Chương 5 Bộ xử lý trung tâm và các chipset Bộ xử lý trung tâm là một một mạch tích hợp phức tạp, hơn bất kỳ yếu tố nào công năng của một loại máy tính phụ thuộc chủ yếu vào các đặc trưng kỹ thuật và nhãn hiệu của bộ vi xử lý, xu hướng phát triển của công nghệ vi xử lý là tốc độ hoạt động ngày càng nhanh, độ tin cậy ngày càng cao, kích thước ngày càng nhỏ, đồng thời ít tiêu tốn điện năng Nội dung của bài gồm: - Cơ sở về CPU - Những khái niệm về CPU hiện đại - Các CPU của Intel - Các CPU của AMD - Các CPU của Cyrix - Việc ép xung CPU - Giải quyết hỏng hóc CPU - Các chipset của AMD - Các Chipset của INTEL Mục tiêu: - Hiểu được nguyên lý làm việc của CPU và Chipset - Hiểu nguyên nhân và cách khắc phục lỗi thường gặp của CPU và Chipset. - Trình bày được nguyên lý làm việc của CPU và CHIPSET - Phân tích được nguyên nhân các lỗi thường gặp - Khắc phục đựoc các lỗi thường gặp của CPU và CHIPSET - Tuân thủ, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị - Có tinh thần trách nhiệm cao trong học tập và làm việc - Tính cẩn thận, chính xác, suy luận hợp logic. Nội dung chính 5. Giới thiệu các loại CPU 5.
Các CPU của Intel Mục tiêu: - Liệt kê được các CPU của Intel - Liệt kê được các CPU của AMD - Trình bày được chức năng của các loại CPU 63 Intel là một hãng hàng đầu chuyên sản xuất các loại vi xử lý, mạch bán dẫn và các thiết bị nối ghép mạng và các chipset, bộ xử lý trung tâm CPU. Hiện nay có xấp xỉ 75% máy tính cá nhân trên thế giới đang sử dụng CPU của Intel. Đóng tại Santa Clara, bang California, Mỹ, hãng Intel đã báo cáo thu nhập của mình trong quý đầu năm 1995 là 3,56 tỷ USD. Intel 4004 là bộ vi xử lý đầu tiên trên thế giới, ra đời vào năm 1971.
Là bộ VXL 4 bit được thiết kế để dùng trong các máy calculator có thể lập trình, 4008 hoạt động ở tốc độ xung nhịp xấp xỉ 0,1 MHz. Cấu trúc 4 bit cho phép làm việc với độ dài cực đại 16 ký tự - đủ dùng đối với các con số từ 0 đến 9 và các dấu trong các phép tính số cơ bản (cộng, trừ, nhân, chia). Intel 8080 là bộ VXL 8 bit ra đời vào tháng 4 năm 1974, tương đương 8000 transistor chạy ở tốc độ 2MHz và có thể xử lý khoảng 1,5 MIPS. Với bus địa chỉ 16 bit, 8080 chỉ có thể sử dụng bộ nhớ 64K.
Đây là loại VXL được dùng trong loạt máy tính micro đầu tiên trên thế giới, máy Altain. Intel 8086 là bộ VXL 16 bit đầu tiên được giới thiệu vào tháng 6 năm 1978, tương đương với 29.000 transistor, hoạt động ở tốc độ 4,77 MHz và có thể xử lý vào khoảng 1,3 MIPS. Với bus địa chỉ 20 bit, 8086 có thể sử dụng bộ nhớ đến 1MB. Tuy có khiếm khuyết là chia nhỏ bộ nhớ thành nhiều đoạn 64K, nhưng cấu trúc và tập lệnh của 8086 là cơ sở cho 90% số lượng máy tính cá nhân đang được sử dụng hiện nay trên thế giới.
Intel 8088 ra đời vào tháng 6 năm 1979, hoàn toàn giống về cấu trúc và các tính năng như 8086 chỉ trừ một khác biệt cơ bản: bus dữ liệu trong 16 bit nhưng bus dữ liệu ngoài chỉ 8 bit để "thỏa hiệp" với các loại ngoại vi 8 bit đang có sẵn trên thị trường hồi đó. Hãng IBM đã mua được bản quyền sản xuất của 8086 và 8088 nên quyết định dùng cấu trúc x86 trong loại máy tính đầu tiên của mình - máy IBM PC – ra đời vào 1981. Intel 80286 là loại VXL 16 bit được giới thiệu vào tháng 1 năm 1982. Chip 80286 tương đương 139.000 transistor, tốc độ xung nhịp 8MHz và tốc độ xử lý 1,2 MIPS.
