Tìm Hiểu Về Cách Làm Việc Của CPU


Mỗi bộ vi xử lý đều có thiết bên cạnh trong rất riêng và khác nhau, nhưng chúng phải tuân theo cùng một nguyên lý chung – đây chính là thứ mà chúng tôi muốn giới thiệu đến các bạn trong bài này. Chúng tôi sẽ giới thiệu kiến trúc CPU chung nhất để các bạn cũng đều có thể hiểu thêm về các sản phẩm của Intel và AMD cũng như những khác nhau cơ bản giữa chúng.

CPU (Central Processing Unit) – cũng được gọi là microprocessor hay processor – nhận trách nhiệm xử lý dữ liệu. Cách nó xử lý dữ liệu như ra sao sẽ phụ thuộc vào chương trình. Chương trình có thể là một bảng tính, một trình xử lý văn bản hay một game nào đó. Đối với CPU dù chương trình có là gì rồi cũng không có nhiều khác biệt, vì nó không hiểu những gì chương trình sẽ thực hiện. Nó chỉ tuân theo những “yêu cầu – order” (được xem là các chỉ lệnh hay các lệnh) có bên trong chương trình. Những yêu cầu này cũng có thể có thể là thêm 2 số hoặc gửi dữ liệu đến card video, v.v…

  • CPU là gì?

Khi bạn kích đúp vào một biểu tượng nào đó để chạy chương trình thì này là những gì sẽ xảy ra:

1. Chương trình đã lưu bên trong ổ đĩa cứng sẽ có dẫn vào bộ nhớ RAM. Ở đây chương trình chính là một loạt các chỉ lệnh đối với CPU.

2. CPU sử dụng mạch phần cứng được xem là memory controller để tải dữ liệu chương trình từ bộ nhớ RAM.

3. Lúc đó dữ liệu bên trong CPU sẽ được xử lý.

4. Những gì xảy ra tiếp theo sẽ phụ thuộc vào chương trình vừa được nạp. CPU cũng đều có thể tiếp tục tải và thực thi chương trình hoặc cũng có thể thực hiện một công việc nào đó với dữ liệu đã được xử lý, như việc hiển thị kết quả thật hiện nào đó lên màn hình.

Cách dữ liệu đã lưu được chuyển vào CPU
Hình 1: Cách dữ liệu đã lưu được chuyển vào CPU

Trước đây, CPU điều khiển sự truyền tải dữ liệu giữa ổ đĩa cứng và bộ nhớ RAM. Vì ổ đĩa cứng thường có vận tốc truy cập thấp hơn so với bộ nhớ RAM nên nó làm chậm cả hệ thống, bởi vì thế CPU sẽ thật bận cho đến khi tất cả dữ liệu đã được truyền tải từ ổ đĩa cứng vào bộ nhớ RAM. Phương pháp này được gọi là PIO, Processor I/O (hay Programmed I/O). Ngày nay, sự truyền tải dữ liệu giữa ổ đĩa cứng và bộ nhớ RAM được thực hành mà không sử dụng đến CPU, như vậy nó sẽ khiến cho hệ thống hoạt động nhanh hơn. Phương pháp này được coi là bus mastering hay DMA (Direct Memory Access). Để dễ dàng hóa hơn cho hình vẽ, chúng tôi không dẫn vào chip cầu nối (được xem là north bridge chip) giữa ổ đĩa cứng và bộ nhớ RAM trên hình 1, tuy vậy là có 1 chip đó tại vị trí nối này.

Các bộ vi giải quyết của AMD dựa trên sockets 754, 939 và 940 (Athlon 64, Athlon 64 X2, Athlon 64 FX, Opteron cùng một số loại hình Sempron) có một memory controller được nhúng bên trong. Điều đó đồng nghĩa với việc với những bộ vi giải quyết này, CPU truy cập bộ nhớ RAM một cách trực diện mà không sử dụng north bridge chip như thể hiển thị trên hình 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, đó 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 fix cố định. Trên hình vẽ bạn có thể thấy 3 chu kỳ của xung clock này. Bắt đầu của mỗi một chu kỳ là khi tín hiệu clock biến thiên từ “0” lên “1”; chúng mình đã đánh dấu nó bằng một mũi tên. Tín hiệu clock được đo theo đơn vị có tên coi là Hertz (Hz), đây là số chu kỳ clock trong mỗi giây đồng hồ. Một xung clock 100MHz có nghĩa là trong 1 giây đồng hồ có 100 triệu chu kỳ xung nhịp.


Hình 2: Tín hiệu xung clock

Trong máy tính, mọi thứ 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 này có nghĩa là nó sẽ trì hoãn 5 chu kỳ xung nhịp để bắt đầu việc phân phối dữ liệu. Trong CPU, mọi thứ các chỉ lệnh đều trì trệ một số chu kỳ xung clock nào đó để được thực thi. Ví dụ, một chỉ lệnh nào đó cũng có thể có thể được trì trệ 7 chu kỳ xung clock để được thực thi xong.

Với CPU, điều thú vị là nó biết được bao nhiêu chu kỳ xung clock mà mỗi chỉ lệnh cần, nó biết được điều ấy bởi nó giữ một bảng liệt kê các thông tin này. Chính vì thế nếu nó có hai chỉ lệnh được thực thi và nó biết rằng chỉ lệnh trước mắt sẽ cần 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. Tất nhiên, đây là cách lý giải chung cho CPU với một khối thực thi – các bộ vi giải quyết tối tân có một số khối thực thi làm việc đi đôi và nó cũng đều có thể thực thi chỉ lệnh thứ 2 tại cùng thời điểm với chỉ lệnh đầu. Điều này được xem là kiến trúc “superscalar”, chúng ta sẽ nói kỹ hơn về kiến trúc này ở các phần sau.

