Tìm hiểu về cách làm việc của CPU

Tuy mỗi một bộ vi xử lý đều có thiết kế của riêng nhưng tất cả đều có 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 đến kiến trúc CPU chung nhất để các bạn có thể hiểu thêm về các sản phẩm của Intel và AMD cũng như những khác nhau cơ bản giữa chúng.

Tìm hiểu về cách làm việc 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: với CPU cũng không có điều gì khác biệt ở điểm này, vì nó không hiểu những gì chương trình sẽ thực hiện. Nó chỉ tuân theo các thứ tự (được gọi là các chỉ lệnh hay các lệnh) có bên trong chương trình.

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

1. 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.

2. CPU sử dụng mạch phần cứng được gọi 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 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.

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU 25187725bo5

Hình 1: Dữ liệu được lưu đưa 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 tốc độ truy cập thấp hơn so với bộ nhớ RAM nên nó làm chậm chung cho cả hệ thống, chính vì vậy CPU sẽ rất bận cho tới khi 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 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). Để đơn giản hóa hơn cho hình vẽ, chúng tôi không đưa vào chip cầu nối (được gọi là north bridge chip) giữa ổ đĩa cứng và bộ nhớ RAM trên hình 1, tuy nhiên là có một chip đó tại vị trí nối này.

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 bộ nhớ RAM một cách trực tiếp mà không sử dụng north bridge chip như thể hiện trên hình 1.

Để hiểu tốt hơn về vai trò của chipset trong máy tính, bạn cũng nên tham khảo thêm các hướng dẫn của chúng tôi nói về chipset.

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, 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 bạn 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 tôi đã 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.

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU 72185745eu0

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.

Với CPU, điều thú vị là nó biết được bao nhiêu chu kỳ xung clock mà mỗi chỉ lệnh cần, nó biết được điều này bởi nó giữ một bảng liệt kê các thông tin này. Chính vì vậy nếu nó 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”, chúng ta sẽ nó kỹ hơn về kiến trúc này phần sau của bài này.

Vậy clock phải thực hiện gì với hiệu xuất? Nghĩ rằng clock và hiệu suất là cùng một thứ là một khái niệm hoàn toàn sai về các bộ vi xử lý.

Nếu bạn so sánh hai CPU giống nhau, CPU nào chạy ở tốc độ clock cao hơn sẽ 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 bạn 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 chúng tôi 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,… Tuy nhiên bạn không cần phải lo lắng về điều đó, chúng tôi sẽ giới thiệu chúng trong hướng dẫn này.

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, 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 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.

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU 55540292pw6

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

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 4.

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU 34492971ku6

Hình 4: 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.

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU 47380608rv1

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 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).

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU (Phần II)

CPU (Central Processing Unit) – cũng được gọi là microprocessor hay processor – là một đơn vị xử lý dữ liệu trung tâm. Tuy mỗi một bộ vi xử lý đều có thiết kế của riêng nhưng tất cả đều có cùng một nguyên lý chung – đây chính là thứ mà chúng tôi muốn giới thiệu đến các bạn trong bài này.

Tôi sẽ giới thiệu đến kiến trúc CPU chung nhất để các bạn có thể hiểu thêm về các sản phẩm của Intel và AMD cũng như những khác nhau cơ bản giữa chúng. Bài trước chúng ta đã được biết những thông tin cơ bản về Clock và External Clock hoạt động trong CPU, bài này sẽ tiếp tục với sơ đồ của một CPU và bộ nhớ lưu trữ.

Sơ đồ khối của một CPU

Trên hình 6 bạn có thể thấy được một 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 các bạn có thể hiểu được cách các CPU của Intel và AMD làm việc như thế nào và sự khác nhau giữa chúng.

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU 31799078qz6

Hình 6: Sơ đồ khối cơ bản của một CPU

Dòng nét chấm trên hình 6 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.

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 khác, tốc độ truyền tải sẽ cao hơn). Trên hình 5, chúng tôi đã sử dụng một mũi tên đỏ 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.

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.

Vào “thế giới bên ngoài” để tìm nạp dữ liệu làm cho CPU 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 mạnh có tên gọi là memory cache controller (mạch này không được vẽ trong hình 6) 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 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 7.

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU 97583693dv8

Hình 7: Memory cache controller làm việc như thế nào

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 6 và bạn sẽ 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 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.

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.

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU 25366110si1

Hình 8: Giải pháp nhánh không điều kiện

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 vào địa chỉ 1, hoặc nếu a>b thì vào địa chỉ 2. Chúng tôi minh họa ví dụ này trên hình 9. 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.

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU 86007242gb6

Hình 9: Giải pháp rẽ nhánh có điều kiện

Tìm hiểu về cách làm việc của CPU (Phần cuối)

Sau khi đã tìm hiểu về cấu trúc vật lý của CPU trong nội dung các bài trước, bài này chúng tôi sẽ giới thiệu sơ qua đến bạn đọc cách CPU thực hiện xử lý các chỉ lệnh.

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 bạn 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 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, bạn 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 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 tôi sẽ giới thiệu hai trong số chúng, đó là thực thi không tuân theo thứ tự (OOO) và thực thi có suy đoán

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 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).

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=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
...

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. Bạn 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=

Dài quá, ko biết ku Đăng nhớ hết chưa để mai mình hỏi mấy thứ trong này Emoticon 5