BÀI GIẢNG môn KIẾN TRÚC máy TÍNH và hợp NGỮ

23 Cấu trúc máy tính Von-Neumann tt Bộ xử lý trung tâm – CPU Đơn vị điều khiển – Control Unit Đơn vị luận lý số – Arithmetic Logical Unit Bộ nhớ – Memory Hệ thống xuất nhập – Input/Out

TỔ CHỨC MÁY TÍNH VÀ HỢP NGỮ

Chương 1

GIỚI THIỆU

2

Nội dung chương 1

I Giới thiệu tổ chức máy tính

II Phương pháp nghiên cứu

III Tổng quan tổ chức máy vi tính

4

1 Định nghĩa Tổ Chức Máy Tính

Các thuật ngữ tương đương

 Kiến trúc máy tính – Computer Architecture

6

Cấu trúc hệ thống

Computer

Main Memory

Input Output

Systems Interconnection Peripherals

Communication

lines

Central Processing Unit

Computer

7

Cấu trúc CPU

and Login Unit

Control Unit

Internal CPU Interconnection

Registers

CPU I/O

Memory

System

Bus

CPU

9

Các giai đoạn thiết kế máy tính

 Giai đoạn 1:

• Dùng các cổng luận lý tạo các mạch chức năng, ví dụ: mạch cộng, bit nhớ

 Giai đoạn 2:

• Dùng các mạch chức năng tạo các thành phần như bộ xử lý, bộ nhớ

 Giai đoạn 3:

• Kết nối các thành phần thành máy tính

10

Các cổng luận lý cơ sở

11

Mạch cộng 1 bit

12

Bit nhớ dạng mạch cài D

13

II Phương pháp nghiên cứu

1. Phân loại máy tính

2. Cấu trúc máy tính

3. Hoạt động của máy tính

14

1 Phân loại máy tính

 Phân loại theo thứ tự xuất hiện

 Lịch sử máy tính

 Phân loại theo khả năng hoạt động

17

Các linh kiện chế tạo phần cứng máy tính

19

Hiệu suất các bộ xử lý Intel

20

Các đơn vị

21

2 Cấu trúc máy tính

Cấu trúc máy tính dạng đơn giản

22

Cấu trúc máy tính Von-Neumann

23

Cấu trúc máy tính Von-Neumann (tt)

Bộ xử lý trung tâm – CPU

Đơn vị điều khiển – Control Unit

Đơn vị luận lý số – Arithmetic Logical Unit

Bộ nhớ – Memory

Hệ thống xuất nhập – Input/Output (I/O)

Có khả năng thực hiện các lệnh tuần tự

theo chu kỳ lấy-giải mã-thực hiện lệnh

(Chu kỳ lệnh)

24

3 Hoạt động của máy tính

 Thực hiện chương trình (program)

 Chương trình gồm một chuỗi các lệnh/chỉ thị (instruction) thuộc tập lệnh của CPU

25

Chu kỳ lệnh

26

Chu kỳ lệnh (tt)

27

Hoạt động của máy tính theo các lớp luận lý

28

Phương pháp nghiên cứu

Khảo sát tổ chức máy tính theo

các thành phần cấu trúc

Môn học tổ chức máy tính và hợp ngữ

tổ chức máy vi tính và hợp ngữ

29

III Tổng quan tổ chức máy vi tính

1. Tổ chức vật lý

2. Tổng quan về phần mềm

30

1 Tổ chức vật lý máy vi tính

System Unit

Power Supply

Mainboard, CPU, RAM

Expansion boards: video, network, sound, … Drives: Floppy, Hard, CD/DVD

Monitor

Keyboard, mouse

Speaker, Printer, Scanner, Modem, …

31

Cấu trúc vật lý

32

Các đầu nối (connectors)

33

Bên trong system unit

34

Ví dụ 1: Mainboard

35

Ví dụ 2: Mainboard Intel D875PBZ

 Boot Drive – Đĩa khởi động

Boot record – Mẩu tin khởi động

 Operating system – Hệ điều hành

38

2 Tổng quan về phần mềm

 Phần mềm hệ thống

 Phần mềm ứng dụng

39

Phần mềm ứng dụng

 Xử lý văn bản – Word Processor

Microsoft Word, Corel WordPerfect

42

Hệ Điều Hành

Với người sử dụng

 Được nạp vào bộ nhớ đầu tiên

 Quản lý các chu kỳ nhập-xử lý-xuất

Với chương trình/người lập trình

 Mở rộng phần cứng máy tính

 Quản lý tài nguyên hệ thống

Ví dụ: Microsoft Windows, Linux, UNIX, MAC OS, …

44

Công cụ lập trình

Ngôn ngữ lập trình

 Ngôn ngữ máy – Machine language

dạng nhị phân của tập lệnh CPU

 Ngôn ngữ dùng ký hiệu / Hợp ngữ Symbolic language / Assembly language dạng ký hiệu/gợi nhớ của tập lệnh CPU

