kiến trúc máy tính giới thiệu chung về máy tính điện tử

Phân loại các hệ thống máy tính theo kiến trúc Ngoàinguyên lý máy trìnhtự theoVonNeumann, tronggiai đoạn gần đâycòn phát triểncác máy tính theo nguyên lý song song.Theo MichaelFlymn có t

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY TÍNH ĐIỆN TỬ

1.1.Sự ra đời và phát triển của máy tính

Trướccôngnguyênđãxuấthiện cáccôngcụxửlýsốđểtínhtoáncácvấnđề

sốhọc

Giữa thế kỷ 17 nhà bác học Pháp B.Pascal (1823-1662) đã có nhiều đónggóptrong cơgiớihóatínhtoánsốhọc.Ông đãlàmramộtmáytínhmớivớinguyên

lý mới “bánhxe răng cưa” Các bánh xe của Pascal có 10 vị trí(từ 0-9) và xếp đặt

kếtiếpnhau.Cácmáynàygiúpchoviệctínhtiềnđượcnhanhchóng

Tiếp theo đó nhà bác học Đức Leibniz (1646-1716) đã chế ra máy tính cơhọccóthểnhânvàkhaicănbậc2

Thế kỷ 19: Nhà bác học Anh C.Babbage (1791-1871) đã nghĩ đến tự độnghóa các máy tính cơ học, tự động thực hiện liên tiếp các phép tính Máy củaBabbage cầndùng băngđụclỗ đểxác địnhphéptính thựchiện Kiểumáy tínhnàyđược gọilà máy tínhchương trìnhngoài (ngược vớimáy tính hiệnnay là máy tínhchương trình trong) thực hiện luôn một loạt phép tính cố định trong một chươngtrình.MáytínhnàyđãcóđủCPU,bộnhớvàthiếtbịvào/ra

Trong thế chiến lần thứ 2, nhiều hãng và trương đại học ởMỹ đã xây dựngcácmáytínhbằngrơledựatrênnguyênlýBabbage

John Mauchly và học trò J Presper Eckert ở trường Đại học Pennsylvaniatheo yêu cầu thiết kế máy tính để tính đường đạn.Mauchly gặpAtanasoff-1941 và

sửdụng nguyênlýmáyABC (Atanasoff-BerryComputer,máy tínhđưara1930)đểphát triển và đưa ra máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator andCalculator, năm 1943- 1946) Máy tính ENIACđược xây dựng từcác đèn điện tử.Máy nặng 30 tấn, trải rộng trên diện tích 170 m2, công suất tiêu thụ 200 kW, thựchiệnđược5000phéptính/giây.ENIACđượccoilàmáytínhđiệntửđầutiên

Nhà toánhọcVon Neumannlà ngườitư vấntrongchế tạoENIAC đãnghiêncứumáytínhENIACvàđưaraquanniệmmới

1) Chương trìnhđược ghitrước vàobộnhớ:Máytính cóbộnhớ đểlưutrữmộtchương trình trước khi thực hiện và ghi kết quả trung gian Chương trìnhđược thựchiệntheotrìnhtự

2) Ngắtrẽnhánh:Máytựđộngrẽnhánhnhờcácquyếtđịnhlogic

13

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Phầnlớn cácmáytínhngàynayđềulàmviệctrênnguyênlýVonNeumann

Từkhi rađờiđến nay,máytínhđã trảiqua5thếhệ Các thếhệcủamáy tínhđiệntửbaogồm:

1) Thếhệ1(1951-1958):Ðènđiệntửchânkhông

2) Thế hệ2(1959-1964):Bándẫn,Assembller,Cobol(59)

3) Thếhệ3(1965-1970):Viđiệntửcỡ nhỏvàvừa(SSI,MSI)

4) Thếhệ4(1971đếnnay):Viđiệntửcỡlớnvàsiêulớn(LSI,VLSI, MSI,GSI)5) Thế hệ 5 (1980-1990): Dự án xây dựng máy tính thế hệ 5 với tính năng xử lýsong song trí tuệ nhân tạo và ngôn ngữ tự nhiên Tuy nhiên dự án này khôngthànhcôngnhưmụctiêuđãđềra

1.2.Phân loại các hệ thống máy tính

1.2.1 Phân loại các hệ thống máy tính theo hiệu năng (khả năng tính toán)

Dựa trên khả năng tính toán của MTÐT, người ta chia làm 4 loại: Máy tính

cá nhân (Personal Computer), Máy tính Mini (Minicomputer), Máy tính lớn(Mainframe)vàMáytínhsiêulớn(Supercomputer).Cácthôngsốđặctrưngđểđánhgiáhiệunăngcủamáytínhlà:

− Tốcđộ(khảnăngtínhtoán)

− Độdàicủatừxửlý

− Dunglượngbộnhớtrong

− Dunglượngbộnhớngoài

a Máy tính cá nhân

Máytínhcánhânthườnglàmáytínhmộtngườisửdụng

Ví dụ:

MáyvitínhPentiumIVvới

− Tốc độ được đặc trưng bằng tần số của đồng hồ 1,4GHz;1,5GHz; 2,8GHz; 3,1GHz

- Độdàitừxửlý32bit

− Dunglượngbộnhớtrong:64MB,128MB,256MB,

− Dunglượngđĩacứng:20GB,40GB,80GB

23

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

b Máy tính cỡ vừa (Mini)

Một máy tính Mini thường có khả năng cho 20 – 100 người đồng thời sửdụng

MáytínhMinicóhiệunăngsửdụngthườnggấp10lầnmáytínhcánhân.Cấuhìnhcủamộtmáytínhminicóthểđược thểhiệnnhưtrênhình 1.1.

