CPU - PSRUelearning.psru.ac.th/courses/252/cpu2.pdf•ส าหร บเคร องDesktop...

CPU

2

CPU :Central Processing Unit

• CPU หรอ โปรเซสเซอร (Processor) คอวงจรประมวลผลหลกทเปนตวประมวลผลตามชดค าสง หรอโปรแกรม

3

สวนประกอบหลกของคอมพวเตอร

คอมพวเตอรในปจจบน ถกออกแบบตามหลกการของ John Von Neumann ซงจะม 3 องคประกอบหลกไดแก

• CPU• Memory• I/O

Control

Unit

Registers

ALU

CPU

MemoryI/O

Interface

Control bus

Data bus

Address bus

4

การท างานภายใน CPU

CPU ประกอบดวย หนวยการท างานหลก 2 หนวย คอ• หนวยควบคม (Control Unit)ท าหนาทดงค าสงจากหนวยความจ าหลก มาไว

ใน register และท าการแปลงระหส (Decoding) เรยกวาจงหวะค าสง(Instructional Cycle) แลวจงสงเขาสจงหวะปฏบตการคอ( Execution Cycle)ในหนวยค านวณตรรกะ

• หนวยตรรกะ (ALU :Arithmetic and Logical Unit) ท าการค านวณผล หรอเปรยบเทยบ แลวจงสงผลลพธเกบไวใน Register ซงท าหนาทเกบและถายทอดขอมลค าสงทถกน ามา

5

CPU Architecture และ Clock กบการท างาน

สงทมผลตอความเรวในการท างานของ CPU ไดแก• Architecture ของ CPU ไดแกโครงสรางการท างานภายใน, ระบบ

บส, วงจรการท างานของชดค าสงตาง ๆ (Instruction Set)

• Clock Speed ถาเปน CPU ทตววงจรภายในเหมอนกน ตวทม Clock Speed สงกวา จะท างานไดเรวกวา

6

การพฒนา CPU

CPU รนใหม ๆ มความเรวในการท างานทสงขนได ตองมการพฒนาปรบปรงในหลาย ๆ สวน ไดแก

• การเพม Clock Speed ในปจจบน 4 GHz• เพมจ านวนวงจร และลดขนาดของวงจรในการผลต เชนจาก 0.32

ไมครอน เหลอ 0.13 ไมครอนในปจจบน• ลดแรงดนไฟฟา เพอใหความรอนไมสงเกนไปนก• เพม Cache Memory เพอลด Wait State ของ CPU• พฒนา สถาปตยกรรม และเทคโนโลยใหม ๆ ในตว CPU

7

เทคโนโลยส าหรบ CPU รนใหม

• Superscalar : คอการ execute มากกวา 1 operation ตอ 1 clock เชน การค านวณ integer 4 operation และ 2 floating point operation พรอมกน

• Pipeline เปนการแบงงานออกเปนสวนยอย ๆ ทตองท าตอเนองกนไป ท าใหสามารถเพม throughput ของระบบได– เชนม 2 งานใหญ ซงใชเวลาเทากน ซงถาจะท างานท 2 ได กตอเมองานท

1 ท าเสรจกอน ถาแบงแตละงานออกเปน 5 สวนยอย เมอท าสวนยอยท 1 ของงานท 1 เสรจ กสามารถเรมท าสวนยอยท 1 ของงานท 2 ไดเลย เมอท างานท 1 เสรจสน ในเวลา 1/5 ของเวลาท าแตละงานใหญตอมา งานท 2กจะเสรจตามดวย

8

เทคโนโลยส าหรบ CPU

• พฒนาระบบจดการ Cache memory เชน Branch Prediction ในCache memory เพอใหเฉพาะค าสงทเหมาะสมเทานน ทจะถกน ามาเกบใน cache memory ส าหรบให CPU น าไปประมวลผลไดโดยไมมการสะดด

• เพมชดค าสงพเศษ เชนชดค าสงส าหรบการจดการเกยวกบmultimedia, Graphic , SSE ฯลฯ

9

รปรางของ CPUCPU แตละรนและแตละผผลตจะมรปรางลกษณะและโครงสรางเชน

ขนาด หรอจ านวนขา ไมเหมอนกน ซง CPU ส าหรบ PC ในปจจบนแบงไดเปน 2 รปแบบใหญ ๆ ไดแก

1. แบบ Cartridge จะมรปรางเปนตลบแบน ๆ หมดวยกลองพลาสตก ส าหรบเสยบในชองเสยบแบบ slot

– Slot 1 พฒนาโดย Intel ส าหรบ Pentium III รนเกา , Pentium II, Celeron รนเกา มขาสญญาณ 242 ขา

– Slot 2 ของ Intel ส าหรบ Pentium II Xeon, Pentium III Xeon ขาสญญาณ 330 ขา

– Slot A ใชกบ CPU AMD Athlon รนเกา มขาสญญาณ 242 ขา

10

รปรางของ CPU

2. แบบ PGA (Pin Grid Array) จะมลกษณะเปนชปแบน ๆ มขาจ านวนมากอยใตตว CPU ส าหรบเสยบลงใน Socket สามารถแบงยอยไดหลายแบบเชน

