Bộ xử lý là gì và nó hoạt động như thế nào

Hôm nay chúng ta sẽ thấy một số phần cứng. Nhóm của chúng tôi được tạo thành từ một số lượng lớn các thành phần điện tử cùng nhau có khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu. Bộ xử lý, CPU hoặc bộ xử lý trung tâm là thành phần chính của nó. Chúng ta sẽ nói về bộ xử lý là gì, các thành phần của nó là gì và cách thức hoạt động chi tiết.

Sẵn sàng chưa? Hãy bắt đầu nào!

Chỉ số nội dung

Bộ xử lý là gì?

Điều đầu tiên chúng ta sẽ phải xác định là bộ vi xử lý là gì để biết mọi thứ khác. Bộ vi xử lý là bộ não của máy tính hoặc máy tính, nó được tạo thành từ một mạch tích hợp được gói gọn trong một con chip silicon được tạo thành từ hàng triệu bóng bán dẫn. Chức năng của nó là xử lý dữ liệu, điều khiển hoạt động của tất cả các thiết bị của máy tính, ít nhất là một phần lớn trong số chúng và quan trọng nhất: nó chịu trách nhiệm thực hiện các hoạt động logic và toán học.

Nếu chúng ta nhận ra điều đó, tất cả dữ liệu lưu thông qua máy của chúng ta là các xung điện, được tạo thành từ các tín hiệu của các số và số không được gọi là bit. Mỗi tín hiệu này được nhóm thành một tập hợp các bit tạo nên các hướng dẫn và chương trình. Bộ vi xử lý chịu trách nhiệm về ý nghĩa của tất cả điều này bằng cách thực hiện các hoạt động cơ bản: SUM, SUBTRACT, AND, OR, MUL, DIV, OPPOSITE VÀ InvERSE. Sau đó, chúng ta phải đến bộ vi xử lý:

• Nó giải mã và thực thi các hướng dẫn của các chương trình được tải trong bộ nhớ chính của máy tính. Phối hợp và điều khiển tất cả các thành phần tạo nên máy tính và các thiết bị ngoại vi được kết nối với nó, chuột, bàn phím, máy in, màn hình, v.v.

Các bộ xử lý hiện thường có hình vuông hoặc hình chữ nhật và được đặt trên một phần tử gọi là ổ cắm gắn vào bo mạch chủ. Điều này sẽ chịu trách nhiệm phân phối dữ liệu giữa bộ xử lý và phần còn lại của các yếu tố được kết nối với nó.

Kiến trúc của một máy tính

Trong các phần sau chúng ta sẽ thấy toàn bộ kiến ​​trúc của bộ xử lý.

Kiến trúc Von Neumann

Kể từ khi phát minh ra bộ vi xử lý cho đến ngày nay, chúng dựa trên kiến ​​trúc phân chia bộ xử lý thành nhiều yếu tố mà chúng ta sẽ thấy sau này. Đây được gọi là kiến ​​trúc Von Neumann. Đó là một kiến ​​trúc được phát minh vào năm 1945 bởi nhà toán học Von Neumann, mô tả thiết kế của một máy tính kỹ thuật số được chia thành một loạt các bộ phận hoặc các yếu tố.

Các bộ xử lý hiện tại vẫn chủ yếu dựa trên kiến ​​trúc cơ bản này, mặc dù về mặt logic, một số lượng lớn các yếu tố mới đã được giới thiệu cho đến khi chúng ta có các yếu tố cực kỳ hoàn chỉnh mà chúng ta có ngày nay. Khả năng nhiều số trên cùng một chip, các thành phần bộ nhớ ở nhiều cấp độ khác nhau, bộ xử lý đồ họa tích hợp, v.v.

Bộ phận bên trong của máy tính

Các bộ phận cơ bản của máy tính theo kiến ​​trúc này như sau:

• Bộ nhớ: là thành phần trong đó các hướng dẫn mà máy tính thực thi và dữ liệu mà các hướng dẫn hoạt động được lưu trữ. Các hướng dẫn này được gọi là chương trình. Bộ xử lý trung tâm hoặc CPU: nó là thành phần mà chúng ta đã xác định trước đó. Nó chịu trách nhiệm xử lý các hướng dẫn đi kèm từ bộ nhớ. Đơn vị đầu vào và đầu ra: nó cho phép giao tiếp với các yếu tố bên ngoài. Bus dữ liệu: là các rãnh, rãnh hoặc cáp kết nối vật lý các yếu tố trước đó.

