Bài giảng môn Kiến trúc máy tính: Chương 2 - Lịch sử phát triển của máy tính

+ John von Neumann  Ý tưởng thiết kế được đưa ra vào năm 1945  Khái niệm chương trình lưu trữ  Do các nhà thiết kế ENIAC, đặc biệt là nhà toán học John von Neumann  Chương trình đượ

+ Chương 2

Lịch sử phát triển của máy tính

+

NỘI DUNG

1 Lịch sử phát triển của Máy tính

Thế hệ đầu tiên: ống chân không Thế hệ thứ hai: Transitor

Thế hệ thứ ba: mạch tích hợp Các thế hệ tiếp theo

2 Thiết kế hiệu suất

Tốc độ vi xử lý Cân bằng Hiệu suất Cải tiến trong Tổ chức và Kiến trúc Chip

3 Đa lõi, MICs và GPGPUs

4 Sự phát triển của kiến trúc Intel x86

5 Hệ thống nhúng và ARM

6 Đánh giá hiệu suất

Tốc độ đồng hồ và số lệnh trên giây Tiêu chuẩn

Luật Amdahl Luật Little

+

1.1 Thế hệ đầu tiên: Ống chân không

a, ENIAC - Electronic Numerical Integrator And Computer

 Được thiết kế và xây dựng tại trường ĐH Pennsylvania

 Bắt đầu từ 1943 – hoàn thành năm 1946

 Bởi giáo sư John Mauchly và học trò John Eckert

 Là máy tính điện tử số đầu tiên trên thế giới

 Phòng thí nghiệm đạn đạo quân đội (BRL) cần thiết bị có thể cung cấp

bảng quỹ đạo chính xác cho một loại vũ khí mới trong khoảng thời gian cho phép

 Đã không kịp hoàn thành phục vụ chiến tranh Được tháo rời vào năm 1955

 Nhiệm vụ đầu tiên của nó là thực hiện một loạt các tính toán giúp xác định tính khả thi của bomb hydrogen

ENIAC

Nặng 30 tấn Chiếm 1500 m2 diện tích sàn Gồm 18000 đèn điện tử, 1500 công tắc điện tử

Tiêu thụ 140 kWh

Có khả năng thực hiện 5000 phép tính trên 1s

Tính toán trên số thập phân

Bộ nhớ gồm 20 thanh ghi, mỗi cái có thể giữ 1 số 10 chữ số Lập trình bằng tay bằng cách đấu nối các đầu cắm điện và dùng

các ngắt điện

+

John von Neumann

 Ý tưởng thiết kế được đưa ra vào năm 1945

 Khái niệm chương trình lưu trữ

 Do các nhà thiết kế ENIAC, đặc biệt là nhà toán học John von

Neumann

 Chương trình được lưu vào trong bộ nhớ cùng với dữ liệu

 ALU điều khiển để tính toán trên dữ liệu nhị phân

 Bộ điều khiển dịch các tập lệnh trong bộ nhớ và thi hành, điều khiển hoạt động của các thiết bị vào ra

 Máy tính IAS

 Hoàn thiện vào năm 1952 bởi viện nghiên cứu cao cấp Princeton

 Là nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay

b EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer)

Cấu trúc của Máy von Neumann

Main Memory

(M)

Central Processing Unit (CPU)

Logic Unit (CA)

Arithmetic-Program Control Unit (CC)

Figure 2.1 Structure of the IAS Computer

I/O Equip- ment (I, O)

+

Cấu trúc

của máy tính

Addresses

Control signals

Instructions and data

MAR

MBR

MQ

Arithmetic-logic circuits

Arithmetic-logic unit (ALU)

Program control unit

Figure 2.3 Expanded Structure of IAS Computer

output equipment

Input-Main memory M

+ Các loại thanh ghi

• Chứa word sắp lưu vào bộ nhớ hoặc sắp được gửi ra cổng I/O

• Có thể nhận một word từ bộ nhớ hoặc từ các cổng I/O

Thanh ghi đệm dữ liệu

• Chứa mã lệnh của lệnh sắp được thực thi

Thanh ghi tập lệnh (IR)

