1. Giới thiệu
CPU (Center Processor Unit) là bộ xử lý trung của máy tính, được ví như bộ não của con người, toàn bộ quá trình xử lý, tính toán và điều khiển đều được thực hiện tại đây.
Chương trình được thực thi gồm một dãy các chỉ thị được lưu trữ trong bộ nhớ. Quá trình thực thi chương trình gồm hai bước: CPU đọc chỉ thị từ bộ nhớ và thực thi chỉ thị đó. Việc thực thi chương trình là sự lặp đi lặp lại quá trình lấy chỉ thị và thực thi chỉ thị.
Trong các CPU hiện nay có tới hàng trăm triệu Transistor được tích hợp trong một diện tích rất nhỏ khoảng 2 đến 3cm2 (Core 2 Duo tên mã Conroe có 291 triệu transistor trên diện tích 143 mm2, CPU 45nm có tên mã là Wolfdale thuộc họ Penryn, có kích thước là 107 mm2 gồm 410 triệu transistor).
CPU là linh kiện quyết định đến tốc độ của máy tính, tốc độ xử lý của CPU được tính bằng MHz hoặc GHz.
Hãng sản xuất CPU lớn nhất hiện nay là Intel (Mỹ) hãng này chiếm đến 90% thị phần về CPU cho máy tính PC, ngoài ra còn có một số hãng cạnh tranh như AMD, Cyrix, Nexgen, Motorola.
2. Các yếu tố tác động đến hiệu suất của CPU
a. Độ rộng Bus dữ liệu và Bus địa chỉ (Data Bus và Add Bus)
Độ rộng Bus dữ liệu là nói tới số lượng đường truyền dữ liệu bên trong và bên ngoài CPU.
Như ví dụ hình dưới đây thì CPU có 12 đường truyền dữ liệu (ta gọi độ rộng Data Bus là 12 bit), hiện nay trong các CPU từ Pentium 2 đến Pentium 4 đều có độ rộng Data Bus là 64 bit.
Tương tự như vậy thì độ rộng Bus địa chỉ (Add Bus) cũng là số đường dây truyền các thông tin về địa chỉ. Địa chỉ ở đây có thể là các địa chỉ của bộ nhớ RAM, địa chỉ các cổng vào ra và các thiết bị ngoại vi ... để có thể gửi hoặc nhận dữ liệu từ các thiết bị này thì CPU phải có địa chỉ của nó và địa chỉ này được truyền đi qua các Bus địa chỉ. Giả sử: Nếu số đường địa chỉ là 8 đường thì CPU sẽ quản lý được 28 = 256 địa chỉ. Hiện nay trong các CPU Pentium 4 có 64 bít địa chỉ và như vậy chúng quản lý được 264 địa chỉ nhớ.
b. Tốc độ xử lý và tốc độ Bus (tốc độ dữ liệu ra vào chân) còn gọi là FSB
Tốc độ xử lý của CPU (Speed): Là tốc độ chạy bên trong của CPU, tốc độ này được tính bằng MHz hoặc GHz. z Thí dụ một CPU Pentium 3 có tốc độ 800MHz tức là nó dao động ở tần số 800.000.000 Hz, CPU pentium 4 có tốc độ là 2,4GHz tức là nó dao động ở tần số 2.400.000.000 Hz.
Tốc độ Bus của CPU (FSB): Là tốc độ dữ liệu ra vào các chân của CPU - còn gọi là Bus phía trước: Front Site Bus (FSB). Thông thường tốc độ xử lý của CPU thường nhanh gấp nhiều lần tốc độ Bus của nó, dưới đây là thí dụ minh hoạ về hai tốc độ này (lưu ý từ Core i7 trở đi Intel không còn đặt là FSB nữa mà gọi là QPI). Hiện nay với CPU Dual Core thì có FSB từ 800MHz (E1xxx, E2xxx, E5xxx) đến 1066MHZ (E6300), Core 2 Duo từ 1066MHz đến 1333MHz, Core 2 Quad từ 1066MHz đến 1600MHz.
c. Dung lượng bộ nhớ đệm Cache
Bộ nhớ Cache là bộ nhớ nằm bên trong của CPU, nó có tốc độ truy cập dữ liệu theo kịp tốc độ xủa lý của CPU, điều này khiến cho CPU trong lúc xử lý không phải chờ dữ liệu từ RAM vì dữ liệu từ RAM phải đi qua Bus của hệ thống nên mất nhiều thời gian.