Các yếu tố của bộ vi xử lý

Đã xác định các bộ phận chính của máy tính và hiểu cách thông tin lưu thông qua nó.

• Đơn vị điều khiển (UC): đó là yếu tố chịu trách nhiệm đưa ra các đơn đặt hàng thông qua các tín hiệu điều khiển, ví dụ, đồng hồ. Nó tìm kiếm các hướng dẫn trong bộ nhớ chính và chuyển chúng đến bộ giải mã lệnh để thực thi. Bộ phận nội bộ:
  1. Đồng hồ: Tạo sóng vuông để đồng bộ hóa các hoạt động của bộ xử lý Bộ đếm chương trình: Chứa địa chỉ bộ nhớ của lệnh tiếp theo sẽ được thực hiện Bản ghi lệnh: Chứa lệnh hiện đang thực thi Sequencer: Tạo các lệnh cơ bản để xử lý hướng dẫn. Bộ giải mã lệnh (DI): chịu trách nhiệm phiên dịch và thực hiện các lệnh đến, trích xuất mã hoạt động của lệnh.

• Đơn vị số học logic (ALU): chịu trách nhiệm thực hiện các phép tính số học (SUM, SUBTRACTION, MULTIPLICATION, DIVISION) và các phép toán logic (AND, OR,…). Bộ phận bên trong.
  1. Mạch hoạt động: chúng chứa các bộ ghép kênh và mạch để thực hiện các hoạt động. Các thanh ghi đầu vào: dữ liệu được lưu trữ và vận hành trước khi vào mạch vận hành Tích lũy: lưu trữ kết quả của các hoạt động được thực hiện Thanh ghi trạng thái (Flag): lưu trữ các điều kiện nhất định phải được tính đến trong các hoạt động tiếp theo.

• Đơn vị dấu phẩy động (FPU): Phần tử này không có trong thiết kế kiến ​​trúc ban đầu, nó được giới thiệu sau khi các hướng dẫn và tính toán trở nên phức tạp hơn với sự xuất hiện của các chương trình được biểu thị bằng đồ họa. Đơn vị này chịu trách nhiệm thực hiện các hoạt động điểm nổi, đó là số thực. Record Bank và Cache: Bộ xử lý ngày nay có bộ nhớ dễ bay hơi chuyển từ RAM sang CPU. Tốc độ này nhanh hơn nhiều so với RAM và chịu trách nhiệm tăng tốc độ truy cập của bộ vi xử lý vào bộ nhớ chính.

• Front Side Bus (FSB): Còn được gọi là bus dữ liệu, bus chính hoặc bus hệ thống. Đó là đường dẫn hoặc kênh giao tiếp bộ vi xử lý với bo mạch chủ, cụ thể là với con chip được gọi là cầu bắc hoặc cầu nối. Điều này chịu trách nhiệm kiểm soát hoạt động của bus CPU, RAM và cổng mở rộng chính như PCI-Express. Các thuật ngữ được sử dụng để xác định bus này là "Kết nối đường dẫn nhanh" cho Intel và "Hypertransport" cho AMD.

Nguồn: ngủerf thất.co

Nguồn: ixbtlabs.com

• Back Side BUS (BSB): bus này giao tiếp bộ nhớ đệm cấp 2 (L2) với bộ xử lý, miễn là nó không được tích hợp trong lõi CPU. Hiện tại tất cả các bộ vi xử lý đều có bộ nhớ đệm được tích hợp trong chip, vì vậy bus này cũng là một phần của cùng một chip.

Bộ vi xử lý hai hoặc nhiều lõi

Trong cùng một bộ xử lý, chúng ta không chỉ có các phần tử này được phân phối bên trong mà giờ đây chúng còn được sao chép. Chúng ta sẽ có một số lõi xử lý hoặc cùng một số bộ vi xử lý trong đơn vị. Mỗi trong số chúng sẽ có bộ đệm L1 và L2 riêng, thông thường L3 được chia sẻ giữa chúng, theo cặp hoặc với nhau.

