1 Nguyên lý của Pentium M Nguyên lý là một danh sách tất cả các tầng mà chỉ lệnh đã cho phải được thực thi theo đúng thuật toán. Intel đã không tiết lộ các nguyên lý của Pentium M, chính vì vậy chúng ta sẽ nói về nguyên lý của Pentium III. Nguyên lý của Pentium M có thể sẽ có nhiều tầng hơn so với Pentium III nhưng việc phân tích nó sẽ cho chúng ta có được ý tưởng về kiến trúc của Pentium M làm việc như thế nào. Hãy nhớ rằng, nguyên lý làm việc của Pentium 4 có đến 20 tầng và nguyên lý làm việc của các CPU Pentium 4 mới hơn được dựa trên lõi “Prescott” có đến 31 tầng. Trên hình 2.6.1 ta có thể thấy được nguyên lý 11 tầng của Pentium III
  35. Hình 2.6.1: Nguyên lý của Pentium III Dưới đây là giải thích một cách cơ bản về mỗi tầng, giải thích sẽ làm sáng tỏ cách mỗi chỉ lệnh được gán được thực hiện như thế nào bởi các bộ vi xử lý lớp P6. Đây chỉ là tóm tắt và những giải thích cụ thể dễ hiểu IFU1: Nạp một dòng (32 byte tương đương với 256 bit) từ chỉ lệnh L1 cache và lưu nó vào trong bộ đệm luồng chỉ lệnh (Instruction Streaming Buffer). * IFU2: Nhận dạng các chỉ lệnh đường biên (16byte tương đương với 128bit). Vì các chỉ lệnh x86 không có một chiều dài cố định nên tầng này đánh dấu vị trí mà mỗi chỉ lệnh bắt đầu và kết thúc bên trong 16byte đã được nạp. Nếu có bất kỳ nhánh nào bên trong 16byte thì địa chỉ có nó sẽ được lưu tại Branch Target Buffer (BTB), chính vì vậy CPU có thể sử dụng những thông tin này sau trên mạnh tiên đoán nhánh của nó. * IFU3: Đánh dấu đơn vị giải mã chỉ lệnh của mỗi chỉ lệnh phải được gửi. Có ba khối giải mã chỉ lệnh khác nhau mà chúng ta sẽ đề cập đến chúng trong phần dưới. * DEC1: Giải mã chỉ lệnh x86 thành những chỉ lệnh nhỏ RISC (các hoạt động nhỏ). Vì CPU có đến 3 bộ giải mã chỉ lệnh nên nó có thể giải mã được đến 3 chỉ lệnh cùng lúc. * DEC2: Gửi các chỉ lệnh nhỏ vừa được giải mã vào hàng đợi chỉ lệnh đã giải mã (Decoded Instruction Queue), hàng đợi này có khả năng lưu trữ
  36. được đến 6 chỉ lệnh nhỏ. Nếu chỉ lệnh đã được chuyển đổi nhiều hơn 6 chỉ lệnh nhỏ thì tầng này cần phải được lặp lại để không bỏ sót chúng. * RAT: Vì kiến trúc P6 thực hiện việc thi hành out-of-order (không tuân theo thứ tự, viết tắt là OOO), nên giá trị của thanh ghi đã cho có thể được thay đổi bởi một chỉ lệnh được thực thi trước vị trí chương trình diễn ra, sửa dữ liệu cần thiết cho chỉ lệnh khác. Chính vì vậy để giải quyết được kiểu xung đột này, tại tầng này, thanh ghi gốc được sử dụng bởi chỉ lệnh sẽ được thay đổi thành 40 thanh ghi bên trong mà kiến trúc siêu nhỏ mà P6 có. * ROB: Tại tầng này, ba chỉ lệnh nhỏ được giải mã sẽ nạp vào Reorder Buffer (ROB). Nếu tất cả dữ liệu đều cần thiết cho việc thực thi của một chỉ lệnh nhỏ đã được cung cấp và nếu có một khe mở tại hàng đợi chỉ lệnh đã giải mã Reservation Station thì chỉ lệnh này sẽ được chuyển vào hàng đợi này. * DIS: Nếu chỉ lệnh đã giải mã này lại không được gửi đến hàng đợi trên thì nó có thể được thực hiện tại tầng này. Chỉ lệnh giải mã sẽ được gửi đến khối thực thi thích hợp. * EX: Chỉ lệnh được giải mã sẽ được thực thi tại khối thực thi này. Mỗi một chỉ lệnh đã giải mã này chỉ cần một chu kỳ xung nhịp để được thực thi. * RET1: Kiểm tra tại bộ đệm Reorder Buffer xem có bất kỳ chỉ lệnh đã giải mã nào được đánh dấu như “đã thực thi” không. * RET2: Khi tất cả các chỉ lệnh đã giải mã có liên quan đến chỉ lệnh x86 thực sự đã được xóa hết khỏi bộ đệm Reorder Buffer và tất cả các chỉ lệnh nhỏ (đã được giải mã) có liên quan với chỉ lệnh x86 hiện hành đã được thực thi, thì các chỉ lệnh này sẽ được xóa khỏi bộ đệm Reorder Buffer và các thanh ghi x86 sẽ được nâng cấp (tiến trình được quay trở về tầng RAT). Tiến trình trở lại làm việc phải được thực hiện theo thứ tự. Ba chỉ lệnh đã giải mã có thể được xóa khỏi bộ đệm Reorder Buffer trong mỗi một chu kỳ clock. 2.6.2. Memory Cache và Khối tìm nạp Nhưng chúng tôi đã đề cập từ trước, L2 memory cache của Pentium M có thể là 1 MB trên các mô hình 130 nm (lõi “Banias”) hay 2 MB trên các mô hình 90 nm (lõi “Dothan”). Trong khi đó nó có hai memory cache L1, một cái là 32KB cho chỉ lệnh và cái kia là 32KB cho dữ liệu. Như đã giải thích ở phần trước, khối tìm nạp được chia thành 3 tầng. Trong hình 2.6.3, ta có thể xem được cách khối tìm nạp làm việc như thế nào. Khối tìm nạp nạp dòng thứ nhất (32 bytes = 256 bits) vào bộ đệm luồng chỉ lệnh của nó (Instruction Streaming Buffer). Sau đó bộ giải mã chiều dài chỉ lệnh sẽ nhận ra các ranh giới chỉ lệnh bên trong mỗi 16byte. Vì chỉ lệnh x86 không có chiều dài cố định nên tầng này sẽ đánh dấu vị trí mỗi chỉ lệnh bắt đầu và kết thúc bên trong 128bit đã được nạp. Nếu có một chỉ lệnh nhánh
  37. nào đó bên trong 128 bit đó thì địa chỉ sẽ được lưu vào Branch Target Buffer (BTB), chính vì vậy CPU của ta có thể sử dụng các thông tin này sau trên mạnh dự báo nhánh của nó. BTB có 512 đầu vào. Sau khi tầng Decoder Alignment Stage đánh dấu khối giải mã chỉ lệnh nào thì mỗi chỉ lệnh sẽ được gửi đi. Có 3 khối giải mã chỉ lệnh khác nhau sẽ giới thiệu ở phần dưới đây. Hình 2.6.3: Khối tìm nạp 2.6.4 Giải mã chỉ lệnh và thay đổi tên cho thanh ghi Vì kiến trúc P6 sử dụng cho các bộ vi xử lý Pentium Pro kiến trúc CISC/RISC lai nên bộ vi xử lý phải chấp nhận các chỉ lệnh CISC và cũng được biết đến với tư cách là các chỉ lệnh x86, điều này là do tất cả các phần mềm cung cấp ngày nay đều được viết bằng kiểu chỉ lệnh này. CPU chỉ sử dụng RISC không phải là tạo ra cho máy tính, vì nó không chạy phần mềm hiện nay như Windows và Office. Vì vậy, giải pháp được sử dụng bởi tất cả các bộ vi xử lý hiện đang cung cấp
