Computer architecture kiến trúc máy tính

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture... 31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture... 31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture... Các hệ đ m và Biểu diễn

31/07/2013Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

2

Tài liệu tham khảo

[ 1 ] Nguyễn Trung Đồng Giáo trình Ki n trúc máy tính – trang web

http://www.tailieu.vn [ 2 ] Nguyễn Trung Đồng Giáo trình H Vi x lý tiên tiến (Kiến trúc máy tính

nâng cao) trang web http://www.tailieu.vn [ 3  Nguyễn Trung Đồng Giáo trình Kỹ thuật Vi xử lý – NXB KHKT Hà Nội 2010

[ 4 ] Hoàng Xuân Dậu Bài gi ng Ki n trúc máy tính – HVCNBCVT

[ 5 ] Nguyễn Ngọc Hoá Ki n trúc máy tính – Bài giảng tại ĐHQG Hà Nội

[ 6  Kai Hwang Advanced Computer Architecture Parallelism Scalability

Programmability – McGraw-Hill International Editions – 1993 [ 7 ] William Stallings Computer Organization and Architecture Designing

for Performance - Prentice-Hall - 2006 [ 8 ] David Hergert, Nancy Thibeault PC Architecture from Assembly langueage

to C – Prentice-Hall, Inc New Jersey 1997

 9  James M Feldman, Charles T Retter Computer Architecture – MITPress &

McGraw Hill, Singapore 1994 [10] Intel® 64 and IA-32 Architectures - Order Number: 248966-029 March 2014

[11] Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual - Software

DeẢeloper’s Manạal - Order Number: 253665-050US February 2014

[12] Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual - System

Programming Guide - Order Number: 253668-050US February 2014

Chương 1: Gi i thiệu chung

Chương 2: Đơn v xử lý trung tâm - CPU

Chương 3: Ki n trúc tập lệnh

Chương 4: Ki n trúc, t ch c và

qu n lý b nh Chương 5: Hệ thống BUS

Chương 6: Thi t b nh ngoài

Địa chỉ (Địa chỉ ô nhớ, địa chỉ từ nhớ, địa chỉ biến, địa

chỉ lệnh, … , Địa chỉ thiết bị ngoài ………….)

Tr nh phân, th hiện v t lý các giá tr “0” và “1”, “False”

và “True”, “Không” và “CỂ”, “No” và “Yes” … thông qua đại

l ng điện áp hoặc dểng điện

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture 6

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture 7

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture 8

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture 9

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

S đồ mô tả phạm vi nghiên cứu của khoa học Kiến trúc và Tổ chức

máấ tính trong quấ trình thiết kế xâấ dựng một hệ thống máấ tính

T ch c máy tính

Khái niệm Kiến trúc và Tổ chức máấ tính

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

hệ thống mà người lập trình có thể nhìn thấy được, những

thuộc tính quyết định trực tiếp đến việc thực thi một chương

trình tính toán, x lý dữ liệu.

Các thuộc tính gồm:

 Nội dung t p lệnh của CPU,

 Độ dài t dữ liệu (tính theo số bit),

 C chế Vào/Ra dữ liệu,

 Chiến l c đánh đ a ch ô nhớ …

phần chức năng và sự kết nối giữa chúng để tạo nên một máy

tính , nhằm thực hiện những chức năng và tính năng kỹ thu t của

kiến trúc, bao gồm các thuộc tính người dùng không thể nhìn

thấy nh

 Các tín hiệu đi u khi n,

 Giao diện Máy tinh – Thiết b Vào/Ra,

 Công nghệ xây dựng bộ nhớ …

Ngạyên lý cơ b n Kiến trệc máy tính

3 đi m cơ b n trong nguyên lý kiến trúc máy tính:

1 Lệnh (Instruction) và dữ liệu (Data) phải được

lưu giữ trong một bộ nhớ ghi/đọc được.

bằng địa chỉ vật lý Sự định vị bằng địa chỉ là tuần tự

và không phụ thuộc vào nội dung của ô nhớ.

3 Chương trình xử lý, giải bài toán phải thực hiện

tuần tự từ lệnh này đến lệnh tiếp theo, từ lệnh bắt

đầu đến lệnh cuối cùng

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

1 16-bit Processors and Segmentation (1978) 16-bit processors, the 8086 and 8088.

2 The Intel® 286 Processor (1982) The Intel 286 processor introduced protected mode operation into the IA-32 architecture.

3 The Intel® 386™Processor (1985) The Intel386 processor was the first 32-bit processor in the

IA-32 architecture family.

4 The Intel® 486™ Processor (1989) The Intel486™processor added more parallel execạtion

capability by expanding the Intel386 processor’s instrạction decode and execạtion ạnits into fiẢe pipelined stages.

5 The Intel® Pentium® Processor (1993) The introduction of the Intel Pentium processor added a second execution pipeline to achieve superscalar performance (two pipelines, known as U and V The on-chip first-level cache doubled, with 8 KBytes devoted to code and another 8 KBytes

devoted to data.

