Nhập môn kiến trúc máy tính

Khi làm việc, DMAC cần biết 4 thông tin sau : Địa chỉ vùng nhớ (tăng 1 sau mỗi lần chuyển). Số byte cần chuyển (giảm 1 sau mỗi lần chuyển). Thiết bị xuất nhập. Chiều truyền dữ liệu. DMAC giữ các thông tin trên trong các bộ thanh ghi bên trong. Mỗi kênh DMA có 1 bộ thanh ghi chứa thông tin DMA. CPU phải nạp các thông tin này ra DMAC trong bước chuẩn bị DMA.

Chương 1

Nhập môn kiến trúc máy tính

ENIAC (1946) 18.000 bóng đèn

Tran-(1955-1965) PDP-1 (1961)

?

(1980-????) 80x86 (1978)

Giới thiệu tổng quát một máy tính

(CPU)

Xuất nhập

Bộ nhớ chính

Tuyến địa chỉ Tuyến dữ liệu

Tuyến điều khiển

Tuyến trạng thái

Bộ

xử lý trung tâm

(I/O)

(MEMORY)

Mô hình Von-Neumann

Khối điều khiển

Khối số học luận lý (ALU)

Bank 1 Bank 2 Bank 3

Mô hình máy tính

Khối điều khiển

Khối số học luận lý (ALU)

CPU

Bank 0 Bank 1 Bank 2 Bank 3

Bộ nhớ chính

I / O I / O I / O I / O I / O

Nguyên lý hoạt động

Các thanh ghi (registers)

Bộ nhớ trung tâm (central memory)

Điều khiển đọc/ghi

Thanh ghi dữ liệu

Đọc Ghi

Nguyên lý hoạt động (tt.1)

Chương trình (program).

Đơn vị điều khiển (control unit)

Bộ đếm chương trình ( P rogram C ounter)

+1

Địa chỉ câu lệnh

Mã lệnh (opcode)

Địa chỉ toán hạng (operand address)

Câu lệnh

Địa chỉ toán hạng

Thanh ghi lệnh ( I nstruction R egister)

Mạch tuần tự (sequencer)

Nguyên lý hoạt động (tt.2)

Đơn vị số học / luận lý (ALU)

Máy tính 3 địa chỉ Dạng lệnh

Kiến trúc Mã lệnh Địa chỉ th1 Địa chỉ th2 Địa chỉ kq

R2

R1

Toán hạng 2 Toán hạng 1

Khối tính toán

Nguyên lý hoạt động (tt.3)

Máy tính 1 địa chỉ Dạng lệnh

Kiến trúc Mã lệnh Địa chỉ toán hạng

Khối tính toán

C ← Acc

Máy giả thiết 1 địa chỉ

Bộ thanh ghi ACC

IR PC

Tập lệnh 1 địa chỉ

(địa chỉ 5 bit)

(lệnh nhảy điều kiện)

(lệnh dừng)

Bài toán

Chương trình tính tổng 2 số nhập từ bàn phím và xuất kết quả ra màn hình :

3 ALU

4

Bước 3 : ghi kết quả.

2 ALU

Bài toán kết nối

Vấn đề kết nối (connection problem) có thể được thực hiện qua các dạng khác nhau.

Nối điểm-điểm

D C

D C

Mạch điều khiển ngoại vi

Mạch điều khiển ngoại vi (IO controllers) thường dùng các thanh ghi sau :

Thanh ghi điều khiển

Thanh ghi trạng thái

Thanh ghi chọn thiết bị Thanh ghi dữ liệu

Kiểm tra trạng thái

Bắt đầu

Kiểm tra bit Ready

công việc I/O

Đ

S

công việc chính

nhập thanh ghi trạng thái

Kiểm tra bit Ready

Yếu tố thời gian (Time out)

Ngắt quãng (Interrupt)

Yêu cầu ngắt quãng

Xuất nhập

Cần trao đổi thông tin

CPU

Thiết bị ngoại vi

Chương trình chính

Xuất nhập ngoại vi

Chấp nhận ngắt quãng

Yêu cầu ngắt quãng Chương trình phục vụ ngắt quãng

Trao đổi thông tin

Cơ chế DMA (Direct Access Memory)

Hoạt động xuất nhập thông thường (programmed I/O).

Xuất nhập

CPU

Bộ nhớ

Thiết bị ngoại vi

Quá trình chuyển ngoại vi – bộ nhớ

Quá trình chuyển bộ nhớ – ngoại vi

Cơ chế DMA

Hoạt động xuất nhập theo DMA

Xuất nhập

CPU

Bộ nhớ

Thiết bị ngoại vi

Byte thông tin nhập

Đọc

Byte thông tin xuất

DMAC chiếm BUS để điều khiển

DMAC

Yêu cầu BUS Nhường BUS

Các thông tin cần thiết cho DMAC

Khi làm việc, DMAC cần biết 4 thông tin sau :

Địa chỉ vùng nhớ (tăng 1 sau mỗi lần chuyển).

Số byte cần chuyển (giảm 1 sau mỗi lần chuyển).

Thiết bị xuất nhập.

Chiều truyền dữ liệu.

DMAC giữ các thông tin trên trong các bộ thanh ghi bên trong.

Mỗi kênh DMA có 1 bộ thanh ghi chứa thông tin DMA.

CPU phải nạp các thông tin này ra DMAC trong bước chuẩn bị DMA.