• Được sử dụng để tạm thời lưu trữ lệnh nằm bên tay phải của 1 từ trong bộ nhớ

Thanh ghi đệm chứa

+

Tập lệnh trong IAS

+

Máy tính thương mại

 1947 – Thành lập Công ty máy tính Eckert-Mauchly để sản xuất máy tính thương mại

 UNIVAC I

 Là máy tính thương mại thành công đầu tiên

 Được dùng cho cả các ứng dụng khoa học và thương mại

 Uỷ quyền bởi Cục điều tra dân số Mỹ để tính toán vào năm 1950

 UNIVAC II – hoàn thành vào cuối những năm 1950

 Có dung lượng bộ nhớ lớn hơn, nhanh hơn, hiệu suất cao hơn

 Tương thích ngược

c UNIVAC - Universal Automatic Computer

 Được phát minh bởi Bell Labs vào năm 1947

 Mãi đến cuối những năm 1950, máy tính bán dẫn hoàn toàn mới chính thức đưa vào thị trường thương mại

1.2 Thế hệ thứ hai: Transistor

 Di chuyển dữ liệu tới thiết

bị ngoại vi và thư viện

 PDP-1 là máy tính đầu tiên của DEC

 Bắt đầu sự xuất hiện của máy tính mini – dòng máy thống trị ở thế hệ máy tính thứ ba

IBM 700/7000 Series

Example Members of the IBM 700/7000 Series

Memory

Figure 2.5 An IBM 7094 Configuration

Data channel

Mag tape units

Card punch

Line printer

Card reader Drum

Disk

Disk

tapes

Hyper-Teleprocessing equipment

Data channel

Data channel

Data channel

1.3 Thế hệ thứ ba: Mạch tích hợp

Lịch sử phát triển máy tính

 Linh kiện rời

 Các transistor đơn lẻ, đóng gói khép kín

 Được chế tạo rời, đóng gói trong riêng và được hàn hoặc nối với nhau lên trên bảng mạch

 Quá trình sản xuất tốn kém và cồng kềnh

 Hai thành viên quan trọng nhất của thế hệ máy tính thứ ba

là IBM System/360 và DEC PDP-8

+

Vi điện tử

Boolean logic function Input

Activate signal

(a) Gate

Figure 2.6 Fundamental Computer Elements

Output

Binary storage cell Input

Read Write

(b) Memory cell

Output

+

Mạch tích hợp

 Máy tính bao gồm các cổng, các cell nhớ và đường kết nối giữa các bộ phận

 Cổng và các cell nhớ được xây dựng bằng những linh kiện điện tử kỹ thuật số đơn giản

 Lưu trữ dữ liệu – trên các

cell nhớ

 Xử lý dữ liệu –qua các cổng

 Di chuyển dữ liệu – Dữ liệu

được di chuyển trên các

đường dẫn giữa các bộ

phận của máy tính đi vào/ra

bộ nhớ và từ bộ nhớ qua

cổng tới bộ nhớ

 Điều khiển – tín hiệu điều

khiển được truyền trên các

đường dẫn giữa các bộ

phận

 Các linh kiện như điện trở, transistor và dây dẫn có thể chế tạo từ chất bán dẫn như silicon

 Nhiều transistor có thể được sản xuất cùng lúc trên một tấm khuôn silicon

+

Mối quan hệ

giữa Tấm khuôn,

Chip,

và Cổng

Computer Generations

Các thế hệ máy tính

+ Sự phát triển của Chip

Figure 2.8  Growth in Transistor Count on Integrated Circuits

(DRAM memory)

1 1947

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 2000 05 11

10 100 1,000 10.000 100,000

Moore’s Law

1965; Gordon Moore – đồng sáng lập Intel

Số lượng transistor trên mỗi chip tăng gấp đôi sau mỗi năm với giá thành không đổi

Tốc độ sau

đó chậm lại còn gấp đôi sau mỗi 18 tháng vào những năm

1970 và duy trì cho đến ngày nay

Hệ quả của quy luật Moore:

Giá mạch nhớ và mạch logic máy tính giảm rất mạnh

Rút ngắn chiều dài đường dẫn điện, tăng tốc

độ hoạt động

Máy tính nhỏ gọn hơn và thuận tiện cho

sử dụng ở nhiều môi trường

Giảm yêu cầu

về điện năng tiêu thụ

và bộ làm mát

Kết nối giữa các chip ít hơn

+

Đặc tính của họ System/360

Sự phát triển của PDP-8

+

Cấu trúc bus DEC - PDP-8

Figure 2.9 PDP-8 Bus Structure

Console

controller CPU

Omnibus

Main memory

I/O module

I/O module

VLSI

Very Large Scale Integration

ULSI

Ultra Large Scale Integration

Bộ nhớ bán dẫn

Bộ vi xử lý

+ Bộ nhớ bán dẫn

Kể từ năm 1970 bộ nhớ bán dẫn đã trả qua 13 thế hệ phát triển

Mỗi thế hệ sau lại tăng mật độ bộ nhớ lên gấp 4 lần so với thế hệ trước cùng với giảm giá

thành và thời gian truy câp

1974, giá 1 bit của bộ nhớ bán dẫn thấp hơn giá của bộ nhớ lõi

Giá bộ nhớ tiếp tục giảm mạnh khi mật độ bộ

nhớ vật lý tăng nhanh Sự phát triển công nghệ bộ nhớ và xử lý làm thay đổi bản chất của máy tính gần 1 thập kỉ

1970, Fairchild ra mắt bộ nhớ bán dẫn dung lượng tương đối lớn đầu tiên

Kích thước chip

bằng đơn lõi Có thể chứa 256 bits nhớ Không xoá được Tốc độ nhanh hơn lõi

+

Vi xử lý

 Mật độ các thành phần trên chip xử lý tiếp tục tăng

 Ngày càng nhiều thành phần đặt trên chip dẫn đến càng ít chip cần thiết để xây dựng một bộ xử lý máy tính

 1971 Intel phát triển dòng 4004

 Chip đầu tiên chứa được tất cả thành phần của CPU trên 1 chip đơn

 Sự ra đời của bộ vi xử lý 4 bit

 1972 Intel phát triển dòng 8008

 Vi xử lý 8 bit đầu tiên

 1974 Intel phát triển dòng 8080

 Vi xử lý đa năng đầu tiên

 Nhanh hơn, tập lệnh phong phú hơn, khả năng định địa chỉ rộng hơn

Quá trình phát triển của vi xử lý Intel

a 1970s Processors

b 1980s Processors

c 1990s Processors

d Recent Processors

Quá trình phát triển của vi xử lý Intel

+

2 CÁC ĐẶC TÍNH THIẾT KẾ MÁY TÍNH

Thi hành lệnh theo suy đoán

Kĩ thuật xây dựng bộ vi xử lý hiện đại bao gồm:

+

2.2 Cân bằng Hiệu suất

 Điều chỉnh kiến trúc và tổ chức để bù đắp cho sự chênh lệch giữa khả năng khác nhau của các thành phần

 Ví dụ về kiến trúc bao gồm:

 Tăng số lượng bit được lấy ra tại 1 thời điểm bằng cách làm cho

DRAMs “rộng hơn” thay vì “sâu hơn” và bằng cách sử dụng đường bus

Tốc độ dữ liệu của các thiết bị I/O điển hình

+

2.3 Cải tiến kiến trúc và tổ chức Chip

 Tăng tốc độ phần cứng của bộ vi xử lý

 Cơ bản là do thu hẹp kích thước cổng logic

 Nhiều cổng hơn, đóng gói chặt chẽ hơn, tăng tốc độ đồng hồ

 Thời gian truyền tín hiệu giảm

 Tăng kích thước và tốc độ cache

 Dành một phần của chip vi xử lý

 Thời gian truy cập cache giảm đáng kể

 Thay đổi cấu trúc và tổ chức bộ vi xử lý

+

Tốc độ đồng hồ và mật độ Logic

 Tiêu thụ điện năng

 Tăng khi mật độ cổng logic và tốc độ đồng hồ tăng

 Toả nhiệt

 Trễ RC (Resistance – điện trở & Capacitance – điện dung)

 Tốc độ dòng electrons chạy trên chip giới hạn bởi điện dung và điện trở (RC) của đường dây kim loại kết nối chúng

 Trễ tăng khi tích RC tăng

 Dây kết nối mảnh hơn, điện trở tăng

 Dây đặt gần nhau hơn, điện dung tăng

Power (W)  Cores 

3 Chip đa lõi

tiềm năng tăng hiệu suất cho máy mà không làm tăng tốc độ đồng hồ

 Tăng gấp đôi số lượng bộ vi xử lý, tăng gấp đôi hiệu suất

thay vì một bộ xử lý phức tạp

ba cấp cache trên một chip

+

Đa lõi tích hợp (MIC)

Đơn vị xử lý đồ hoạ (GPU)