ThiÕtbÞ®Çucuèi

ThiÕtbÞ®ÇucuèiThiÕtbÞ®Çucuèi

Thôngthườngmáytínhlớncócụmxửlý:

- Bộ tiền xử lý (The-Front end-Processor) làm nhiệm vụ thu thậpvà xử lý số

bộdữliệutớitừcácthiếtbịđầucuốitrướckhiđưavàochobộxửlýchủ

- Bộ xử lý chủ (Host processor) làm nhiệm vụxử lýchính vàđiều khiển toàn

bộhệthống

- Bộ xử lý phụ trợ (The-back end-Processor) làmnhiệmvụ quảnlý tệp, cơsở

dữliệuvàmáyin

Máytínhlớncókhảnăngtínhtoángấp10lầnmáyMini

Ví dụ:MáytínhIBM4381,IBMRS/400

Cấuhìnhcủamộtmáytínhlớnđượcthểhiệnnhưtrênhình 1.2.

33

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

d Máy tính siêu lớn

Máytínhsiêulớncáccấutrúchướngvàotăngtốcđộxửlýbằngcách:

- Dùnglinhkiệnnhanhhơn

- Rútngắnkhoảngcáchgiữacáclinhkiện

- Kiếntrúcmáynàykhácvớicácloạimáymini

- Máytínhsiêulớnphảilàmviệctrongphònglạnh

Ví dụ:Máytính Cray5,5triệuUSD;Compag200triệuUSD– hàngngànbộ

xửlý

Máytínhsiêulớncókhảnăngtínhtoánlớnhơn 10lầnmáytínhlớn

Ứng dụng:

- Phântíchsốliệuđộngđất

- Môphỏngdòngkhícủamáybay

- Nghiêncứusứcnổcủaphảnứnghạtnhân

- Nghiêncứumôphỏng,tạodạngcơnbãotrongdựbáothờitiết

- Kiếntạonhữngmôhìnhchuyểnđộngtrongvũtrụ

43

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

1.2.2 Phân loại các hệ thống máy tính theo kiến trúc

Ngoàinguyên lý máy trìnhtự (theoVonNeumann), tronggiai đoạn gần đâycòn phát triểncác máy tính theo nguyên lý song song.Theo MichaelFlymn có thểphânloạimáytínhnhưsau:

a) Các kiểu nguyên lí xử lí

Cơsơđểphânloạidựatrêntínhđơnxâu hayđaxâucủalệnhvàdữliệudoMichaelFlynn đề xuất Trong đó xâu lệnh (instruction stream) là một tập tuần tự các lệnh(instruction)được thựchiện bởi một CPUvà xâu dữliệu (datastream) làchuỗi các

dữliệumàxâulệnhcầncó.Cóbốnloại kiếntrúcnhưsau:

SISD (single instrucction stream, single data stream).

TheonguyênlýVonNeumann–máytínhtuầntự

Một thờiđiểm chỉ có một lệnh được thực hiện, tương tự như khi sảnxuấtôtô,mộtngườilàmtấtcảcáccôngviệc

Đây là mô hình máy tínhvon Neumann, còn gọi là thiết kế kiểu máy tính nối tiếp,trong đó chỉ một lệnh thực hiện ở một thời điểm SISD qui chiếu loại máy serialscalar computer Tất cả các máy SISD sử dụng một bộ đếm chương trình, PC(ProgramCounter), đểtạoraquátrìnhthựchiệnliêntiấpcáclệnh.Saumỗilầnlệnhlấy được từ bộ nhớ, PC tự động cập nhật giá trị mới để có địa chỉ lệnh tiếp theo.(Tứcthựchiệntheothứtựliêntiếp(serialorder))

MISD (multiple instruction stream, single data stream).

Nhiềulệnhcùngthaotáctrênmộtmảngdữliệu

Trongthựctếlàkiếntrúcmàsốliệuđượcđưaquamộtchuỗicácđơn

vịxửlý

 Ví dụ tương tựdây chuyền sản xuất mỗi người công nhân thựchiện

một nhiệm vụhoặc một tập hợp nhiệm vụ dựatrên kết quả củangười trướcđó

Cáckiếntrúcđườngốngnhưsystolic arrayvàvectorprocessorthuộcloạiMISD

Làloạikiếntrúcvớikhảnăngthựchiệnvàilệnhthaotáctrênmộtxâudữliệu Cách

tổchứckiểumáynàynhưthếnào:cóhaicáchdiễnđạt

-Xemxétmộtlớpcácmáytính,trongđócácđơnvịxửlíriêngbiệtnhậncáclệnh riêng biệt thao tác trên cùng một dữ liệu Đây là loại máy thách thức các nhàkiếntrúcmáytính,vàchưacómáynào loạinàytrongthựctế

53

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

- Có thể xem xét khác như sau: đó là lớp các máy tính, trong đó dữ liệu điqua liên tiếp các đơn vị xử lí Các máy tính kiến trúc kiểu đường ống (pipelined),hay các bộ xử lí vector,thuộc lớp máy này: Xửlí vector là thực hiện quacác tầng,mỗi tầng thựchiện mộtchức năngxác định và tạora mộtkết quả trunggian Lído

để nóikiểukiếntrúc nàylàMISDvìrằngcác thànhphầncủamột vectorđượcnhìnnhận, thuộcvào cùng mộtdữ liệu, và tấtcả các tầngbiểu diễn đalệnh áp dụngchovector đó.(Vídụ:dâychuyềnlắp ráp…)

SIMD ( single instuction stream, multiple data stream).