  38. trên thị trường ngay nay từ cả Intel và AMD là đều sử dụng giải mã CISC/RISC. Bên trong, CPU xử lý các chỉ lệnh RISC nhưng front-end của nó lại chỉ chấp nhận các chỉ lệnh CISC x86. Các chỉ lệnh CISC x86 được đề cập đến như chỉ lệnh thông thường còn các chỉ lệnh RISC bên trong được đề cập đến như các chỉ lệnh đã được giải mã. Mặc dù vậy, các chỉ lệnh đã được giải mã RISC không thể được truy cập một cách trực tiếp, do đó chúng ta không thể tạo phần mềm dựa trên các chỉ lệnh này để vòng tránh qua bộ giải mã. Cũng vậy, mỗi CPU sử dụng các chỉ lệnh RISC của riêng nó, các chỉ lệnh này không được công bố và không tương thích với chỉ lệnh đã giải mã từ các CPU khác. Điều đó có nghĩa là các chỉ lệnh đã giải mã của Pentium M khác hoàn toàn với chỉ lệnh đã giải mã của Pentium 4, sự khác biệt này chính là từ các chỉ lệnh giải mã Athlon 64. Phụ thuộc vào độ phức tạp của chỉ lệnh x86 mà nó phải được chuyển thành các chỉ lệnh giải mã RISC. Bộ giải mã chỉ lệnh Pentium M làm việc giống như trên hình 2.6.3. Như những gì ta có thể quan sát thấy, có ba bộ giải mã và một bộ xếp dãy chỉ lệnh đã giải mã (MIS). Hai bộ giải mã được tối ưu hóa cho các chỉ lệnh đơn giản, trong đó các chỉ lệnh đơn giản là chỉ lệnh thường chỉ là một chỉ lệnh giải mã. Kiểu chỉ lệnh này được chuyển đổi như một chỉ lệnh giải mã. Một bộ giải mã được tối ưu hóa cho các chỉ lệnh x86 phức tạp, chỉ lệnh này có thể được chuyển đổi thành 4 chỉ lệnh đã giải mã. Nếu chỉ lệnh x86 quá phức tạp, có nghĩa là nó chuyển đổi tới hơn bốn chỉ lệnh giải mã thì nó sẽ được gửi đến MIS là bộ nhớ ROM, gồm có một danh sách các chỉ lệnh có thể được dùng để thay thế cho x86 trên. Hình 2.6.3: Bộ giải mã và đổi tên thanh ghi Bộ giải mã chỉ lệnh có thể chuyển đổi lên đến 3 chỉ lệnh x86 trên mỗi một chu kỳ clock, một bộ giải mã phức tạp Decoder 0 và hai bộ giải mã đơn giản
  39. 1 và 2, điều này làm cho chúng ta có cảm giác hàng đợi chỉ lệnh đã được giải mã (Decoded Instruction Queue) có thể lên đến 6 chỉ lệnh giải mã trên mỗi chu kỳ clock, kịch bản có thể khi Decoder 0 gửi 4 chỉ lệnh đã giải mã và hai bộ giải mã kia gửi mỗi bộ một chỉ lệnh đã được giải mã – hoặc khi MIS được sử dụng. Các chỉ lệnh x86 phức tạp sử dụng (MIS) Micro Instruction Sequencer có thể dữ chậm một số chu kỳ clock khi giải mã, điều đó phụ thuộc vào số lượng chỉ lệnh được giải mã sẽ tạo ra từ sự chuyển đổi. Ta cần nên lưu ý rằng Decoded Instruction Queue chỉ có thể giữ được đến 6 chỉ lệnh đã giải mã, chính vì vậy nếu có hơn 6 chỉ lệnh giải mã được sinh ra bởi bộ giải mã cộng với MIS thì một chu kỳ khác sẽ được sử dụng để gửi các chỉ lệnh hiện hành trong hàng đợi tới Register Allocation Table (RAT), làm trống hàng đợi và chấp nhận các chỉ lệnh đã giải mã mà không phù hợp với nó trước đó. Pentium M sử dụng một khái niệm mới đối với kiến trúc P6, khái niệm này được gọi là hợp nhất chỉ lệnh giải mã. Trên Pentium M, mỗi một bộ giải mã nối hai chỉ lệnh đã giải mã thành một. Chúng sẽ chỉ được tách ra khi được thực thi, tại tầng thực thi. Trên kiến trúc P6, mỗi chỉ lệnh có chiều dài 118 bit. Pentium M thay vì làm việc với các chỉ lệnh 118bit, nó làm việc với các chỉ lệnh có chiều dài 236bit mà chính là kích thước nối của hai chỉ lệnh 118bit. Cần phải lưu ý rằng các chỉ lệnh đã giải mã liên tục có chiều dài là 118bit, còn những gì được thay đổi là chúng được truyền tải thành một nhóm gồm hai chỉ lệnh cơ bản này. Ý tưởng đằng sau phương pháp này là để tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất. Việc gửi một chỉ lệnh có kích thước 236bit dài sẽ nhanh hơn việc gửi hai chỉ lệnh 118bit. Thêm vào đó, CPU sẽ tiêu tốn ít nguồn điện hơn vì sẽ có ít chỉ lệnh đã giải mã lưu thông bên trong nó. Các chỉ lệnh được gắn sau đó sẽ gửi đến bảng Register Allocation Table (RAT). Kiến trúc CISC x86 chỉ có 8 thanh ghi 32bit đó là EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI và ESP. Số lượng này là quá thấp vì các CPU hiện đại có thể thực thi mã out-of- order, và nó sẽ “phá hỏng” nội dung bên trong thanh ghi đã có, từ đó gây ra hỏng các chương trình. Chính vì vậy, tại tầng này, bộ vi xử lý thay đổi tên và nội dung của các thanh ghi đã được sử dụng bởi chương trình thành một trong 40 thanh ghi bên trong đã có (mỗi một thanh ghi này có 80 bit rộng, như vậy việc chấp nhận cả dữ liệu nguyên và dữ liệu thay đổi), cho phép chỉ lệnh có thể chạy tại cùng một thời điểm với chỉ lệnh khác mà sử dụng cũng cùng một thanh ghi chuẩn, hoặc thậm chí out-of-order, có nghĩa là cho phép chỉ lệnh thứ hai có thể chạy trước chỉ lệnh thứ nhất dù là chúng cùng chung trên một thanh ghi. 2.6.5 Bộ đệm Reorder Buffer Khi các chỉ lệnh x86 và chỉ lệnh đã được giải mã có kết quả truyền tải giữ
  40. các tầng CPU theo cùng một thứ tự thì chúng sẽ xuất hiện trên chương trình đang chạy. Khi vào ROB, các chỉ lệnh đã giải mã có thể được nạp và thực thi out-of-order bởi các khối thực thi. Sau khi thực thi, các chỉ lệnh được gửi trở lại Hình 2.6.4: bộ đệm Reorder về Reorder Buffer. Sau đó tại tầng cuối cùng (Retirement), các chỉ lệnh đã thực thi được xuất ra khỏi bộ đệm Reorder Buffer với cùng thứ tự mà chúng đã nạp vào, có nghĩa là chúng được chuyển theo thứ tự. Trên hình 2.6.4, ta có thể có được ý tưởng vè cách chúng làm việc như thế nào. Trên hình 2.6.4, chúng ta đã đơn giản hóa trạm dành riêng (Reservation Station) và các khối thực thi để có thể tạo sự dễ hiểu cho bộ đệm này. 2.6.6 Reservation Station và các khối thực thi Như chúng ta đã đề cập từ trước, Pentium M sử dụng các chỉ lệnh được nối (thường là hai chỉ lệnh được nối với nhau) từ khối giải mã đến vị trí các cổng gửi đi được đặt trên Reservation Station. Reservation Station gửi đi các chỉ lệnh giải mã một cách riêng biệt (đã tách ghép đôi). Pentium M có 5 cổng như vậy, các cổng này được đánh số từ 0 đến 4 trên Reservation Station. Mỗi cổng được kết nối đến một hoặc nhiều khối thực thi, các ta có thể xem trên hình 2.6.6.
