Bài giảng Kiến trúc máy tính Chương 1

Tóm tắt nội dung môn họcTìm hiểu các kiến thức cơ sở, nền tảng về kiến trúc, nguyên lý và cách tổ chức các thành phần trong hệ thống máy tính.. +Liên kết giữa các hệ thống : liên kết các

GiỚI THIỆU CHUNG

VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Mục tiêu môn học

Kiến thức bản chất về kiến trúc máy tính

Nguyên lý hoạt động

Các thành phần và tổ chức hệ thống máy tính

Tóm tắt nội dung môn học

Tìm hiểu các kiến thức cơ sở, nền tảng về kiến trúc, nguyên lý

và cách tổ chức các thành phần trong hệ thống máy tính

 Chương 1 Tổng quan về kiến trúc máy tính

 Chương 2 Biểu diễn thông tin trong máy tính

Kiến thức cơ sở cho môn học

• Tin học đại cương

Tài liệu tham khảo

Kiến trúc máy tính - Nguyễn Đình Việt

Giáo trình kiến trúc máy tính – Nguyễn Ngọc Diệp, Đoàn

Ngọc Uyên

Essentials of computer architecture-Douglas Comer

Đánh giá kết quả

 Dự lớp số tiết tối thiểu: >40 tiết (tc 45 tiết)

hành

 Kiểm tra giữa học phần:>=5

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

NỘI DUNG

Cấu trúc máy tính

Cấu trúc máy tính (Computer Structure): là những

thành phần của máy tính và những liên kết giữa các thành phần

+Bộ xử lý: điều khiển và xử lý số liệu

+Bộ nhớ: chứa chương trình và dữ liệu

+Hệ thống vào ra: trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài

+Liên kết giữa các hệ thống : liên kết các thành phần của máy tính lại với nhau

Kiến trúc máy tính

Là thiết kế khái niệm và cấu trúc hoạt động

căn bản của một hệ thống máy tính Nó là

một bản thiết kế (blueprint) mô tả có tính chất chức năng về các yêu cầu (đặc biệt là tốc độ và các kết nối tương hỗ) và những sự thi hành thiết kế cho những bộ phận khác nhau của một máy tính - tập trung chủ yếu vào việc CPU hoạt động nội tại như thế nào

và truy cập các địa chỉ trong bộ nhớ bằng cách nào.

I Định nghĩa kiến trúc máy tính

Kiến trúc máy tính (KTMT) là 1 chi tiết về đặc điểm kỹ thuật như thế nào để 1 tập các tiêu chuẩn phần mềm

và công nghệ phần cứng tương tác để tạo thành 1 hệ thống máy tính hay nền tảng.

Hay, KTMT đề cập đến cách 1 hệ thống máy tính được thiết kế và những công nghệ gì tương thích với nhau.

=>

Việc nghiên cứu cách thiết kế các phần của hệ thống

máy tính mà người lập trình có thể nhận thấy được gọi

là kiến trúc máy tính (Computer architecture).

II Sự tiến hóa của máy tính

Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn điện tử

-Về kỹ thuật: linh kiện dùng đèn điện tử, độ tin cậy

thấp, tổn hao năng lượng Tốc độ tính toán vài vài trăm phép tính/giây

nghìn Về phần mềm: chủ yếu dùng ngôn ngữ máy để lập

trình

-Về ứng dụng: mục đích NCKH.

Đèn chân không

Hệ thống máy ENIAC

ENIAC: 30 tấn, 18.000 bóng đèn, 100.000 phép tính/giây.

Máy tính von Neumann

Ðó là máy tính IAS:Princeton Institute for Advanced Studies

Được bắt đầu từ năm 1947, hoàn thành 1952

Do John von Neumann thiết kế

Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình được lưu trữ ” (stored-program concept) của von

Neumann/Turing (1945)

Máy tính von Neumann

Von Neumann với máy tính IAS

Đặc điểm chính của máy tính IAS

 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

 bộ nhớ chính chứa chương trình của

dữ liệu

 Bộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo

ngăn nhớ và không phụ thuộc vào nội

 Đơn vị điều khiển điều khiển các hoạt

động của các thiết bị vào ra

Cấu trúc máy tính von Neumann

bậc cao: Fortran, Algol, Cobol,

- Về ứng dụng: tham gia giải các bài toán kinh tế xã hội.

