Máy tính là một hệ thống phức tạp; máy tính đương đại chứa hàng triệu linh kiện điện tử cơ bản. Vậy làm thế nào để người ta có thể mô tả rõ ràng về chúng? Điều quan trọng là nhận ra bản chất phân cấp của hầu hết các hệ thống phức tạp, bao gồm cả máy tính, Hệ thống phân cấp là một tập hợp các hệ thống con có liên quan với nhau, mỗi hệ thống con sau này lần lượt phân cấp theo cấu trúc cho đến khi chúng ta đạt đến mức thấp nhất của hệ thống con sơ cấp.
Bản chất thứ bậc của các hệ thống phức tạp là điều cần thiết cho cả thiết kế và mô tả của chúng. Người thiết kế chỉ cần xử lý một mức cụ thể của hệ thống tại một thời điểm. Ở mỗi cấp độ, hệ thống bao gồm một tập hợp các thành phần và mối quan hệ giữa chúng với nhau. Hành vi ở mỗi cấp chỉ phụ thuộc vào đặc tính được đơn giản hóa, trừu tượng hóa của hệ thống ở cấp thấp hơn tiếp theo. Ở mỗi cấp độ, nhà thiết kế quan tâm đến cấu trúc và chức năng:
- Cấu trúc: Cách thức mà các thành phần có quan hệ với nhau
- Chức năng: Hoạt động của từng thành phần riêng lẻ như một phần của cấu trúc.
1. Chức năng của máy tính
Về bản chất, cả cấu trúc và hoạt động của một máy tính đều đơn giản. Nói chung, chỉ có bốn chức năng cơ bản mà máy tính có thể thực hiện:
- Xử lý dữ liệu – Data processing: Dữ liệu có thể có nhiều dạng khác nhau và phạm vi của các yêu cầu xử lý chuyên nghiệp là rất rộng. Tuy nhiên, chúng ta sẽ thấy rằng chỉ có một số phương pháp hoặc kiểu xử lý dữ liệu cơ bản.
- Lưu trữ dữ liệu – Data storage: Ngay cả khi máy tính đang xử lý dữ liệu trực tiếp (tức là dữ liệu được đưa vào và được xử lý, và kết quả sẽ xuất hiện ngay lập tức), máy tính phải tạm thời lưu trữ ít nhất những phần dữ liệu đang được làm việc trên bất kỳ thời điểm nhất định. Như vậy, có ít nhất một chức năng lưu trữ dữ liệu ngắn hạn. Một điều quan trọng không kém, máy tính thực hiện chức năng lưu trữ dữ liệu lâu dài. Các tập tin dữ liệu được lưu trữ trên máy tính để phục vụ cho việc truy xuất và cập nhật sau này.
- Di chuyển dữ liệu – Data movement: Môi trường hoạt động của máy tính bao gồm các thiết bị đóng vai trò là nguồn hoặc đích của dữ liệu. Khi dữ liệu được nhận hoặc gửi đến một thiết bị được kết nối trực tiếp với máy tính, quá trình này được gọi là đầu vào – đầu ra (I / O) và thiết bị được coi là thiết bị ngoại vi. Khi dữ liệu được di chuyển trong khoảng cách xa hơn, đến hoặc từ một thiết bị từ xa, quá trình này được gọi là truyền thông dữ liệu.
- Điều khiển – Control: Trong máy tính, bộ điều khiển quản lý tài nguyên của máy tính và điều phối hoạt động của các bộ phận chức năng của nó theo hướng dẫn.
2. Cấu trúc của máy tính (Có lõi đơn)
Bây giờ chúng ta cùng tìm hiểu một cách tổng quát về cấu trúc bên trong của máy tính. Chúng ta bắt đầu với một máy tính truyền thống với một bộ xử lý duy nhất sử dụng bộ điều khiển được lập trình vi mô, sau đó kiểm tra cấu trúc đa lõi điển hình.
