Bài giảng Hệ thống máy tính: Chương 1 - Nguyễn Kim Khánh

Bài giảng Hệ thống máy tính: Chương 1 - Nguyễn Kim Khánh giới thiệu đến các bạn các kiến thức về sự phát triển của máy tính, định nghĩa kiến trúc máy tính, hiệu năng máy tính. Để nắm vững hơn nội dung kiến thức bài giảng mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.

8 September 2009

HỆ THỐNG MÁY TÍNH

Computer System

Nguyễn Kim Khánh, PhD in Computer Engineering

Bộ môn Kỹ thuật máy tính Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

8 September 2009

Contact

„ Offices: 322-C1 - DCE, SoICT

„ Mobile: 091-358-5533

„ e-mail:

NKK-HUT

Mục tiêu học phần

„ Giới thiệu các kiến thức cơ bản về hệ thống máy tính bao gồm: kiến trúc bộ nhớ, kiến trúc vào-ra, kiến trúc CPU và các kiến trúc máy tính song song, cũng như các vấn đề cơ bản trong thiết kế một hệ thống máy tính

„ Sinh viên có khả năng đánh giá được hiệu năng của các họ máy tính, khai thác và sử dụng hiệu quả các loại máy tính và có khả năng tiếp cận để phát triển các hệ máy tính nhúng phục vụ các mục đích chuyên dụng

NKK-HUT Tài liệu tham khảo chính

1 William Stallings - Computer Organization and

Architecture – Designing for Performance – 2003 (6 th edition)

2 Behrooz Parhami - Computer Architecture: From Microprocessors to Supercomputers -2005

3 David A Patterson & John L Hennessy -Computer Organization and Design : The Hardware/Software Interface – 2002 (third edition )

-Computer Architecture: A Quantitative Approach –

2003 (third edition)

8 September 2009

Tài liệu tham khảo

8 September 2009

Tài liệu tham khảo

NKK-HUT

Nội dung học phần

„ Chương 1 Giới thiệu chung

„ Chương 2 Kiến trúc bộ nhớ

„ Chương 3 Kiến trúc vào-ra

„ Chương 4 Kiến trúc bộ xử lý

„ Chương 5 Kiến trúc máy tính tiên tiến

NKK-HUT

Hệ thống máy tính

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG

Nguyễn Kim Khánh

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

8 September 2009

1.1 Sự phát triển của máy tính 1.2 Định nghĩa kiến trúc máy tính 1.3 Hiệu năng máy tính

Nội dung

8 September 2009

1.1 Sự phát triển của của máy tính

1 Các thế hệ máy tính

„ Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử

chân không (1950s)

„ Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor

(1960s)

„ Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI(1970s)

„ Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI

(1980s)

„ Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch ULSI, SoC (1990s đến nay)

NKK-HUT

„ Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên một chip

„ Vi mạch điều khiển tổng hợp(Chipset): một hoặc một vài vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép

„ Bộ nhớ bán dẫn(Semiconductor Memory):

ROM, RAM

„ Các bộ vi điều khiển(Microcontroller): máy tính chuyên dụng được chế tạo trên 1 chip

Các sản phẩm chính của công nghệ VLSI/ULSI

NKK-HUT Luật Moore

„ Gordon Moore – người đồng sáng lập Intel

„ Số transistors trên chip sẽ gấp đôi sau 18 tháng

„ Giá thành của chip hầu như không thay đổi

„ Mật độ cao hơn, do vậy đường dẫn ngắn hơn

„ Kích thước nhỏ hơn dẫn tới độ phức tạp tăng lên

„ Điện năng tiêu thụ ít hơn

„ Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó tăng độ tin cậy

8 September 2009

Tăng trưởng số transistor trong chip CPU

8 September 2009

2 Sự phát triển của bộ vi xử lý

„ 1971: bộ vi xử lý 4-bit Intel 4004

„ 1972-1977: các bộ xử lý 8-bit

„ 1978-1984: các bộ xử lý 16-bit

„ Khoảng từ 1985: các bộ xử lý 32-bit

„ Khoảng từ 2000: các bộ xử lý 64-bit

„ Các bộ xử lý đa lõi (multicores)

„ Các bộ vi điều khiển (microcontroller)