Chỉmộtbiểulệnhgiốngnhauxửlýnhiềusốliệuđồngthời

Mộtđơnvị điềukhiểnkhởiđộngnhiềuđơn vịxửlý,tương tựnhưMISDhỗtrợ xử lý vector Mỗi một phần tử của vector được đưa vào đơn vị xử lýriêngđểthựchiệnđồngthời

Tương tự như trong dây chuyền sản xuất ô tô, nhiều công nhân cùng làmmộtsốcôngviệc Mỗicôngnhântựxâydựngôtôbằngcáchcùngthựchiệnmộtnhiệmvụgiốngnhautạimộtthờiđiểm

Ví dụ tính lương cho 1.000 người thì máy SISD phải thực hiện 1.000 vònglặp,còntrênmáySIMDcóthểthựchiệnsongsong1.000dòngsốliệu

Môt lệnh đơn được sử dụng để xử lí nhiều dữliệu đồng thời Trong loại máy này,một đơn vị điều khiển kích hoạt nhiều đợn vụ xử lí riêng biệt SIMD hổ trợ xử lívector như nóitrên: gán các thành phầncủa vector cho từngđơn vịxử lí riêngbiệt

để các đơn vị này tính toán đồng thời Ví dụ tính lương theo giờ cho 1000 ngườilàm:

-trênmáySISD:cầmlàm1000lầntuầntự;

- trên máySIMD: thựchiện song songđồng thờitrên1000 xâuxử liệukhácnhau(mỗitínhtoánchomộtlaođộng)

( ví dụ: Nhiều lao động làm cùng mộtviệc như nhau đồng thời, sau khixong việc,

họnhậncôngviệcmới)

MIMD ( multiple instruction stream, multiple data stream).

Máycónhiềuđơn vịxửlý–nhiềulệnhkhácnhauđượcdùngđểxửlýnhiều

sốliệuđồngthời.Ðâylàmáyphứctạp nhấtnhưngcũnghứahẹnnhấtđểđạtđượckếtquảthôngquaxửlýtươngtranh

Tương tự như trongdây chuyền sản xuất ô tô, mỗi người công nhân tự xâydựngôtômộtcáchđộclậptheotậphợpcáclệnhriêngcủamình

63

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Là loạimáycónhiều đơnvị xửlí,nhiều lệnhdùngđểxửlínhiều dữliệu đồngthời.Loại máy này phứctạp nhất, tính đồng thờiởđây làvì không chỉ cácbộ xử líhoạtđộng đồng thời, mà nhiều chương trình (tiến trình) được thực hiện trong cùng mộtkhung thờigian (Ví dụ: Mỗi người không làm cùng một việc đồng thời, mà thựchiệnđộclậptậpcácchỉthịchoriênghọ)

b Các kiểu máy tính

Tuy nhiên cho tới ngày nay cách phân loại trên chỉ ở mức độ tương đối Thực tếkiến trúc máy mang mầu sắc pha trộn Hình sau cho thấy cách phân loại các kiếntrúcxửlíthườngthấy:

Hybrid

Special purpose

MulticomputerMulti-multiprocessorDataflowwmachineArrayprocessorPipelinedvectorprocessorSystolicarrayMIMD-SIMDmachineMIMD-SISDmachineArtificialneuralnetworkFuzzylogicprocessor

1 multiprocessor: LàmộtmáysongsongvớinhiềuCPU,chiasẻbộnhớ hệthống.Mỗi CPUcó thểlậpđể chạymột phầncủamột chươngtrình, haychạy mộtchươngtrìnhkhácvớichươngtrìnhchạytrênCPUkhác.Môhìnhsau:

73

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

hiện

2.mulicomputer: Là một máy song song, trong đó mỗi CPU có một bộ nhớriêng

biệt, trong khi đó bộ nhớ chính phân phối riêng phần cho từng CPU Đặc điểm là

các CPU khôngthể truynhập vàobộ nhớcủa nhau.Đây làsự phânbiệt cơ bản với

máyđaxửlínóitrước đó

Interconnection network (IN)

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Trong hình, mỗi nút (PNs) có CPU Pn và Mn riêng biệt NI là mạng kết nối.Data sẽđược cáclệnhchuyểnchuyểntừPNnàyđếnPNkiacó kếtnốivớinó.NếuchuyểndatatớimộtPNkhôngkếtnối,thìdataphảiđiquamộtPNtrunggian

3 Multi-multiprocessor: Là phối hợp của hai kiểu cấu trúc trên (multiprocessor,

vàmulicompute), trongđómỗimộtnútlàmộtđaxửlí(multiprocessor)

4.Data flow machine: Làloạikiếntrúc,trongđómộtlệnhsẳnsàngthựchiệnkhidatacho cáctoán hạng(operand) của lệnhđã sẳnsàng Data gọi làsẳn có làdo kếtquả kết quả thựchiện lệnh trước đó và chuyển data đó cho các toán hạng của lệnhđangđợi.Vớicáchthứcnhưvậy,kiếntrúctạoraluồngdữliệu.ỞđâytathấykhôngcầncóbộđếmchươngtrìnhnhưtrongmôhìnhvonNeumann

Cáclệnh luồngdữliệu làtự chứađựngtrong bảnthân lệnh, có nghĩalà lệnhkhôngquichiếuvàobộnhớchính,màmangtheocácgiátrịcủabiếntrongbảnthânlệnh.Trongkiếntrúcnàyviệcthựchiệnmộtlệnhkhôngtácđộngđếncáclệnh khácđangsẳn sàngthực hiện Nhưvậy sẽcó nhiềulệnh đang sẳnsàng có thểđược thựchiệnđồngthờivàkếtquảlàcótiềmnăngtínhtoánđồngthờirấtcao

PE

PE PE

I&D

I&D

Mangphânphôi

IN IN

I&D

Mangtrongtài

dulieu

Lệnhvàcác toánhạngđược giữtrong bộnhớlệnhvà data(I&D) Mộtkhilệnh sẳnsàng thực hiện, lệnh được gởi đến một trong các thành phần xử lí (PE) qua mạngphân phôi IN.Mỗi PE là một CPU với bộ nhớ riêng hạn chế Khi thực hiện lệnh ,