Phiên bản thứ hai của 80286 có tốc độ 20 MHz. Với bus địa chỉ 24 bit, chip VXL này có thể sử dụng bộ nhớ 16MB. Chính 80286 đã cung cấp sức mạnh cho máy PC ATcủa IBM ra đời vào năm 1984. Đổi mới kỹ thuật then chốt của 80286 là có khả năng chạy theo nhiều chế độ.
Trong chế độ thực (real mode) 80286 chỉ sử dụng bộ nhớ 1MB nên tương thích với các hệ điều hành và phần mềm đã được soạn cho 8086 và 8088. Chế độ thứ hai là chế độ bảo vệ (protected mode), chip 80286 có thể truy cập 16MB bộ nhớ. Một cải tiến khác là 80286 có khả năng sử dụng bộ nhớ ảo hình thành trên đĩa 64 cứng làm không gian lưu trữ tạm thời, nên máy tính được xem như có bộ nhớ chính lớn hơn thực có. Nhược điểm của 80286 là không gian nhớ trên 1MB không nguyên khối mà bị chia thành nhiều đoạn nhỏ 64K rất khó khăn cho những người lập trình.
Tệ hại hơn là chip này không thể chuyển từ chế độ bảo vệ sang chế độ thực; nếu muốn rời chế độ bảo vệ để khởi đầu một chương trình DOS, ta phải khởi động lại máy tính. Những bất lợi này đã sớm làm cho những nhà thiết kế hệ thống xem 80286 như là một kiểu thiết kế chết (brain-dead design). Intel 80386 là bộ Vi xử lý được giới thiệu vào tháng 10 năm 1985, tương đương 275.000 transistor, có tốc độ 16 MHz và tốc độ xử lý khoảng 6MIPS. Các phiên bản sau của 80386 có tốc độ 20 MHz.
Với bus địa chỉ 32 bit, 80386 có thể sử dụng bộ nhớ đến 4 GB, đồng thời nó cũng có thể sử dụng đến 64 TB bộ nhớ ảo đợi. Khi chip 386SX ra đời thì chip 80386 được đặt tên lại là 386DX và lần lượt ra đời các phiên bản 20MHz, 25MHz và 33MHz. Compaq là hãng đầu tiên đưa ra loại máy tính chạy bằng 80386. Bộ VXL 386 ra đời nhằm khắc phục trực tiếp các nhược điểm của 80286: phải chuyển đổi được nhanh chóng giữa chế độ thực và chế độ bảo vệ, và phải có khả năng hoạt động với bộ nhớ RAM tối đa 4 GB.
Chip 386 còn có một bộ cache nội nhỏ đồng thời có thể sử dụng thêm cache ngoài để tăng tốc độ hoạt động của VXL. Một tính năng mới của 386 là có thể mô phỏng một hoặc nhiều bộ VXL 8086 cùng một lúc nên cho phép chạy nhiều chương trình DOS đồng thời. Bộ VXL 386 DX đã làm cho Microsoft Windows trở nên một hệ điều hành mạnh. Ta khởi động Windows 3.1 bằng DOS (trong chế độ thực), rồi chuyển sang chế độ bảo vệ để nó có thể thiết lập nhiều "cửa sổ", mà thực chất là các bộ xử lý 8086 ảo, chạy nhiều trình ứng dụng DOS khác nhau trong các cửa sổ đó.
Nếu không, ta cũng có thể chạy các trình ứng dụng Windows. Intel 386 SX là một phiên bản "què" của 80386, ra đời vào tháng 6 năm 1988, tuy có bus dữ liệu trong 32 bit nhưng bus dữ liệu ngoài chỉ 16 bit. Chip 386 SX chỉ sử dụng được 20MB bộ nhớ, chỉ xử lý được 2,5 MIPS, có trị số 6,2 đối với CINT92 và 3,3 đối với CFP92. Intel 386 SL là phiên bản tiết kiệm điện (low-power) của bộ VXL 386 SX được thiết kế để dùng trong các máy tính notebook.
