BÀI GIẢNG KIẾN TRÚC MÁY TÍNH docx

và trao đ i thông tin gi a bus bên trong internal bus và bus bên ngoài external bus.

Trang 1

Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính 1.3

̈ Nh n thông tin vào,

̈ X lý thông tin theo dãy các l nh đ c nh s n bên

trong,

̈ a thông tin ra.

¸ Dãy các l nh n m trong b nh đ yêu c u máy

Trang 2

Mô hình phân l p c a máy tính

(Application Programs)

Các ph n m m trung gian (Utilities)

H đi u hành (Operating System)

̈ Máy tính l n (Mainframe Computer)

̈ Siêu máy tính (Supercomputer)

Ch ng 1: Gi i thi u chung

Phân lo i máy tính hi n đ i

Máy tính đ bàn (Desktop)

¸ Là lo i máy tính ph bi n nh t

̈ Máy tính cá nhân (Personal Computer – PC)

̈ Máy tính tr m làm vi c (Workstation Computer)

Trang 3

Máy tính nhúng (Embedded Computer)

̈ Router - b đ nh tuy n trên m ng

1.2 Ki n trúc máy tính

Ki n trúc máy tính bao g m hai khía c nh:

¸ Ki n trúc t p l nh (Intruction Set Architecture): nghiên c u

Trang 4

đ i thông tin gi a máy tính v i bên ngoài.

K t n i và v n chuy n thông tin gi a các thành

¸ ENIAC - Máy tính đi n t đ u tiên

̈ Electronic Numerical Intergator And Computer

̈ D án c a B Qu c phòng M

̈ Do John Mauchly và John Presper Eckert i

h c Pennsylvania thi t k

̈ B t đ u t n m 1943, hoàn thành n m 1946

Trang 6

c đi m chính c a máy tính IAS

¸ Bao g m các thành ph n: đ n v đi u khi n, đ n v s

h c và logic (ALU), b nh chính và các thi t b vào ra.

¸ B nh chính ch a ch ng trình và d li u.

¸ B nh chính đ c đánh đ a ch theo t ng ng n nh ,

không ph thu c vào n i dung c a nó.

¸ ALU th c hi n các phép toán v i s nh phân.

John von Neumann và máy tính IAS

Các máy tính th ng m i ra đ i

Trang 7

̈ Máy tính l u tr ch ng trình đ u tiên c a IBM

̈ S d ng cho tính toán khoa h c

Corporation) máy tính mini đ u tiên

¸ Các ngôn ng l p trình b c cao ra đ i.

Trang 8

3 Máy tính dùng vi m ch SSI, MSI và LSI

¸ Vi m ch (Integrated Circuit – IC): nhi u transistor

và các ph n t khác đ c tích h p trên m t chip

bán d n.

̈ SSI (Small Scale Integratinon)

̈ MSI (Medium Scale Integration)

̈ LSI (Large Scale Integration)

̈ VLSI (Very Large Scale Integration) (dùng cho máy

¸ Gordon Moore - ng i đ ng sáng l p Intel

¸ S transistors trên chip s g p đôi sau 18 tháng

¸ Giá thành c a chip h u nh không thay đ i

Trang 9

virtual memory

Trang 10

IBM 360/91

¸ c thi t k đ x lý d li u t c đ cao cho các ng d ng khoa h c

nh khám phá không gian, v t lý nguyên t , d báo th i ti t toàn c u.

¸ 16.6 tri u phép c ng/giây 1000 bài toán v i 200 t phép tính/ngày.

¸ 2-6 MB main memory, CPU có 5 đ n v x lý đ ng th i.

̌ 100-160 tri u phép tính

d u ch m đ ng/giây (megaflops)

Trang 11

VAX 11/780 (1978) - máy tính 32-bit

Osborne 1 (1980) - máy tính kh chuy n

¸ Máy tính "có th di chuy n" đ u tiên, kích th c

¸ Các b vi đi u khi n (Microcontroller): máy tính

chuyên d ng đ c ch t o trên m t chip.