Các máy tính dùng Transitor

Các máy tính dùng Transitor

DEC PDP-1

(1960)

Các máy tính dùng Transitor

IBM 360

Family

IBM 701

3 Máy tính dùng vi mạch (1965-1971)

-Về kỹ thuật: linh kiện chủ yếu sử dụng mạch tích hợp (IC),

các thiết bị ngoại vi được cải tiến, đĩa từ được sử dụng rộng rãi Tốc độ tính toán đạt vài triệu phép toán trên giây; dung lượng nhớ đạt vài MB.

-Về phần mềm: xuất hiện nhiều hệ điều hành khác nhau Xử

lí song song, phần mềm đa dạng, chất lượng cao, cho phép khai thác máy tính theo nhiều chế độ khác nhau.

-Về ứng dụng: tham gia nhiều lĩnh vực của xã hội.

3 Máy tính dùng vi mạch

Vi mạch (Integrated Circuit -IC): nhiều transistor

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

4 Máy tính dùng vi mạch mật độ cao

(1972-về sau)

- Về kỹ thuật: sử dụng mạch tích hợp cỡ lớn VLSI ( very large scale integration), thiết kế các cấu trúc đa

xử lí Tốc độ đạt tới hàng chục triệu phép tính/giây

- Về ứng dụng: máy tính đã được áp ụng trong hầu hết các lĩnh vực của XH

III Phân loại máy tính (*)

1. Phân loại theo khả năng

III Phân loại máy tính (*)

2 Phân loại theo nguyên lý

III Phân loại máy tính (*)

3 Phân loại theo kiến trúc

4 Kiến trúc máy tính Von Neumann

4 Kiến trúc máy tính Von Neumann

bộ phận chính của máy gọi là BUS hệ thống.

4.2Bus hệ thống: theo chức năng

Bus dữ liệu: cung cấp đường truyền dữ liệu giữa các

module hệ thống

Bus địa chỉ: để xác định nguồn hoặc đích của dữ liệu

trên bus dữ liệu

Bus điều khiển: điều khiển truy cập đến và sử dụng

các đường dữ liệu và địa chỉ

4.2Bus hệ thống: theo đường truyền

Bus đồng bộ: được điều khiển bởi nhịp đồng hồ với

chu kì nhất định Hoạt động của vi xử lý đòi hỏi thời gian là bội số của chu kì máy

Bus không đồng bộ: không hoạt động theo xung đồng

hồ nhất định, khi truyền tín hiệu thiết bị truyền phát tín hiệu MSYN báo cho thiết bị nhận chạy nhanh nhất có thể, sau đó khi hoàn thành thiết bị nhận phát lại tín hiệu SSYN

4.3 Hoạt động của máy tính Von Neumann (xem TL)

5 Phân loại kiến trúc máy tính

5.1 Kiến trúc máy tính loại SISD (kiến trúc tuần tự- Von NeuMann cổ điển)

Máy tính gồm:CPU, Memory, I/O-CPU gồm: thanh ghi (register), ALU

và CU

-Đặc điểm:

+Thực hiện lần lượt từng lệnh một

+Tốc độ chậm

5 Phân loại kiến trúc máy tính

5.2 Kiến trúc máy tính loại SIMD

-Đặc điểm:

+Có 1 đơn vị điều khiển, n phần tử xử lý

+ Đơn vị điều khiển: điều khiển đồng thời tất cả các phần tử tại cùng 1 thời điểm các phần tử xử lý thực hiện cùng 1 thao tác trên các tập dữ liệu khác nhau

5 Phân loại kiến trúc máy tính

5.3 Kiến trúc máy tính loại MIMD

+Máy gồm 2 hoặc nhiều bộ vi xử lý tương tự về khả năng, có thể thực hiện những phép toán khác nhau trên các DL khác nhau

+ Tất cả các CPU cùng chia sẻ 1 bộ nhớ chung Một số bộ nhớ cục bộ cũng có thể được dùng.