PEtínhtoánvàgởikếtquảtớimạngđích(IN)đếnđíchnhậndata

93

qua) Lenhvadulieubonho

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

5 Array processor (Xử lí đa chiều):

Bao gồm một tập các nút xử lí (PNs) và một bộ xử lí vô hướng (scalar CPU) làmviệc dưới sự kiểm soát của đơn vị xử lí trung tâm (Control Unit CU) CU tìm cáclệnhtrong bộnhớ, giải mãlệnh và gởicác lệnhđó choCPU vôhướng hay cho cácnútphụthuộc vào kiểulệnh Nếu làlệnh vôhướng, thichuyển choCPU vôhướng,còn thì chuyển cho tất cả các nút PNs Các PN thực hiện cùng một lệnh đồng thờitrêncác dữliệu khác nhau đã cótrong bộ nhớ của nó Nhưvậy xử líđa chiều chỉcần một chương trình (một code) cho tất cả các nút , không cần nhân bản chươngtrìnhchomỗinút

Ýtương đằng sau xửlí đa chiều là để khai thác tínhsong song trong tập dữliệuđãcho, chứkhôngphảiđểthựchiệnsongsongtrìnhtựcủathựchiệnlệnh.Tínhtoán song song thực hiện bằng cách gán cho mỗi CPU tới một phần dữ liệu Nếudata là vector, thì data đó đơn giản là một thành phần vector Xử lí đa chiều tăngcường hiệu năng bằng cách thao tác tất cả các phần dữ liệu (đã gán cho mỗi CPU)đồngthời.Cácphéptoánsố học,logic đềucóthểthựchiệntrênvector,nênxửlíđachiềucòngọilàxửlívector

Lenh vo

Lenhvector

huong

1M1

2M2

PNs nút

nMn

CU-Donvidiêukhiên

Du lieu lenhtu bonhoBônhochinh

6 Pipelined vector procesor (Xử lí vector kiểu đường ống) Làkhảnăngxửlícáctoánhạngvector(chuỗicácdataliên tục)cóhiệuquảcao Đólàđiểmkhácbiệtvới

xử lí đa chiều: đa chiều được điều khiển bằng lệnh (lệnh kiểu vector), còn xử lívectorkiểuđườngốnglạiđượcđiềukhiểnbởichuỗidữliệuliêntục

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

CPUvohuong

LenhvohuongLenhvector

CU-DonvidiêukhiênPipe

CUlấylệnhtừbộnhớ,giảimãlệnhvàtuỳloạilệnhsẽchuyểnchocácCPU

7 Systolic array: Bao gồm số lượng lớn các thành phần xử lí giống như nhau(processing elemtnePE) Mỗi PEcó bộnhớ gioéihạn,và đểkhông giớihạnsố PE,mỗiPEchieđượcnốiđếncáclánggiềngcủanóbởi mạngIN.Nhưvậytanhậnthấycách nối giống kiến trúc đường ống, ví dụ như ở trường tuyến tính hay trường haichiều Trong hệ thống này, các dữ liệu hay các kết quả từng phần đi qua các PEtrong thời gian thực hiện của một vài chu kì xử lí Ở mỗi chu kì, một số PE thựchiện một số các thao tác như sanhu (ví dụ như nhân hay chia) trên các dữ liệu củacácPEđó,vàgởi cáckếtquảtừngphầntớicácPElánggiềng

8 Hybrid architecture: Là kếthợpcác đặcthùcủacác kiếntrúckhácnhauđể tạo

rahiệunăngtốtnhấtchotínhtoánsongsong.Cóhaikiểutínhtoánsongsong:

- kiểm soát song song: hai hay nhiều tính toán (operatons) thực hiện đồngthờitrêncácCPUkhácnhau;

- dữliệu song song: cùng một tính toán thực hiện trên các phần của dữliệubởinhiềuCPUđồngthời

MIMD là mô hình lí tưởng của kiểm soát song song,nó thích hợp cho bàitoán cần nhiều tính toán khác nhau thực hiện đồng thờitrên một dữ liệu tách biệt.MáySIMDthíchhợpcho xuẻlíxửlísốliệusongsong,thíchhợp chobàitoánkiểucùng một thaotác xử lí đồng thời trên các phần khác nhau của một dữ liệu SIMD

hổtrợ xửlívectorquathiếtkếđường ống

Trongthựctếxửlídữliệusongsonglàrấtlớn,vìquátrìnhđótỉlệvớilượng

dữliệu đưavào tính toán.Tuy nhiên không phải lúc nào giải pháp này cũng thànhcông,dođócầnsửdụngphốihợp cảhaicáchnóitrên.Vídụ,mộtsốứngdụngchạytốtkhichiachia nhỏđểmỗi phầncủaứngdụng dùngxửlídữliệu songsong,trongkhitấtcảcác phầnlại chạytheokiểukiểm si\oátsong songtheokiếntrúc ống.Mộtnhómcác CPU lấy dữliệu, thựchiện các tính toán banđầu, sau đó chuyểnkết quảcho nhosm thứ hai, và nhóm hai tính toán, chuyển tiếp … cho tới khi có kết quảcuối.Cácmáykếthợp cảhaiMIMDvàSIMD,chohiệuquảđángghinhận

9 Các thiết bị đặc biệt

9.1Mạng neuron nhân tạo (Artificial neural network (ANN)): Được

xây dựngtừ vô số các thành phần tính toán hoạt động song song,có khả năng học

và tự thích nghi với sự thay đổi của môi trường tính toán và đương đầu với hổnloạn.Cấu trúc mạng neuron nhân tạo hứahẹn giải quyết được các vấn đề mà máyvon Neumann khó có thể thực hiện được (ví dụ như mô phỏng thông tin tự nhiên,nhận dạng mẫu gene, … những vấn đề cần có năng lực tính toán kiểu con ngườimớithựchiệnđược)