• Socket 7 ใชกบ Pentium MMX, AMD K5, K6, K6-2, K6-III มขาสญญาณ 321 ขา

• Socket 370 ใชกบ Pentium III, Celeron รนใหม มขาสญญาณ 370 ขา• Socket 423 ใชส าหรบ Pentium 4• Socket A ใชกบ AMD Athlon และ Duron มขาสญญาณ 462 ขา

11

CPU จากคายตาง ๆ

ปจจบน ผน าตลาด CPU ส าหรบไมโครคอมพวเตอรไดแก Intel Corp. ซงผลต CPU ในตระกล X86 ซงนอกจาก Intel แลว ยงมผผลตอกหลายราย ทผลต CPU ท compatible กบ CPU Intel ไดแก

• AMD Advance Micro Device• VIA/Cyrix• IBM• Transmeta

ท าไม CPU รนใหม Compatible กบรนเดม ???อะไรคอการ Compatible ???

13

ท าไม CPU รนใหม Compatible กบรนเดม

การ Compatible กนคอ CPU รนใหม สามารถท างานกบโปรแกรมทท างานบน CPU รนเกาได

• มชด Registers ทเหมอนกน• รหสค าสงเหมอนกน แมวาโครงสรางการท างานภายในของแตละ

ค าสงอาจแตกตางกน• ถาไมไดปรบปรง Compiler ใหมสามารถรองรบชดค าสงใหม ๆ อาจ

ท าใหไมสามารถใชงานไดเตมประสทธภาพ

14

CPU ตระกลตาง ๆ ของ Intel

• ตระกล 80x86 มพฒนาการมาตงแต 8086 – Pentium IV ในปจจบน• CPU ของ Intel ในระยะแรกจะใชเลขรหสแทนรน แตเนองจาก

ปญหาลขสทธ จงเปลยนมาใชเปนชอแทน• ตระกลทใชชดค าสง IA-64 ไดแก Itanium และ Itanium-2 ซงจะไม

compatible กบ x86

15

ตลาด CPU ของ Intel

• ส าหรบคอมพวเตอรระดบ Server หรอ Workstation นน Intel แบงเกรดตลาดออก CPU ออกเปน 3 ระดบ– High-End ไดแก CPU Itanium-2– Midrange ไดแก CPU XEON– Entry-level ไดแก CPU Pentium IV

• ส าหรบเครอง Desktop หรอ Notebook จะใช CPU Pentium IVหรอ Celeron

16

CPU รนตาง ๆ ของ Intel

Intel 80486• 32-bit microprocessor, 32-bit data bus ,32-bit address bus. • 4GB main memory. • 20,50 ,66 , 100MHz • 80387 Math Coprocessor Build in ,Cache Memory 8 KB• About half of the instructions executed in 1 clock instead of 2 on

the 386. • Variations: SX, DX2, DX4. • DX2: Double clocked version: • 66MHz clock cycle time with memory transfers at 33MHz.

17

CPU รนตาง ๆ ของ Intel

Pentium: (1993) • 32-bit microprocessor, 64-bit data bus and 32-bit address bus. • 4GB main memory. • 60, 66, 90MHz.

– Double clocked 120 and 133MHz versions. – Fastest version is the 233MHz (3-and-1/2 clocked version).

• 16KB L1 cache (split instruction/data: 8KB each). • Memory transfers at 66MHz (instead of 33MHz). • Dual integer processors.

18

CPU รนตาง ๆ ของ Intel

Pentium Pro: (1995) • 32-bit microprocessor, 64-bit data bus and 36-bit address bus. • 64GB main memory. • Starts at 150MHz. • 16KB L1 cache (split instruction/data: 8KB each). • 256KB L2 cache. • Memory transfers at 66MHz. • 3 integer processors.

19

CPU รนตาง ๆ ของ Intel

Pentium II: (1997) • 32-bit microprocessor, 64-bit data bus and 36-bit address bus. • 64GB main memory. • Starts at 266MHz. • 32KB split instruction/data L1 caches (16KB each). • Module integrated 512KB L2 cache (133MHz). • Memory transfers at 66MHz to 100MHz (1998).

20

CPU รนตาง ๆ ของ Intel

Pentium III: (1999) • 32-bit microprocessor, 64-bit data bus and 36-bit address bus. • 64GB main memory. • Up to 1 GHz. • 32KB split instruction/data L1 caches (16KB each). • On-chip 256KB L2 cache (at-speed). • Memory transfers 100MHz to 133MHz. • Dual Independent Bus (simultaneous L2 and system memory

access).

