Bài giảng Kiến trúc máy tính và mạng máy tính: Chương 2 - Lương Minh Huấn

Bài giảng Kiến trúc máy tính và mạng máy tính - Chương 2: Tổng quan về hệ thống máy tính cung cấp cho người học các kiến thức: Lịch sử phần cứng máy tính, tổng quan hệ thống máy tính, các hoạt động cơ bản của máy tính, bus máy tính. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG

MÁY TÍNH

GV: LƯƠNG MINH HUẤN

Trang 2

NỘI DUNG

Lịch sử phần cứng máy tính

Tổng quan hệ thống máy tính

III Các hoạt động cơ bản của máy tính

IV Bus máy tính

Trang 3

I LỊCH SỬ PHẦN CỨNG MÁY TÍNH

Một số mốc thời gian :

Từ thời xa xưa, con người đã áp dụng các thiết bị để hổ trợ tính toán

Trang 4

Đến năm 1946, John Machly và J Presper Eckert đã chế tạo ra

chiếc máy tính được xem là đầu tiên, máy tính ENIAC

Máy ENIAC gồm 40 kệ cao 2,4m và 18000 ống chân không và có khả năng xử lý 5000 phép tính một giây

Trang 5

John Machly J Presper Eckert

Máy tính ENIAC

Trang 7

SAGE (1954)

Trang 9

NEAC 2203 (1960)

Trang 10

Trong năm 1964, IBM System/360 là máy tính đầu tiên kiểm

toàn bộ phạm vi ứng dụng từ nhỏ tới lớn, từ thương mại tới khoahọc Người dùng có thể phóng to hay thu nhỏ các thiết lập

mình mà không phải đau đầu về việc nâng cấp phần mềm

mẫu System/360 cao cấp có vai trò lớn trong các sứ mệnh của

tàu vũ trụ Apollo của NASA cũng như các hệ thống theo dõi

lượng không khí

Trang 11

IBM System/360

Trang 12

Cũng trong năm 1964, sản phẩm CDC 6600 được xem là bộ

nhanh nhất trên thế giới CDC 6600 được kiến trúc sư máy

Seymour Cray thiết kế Sản phẩm vẫn giữ được “ngôi quán quântốc độ” cho đến năm 1969 khi Cray thiết kế siêu máy tính tiếp

của ông

Trang 13

CDC 6600

Trang 14

Năm 1965, DEC PDP-8 được chế tạo bởi công ty Thiết bị kỹ thuật

số (DEC) và là chiếc máy tính mini đầu tiên được thương mại

thành công Khi tung ra thị trường, DEC PDP-8 đã bán được

50.000 cái Chúng có thể thực hiện mọi công việc của một chiếcmáy tính lớn nhưng giá chỉ khoảng 16.000 USD trong

System/360 của IBM lên tới hàng trăm ngàn USD

Trang 15

DEC PDP-8

Trang 17

IMP

Trang 18

Năm 1971, Kenbak – 1 được coi là máy tính cá nhân đầu tiên

thế giới và được giới thiệu như là một công cụ sử dụng dễ dàngcho giáo dục nhưng chúng đã thất bại khi chỉ bán được có

một tá sản phẩm Thiếu bộ vi xử lý, chúng chỉ thực hiện được côngsuất tính toán 256B và đầu ra (output) của chúng chỉ là một

đèn nhấp nháy

Trang 19

Kenbak – 1

Trang 20

Năm 1976, ray-1 là bộ máy tính toán có tốc độ nhanh nhất trên

giới Dù mức giá khoảng từ 5-10 triệu USD nhưng vẫn bán chạyChúng là một trong những sản phẩm được kiến trúc sư máy

