Giáo an Bài giảng: Công nghệ thông tin về kiến trúc máy tính (Slide)

Kiến trúc đề cập đến các thuộc tính mà người lập trình nhận thấy được, ảnh hưởng trực tiếp đến thực thi chương trình Instruction set, số bit biểu diễn data type, cơ cấu I/O, addressing

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Nguyễn Hồng Sơn

Bài 1 GIỚI THIỆU

Kiến trúc & Tổ chức máy tính

Tổ chức và Kiến trúc

Hai thuật ngữ nhằm mô tả một hệ thống máy tính.

Kiến trúc đề cập đến các thuộc tính mà người lập trình nhận thấy được, ảnh hưởng trực tiếp đến thực thi chương trình (Instruction set, số bit biểu diễn data type, cơ cấu I/O, addressing)

Tổ chức máy tính đề cập đến các đơn vị hoạt động và

sự liên kết giữa chúng, thực hiện các đặc tả kiến trúc (chi tiết phần cứng, control signals, interfaces,

memory technology)

Ví dụ xây dựng multiply instruction

Cấu trúc và Chức năng

Cấu trúc: cụ thể hóa các thành phần và các mối liên hệ giữa các thành phần, là hiện

thực của tổ chức máy tính.

Chức năng: sự hoạt động của mỗi thành

phần trong cấu trúc.

Cơ cấu vận chuyển data

Cơ cấu điều kiển

Phương tiện Phương tiện

Nguồn và đích của data

7

Các thành phần trong cấu trúc máy tính

Có bốn thành phần chính:

•CPU: Điều khiển các hoạt động và thực hiện các chức năng xử lý data

•Main memory: Lưu trữ data

•I/O: vận chuyển data giữa máy tính với bên ngoài

•System interconnection: cung cấp cơ chế truyền thông giữa ba thành phần trên

Main memory

I/O CPU

Một máy tính có thể có một hay nhiều

CPU

Dung lượng bộ nhớ là tùy chọn

Cơ cấu I/O có qui mô khác nhau tùy theo nhu cầu

Conrol

Sequencing logic

Sơ lược lịch sử phát triển

Thế hệ thứ nhất:

1943 và được hoàn thành vào năm 1946 Đây là một máy tính khổng lồ với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét ENIAC bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự động, cân nặng 30 tấn, và tiêu thụ 140KW giờ Nó có

20 thanh ghi 10 bit (tính toán trên số thập phân) Có khả năng thực hiện 5.000 phép toán cộng trong một giây Công việc lập trình bằng tay bằng cách đấu nối các đầu cắm điện

và dùng các ngắt điện

Sơ lược lịch sử phát triển(tt)

Thế hệ thứ hai:

Sơ lược lịch sử phát triển (tt)

19

Sơ đồ kiến trúc của PIII

Intel Core 2 Dual

Nâng cao chất lượng

Tốc độ bộ vi xử lý

Cân đối hiệu suất

Cải thiện tổ chức và cấu trúc chip.

Giải pháp cân đối hiệu suất

Bộ nhớ lớn hơn

Cache

Liên kết CPU-memory tốc độ cao

Thiết kế

Cải thiện tổ chức và cấu trúc

chip

Tốc độ và clock rate

Kích thước và tốc độ cache

Kiến trúc song song

Các hệ quả

Bài 2 STORED-PROGRAM VÀ GENERAL-PURPOSE COMPUTER

Sự xuất hiện stored-program và

general-purpose hardware

hợp với nhau theo các cách khác nhau để lưu trữ dữ liệu nhị phân và thực hiện các phép toán số

học và luận lý trên dữ liệu đó.

nối các thành phần logic được thiết kế và thực hiện Có thể hiểu đó chính là dạng lập trình.

Tuần tự các chức năng số học và luận lý

Phần cứng được xây dựng từ các thành phần logic

quả

Sự xuất hiện stored-program và general-purpose hardware (tt)

Nếu tất cả các ứng dụng đều thực hiện

bằng hardwired progam => bất tiện và

khả năng của máy tính rất hạn chế

Xây dựng các chức năng số học và luận lý

tổng quát (general-purpose hardware)

Hoạt động dựa vào tín hiệu điều khiển

Biên dịch

Các chức năng số học và luận lý

Các mã lệnh (instruction codes)

Tập tín hiệu điều khiển

Phát sinh tín hiệu điều khiển

Toàn bộ chương trình là một tuần tự gồm nhiều bước.

