Bài giảng kiến trúc máy tính chương 1 phan trung kiên

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 8Đặc điểm chính của máy tính IAS z Bao gồm các thành phần: đơn vị điều khiển, đơn vị số học và logic ALU, bộ nhớ chính và các thiết bị vào ra.. Các thành phầ

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ

MÁY TÍNH

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 2

zThế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1943-1956)

zThế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor (1957-1965)

zThế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI (1966-1980)

zThế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI, SLSI (1981-nay)

1.2.1 Máy tính dùng đèn điện tử chân

không

zENIAC - Máy tính điện tử đầu tiên

{ Electronic Numerical Intergator And Computer

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 4

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 6

Máy tính Von Neumann

zCòn gọi là máy tính IAS: Princeton Institute for Advanced Studies

zĐược bắt đầu từ 1947, hoàn thành 1952

zDo John von Neumann thiết kế

zĐược xây dựng theo ý tưởng “chương trình được lưu trữ” (stored-program concept) của Von Neumann/Turing (1945)

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 8

Đặc điểm chính của máy tính IAS

z Bao gồm các thành phần: đơn vị điều khiển, đơn vị

số học và logic (ALU), bộ nhớ chính và các thiết bị vào ra.

z Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu.

z Bộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ không phụ thuộc vào nội dung của nó.

z ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân.

z Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã và thực hiện lệnh một cách tuần tự.

z Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động của các thiết bị vào-ra.

z Trở thành mô hình cơ bản của máy tính.

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 10

Các máy tính thương mại ra đời

z1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation

zUNIVAC I (Universal Automatic Computer)

z1950s - UNIVAC II

z Bộ nhớ lớn hơn

Hãng IBM

zIBM – International Business Machine

z1952 – IBM 701

{ Máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên của IBM

{ Sử dụng cho tính toán khoa học

z1955 – IBM 702

{ Các ứng dụng thương mại

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 12

1.2.2 Máy tính dùng transistor

zMáy tính PDP-1 của DEC (Digital Equipment Corporation) máy tính mini đầu tiên

zIBM 7000

zHàng trăm nghìn phép cộng trong một giây

zCác ngôn ngữ lập trình bậc cao ra đời

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 14

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 16

1.2.3 Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI

và LSI

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

Luật Moore

tăng độ tin cậy

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 18

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 20

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 22

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 24

1.2.4 Máy tính dùng vi mạch VLSI

Các sản phẩm chính của công nghệ VLSI:

trên một chip.

hoặc một vài vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép.

ROM, RAM

tính chuyên dụng được chế tạo trên một chip.

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 26

Các hệ thống máy tính hiện đại

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 28

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 30

Siêu máy tính Roadrunner của IBM (2008)

hiện các phép toán liên tục 24 giờ/ngày, 7 ngày/ tuần ròng rã 46 năm mới bằng Roadrunner làm việc trong 1 ngày

phiến IBM LS21 Blades

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 32

Các thành phần của Máy tính

Điều khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu.

chương trình và dữ liệu đang được sử dụng.

đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài.

nối và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau.

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 34

Kiến trúc Von Neumann

zBao gồm các thành phần: CPU, bộ nhớchính và các thiết bị vào ra, liên kết hệthống

zCác lệnh (chương trình) và dữ liệu nằm trong cùng một bộ nhớ đọc ghi

zBộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ không phụ thuộc vào nội dung của nó

zLệnh được thực hiện một cách tuần tự

1.3 Các thành phần cơ bản của máy

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 36

Mức cao nhất

Computer

Main Memory

Input Output

Systems Interconnection Peripherals

Communication

lines

Central Processing Unit

Computer

1.3.1 Bộ xử lý trung tâm CPU

(Central Processing Unit)

Computer Arithmetic

and Login Unit

Control Unit

Internal CPU Interconnection

Registers

CPU I/O

Memory

System

Bus

CPU

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 38

Chức năng

zĐiều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống máy tính

zXử lý dữ liệu

Nguyên tắc hoạt động cơ bản:

zCPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính bằng cách nhận lần lượt từng lệnh từ bộ nhớ chính, sau đótiến hành giải mã lệnh và phát các tín hiệu điều khiển thực thi lệnh

zTrong quá trình thực thi lệnh, CPU có thể trao đổi dữ liệu với bộ nhớ chính hay hệthống vào – ra

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 40

Các thành phần cơ bản của CPU:

Đơn vị điều khiển (CU)

Đơn vị nối ghép bus (BIU)

Bus bên ngoài

Các thành phần cơ bản của CPU:

z Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU): điều khiển hoạt

động của máy tính theo chương trình đã định sẵn.

z Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit –

ALU): thực hiện các phép toán số học và các phép toán

logic trên các dữ kiệu cụ thể.

z Tập thanh ghi (Register File – RF): lưu trữ thông tin tạm

thời phục vụ cho hoạt động của CPU.

z Bus bên trong (Internal Bus): kết nối các thành phần

bên trong CPU với nhau.

z Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit – BIU): kết nối

và trao đổi thông tin với nhau giữa bus bên trong (Internal bus) với bus bên ngoàI (external bus).