Ngoài ra, chúng ta sẽ có ALU, UC, DI và FPU cho mỗi lõi, do đó tốc độ và khả năng xử lý nhân lên tùy thuộc vào số lượng lõi mà nó có. Các yếu tố mới cũng xuất hiện bên trong các bộ vi xử lý:

• Bộ điều khiển bộ nhớ tích hợp (IMC): Bây giờ với sự xuất hiện của một số lõi, bộ xử lý có một hệ thống cho phép bạn truy cập trực tiếp vào bộ nhớ chính. GPU tích hợp (iGP) - GPU xử lý xử lý đồ họa. Đây chủ yếu là các hoạt động điểm nổi với các chuỗi bit mật độ cao, do đó việc xử lý phức tạp hơn nhiều so với dữ liệu chương trình bình thường. Do đó, có các phạm vi vi xử lý triển khai bên trong chúng một đơn vị dành riêng cho xử lý đồ họa.

Một số bộ xử lý, như AMD Ryzen, không có card đồ họa bên trong. Chỉ APU của bạn?

Hoạt động của bộ vi xử lý

Một bộ xử lý hoạt động theo hướng dẫn, mỗi hướng dẫn này là một mã nhị phân của một phần mở rộng nhất định mà CPU có thể hiểu được.

Do đó, một chương trình là một tập hợp các hướng dẫn và để thực hiện nó, nó phải được thực hiện tuần tự, nghĩa là thực hiện một trong những hướng dẫn này ở mỗi bước hoặc khoảng thời gian. Để thực hiện một lệnh, có một số giai đoạn:

• Hướng dẫn tìm kiếm: chúng tôi đưa lệnh từ bộ nhớ đến bộ xử lý Giải mã lệnh: lệnh được chia thành các mã đơn giản hơn có thể hiểu được bởi CPU Tìm kiếm được vận hành: với lệnh được nạp trong CPU, bạn phải tìm toán tử tương ứng Thực thi hướng dẫn: thực hiện các hoạt động logic hoặc số học cần thiết Lưu kết quả: kết quả được lưu trữ

Mỗi bộ xử lý hoạt động với một bộ hướng dẫn nhất định, chúng được phát triển cùng với bộ xử lý. Tên x86 hoặc x386 dùng để chỉ tập hợp các hướng dẫn mà bộ xử lý làm việc với.

Theo truyền thống, bộ xử lý 32 bit cũng được gọi là x86, điều này là do trong kiến ​​trúc này, họ đã làm việc với bộ hướng dẫn này từ bộ xử lý Intel 80386, lần đầu tiên thực hiện kiến ​​trúc 32 bit.

Bộ hướng dẫn này cần được cập nhật để hoạt động hiệu quả hơn và với các chương trình phức tạp hơn. Đôi khi chúng ta thấy rằng trong các yêu cầu để một chương trình chạy xuất hiện một tập hợp các từ viết tắt như SSE, MMX, v.v. Đây là tập hợp các hướng dẫn mà bộ vi xử lý có thể xử lý. Vì vậy, chúng tôi có:

• SSE (Truyền phát tiện ích mở rộng SIMD): Họ trao quyền cho CPU hoạt động với các hoạt động điểm nổi. SSE2, SSE3, SSE4, SSE5, v.v.: các bản cập nhật khác nhau cho bộ hướng dẫn này.

Không tương thích bộ xử lý

Chúng ta đều nhớ khi một hệ điều hành Apple có thể chạy trên PC Windows hoặc Linux. Điều này là do các loại hướng dẫn từ các bộ xử lý khác nhau. Apple đã sử dụng bộ xử lý PowerPC, hoạt động với các hướng dẫn khác ngoài Intel và AMD. Vì vậy, có một số thiết kế hướng dẫn:

• CISC (Máy tính hướng dẫn phức tạp): đây là cái được Intel và AMD sử dụng, nó là về việc sử dụng một bộ ít hướng dẫn, nhưng phức tạp. Họ có mức tiêu thụ tài nguyên cao hơn, là những hướng dẫn đầy đủ hơn đòi hỏi một vài chu kỳ đồng hồ. RISC (Máy tính tập lệnh giảm): đây là bộ được Apple, Motorola, IBM và PowerPC sử dụng, đây là những bộ xử lý hiệu quả hơn với nhiều hướng dẫn hơn, nhưng ít phức tạp hơn.

