bài giảng: Kiến trúc máy tính

Mục tiêu học phần Cung cấp cho sinh viên một số kiến thức cơ bản về kiến trúc của các hệ thống máy vi tính và hoạt động của máy vi tính..  Sinh viên trình bày được cấu trúc cơ bản v

Trang 1

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Th.s Nguyễn Hồng Nam

Computer Architecture

Trang 2

Yêu cầu

 Đọc tài liệu trước

 Khuyến khích câu hỏi (có điểm cộng)

Trang 3

Câu hỏi ?

Trang 4

Mục tiêu học phần

 Cung cấp cho sinh viên một số kiến thức

cơ bản về kiến trúc của các hệ thống máy

vi tính và hoạt động của máy vi tính.

 Sinh viên trình bày được cấu trúc cơ bản

và cơ chế hoạt động của máy tính, kiến trúc tập lệnh của một vài họ vi xử lý, quá trình truyền nhận và xử lý thông tin giữa các bộ phận bên trong máy vi tính, hiểu được kiến trúc song song và đa xử lý.

Trang 5

Tài liệu tham khảo

 David A Patterson and John L Hennessy,

Computer Organization and Design – The Hardware/Software Interfac, Morgan Kaufmann

Publishers, 2008

 A.S Tanenbaum – Structured Computer

Organization – Fourth Edition, Prentice Hall,

1999

 L Null, J Lobur – The Essentials of Computer

Organization and Architecture – Jones and

Bartlett Publishers, 2003

Trang 7

Chương 1

Giới thiệu kiến trúc

máy tính

Trang 9

1.1 Định nghĩa

 Kiến trúc máy tính (KTMT) – là thiết kế khái niệm và cấu trúc hoạt động căn bản của một hệ thông máy tính.

 - Là một bản thiết kế mô tả các tính chất chức năng về các yêu cầu và sự thi hành thiết kế cho những bộ phận khác nhau của một máy tính.

Trang 10

 KTMT - khoa học và nghệ thuật lựa chọn và kết nối các thành phần phần cứng để tạo thành các máy tính đáp ứng được các mục đích về tính năng, hiệu suất và giá cả

Trang 11

KTMT bao gồm ít nhất ba pham trù chính:

Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập trình (hardware/software interface)

Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu thiết kế máy tính ở mức thấp, các bộ phận của hệ thống kết nối với nhau như thê nào, hoạt động tương hổ ra sao  thực hiện tập lệnh

Thiết kế hệ thống(System Design): bao gồm tất

cả các thành phần phần cứng khác bên trong một

hệ thống: (bus, switch, bộ điều kiển bộ nhớ…)

Trang 12

1.2 Phương pháp nghiên cứu

1.2.1 Phân loại máy tính điện tử

 Phân loại truyền thống:

 Máy vi tính (Microcomputer)

 Máy tính nhỏ (Minicomputer)

 Máy tính lớn (Mainframe Computer)

 Siêu máy tính (Supercomputer)

 Phân loại máy tính hiện đại

 Máy tính để bàn (Desktop Computers)

 Máy chủ (Servers)

 Máy tính nhúng (Embedded Computers)

Trang 13

1.2.2 Cấu trúc máy tính điện tử

Thiết bị vào Thiết bị ra

Trang 14

phân làm 2 loại:

• Bộ nhớ trong: là bộ nhớ làm việc trong

quá trính xử lý Máy tinh trực tiếp xử lý thông tin trong bộ nhớ trong.

• Bộ nhớ ngoài: có tốc độ làm việc chậm

Nhưng thông tin trên bộ nhớ ngoài được lưu trử lâu dài, không cần nguồn nuôi Máy tính không xử lý thông tin trên bộ nhớ ngoài.

Trang 15

 Bộ số học và logic (Arthmetic Logic Unit - ALU): là nơ thực hiện các xử lý như thực hiện các phép tính số học hay logic.

 Bộ điều kiển (Control Unit): là đơn vị chức năng đảm bảo cho máy tính thực hiện đúng theo chương trình đã định

• Điều phố, đồng bộ hóa tất cả các thiết bị

của máy để thực hiện chương trình.

• Bộ số học logic + điều kiển phải = Bộ xử lý

trung tâm (Central Processing Unit – CPU)

Trang 16

 Thiết bị ngoại vi (Perpheral Device): là các thiết bị giúp máy tính giao tiếp với môi trường bên ngoài kể các với người dùng.