  41. Hình 2.6.6: Reservation Station và các khối thực thi Dưới đây là giải thích vắn tắt về mỗi khối thực thi có trên CPU này: • IEU: Instruction Execution Unit – Khối thực thi chỉ lệnh là nơi các chỉ lệnh thường được thực thi. Cũng được biết đến trong các sách giới thiệu về cấu trúc máy tính với tên ALU (Khối logic số học - Arithmetic and Logic Unit). Các chỉ lệnh thông thường này cũng được hiểu là các chỉ lệnh “integer”. • FPU: Floating Point Unit là nơi các chỉ lệnh toán học phức tạp được thực thi. Trước kia, khối này cũng có tên gọi là “math co-processor” – khối đồng xử lý toán học. • SIMD: là nơi các chỉ lệnh SIMD được thực thi, nghĩa là MMX, SSE và SSE2. • WIRE: Các hàm phức tạp. • JEU: Jump Execution Unit xử lý các nhánh và cũng được biết đến là Branch Unit. • Shuffle: Khối này thực thi một loại chỉ lệnh của SSE có tên gọi là “shuffle”. • PFADD: Thực thi một chỉ lệnh SSE có tên gọi PFADD (Packed FP Add) và cả các chỉ lệnh COMPARE, SUBTRACT, MIN/MAX và CONVERT. Khối này được cung cấp riêng, chính vì vậy nó có thể bắt đầu việc thực thi một chỉ lệnh giải mã mới mỗi chu kỳ clock dù là nó
  42. không hoàn tất được sự thực thi của chỉ lệnh đã giải mã trước. Khối này có một độ trễ ba chu kỳ clock, nghĩa là nó sẽ giữ chậm 3 chu kỳ clock đối với mỗi chỉ lệnh đã được xử lý. • Reciprocal Estimates: Thực thi hai chỉ lệnh SSE, một được gọi là RCP (Reciprocal.Estimate) và một gọi là RSQRT (Reciprocal Square Root Estimate). • Load: Khối này dùng để xử lý các lệnh hỏi dữ liệu để được đọc từ bộ nhớ RAM. • Store Address: Khối xử lý các chỉ lệnh hỏi dữ liệu để được ghi tại bộ nhớ RAM. Khối này cũng có tên gọi là AGU, Address Generator Unit. Kiểu chỉ lệnh này sử dụng cả hai khối Store Address và Store Data tại cùng một thời điểm. • Store Data: Xử lý các chỉ lệnh hỏi dữ liệu để ghi vào bộ nhơ RAM. Loại chỉ lệnh này sử dụng cả hai khối Store Address và Store Data tại cùng một thời điểm. Chỉ lệnh phức tạp có thể mất đến vài chu kỳ clock để được xử lý. Chúng ta hãy lấy một ví dụ của cổng 0, nơi mà khối floating point unit (FPU) có mặt ở đó. Trong khi khối này đang xử lý một chỉ lệnh rất phức tạp, mất đến vài clock để thực thi thì cổng 0 sẽ không ngừng hoạt động: nó luôn luôn gửi các chỉ lệnh đơn giản đến IEU mặc dù khi đó FPU lại đang rất bận. Chính vì vậy, mặc dù tốc độ gửi đi lớn nhất là 5 chỉ lệnh giải mã trên mỗi một chu kỳ clock, nhưng thực tế CPU có thể tăng lên đến 12 chỉ lệnh giải mã tại cùng một thời điểm. Các chỉ lệnh yêu cầu CPU để có thể đọc dữ liệu được lưu trữ tại địa chỉ RAM đã cho, Khối lưu trữ địa chỉ (Store Address Unit) và lưu trữ dữ liệu (Store Data Unit) được sử dụng tại cùng một thời điểm, một dùng cho định địa chỉ và một dùng cho đọc dữ liệu. Đây là lý do tại sao cổng 0 và cổng 1 có nhiều khối thực thi. Nếu chú ý một chút thì sẽ thấy được Intel đã đặt trên cùng một cổng cả khối “nhanh” và ít nhất cùng với một khối “chậm” (phức tạp). Chính vì vậy, trong khi khối phức tạp đang bận xử lý dữ liệu thì các khối khác có thể vẫn nhận các chỉ lệnh đã giải mã từ cổng gửi đi tương ứng của nó. Ý tưởng này là để giữ tất cả các khối thực thi luôn làm việc. Sau mỗi một chỉ lệnh đã giải mã được thực thi, nó lại trở về bộ đệm Reorder Buffer, đây chính là nơi cờ của nó được thiết lập chế độ thực thi. Sau đó tại tầng cuối (Retirement Stage), các chỉ lệnh đã giải mã có cờ “thực thi” của chúng sẽ được xóa khỏi bộ đệm Reorder Buffer theo thứ tự ban đầu của nó (nghĩa là theo thứ tự mà chúng đã được giải mã) và sau đó các thanh ghi x86 được cập nhật (ngược lại bước của tầng đặt lại tên của thanh ghi). Có thể có đến 3 chỉ lệnh giải mã được xóa bỏ từ bộ đệm Reorder Buffer trên mỗi một chu kỳ clock. Sau đó, mỗi chỉ lệnh này được
  43. thực thi hoàn toàn. 2.6.7 Công nghệ SpeedStep nâng cao Công nghệ SpeedStep đã được tạo ra để tăng thời gian sống của pin và nó đã được giới thiệu đầu tiên trong các bộ vi xử lý của Pentium III, M. Phiên bản đầu tiên của công nghệ này cho phép các CPU có thể chuyển giữa hai tần số clock một cách động. Chế độ tần số thấp (LFM), chế độ cho phép thời lượng sống của pin lớn nhất, và chế độ tần số cao (HFM), chế độ cho phép chạy CPU tại tốc độ lớn nhất. CPU có hai tỉ lệ nhân clock. Tỉ lệnh LFM là tỉ lệnh factory-lock và ta không thể thay đổi được tỉ lệ này. Pentium M đã giới thiệu công nghệ SpeedStep nâng cao (Enhanced SpeedStep Technology), công nghệ này là công nghệ có một vài cấu hình clock và điện áp khác giữa LFM (cố định là 600 MHz) và HFM. Một ví dụ để các ta có thể dễ hiểu hơn trong trường hợp này, bảng cấu hình clock và điện áp cho 1.6 GHz Pentium M dựa trên công nghệ 130nm: Điện áp Clock 1.484 V 1.6 GHz 1.42 V 1.4 GHz 1.276 V 1.2 GHz 1.164 V 1 GHz 1.036 V 800 MHz 0.956 V 600 MHz Mỗi một mô hình của Pentium M lại có một bảng điện áp/clock của riêng nó. Cần phải chú ý một điều rằng khi không cần tốn nhiều năng lương đối với laptop thì không những chỉ giảm tốc độ clock mà còn giảm cả điện áp, việc giảm điện áp sẽ giúp giảm tiêu tốn rất nhiều pin máy. Công nghệ Enhanced SpeedStep làm việc bằng cách kiểm tra các thanh ghi model cụ thể MSR (Model Specific Registers) của CPU, thành phần này được gọi là Performance Counter. Với thông tin thu nhận từ bộ phận này, CPU có thể giảm hoặc tăng clock/điện áp của nó phụ thuộc vào khả năng sử dụng của CPU. Đơn giản nếu ta tăng yêu cầu sử dụng CPU thì nó sẽ tăng clock/điện áp còn nếu ta giảm hiệu suất sử dụng CPU thì nó sẽ giảm clock/điện áp.