Hiện tại cả hai hệ điều hành đều tương thích vì Intel và AMD triển khai kết hợp các kiến ​​trúc trong bộ xử lý của họ.

Quy trình thực hiện lệnh

1. Bộ xử lý khởi động lại khi nhận tín hiệu RESET, theo cách này, hệ thống tự chuẩn bị bằng cách nhận tín hiệu đồng hồ sẽ xác định tốc độ của quá trình. Trong thanh ghi CP (bộ đếm chương trình) địa chỉ bộ nhớ mà tại đó Bộ điều khiển (UC) đưa ra lệnh để tìm nạp lệnh mà RAM đã lưu trong địa chỉ bộ nhớ trong CP. Sau đó, RAM sẽ gửi dữ liệu và nó được đặt trên bus dữ liệu cho đến khi được lưu trữ trong RI (Sổ đăng ký lệnh). UC quản lý quy trình và lệnh được chuyển đến bộ giải mã (D) để tìm ý nghĩa của lệnh. Điều này sau đó đi qua UC để được thực thi. Một khi lệnh được biết và thao tác nào sẽ được thực hiện, cả hai được nạp vào các thanh ghi đầu vào ALU (REN). ALU thực thi thao tác và đặt kết quả vào bus dữ liệu và CP được thêm 1 để thực hiện lệnh sau.

Làm thế nào để biết bộ xử lý có tốt không

Để biết bộ vi xử lý tốt hay xấu, chúng ta phải xem xét từng thành phần bên trong của nó:

Chiều rộng xe buýt

Chiều rộng của một chiếc xe buýt xác định kích thước của các thanh ghi có thể lưu thông qua nó. Chiều rộng này phải phù hợp với kích thước của các thanh ghi bộ xử lý. Theo cách này, chúng ta có chiều rộng của xe buýt đại diện cho thanh ghi lớn nhất mà nó có khả năng vận chuyển trong một hoạt động.

Liên quan trực tiếp đến bus cũng sẽ là bộ nhớ RAM, nó phải có khả năng lưu trữ từng thanh ghi này với chiều rộng mà chúng có (đây được gọi là chiều rộng từ bộ nhớ).

Những gì chúng ta hiện có khi độ rộng bus là 32 bit hoặc 64 bit, nghĩa là chúng ta có thể đồng thời vận chuyển, lưu trữ và xử lý chuỗi 32 hoặc 64 bit. Với 32 bit, mỗi bit có khả năng là 0 hoặc 1, chúng ta có thể giải quyết số lượng bộ nhớ là 2 ³² (4GB) và với 64 bit 16 Exabyte EB. Điều này không có nghĩa là chúng ta có 16 Exabyte bộ nhớ trên máy tính, mà nó thể hiện khả năng quản lý và sử dụng một lượng bộ nhớ nhất định. Do đó, giới hạn nổi tiếng của các hệ thống 32 bit chỉ giải quyết được 4 GB bộ nhớ.

Nói tóm lại, xe buýt càng rộng thì khả năng làm việc càng nhiều.

Bộ nhớ cache

Những ký ức này nhỏ hơn nhiều so với RAM nhưng nhanh hơn nhiều. Chức năng của nó là lưu trữ các hướng dẫn sẽ được xử lý hoặc các hướng dẫn cuối cùng được xử lý. Bộ nhớ cache càng nhiều, tốc độ giao dịch mà CPU có thể nhận và thả càng cao.

Ở đây chúng ta phải nhận thức được rằng mọi thứ tiếp cận bộ xử lý đều đến từ ổ cứng và điều này có thể nói là chậm hơn rất nhiều so với RAM và thậm chí còn hơn cả bộ nhớ cache. Chính vì lý do này mà những ký ức trạng thái rắn này được thiết kế để giải quyết nút thắt lớn là ổ cứng.

Và chúng tôi sẽ tự hỏi, tại sao sau đó họ không chỉ sản xuất bộ nhớ cache lớn, câu trả lời rất đơn giản, bởi vì chúng rất đắt tiền.