Độ rộng Bus dữ liệu và Bus địa chỉ (Data Bus và Add Bus):
Một dữ liệu trước khi được xử lý, thông qua các lệnh gợi ý của ngôn ngữ lập trình, dữ liệu được nạp sẵn lên bộ nhớ Cache, vì vậy khi xử lý đến, CPU không mất thời gian chờ đợi.
Khi xử lý xong trong lúc đường truyền còn bận thì CPU lại đưa tạm kết quả vào bộ nhớ Cache, như vậy CPU không mất thời gian chờ đường truyền được giải phóng.
Bộ nhớ Cache là giải pháp làm cho CPU có điều kiện hoạt động thường xuyên mà không phải ngắt quãng chờ dữ liệu, vì vậy nhờ có bộ nhớ Cache mà hiệu quả xử lý tăng lên rất nhiều, tuy nhiên bộ nhớ Cache được làm bằng Ram tĩnh do vậy giá thành của chúng rất cao. Hiện nay bộ nhớ Cache của các dòng CPU Intel thường từ 2MB trở lên.
3. Sơ đồ cấu tạo của CPU
CPU có 3 khối chính đó là:
ALU (Arithmetic Logic Unit): Đơn vị số học logic: Khối này thực hiện các phép tính số học và logic cơ bản trên cơ sở các dữ liệu.
Control Unit: Khối này chuyên tạo ra các lệnh điều khiển như điều khiển ghi hay đọc v v..
Registers (Các thanh ghi): Nơi chứa các lệnh trước và sau khi xử lý.
Sơ đồ cấu tạo bên trong của CPU
4. Nguyên lý hoạt động của CPU
CPU hoạt động hoàn toàn phụ thuộc vào các mã lệnh, mã lệnh là tín hiệu số dạng 0, 1 được dịch ra từ các câu lệnh lập trình, như vậy CPU sẽ không làm gì cả nếu không có các câu lệnh hướng dẫn.
Khi chúng ta chạy một chương trình thì các chỉ lệnh của chương trình đó được nạp lên bộ nhớ RAM, các chỉ lệnh này đã được dịch thành ngôn ngữ máy và thường trú trên các ngăn nhớ của Ram ở dạng 0, 1.
CPU sẽ đọc và làm theo các chỉ lệnh một cách lần lượt. Trong quá trình đọc và thực hiện các chỉ lệnh, các bộ giải mã sẽ giải mã các chỉ lệnh này thành các tín hiệu điều khiển.
5. Phân loại CPU Intel
a. Các công nghệ CPU Intel
Công nghệ CPU đơn lõi: từ Pentium đến Pentium 4
Công nghệ siêu phân luồng: Pentium D
Công nghệ đa lõi: Duo Core, Core 2 Dual, Core Quad
Công nghệ Core i: Core i3, i5, i7, i9 là phân dòng Chip mới nhất của Intel
b. So sánh giữa các công nghệ
Công nghệ lõi kép và tiếp theo là công nghệ đa lõi (multi-core) là tương lai của công nghệ vi xử lý. Ở đây chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về công nghệ này trên chip Intel.
Vào năm 2002, Intel đã giới thiệu các CPU có tích hợp công nghệ Hyper Threading ("Công nghệ Siêu phân luồng"). Công nghệ này đã được cải tiến hơn so với công nghệ cũ như sau:
Nguyên lý hoạt động bộ xử lí đơn luồng
Nguyên lý hoạt động bộ xử lí siêu phân luồng
Mỗi ứng dụng trên máy tính khi thực hiện sẽ chạy nhiều tiến trình, mỗi tiến trình lại gồm nhiều luồng xử lý (gọi là thread). Với bộ xử lý đơn luồng, tại một thời điểm chỉ có một luồng xử lý được thực hiện, nếu có nhiều luồng cùng muốn thực hiện thì các luồng này thực hiện tuần tự cái sau tiếp nối cái trước.
Với bộ xử lý siêu phân luồng, nó có thể thực hiện song song 2 luồng xử lý, tận dụng tối đa tài nguyên hệ thống và rút ngắn thời gian xử lý.
Theo sự phát triển, các phần mềm hay các hệ điều hành mới yêu cầu tốc độ mà mỗi vi xử lý thực hiện các lệnh ngày càng cao, các CPU tăng tốc độ xung nhịp với phương pháp chủ yếu là đưa ngày càng nhiều mạch bán dẫn vào một bộ chip, điều này sẽ khiến cho CPU phát sinh nhiều nhiệt và một số thí nghiệm đã cho thấy CPU sẽ không còn hoạt động hiệu quả nữa.