  44. Enhanced SpeedStep chỉ là một trong những nâng cao đã được thực hiện với kiến trúc siêu nhỏ Pentium M nhằm mục đích tăng thời lượng sử dụng của pin.
  45. 2.7 kiến trúc Core của Intel Kiến trúc Core của Intel đã xuất hiện vào năm 2006, đây là kiến trúc được sử dụng trên tất cả các CPU mới vào thời điểm này của Intel như Merom, Conroe và Woodcrest. Kiến trúc mới này được xây dựng trên kiến trúc của Pentium M và có thêm một số tính năng mới. Thứ đầu tiên mà ta cần phải lưu ý đó là phần tên, kiến trúc Core không có liên quan gì với các CPU Core Solo và Core Duo của Intel. Core Single là một CPU Pentium M được sản xuất ở công nghệ 65 nm, còn các CPU Core Duo – trước đây được gọi là Yonah – là loại CPU dual-core công nghệ 65 nm dựa trên kiến trúc của Pentium M. Pentium M được xây dựng trên kiến trúc thế hệ thứ 6 của Intel, kiến trúc này cũng được sử dụng trong các CPU Pentium Pro, Pentium II, Pentium III và các CPU trước đây của Celeron chứ không phải trên Pentium 4 như ta vẫn nghĩ, ý tưởng ban đầu được nhắm đến các máy tính di động. Nếu ta có thể nghĩ Pentium M là một Pentium III nâng cao thì cũng có thể nghĩ kiến trúc Core là một Pentium M nâng cao. Kiến trúc Core sử dụng cấu trúc 14 tầng. Cấu trúc này là một danh sách tất cả các tầng mà một chỉ lệnh được cho phải trải qua khi thực thi hoàn tất. Intel đã không tiết lộ cấu trúc của Pentium M và chính vì vậy cho tới nay họ vẫn chưa công bố những chỉ dẫn của mỗi tầng trong kiến trúc Core. Pentium III đã sử dụng cấu trúc 11 tầng, Pentium 4 ban đầu có 20 tầng và các CPU Pentium 4 mới hơn dựa trên lõi “Prescott” được biết có đến 31 tầng. 2.7.1 Cache nhớ và khối tìm nạp Hãy nhớ rằng Cache nhớ là bộ nhớ tốc độ cao (SRAM) được nhúng vào bên trong CPU, sử dụng để lưu dữ liệu mà CPU có thể cần đến. Nếu dữ liệu được yêu cầu bởi CPU không có trong Cache nhớ thì nó sẽ phải truy cập vào bộ nhớ RAM chính, điều này sẽ làm giảm tốc độ của CPU vì bộ nhớ RAM được truy vập bằng sử dụng tốc độ clock ngoài của CPU. Ví dụ, trên một CPU 3,2GHz, Cache nhớ được truy cập ở tốc độ 3,2GHz nhưng bộ nhớ RAM chính chỉ được truy cập ở tốc độ clock 800MHz. Kiến trúc Core được tạo bằng việc có khái niệm multi-core, nghĩa là có nhiều chip trên một đóng gói. Trên Pentium D, phiên bản dual-core của Pentium 4, mỗi core đều có Cache nhớ L2 của riêng nó. Vấn đề với hai Cache riêng ở đây là tại một thời điểm nào đó khi một lõi này sử dụng hết Cache nhớ trong khi lõi kia lại không sử dụng hết hiệu suất trên Cache nhớ L2 của riêng nó. Khi xảy ra điều này thì lõi đầu tiên phải truy cập và lấy dữ liệu từ bộ nhớ RAM chính, thậm chí Cache nhớ L2 của lõi thứ hai là hoàn toàn trống rỗng mà lẽ ra có thể
  46. được sử dụng để lưu dữ liệu, tránh tình trạng lõi phải truy cập trực tiếp vào bộ nhớ RAM chính. Đối với kiến trúc Core, vấn đề này đã được giải quyết. Cache nhớ L2 được chia sẻ, có nghĩa là cả hai lõi đều có thể sử dụng Cache nhớ L2 một cách chung nhau, cấu hình động sẽ được thực hiện cho mỗi Cache. Ví dụ với một CPU có 2 MB L2 cache, một lõi có thể đang sử dụng 1,5MB còn lõi kia sử dụng 512 KB (0.5 MB), ngược lại với tỷ lệ chia cố định 50-50 như đã được sử dụng trước đây trong các CPU dual-core. Khối tiền tìm nạp được chia sẻ giữa các lõi, nghĩa là nếu hệ thống Cache nhớ đã nạp một khối dữ liệu để được sử dụng bởi lõi đầu tiên thì lõi thứ hai cũng có thể sử dụng dữ liệu đã được nạp trên Cache này rồi. Trong các kiến trúc trước, nếu lõi thứ hai cần dữ liệu giống như dữ liệu đã được nạp vào Cache của lõi đầu tiên thì nó vẫn phải truy cập thông qua bus ngoài (điều đó khiến CPU làm việc ở tốc độ clock ngoài, có tốc độ clock thấp hơn tốc độ clock trong) hoặc thậm chí lấy dữ liệu cần thiết trực tiếp từ bộ nhớ RAM của hệ thống. Intel cũng đã cải thiện khối tiền tìm nạp của CPU, đưa ra các mẫu theo cách mà CPU hiện đang lấy dữ liệu từ bộ nhớ để đoán thử dữ liệu mà CPU sẽ tìm nạp tiếp theo là gì và nạp nó vào Cache nhớ trước khi CPU yêu cầu. Ví dụ, nếu CPU đã nạp dữ liệu từ địa chỉ 1, sau đó yêu cầu dữ liệu trên địa chỉ 3 và sau đó yêu cầu tiếp dữ liệu trên địa chỉ 5 thì khối tiền tìm nạp sẽ đoán rằng chương trình sẽ nạp dữ liệu từ địa chỉ 7 và nó sẽ nạp từ địa chỉ này ra Cache nhớ trước khi CPU yêu cầu đến nó. Quả thực ý tưởng này không có gì mới mẻ và tất cả các CPU từ Pentium Pro sẽ dụng một số kiểu dự đoán để cung cấp Cache nhớ L2. Trên kiến trúc Core, Intel đã có một chút nâng cao về tính năng này bằng cách tạo ra một khối tiền tìm nạp tìm kiếm các mẫu trong dữ liệu tìm nạp thay vì các bộ chỉ thị tĩnh của dữ liệu mà CPU sẽ yêu cầu tiếp theo. 2.7.2 Bộ giải mã chỉ lệnh: Macro-Fusion Một khái niệm mới được giới thiệu trong kiến trúc Core đó là macro-fusion. Macro-fusion là khả năng gắn (joining) hai chỉ lệnh x86 vào thành một chỉ lệnh micro-op. Cách làm này có thể cải thiện được hiệu suất của CPU và tiêu tốn ít năng lượng của CPU hơn vì nó sẽ chỉ thực thi một chỉ lệnh micro-op thay vì hai. Mặc dù vậy cơ chế này lại bị hạn chế đối với các chỉ lệnh so sánh và các chỉ lệnh rẽ nhánh có điều kiện (có nghĩa là các chỉ lệnh CMP và TEST và Jcc). Ví dụ, chúng ta hãy xem đoạn chương trình dưới đây: load eax, [mem1] cmp eax, [mem2]