Không giống như von Neumann, trong đó thành phần cơ bản là CPU,ANN

là kiến trúc kết nối (mạng neuron) giữacác PE Với mộtbài toán cho trước, ta cầnxác định giá trị chính xác cho các trọng lượng để mạng có thể thực hiện các tínhtoáncầnthiết.Thôngthườngviệcxácđịnhgiátrịđượctiếnhànhbằngphươngphápđiều chỉnh tương tác của trọng lượng theo hướng cải thiện hiệu năng của mạngneuron Luật điềuchỉnh trọng lượng gọilà luật học(learning rule) vàtoàn bộ quátrìnhđểcóđượcgiátrịchínhxáccủatrọnglượnggọilàquátrìnhhọc(learning)

9.2 Logic mờ (Fuzzy logic processor): là các nguyên lí hình thức củalập luận gần đúng Trong khi trước đây ta có lập luận hai giá trị (true và false).Logic mờ nổlực giải quyết hiệu quảvới tínhphức tạp của quátrình nhận thức củacon người,vànó vượt quamộtsố cácphiền phứcphốihợp vớilogicnhị nguyêncổđiển không thể phản ánh được quá trình nhận thức thực của con người Tuy cácphầnmềm pháttriểntrênlogic mờmanglại mộtsố kếtquảtốchovàiứngdụng,thìcácứngdụnghiệunăngcaođangcầncácbộxửlílogicmờchuyêndụng

1.2.2 Processor performance

The performance of the processor, which can be considered as the central nervoussystem of the units that compose the computer system, is measured using thenumber of instructions that can be executedd in a unit of time as an index Theseindexesareindicatedbelow

(1) MIPS

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

MIPSisanacronymofMillionInstructionsPerSecond,andindicatesinmillion

unitsthenumberofinstructionsthatcanbeexecutedinonesecond.Inotherwords,

a1MIPSprocessorisaprocessorthatcanexecuteonemillioninstructionsper

second.Basically,thelargerthenumberofinstructionsthatcanbeexecuted,the

higherthevalue.ThetermMIPSismainlyusedtoindicatetheperformanceof

processorsofhighendmainframecomputers.However,itismeaninglesstousethis

indextocompareprocessorsof

differenttypesofmachinesthatexecutedifferentinstructioncontents

The clock reciprocal number is called clock frequency Clock frequency is used as

anindextomeasuretheperformanceofapersonalcomputer

(4) CPI (Cycles Per Instruction)

A CPI is the number of clocks required to execute instruction This index indirectlyindicates the execution time of one instruction

Literature Architecture:

John L Hennessy and David A Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach, third edition, Morgan Kaufmann, New York, 2003 See www.mkp.com/CA3

David A Patterson and John L Hennessy, Computer Organization and

Design: The Hardware Interface Text for COEN 171

Gerrit A Blaauw and Frederick P Brooks, Jr., Computer Archtecture:

Concepts and Evolution, Addison Wesley, 1997

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

William Stallings, Computer Organization and Architecture, Prentice Hall, 2000.

Miles J Murdocca and Vincent P Heuring, Principles of Computer

Architecture, Prentice Hall, 2000

John D Carpinelli, Computer Systems Organization and Architecture, Addison Wesley, 2001.

Davis A Palterson & John L Hannesy, Computer Organization and design: The hardware / Software interface, 1998.

Andrew S Tanenbaun, Structred Computer Organization, 4 th ,1998.James M feldman, Charles T Retter, Computer Architecture Adesignned text based

on generic RISC 1994.

Máy tính mẫu (hình 1.3 và hình 1.4) này được mô phỏng theomột máy tínhcủa trường đại học Virginia Technology nhằm mục đích trang bị những khái niệm

cơ bảnbanđầuđểnhậpmônvàocấutrúcmáytính

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Máytínhmẫucócácđặcđiểmsau:

- Địachỉtừ000-999(nhưvậyđịachỉcó3chữsố)

- Mỗiônhớcókhảnănglưutrữđược5chữsố

- Cóhaithanhghiliênquantớibộnhớ

MAR (Memory address register) có 3 chữ số chứa địa chỉ của ô nhớ cần truynhập

MDR (Memory date-register) có 5 chữ số chứa số liệu của ô nhớ có địa chỉ ởMARtrongphéptruynhập

NộidungcủathanhghiMDRđược chuyểnvàoônhớcóđịachỉởMDR.

Trongmáytínhmẫuđơn vịđiềukhiểngồm:

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

- Thanh đếm chương trình PC (Program counter) chứa địa chỉ của lệnh sẽđượcthựchiện.PCchứađược 3chữsố000-999

- Thanh ghi lệnh IR (Instruction register)chứalệnhđangthực hiện

Độdàicủathanhghilà5chữsố:

RẽnhánhPC

- Bộ giải mã lệnh ID (Instruction Decoder) giảimã lệnh để nhận biết lệnhsẽphảilàmgì

- Bộ tạo tín hiệu điều khiển (RD, WR) sinh ra các tín hiệu để điều khiển các

bộphậntrongmáytínhvàcácthiếtbịngoạivinhằm thựchiệnlệnhđãđượcgiảimã

+CờOF(overflow):cờtràn

- Thiếtbịvào:Máyvàobìacóđịachỉ000

- Thiếtbịra:Máyđụcbìacóđịachỉ000

193

dungACC vàkếtquảgiữởACC

củaônhớ,kếtquảgiữởACC

←(IR2-4) Nhảykhôngđiềukiện

←(IR2-4)nếuZF=1PC

Nhảynếukếtquảphéptínhlà0(ACC)=0

←(IR2-4)nếuSF=1 Nhảynếukếtquảphéptínhâm

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

e Bàn điều khiển Console

- ChophépđưasốliệuvàoACCvàbộnhớbằngtay(store)