Công nghệ lõi kép sẽ giải quyết vấn đề trên, nó cho phép một bộ xử lý có thể chứa 2 lõi hoặc nhiều hơn. Các lõi này sẽ hoạt động song song với nhau, chia sẻ công việc tính toán xử lý mà bộ xử lý phải đảm nhận.
Nguyên lý hoạt động bộ xử lí siêu phân luồng
Việc có hai lõi hoặc nhiều hơn sẽ giúp bộ xử lý hoạt động hiệu quả và có công suất cao hơn, vì mỗi lõi sẽ xử lý ít ứng dụng hơn, giảm hiện tượng bộ xử lý phải cùng một lúc gánh vác công việc của nhiều ứng dụng.
Và tiếp theo là sự kết hợp giữa công nghệ lõi kép và công nghệ siêu phân luồng để đạt được 4 luồng xử lý thực hiện song song. Cho tốc độ xử lý nhanh gấp nhiều lần mà không cần tăng tốc độ xung nhịp.
Nguyên lý hoạt động bộ xử lí lõi kép và siêu phân luồng
6. Cách cắm CPU vào Mainboard và thiết lập thông số
Ở đây nêu quy trình lắp ráp CPU Intel Socket LGA755
Lưu ý: Đeo vào cổ tay một chiếc vòng chống sốc tĩnh điện (electrostatic wrist strap). Nếu không có sẵn vòng chống tĩnh điện, ta có thể tự xả tĩnh điện (electrostatically discharged) bằng cách chạm tay vào phần vỏ kim loại của bộ nguồn CPU đang gắn trong thùng máy.
Bước 1: Mở chiếc nắp kim loại của socket bằng cách dùng tay nhấn nhẹ phần đầu của thanh đòn bẩy hình chữ J để nó ra khỏi khớp gài rồi kéo nó hết cỡ về phía sau.
Socket LGA775 |
Socket LGA775 sau khi đã được gỡ nắp nhựa bảo vệ |
Mở nắp kim loại Socket LGA775 |
Bước 2: Dùng hai ngón tay cầm hai cạnh của CPU và đặt nhẹ nhàng xuống socket. Chú ý đặt đúng chiều.
Bước 3: Đóng chiếc nắp kim loại của socket lại như cũ. Dùng một ngón tay giữ phần đầu của nắp đậy rồi điều chỉnh thanh đòn bẩy cho cái ngàm của nó ăn gọn lên phần mấu của nắp đậy. Sau đó, bạn gài thanh đòn bẩy vào chốt khóa của nó bằng cách đẩy nó về phía trước, khi tới gần cuối thì hơi dịch ra ngoài một chút xíu rồi nhấn nhẹ xuống và kéo nó gài vào chốt. Bây giờ, ta gắn quạt cho CPU.
Gắn CPU vào socket LGA775
Bước 4: Khi mua CPU Socket LGA775 nguyên hộp, bạn sẽ có sẵn một chiếc quạt CPU của Intel. Nhưng bạn cũng có thể sử dụng quạt LGA775 của một hãng thứ ba. Ở đây, ta gắn quạt của một hãng thứ ba nhưng có hình thức giống hệt quạt Intel gốc.
Quạt CPU
Bước 5: Đặt quạt lên khu vực socket CPU sao cho tất cả mũi 4 chân quạt (phần nhựa trắng) đều lọt gọn vào trong 4 chiếc lỗ trên mainboard. Dùng hai ngón tay cái nhấn mạnh theo chiều thẳng đứng lên hai đầu chân cắm ở hai phía đối diện nhau cho tới khi nào nghe có tiếng “cạch” một cái báo hiệu chân đã được khóa hoàn toàn. Sau đó đóng khóa cùng một lúc hai chân đối diện để tránh tình trạng một bên chịu áp lực quá lớn gây tổn hại cho CPU và socket. Xong hai chân khóa này, bạn tiến hành đóng khóa hai chân còn lại.
Chân khóa quạt LGA775 đã được khóa chính xác.
Bước 6: Sau khi gắn quạt, gắn đầu cắm nguồn của quạt vào chân cắm quạt CPU (thường ghi là CPU_FAN). Chọn đúng khớp.
Cắm nguồn quạt vào chân cắm quạt.