Mỗi bước cần tiến hành một vài phép số học và luận lý trên data nào đó.

Mỗi bước cần một tập tín hiệu tương ứng

Một code duy nhất cho một tập tín hiệu có thể

Một segment tương ứng trong phần cứng tổng quát chấp nhận một tập tín hiệu điều khiển được phát ra.

Phát sinh tín hiệu điều khiển(tt)

Lập trình bây giờ: thay vì nối dây phần cứng cho mỗi chương trình mới, chỉ cần cung cấp một tuần tự mới của các code

Mỗi code thực ra là một instruction, được phần biên dịch tiếp nhận và phát ra tập tín hiệu điều khiển tương ứng.

Tuần tự các instruction đó là software

Data và instruction được lưu trữ trong một bộ nhớ đọc-ghi.

Nội dung trong bộ nhớ được định vị theo

vị trí, không cần biết kiểu data là gì.

Thực thi chương trình theo kiểu tuần tự, từ instruction này đến instruction kế tiếp.

Ba khái niệm cơ bản về stored-program

Bộ nhớ chính

Thiết bị nhập đưa data và inst vào theo

tuần tự, nhưng chương trình không phải

thực thi theo tuần tự một cách cứng nhắc.

Hoạt động tính toán có thể phải truy xuất nhiều dữ kiện hơn tại một thời điểm theo một tuần tự không thể dự đoán được.

=>cần có nơi lưu trữ tạm thời cả data và inst, đó là bộ nhớ chính

MAR

MBR I/O AR I/O BR

: Instruction Instruction Instruction

: Data Data

Bộ nhớ 0

1 2 :

Buffer I/O module

Bài 3

KIẾN TRÚC VON NEUMANN

VÀ KIẾN TRÚC HARVARD

KIẾN TRÚC VON NEUMANN

Computer) là máy tính điện tử dạng purpose đầu tiên

John von Neumann thiết kế ra máy tính mới gọi là IAS (Institute for Advanced Studies) là khuôn mẫu cho tất cả các máy tính general-purpose sau

41

Bộ nhớ

chính

ALU

Program Control Unit

Thiết bị I/O

Máy von Neumann

Main memory: lưu trữ cả data và instruction

ALU: thao tác trên số liệu nhị phân

PCU: biên dịch và tạo điều kiện thực thi các inst

Thiết bị I/O được điều khiển bởi CU

Máy von Neumann

Bộ nhớ chứa 1000 vị trí hay từ nhớ (word), mỗi word có 40 bit.

Mỗi số (data)được biểu diễn gồm 1bit dấu và 39 bit giá trị

Mỗi word có thể chứa hai inst 20 bit

Một inst gồm 8 bit op code và 12 bit địa

chỉ

AC MQ

Các mạch số học-luận lý

MBR

Thiết bị I/O

Main memory

Máy von Neumann (tt)

từ bộ nhớ và thực thi mỗi lúc một inst.

các thanh ghi:

Giải mã inst trong IR

Kiến trúc Hardvard

trình và dữ liệu Độ rộng Bus chương trình thay đổi linh động và tối ưu cho một thiết bị đặc biệt nào đó Độ rộng bus dữ liệu thường là 8 hay 16 bit Kiến trúc này cho phép truy xuất đồng thời cả chương trình và dữ liệu.

word inst chỉ chiếm một vị trí nhớ, các single word

quan đều chứa trong một từ nhớ Việc thực thi chỉ thị cũng nhanh vì bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu đều có thể truy xuất đồng hành.

Kieán truùc Harvard

Kiến trúc Harvard

Một số CPU có kiến trúc hỗn hợp giữa hai kiến trúc Cấu trúc bên trong core là Harvard Core của CPU được đệm từ bus ngòai qua một cache tốc độ cao và một bộ điều khiển cache Để nâng phẩm chất, bên trong CPU tách biệt bus chương trình và bus dữ liệu, mỗi bus đều có cache riêng.