 Sự nhảy vọt về hiệu suất

đặt ra thách thức trong

phát triển phần mềm để

khai thác hết tính năng

của xử lý đa lõi

 Chiến lược MIC và đa lõi

yêu cầu các bộ xử lý đa

năng phải gộp đồng nhất

trên một chip đơn

 Lõi được thiết kế để thi hành song song các thao tác trên

dữ liệu đồ hoạ

đồ hoạ rời, nó được sử dụng

để mã hoá và giải mã đồ hoạ 2D và 3D cũng như xử lý

video

vector cho những ứng dụng yêu cầu tính toán lặp

Đa lõi tích hợp (MIC) Đơn vị xử lý đồ hoạ (GPU)

 Là kết quả sau nhiều thập kỉ nghiên cứu máy tính tập lệnh

phức tạp (Complex instruction set computers - CISCs)

 Kết hợp các nguyên tắc thiết kế phức tạp chỉ có ở các siêu

máy tính hoặc hệ thống lớn

 Một cách thiết kê bộ xử lý khác là máy tính tập lệnh rút gọn

(Reduced instruction set computer - RISC)

 Kiến trúc ARM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống

nhúng và là một trong những hệ thống RISC mạnh nhất, thiết kết tối ưu nhất trên thị trường

 Trên thị trường, Intel là nhà sản xuất số một về các vi xử lý cho các hệ thống không phải hệ nhúng

4 Kiến trúc x86

Khái quát

+

Sự phát triển

của x86

 8080

 Vi xử lý đa năng đầu tiên

 máy 8-bit với đường dữ liệu tới bộ nhớ 8-bit

 Được dùng trên máy tính cá nhân đầu tiên (Altair)

 8086

 Máy 16-bit

 Sử dụng cache cho lệnh, hoặc hàng đợi

 Hiện diện đầu tiên của kiến trúc x86

 Máy 32 bit đầu tiên của Intel

 Bộ xử lý Intel đầu tiên hỗ trợ thao tác đa nhiệm

 80486

 Kĩ thuật cache và ống dẫn lệnh (pipeline) phức tạp hơn

 Tích hợp sẵn bộ xử lý toán học

Sự phát triển của x86 - Pentium

• Đổi tên thanh ghi tích cực

• Dự đoán nhánh

• Phân tích dòng dữ liệu

• Thi hành lệnh theo suy đoán

Pentium II

• Kĩ thuật MMX

• Thiết kế đặc biết

để xử lý video, audio và

dữ liệu đồ hoạ

Pentium III

• Thêm vào các lệnh dấu phẩy động để

hỗ trỡ các phần

mềm đồ hoạ 3D

Pentium 4

• Thêm các lệnh dấu phẩy động

và những cải tiến khác cho

đa phương tiện

Sự phát triển của x86 (2)

 Core

 Vi xử lý Intel x86 đầu tiên

có dual core – tức là thực hiện hai bộ xử lý trên một chip đơn

Ví dụ về các hệ thống nhúng

Automotive

Ignition system Engine control Brake system

Consumer electronics

Digital and analog televisions Set-top boxes (DVDs, VCRs, Cable boxes) Personal digital assistants (PDA s)

Kitchen appliances (refrigerators, toasters, microwave ovens) Automobiles

Toys/games Telephones/cell phones/pagers Cameras

Global positioning systems Industrial control Robotics and controls systems for manufacturing

Sensors Medical

Infusion pumps Dialysis machines Prosthetic devices Cardiac monitors

Office automation

Fax machine Photocopier Printers Monitors Scanners

+ Hệ thống nhúng

Hệ thống từ nhỏ đến

lớn, kéo theo nhiểu ràng buộc về giá thành

và nhiều yêu cầu để

tối ưu hoá và tái sử dụng khác nhau

Độ bền ngắn hoặc dài

Không quá nghiêm ngặt với các yêu cầu và

sự kết hợp các yêu cầu chất lượng khác nhau như độ an toàn, tin cậy, thời gian thực và độ

tổ hợp and hay or

Các mô hình tính toán khác nhau từ hệ thống

sự kiện rời rạc đến hệ thống kết hợp hybrid

Yêu cầu và ràng buộc

+ Tổ chức của hệ thống nhúng

Auxiliary Systems (power, cooling)