Vậy clock đã làm gì với hiệu suất? Nếu cho là clock và hiệu suất là cùng một thứ thì đó là suy nghĩ tận gốc sai về các bộ vi xử lý.

Nếu bạn so sánh hai CPU hoàn toàngiống nhau, CPU nào chạy ở vận tốc clock cao hơn sẽ nhanh hơn. Trong tình huống này, với một tốc độ clock cao hơn, thời gian giữa mỗi chu kỳ clock sẽ ngắn hơn, vì thế những công việc sẽ có thực thi tốn ít thời gian hơn và công suất sẽ cao hơn. Tuy nhiên khi đối chiếu hai bộ vi xử lý khác nhau thì điều ấy tận gốc không đúng.

Nếu bạn lấy hai bộ vi giải quyết có kiến trúc không giống nhau – ví dụ, khác nhau về nhà cung cấp như Intel và AMD – những thứ bên trong hai CPU này là hoàn toàn khác nhau.

Như chúng tôi đã đề cập, mỗi chỉ lệnh cần đến một số chu kỳ clock nhất định để được thực thi. Chúng ta hãy bảo rằng bộ vi xử lý “A” cần đến 7 chu kỳ clock để thực thi một chỉ lệnh nào đó và bộ vi giải quyết “B” cần 5 chu kỳ clock để thực hành một chỉ lệnh tương tự. Nếu chúng đang chạy với cùng một vận tốc 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 luôn phải coi xét đến hiệu suất này, vì các CPU có con số khối thực thi khác nhau, kích cỡ cache khác nhau, các cách truyền tải dữ liệu bên trong CPU cũng khác nhau, cách giải quyết các chỉ lệnh bên trong số khối thực thi và tốc độ clock không trùng lặp với thế giới thực bên ngoài,… Tuy nhiên bạn chẳng luôn phải lo âu về điều đó, chúng tôi sẽ giới thiệu chúng trong bài này.

Khi tín hiệu clock của bộ vi giải quyết quá cao sẽ xuất hiện một vấn đề. Bo mạch chủ, nơi mà bộ vi giải quyết được cài đặt chẳng thể làm việc bằng cách sử dụng cùng tín hiệu clock. Nếu xem bo mạch chủ, bạn 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 này là với vận tốc clock cao, các dây mạch in này sẽ bắt đầu hoạt động như những chiếc ăng-ten, do đó, tín hiệu, thay vì đi tới địa thế cần đến ở phía cuối đầu dây lại biến mất, nó được truyền đi như các sóng vô tuyến.

Mạch in bên trên bo mạch chủ có thể làm việc như các ăng-ten
Hình 3: Mạch in bên trên bo mạch chủ có thể làm việc như các ăng-ten

External Clock

Vì vậy các hãng sản xuất CPU đã bắt đầu sử dụng một định nghĩa mới, khái niệm được xem là nhân xung clock, phần mềm này bắt đầu được sử dụng trong bộ vi giải quyết 486DX2. Với cơ chế này (được sử dụng trong tất cả những 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 thí dụ thực, trên Pentium 4 3.4 GHz thì số lượng “3.4 GHz” chính là clock trong của CPU, clock này đạt được bằng phương pháp nhân 17 với clock ngoài là 200 của nó. Mô phỏng thí dụ này trong hình 4.

Clock trong và ngoài trên Pentium 4 3.4 GHz.
Hình 4: Clock trong và ngoài trên Pentium 4 3.4 GHz.

Sự không trùng lặp lớn giữa clock trong và clock ngoài trên các CPU hiện đại là cách băng qua nhược điểm từ tính như đã nói trên để tăng công suất máy tính. Tiếp tục với thí dụ về Pentium 4 3.4 GHz ở trên, nó phải giảm vận tốc của nó đi 17 lần khi thực hiện đọc dữ liệu từ bộ nhớ RAM! Trong suốt công đoạn này, nó làm việc như một CPU với vận tốc 200MHz.

Một số kỹ thuật được dùng làm tối thiểu hóa ảnh hưởng của sự không trùng lặp giữa các clock này. Một trong những chúng là sử dụng cache nhớ bên trong CPU. Phương pháp khác là truyền đạt 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.

Truyền tải nhiều dữ liệu trên mỗi chu kỳ clock
Hình 5: Truyền tải nhiều dữ liệu trên mỗi chu kỳ clock

Chính vì điều đó nên các CPU của AMD được liệt vào loại có vận tốc gấp hai clock external 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 đạt hai dữ liệu trên mỗi một chu kỳ clock được coi là DDR (Dual Data Rate), còn kỹ thuật truyền tải 4 dữ liệu trên một chu kỳ clock được xem là QDR (Quad Data Rate).

Video về kiểu cách CPU hoạt động

Bạn xem tạm bằng tiếng Anh nhé, có thời gian mình sẽ Việt sub ^^.

  • Tìm hiểu về việc làm việc của CPU (Phần II) 
  • Tìm hiểu về việc làm việc của CPU (Phần cuối)
  • Tìm hiểu cách làm việc của cục nhớ Cache

Sưu Tầm: Internet – Kênh Tin: TopVn

Bài Viết Liên Quan


Bài Viết Khác