Bài tập lớn kiến trúc máy tính tổng quan kiến trúc máy tính

Bài tập lớn Kiến trúc máy tínhMỞ ĐẦU Kiến trúc máy tính đề cập đến những thuộc tính của một hệ thống mà một lậptrình viên có thể nhìn thấy được hay nói cách khác là những thuộc tính có t

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ II DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU II

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 2

1.1 Chức năng 2

1.2 Cấu trúc 3

CHƯƠNG 2 RAM 8

2.1 Hoạt động của bộ nhớ 8

2.2 RAM 10

2.2.1 Cấu trúc DRAM và SRAM 10

2.3 Tổ chức của bộ nhớ 15

Tổ chức bộ nhớ SRAM 16

Tổ chức bộ nhớ DRAM 16

Tổ chức DRAM nâng cao 17

SDRAM 17

DDR SDRAM 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

Nguyễn Thái Châu

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Máy tính: Cấu trúc cấp cao nhất 3

Hình 1-2 Các yếu tố chính của một máy tính đa lõi 5

Hình 1-3 Bộ xử lý zEnterprise EC12 (PU) Sơ đồ chip 6

Hình 1-4 zEnterprise EC12 Bố cục cốt lõi 6

Hình 2-1 Hoạt động của ô nhớ 8

Hình 2-2 Phần tử nhớ DRAM 1 bit 11

Hình 2-3 Phần tử nhớ DRAM 1 bit 13

Hình 2-4 Đặc tính và giá thành của SRAM và DRAM 14

Hình 2-5 Giao tiếp giữa bộ xử lý và bộ nhớ 15

Hình 2-6 Tổ chức bộ nhớ SRAM 16

Hình 2-7 Tổ chức bộ nhớ DRAM 16

Hình 2-8 RAM động đồng bộ 256Mb 17

Hình 2-9 Thời gian đọc SDRAM (Độ dài liên tục = 4, độ trễ = 2) 19

Hình 2-10 các thế hệ DDR 20

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Các loại bộ nhớ bán dẫn 9

Bảng 2-2 Giải thích thuật ngữ RAM động đồng bộ (Hình 2-8) 18

Bảng 2-3 Đặc điểm DDR 20

Nguyễn Thái Châu

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

Nguyễn Thái Châu

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

MỞ ĐẦU

Kiến trúc máy tính đề cập đến những thuộc tính của một hệ thống mà một lậptrình viên có thể nhìn thấy được hay nói cách khác là những thuộc tính có tác độngtrực tiếp đến việc thực thi logic của một chương trình Một thuật ngữ thường được

sử dụng thay thế cho kiến trúc máy tính là kiến trúc tập lệnh (ISA) ISA xác địnhcác định dạng hướng dẫn, mã lệnh, thanh ghi, lệnh và bộ nhớ dữ liệu; ảnh hưởngcủa các lệnh được thực thi trên thanh ghi và bộ nhớ; và một thuật toán để kiểm soátviệc thực thi lệnh Tổ chức máy tính đề cập đến các đơn vị hoạt động và các kết nốicủa chúng để thực hiện các đặc điểm kiến trúc Ví dụ về các thuộc tính kiến trúc baogồm tập lệnh, số lượng bit được sử dụng để biểu diễn các kiểu dữ liệu khác nhau (vídụ: số, ký tự), cơ chế I / O và kỹ thuật định địa chỉ bộ nhớ Các thuộc tính của tổchức bao gồm các chi tiết phần cứng trong suốt đối với người lập trình, chẳng hạnnhư các tín hiệu điều khiển; giao diện giữa máy tính và thiết bị ngoại vi; và côngnghệ bộ nhớ được sử dụng

Trong lịch sử, và cho đến ngày nay, sự khác biệt giữa kiến trúc và tổ chức làmột điều quan trọng Nhiều nhà sản xuất máy tính cung cấp một nhóm mô hình máytính, tất cả đều có cùng kiến trúc nhưng có sự khác biệt về tổ chức Do đó, các môhình khác nhau trong gia đình có giá cả và đặc điểm hiệu suất khác nhau Hơn nữa,một kiến trúc cụ thể có thể kéo dài nhiều năm và bao gồm một số mô hình máy tínhkhác nhau, tổ chức của nó thay đổi theo công nghệ thay đổi Một ví dụ nổi bật của