6 The P6 Family of Processors (1995-1999) The P6 family of processors was based on a superscalar microarchitecture that set new performance standards The Intel Pentium Pro processor is three- way superscalar.

7 The Intel® Pentium 4 Processor Family (2000-2006) The Pentium 4 processor family is based on Intel® NetBurst microarchitecture.

(tính riêng với các loại được phát triển thành Máy vi tính)

K hông k chip-slide, µP4004, µP4040, µP8080, µP8085 và Single Chip µComputer

8 The Intel® Xeon® Processor (2001- 2007) Intel® Xeon processors (with

exception for dual-core Intel® Xeon processor LV, Intel® Xeon processor 5100 series) are based on the Intel® NetBurst microarchitecture; The Intel®

Pentium® M Processor (2003-2006) The Intel® Pentium M processor family is a high performance, low power mobile processor family with microarchitectural enhancements over previous generations of IA-32 Intel mobile processors.

9 The Intel® Pentium® Processor Extreme Edition (2005) The Intel® Pentium

processor Extreme Edition introduced dual-core technology.

10 The IntelỔ Core™Dạo and IntelỔ Core™ Solo Processors (2006-2007) The Intel®

Core Duo processor offers power-efficient, dual-core performance with a

low-power design that extends battery life.

11.The Intel® Xeon® Processor 5100, 5300 Series and Intel® Core™2 Processor

family (2006) The Intel® Xeon processor 3000, 3200, 5100, 5300, and 7300

series, Intel Pentium Dual-Core, Intel® Core 2 Extreme, Intel® Core 2 Quad

processors, and Intel® Core 2 Duo processor family support Intel 64

Architecture

12.The Intel® Xeon® Processor 5200, 5400, 7400 Series and Intel® Core™ 2

Processor Family (2007) The Intel® Xeon processor 5200, 5400, and 7400 series, Intel® Core 2 Quad processor Q9000 Series, Intel® Core 2 Duo processor E8000 series support Intel® 64 architecture;

13 The IntelỔ Atom™ Processor Family (2008) The first generation of

Intel®Atom TM processors are built on 45 nm process technology They are based

on a new Microarchitecture, Intel® Atom TM microarchitecture, which is

optimized for ultra low power devices The Intel®Atom TM microarchitecture

features two in-order execution pipelines that minimize power consumption,

increase battery life, and enable ultra-small form factors.

14 The IntelỔ Atom™ Processor Family Based on Silvermont Microarchitecture

(2013) Intel Atom Processor C2xxx, E3xxx, S1xxx series are based on the

Silvermont microarchitecture.

15 The IntelỔ Core™ i7 Processor Family (2008).The Intel Core i7 processor 900

series support Intel 64 architecture; they are based on Intel® microarchitecture code name Nehalem using 45 nm process technology.

S l c v Kiến trúc

Harward

Kiến trúc máy tính Harvard chia bộ nhớ

chính thành hai ph n riêng rẽ: B nh lưạ

chương trình (Program Memory) và B nh lưạ dữ li ạ (Data Memory) Hai h thống bus riêng được s d ng đ kết nối CPU

Ả i b nh lưạ chương trình và b nh lưạ dữ li ạ Mỗi hệ thống bus đ u có đ ấ

Kiến trúc Von Neumann

1 Đơn vị số học và lôgic (ALU),

2 Đơn vị điều khiển (CU - control

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

lập trình chọn lọc và sắp xếp theo một tuần tự chặt chẽ thông qua

1 Xử lý dữ liệu: X lý các yêu c u của con ng ời/thiết b trên c sở các

dữ liệu đ c nh p vào Đâấ là chức năng quan trọng nh t.

2 Lưu trữ dữ liệu: Muốn công việc x lý dữ liệu đạt hiệu quả cao, máy

hạn

3 Di chuyển dữ liệu: Đ phục vụ việc x lý, dữ liệu phải có th di

chuấ n t đi m này tới đi m khác bên trong máy tính, phải có khả

năng trao đổi dữ liệu với môi tr ờng bên ngoài.

4 Điều khiển: Các tác vụ máy tính thực hiện phải đ c đi u khi n …

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

Các hệ đ m và Biểu diễn thông tin

trong máy tinh

Bản ch t v t lý của thông tin đ c bi u diễn trong các hệ thống x lý

số thông tin, dữ liệu

Bi u diễn các giá tr “0” và “1” của hệ đếm nh phân

Bi u diến các giá tr logic “false” và “true”

Các chu n bi u diễn theo công nghệ vi mạch

Chuấ n đổi mức tín hiệu bi u diễn thông tin trong các vi mạch với

công nghệ chế tạo khác nhau

Các loại mã thông tin:

số thuộc phần nguyên và l chữ số phần lẻ được quy đổi về hệ thập

Bi ểu diễn dữ liệu số trong máy tính

 Bi ểu diễn dữ liệu là số nguyên có dấu: Giả sử dùng 2 bytes (16

bits) để biểu diễn một số nguyên có dấu, bit cao nhất (MSB –

Most SigniF icant Bit) được dùng để đánh dấu Số dương có bit

d ấu S = “0”, số âm có bit dấu S = “1”