 Ngôn ngữ cấp cao – High-level language

45

Thực thi chương trình hợp ngữ

 Viết chương trình nguồn dùng hợp ngữ

 Dùng chương trình dịch hợp ngữ (Assembler) chuyển đổi chương trình nguồn thành chương trình thực thi (trên ngôn ngữ máy tương ứng với một hệ điều hành)

 Thực hiện chương trình trên ngôn ngữ máy

46

Thực thi chương trình ngôn ngữ cấp cao

 Viết chương trình nguồn dùng ngôn ngữ cấp cao

 Có hai phương pháp thực thi:

• Biên dịch

• Thông dịch/Phiên dịch

47

Biên dịch (compilation)

 Dùng chương trình biên dịch (Compiler) chuyển chương trình nguồn thành chương trình trên ngôn ngữ máy

 Thực thi chương trình trên ngôn ngữ máy

 Thực thi nhanh

 Cần biên dịch lại khi có thay đổi

 Ví dụ: ngôn ngữ C,C++, …

48

Thông dịch (Interpretation)

 Dùng chương trình thông dịch (Interpreter) đọc và thực thi từng phát biểu trên chương trình nguồn

 Luôn cần chương trình nguồn

 Thực thi chậm hơn

 Ví dụ: Basic, Scripting language, …

49

JAVA

Có thể thực thi trên mọi môi trường

Thực thi chương trình Java:

 Quá trình biên dịch

 Quá trình thông dịch trên JVM

(Java Virtual Machine)

50

Môi trường lập trình Java

II

51

Thực thi chương trình Java

TỔ CHỨC MÁY TÍNH VÀ HỢP NGỮ

Chương 2

BUS (HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN

THÔNG TIN)

Nội dung chương 2

I. Các khái niệm cơ bản

II. Cấu trúc máy vi tính

III. Một số thiết bị ngoại vi

I Các khái niệm cơ bản

1. Khái niệm về Clock

2. Bus

3. Các tiêu chuẩn bus

1 Khái niệm về Clock

Cần kiểm soát về thời gian trên hệ thống:

 Có sự trễ (delay) của tín hiệu

 Kiểm soát thứ tự thực hiện

Hai kỹ thuật cơ bản:

Tín hiệu clock

Rising Edge: Cạnh lên

Falling Edge: Cạnh xuống High: Mức cao

Low: Mức thấp

Thông số của clock

Tần số - Frequency: số chu kỳ trong 1 giây Chu kỳ - Cycle: chiều dài 1 chu kỳ

Ví dụ:

1GHZ = 109 chu kỳ/giây

 1 chu kỳ = 10-9 giây = 1 nano giây

2.Bus

 Bus: đường dẫn tín hiệu chung giữa các thiết bị

Các thành phần trên bus

 Data bus – Bus dữ liệu

• Truyền dữ liệu

• Kích thước: 8, 16, 32, 64 bit  hiệu suất

 Address bus – Bus địa chỉ

• Xác định thiết bị gởi, nhận dữ liệu

• Kích thước  khả năng quản lý bộ nhớ

 Control bus – Bus điều khiển

• Tín hiệu clock

• Đọc, ghi bộ nhớ và thiết bị I/O

Hệ thống máy tính với nhiều bus

3 Các tiêu chuẩn bus

Thông số các loại bus

PCI slots

PCI Express bus

 Phát triển kiến trúc PCI

 tương thích với PCI

 Băng thông rộng

Bắt đầu từ 200 MB/sec, có thể x2, ,x32

 Hỗ trợ tốt hơn cho truyền thông,

đa phương tiện (audio, video)

 Thêm bớt thiết bị khi máy hoạt động

(Hot plugging)

PCI Epress (tt)

PCI Express (tt)

PCI Epress (tt)