Bộ điều khiển data cahe giám sát bus để cập nhật bản sao trong cache nếu các thiết bị khác trên bus thay đổi bộ nhớ chính Tuy nhiên, bộ nhớ chỉ thị không thể cập nhật, chỉ có thể đọc chương trình trong cache vàø không thể ghi vào Điều này khiến cho kiến trúc Harvard không thể thực hiện self modifying code.

Bài 4

KIẾN TRÚC TẬP CHỈ THỊ

ISA (Instruction Set Architecture)

Nguyễn Hồng Sơn

Tập chỉ thị

Tập hợp các chỉ thị khác nhau mà bộ xử lý

có thể thực thi

Các thành phần

Biểu diễn chỉ thị

Một tuần tự bit

Biểu diễn mỗi thành phần như thế nào

Lưu trữ dữ liệu: memory

Di chuyển dữ liệu: I/O

Điều khiển: kiểm tra, rẽ nhánh, chuyển điều khiển

Ví dụ rẽ nhánh

Gọi thủ tục

Số lượng địa chỉ

Bao nhiêu địa chỉ được chứa trong một chỉ thị

Địa chỉ được biểu diễn tường minh hay

không tường minh

Tập chỉ thị được đo lường qua vài yếu tố

Các cân nhắc thiết kế

nhưng lãng phí)

định số toán hạng (expanding opcode)

14

Hỗ trợ lưu trữ bên trong CPU

các toán hạng được ngầm định ở đỉnh stack, không thể truy xuất ngẫu nhiên, khó sinh mã hiệu quả.

(không tường minh) trong accumulator, tối thiểu

độ phức tạp nhưng lưu lượng bộ nhớ lớn.

General Purpose Register): dùng một số thanh ghi, truy xuất nhanh Có hai đặc trưng chính: số lượng

Địa chỉ tức thời (Immediate addressing)

Giá trị tham chiếu nằm ngay trong chỉ thị

Không có tham chiếu bộ nhớ để lấy dữ liệu

Địa chỉ trực tiếp (Direct addressing)

Toán hạng là địa chỉ của giá trị tham chiếu

Tham chiếu một vị trí bộ nhớ để truy xuất

Nội dung tham chiếu

Memory

3BF

Địa chỉ gián tiếp (indirect addresing)

Toán hạng là địa chỉ của con trỏ chỉ đến dữ

liệu

Địa chỉ hiệu quả chính là con trỏ

Ví dụ

ADD 38F

trong ô nhớ 38F với nội dung trong AC

Địa chỉ thanh ghi ( Register addressing )

Toán hạng là tên thanh ghi (địa chỉ thanh ghi)

Địa chỉ hiệu quả là thanh ghi

Truy xuất nhanh

Ví dụ

ADD R1 cộng nội dung thanh ghi R1 với nội dung của AC

opcode Địa chỉ thanh ghi

Nội dung tham chiếu Các thanh ghi

opcode Địa chỉ thanh ghi

con trỏ chỉ đến nội dung

tham chiếu

Các thanh ghi

Nội dung tham chiếu

Bộ nhớ

Địa chỉ hiệu quả = địa chỉ + độ dời

opcode thanh ghi địa chỉ

độ dời

Các thanh ghi

Nội dung tham chiếu

Bộ nhớ

Relative addressing

Từ displacement addressing nếu thanh ghi là PC thì gọi là địa chỉ quan hệ (relative addressing);

Lấy nội dung từ ô nhớ tại vị trí "địa chỉ" tính từ

vị trí hiện hành được chỉ ra trong thanh ghi PC.

Ví dụ LD A

nạp nội dung từ ô nhớ A+(PC) vào thanh ghi AC

Địa chỉ dùng thanh ghi nền

(Base-register addressing)

Giá trị thứ nhất là độ dời

Thanh ghi chứa con trỏ chỉ đến địa chỉ nền

Thanh ghi có thể là tường minh hay không tường minh (ngầm)

Indexed addresing

Giá trị địa chỉ trong chỉ thị chứa địa chỉ nền

Thanh ghi chứa độ dời (offset)