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 42

Khái niệm bộ vi xử lý (Microprocessor)

zLà CPU được chế tạo trên một vi mạch (chip)

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 44

Bộ vi xử lý

z Một thao tác của CPU mất một số nguyên lần chu kỳ T0ÎT0 càng nhỏ thì CPU càng nhanh

zTần số xung đồng hồ: f0 = 1/T0 gọi là tần

số làm việc của CPU

zVD: Máy tính dùng bộ xử lý Pentium IV 12GHz

Ta có: f0 = 2GHz = 2 * 10 9 Hz

ÎT0 = 1/f0 = 1(2*10 9 ) = 0.5 ns

1.3.2 Bộ nhớ máy tính (Memory System)

zChức năng: lưu trữ chương trình và dữliệu

zCác thao tác cơ bản với bộ nhớ:

{ Thao tác đọc (Read)

{ Thao tác ghi (Write)

zCác thành phần chính:

{ Bộ nhớ trong (Internal Memory)

{ Bộ nhớ ngoài (External Memory)

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 46

chỉ vật lý của ngăn nhớ luôn cố định.

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 48

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 50

Bộ nhớ đệm nhanh (Cache Memory)

gữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ truy cập bộ nhớ của CPU.

nhưng dung lượng nhỏ hơn.

b Bộ nhớ ngoài

{ Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính, bao gồm :

hệ điều hành Các chương trình và dữ liệu.

{ Bộ nhớ ngoài đựơc kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào – ra.

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 52

Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào – ra:

Thiết bị ngoại vi

Cổng vào ra

Thiết bị ngoại vi

Thiết bị ngoại vi

Cổng vào ra

Cổng vào ra

Mô - đun vào - ra

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 54

Các thiết bị ngoại vi (Peripheral

Devices):

zChức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính

zCác loại thiết bị ngoại vi cơ bản:

{ Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét …

{ Thiết bị ra: màn hình, máy in …

{ Thiết bị nhớ: các ổ đĩa …

{ Thiết bị truyền thông: modem …

Các mô - đun vào – ra (IO Modules)

zChức năng: nối ghép thiết bị ngoại vi với máy tính

zKhái niệm cổng vào – ra

{ Trong mỗi mô đun vào – ra có một hoặc vài cổng vào – ra (IO/Port) Mỗi cổng vào ra cũng được đánh một địa chỉ xác định

{ Thiết bị ngoại vi đựơc kết nối và trao đổi dữ liệu với bên trong máy tính thông qua các cổng vào - ra

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 56

Truyền dữ liệu giữa thiết bị và máy

tính:

zPhải có kết nối vật lý

zTrên kết nối vật lý đó tồn tại quy tắc về trao đổi dữ liệu (phần mềm) gọi là giao thức

Mô hình máy tính giả định

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 58

1.4 Các hoạt động cơ bản của máy

như tắt máy tính, bị lỗi nghiêm trọng khi thực thi lệnh hoặc gặp lệnh dừng chương trình.

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 60

Nhận lệnh:

zBắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU sẽ nhận lệnh

từ bộ nhớ chính đưa vào bên trong CPU

zBên trong CPU có 2 thanh ghi liên quan trực tiếp đến quá trình nhận lệnh:

{ Thanh ghi bộ đếm chương trình (Program Count – PC): chứa địa chỉ của lệnh sẽ được nhận vào.

{ Thanh ghi lệnh (Instruction Register – IR): lệnh được nhận từ bộ nhớ chính sẽ được nạp vào IR.

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 62

Nhận lệnh:

zHoạt động nhận lệnh diễn ra như sau:

{ CPU phát địa chỉ của lệnh cần nhận từ PC đến bộ nhớ chính

{ CPU phát tín hiệu điều khiển đọc bộ nhớ chính(MEMR – Memory Read)

{ Lệnh từ bộ nhớ chính được chuyển vào IR

{ Nội dung của PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp nằm ngay sau lệnh vừa được nhận.