  47. jne target Đoạn chương trình này sẽ thực hiện nạp thanh ghi 32 bit EAX bằng dữ liệu được chứa trong vị trí nhớ 1, so sách giá trị của nó với dữ liệu có trong vị trí nhớ 2 và nếu chúng khác nhau thì (jne = jump if not equal), thì chương trình sẽ truy cập vào địa chỉ “target”, còn nếu bằng nhau thì chương trình sẽ tiếp tục trên vị trí hiện hành. Với macro-fusion, các chỉ lệnh so sánh (cmp) và rẽ nhánh (jne) sẽ được hợp nhất vào một chỉ lệnh micro-op. Chính vì vậy sau khi chuyển qua bộ giải mã chỉ lệnh, phần chương trình này sẽ giống như dưới đây: load eax, [mem1] cmp eax, [mem2] + jne target Như những gì thấy ở trên, chúng ta đã lưu một chỉ lệnh. Càng ít chỉ lệnh được thực thi thì máy tính của ta sẽ thực hiện việc thực thi nhiệm vụ nhanh hơn và tốn ít công suất tiêu thụ hơn. Bộ giải mã chỉ lệnh có trên kiến trúc Core có thể giải mã 4 chỉ lệnh trên một chu kỳ clock, trong khi đó ở các CPU trước như Pentium M và Pentium 4 thì chỉ có thể giải mã được đến 3. Ở đây bộ giải mã chỉ lệnh của kiến trúc Core kéo đến 5 chỉ lệnh mỗi lần vào hàng đợi chỉ lệnh, thậm chí nó còn có thể giải mã đến 4 chỉ lệnh trên một chu kỳ clock. Chính vì vậy nếu hai trong số 5 chỉ lệnh được nối thành một thì bộ giải mã vẫn có thể giải mã bốn chỉ lệnh trên một chu kỳ clock. Và nó sẽ ở chế độ nhàn rỗi cục bộ bất cứ khi nào macro-fusion xảy ra, nghĩa là bộ giải mã sẽ chỉ cung cấp ba chỉ lệnh nối micro-op ở đầu ra của nó trong khi có khả năng cung cấp đến bốn. Trong hình 2.7.1 bên dưới ta có thể thấy những thông tin tóm tắt đã giải thích ở trên.
  48. Hình 2.7.2: Khối tìm nạp và bộ giải mã chỉ lệnh trong kiến trúc Core 2.7.3 Khối thực thi Pentium M có 5 cổng gửi đi được đặt trên trạm dành riêng Reservation Station của nó, nhưng chỉ có hai cổng được sử dụng để gửi đi các chỉ lệnh micro-ops đến các khối thực thi. Ba chỉ lệnh còn lại được sử dụng bởi các khối có liên quan đến bộ nhớ (Load, Store Address và Store Data). Kiến trúc Core cũng có 5 cổng gửi đi như vậy nhưng ba trong số chúng được sử dụng cho việc gửi các chỉ lệnh nối micro-ops đến các khối thực thi. Điều đó có nghĩa rằng các CPU đang sử dụng kiến trúc Core đó có thể gửi ba chỉ lệnh micro-ops đến khối thực thi trên một chu kỳ clock. Kiến trúc Core cung cấp một FPU mở rộng và một IEU mở rộng (ALU) khi chúng ta mang ra so với kiến trúc Pentium M. Điều này có nghĩa rằng kiến trúc Core có thể xử lý đến ba chỉ lệnh số nguyên trên một chu kỳ clock, trong khi Pentium M chỉ có
  49. hai. Tuy nhiên không phải tất cả các chỉ lệnh toán học đều có thể được thực thi trên tất cả các FPU. Như những gì ta có thể quan sát được trong hình 2.7.3, các toán tử nhân floating-point chỉ có thể được thực thi trong FPU thứ ba và phần thêm vào floating-point chỉ có thể được thực thi trên FPU thứ hai. Các chỉ lệnh Fpmov có thể được thực thi trên FPU thứ nhất hoặc trên hai FPU khác nếu không có chỉ lệnh phức tạp hơn (FPadd or FPmul) đã sẵn sàng được gửi đến chúng. Các chỉ lệnh MMX/SSE đều được xử lý bởi FPU. Trong hình 2.7.3 ta sẽ thấy sơ đồ khối chính của các khối thực thi trong kiến trúc Core. Hình 2.7.3: Các khối thực thi trong kiến trúc Core Một sự khác nhau lớn giữa hai kiến trúc Pentium M và Pentium 4 với kiến trúc Core là trên kiến trúc Core, các khối Load và Store có khối tạo địa chỉ của riêng nó nhúng trong. Pentium 4 và Pentium M có các khối tạo địa chỉ riêng và trên Pentium 4 ALU đầu tiên được sử dụng để lưu dữ liệu trên bộ nhớ. Dưới đây là những giải thích nhỏ về những khối có trong CPU này: • IEU: Instruction Execution Unit là nơi các chỉ lệnh được thực thi. Khối này cũng được biết đến là khối ALU (Arithmetic and Logic Unit). Các chỉ lệnh thông thường cũng được biết là các chỉ lệnh số nguyên. • JEU: Jump Execution Unit xử lý rẽ nhánh và cũng được biết đến với tên Branch Unit. • FPU: Floating-Point Unit. Khối này chịu trách nhiệm cho việc thực thi các biểu thức toán học floating-point và cũng cả các chỉ lệnh MMX và
  50. SSE. Trong CPU này, các FPU không “hoàn thiện” vì một số kiểu chỉ lệnh (FPmov, FPadd và FPmul) chỉ được thực thi trên các FPU nào đó: o FPadd: Chỉ có FPU này mới có thể xử lý các chỉ lệnh cộng floating-point như ADDPS. o FPmul: Chỉ có FPU này mới có thể xử lý các chỉ lệnh nhân floating-point như MULPS o FPmov: Các chỉ lệnh cho việc nạp hoặc copy một thanh ghi FPU, như MOVAPS (được dùng để truyền tải dữ liệu đến thanh ghi SSE 128-bit XMM). Kiểu chỉ lệnh này có thể được thực thi trên các FPU, nhưng chỉ trên các FPU thứ hai và thứ ba nếu các chỉ lệnh Fpadd hay Fpmul không có trong Reservation Station. • Load: khối này dùng để xử lý các chỉ lệnh yêu cầu dữ liệu được đọc từ bộ nhớ RAM. • Store Data: Khối này xử lý các chỉ lệnh yêu cầu dữ liệu được ghi vào bộ nhớ RAM. Lưu ý: rằng các chỉ lệnh phức tạp có thể mất đến một số chu kỳ clock trong khi xử lý. Chúng ta hãy lấy một ví dụ về cổng 2, nơi khối FPmul nằm ở đó. Khi khối này đang xử lý một chỉ lệnh rất phức