S x x x x x x x x x x x x x x x

 Dấu phẩy động được dùng rất phổ biến, giá trị thực được thể

theo h ệ đếm nhị phân được biểu diễn theo dạng chuẩn tắc như

C huẩn IEEE 754 được dùng rộng rãi trong khoa học máy tính hiện

nay Trong cách biểu diễn này, phần định trị có dạng 1.F với số 1 được ẩn

Chính xác

kép

Mở rộng chính xác

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

các thông tin không số

Có hai loại mã phổ cập nhất được sử dụng là mã ASCII và EBCDIC

 Mã ASCII (American Standard Code For InFormation

Interchange) dùng 7 bits để mã hoá các ký tự

 Mã EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange

Code) dùng cả 8 bits (1 Byte) để mã hoá thông tin

 Loại mã được dùng trong ngành bưu điện, trong các máy teletype

là mã BAUDOT, chỉ sử dụng 5 bits để mã hoá thông tin

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

02/08/2015 Nguấễn Trung Đồng Thiết kế Hệ Vi x lý

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

l t đ c CPU đọc, giải mã và thực hiện T p lệnh gồm nhi u

lệnh đ c chia thành một số nhóm theo chức năng: chuấ n

dữ liệu (data movement), tính toán (computational), đi u kiện

lệnh chức năng khác Các thành ph n của lệnh gồm:

Mã l nh Đ a ch toán h ng

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

 Thao tác xử lý hoặc trao đổi dữ liệu

 Thao tác Vào/Ra dữ liêu

 Thao tác điều khiển chương trình

 Phương thức đánh địa chỉ toán hạng

 Phương thức xác định địa chỉ lưu giữ kết quả xử lý

 Phương thức xác định địa chỉ lệnh tiếp theo trong chương

trình

v đ a ch của toán hạng, của đ a ch l u giữ kết quả x lý

Certain encodings of the ModR/M byte require a second addressing byte (the SIB byte)

Many instructions that refer to an operand in memory have an

addressing-form specifier byte (called the ModR/M byte)

REX prefixes are instruction-prefix bytes used in 64-bit mode They do the following:

• Specifấ GPRs and SSE registers.

• Specifấ 64-bit operand size.

• Specifấ extended control registers.

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

a) opcode addr1, addr2, addr3

Mỗi đ a ch addr1, addr2, addr3 tham chiếu đến một ô nhớ hoặc một thanh ghi

b) opcode addr1, addr2

Mỗi đ a ch addr1, addr2 tham chiếu đến một ô nhớ hoặc một thanh ghi

c) opcode addr2

Đ a ch addr2 tham chiếu đến một ô nhớ hoặc một thanh ghi Thanh ghi

đ a ch

d) opcode addr1, addr2

Một đ a ch tham chiếu đến một ô nhớ và đ a ch còn lại tham chiếu đến một thanh ghi

e) Toán h ng d ng 0 đ a ch th ờng đ c s dụng trong các lệnh

Các phương th c đ nh Ả toán h ng (Mode đ a ch )

Mode địa chỉ trực tiếp

1 Định vị thanh ghi (register addressing): Toán hạng đ c truy xu t là

nội dung thanh ghi của CPU.

2 Định vị tức thời (immediate addressing): Toán hạng tức thời là dữ

liệu 8 hay 16 bits nằm ngay trong lệnh, có th dùng làm toán hạng

nguồn hay hằng số.

Mode định vị gián tiếp

1 Định vị trực tiếp (direct addressing): Toán hạng chứa đ a ch là một

số nằm ngay trong lệnh.

2 Định vị gián tiếp thanh ghi (register indirect): đ a ch hiệu dụng EA là

nội dung của một trong các thanh ghi BX, BP, SI hoặc DI

3 Định vị cơ sở (based addressing): EA là tổng của nội dung thanh ghi

4 Định vị gián tiếp thanh ghi (register indirect): đ a ch hiệu dụng EA là

nội dung của một trong các thanh ghi BX, BP, SI hoặc DI

5 Định vị cơ sở (based addressing): EA là tổng của nội dung thanh ghi

6 Định vị chỉ số và cơ sở (indexed addressing): EA là tổng của nội

nếu có

7 Định vị chuỗi (string addressing): dùng riêng cho x lý chuỗi CPU sẽ

tự động s dụng các thanh ghi ch số nguồn SI và thanh ghi ch số

đích DI.

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

31/07/2013 Nguấễn Trung Đồng Computer Architecture

Quá trình thực hiện lệnh trong CPU

Các pha trong thực hiện lệnh

Generate Operand Address

Operand Fetch Execute Write Back