Tốc độ xử lý nội bộ

Tốc độ Internet hầu như luôn là điều nổi bật nhất khi nhìn vào bộ xử lý. "Bộ xử lý chạy ở tốc độ 3, 2 GHz", nhưng đây là gì? Tốc độ là tần số xung nhịp mà tại đó bộ vi xử lý hoạt động. Tốc độ này càng cao, càng nhiều thao tác trên mỗi đơn vị thời gian nó sẽ có thể thực hiện. Điều này chuyển thành hiệu suất cao hơn, đó là lý do tại sao có bộ nhớ đệm, để tăng tốc thu thập dữ liệu của bộ xử lý để luôn thực hiện số lượng hoạt động tối đa trên một đơn vị thời gian.

Tần số đồng hồ này được đưa ra bởi một tín hiệu sóng vuông định kỳ. Thời gian tối đa để thực hiện một hoạt động là một khoảng thời gian. Khoảng thời gian là nghịch đảo của tần số.

Nhưng không phải tất cả mọi thứ là tốc độ. Có nhiều thành phần ảnh hưởng đến tốc độ của bộ xử lý. Ví dụ, nếu chúng ta có bộ xử lý 4 lõi tốc độ 1, 8 GHz và một lõi đơn khác ở tốc độ 4.0 GHz, thì chắc chắn rằng lõi tứ nhanh hơn.

Tốc độ xe buýt

Giống như tốc độ của bộ xử lý là quan trọng, tốc độ của bus dữ liệu cũng quan trọng. Bo mạch chủ luôn hoạt động ở tần số xung nhịp thấp hơn nhiều so với bộ vi xử lý, vì lý do này, chúng ta sẽ cần một hệ số nhân điều chỉnh các tần số này.

Ví dụ, nếu chúng ta có một bo mạch chủ với một bus ở tần số xung nhịp 200 MHz, thì hệ số nhân gấp 10 lần sẽ đạt tần số CPU là 2 GHz.

Kiến trúc vi mô

Kiến trúc vi mô của bộ xử lý xác định số lượng bóng bán dẫn trên một đơn vị khoảng cách trong nó. Đơn vị này hiện được đo bằng nm (nanomet) càng nhỏ, số lượng bóng bán dẫn có thể được giới thiệu càng nhiều, và do đó, số lượng phần tử và mạch tích hợp có thể được cung cấp càng nhiều.

Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng, các thiết bị nhỏ hơn sẽ cần ít dòng điện tử hơn, do đó sẽ cần ít năng lượng hơn để thực hiện các chức năng tương tự như trong một kiến ​​trúc vi mô lớn hơn.

Nguồn: intel.es

Làm mát linh kiện

Do tốc độ rất lớn mà CPU đạt được, dòng chảy hiện tại tạo ra nhiệt. Tần số và điện áp càng cao sẽ có một thế hệ nhiệt lớn hơn, do đó cần phải làm mát thành phần này. Có một số cách để làm điều này:

• Làm mát thụ động: bằng các bộ tản kim loại (đồng hoặc nhôm) làm tăng bề mặt tiếp xúc với không khí bằng vây. Làm mát chủ động: Ngoài tản nhiệt, một chiếc quạt cũng được đặt để cung cấp luồng không khí cưỡng bức giữa các vây của phần tử thụ động.

• Làm mát bằng chất lỏng: nó bao gồm một mạch được tạo thành từ một máy bơm và bộ tản nhiệt có vây. Nước được lưu thông qua một khối nằm trong CPU, phần tử chất lỏng thu thập nhiệt được tạo ra và vận chuyển nó đến bộ tản nhiệt, bằng phương tiện thông gió cưỡng bức sẽ tản nhiệt, một lần nữa hạ nhiệt độ của chất lỏng.

Một số bộ xử lý bao gồm một tản nhiệt. Thông thường chúng không phải là vấn đề lớn… nhưng chúng phục vụ để giúp PC hoạt động và cải thiện nó cùng một lúc

• Làm mát bằng Heatpipes: hệ thống bao gồm một mạch kín gồm các ống đồng hoặc nhôm chứa đầy chất lỏng. Chất lỏng này thu nhiệt từ CPU và bốc hơi lên đến đỉnh của hệ thống. Tại thời điểm này, có một tản nhiệt có vây trao đổi nhiệt của chất lỏng từ bên trong ra không khí bên ngoài, theo cách này, chất lỏng ngưng tụ và rơi trở lại khối CPU.

Chúng tôi đề nghị

Điều này kết luận bài viết của chúng tôi về bộ xử lý là gì và cách thức hoạt động chi tiết. Chúng tôi hy vọng bạn thích nó.