cả hai hiện tượng này là kiến trúc Hệ thống IBM / 370 Kiến trúc này được giớithiệu lần đầu tiên vào năm 1970 và bao gồm một số mô hình Khách hàng có yêucầu khiêm tốn có thể mua một mô hình rẻ hơn, chậm hơn và, nếu nhu cầu tăng lên,sau đó nâng cấp lên một mô hình đắt hơn, nhanh hơn mà không cần phải từ bỏ phầnmềm đã được phát triển Trong những năm qua, IBM đã giới thiệu nhiều mô hìnhmới với công nghệ cải tiến để thay thế các mô hình cũ hơn, mang đến cho kháchhàng tốc độ cao hơn, chi phí thấp hơn hoặc cả hai Các mô hình mới hơn này vẫngiữ nguyên kiến trúc để khoản đầu tư vào phần mềm của khách hàng được bảo vệ.Đáng chú ý, kiến trúc System / 370, với một vài cải tiến, đã tồn tại cho đến ngàynay như là kiến trúc của dòng sản phẩm máy tính lớn của IBM

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Máy tính là một hệ thống phức tạp; máy tính đương đại chứa hàng triệu linhkiện điện tử cơ bản Điều quan trọng là nhận ra bản chất phân cấp của hầu hết các

hệ thống phức tạp, bao gồm cả máy tính [SIMO96] Hệ thống phân cấp là một tậphợp các hệ thống con có liên quan với nhau, mỗi hệ thống sau này lần lượt phân cấptheo cấu trúc cho đến khi chúng ta đạt đến mức thấp nhất của hệ thống con cơ bản [CITATION NXB09 \l 1033 ]

Bản chất phân cấp 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 tạimột thời điểm Ở mỗi cấp độ, hệ thống bao gồm một tập hợp các thành phần và mốiquan hệ giữa chúng với nhau Hành vi ở mỗi cấp chỉ phụ thuộc vào đặc tính đượcđơn giản hóa, trừu tượng hóa của hệ thống ở cấp thấp hơn tiếp theo Ở mỗi cấp độ,người thiết kế quan tâm đến cấu trúc và chức năng

1.1 Chức năng

Về bản chất, cả cấu trúc và hoạt động của một máy tính đều đơn giản Nóichung, chỉ có bốn chức năng cơ bản mà máy tính có thể thực hiện:

 Xử lý dữ liệu: Dữ liệu có thể có nhiều dạng khác nhau và phạm vi yêu cầu

xử lý cũng rộng Tuy nhiên, chúng ta sẽ thấy rằng chỉ có một số phương pháphoặc kiểu xử lý dữ liệu cơ bản

 Lưu trữ dữ liệu: Ngay cả khi máy tính đang xử lý dữ liệu đang bay (tức là dữliệu đến và được xử lý, và kết quả sẽ xuất hiện ngay lập tức), máy tính phảitạm thời lưu trữ ít nhất những dữ liệu đó phần dữ liệu đang được xử lý tạibất kỳ thời điểm nào Như vậy, có ít nhất một chức năng lưu trữ dữ liệu ngắnhạn 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 choviệc truy xuất và cập nhật sau này

 Di chuyển dữ liệu: Môi trường hoạt động của máy tính bao gồm các thiết bịđóng vai trò là nguồn hoặc đích của dữ liệu Khi dữ liệu được nhận hoặc gửiđến 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 liệuđược di chuyển trong khoảng cách xa hơn, đến hoặc từ một thiết bị từ xa, quátrình này được gọi là truyền thông dữ liệu

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

 Điều khiển: 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

1.2 Cấu trúc

M ÁY TÍNH MỘT BỘ XỬ LÝ ĐƠN GIẢN

Hình 1-1 Máy tính: Cấu trúc cấp cao nhất

Hình 1-1 cung cấp một cái nhìn phân cấp về cấu trúc bên trong của một máy tính bộ

xử lý đơn truyền thống Có bốn thành phần cấu trúc chính:

 Khối xử lý trung tâm (CPU): 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: Lưu trữ dữ liệu

 I/O: Di chuyển dữ liệu giữa máy tính và môi trường bên ngoài

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

 Kết nối hệ thống: Một số cơ chế cung cấp giao tiếp giữa CPU, bộ nhớ chính

và I / O Một ví dụ phổ biến về kết nối hệ thống là bằng một bus hệ thống, bao gồm một số dây dẫn mà tất cả các thành phần khác gắn vào