- Khởiđộngchương trình(Start)

- Dừngchươngtrình(Stop)

- Hiểnthịkếtquảbằngđènled

a Tậplệnh của máy tính mẫu

- Máytínhmẫucó13lệnh

- Lệnhcóđộdài5chữsốchialàm2phần:

+MãlệnhOP(operationcode)(2chữsố)

OPchobiếtmáycầnlàmgìthựchiệnphéptínhnào

+Toánhạngoperand(operationaddress)(3chữsố)

Operand cho biết địa chỉ ô nhớ chứa số liệu hay số liệu trực tiếp tham giaphéptính

- Sauđâylàcáclệnhchủyếucủamáytínhmẫu:

203

←(IR2-4)nếuOF=1PC

Quátrìnhnhậnvàthựchiệnlệnhgọilàchukỳlệnh

Mỗichukỳlệnhbaogồmnhiềuchukỳmáy

Mộtchukỳmáybaogồmnhiềunhịp

Mộtchukỳlệnhmáytínhmẫuthựchiệncáccôngviệcsau:

1 Nhậnlệnhtừbộnhớ

2 Thựchiệnlệnh

3 ThayđổinộidungcủathanhghiPC

Bước1làgiốngnhauchotấtcảcáclệnh

Mô tả hoạt động của các lệnh

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

063

ralệnhREAD20000

Mộtchươngtrìnhđượcđặttrongbộnhớdướidạngmộtchuỗicáclệnhcóđịachỉ liên tiếp nhau Khi một lệnh đã được nhận vào CPU và thực hiện thì nội dungcủa thanh đếm chương trình PC sẽ thay đổi cho phép thực hiện tiếp chương trình

Cáclệnhrẽnhánhcókhảnăngthayđổithứtựtừnglệnh.Trongmáytínhmẫu

- LệnhJMPlàlệnhnhảykhôngđiềukiện

- LệnhJZ, JS,JOlàcáclệnhnhảycóđiềukiện

Ví dụ:lệnhJMP(73)=07080(Hình 1.6)

223

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

233

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Cáclệnhvào/rathựchiệntraođổisốliệugiữaCPUvàthiếtbịngoạivi

Lệnh vào số liệu

mãlệnh địachỉthiếtbịvào

Địachỉcủathiếtbịvàolà000

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Tatìmthấysựhoạtđộngcủamáyquavídụcụthểsau(hình 1.7):

Đọc2sốthậpphânavàbtừthiếtbịvàovàxếptheothứtựtừbéđếnlớnvàocácônhớ300và301

Chươngtrìnhlưutrữtrongbộnhớbắtđầuởđịachỉ100

Sốliệulưutrữtrongbộnhớbắtđầuởđịachỉ300

253

Địa chỉ Mê mây Mê ngữ Ghi chú

105 09107 JS nhảyđếnônhớ*nếuđm(tứclăb<a)

106 00000 STOP dừngmâynếua<b

108 02400 STORE 400 lưuavăo310

110 02300 STORE 300 lưubvăo300

112 02301 STORE 301 lưuavăo301

Kiến trúc Mây tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Chương trình dưới dạng mê mây:

- Tất cả những gì mang tính chất vật liệu trong mây tính gọi lă phần cứng

(Hardward).

- Tấtcảnhữnggìmangtínhchấtphivậtliệugọilăphầnmềm(Software).

- ChươngtrìnhđiềukhiểnphầncứngnạptrongmạchROMgọilăFirmware.

- Ngôn ngữ mây: CPU chỉ hiểu câc lệnh của ngôn ngữ mây Ðó lă chuỗi câc

sốnhịphđn

- Hợpngữdùngkýhiệuđểbiểudiễnlệnh,thanhghivẵnhớ

- Ngônngữmâyvăhợpngữlăđặctrưngchotừnghọmây

- Ngônngữbậccaocho phĩpngườilập trìnhviếtchươngtrình giốngvănbảncủangônngữtựnhiín, cóthểchuyểnđổigiữacâchọmây

- Từcâch nhiền của ngýờisử dụnghệ điều hănh lă câchtổ chức, điều khiểncâc bộ phận (phần cứng vă phần mềm) của mây tính hợp lý để tạo ra câcdịchvụcóhiệuquả

- BUSđịachỉ

- BUSsốliệu

263

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

- BUSđiềukhiển

- ROM(ReadOnlyMemory)

- RAM(RandomAccesMemory)

Qua phân tích hoạt động của máy tính đơn giản ta thấy các khối bên trongCPU và bên ngoài máy tính được kết nối bằng tập hợp tín các tín hiệu gọi là BUS

hệthống (System Bus).Tất cả cáctín hiệu mang các bit địachỉ gọi là BUS địa chỉ(BUSđ/c)(AddressBus).TấtcảcáctínhiệumangcácbitsốliệugọilàBUSsốliệu(BUS s/l) (Data Bus) Tất cả tín hiệu điều khiển gọi là BUS điều khiển (BUS đ/k)(ControlBus)

273

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

CHƯƠNG II

XỬ LÝ SỐ LIỆU, BIỂU DIỄN THÔNG TIN VÀ

LỆNH TRONG MÁY TÍNH ĐIỆN TỬ

Chúng ta đã biết máy tính điện tử thực hiện các lệnh để xử lý các số liệu.Lệnhvàsốliệuđượcbiểudiễnbởi chuỗicácbitnhịphân