Địa chỉ hiệu quả= địa chỉ nền + độ dời

Thích hợp cho truy xuất mảng

thanh ghi R

Địa chỉ ngăn xếp (stack

Các chế độ địa chỉ cải tiến

Có thể kết hợp các chế độ địa chỉ với nhau

Ví dụ indirect indexed addressing, indirect based register adressing

Bài tập

1 Giải thích và cho ví dụ các chế độ địa chỉ cải tiến

-Indirect indexed addressing

-Indirect based register adressing

2 Tìm hiểu các chế độ địa chỉ trong máy

Pentium

CPU với system bus

Cấu trúc bên trong của CPU

Tổ chức các thanh ghi

CPU cần có các vùng nhớ tạm để làm việc,

gọi là các thanh ghi (registers)

Số lượng và chức năng thay đổi tùy vào

User-visible register là thanh ghi có thể được tham

chiếu qua ngôn ngữ máy, bao gồm các loại:

General Purpose: đa chức năng, chứa operand của

chỉ thị

Data: chỉ chứa data, không được dùng để tính toán

địa chỉ.

Address: dùng cho chế độ địa chỉ như segment

pointer, index register, stack pointer

Condition Codes: chứa các mã điều kiện (còn gọi là

các flag)

Control & status register

Có một số thanh ghi được dùng để điều khiển

hoạt động của CPU

Program Counter

Instruction Decoding Register

Memory Address Register

Memory Buffer Register

Tất cả các thiết kế đều có một hay tập thanh

ghi gọi là PSW (Program Status Word)

PSW

PSW chứa các mã điều kiện cùng với các thông tin

trạng thái khác Các field hay flag phổ biến gồm:

Supervisor mode

Các chỉ thị đặc quyền chỉ có thể thực thi

trong supervisor mode.

Vùng nhớ đặc biệt chỉ có thể truy xuất trong

supervisor mode

Được dùng bởi hệ điều hành

Không khả dụng đối với các chương trình

của user.

Ví dụ tổ chức thanh ghi

Một chương trình được thực thi gồm một

tập chỉ thị được lưu giữ trong bộ nhớ.

CPU có nhiệm vụ thực thi từng chỉ thị được

Chu kỳ lấy chỉ thị và thực thi

Bắt đầu mỗi chu kỳ chỉ thị, CPU nạp chỉ thị từ bộ

nhớ

PC (program counter): là thanh ghi hướng dẫn

chọn chỉ thị kế tiếp

Mặc định sau mỗi lần nạp, PC sẽ tăng một đơn vị

(chỉ tới chỉ thị kế tiếp theo tuần tự trong chương

trình)

Chị thị được nạp vào thanh ghi IR (instruction

register)

Chu kỳ lấy chỉ thị và thực thi…

Chỉ thị tồn tại ở dạng mã nhị phân, chỉ cho CPU

biết nó phải làm cơng việc gì.

CPU sẽ phiên dịch (giải mã lệnh) để nhận biết

cơng việc phải làm.

Các cơng việc thường rơi vào một trong bốn

nhóm:

CPU-Memory

CPU-I/O

Xử lý data

Điều khiển: ví dụ thay đổi tuần tự

Chu kỳ lấy chỉ thị và thực thi…

Việc thực thi một chỉ thị cụ thể liên quan

đến nhiều cơng việc.

Một chu kỳ thực thi có thể có nhiều tham

chiếu đến bộ nhớ.

Một chu kỳ thực thi có thể có nhiều tham

chiếu đến I/O

Một chu kỳ thực thi có thể có nhiều tham

chiếu đến bộ nhớ và cả I/O

Các trạng thái trong một chu kỳ chỉ thị

(1)Tính toán địa chỉ của chỉ thị: xác định địa chỉ của chỉ thị kế tiếp,

thường là cộng một hằng số vào địa chỉ của chỉ thị trước

(2)Lấy lệnh

(3)Giải mã chỉ thị: phân tích để xác định cơng việc phải làm và toán

hạng được dùng

(4)Tính toán địa chỉ toán hạng: nếu cơng việc cần lấy thơng số

(data) từ bộ nhớ hay I/O

(5)Lấy toán hạng

(6)Xử lý trên dữ liệu theo cơng việc được chỉ định

(7)Lưu toán hạng (data)

chỉ thị kế

nhiều kết quả

nhiều tốn hạng

Các trạng thái…

Trên một số máy tính, một chỉ thị cụ thể chỉ

định một toán tử thực hiện trên một vector

(mảng một chiều) hay chuỗi của các ký tự

Điều này liên quan đến lặp đi lặp lại việc

lấy dữ liệu hay lưu trữ dữ liệu.