Trang 12

M t s H th ng Máy tính nhúng

Siêu máy tính Earth Simulator c a NEC (2002)

Earth Simulator t i C quan Khoa

h c và Công ngh bi n Nh t B n (JAMSTEC), Yokohama, Japan

̌ 5200 processor

̌ 35860-40960 GFlops

Siêu máy tính ASC Purple c a IBM (2005)

ASC Purple at Lawrence Livermore

National Laboratory

̌ 10240 processor

̌ 40960 GB main memory

Trang 13

Ch ng 2: H th ng máy tính

2.1 Các thành ph n c a máy tính

¸ B x lý trung tâm (Central Processing Unit)

¸ H th ng vào ra (Input/Output System)

¸ Liên k t h th ng (System Interconnection)

Trang 14

T p các thanh ghi (RF)

n v ph i ghép bus (BIU)

bus đi u khi n bus d li u bus đ a ch

bus bên trong

Các thành ph n c b n c a CPU

đ ng c a máy tính theo ch ng trình đã đ nh s n.

ALU): th c hi n các phép toán s h c và các phép toán logic trên các d li u c th

¸ T p thanh ghi (Register File - RF): l u gi các thông tin

t m th i ph c v cho ho t đ ng c a CPU.

và trao đ i thông tin gi a bus bên trong (internal bus)

và bus bên ngoài (external bus)

Trang 15

Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính 2.10Các thành ph n c a b nh máy tính

¸ N i dung c a ng n nh có th thay đ i, song đ a ch v t lý c a

ng n nh luôn c đ nh

00101011 11010101 00001010 01011000 11111011

0000 0001 0010 0011 0100

Trang 16

B nh đ m nhanh (Cache memory)

B nh ngoài (External memory)

3 H th ng vào-ra (Input/Output System)

¸ Ch c n ng: trao đ i thông tin gi a máy tính

̈ Các thi t b ngo i vi (Peripheral Devices)

C u trúc c b n c a h th ng vào-ra

C ng vào- ra

Thi t b ngo i vi

Môđun vào-ra

N i ghép v i CPU và b

nh chính

Trang 17

Các thi t b ngo i vi

¸ Ch c n ng: chuy n đ i d li u gi a bên trong

và bên ngoài máy tính

¸ Các lo i thi t b ngo i vi (TBNV) c b n:

̈ Thi t b nh : các đ a …

Trang 18

Trang 19

Ch ng trình đang th c hi n

.

Chuy n đ n

ch ng trình con

ph c v ng t

Y N

Trang 20

3 Ho t đ ng vào-ra

¸ Ho t đ ng vào-ra: là ho t đ ng trao đ i d li u

gi a TBNV v i bên trong máy tính

¸ Các ki u ho t đ ng vào-ra:

¸ r ng bus: là s đ ng dây c a bus có thtruy n các bit thông tin đ ng th i (ch dùng cho bus đ a ch và bus d li u)

Trang 21

¸ Ví d : B x lý Intel Pentium có bus đ a ch 32

bit å không gian đ a ch là 232byte = 4 GB

Bus đi u khi n

¸ Ch c n ng: v n chuy n các tín hi u đi u khi n

M t s tín hi u đi u khi n đi n hình

¸ Các tín hi u phát ra t CPU đ đi u khi n đ ghi:

c-̈ Memory Read (MEMR): đi u khi n đ c d li u t

̈ Memory Write (MEMW): đi u khi n ghi d li u

đ n m t ng n nh có đ a ch xác đ nh

̈ I/O Read (IOR): đi u khi n đ c d li u t m t

c ng vào-ra có đ a ch xác đ nh lên bus d li u

̈ I/O Write (IOW): đi u khi n ghi d li u có s n trên bus d li u ra m t c ng có đ a ch xác đ nh

Trang 22

M t s tín hi u đi u khi n đi n hình (ti p)

¸ Các tín hi u đi u khi n ng t:

̈ Interrupt Request (INTR): tín hi u t b đi u

khi n vào-ra g i đ n yêu c u ng t CPU đ trao

đ i vào-ra Tín hi u INTR có th b che

̈ Interrupt Acknowledge (INTA): tín hi u phát ra

ch p nh n ng t đ trao đ i vào-ra

̈ Non Markable Interrupt (NMI): tín hi u ng t

̈ Reset: tín hi u t bên ngoài g i đ n CPU và các

thành ph n khác đ kh i đ ng l i máy tính

M t s tín hi u đi u khi n đi n hình (ti p)

¸ Các tín hi u đi u khi n bus:

̈ Bus Request (BRQ): hay là Hold: tín hi u t

môđun đi u khi n vào-ra g i đ n yêu c u CPU

̈ Bus Grant (BGT) hay là Hold Acknowledge (HLDA): tín hi u phát ra t CPU ch p nh n

c a môđun nhanh nh t trong h th ng

¸ Bus h th ng ph thu c vào c u trúc bus (các

tín hi u) c a b x lý å các môđun nh và các

môđun vào-ra c ng ph thu c vào b x lý

¸ Vì v y c n ph i phân c p bus å đa bus

3 Phân c p bus trong máy tính

¸ Phân c p bus cho các thành ph n:

¸ Phân c p bus khác nhau v t c đ

¸ Bus b nh chính và các bus vào-ra không phthu c vào b x lý c th

Trang 23

Các bus đi n hình trong PC

¸ Bus c a b x lý (Front Side Bus - FSB): có t c đ nhanh

nh t.

¸ Bus c a b nh chính (n i ghép v i các môđun RAM).

¸ AGP bus (Accelerated Graphic Port) - Bus đ h a t ng

t c: n i ghép card màn hình t ng t c.

¸ PCI bus (Peripheral Component Interconnection): n i

ghép v i các TBNV có t c đ trao đ i d li u nhanh.

¸ USB (Universal Serial Bus): Bus n i ti p đa n ng

¸ IDE (Integrated Driver Electronics): Bus k t n i v i đ a

¸ S phân x bus có th là t p trung ho c phân tán

̈ Phân x t p trung: có m t thi t b ph n c ng đi u khi n s truy nh p bus:

¸ c g i là B đi u khi n bus (Bus Controller) hay

Tr ng tài bus (Arbiter)

¸ Có th n m trên CPU ho c tách riêng

̈ Phân x phân tán: m i môđun có th đi u khi n bus,

nh ng có s đi u khi n logic trên t t c các môđun.

Trang 24

3.4 Th c hi n các phép toán s h c v i s nguyên3.5 S d u ch m đ ng

Trang 25

¸ Ch s nh phân g i là bit (binary digit)

¸ Bit là đ n v thông tin nh nh t

¸ Dùng n bit có th bi u di n đ c 2n giá tr khác nhau:

i i

Trang 26

Chuy n đ i s nguyên th p phân sang nh phân

Trang 27

Chuy n đ i s l th p phân sang nh phân (ti p)

Trang 28

1 Nguyên t c chung v mã hoá d li u

¸ M i d li u đ a vào máy tính đ u đ c mã

hoá thành s nh phân

¸ Các lo i d li u

¸ Th ng là b i c a 8 bit

¸ VD: 8, 16, 32, 64 bit

Trang 29

¸ S nguyên không d u (Unsigned Integer)

¸ S nguyên có d u (Signed Integer)

Trang 30

2

n

i

i i

a A

Các ví d

¸ Ví d 1: Bi u di n các s nguyên không d u sau đây b ng 8-bit:

Trang 31

¸ Tr c s h c:

¸ Tr c s h c máy tính:

0 255 254

1 2 3

V i n = 16 bit, 32 bit, 64 bit

Trang 32

n

i

i i n

a A

Ch ng 3: Bi u di n d li u và s h c máy tính

Các ví d

¸ Ví d 1 Bi u di n các s nguyên có d u sau đây b ng 8 bit:

Trang 33

Trang 34

Chuy n đ i t byte thành word

å thêm 8 bit 1 bên trái

3 Bi u di n s nguyên theo mã BCD

¸ Binary Coded Decimal Code

¸ Dùng 4 bit đ mã hoá cho các ch s th p phân t 0 đ n 9

Trang 35

1 Phép c ng s nguyên không d u

B c ng n-bit

Nguyên t c c ng s nguyên không d u

Khi c ng hai s nguyên không d u n-bit, k t

qu nh n đ c là n-bit:

nh n đ c luôn luôn đúng (Cout = 0)

đ c là sai, ⇔ có tràn nh ra ngoài (Cout = 1)

¸ Tràn nh ra ngoài (Carry Out) x y ra khi t ng >2n-1

Trang 36

3 C ng s nguyên có d u

Khi c ng 2 s nguyên có d u n-bit không quan

tâm đ n bit Coutvà k t qu nh n đ c là n-bit:

Trang 37

5 Nhân s nguyên không d u

0 1011 1101 C, A ä A + M

0 0101 1110 D ch ph i 1 bit n = 3

0 0010 1111 D ch ph i 1 bit n = 2 1011

0 1101 1111 C, A ä A + M

0 0110 1111 D ch ph i 1 bit n = 1 1011

Trang 38

1110

0 / các giá tr kh i đ u / 1101

1101 1110

1110 1111

1111 0111

B đi

7 Chia s nguyên không d u

0001 0010 Khôi ph c A, n = 0

/ các giá tr kh i đ u / 0111

1110

1110 1100

1100 1000

1001

D ch trái

A ä A - M = A + (-M) Khôi ph c A, n = 3

D ch trái

A ä A - M Khôi ph c A, n = 2

D ch trái

A ä A - M

Q0ä 1, n = 1

D ch trái 0010

Trang 39

Trang 40

Trang 41

Trang 42

Trang 43

hình, máy in …):

̈ BS, HT, LF, VT, FF, CR

¸ Các mã ký t đi u khi n truy n tin:

̈ SOH, STX, ETX, EOT, ENQ, ACK, NAK, SYN, ETB

256 ký t chu n

Trang 44

4.3 Ho t đ ng c a CPU4.4 C u trúc c a các b x lý tiên ti n4.5 Ki n trúc Intel

Ü X lý d li u (Process Data): th c hi n phép toán s

h c hay phép toán logic v i các d li u

Ü Ghi d li u (Write Data): ghi d li u ra b nh hay

c ng vào-ra

Ch ng 4: CPU

S đ c u trúc c b n c a CPU

Trang 45

Các thành ph n c b n c a CPU

¸ n v đi u khi n (Control Unit – CU)

¸ n v s h c và logic (Arithmetic and

Logic Unit - ALU)

¸ T p thanh ghi (Register File - RF)

¸ n v n i ghép bus (Bus Interface Unit

-BIU)

¸ Bus bên trong (Internal Bus)

Trang 46

Mô hình k t n i đ n v đi u khi n

Các tín hi u đ a đ n đ n v đi u khi n

¸ Clock: tín hi u nh p t m ch t o dao đ ng bên ngoài

¸ Mã l nh t thanh ghi l nh đ a đ n đ gi i mã

¸ Các c t thanh ghi c cho bi t tr ng thái

c a CPU

¸ Các tín hi u yêu c u t bus đi u khi n

Ch ng 4: CPU

Các tín hi u phát ra t đ n v đi u khi n

¸ Các tín hi u đi u khi n bên trong CPU:

¸ Các tín hi u đi u khi n bên ngoài CPU:

Ch ng 4: CPU

4 T p thanh ghi

¸ Ch c n ng và đ c đi m:

Trang 47

Phân lo i thanh ghi theo ch c n ng

thông tin đi u khi n và tr ng thái c a CPU

M t s thanh ghi đi n hình

¸ Các thanh ghi đ a ch

̈ Con tr ng n x p SP (Stack Pointer)

(Base Register & Index Register)

¸ Các thanh ghi d li u

¸ Thanh ghi tr ng thái

Trang 48

Thanh ghi con tr d li u

¸ Ch a đ a ch c a ng n nh d li u mà

CPU mu n truy nh p

¸ Th ng có m t s thanh ghi con tr d

li u

Minh h a thanh ghi con tr d li u

̈ Thông tin đ c c t vào ng n nh đ c tr b i SP

¸ Khi l y m t thông tin ra kh i ng n x p:

̈ Thông tin đ c đ c t ng n nh đ c tr b i SP

̈ N i dung c a SP t đ ng t ng

¸ Khi ng n x p r ng, SP tr vào đáy

Trang 49

Thanh ghi c s và thanh ghi ch s

¸ C n có nhi u thanh ghi d li u

¸ Các thanh ghi s nguyên: 8, 16, 32, 64 bit

¸ Các thanh ghi s d u ch m đ ng

Trang 50

Thanh ghi tr ng thái (Status Register)

¸ Còn g i là thanh ghi c (Flag Register)

¸ Ch a các thông tin tr ng thái c a CPU

̈ Các c phép toán: báo hi u tr ng thái c a k t qu

̈ N u IF = 1 å CPU tr ng thái cho phép ng t v i tín

hi u yêu c u ng t t bên ngoài g i t i

̈ N u IF = 0 å CPU tr ng thái c m ng t v i tín hi u

yêu c u ng t t bên ngoài g i t i

Tiêu đề	Giới thiệu chung về Kiến trúc máy tính
Tác giả	Phạm Quang Dũng
Trường học	Học viện Nông nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành	Kiến Trúc Máy Tính
Thể loại	Bài giảng
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	2,86 MB