2.1 Hệ thống số

a Dạng tổng quát của hệ nhị phân

N=ap-12p -1+ap-22p -2 +a121+a0

Trong đóa0, a1,a2, ,ap-2 ,ap-1có giátrị 1hay 0là hệsố,p cógiá trịlà sốnguyên, 2

làcơsố

Ví dụ:số1101b

1.23+1.22+0.21+1.20

8 + 4 + 0 + 1 =13

Từkháiniệmbittacómộtsốkháiniệmsau:

-Tổhợpcủa4bitgọilànibble

-Tổhợpcủa8bitgọilàbyte

-Tổhợpcủa2bytetrở thànhtừ

-Tổhợpcủa4bytetrở thànhtừđúp

-Tổhợpcủa8bytetrở thànhtừkép

-VXL(Bộvixửlý)xửlýsốliệucóđộdài1bytegọilàVXL8bit

-VXLxửlýsốliệucóđộdài2bytes(Word) gọilàVXL16bit

-VXLxửlýsốliệucóđộdài4bytes(DoubleWord)gọilàVXL32bit

-VXL xửlýsốliệucóđộdài8bytes (QuadWord)gọilàVXL64bit

Muốn chuyểnmộtsố thậpphânsang sốnhị phântachuyển đổiphần nguyên

và phần thậpphân riêng Thuậttoán chuyển đổirút ra từdạng tổngquát của số nhịphân

Ví dụ:chuyểnđổisốthậpphân125,625

283

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Tathựchiệnchuyểnriêngphầnnguyênvàphầnlẻ

Quy tắc chuyển phần nguyên:

- Lấysốcầnchuyểnchiacho2vàghinhớphầndư

- Lấythươngcủaphépchiatrênchiacho2vàghinhớphầndư

- Làmnhưvậychotớikhiđượcthươngbằng0

- Lấydãycácsốdưtheotrìnhtựđảongượctađượcsốnhịphâncầntìm

Quy tắc chuyển đổi phần thập phân:

- Lấyphầnthậpphâncầnchuyểnnhân2,ghiphầnnhớphầnnguyên

- Lấyphầnthậpphâncủatíchnhân2,ghinhớphần nguyêncủatích

- Làmnhưvậychotớikhiđượctíchchẵnlà1

- Lấydãy cácphần nguyêncủa tíchtheo chiềuthuận ta đượcsố nhịphân củaphầnthậpphâncầntìm

Quy tắc rút ra từ dạng tổng quát của số nhị phân

Muốn chuyểnsố nhịphân sang thậpphân tatính cácgiá trị2i tươngứng vớicácchữsốkhác0thứicủasốnhịphân

Cộngcácsốtínhđượcchotakếtquảsốthậpphâncầntìm

Ví dụ: 110101,1101=1.25+1.24+1.22+1.20+1.2-1+1.2-2+1.2-4

=32 + 16 + 4 + 1 + 0,5 + 0,25 +0,0625

293

-3-2-1

+0+1+2

+127-0-1-2

-125-126-127

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

=53,8125

Nếu dùng số nhị phân để biểu diễn số có giá trị lớn ta sẽ thu được số nhịphân quádài Trong thựctế người tadùng nhóm4 bit nhịphân thành 1số hệ mườisáu.ĐểphânbiệtvớihệkhácthêmchữHhayhvàosausố

Có2cáchbiểudiễnsốnguyên:

- Biểudiễnsốnguyêntheodấuvàđộlớn

- Biểu diễn số nguyên theo số bù 2: cho phép biểu diễn số âm 1 cách thích

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Nhận xét:

- Nếubiểudiễnsốcódấutheokiểudấuvàđộlớn(signandmagnitude)tacó1 bit

dùng làm dấu còn 7 bit biểu diễn giátrị của số Một byteta có thể biểu diễn số

âmvàsốdươngnằmtrongkhoảng-127 0,+0 +127

- Số bù 2 dùng cả 8 bit để biểu diễn giá trị của số được mã hóa Một byte biểu

diễnđượcsốâm,sốdươngtrongkhoảng-128 0 +127

- Một số nguyên biểu diễn theo hệ 2 có giá trị khác nhau nếu kiểu đó là mã để

biểu diễn số theo kiểu hệ nhị phân có dấu và mãbù 2 Cả 2 cách biểudiễn này

đềucóbitD7=1chosốâmvàD7=0chosốdương

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

2.2 Thuật toán các phép tính (cộng, trừ, nhân, chia)

17 100010001 00010001

Nhận xét:Bộcộngtrừ8bitthểhiệntrênhình2.1.

323

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Cấutrúccủabộcộngvàbộtrừvềcơbản giốngnhaunêntrongMTĐTngười

Tổngcácthànhphầnlàkếtquảcủaphépnhân

Thuật toán cộng và dịch của phép nhân:

Nhânbitthấp nhấtcủa sốnhânvới số bịnhân.NếuLSB =0 (LeastSignificantBit)thìthành phầnnày bằng0,nếu LSBkhác 0thì thànhphần nàychính bằng sốbịnhân

Mỗithànhphầnthứitiếptheocủatổngtíchlũyđược tínhtươngtựnhưngphảidịchtráiibit

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Phép chia là phép ngược của phép nhân nên có thể thực hiện bằng phép trừ

vàdịchliêntiếpchođếnkhikhôngthểtrừđượcnữa

ĐểthựchiệnđượcbằngALUvớicácphầntửcộngvàdịchtathựchiệnđượcthuậttoánsau:

Đổisốchiathànhsốbù2củanó

Lấysốbịchiatrừđisốchia(cộngvớisốbù2củasốchia)

Nếu kết quả có bit dấu bằng 0 (số bị chia chia được cho số chia) thì bit tươngứngcủathươnglà1