Loại chip này có chế độ chạy không (sleep mode) tiêu thụ dòng điện rất nhỏ để duy trì tình trạng mà nó vừa tạm ngưng trước đó. 65 Intel 486DX là loại VXL 32 bit, được giới thiệu vào tháng 4 năm 1984, tương đương 1,2 triệu transistor, tốc độ 25 MHz (sau đó là 33 MHz), và tốc độ xử lý 20 MIPS. Bus địa chỉ của 486DX rộng 32 bit nên sử dụng được bộ nhớ 4GB đồng thời còn sử dụng được bộ nhớ ảo đến 64 TB. Chip VXL này đạt giá trị SPEC đến 27,9 đối với phép tính tổng hợp và 13,1 đối với phép tính dấu chấm động.
Chip 486 không có một cách mạng kỹ thuật nào so với 386. Những tiến bộ chỉ là những thủ thuật khôn khéo hơn của cơ sở kỹ thuật cũ, nhưng rất có ấn tượng với người dùng do tốc độ cao hơn nhiều so với thế hệ trước. Việc sử dụng ống dẫn cho phép 486 DX xử lý hầu hết các lệnh trong một chu kỳ xung nhịp (Đó là lý do tại sao 486DX - 33 nhanh hơn gấp hai lần 386 DX - 33 mặc dù cùng chạy ở một tốc độ đồng hồ). Hơn nữa, 486 DX còn có bộ đồng xử lý số (numeric coprocessor) chế tạo sẵn bên trong, được thiết kế tối ưu để chuyên tiến hành các phép tính số học thay cho bộ xử lý chính.
Vì lý do này mà 486 DX chạy nhanh hơn 386 DX có gắn thêm một đồng xử lý toán 80387 trên board mẹ; các tín hiệu không phải di chuyển xa. Giống như 386DX, chip 486DX cũng có một cache nội nhưng lớn hơn nhiều (8K). Chip 486 DX cũng có một phiên bản "què" của mình, đó là 486 SX. Được giới thiệu lần đầu tiên vào tháng 1 năm 1991, chip 486SX không quá què quặt đến mức thu hẹp bus dữ liệu ngoài, mà vẫn giữ nguyên cấu trúc 32 bit đầy đủ; nó chỉ bỏ bớt bộ đồng xử lý số.
Bộ xử lý 486SX có tốc độ 20 MHz (sau đó là 25 MHz) và có thể thực hiện 20 MIPS. Intel 486SL là phiên bản tiết kiệm điện của bộ VXL 486DX, được dùng cho các máy tính notebook. Chip này có khả năng quản lý điện, trong đó có chế độ chạy không. So với 386SL, chip 486SL có năng suất xử lý gần gấp đôi nhưng tiêu thụ điện chỉ bằng một nửa.
* Intel 486 DX còn có phiên bản xung nhịp gấp đôi (clock-doubling) là 486 DX2 dùng để tăng tốc độ của bộ VXL mà không đòi hỏi board mẹ cũng phải có cùng tốc độ đó: loại DX2 50MHz chạy với board mẹ 25MHz; loại DX2 66MHz chạy với board mẹ 33 MHz. Chip 486 DX2 đạt giá trị SPEC là 32,2 đối với phép tính tổng hợp và 16,0 đối với phép tính dấu chấm động. Intel Celeron D: là một bộ vi xử lí giá trị. Các bộ vi xử lý Celeron D bao gồm một bộ nhớ cache L2 lớn hơn và hệ thống tích hợp bus nhanh hơn khi so sánh với bộ vi xử lý Celeron.
Celeron vi xử lý có sẵn tốc độ từ 1 GHz đến 2,80 GHz. Celeron D đưa ra một bộ xử lý 533 MHz đa giao dịch xử lý hệ thống bus với 256-KB L2 cache. Intel đã them vào công nghệ bộ nhớ mở rộng 64 định hướng cho dòng Celeron D. 66 Intel Pentium 4: Bộ vi xử lý gia đình Intel Pentium 4 hỗ trợ công nghệ Hyper-Threading (HT Technology) phù hợp với máy tính để bàn và máy trạm.