 Khối điều khiển: Điều khiển hoạt động của CPU và do đó là máy tính

 Đơn vị số học và logic (ALU): Thực hiện các chức năng xử lý dữ liệu của máy tính

 Thanh ghi: Cung cấp bộ nhớ trong cho CPU

 Kết nối CPU: Một số cơ chế cung cấp giao tiếp giữa đơn vị điều khiển, ALU

và thanh ghi

CẤU TRÚC MÁY TÍNH ĐA LÕI

 Đơn vị xử lý trung tâm (CPU): Phần máy tính tìm nạp và thực thi cáclệnh Nó bao gồm một ALU, một đơn vị điều khiển và các thanh ghi Một

hệ thống với một đơn vị xử lý duy nhất thường được gọi đơn giản là một

bộ xử lý

 Core: Một đơn vị xử lý riêng lẻ trên chip xử lý Một lõi có thể có chứcnăng tương đương với một CPU trên hệ thống một CPU Các đơn vị xử lýchuyên biệt khác, chẳng hạn như một đơn vị được tối ưu hóa cho các hoạtđộng vectơ và ma trận, cũng được gọi là lõi

 Bộ xử lý: Một miếng silicon vật lý chứa một hoặc nhiều lõi Bộ xử lý làthành phần máy tính thông dịch và thực hiện các lệnh Nếu một bộ xử lýchứa nhiều lõi, nó được gọi là bộ xử lý đa lõi

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

Hình 1-2 Các yếu tố chính của một máy tính đa lõi

 Logic lệnh: Điều này bao gồm các nhiệm vụ liên quan đến việc tìm nạp cáclệnh và giải mã từng lệnh để xác định thao tác lệnh và vị trí bộ nhớ của bất

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

Hình 1-3 Bộ xử lý zEnterprise EC12 (PU) Sơ đồ chip

Hình 1-4 zEnterprise EC12 Bố cục cốt lõi

 IDU (đơn vị giải mã lệnh): IDU được cấp từ bộ đệm IFU và chịu trách nhiệmphân tích và giải mã tất cả các mã hoạt động z / Architecture

 LSU (bộ lưu trữ tải): LSU chứa bộ đệm dữ liệu 96-kB L1, 1 và quản lý lưulượng dữ liệu giữa bộ đệm dữ liệu L2 và các đơn vị thực thi chức năng Nóchịu trách nhiệm xử lý tất cả các kiểu truy cập toán hạng ở mọi độ dài, chế

độ và định dạng như được định nghĩa trong z / Architecture

 XU (đơn vị dịch): Đơn vị này dịch các địa chỉ logic từ các lệnh thành địa chỉvật lý trong bộ nhớ chính XU cũng chứa một bộ đệm nhìn sang một bên bản

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

dịch (TLB) được sử dụng để tăng tốc độ truy cập bộ nhớ TLB được thảoluận trong Chương 8

 FXU (đơn vị điểm cố định): FXU thực hiện các phép toán số học điểm cốđịnh

 BFU (đơn vị dấu phẩy động nhị phân): BFU xử lý tất cả các phép toán dấuphẩy động nhị phân và thập lục phân, cũng như các phép toán nhân điểm cốđịnh

 DFU (đơn vị dấu phẩy động thập phân): DFU xử lý cả hoạt động dấu phẩyđộng và dấu phẩy cố định trên các số được lưu trữ dưới dạng chữ số thậpphân

 RU (bộ khôi phục): RU giữ một bản sao của trạng thái hoàn chỉnh của hệthống bao gồm tất cả các thanh ghi, thu thập các tín hiệu lỗi phần cứng vàquản lý các hành động khôi phục phần cứng

 COP (bộ đồng xử lý chuyên dụng): COP chịu trách nhiệm nén và mã hóa dữliệu cho mỗi lõi

 I-cache: Đây là bộ đệm lệnh L1 64-kB, cho phép IFU tìm nạp trước các lệnhtrước khi chúng cần thiết