21

CPU รนตาง ๆ ของ Intel

Pentium IV: (2001) • 32-bit microprocessor, 64-bit data bus and 36-bit address bus. • 64GB main memory. • Up to 4 GHz. • Hyper Pipeline Technology 20 pipeline stages • 16KB Level 1 Execution Trace Cache. An execution Trace Cache

that stores up to 12K decoded micro-ops in the order of program execution.

• On-chip 256KB L2 cache (at-speed). • SSE2 Technology • Memory transfers 400MHz to 533MHz with RDRAM.

•http://www.rjross.com/intp4.html

22

โครงสรางภายใน CPU Intel

23

CPU ของ AMD

• ส าหรบตลาดของ Server และ Workstation จะเปน CPU Opteron

• ส าหรบตลาด Desktop และ Notebook จะเปน Athlon และ Duron

24

Opteron

• ส าหรบตลาดของ Server และ Workstation• Base on x86 architecture โดยใชชดค าสง x86-64

http://www.amd.com/us-en/Processors/ProductInformation/0,,30_118_8826_8832,00.html

25

CPU ของ AMD

AthlonXP• ออกแบบส าหรบตลาดระดบบนของเครอง Desktop• L1 cache 128 KB full speed• L2 cache 512 KB full speed• Support ชดค าสง 3DNow! และ SSE technology• Frontside bus 400MHz, 333MHz, 266MHz• 3.2 + GHz (2003)

26

CPU ของ AMD

Duron• ออกแบบส าหรบตลาดลาง• ใชคณสมบตพนฐานของ Athlon • ลดขนาด cache ในระดบ 2 ลง

• ปจจบน ความเรว 1.3GHz and 1.2GHz

27

CPU ตระกลอน ๆ

ตระกล TSM 9900 จาก Texas Instruments(1976)• มการจดการ Interrupt ทด และการออกแบบ instruction set ทดมาก• ขอเสยคออาง address space ไดนอย(16 บต) และตองใชงานรวมกบ

หนวยความจ าความเรวสง– TSM9995– TSM99000– TSM99110– TSM99610

28

CPU ตระกลอน ๆ

ตระกล Motorola 680x0 • เปน RISC CPU• อาจมชอเรยกวา Coldfire• ถกเลอกไปใชงานในเครอง Macintosh และในเครอง workstation

อน ๆ – 68040 (1991)– 68060 (1994)

29

CPU ตระกลอน ๆ

ตระกล IBM RS/6000 Power chips (1990)• เปน RISC CPU • ใชกบเครอง workstation ของ IBM• นยมเรยกวา powerPC หรอ POWER:Performance Optimization

With Enhanced RISC ซงจะมบาง feature ทแตกตางกน– powerPC601 (1993)– powerPC604 (1995)– ลาสด IBM powerPC 970 (2003)

30

CPU ตระกลอน ๆ

• Zilog Z-8000• National Semiconductor 320xx• Philips Trimedia - A Media processor (1996)• SPARC :Scalable (originally Sun) Processor ARChitecture จาก

Sun Microsystems ใชกบ workstation ของ Sun– Base on 68000

• Transmeta Crusoe • ฯลฯ

31

อานเพมเตม

• เทคโนโลยการผลต CPU http://www.ruencom.com/hardware/cpu/cputech3.htm

• CPU Architecture http://webster.cs.ucr.edu/Page_AoALinux/HTML/CPUArchitecture.html

• The History of Intel CPU's: 586 to 786 Architecture http://www.teccollege.com/yaple/microhardware/intelcpu.htm

• สถาปตยกรรมไมโครโปรเซสเซอรhttp://www.cpe.ku.ac.th/~yuen/204323/

• CPU History http://www.pcmech.com/show/processors/35/

32

อานเพมเตม

• แนะน าประวต และพฒนาการของ CPU ทนาสนใจhttp://www3.sk.sympatico.ca/jbayko/cpu.html

• แนะน าโครงสราง และขอมลของ Pentium IV http://www.arstechnica.com/cpu/01q2/p4andg4e/p4andg4e-1.html

• Basic instruction 8086ftp://ftp.comlab.ox.ac.uk/pub/Cards/txt/8086.txt

• Microprocessor instruction set cardhttp://vmoc.museophile.com/cards/

• Instruction set ของ CPU 68000http://www.arspentia.org/evilinc/instruction_set_68k

33

วธการตดตง CPU แบบ Socket

34

วธการตดตง CPU แบบ Socket (ตอ)

35

วธการตดตง CPU แบบ Socket (ตอ)

36

วธการตดตง CPU แบบ Socket (ตอ)

37

วธการตดตง CPU แบบ SLOT

38

วธการตดตง CPU แบบ SLOT (ตอ)

39

กจกรรมทายบท

1. จงหาตวอยาง CPU ทใชอยในปจจบน ทง เครอง PC ทวไป และเครอง Notebook มรนและความถ (Clock) อะไรบาง พรอมทงบอกคณสมบตของแตละรน

2. ซพยปลอม (Remarked CPU) คออะไร จงบอกวธการตรวจสอบ ทงCPUของ Intel และ AMD