- Khối xử lý trung tâm (CPU – Central processing unit): Điều khiển hoạt động của máy tính và thực hiện các chức năng xử lý dữ liệu của nó; thường được gọi đơn giản là bộ xử lý.
- Bộ nhớ chính – Main memory: Lưu trữ dữ liệu.
- I / O – : Di chuyển dữ liệu giữa máy tính và môi trường bên ngoài.
- Kết nối hệ thống – System interconnection: Một số cơ chế cung cấp giao tiếp giữa CPU, bộ nhớ chính và I / O. Một ví dụ phổ biến về kết nối liên kết hệ thống là bằng một bus hệ thống, bao gồm một số dây dẫn mà tất cả các thành phần khác gắn vào.
Có thể có một hoặc nhiều trong mỗi thành phần nói trên. Theo phân tích, chỉ có một bộ xử lý duy nhất. Trong những năm gần đây, việc sử dụng nhiều bộ vi xử lý trong một máy tính ngày càng gia tăng
Các thành phần cấu trúc chính của nó như sau:
- Bộ điều khiển – Control unit: Điều khiển hoạt động của CPU và do đó là máy tính.
- Đơn vị số học và logic (ALU – Arithmetic and logic unit): Thực hiện xử lý dữ liệu của máy tính chức năng
- Thanh ghi – Registers: Cung cấp bộ nhớ trong cho CPU.
- Kết nối CPU – CPU interconnection: Một số cơ chế cung cấp giao tiếp giữa đơn vị điều khiển, ALU và các thanh ghi.
Một số thuật ngữ được giải thích như sau:
- Bộ xử lý trung tâm (CPU): Phần máy tính tìm nạp và thực thi các lệnh. Nó bao gồm một ALU, một đơn vị điều khiển và các thanh ghi. Trong một hệ thống có một đơn vị xử lý duy nhất, nó thường được gọi đơn giản là một bộ xử lý.
- Lõi – Core: Một đơn vị xử lý riêng lẻ trên chip xử lý. Một lõi có thể tương đương với chức năng cho một CPU trên hệ thống một CPU. Các đơn vị xử lý chuyên nghiệp khác, chẳng hạn như một đơn vị được tối ưu hóa cho các hoạt động vectơ và ma trận, cũng được gọi là lõi.
- Bộ xử lý – Processor: Một miếng silicon vật lý có chứa một hoặc nhiều lõi. Bộ xử lý là thành phần máy tính thông dịch và thực hiện các lệnh. Nếu một bộ xử lý chứa nhiều lõi, nó được gọi là bộ xử lý đa lõi (multicore processor).
3. Cấu trúc của máy tính đa lõi – MULTICORE COMPUTER STRUCTURE
Hình 2 mô tả khái quát về các thành phần chính của một máy tính đa lõi điển hình. Hầu hết các máy tính, bao gồm cả máy tính nhúng trong điện thoại thông minh và máy tính bảng, cùng với máy tính cá nhân, máy tính xách tay và máy trạm, được đặt trên một bo mạch chủ.
Chúng ta cùng xác định một số thuật ngữ.
Bảng mạch in (PCB)- printed circuit board (PCB): là một bảng mạch cứng, phẳng, giữ và kết nối các chip và các thành phần điện tử khác. Bo mạch được làm từ các lớp, thường là từ hai đến mười, kết nối các thành phần với nhau thông qua các đường dẫn đồng được khắc vào bo mạch. Bảng mạch in chính trong máy tính được gọi là bảng hệ thống hoặc bo mạch chủ(motherboard), trong khi những bo mạch chủ nhỏ hơn cắm vào các khe cắm trên bo mạch chính được gọi là bo mạch mở rộng.
Các yếu tố nổi bật nhất trên bo mạch chủ là các con chip. Chip là một mảnh vật liệu bán dẫn đơn lẻ, điển hình là silicon, trên đó các mạch điện tử và cổng logic được chế tạo. Sản phẩm thu được được gọi là mạch tích hợp (integrated circuit).