Phân loại DMA

Có 2 loại hoạt động DMA được áp dụng trong thực tế :

Hoạt động DMA trong suốt (transparent DMA).

Hoạt động DMA lấy trộm chu kỳ (cycle stealing DAM).

DMA trong suốt được dùng khi hệ thống có Bus riêng cho DMAC Khi đó, hoạt động DMA diễn ra mà không làm gián đoạn hoạt động của CPU, hay nói cách khác là CPU không “thấy” hoạt động DMA trong hệ thống.

DMA lấy trộm chu kỳ ngược lại bắt CPU phải đợi (không làm gì cả) trong khi hoạt động DMA xảy ra và CPU chỉ lấy lại quyền điều khiển Bus sau khi hoạt động DMA chấm dứt.

DMAC thường báo hiệu kết thúc DMA bằng tín hiệu ngắt quãng

Đường dữ liệu (Data path)

PC ACC SP 0 +1 -1 A B

chọn A

MAR MBR

4

5 6

7

ALU

Bit điều khiển đường dữ liệu

Điều khiển bộ chọn A (1 bit) ( =0 : chốt A; =1 : MBR )

Chọn toán tử cho ALU (2 bit) ( 00 : ADD; 01 : AND; 10 : A; 11 : NOT A )

Điều khiển nạp kết quả vào MBR ( 1 bit ).

Điều khiển nạp dữ liệu vào MAR ( 1 bit ).

Điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ vào MBR (1 bit).

Điều khiển ghi dữ liệu từ MBR vào bộ nhớ (1 bit).

Cho phép bus C ( 1 bit ).

Chọn thanh ghi cho bus C ( 3 bit ).

Chọn thanh ghi cho bus B (3 bit).

Chọn thanh ghi cho bus A (3 bit).

Vi lệnh

1

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Bo mạch chủ

Intel 955X Express Chipset for DDR2 667 SDRAM Memory and Intel Pentium 4 Processor (1066 MHz FSB) PCI Slot CPU

DDR2 SDRAM

Xử lý

Phân loại thông tin xử lý

Số có dấu Qui ước: chọn bit có trọng số cao nhất (MSB) làm bit dấu

bit dấu = 0 là số dương - bit dấu = 1 là số âm

sử dụng số bù 2 :

MSB

(Most số thứ nhấtSignificant số thứ nhấtBit) LSB

(Least Significant Bit)

Số BCD (Binary Coded Decimal)

1 byte chứa 1 số BCD dồn

Số BCD được dùng để tính toán trên số thập phân trong

hệ nhị phân.

Số BCD là số viết theo hệ 16

nhưng giá trị tính theo hệ 10

Số 12 BCD được viết trong hệ 2 là 0001 0010 nhưng có giá trị là 12 thay vì 18 ( 12 16 = 18 10 ).

Phân loại

dồn

13

94 65

Chỉnh dạng số BCD sau khi cộng

18 02

+

1A

6

18 09

+

không chỉnh

kết quả không đúng kết quả đúng

Số thực - số chấm động

Số chấm động (floating point) dùng để tính toán trên số thực.

m (mantissa) quyết định độ chính xác

B (base)

e (exponent) quyết định độ lớn/nhỏ Một giá trị có thể biểu diễn dưới nhiều dạng

913.551 2

Biểu diễn chữ

Chữ cái Chữ số

giải mã

đường truyền

Thông tin

Parity - Kiểm tra chẳn lẻ

Bit kiểm tra là

kết quả của

phép kiểm tra

Phát hiện sai khi có 1 số lẻ bit thông tin

bị đổi giá trị trong quá trình truyền

Thực hiện bằng cách gởi kèm

theo thông tin 1 bit kiểm tra

bit kiểm tra

Binary Coded Decimal

Extended Binary Coded Decimal Interchange Code

Các cấu trúc dữ liệu thông dụng

Bảng (table) hay dãy (array).

Danh sách liên kết (linked list).

Hàng (queue).

Ngăn xếp hay chồng (stack).

Danh sách liên kết

Mỗi phần tử có 2 phần :

link : giữ tham khảo đến phần tử kế tiếp trong danh sách.

info : là nội dung chứa trong phần tử.

Danh sách phải có đầu và phần tử cuối.

Cuối Đầu

Đuôi hay hàng đợi

Về tổ chức dữ liệu, thường là bảng ( cũng có thể là danh sách liên kết) và có bổ sung thêm 2 con trỏ.

Con trỏ vào – con trỏ ra.

Cuối đệm

Ngăn xếp hay chồng

N

H N I

H N I M

H N I M

POP

Đọc bộ nhớ

Tăng SP

Hệ điều hành (Operation System)

Về bản chất là chương trình thực hiện các chức năng :

Kiểm soát hoạt động của phần cứng.

Tổ chức và quản lý tài nguyên (resource).

Tài nguyên

Nhiều người sử dụng cùng đối thoại

Kỹ thuật phân chia thời gian

Chức năng

Quản lý các công việc (jobs) của người sử dụng

Các bước nạp, thực thi, kết thúc, điều phối chương trình.

Đảm bảo tính ưu tiên giữa các công việc.

Cung cấp các hàm IO (thay đổi theo máy).

Cấp phát và giải phóng bộ nhớ.

Bảo vệ vùng bộ nhớ của từng công việc.

Phát hiện và giải quyết các lỗi sai.

Cung cấp các dịch vụ kết toán, nhật ký chạy máy.