Memory

FPGA/

ASIC

Human interface

Diagnostic port

D/A Conversion

A/D conversion

Electromechanical backup and safety

Processor Software

External environment Figure 2.12 Possible Organization of an Embedded System

PDA, các thiết bị cầm tay

rộng rãi nhất

năm 1985 và ARM3 năm 1989

thành lập ARM Ltd

Family Notable Features Cache Typical MIPS @

MHz

ARM1 32-bit RISC None

ARM2 Multiply and swap

instructions;

Integrated memory management unit, graphics and I/O processor

floating-4 KB unified 28 MIPS @ 33 MHz

ARM7 Integrated SoC 8 KB unified 60 MIPS @ 60 MHz

ARM8 5-stage pipeline; static

branch prediction

8 KB unified 84 MIPS @ 72 MHz

ARM9 16 KB/16 KB 300 MIPS @ 300

MHz ARM9E Enhanced DSP

instructions 16 KB/16 KB 220 MIPS @ 200 MHz ARM10E 6-stage pipeline 32 KB/32 KB

ARM11 9-stage pipeline Variable 740 MIPS @ 665

MHz Cortex 13-stage superscalar

pipeline Variable 2000 MIPS @ 1 GHz XScale Applications

processor; 7-stage pipeline

Các hạng mục thiết kế ARM

Thiết kế bộ xử lý ARM cần phải đáp ứng ba hạng mục sau:

Platforms ứng dụng

hành mở bao gồm Linux, Palm

OS, Symbian OS, và Windows

CE trong các ứng dụng không dây và ảnh số

và các thiết bị thanh toán

+

6 ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MÁY

+

6.1 Đồng hồ hệ thống

6.2 Chuẩn so sánh (Benchmark)

Ví dụ: xét 1 câu lệnh ngôn ngữ lập trình bậc cao như sau:

A = B + C /* giả sử tất cả giá trị nằm trong bộ nhớ chính*/

Với kiến trúc tập lệnh truyền thống, theo kiến trúc CISC (Complex instruction set computer -CISC), lệnh này có thể được biên

dịch thành 1 lệnh sau trong bộ xử lý

add mem(B), mem(C), mem (A)

Trên một máy RISC điển hình, phần biên dịch sẽ như sau:

load mem(B), reg(1);

load mem(C), reg(2);

add reg(1), reg(2), reg(3);

store reg(3), mem (A)

+ Đặc tính mong muốn của chuẩn so sánh

Viết bằng ngôn ngữ bậc cao, có thể

chạy trên các thiết bị khác nhau

Đại diện cho một kiểu lập trình riêng,

ví dụ lập trình hệ thống, lập trình số học hoặc lập trình thương mại

Có thể so sánh dễ dàng

Được sử dụng rộng rãi

 Xác định và duy trì các bộ tiêu chuẩn nổi tiếng

so sánh và nghiên cứu

+

SPEC

CPU2006

 Bộ tiêu chuẩn SPEC nổi tiếng nhất

ứng dụng chuyên dụng bộ xử lý

 Thích hợp để đo hiệu suất cho các ứng dụng dành phần nhiều thời gian để tính toán hơn là I/O

phẩy động được viết bằng C, C ++,

và Fortran; 12 chương trình số nguyên viết bằng C và C ++

 Thế hệ bộ vi xử lý thứ năm của SPEC

+

6.3 Luật

Amdahl

 Gene Amdahl [AMDA67]

 Giải quyết sự tăng tốc của chương trình sử dụng nhiều bộ

xử lý so với sử dụng 1 bộ xử lý

 Mô tả các vấn đề mà nền công nghiệp phải đối mặt khi phát triển bộ xử lý đa lõi

môi trường thi hành lệnh song song để tận dụng sức mạnh của xử lý song song

 Có thể khái quát hoá để đánh giá và thiết kế các nâng cấp về

kĩ thuật trong hệ thống máy tính

+

6.4 Luật Little

định và không có rò rỉ

 Nếu máy chủ (server) đang rỗi, mọi đối tượng được xử lý ngay lập tức, nếu không thì các đối tượng đươc chuyển đến hàng đợi

 Có thể có một hàng đợi cho một server hoặc nhiều server, hay

cũng có thể có nhiều hàng đợi với mỗi hàng đợi cung cấp cho

nhiều server

bình nhân với thời gian mà một đối tượng ở trong hệ thống

 Mối quan hệ yêu cầu rất ít giả thiết

 Với tính đơn giản và tổng quát, hàng đợi là cực kì hữu dụng