Minh họa quá trình nhận lệnh

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 64

Thực thi lệnh:

điều khiển (Control Unit) Đơn vị điều khiển sẽ tiến hành giải mã lệnh và phát các tín hiệu điều khiển thực thi thao tác mà lệnh yêu cầu.

{ Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính

{ Trao đổi dữ liệu giữa CPU và mô - đun vào – ra.

{ Xử lý dữ liệu thực hiện các phép toán số họchoặc phép toán logic với các dữ liệu

{ Điều khiển rẽ nhánh

{ Kết hợp các thao tác trên

Định dạng lệnh

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 66

Ví dụ

Sơ đồ chu trình thực hiện lệnh

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 68

1.4.2 Hoạt động ngắt

zKhái niệm chung về ngắt (Interrupt): Ngắt

là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện chương trình khác, gọi là

chương trình con phục vụ ngắt.

gửi đến CPU, yêu cầu CPU ngắt để chuyển sang thực hiện chương trình con ngắt phục vụ vào – ra tương ứng.

CPU để phục vụ cho chế độ hoạt động đa chương trình

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 70

Chu trình xử lý ngắt:

có yêu cầu ngắt gửi đến hay không.

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 72

Chu trình thực hiện lệnh khi với ngắt

Các chương trình con phục vụ ngắt

ISR (Interrupt Service Routine):

zLà tập hợp các chương trình con đã cósẵn trong bộ nhớ chính của máy tính:

zNằm ở bộ nhớ ROM BIOS

zNằm ở bộ nhớ RAM( chương trình phục

vụ ngắt của hệ điều hành hay của người lập trình hệ thống, được nạp từ bộ nhớngoài vào trong RAM)

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 74

Hoạt động với nhiều ngắt:

zNgắt xảy ra tuần tự

zNgắt xảy ra lồng nhau

Ngắt tuần tự

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 76

Ngắt lồng nhau

Trình tự thời gian khi có nhiều ngắt

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 78

1.4.3 Chuyển nhượng quyền điều

z 1 bộ điều khiển vào – ra

z CPU có thể trao quyền điều khiển hệ thống cho một thành phần khác Khi đó CPU thả nổi bus và tách khỏi hệ thống, còn bộ điều khiển được trao quyền sẽ có toàn quyền sử dụng bus hệ thống để điều khiển các thành phần khác.

Các bộ điều khiển vào – ra có khả

năng điều khiển hệ thống:

{ Bộ điều khiển DMA(Direct Memory Access Controller)

{ Bộ xử lý vào – ra (IO Processor)

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 80

1.5 Liên kết hệ thống

z1.5.1 Luồng thông tin trong máy tính

z1.5.2 Cấu trúc bus cơ bản

z1.5.3 Phân cấp bus trong máy tính

z1.5.4 Các vấn đề liên quan đến thiết kế bus

1.5.1 Luồng thông tin trong máy tính:

zCác module trong máy tính:

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 82

Kết nối module nhớ:

Kết nối module vào – ra:

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 84

Kết nối CPU:

→ Có 4 loại thông tin:

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 86

1.5.2 Cấu trúc bus cơ bản:

zKhái niệm chung về bus:

chuyển thông tin giữa các thành phần của máy tính với nhau.

truyền thông tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu).

Sơ đồ bus liên kết cơ bản:

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 88

Bus địa chỉ (Address bus)

zChức năng: vận chuyển địa chỉ từ CPU đến mô - đun nhớ hay mô - đun vào – ra

để xác định ngăn nhớ hay cổng vào – ra

mà CPU cần trao đổi thông tin

zĐộ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng

bộ nhớ cực đại của hệ thống

Bus địa chỉ (Address bus)

zNếu độ rộng bus địa chỉ là N bit (gồm N đường dây A0, A1, A2, …AN-1 ) thì:

z→ Có khả năng vận chuyển đựơc N bit địa chỉ đồng thời

z→ Có khả năng đánh địa chỉ tối đa được 2N ngăn nhớ = 2N byte → gọi là không gian địa chỉ bộ nhớ

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 90

Bus dữ liệu(Data bus)

zChức năng :

{ Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU

{ Vận chuyển dữ liệu giữa CPU, các mô-đun nhớ

và mô-đun vào - ra với nhau

zĐộ rộng bus dữ liệu: Xác định số bít dữliệu có thể được trao đổi đồng thời

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 92

Bus dữ liệu(Data bus)

zNếu độ rộng bus dữ liệu là M bit (gồm M đường dây D0, D1, …DM-1) thi: nghĩa là đường bus dữ liệu đó có thể vận chuyển đồng thời được M bit dữ liệu

zM thường là 8, 16, 32, 64 bit

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 94

Bus điều khiển(Control bus)

zChức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển

zCác loại tín hiệu điều khiển:

{ Các tín hiệu điều khiển phát ra từ CPU để điều khiển mô - đun nhớ hay mô - đun vào – ra

{ Các tín hiệu yêu cầu từ mô đun nhớ hay mô đun vào – ra gửi đến CPU

{ Tín hiệu Clock

Một số tín hiệu điều khiển điển hình:

z Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển đọc/ghi:

{Memory Read (MEMR): điều khiển đọc dữ liệu từ một

ngăn nhớ có địa chỉ xác định lện bus dữ liệu

{Memory Write (MEMW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn

trên bus dữ liệu đến một ngăn nhớ có địa chỉ xác định.

{I/O Read (IOR): điều khiển đọc dữ liệu từ một cổng vào

– ra có địa chỉ xác định trên bus dữ liệu.

{I/O Write (IOW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus

dữ liệu ra một cổng có địa chỉ xác định.

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 96

Một số tín hiệu điều khiển điển hình:

z Các tín hiệu điều khiển ngắt:

{Interrupt Request (INTR): Tín hiệu từ bộ điều khiển vào

– ra gửi đến yêu cầu ngắt CPU để trao đổi vào – ra Tín hiệu INTR có thể bị che

{Interrupt Acknowledge (INTA): Tín hiệu phát ra từ CPU

báo cho bộ điều khiển vào - ra biết CPU chấp nhận ngắt

{Non Maskable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt không che

được gửi đến ngắt CPU.

{Reset: Tín hiệu từ bên ngoài gửi đến CPU và các thành

phần khác để khởi động lại máy tính.

Một số tín hiệu điều khiển điển hình:

zCác tín hiệu điều khiển bus :

{Bus Requet (BRQ): Tín hiệu từ bộ điều khiển

vào – ra chuyên dụng gửi đến yêu cầu CPU chuyển nhượng quyền sử dụng bus

{Bus Grant (BGT): Tín hiệu phát ra từ CPU chấp

nhận chuyển nhượng quyền sử dụng bus.

{Lock: tín hiệu khóa không cho xin chuyển

nhượng bus.

{Unlock: tín hiệu mở khóa cho xin chuyển

nhượng bus.

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 98

1.5.3 Phân cấp bus trong máy tính:

zCấu trúc đơn bus:

zCấu trúc đa bus:

Cấu trúc đơn bus:

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 100

Đặc điểm của cấu trúc đơn bus:

đường bus chung.

cầu trao đổi dữ liệu.

nhanh nhất trong hệ thống.

các mô đun nhớ và mô đun vào – ra cũng phụ thuộc vào bộ xử lý cụ thể.

đa bus

Cấu trúc đa bus cổ điển

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 102

Cấu trúc hiệu năng cao

Đặc điểm của cấu trúc đa bus:

zPhân cấp thành nhiều bus khác nhau cho các thành phần:

{ Bus của bộ xử lý

{ Bus bộ nhớ

{ Bus vào – ra

zPhân cấp bus khác nhau về tốc độ

zCác bus nối ghép với mô đun nhớ và mô đun vào – ra không phụ thuộc vào bộ xử lý

cụ thể

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 104

Các bus điển hình trong PC

z Bus của bộ xử lý (Front Side Bus - FSB): có tốc độ nhanh nhất.

z Bus của bộ nhớ chính (nối ghép với các mô đun RAM).

z AGP bus (Accelerated Graphic Port) - Bus đồ họa tăng tốc: nối ghép card màn hình tăng tốc.

z PCI bus (Peripheral Component Interconnection): nối ghép với các TBNV có tốc độ trao đổi dữ liệu nhanh.

z USB (Universal Serial Bus): Bus nối tiếp đa năng

z IDE (Integrated Driver Electronics): Bus kết nối với ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa CD, DVD.

Máy tính Pentium IV dùng Chipset 925

Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 106

1.5.4 Các vấn đề liên quan đến thiết kế bus:

zCác kiểu bus:

zPhân xử bus:

zĐịnh thời bus (Timing)

Các kiểu bus:

{ Các đường địa chỉ và dữ liệu tách rời nhau

{ Ưu điểm: điều khiển đơn giản

{ Nhược điểm: Có nhiều đường kết nối

{ Các đường dùng chung cho địa chỉ và dữ liệu

{ Có đường điều khiển riêng biệt lhi có địa chỉ hay dữ liệu

{ Ưu điểm : ít đường dây

{ Nhược điểm:

z Điều khiển phức tạp hơn

z Hiệu năng hạn chế