PCI Express slots

PCI Express slots (x4,x16,x1,x16) và PCI slot

II Cấu trúc máy vi tính

1. Cấu trúc máy vi tính

2. Các thao tác cơ sở

3. Các phương pháp xuất nhập

Cấu trúc tiêu biểu máy vi tính – Pentium

Cấu trúc tiêu biểu máy vi tính – Pentium 4

Các thành phần chính trên mainboard

Kết nối các thành phần trên mainboard

AGP (Accelerated Graphics Port)

AGP (Accelerated Graphic Port)

 Do Intel thiết kế

 Tăng tốc độ hiển thị hình 3D, hình động

 Dùng 1 bus riêng (AGP)

 Chip AGP có thể đồng thời truy cập bộ nhớ với CPU

 Băng thông 533 MB/sec

SCSI (Small Computer System Interface)

 Dạng I/O bus, điều khiển nhiều loại thiết bị: đĩa cứng, CDROM, scanner, máy in

 Có thể đến 15 thiết bị/cáp

Một số thông số SCSI

IDE (Integrated Drive Electronics)

 Còn gọi là ATA (AT Attachment)

 EIDE (Extended IDE)  ATA-2

• 4 thiết bị

• Điều khiển CDROM

• Hỗ trợ LBA (Logical Block Addressing)

 ATA-4  Ultra ATA

• ATA-33/66/100 : tốc độ DMA là 33MHz/

Serial ATA (SATA)

 Tốc độ cao, từ 150 MB/sec

 Chỉ điều khiển đĩa

 Dễ cài đặt

Serial ATA (tt)

USB (Universal Serial Bus)

 Kết nối các thiết bị đặt ngoài (external)

 Đặc điểm:

• Thống nhất đầu nối

• Cấp nguồn

• Thêm bớt khi máy hoạt động (Hot-plugging)

• Tự động thiết lập cấu hình (Plug-and-Play)

 Tốc độ: 12 Mbps(1.0), 450 Mbps(2.0)

 7 thiết bị, có thể đến 127 thiết bị với Hub

Ví dụ USB hub

Địa chỉ thiết bị xuất nhập (Địa chỉ I/O)

 Memory mapped I/O

• Thiết bị và bộ nhớ dùng chung một không gian địa chỉ

• Xuất nhập tương đương đọc ghi bộ nhớ

• Không cần lệnh I/O

 Isolated I/O

• Dùng không gian địa chỉ riêng

• Cần tín hiệu điều khiển I/O riêng

• Cần các lệnh I/O

Xuất nhập theo chương trình

 CPU trực tiếp điều khiển I/O

• Kiểm tra trạng thái thiết bị

• Dùng các lệnh đọc/ghi

• Trao đổi dữ liệu

 CPU phải chờ thiết bị hoàn thành thao tác

• Định kỳ kiểm tra trạng thái thiết bị

 Lãng phí thời gian CPU

 Thông số thiết bị: địa chỉ I/O

Xuất nhập dùng kỹ thuật ngắt

Đặc điểm:

 CPU không phải chờ

 CPU không cần kiểm tra thiết bị hoàn thành thao tác

 Thiết bị yêu cầu ngắt quãng khi sẵn sàng

Ví dụ: CPU đọc 1 thiết bị dùng ngắt

 CPU phát lệnh đọc

 Thiết bị lấy dữ liệu trong khi CPU thực hiện việc khác

 Thiết bị ngắt quãng CPU

 CPU yêu cầu dữ liệu

 Thiết bị truyền dữ liệu

Chuyển điều khiển khi có ngắt

Xuất nhập dùng DMA

 Có phần cứng hỗ trợ DMAC (DMA Controller)

 DMAC thay thế CPU thực hiện trao đổi

dữ liệu giữa bộ nhớ và thiết bị

 CPU thực hiện việc khác

 DMAC thực hiện trao đổi dữ liệu

 DMAC gởi tín hiệu ngắt khi hoàn thành

Thông số thiết bị dùng DMA

III Một số thiết bị ngoại vi

1. Đĩa từ

2. CD, DVD

3. Màn hình

4. Máy in

1 Đĩa từ

Đĩa cứng với 4 đĩa

Cấu trúc một mặt đĩa

Đĩa từ (tt)

 Track, Sector, Cylinder

 Đơn vị truy xuất: sector

 Các bước truy xuất sector:

• Di chuyển hệ thống đầu từ đến cylinder chứa sector – Seek time (mili sec)

• Chờ sector xoay đến vị trí đầu từ - Rotational latency (rpm)

• Truy xuất sector

 Thông số tổng quát: tốc độ truy xuất

(Data Transfer Rate) theo MB/sec

Đĩa từ (tt)