 Điều khiển L2: Đây là logic điều khiển quản lý lưu lượng thông qua hai bộđệm L2

 Data-L2: Bộ nhớ đệm dữ liệu L2 1 MB cho tất cả lưu lượng bộ nhớ khác vớilệnh

 Hướng dẫn L2: Bộ nhớ đệm lệnh L2 1 MB

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

 Chúng có khả năng được viết thành (ít nhất một lần), để thiết lập trạng thái

 Chúng có khả năng được đọc để cảm nhận trạng thái

Hình 2-5 Hoạt động của ô nhớHình 2-1 mô tả hoạt động của một ô nhớ Thông thường nhất, tế bào có ba thiết bịđầu cuối chức năng có khả năng mang tín hiệu điện Như tên cho thấy, đầu cuốichọn sẽ chọn một ô nhớ cho thao tác đọc hoặc ghi Đầu cuối điều khiển cho biết đọchoặc ghi Để ghi, đầu cuối kia cung cấp tín hiệu điện đặt trạng thái của ô thành 1hoặc 0 Để đọc, đầu cuối đó được sử dụng cho đầu ra của trạng thái ô

Thông thường ta ta sẽ phân ra làm 2 hoạt động chính là:

 Hoạt động ghi dữ liệu

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

 Dữ liệu trong (Data in): Là khi ta muốn ghi vào ô nhớ ở trạng thái mức caohay mức thấp, Mức 0 hay mức 1

 Chọn (Select): Ta có một mảng các bộ nhớ (Memory array) chứa nhiều cáccell Để truy cập vào trong các cell này, ta phải có 1 đường dữ liệu chọn(select) để chọn những vùng nhớ đó, ô nhớ đó để bắt đầu thao tác là ghi dữliệu

 Điều khiển (Control): Điều khiển hoạt động 1 là đọc 2 là ghi

Bảng 2-1 Các loại bộ nhớ bán dẫn

Bảng 2.1 Liệt kê các loại bộ nhớ bán dẫn chính Phổ biến nhất được gọi là bộnhớ truy xuất ngẫu nhiên (Random-access memory) hay còn được gọi là RAM Vàmột số bộ nhớ đọc để lưu chương trình (read-only memory) hay còn được gọi làROM

Điểm giống và khác biệt giữa RAM và phần còn lại là:

 RAM là bộ nhớ có khả năng vừa ghi vừa đọc (Read-write memory)khác với phần còn lại bộ nhớ chỉ đọc (Read-only memory) và bộ nhớchủ yếu là đọc (Read-mostly memory)

 Erasure (Dọn dẹp): RAM có thể xoá được nội dung của bộ nhớ này(Electrically, byte-level)

 Cơ chế của RAM là ghi bằng điện

Memory Type Category Erasure Write

Read-mostly

memory

Electrically, block-level

Electrically

Nonvolatile

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

 Đặc tính là bay hơi (Volatility): dữ liệu ghi trên bộ nhớ này sẽ bị mất đi,không còn lưu trữ được nếu như nguồn cung cấp cho bộ nhớ này bịngắt quãng Trái ngược với bộ nhớ RAM, thì bộ nhớ ROM có thể lưutrữ được dữ liệu kể cả khi nguồn cung cấp không còn nữa(Nonvolatile)

 Và điểm chung nhất giữa RAM và phần còn lại: đều là bộ nhớ bán dẫn,

và có chức năng là lưu trữ dữ liệu và lệnh

2.2 RAM

Công nghệ RAM được chia thành hai công nghệ:

 RAM động (Dynamic RAM) hay còn được gọi là DRAM

 RAM tĩnh (Static RAM) hay còn được gọi là SRAM

2.2.1 Cấu trúc DRAM và SRAM

Cấu trúc RAM động (DRAM-Dynamic RAM)

 Yếu tố lưu trữ dữ liệu cơ chế là dùng tụ điện để lưu trữ trạng thái nạp

 Nếu như trạng thái của tụ điện mà nó được nạp thì dữ liệu trên nó ở mức 1.Còn nếu như tụ điện trên DRAM này ko được nạp (rỗng) thì nó ở mức 0 Sựhiện diện hoặc không có điện tích trong tụ điện được hiểu là một hệ nhị phân

1 hoặc 0

 Vì điện tích trên tụ điện sẽ bị rò, vì thế chúng ta phải có một cơ chế nào đó

để duy trì thông tin được nạp trên tụ điện này Thì cơ chế đó là charge

refreshing trên tụ điện (capacitors).