Nếukếtquảcóbitdấulà1(sốbịchiakhôngchiađượcchosốchia)thìbittươngứng củathương là 0 và taphải khôi phục lạigiá trị ban đầucủa số bị chia bằngcáchcộngkếtquảnàyvớisốchiaởmãnhịphân

Dịch trái kết quả thu được và làm lại bước 2 cho đến khi kết quả cuối cùng là 0hoặcnhỏhơnsốchia

Ví dụ: 36:7 mãnhịphâncủa7: 111b; mãbù2của7: 1001b

36:7=5dư1

2.3 Cộng trừ số BCD (Binary Coded Decimal)

Ngườitadùng4bitnhịphânđểmãhóa1chữsốthậpphân(BCDnén)

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

Muốncộng 2 số BCD,trước hết cộng chúng nhưcộng 2 số nhị phânsau đóhiệuchỉnhkếtquảchođúngvới biểudiễnsốBCD

TrườnghợpnàykếtquảsaivìcónhớbitD3sangbitD4

Trong máy vi tính họ Intel thì cờ nhớ phụ AF =1 (Auxiliary Flag) Cả 2trường hợp trên phải thực hiện phép hiệu chỉnh thập phân (để kết quả là 2 số thậpphân).Muốnvậyphảicộngkếtquảvới6

Ởví dụ 1:

00001110

a Số thập phân dấu phẩy động

Phần định trị chứa những chữsố có nghĩa cần thiết để định nghĩa chính xác giá trịtương đối của số.Phần định trị làsố có dấu thường dùng1 chữ số để biểu diễndấu

Phầnsốmũchobiếtđộlớncủanhữngchữsốcủaphầnđịnhtrị

Phầnsốmũ,trongnhiềumáytínhbiểudiễndấunhưsau:

-Chọn1sốđểđịnhnghĩasốmũlà0

-Cácsốlớnhơnsốđólàsốmũcódấudương

-Cácsốnhỏhơnlàsốmũcódấuâm

-Nếuphầnđịnhtrịdịchvềphíaphảithìsốmũphảiđượctănglêntươngứng

=0,625.2 =5/8.8 =5

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

2.5 Biểu diễn thông tin

2.5.1 Biểu diễn ký tự

Để biểu diễn thôngtin mà conngười dễ hiểu máytính phải cógiao diện thíchhợp.Cáchtraođổithôngtintruyềnthốngnhấtlàbộchữviết

MãASCIIdùng7bitđểmãhóavàbitD7đểkiểmtrachẵnlẻ

6 MãASCIIđược chuẩnhóa bởiANSI(American NationalStandard Institute

Cácdấukhác 7B-7F

MãASCIImởrộng8bit-256kýtự

+ĐủđểbiểudiễnchữcáicủatiếngĐức,Pháp

+TạmđủchotiếngViệt,nhưngthiếuđốivớitiếngHán,Hàn,Nhật

MãUnicodedohãng Xeroxđềnghị

8 Dùng2byteđể mãhóakýtự.Khôngchứacáckýtựđiềukhiển

9 PhânbổmãtrongchuẩnUnicode

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

+Cácchữcáicóâmtiết làkýtự tổnghợp (compositecharacter).Vídụ:â =

Đồ họa điểm (Pixel graphics)

-Biểudiễnhìnhảnhbằngmatrậnđiểm

- Cách ghi thông tin của điểm ảnh lên tệp để lưu trữgọi là khuôn dạng ảnhkhácnhautacó:

BMP BitMapảnhnhịphân

PCX PCpaintbrushX

GIF GraphicImageFile

Đồ họa vector (Vector gralphics)

Biểu diễn hình ảnh bằng phương pháp này sẽ khắc phục nhược điểm củaphương pháptrên

- Biểudiễnhìnhảnhtừcácđốitượngcơ bảnnhưđiểm,đường thẳng,đagiácmặt, khối

- Máy tính sẽ dựavào công thức toánđể dựng lại hìnhảnh từ các đốitượng

cơ bản

-Chophépbiểudiễnhiểnthịđốitượng3chiều(3D-graphics)

Biểu diễn hình ảnh động(video)

Có thể biểu diễn bằng đồ hoạ điểm ảnh hay đồ họa vector nhưng hình ảnhchuyểnđộngcóyếutốthờigian

Do thị giáccon người cóđộ trễnhất định nênchỉ cần 30ảnh trongmột giây

là người ta có cảm giác hình ảnh chuyển động trơn tru Như vậy để hiển thị ảnh

393

Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước IOIT, VAST

chuyển độngmáy tínhcần cungcấp bộnhớđểlưu 30ảnhtĩnh vàcác thiếtbị ngoại

vicũng cầnđủnhanhđểxửlýsốlượng30ảnhtĩnhtrong1giây

Để khắc phục người tanén videosố hóa lại, có nhiều phương pháp nén nên

cónhiềukhuôndạngvideo,vídụnhư:

MPEG

Cácthuậttoánnéntậptrung2yếutố:

-Néntừngảnhtĩnh

-Nénnhữngphầnkhôngthayđổitheothờigian

Phương pháp định hướng đối tựợng (vector) dùng để biểu diễn hình ảnhchuyểnđộngđặcbiệtlàảnhkhônggianbachiều

b Biểu diễn âm thanh

Thính giácconngười chỉphânbiệtđược tốiđatần số fmax= 20KHz.TheoNyquistthìtầnsốtríchmẫuphảibằng hoặclớnhơn2lầntầnsốsóngâmthanh

Tần sốtrích mẫungày naytheo chuẩncủacông nghệCD (CompactDisk) là

44 KHz Độlớn củabiên độ trích mẫu được mã hóabằng 8 bit nhị phân.CD dùng

16bit

KhuôndạngâmthanhthườnggặplàWAVE,MPEG

Âm thanh cũng có thể phân tích thành nhiều đốitượng vàmã hóa Kỹ thuật