Thông số các loại đĩa mềm

2 Giới thiệu CD và DVD

a. CDROM

b. DVD

• Lớp nhựa, 1 hay 2 lớp kim loại, lớp bảo vệ

 Thông số ổ đĩa CD (CD Drive):

• Loại (internal/external)

• Giao tiếp bus (IDE/SCSI)

• Tốc độ (theo đơn vị 1x = 150 KB/sec)

Cấu trúc luận lý đĩa CDROM

Cấu trúc vật lý đĩa CDROM

Ổ đĩa CD

Các dạng đĩa CDROM

 CDROM

 CD – Recordable

 CD – Rewritable

Cấu trúc đĩa CD-Recordable

2 DVD (Digital Versatile Disk)

 Hình thức đĩa và ổ đĩa DVD tương tự CD

 Đặc điểm so với CDROM:

• Dung lượng lớn hơn (4.7GB)

• Dùng loại tia laser tần số cao hơn

• Tốc độ truy xuất cao hơn (1.4MB/sec)

Các loại dung lượng đĩa DVD

Đĩa DVD dạng hai mặt, hai lớp

Các dạng đĩa DVD

 DVD

 DVD – Recordable

 DVD – Rewritable

3 Màn hình

Hai dạng thông dụng:

 Dùng đèn hình CRT

 Dùng tinh thể lỏng LCD

Màn hình dạng CRT (Cathod Ray Tube)

a CRT b Quét tia điện tử

Màn hình LCD (Liquid Crystal Display)

Hoạt động màn hình LCD

Thông số màn hình CRT

 Dot pitch – Kích thước điểm ảnh, ví dụ 0.22mm

 Refresh rate – Tốc độ làm tươi (hz)

 Resolution – Độ phân giải

 Monitor screen size – Kích thước màn hình, ví dụ 17”

 Display colors – Số màu

Thông số màn hình LCD

 Resolution - Độ phân giải

• Theo kích thước (screen size)

 Viewing angle – Góc nhìn

• Khoảng 120  170 độ

 Brightness – Độ sáng

• Theo candelas/cm 2 – Khoảng 250  500

 Độ tương phản – Contrast ratio

• Tỉ số giữa trắng/đen – Khoảng 450  1000

 Tốc độ đáp ứng – Response rate

• Tốc độ thay đổi màu – Theo milisec

Một số độ phân giải màn hình

Kích thước màn hình

4 Máy in

Các loại máy in:

 In kim – Dot-matrix printer

 In phun – InkJet

 In laser – Laser printer

Thông số chính:

 Độ phân giải – dots per inch (dpi)

 Tốc độ in – pages per minute (ppm)

Máy in phun

Máy in Laser

TỔ CHỨC MÁY TÍNH VÀ HỢP NGỮ

Chương 3

BỘ XỬ LÝ

5

CPU và system bus

6

Cấu trúc trong CPU

7

Ví dụ: Lấy lệnh

 Địa chỉ chuyển vào thanh ghi MAR

 Địa chỉ đưa lên bus địa chỉ

 Đơn vị điều khiển yêu cầu đọc bộ nhớ

 Kết quả đưa lên data bus, sao chép vào

thanh ghi MBR, đưa vào thanh ghi IR

8

Dòng dữ liệu của giai đoạn lấy lệnh

9

2 Thanh ghi (registers)

 Thanh ghi = ô nhớ bên trong CPU

 Nơi làm việc trong CPU

 Hai dạng thanh ghi:

• User visible registers: sử dụng bởi phần mềm

• Control and status registers: sử dụng bên trong CPU

10

User visible registers

 Đa năng (General Purpose, GP)

 Dữ liệu (Data)

 Địa chỉ (Address)

 Mã điều kiện (Condition codes)

 Memory Address Register

Lưu địa chỉ khi truy xuất bộ nhớ

 Memory Buffer Register

Lưu giá trị từ nhớ

12

Ví dụ thanh ghi

13

3 Đơn vị xử lý

 Thực hiện các thao tác xử lý cơ sở

 ALU - Arithmetic Logical Unit

(Đơn vị số học luận lý)

Thao tác số học: cộng, trừ, nhân, chia

Thao tác luận lý: NOT, AND, OR, XOR

 Integer Execution Unit

14

Các dạng đơn vị xử lý

 Floating-Point Execution Unit (FPU)