tạp phải mất đến vài chu kỳ clock để được thực thi thì cổng 2 sẽ không chết: nó sẽ luôn gửi các chỉ lệnh đơn giản đến IEU trong khi FPU đang bận. 2.7.4 Đường dẫn 128-bit bên trong và kiến trúc nhớ mới Một tính năng khác có trong kiến trúc Core là đường dẫn dữ liệu 128 bit bên trong. Trong các CPU trước, đường dẫn dữ liệu bên trong chỉ có 64bit. Đây là một vấn đề đối với các chỉ lệnh SSE, chỉ lệnh được gọi là XMM có dài 128 bit. Chính vì vậy khi thực thi một chỉ lệnh đã biến đổi thành 128 bit dữ liệu thì toán tử này được chia thành hai toán tử 64bit. Đường dữ liệu 128 bit mới làm cho kiến trúc Core trở nên nhanh hơn trong việc xử lý các chỉ lệnh SSE có 128 bit dữ liệu. Kiến trúc nhớ mới là kỹ thuật tăng tốc thực thi các chỉ lệnh có liên quan đến bộ nhớ. Tất cả các CPU của Intel từ Pentium Pro đều có cơ chế không tuân theo trình tự (out-of-order), cơ chế này cho phép CPU có thể thực thi các chỉ lệnh không phụ thuộc theo bất cứ một thứ tự nào. Những gì xảy ra với các chỉ lệnh liên quan đến bộ nhớ được thực thi theo kiểu truyền thống diễn ra theo một thứ tự giống hệt với thứ tự chúng xuất hiện trong chương trình. Ví dụ, nếu chương trình gốc có một chỉ lệnh như “store 10 at address 5555” và sau đó là một chỉ lệnh “load data stored at 5555”, thì chúng sẽ không thể được đảo ngược (nghĩa là được thực thi không tuân theo thứ tự) hoặc chỉ lệnh thứ hai sẽ lấy sai dữ liệu, vì dữ liệu ở địa chỉ
  51. 5555 đã bị thay đổi bởi chỉ lệnh thứ nhất. Những gì mà cơ chế kiến trúc nhớ mới thực hiện là định vị và thực thi các chỉ lệnh có liên quan đến bộ nhớ để có thể thực thi không theo thứ tự, tăng tốc độ thực thi của chương trình (chúng tôi sẽ giải thích thêm về điều này được thực hiện như thế nào). Trong hình 2.7.4, ta có một ví dụ về một CPU không có cơ chế nhớ này (nghĩa là tất cả các CPU không được xây dựng trên kiến trúc Core). Như những gì ta có thể nhìn thấy, CPU phải thực thi các chỉ lệnh khi chúng xuất hiện trong chương trình gốc. Ví dụ, chỉ lệnh “Load4” không liên quan tới bất kỳ đến bộ nhớ nào và có thể được thực thi trước, mặc dù vậy nó vẫn phải đợi tất cả các chỉ lệnh khác. Hình 2.7.4: CPU không có kiến trúc nhớ mới Trong hình 2.7.5, ta sẽ thấy cách chương trình trong hình 2.7.4 làm việc như thế nào trên CPU có kiến trúc Core. Nó “biết” rằng chỉ lệnh “Load4” không có liên quan đến các chỉ lệnh khác và có thể được thực thi trước. Hình 2.7.5: CPU với cơ chế nhớ mới. Điều này đã cải thiện được hiệu suất của CPU vì lúc này chỉ lệnh “Load4” sẽ được thực thi ngay từ đầu, CPU có dữ liệu cần thiết cho việc thực thi các chỉ
  52. lệnh khác cần đến giá trị “X” để được thực thi. Trong các CPU thông thường, nếu sau khi chỉ lệnh “Load4” này có chỉ lệnh “Add 50”, thì chỉ lệnh “Add 50” (và tất cả các chỉ lệnh khác phụ thuộc vào kết quả đó) sẽ phải đợi các chỉ lệnh khác như đã thể hiện trong hình 2.7.4 để được thực thi. Với kiến trúc nhớ mới này, các chỉ lệnh đó có thể được thực thi sớm, vì CPU lúc này sẽ có được giá trị “X” từ sớm. 2.7.5 Điều chỉnh tiết lưu công suất Với việc điều chỉnh tiết lưu công suất tiên tiến, kiến trúc Core làm tiết kiệm được nhiều năng lượng tiêu thụ hơn so với các CPU trước đó. Tính năng này cho phép CPU có thể tắt các khối đang không được sử dụng ở thời điểm đó. Ý tưởng này thậm chí còn cho phép nhiều ưu việt hơn vì khi CPU có thể tắt các phần cụ thể bên trong mỗi khối CPU để tiết kiệm năng lượng, tốn ít công suất và cải thiện được thời gian sử dụng của pin (trong trường hợp xét đến các CPU di động). Một khả năng tiết kiệm năng lượng khác của kiến trúc Core là chỉ bật các bit cần thiết trong các bus bên trong CPU. Nhiều bus bên trong của CPU được kích thước một cách cồng kềnh và lãng phí. Chính vì vậy thay cho việc bật tất cả ví dụ 480 làn dữ liệu của một bus nào đó thì CPU có thể chỉ cần bật 32 làn dữ liệu của nó, tất cả các dữ liệu trong làn đó đều cần thiết cho việc truyền tải chỉ lệnh 32bit. * Có thể hơi khó hiểu ở tuyên bố này, vì ta vẫn thường nghe thấy rằng kiến trúc của Intel sử dụng các chỉ lệnh 32bit, vì vậy chúng tôi cần đưa ra giải thích này để làm sáng tỏ vấn đề. Bên trong CPU, những gì được xem xét ở một chỉ lệnh là mã thao tác (opcode) của chỉ lệnh đó (ngôn ngữ máy tương đương với ngôn ngữ chỉ lệnh assembly) cộng với tất cả các dữ liệu được yêu cầu. Điều này là vì để được thực thi, chỉ lệnh phải nhập vào cơ chế thực thi “hoàn tất”, nghĩa là cùng với tất cả các dữ liệu được yêu cầu. Cũng theo cách đó, kích thước của mỗi mã thao tác chỉ lệnh x86 là một biến và không cố đinh là 32bit như những gì ta vẫn nghĩ. Ví dụ, một chỉ lệnh “mov eax, (32- bit data)”, dùng để lưu (32-bit data) và thanh ghi EAX của CPU được xem xét bên trong như một chỉ lệnh 40bit (mov eax dịch vào 8-bit opcode cộng với 32bit dữ liệu). Việc các chỉ lệnh có số chiều dài khác nhau là những gì đặt trưng cho tập chỉ lệnh CISC (Complex Instruction Set Computing). 2.8 Các mô hình Core 2 Duo các model của Core 2 Duo, Core 2 Quad và Core 2 Extreme cho tới thời điểm này và sẽ giới thiệu thêm về một số tính năng chính của chúng.