 Thiết bị đầu ra

 Thiết bị đầu vào

Trang 17

1.2.3 Các phương pháp nghiên cứu

Trang 18

1.3 Giới thiệu kiến trúc máy vi tính

1.3.1 Tổ chức vật lý (hardware)

 Mạch điều khiển: Bo mạch chủ CPU · PCI · Chipset · Chipset cầu bắc · Chipset cầu nam · BIOS · CMOS

 Bộ nhớ: RAM · ROM · Cache · Đĩa cứng · Đĩa mềm · Đĩa lưu trữ thể rắn · CD- ROM · DVD · BD · Flash disk · Thẻ nhớ

Trang 19

1.3.1 Tổ chức vật lý (hardware)

 Thiết bị nhập xuất dữ liệu: Màn hình Bàn phím · Chuột · Máy in · Webcam · Joystick · Game pad · Máy quét ảnh · Headphone · Microphone · Bảng vẽ đồ họa

 Thiết bị mạng - truyền thông: Modem · Card mạng · TV box · Router · Switch · Hub · Loa máy tính

Trang 20

liệu hay tài liệu liên quan nhằm tự động thực hiện một số

nhiệm vụ hay chức năng hoặc giải quyết một vấn đề cụ thể nào đó.

• Phần mềm thực hiện các chức năng của nó bằng cách

gửi các chỉ thị trực tiếp đến phần cứng (Computer

Hardware) hoặc bằng cách cung cấp dữ liệu để phục vụ

các chương trình hay phần mềm khác.

• Phần mềm là một khái niệm trừu tượng, nó khác với

phần cứng ở chỗ là "phần mềm không thể sờ hay đụng

Trang 21

1.3.1 Tổng quan về phần mềm

Phần mềm hệ thống dùng để vận hành máy tính

và các phần cứng máy tính, ví dụ như các hệ điều

hành máy tính Windows, Linux, Unix,

Phần mềm ứng dụng để người sử dụng có thể hoàn thành một hay nhiều công việc nào đó, ví dụ như các phần mềm văn phòng (Microsoft Office, OpenOffice), phần mềm doanh nghiệp,…

Phần mềm chuyển dịch mã bao gồm trình biên

dịch và trình thông dịch: các loại chương trình này

sẽ đọc

Trang 22

1.4 Sự tiến hóa của máy tính

Trang 23

Trang 24

1.4.1 Máy tính dùng đèn điện tử

Máy tính điện tử đầu tiên ENIAC (1946) - Mauchley và Eckert

 ENIAC – Electronic Numerical

Integrator And Computer

 Dư án của Bộ

Quốc phòng Mỹ.

Do John Mauchly

và John Presper Ecckert ở Đại học Pennsylvania thiết kế.

Năm 1943 – 1946

Trang 25

ENIAC – có kich thước khổng lồ với chiều dài

20m, cao 2,8m rông vài m

Nặng 30 tấn

18000 đèn điện tử

1500 rơle

Tiêu thụ 140Kw/h

Thanh nghi 10bit (tính toán trên số thập phân)

Có khả năng thực hiện 5000 phép cộng/giây

Lập trình bằng tay – bằng cách thiết lập các đầu

cắm điện và dùng các ngắt điện

Trang 26

Máy tính IAS

• IAS – Princeton Institue

for Advanced Studies

• Do nhà toán học John

von Neumann thiết kế

• Được xây dụng trên ý

tưởng “chương trình được lưu trữ” (stored- program concept) của Noeumann/Turing

Trang 27

Máy tính IAS cổ điển

Trang 28

 Bao gồm các thành phần: đơn vị điều kiển, đơn vị số học và logic (ALU), bộ nhớ chính và các thiết bị vào-ra

 Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu

 Bộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ, không phụ thuộc vào nôi dung của nó

 ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân

 Đơn vị điều kiển nhân lệnh từ bộ nhớ, giải mã và thực hiện lệnh một cách tuần tự

 Đơn vị điều kiểm điều kiển hoạt động của cá thiết bị vào-ra

 Mô hình cơ bản của máy tính

Trang 29

Các máy tính thương mại:

Trang 30

• IBM – International Business Machine

• 1953 – IBM 701

• Máy tính lưu trử đầu tiên của IBM

• Sử dụng cho tính toán khoa học

• 1953 – IBM 702

• Các ứng dụng thương mại

Trang 31

 1.4.2 Máy tính dùng transistor

Máy tính dùng Transistor đầu tiên được chế tạo ở phòng thí nghiệm Lincoln TX - 0

Trang 32

• Máy tính PDP-1 của DEC

(Digital Equipment Corporation)

máy tính mini đầu tiên

• IBM 7000

• Hàng trăm nghìn phép cộng / giây

• Các ngôn ngữ lập trình bậc cao ra đời

Trang 33

PDP - 1 do DEC(Digital Equipment Corporation)

chế tạo năm 1961 bởi Kenneth Olsen

Trang 34

PDP - 8 do DEC chế tạo vài năm sau đó

Trang 35

IBM 1401

Trang 36

CDC 6600

Trang 37

Mạch tích hợp (còn gọi là mạch vi điện tử - IC)

Trang 38

 1.4.3 Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI

và LSI

• Vi mạch (Integrated Circuit – IC): nhiều transistor

và các phần tử khác được tích hợp trên một chip bán dẫn

• SSI (Small Scale Integratinon)

• MSI (Medium Scale Integration)

• LSI (Large Scale Integration)