Seymour Cray thiết kế Ông đã cống hiến cả cuộc đời mình

việc chế tạo ra cái gọi là siêu máy tính

Trang 21

ray-1

Trang 22

Năm 1976, Apple I được hình thành bởi Steve Wozniak nhưng

bị ông chủ của ông tại HP từ chối Không nản lòng, ông đã

cấp chúng cho câu lạc bộ máy tính Homebrew ở Thung

Silicon và cùng với người bạn Steve Jobs quản lý để bán 50

hình thiết kế trước cho Byte Shop ở Mountain View, Californiavới mức giá khoảng 666 USD Cho dù giá bán thấp nhưng chúng

là thiết bị mở đường cho sự thành công của Apple II

Trang 23

Apple I

Trang 25

IBM

Trang 26

Cũng trong năm 1981, Osborne là chiếc máy tính di động đầu

được thương mại hóa, nặng 10,8kg và có giá dưới 2000 USDChúng trở nên phổ biến vì có giá thành thấp và có một thư

phần mềm mở rộng đi kèm theo

Trang 27

Osborne

Trang 28

Năm 1983, Hewlett – Packard đại diện cho bước đi đầu tiên trongviệc mở rộng công nghệ hiện nay HP 150 là chiếc máy tính

tiên được thương mại hóa với công nghệ màn hình cảm ứng

hình cảm ứng 9-inch của sản phẩm được trang bị các bộ thu

phát hồng ngoại ở xung quanh để phát hiện vị trí ngón tay

người dùng

Trang 29

Hewlett – Packard

Trang 31

Trang 32

Năm 2010, chiếc máy tính dạng bảng gây xôn xao giới công nghệvừa được Apple giới thiệu Sản phẩm dày chưa đầy 1-inch, nặng0,68kg và được trang bị màn hình cảm ứng 9,7-inch Theo CEO

Steve Jobs của Apple phát biểu trong buổi giới thiệu, iPad có

lượng pin khoảng 10 tiếng đồng hồ và người dùng có thể sử dụngtất cả các ứng dụng của các bên thứ ba, video, trò chơi và các

dung báo chí trực tuyến nếu muốn

Trang 33

Trang 34

II TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY TÍNH

Trang 35

Bộ xử lý trung tâm Bộ nhớ chính

Liên kết hệ thống

Hệ thống vào ra

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của máy tính

Trang 36

Bộ xử lý: điều khiển hoạt động của máy tính, xử lý dữ liệu.

Bộ nhớ: chứa các chương trình và dữ liệu đang xử lý

Hệ thống vào ra: trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài.Bus liên kết hệ thống: kết nối và vận chuyển thông tin giữa ba

thành phần trên

Trang 37

Trang 39

Trang 40

II TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY TÍNHĐơn vị điều khiển (Control Unit – CU):

 Điều khiển hoạt động của máy tính theo chương trình đã định sẵn.

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 liệu cụ thể.

Trang 41

Tập thanh ghi (Register File - RF):

 Lưu giữ các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU.

Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU):

 Kết nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong (internal bus) và bus bên ngoài (external bus)

Trang 44

• Ta có f0 = 2 GHz = 2x109 Hz

• T0 = 1/f0 = 1/(2x109) = 0,5 ns.

Tốc độ của bộ xử lý

Trang 45

 Bộ nhớ trong (Internal Memory)

 Bộ nhớ ngoài (External Memory)

Trang 46

Bộ nhớ trong (Internal memory)

Trang 48

Bộ nhớ chính (Main memory)

Chứa các chương trình và dữ liệu đang được CPU sử dụng

Tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa chỉ

Ngăn nhớ thường được tổ chức

theo byte

Nội dung của ngăn nhớ có thể

thay đổi, song địa chỉ vật lý của ngăn nhớ luôn cố định

Trang 49

Bộ nhớ đệm nhanh (Cache memory)

Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa CPU

và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy

nhập bộ nhớ

Nhiệm vụ của cache là làm giảm thời gian đợi (wait-state) của CPU khi truy xuất bộ nhớ chính bằng cơ chế đọc trước các ô nhớ kế tiếp

Cache

(SRAM) (Mạch điều khiển)

Trang 50

Bộ nhớ đệm nhanh (Cache memory) (tt)

Cache được chế tạo từ SRAM có tốc độ làm việc rất cao và có dung lượng nhỏ

Các bộ xử lý hiện đại đều có cache bên trong

Cache thường được chia thành một số mức

Trang 51

Bộ nhớ ngoài (External memory)

Chức năng và đặc điểm:

 Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính

 Được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào-ra

Trang 52

Hệ thống vào-ra (Input/Output System)

Chức năng: trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài

Các thao tác cơ bản:

 Vào dữ liệu (Input)

 Ra dữ liệu (Output)

Các thành phần chính:

 Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)

 Các môđun vào-ra (IO Modules)

Trang 53

Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra

Trang 54

Các thiết bị ngoại vi

Chức năng: chuyển đổi thông tin từ bên ngoài thành dữ liệu máy tính và ngược lại

Các 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, NIC …

Trang 55

Môđun vào-ra

Chức năng: nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính

Mỗi môđun vào-ra có một hoặc một vài cổng vào-ra (I/O Port)

Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác định

Các thiết bị ngoại vi được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thông qua các cổng vào-ra (ví dụ: COM, USB, VGA,…)

Trang 56

II HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY TÍNH

a Thực hiện chương trình

 Là hoạt động cơ bản của máy tính Máy tính lặp đi lặp lại quá trình thực hiện lệnh gồm hai bước cơ bản:

Trang 57

Chu trình thực hiện lệnh

Minh họa quá trình nhận lệnh

PC IR

Trang 58

 CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi PC.

 Lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh IR (Instruction Register)

 Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp.

Trang 59

Quá trình thực hiện lệnh

Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao tác mà lệnh yêu cầu

Các kiểu thao tác của lệnh:

 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính

 Trao đổi dữ liệu giữa CPU và môđun vào-ra

 Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học hoặc phép toán logic với các dữ liệu

 Điều khiển rẽ nhánh

 Kết hợp các thao tác trên

Trang 60

Ví dụ thực hiện chương trình

Trang 61

b Ngắt (Interrupt)

Khái niệm: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là

chương trình con phục vụ ngắt.

Các loại ngắt:

 Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn

số, chia cho 0 …

 Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi bộ nhớ RAM

 Ngắt do môđun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu.

Trang 62

Hoạt động ngắt

Sau khi hoàn thành một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt

 Nếu không có ngắt bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của chương trình hiện tại.

 Nếu có tín hiệu ngắt:

Trang 63

Nếu có tín hiệu ngắt:

 Tạm dừng chương trình đang thực hiện

 Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt)

 Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt

 Thực hiện chương trình con phục vụ ngắt

 Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh và tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng.

Trang 64

Trang 65

Chu trình lệnh với ngắt

Trang 66

IV BUS HỆ THỐNG

Trang 67

Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin giữa các thành phần của máy tính với nhau.

Độ rộng bus: là số đường dây của bus có thể truyền các bit thông tin đồng thời

Phân loại BUS: theo chức năng ta chia bus ra làm 3 loại: BUS địa chỉ, BUS dữ liệu và BUS điều khiển

Trang 68

Bus địa chỉ

 Chức năng: dùng để vận chuyển địa chỉ từ CPU đến

các Module nhớ hay các Module vào ra, nhằm để xác định ngăn nhớ hay cổng vào ra nào cần truy xuất trao đổi thông tin

 Độ rộng bus địa chỉ: Cho biết khả năng quản lý cực đại

số các ngăn nhớ

 Nếu độ rộng bus địa chỉ là N bit (n đường):

AN-1, AN-2, A2, A1, A0

 dung lượng bộ nhớ cực đại là 2 N byte

(còn gọi là không gian địa chỉ bộ nhớ)

Trang 71

Bus điều khiển

 Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển

 Các loại tín hiệu điều khiển:

 Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển môđun nhớ và môđun vào-ra

 Các tín hiệu từ môđun nhớ hay môđun vào-ra gửi đến yêu cầu CPU.

Trang 72

Một số tín hiệu điều khiển

 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 lên 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 lên 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.

Trang 73

Các bus điển hình trong PC

 Bus của bộ xử lý (Front Side Bus - FSB): có tốc độ

nhanh nhất.

 Bus của bộ nhớ chính (nối ghép với các môđun RAM).

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

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

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

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

Trang 74

Pentium IV – Chipset Intel 925

Trang 75

Các bus điển hình trong PC

Trang 76

Thắc mắc

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	8,35 MB