  53. Dưới đây là những tóm tắt về các tính năng chính của họ Core 2: • Kiến trúc lõi • Cache nhớ chỉ lệnh L1 32KB và Cache nhớ dữ liệu L1 32KB cho mỗi lõi. • Công nghệ Dual-core hoặc công nghệ quad-core. • Quá trình sản xuất 65 nm • Socket 775. • 800 MHz (200 MHz x 4), tốc độ clock ngoài 1.066 MHz (266 MHz x 4) hoặc 1.333 MHz (333 MHz x 4). • Cache nhớ hợp nhất L2 2 MB, 4 MB hoặc 8 MAILBOX. • Công nghệ ảo của Intel (ngoại trừ Core 2 Duo E4300) • Công nghệ Intel EM64T. • Tập chỉ lệnh SSE3. • Execute Disable Bit • Khả năng xử lý công suất tiêu thụ thông minh • Công nghệ Enhanced SpeedStep. Trên hình 2.7.1 ta có thể thấy được một bức tranh về chân đế của Core 2 Duo CPU. Hình 2.7.1: Chân đế của bộ vi xử lý Core 2
  54. Các model Trong bảng dưới đây chúng tôi sẽ liệt kê tất cả các model của Core 2 Duo đã được phát hành cho tới gần thời điểm này. Nhiệ Cloc Cloc Kích Chi L2 t độ k k Số lượng thướ Điện tiết kỹ Model Cach TDP tối tron ngoà transistor c áp thuật e đa (º g i chân C) 1,33 3 GH 291 143 0.962V SLA9U E6850 3 4 MB 65 W 72 z million mm2 -1.35V MHz 1,33 2.66 291 143 0.962V SLA9V E6750 3 4 MB 65 W 72 GHz million mm2 -1.35V MHz 1,06 2.66 291 143 SL9ZF E6700 6 4 MB 65 W 60.1 - GHz million mm2 MHz 1,06 2.66 291 143 0.85V- SL9S7 E6700 6 4 MB 65 W 60.1 GHz million mm2 1.35V MHz 1,06 2.40 291 143 1.18V- SL9ZL E6600 6 4 MB 65 W 60.1 GHz million mm2 1.32V MHz 1,06 2.40 291 143 0.85V- SL9S8 E6600 6 4 MB 65 W 60.1 GHz million mm2 1.35V MHz 1,33 0.962 2.33 291 143 SLA9X E6550 3 4 MB 65 W 72 V- GHz million mm2 MHz 1.35V 1,33 143 0.962 SLAA E654 2.33 4 291 65 3 mm2 72 V- X 0 GHz MB million W MHz 1.35V 1,06 2.13 291 143 SL94T E6420 6 4 MB 65 W 60.1 - GHz million mm2 MHz
  55. 1,06 2.13 167 111 1.22V- SL9T9 E6400 6 2 MB 65 W 61.4 GHz million mm2 1.32V MHz 1,06 2.13 167 111 0.85V- SL9S9 E6400 6 2 MB 65 W 61.4 GHz million mm2 1.35V MHz 1,06 1.86 291 143 SLA4U E6320 6 4 MB 65 W 60.1 - GHz million mm2 MHz 1,06 1.86 167 111 1.22V- SL9TA E6300 6 2 MB 65 W 61.4 GHz million mm2 1.32V MHz 1,06 1.86 167 111 0.85V- SL9SA E6300 6 2 MB 65 W 61.4 GHz million mm2 1.35V MHz 111 0.962 E450 2.20 800 2 167 65 73.3 SLA95 mm2 V- 0 GHz MHz MB million W 1.35V 2 GH 800 167 111 1.16V- SL93F E4400 2 MB 65 W 61.4 z MHz million mm2 1.31V 800 111 E440 2 2 167 millio 65 73.3 1.16V- SLA98 MHz mm2 0 GHz MB n W 1.31V 1.8 800 167 111 0.85V- SL9TB E4300 2 MB 65 W 61.4 GHz MHz million mm2 1.35V Trong bảng dưới đây là liệt kê của các model Core 2 Quad. Nhiệt Chi tiết độ Clock Clock L2 Điện Số kỹ Model TDP tối trong ngoài Cache áp nhân thuật đa (º C) 1,066 1.10V- SLACQ Q6700 2.66 GHz 8 MB 95 71 4 MHz 1.37V 1,066 8 105 1.10V- SL9UM Q6600 2.4 GHz 62,2 4 MHz MB W 1.37V
  56. 1,066 105 1.10V- SL9UM Q6600 2.4 GHz 8 MB 62,2 4 MHz W 1.37V Trong bảng dưới đây là các model Core 2 Extreme đã được phát hành. Nhiệt Chi độ Clock Clock L2 Số tiết kỹ Model TDP tối Điện áp trong ngoài Cache nhân thuật đa (º C) 1,333 130 1.10V- SLAFN QX6850 3 GHz 8 MB 64.5 4 MHz W 1.37V 2.93 1,066 130 1.10V- SL9UK QX6800 8 MB 64.5 4 GHz MHz W 1.37V 2.93 1,066 4 75 0.85V- SL9S5 X6800 60.4 2 GHz MHz MB W 1.35V 2.93 1,066 8 130 1.10V- SLACP QX6800 64.5 4 GHz MHz MB W 1.37V 2.80 44 SLA33 X7900 800 MHz 4 MB 100 - 2 GHz W 2.80 44 1.125V- SLAF4 X7900 800 MHz 4 MB 100 2 GHz W 1.325V 2.66 1,066 130 1.10V- SL9UL QX6700 8 MB 65 4 GHz MHz W 1.37V 2.60 SLA6Z X7800 800 MHz 4 MB 44 W 100 - 2 GHz Bảng dưới đây là những gì chúng tôi tổng hợp từ các chi tiết kỹ thuật của các thế hệ Centrino: Nền Centrino Centrino Centrino Centrin Centrino Centrino tảng Pro Duo Duo o Santa Santa Tên mã Napa Napa Sonoma Carmel Rosa Rosa Bộ vi xử Core 2 Core 2 Core Duo Pentium Pentium Core Solo lý Duo Duo (Yonah) M M
  57. (Dothan) (Banias) Core 2 Duo (Meron) Intel 965 Intel 965 Intel 945 Intel 945 Intel 915 Chipset Intel 855 Express Express Express Express Express Intel PRO Network / Wireless Intel PRO Intel PRO Intel PRO Intel Intel PRO 2200BG Wireles / Wireless / Wireless / Wireless PRO / / Wireless Intel PRO s 4965AG 3945AB 3945AB Wireless 4965AG / Wireless N G G 2100 N 2915AB G