Ví dụ máy giả thuyết

Từ nhớ 16 bit

Instruction: 4 bit mã và 12 bit địa chỉ

Data: 1 bit dấu và 15 bit định lượng

Gồm có các thanh ghi:

PC

IR

AC(accumulator): thanh ghi tạm

4 trong số 16 mã lệnh cụ thể

0001: nạp nội dung từ bộ nhớ vào AC

0010: ghi nội dung AC vào bộ nhớ

0101: cộng nội dung từ bộ nhớ với nội dung của AC

Ví dụ…

Chỉ thị được cất giữ từ vị trí 0x300 trong bộ nhớ.

Trình bày hoạt động cộng nội dung tại địa chỉ 0x940 với

nội dung của 0x941, lưu kết quả tại 0x941.

Chương trình

Nạp nội dung từ 0x940 vào AC

Cộng nội dung của 0x941 với AC

Ghi nội dung của AC vào 0x941

Như vậy có 3 chu kỳ nạp và 3 chu kỳ thực thi

194059412941

00030002

00031940

300 PC

AC IR

300 301 302

940 941

Bộ nhớ Các thanh ghi

00030002

00055941

301 PC

AC IR

300 301 302

940 941

194059412941

00030005

00052941

302 PC

AC IR

300 301 302

940 941

Ví dụ 2

Trình bày các chu kỳ thực hiện phép tính

(3+2)*5 (5 tai 942), ghi kết quả tại 0x942

 Tất cả sinh viên tự làm bài

0005

2942

194059416942

00030002

1940

300

300 301 302 303

940 941 942

PC AC IR

0005 2942

0003

Bài tập về nhà

Trình bày tất cả các chu kỳ chỉ thị khi tính (2+3)*(3+4)

trên máy giả thuyết, cho 0004 chứa tại 0x942, ghi kết quả

tại 0x942.

Viết tuần tự chỉ thị thực hiện phép tính sau trên máy IAS

(máy tính Von Neumann)

(4+2)*5, ghi kết quả tại vị trí 202h

Hãy trình bày tất cả các chu kỳ chỉ thị khi thực hiện phép

tính trên.

Cho mã chương trình đươïc nạp vào bộ nhớ bắt đầu tại vị

trí 100h và dữ liệu được cất giữ bắt đầu từ vị trí 200h.

THỰC THI CHƯƠNG TRÌNH

CĨ NGẮT

BÀI 6

Khái niệm Ngắt (Interrupt)

trình xử lý bình thường của CPU.

Program: phát sinh bởi điều kiện, là kết quả thực thi một chỉ thị, như tràn số học, chia 0…

thực hiện một chức năng thông thường nào đó.

I/O: phát sinh bởi I/O controller, báo hoàn tất một công việc hay thông báo một điều kiện lỗi nào đó.

Lỗi phần cứng

Chương trình I/O tiêu biểu

thực sự

Lệnh I/O, khi gọi lệnh này chương trình phải đợi thiết

bị I/O thực hiện chức năng được yêu cầu Chương trình

có thể đợi theo cách lặp lại thao tác kiểm tra để xác

định hoạt động I/O đã được thực hiện hay chưa.

Tuần tự chỉ thị làm thủ tục hoàn tất hoạt động I/O, ví dụ dựng các cờ, thiết lập thông báo…

Hoạt động của chương trình không ngắt…

Hoạt động I/O liên quan đến các thiết bị ngoài với các thao tác cơ-điện mất nhiều thời gian

Chương trình I/O phải đợi cho các thao tác I/O

hoàn tất.

=> Chương trình chính sẽ phải dừng lại mỗi khi gặp một chỉ thị I/O (ví dụ write) trong một thời gian khá dài

5 2

4 Hoạt động của chương trình

có ngắt…

Thủ tục ngắt tổng quát

Phát sinh tín hiệu ngắt: vi9 du: từ I/O module

Đáp ứng ngắt từ CPU: treo, chuyển