+ Tất cả các CPU cùng sử dụng chung thiết bị vào ra, có thể dùng chung

1 số kênh hoặc dùng các kênh khác nhau dẫn đến cùng 1 thiết bị.

+ Hệ thống được điều khiển bởi hệ thống hoạt động tích hợp.

5 Phân loại kiến trúc máy tính

5.3 Kiến trúc máy tính loại MIMD

+Máy gồm 2 hoặc nhiều bộ vi xử lý tương tự về khả năng, có thể thực hiện những phép toán khác nhau trên các DL khác nhau

+ Tất cả các CPU cùng chia sẻ 1 bộ nhớ chung Một số bộ nhớ cục bộ cũng có thể được dùng.

+ Tất cả các CPU cùng sử dụng chung thiết bị vào ra, có thể dùng chung

1 số kênh hoặc dùng các kênh khác nhau dẫn đến cùng 1 thiết bị.

+ Hệ thống được điều khiển bởi hệ thống hoạt động tích hợp.

5 Phân loại kiến trúc máy tính

5.4 Kiến trúc máy tính loại MISD

+Có nhiều đơn vị điều khiển

+ Thực hiện lệnh theo các coong đoạn, tại 1 thời điểm mỗi đơn vị điều khiển xử lý 1 công đoạn như vậy có thể tiết kiemj được 1 số chu kỳ máy cần xử lý lệnh.

+Đây là nguyên tắc của Pipeling khi chia lệnh thành các coong đoạn:

nhận lệnh F (Fetch), giải mã lệnh D (Decode), thực hiện lệnh E (Execute) và ghi kết quả W (write back) Như vậy với 4 lệnh có thể tiết kiệm tới 9 chu kỳ máy.

Các hệ thống máy tính hiện đại

• Microcomputer: PC (Personal Computer):

• Được thiết kế cho một người sử dụng.

• PC thường chỉ có một chip vi xử lý và một số thiết bị ngoại vi như

màn hình, bàn phím, ổ đĩa, máy in.v.v

• Ngày nay xu hướng nối các PC vào mạng máy tính ngày càng trở nên

• PDA (another closely related computer).

• Workstation: the PC powered by high-end RISC chips, such as the Sun

UltraSPARC Conceptually, however, there is little difference between PC and Workstation.

Các hệ thống máy tính hiện đại

•Minicomputer:

• Là những máy tính cỡ trung bình, kích

thước thường lớn hơn Microcomputer.

• Nó có thể thực hiện được các ứng dụng mà

máy tính cỡ lớn (Mainframe) thực hiện.

• So với các máy Mainframe thì

Minicomputer có bộ nhớ nhỏ hơn, sức

mạnh tính toán thấp hơn Minicomputer

được xử dụng rộng rãi trong các ứng dụng

thời gian thực, thí dụ trong điều khiển

không lưu, trong tự động hoá sản xuất

Minicomputer thường được nối với các

Mainframe để thực hiện các thao tác hỗ trợ

cho Mainframe Hệ thống Mini Computer

Các hệ thống máy tính hiện đại

• Mainframe:

IBM-360 và CDC 6600 của Cray.

Supermini là ở năng lực vào/ra và ứng dụng mà

nó sử dụng Trong khi một Supermini thường có

vài ổ đĩa cứng 1 GB, thì Mainframe có thể có tới

hàng trăm Supermini thường dùng trong các

ứng dụng giao tiếp (interactive) còn Mainframe

được sử dụng trong chế độ các công việc sắp

theo lô lớn (Large-Batch-Jobs) hoặc xử lý các

giao dịch (Transaction Processing), thí dụ trong

ngân hàng, đặt vé máy bay.

Các hệ thống máy tính hiện đại

• Supercomputer:

(FLOPS-FLoating point Operations Per Second) cao nhất có thể được.

• Trong nhiều năm, cái tên

supercomputer và Seymour

Cray hầu như là đồng nghĩa,

bởi vì Cray đã thiết kế ra CDC

6600 và các thế hệ tiếp theo,

thí dụ 7600, sau đó ông đã

đứng ra thành lập công ty riêng

của mình là Cray Research để

xây dựng các máy Cray-1 và

Cray-2 Năm 1989 ông lại tách

ra lập một công ty khác để xây

dựng máy Cray-3.