Thực hiện xử lý trên số dấu chấm động

 MMX Execution Unit

Thực hiện xử lý trên dữ liệu MMX

 Multimedia Unit

15

4 Đơn vị điều khiển

 Thực hiện lấy lệnh, giải mã lệnh

 Tạo các tín hiệu điều khiển bus

 Điều khiển đơn vị xử lý

16

Hai phương pháp điều khiển đơn vị xử lý

 Tín hiệu (hard-wired control)

 Chương trình (microprogrammed control) chương trình bên trong đơn vị điều khiển  vi chương trình (microprogram)

17

Hard-wired control unit

18

Microprogrammed control

21

Dùng tín hiệu

Dùng

vi chương trình Tốc độ thực thi một lệnh Nhanh hơn Chậm hơn

Số lượng lệnh Ít hơn Nhiều hơn

Chương trình biên dịch Phức tạp hơn Đơn giản hơn

Ví dụ SPARC, PowerPC Intel CPU

Dạng kiến trúc máy tính RISC CISC

So sánh hai dạng thực hiện đơn vị xử lý

22

II Các phương pháp nâng cao

khả năng hoạt động CPU

1. Tác động clock bên trong CPU

2. Thực hiện lệnh song song

3. Cơ chế đường ống

4. Cache

23

1 Tác động clock bên trong CPU

 Tăng tần số clock trong CPU (internal clock / clock subcycle)  tăng tốc độ thực hiện lệnh

 Clock bên trong CPU được điều khiển bởi clock trên mainboard (external clock)

 Tần số internal clock là bội số của tần số external clock

24

2 Thực hiện lệnh song song

 Phân loại Flynn

 Thực hiện lệnh song song trên bộ vi xử lý

 Máy vi tính nhiều bộ xử lý

25

Phân loại kiến trúc máy tính theo Flynn

SISD – Single Intruction stream

Single Data stream

SIMD – Single Intruction stream

Multiple Data stream

MISD – Multiple Intruction stream

Single Data stream

MIMD – Multiple Intruction stream

Multiple Data stream

26

Thực hiện lệnh song song trên bộ vi xử lý

 Thực hiện nhiều lệnh trong một chu kỳ clock

 CPU Intel:

• Lệnh SIMD

• Cấu trúc superscalar

27

Ví dụ: superscalar processor

• Truyền thông qua bộ nhớ

 Kiến trúc MMP (Massively Parallel Processors)

• Nhiều bộ xử lý

• Bộ nhớ phân tán

• Truyền thông qua mạng

29

3 Cơ chế đường ống (Pipelining)

 Bộ xử lý gồm các phần tử xử lý độc lập Processing Elements/Stage

 Hoạt động như dây chuyền sản xuất

 Tại một thời điểm:

• Si thực hiện lệnh j, đưa kết quả cho Si+1

• Si-1 thực hiện lệnh j+1, đưa kết quả cho Si

32

Mở rộng cơ chế đường ống

Hai đường ống với 5 phần tử dùng chung phần tử lấy lệnh

• Có điều kiện: IF, Loop

• Không điều kiện

 Tỷ lệ lệnh rẽ nhánh: 20 – 30 %

 Xử lý: Dự đoán rẽ nhánh

(Branch Prediction)

36

a Khái niệm cache

 Bộ nhớ dung lượng nhỏ, tốc độ cao

 Giúp CPU truy xuất bộ nhớ nhanh hơn

37

b Hoạt động cache

Giả sử CPU đọc 1 khối nhớ k lần

 Nếu không có cache:

• CPU đọc khối trên bộ nhớ k lần

 Truy xuất trên cache: cache hit

Không truy xuất được trên cache: cache miss

Số lần truy xuất thành công trên cache k -1

h =

39

Hoạt động khi có cache

Khi CPU cần truy xuất 1 khối nhớ, CPU tìm khối trên cache

 Nếu khối có trên cache:

• CPU truy xuất khối trên cache

 Nếu khối chưa có trên cache:

• CPU truy xuất khối trên bộ nhớ

• CPU ghi khối vào cache

40

c Phân loại cache

 Cache cấp 1 – First level cache (L1)

41

Các loại cache

43

d Thay thế phần tử trên cache

 Khi cache đầy mà cần ghi thêm vào cache thì phải thay thế một phần tử trên cache

• Nếu phần tử bị thay thế có thay đổi nôi dung thi phải ghi trở lại bộ nhớ

 Có các phương pháp chọn phần tử thay thế: Optimal, FIFO, LRU (thông dụng)

 Least Recently Used (LRU): chọn phần

tử tồn tại trên cache trong khoảng thời gian lớn nhất mà không được sử dụng