Bo mạch chủ chứa một khe cắm hoặc ổ cắm cho chip xử lý, thường chứa nhiều lõi riêng lẻ, được gọi là bộ xử lý đa lõi.
Ngoài ra còn có các khe cắm cho chip nhớ, chip điều khiển I / O và các thành phần máy tính quan trọng khác. Đối với máy tính để bàn, khe cắm mở rộng cho phép bao gồm nhiều thành phần hơn trên bảng mở rộng. Do đó, một bo mạch chủ hiện đại chỉ kết nối một. một số thành phần chip riêng lẻ, với mỗi chip chứa từ vài nghìn đến hàng trăm triệu bóng bán dẫn.
Hình 1.2 cho thấy một chip xử lý có tám lõi và một bộ nhớ đệm L3. Trong đó bộ nhớ đệm L3 chiếm hai phần riêng biệt của bề mặt chip.
Tuy nhiên, thông thường, tất cả các lõi đều có quyền truy cập vào toàn bộ bộ đệm L3 thông qua các mạch điều khiển nói trên. Chip xử lý trong Hình 1.2 không đại diện cho bất kỳ sản phẩm cụ thể nào, nhưng cung cấp một ý tưởng chung về cách các chip như vậy được bố trí.
Các yếu tố chức năng của lõi là:
■ Chỉ thị Logic – Instruction logic: phần này bao gồm các nhiệm vụ liên quan đến việc tìm nạp các lệnh và giải mã từng lệnh để xác định thao tác lệnh và vị trí bộ nhớ của bất kỳ toán hạng nào.
■ Đơn vị logic và số học – Arithmetic and logic unit (ALU): Thực hiện hoạt động được chỉ định bởi một lệnh.
■ Nạp / lưu trữ – Load/store logic: Quản lý việc truyền dữ liệu đến và đi từ bộ nhớ chính thông qua bộ nhớ đệm.
Lõi cũng chứa một bộ đệm L1, được phân chia giữa bộ đệm lệnh (I-cache) được sử dụng để chuyển các lệnh đến và đi từ bộ nhớ chính và bộ đệm dữ liệu L1, để chuyển các toán hạng và kết quả. Thông thường, các chip xử lý ngày nay cũng bao gồm bộ nhớ đệm L2 như một phần của lõi. Trong nhiều trường hợp, bộ đệm ẩn này cũng được phân chia giữa bộ đệm lệnh và bộ nhớ đệm dữ liệu, mặc dù bộ đệm L2 kết hợp, đơn lẻ cũng được sử dụng.
Bo mạch chủ chứa một khe cắm hoặc ổ cắm cho chip xử lý, thường chứa nhiều lõi riêng lẻ, được gọi là bộ xử lý đa lõi.
Ngoài ra còn có các khe cắm cho chip nhớ, chip điều khiển I / O và các thành phần máy tính quan trọng khác. Đối với máy tính để bàn, khe cắm mở rộng cho phép bao gồm nhiều thành phần hơn trên bảng mở rộng. Do đó, một bo mạch chủ hiện đại chỉ kết nối một
một số thành phần chip riêng lẻ, với mỗi chip chứa từ vài nghìn đến hàng trăm triệu bóng bán dẫn.
Hình 1.2 cho thấy một chip xử lý có tám lõi và một bộ nhớ đệm L3. Không hiển thị là logic cần thiết để điều khiển các hoạt động giữa các lõi và bộ nhớ cache và giữa các lõi và mạch bên ngoài trên bo mạch chủ. Hình chỉ ra rằng bộ nhớ đệm L3 chiếm hai phần riêng biệt của bề mặt chip.
Tuy nhiên, thông thường, tất cả các lõi đều có quyền truy cập vào toàn bộ bộ đệm L3 thông qua các mạch điều khiển nói trên. Chip xử lý trong Hình 2 không đại diện cho bất kỳ sản phẩm cụ thể nào, nhưng cung cấp một ý tưởng chung về cách các chip như vậy được bố trí.