• VLSI (Very Large Scale Integration) (dùng cho máy

Trang 39

 Luật Moore

• Gordon Moore - người đồng sáng lập Intel

• Số transistors trên chip sẽ gấp đôi sau 18 tháng

• Giá thành của chip hầu như không thay đổi

• Mật độ cao hơn, do vậy đường dẫn ngắn hơn

• Kích thước nhỏ hơn dẫn tới độ phức tạp tăng lên

• Điện năng tiêu thụ ít hơn

• Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó

tăng độ tin cậy

Trang 40

và LSI

IBM System/360

Trang 41

Trang 42

và LSI

PDP - 11 của DEC

Trang 43

 1.4.3 Máy tính dùng vi mạch VLSI

Mạch tổ hợp ở mức độ rất cao (Very Large

Trang 44

Các sản phẩm chính của công nghệ VLSI:

Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên một chip.

Vi mạch điều khiển tổng hợp (chipset): một hoặc một vài vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép.

Memory): ROM,RAM

Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy tính chuyên dụng được chế tạo trên một chip.

Trang 45

Trang 46

Microcomputer (Personal Computer -

PC) qua các thời kỳ

Trang 47

Trang 48

Trang 49

Chương 2

Hệ thống máy tính

Trang 50

Nội dung

2.1 Cấu trúc máy vi tính 2.2 Liên kết hệ thống

2.3 Hệ thống vào ra

Company Logo

Trang 51

2.1 Cấu trúc máy vi tính

2.1.1 Các thành phần

Company Logo

Trang 52

2.1 Cấu trúc máy vi tính

2.1.2 Các thao tác cơ sở

Company Logo

Trang 53

2.2 Liên kết hệ thống

2.2.1 Khái niệm chung về Bus

Company Logo

Trang 54

Trang 55

1.2 Phương pháp nghiên cứu 1.2.2 Cấu trúc máy tính điện tử

CPU Bộ nhớ chính

BUS liên kết hệ thống

Vào - Ra

Trang 56

2.2.2 Cấu trúc đơn Bus

Company Logo

Trang 57

2.2.3 Phân cấp Bus trong máy tính

Company Logo

Trang 58

2.3.1 Tổng quan về hệ thống vào-ra

Company Logo

Trang 59

2.3.2.Các phương pháp điều khiển vào-ra

Company Logo

Trang 60

2.3.3 Nối ghép thiết bị ngoại vi

Company Logo

Trang 61

2.2.4 Các cổng vào ra thông dụng trên PC

Company Logo

Trang 62

Chương 3

Bộ sử lý

Trang 63

Nội dung

3.1 Khái niệm về cấu trúc bộ xử lý 3.2 Các phương pháp nâng cao khả năng hoạt động bộ xử lý

3.3 Giới thiệu các bộ xử lý Intel

Company Logo

Trang 64

3.1 Khái niệm về cấu trúc bộ xử lý

3.1.1 Cấu trúc bộ xử lý

Company Logo

Trang 65

3.1 Khái niệm về cấu trúc bộ xử lý

3.1.2 Các phương pháp thực hiện đơn vị điều khiển

Company Logo

Trang 66

3.2 Các phương pháp nâng cao khả

năng hoạt động bộ xử lý

Company Logo

3.2.1 Tác động clock

Trang 67

Company Logo

3.2.2 Thực hiện lệnh song song

Trang 68

Company Logo

3.2.3 Cơ chế đường ống

Trang 69

Company Logo

3.2.4 Bộ nhớ cache

Trang 70

3.3 Giới thiệu các bộ xử lý Intel

Company Logo

Trang 71

Chương 4

Bộ nhớ

Trang 72

Nội dung

4.1 Khái niệm về tổ chức thứ bậc của bộ nhớ

4.2 Bộ nhớ chính 4.3 Bộ nhớ ngoài 4.4 Giới thiệu về bộ nhớ ảo

Company Logo

Trang 73

4.1 Khái niệm về tổ chức thứ bậc

của bộ nhớ

Company Logo

Trang 74

4.2 Bộ nhớ chính

4.2.1 Bit nhớ

Company Logo

Trang 75

4.2.2 Tổ chức bộ nhớ

Company Logo

Trang 76

4.2.3 Tính chất bộ nhớ

Company Logo

Trang 77

4.2.4 Phân loại linh kiện nhớ

Company Logo

Trang 78

4.3 Bộ nhớ ngoài

Company Logo

Trang 79

4.4 Giới thiệu về bộ nhớ ảo

Company Logo

Trang 80

Chương 5

Một số dạng kiến trúc máy

tính

Trang 81

Nội dung

5.1 Kiến trúc máy tính song song 5.2 Kiến trúc đa xử lý đối xứng

Company Logo

Trang 82

5.1 Kiến trúc máy tính song song

Company Logo

Trang 83

5.2 Kiến trúc đa xử lý đối xứng

Company Logo

Trang 84

Thank You !

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	2,48 MB