 Thuật ngữ động lực học (Dynamic) đề cập đến xu hướng điện tích được lưutrữ bị rò rỉ ra ngoài, ngay cả khi nguồn điện được cấp liên tục

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

Hình 2-6 Phần tử nhớ DRAM 1 bit

Hình 2-2 là cấu trúc DRAM điển hình cho một ô riêng lẻ lưu trữ một bit

Bộ nhớ DRAM được tổ chức thành một ma trận nhớ (thường là ma trậnvuông), trong đường địa chỉ (Adress line) là một trong các dây hàng của ma trận,còn đường bit (Bit Line) là một trong các dây cột Phần tử nhớ được đặt ở giao điểmcủa các dây hàng và cột

Phần tử nhớ được đặt ở giao điểm của dây hàng và cột Transistor hoạt độngnhư là một khoá điện tử Transistor có 3 cực là cực cổng G (Gate) nằm phía về phíađường địa chỉ (Adress line), cực máng D (Drain) nằm về phía đường Bit (Bit line)

và cực nguồn S (Source) nằm về phía tụ của điện Trong đó cực G (Gate) là cựcđiều khiển, D sẽ được nối với S khi G có mức điện áp cao (1) so với S, ngược lại thìđiện trở giữa D và S sẽ rất lớn

 Việc ghi (Write)

Khi đường địa chỉ có mức tích cực (1), T ở trạng thái mở, nối tụ điện C vớiđường bit bit Nếu thao tác là ghi thì giá trị cần phải đặt trên đường bit Nếu giátrị đó là 1 thì tụ C sẽ được nạp tới điện áp ứng với giá trị 1 trên đường bit, cònnếu giá trị đó là 0 thì tụ C sẽ bị phóng hết điện tích, tức là có giá trị 0

 Việc đọc (Read)

Việc đọc phức tạp hơn ghi một chút do tụ điện tích trên tụ C ứng với giá trịcần đọc rất nhỏ Trước khi đặt đường địa chỉ lên mức tích cực, cần phải đặt lên

Bài tập lớn Kiến trúc máy tính

đường bit điện áp bằng 1/2 mức chênh lệch giữa điện áp ứng với mức 0 và điện

áp ứng với mức 1 Điện áp trên tụ sẽ làm cho điện áp trên đường bit thay đổimột chút theo chiều hướng tăng hoặc giảm, tuỳ thuộc vào việc nó đang nhớ giátrị (high) hay 0 (low) Sự thay đổi nhỏ của điện áp trên đường bit sẽ được truyềntới đầu vào của một bộ khuếch đại nhạy, tại đầu ra của nó ta nhận được điện ápứng với giá trị của bit chứa trên tụ C

 Làm tươi (Refresh)

Vì mọi tụ điện đều có một điện trở rò và transistor T mắc nối tiếp với

nó dù ở trạng thái cấm cũng có một điện trở nhất định, cho nên khi được nạp,điện tích trên tụ C liên tục bị phóng, sau một khoảng thời gian nhất định sẽlàm mất thông tin mất thông tin mà C chứa Chính vì vậy cần phải nạp điệnlại cho tụ C trước khi điện áp trên tụ giảm thấp hơn một ngưỡng nào đó, việcnày còn được gọi là “làm tươi” (refresh) Để làm tươi ô nhớ DRAM, cầnphải đọc nội dung của nó rồi viết trở lại Việc làm tươi phải được tiến hànhđều đặn theo một chu kỳ nhất định, gọi là chu kỳ làm tươi; Tên gọi RAMđộng (Dynamic RAM) xuất phát từ hoạt động này

Cấu trúc RAM tĩnh (SRAM-Static RAM)

Ngược lại, RAM tĩnh (SRAM) là một thiết bị kỹ thuật số sử dụng cùng các phần

tử logic được sử dụng trong bộ xử lý

 Trong SRAM, các giá trị nhị phân được lưu trữ bằng cách sử dụng cấu hìnhcổng logic flip-flop truyền thống

 RAM tĩnh sẽ giữ dữ liệu của nó miễn là nguồn được cung cấp cho nó

 Khi phần tử nhớ đã được thiết lập giá trị thì nó nhớ mãi cho đến khi chúng tathiết lập cho nó một giá trị mới

Vì thế người ta gọi nó là phần tử nhớ RAM tĩnh (Static Random AccessMemory) Bộ nhớ được xây dựng từ các phần tử 1 bit như vậy được gọi là bộ nhớRAM tĩnh