  58. CHƯƠNG 2: BUS VÀ TRUYÊN THÔNG TIN TRONG MÁY TÍNH 2.1.1. Định nghĩa BUS: Bus là đường truyền tín hiệu điện nối các thiết bị khác nhau trong một hệ thống máy tính. Bus có nhiều dây dẫn được gắn trên mainboard, trên các dây này có các đầu nối đưa ra, các đầu này được sắp xếp và cách nhau những khoảng quy định để có thể cắm vào đó những I/O board hay board bộ nhớ (bus hệ thống – system bus). 2.1.2. Phân loại các Bus trong hệ thống: Các Bus trong hệ thống máy tính Cũng có những bus dùng cho mục đích chuyên biệt, thí dụ nối 1 vi xử lý với 1 hay nhiều vi xử lý khác hoặc nối với bộ nhớ cục bộ (local bus). Trong vi xử lý cũng có một số bus để nối các thành phần bên trong của bộ vi xử lý với nhau. Người thiết kế chip vi xử lý có thể tuỳ ý lựa chọn loại bus bên trong nó, còn với các bus liên hệ bên ngoài cần phải xác định rõ các quy tắc làm việc cũng như các đặc điểm kỹ thuật về điện và cơ khí của bus để người thiết kế mainboard có thể ghép nối chip vi xử lý với các thiết bị khác. Một số bus được sử dụng phổ biến: Tên Bus Lĩnh vực áp dụng Camac Vật lý hạt nhân EISA Một số hệ thống có chip 80386 IBM PC, Máy IBM/PC, IBM/PC/AT PC/AT Massbus Máy PDP – 11, và VAX Microchannel Máy PS/2 Multibus I Một số hệ thống 8086
  59. Multibus II Một số hệ thống có chip 80386 Versabus Một số hệ thống có chip xử lý của Motorola VME Một số hệ thống có chip xử lý họ 68x0 của Motorola Nói cách khác, các bus này phải tuân theo 1 chuẩn nào đó. Tập các quy tắc của chuẩn còn được gọi là giao thức bus (bus protocol) Ngoài ra, có rất nhiều loại bus khác nhau được sử dụng, các bus này nói chung là không tương thích với nhau. Bus thường phân loại theo 3 cách sau: • Theo tổ chức phần cứng (như trên) • Theo giao thức truyền thông ( bus đồng bộ và không đồng bộ) • Theo loại tín hiệu truyền trên bus ( bus địa chỉ, bus dữ liệu, ) 2.1.3. Bus hệ thống: Thường có nhiều thiết bị nối với bus, một số thiết bị là tích cực (active) có thể đòi hỏi truyền thông trên bus, trong khi đó có các thiết bị thụ động chờ yêu cầu từ các thiết bị khác. Các thiết bị tích cực được gọi là chủ (master) còn thiết bị thụ động là tớ (slave). Ví dụ: Khi CPU ra lệnh cho bộ điều khiển đĩa đọc/ghi một khối dữ liệu thì CPU là master còn bộ điều khiển đĩa là slave. Tuy nhiên, bộ điều khiển đĩa ra lệnh cho bộ nhớ nhận dữ liệu thì nó lại giữ vai trò master. 2.1.3 Bus Driver và Bus Receiver: Tín hiệu điện trong máy tính phát ra thường không đủ để điều khiển bus, nhất là khi bus khá dài và có nhiều thiết bị nối với nó. Chính vì thế mà hầu hết các bus master được nối với bus thông qua 1 chip gọi là bus driver, về cơ bản nó là một bộ khuếch đại tín hiệu số. Tương tự như vậy, hầu hết các slave được nối với bus thông qua bus receiver. Đối với các thiết bị khi thì đóng vai trò master, khi thì đóng vai trò slave, người ta sử dụng 1 chip kết hợp gọi là transceiver. Các chip này đóng vai trò ghép nối và là các thiết bị 3 trạng thái, cho phép nó có thể ở trạng thái thứ 3 – hở mạch (thả nổi). Giống như vi xử lý, bus có các đường địa chỉ, đường số liệu và đường điều khiển. Tuy nhiên, không nhất thiết có ánh xạ 1 – 1 giữa các tín hiệu ở các chân ra của vi xử lý và các đường dây của bus. Thí dụ: một số chíp vi xử lý có 3 chân ra, truyền ra các tín hiệu báo chíp vi xử lý đang thực hiện các thao tác MEMR, MEMW, IOR, IOW hay thao tác khác, một số Bus điển hình có các đường trên. Các vấn đề quan trọng nhất liên quan đến thiết kế bus là: xung clock bus (sự phân chia thời gian, hay còn gọi là bus blocking), cơ chế phân xử bus (bus arbitration), xử lý ngắt và xử lý lỗi.
  60. Các bus có thể được chia theo giao thức truyền thông thành hai loại riêng biệt là bus đồng bộ và bus không đồng bộ phụ thuộc vào việc sử dụng clock bus. 2.1.4 Bus đồng bộ (Synchronous bus): Bus đồng bộ có một đường điều khiển bởi một bộ dao động thạch anh, tín hiệu trên đường dây này có dạng sóng vuông, với tần số thường nằm trong khoảng 5MHz ÷ 50MHz. Mọi hoạt động bus xảy ra trong một số nguyên lần chu kỳ này và được gọi là chu kỳ bus. Chu kỳ đọc trong Bus đồng bộ Hình trên là giản đồ thời gian của một bus đồng bộ với tần số xung clock là 4MHz, như vậy chu kỳ bus là 250ns. Giả sử đọc 1 byte từ bộ nhớ chiếm 3 chu kỳ bus (750ns), tương ứng với T1, T2, T3 như hình vẽ. Vì tất cả các tín hiệu điện thay đổi mức không phải là tức thời, nên trên hình vẽ có các sườn xung, ta giả sử các sườn xung kéo dài 10ns. • T1 bắt đầu bằng cạnh dương của xung clock, trong một phần thời gian của T1, vi xử lý đặt địa chỉ byte cần đọc lên bus địa chỉ. Sau khi tín hiệu địa chỉ được xác lập, vi xử lý đặt các tín hiệu MREQ và RD tích cực mức thấp, tín hiệu MREQ (Memory Request) - xác định truy xuất bộ nhớ chứ không phải thiết bị I/O, còn tín hiệu RD - chọn đọc chứ không phải ghi dữ liệu. • T2: thời gian cần thiết để bộ nhớ giải mã địa chỉ và đưa dữ liệu lên bus dữ liệu. • T3: tại cạnh âm của T3, vi xử lý nhận dữ liệu trên bus dữ liệu, chứa vào thanh ghi bên trong vi xử lý và chốt dữ liệu. Sau đó vi xử lý đảo các tín hiệu MREQ và RD.