NKK-HUT

Sự phát triển của Intel x86

„ 4004

„ Bộ vi xử lý đầu tiên

„ 4-bit

„ 8080

„ Bộ vi xử lý đa năng đầu tiên

„ 8-bit

„ Sử dụng trong PC đầu tiên – Altair

„ 8086

„ 5MHz – 29,000 transistors

„ 16-bit

„ 8088 (bus dữ liệu bên ngoài 8-bit) sử dụng trong IBM PC đầu tiên

„ 80286

„ Đánh địa chỉ bộ nhớ được16 Mbyte

NKK-HUT

Sự phát triển của Intel x86

„ 80386

„ 32-bit

„ Hỗ trợ đa nhiệm

„ 80486

„ Tăng cường bộ nhớ cache trên chip

„ Đường ống lệnh

„ Có bộ đồng xử lý toán trên chip

„ Pentium

„ Siêu vô hướng

„ Bus dữ liệu 64-bit

„ Đa lệnh được thực hiện song song

„ Pentium Pro

„ Tăng cường tổ chức siêu vô hướng

„ Dự đoán rẽ nhánh

„ Phân tích luồng dữ liệu

„ Suy đoán đông

8 September 2009

Sự phát triển của Intel x86

„ Pentium II

„ Công nghệ MMX

„ Xử lý đồ họa, video & audio

„ Pentium III

„ Thêm các lệnh xử lý dấu phẩy động cho đồ họa 3D

„ Pentium 4

„ Tăng cường xử lý số dấu phẩy động và multimedia

„ Duo Core: 2 bộ xử lý trên chip

„ Core 2: Kiến trúc 64-bit

„ Core 2 Quad – 3GHz – 820 triệu transistors

„ 4 bộ xử lý trong 1chip

8 September 2009

1.2 Định nghĩa kiến trúc máy tính

„ Định nghĩa trước đây về kiến trúc máy tính:

„ Cách nhìn logic của máy tính từ người lập trình (hardware/software interface)

„ Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture – ISA)

„ Là định nghĩa hẹp

NKK-HUT

Định nghĩa của Hennessy/ Patterson

„ Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture):

nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập trình (hardware/software interface).

„ Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu thiết kế máy tính ở mức cao,chẳng hạn như hệ thống nhớ, cấu trúc bus, thiết kế bên trong CPU.

„ Phần cứng (Hardware): nghiên cứu thiết kế logic chi tiết và công nghệ đóng gói của máy tính.

phần cứng máy tính thay đổi rất nhanh

NKK-HUT

Tổ chức cơ bản của máy tính

control

arithmetic

memory

input

output

CPU

Processor Architecture MemoryArchitecture I/O Architecture

software

Instruction Set Architecture

8 September 2009

Kiến trúc bộ xử lý

Register

Program Counter（PC)

Instruction Reg（IR)

ALU Arithmetic Unit

Controller

Main Memory

Control Signal Status signal

CPU

Program Data

instruction cycle

• instruction fetch

• instruction decode

• operand fetch

• instruction execution

• write result

• update PC

8 September 2009

Kiến trúc bộ nhớ

• Phân cấp hệ thống nhớ

• Nguyên lý cục bộ hóa tham chiếu bộ nhớ

NKK-HUT

Kiến trúc vào-ra

M«-®un vµo-ra

M«-®un vµo-ra

Cæng vµo-ra

ThiÕt bÞ ngo¹i vi

ThiÕt bÞ ngo¹i vi

ThiÕt bÞ ngo¹i vi

nèi ghÐp víi CPU vµ

bé nhí chÝnh

Cæng vµo-ra

Cæng vµo-ra

bus

hÖ thèng

NKK-HUT Kiến trúc vào-ra

„ Chênh lệch tốc độ giữa thiết bị vào-ra với CPU và bộ nhớ

„ Các kỹ thuật thực hiện:

„ Ngắt: rút ngắn thời gian đợi đáp ứng từ thiết bị vào-ra

„ DMA: Phần cứng dành riêng để truyền dữ liệu giữa thiết bị vào-ra với bộ nhớ chính

8 September 2009

Kiến trúc máy tính và hệ điều hành user

application program OS

hardware processor memory I/O device

hardware resource management

multi programming support

•OS mode / user mode

•process dispatch

•memory protection

8 September 2009

1.3 Hiệu năng máy tính (performance)

Hiệu năng ＝

Thời gian thực hiện

1

Hiệu năng ＝

Thời gian thực hiện của CPU

1

= Số lệnh × (Số chu kỳ của một lệnh) × (Thời gian của một chu kỳ)

= Số lệnh × CPI / (Tần số xung nhịp)

NKK-HUT

CPI (Cycles Per Instruction) CPI là số chu kỳ cần thiết để thực hiện lệnh

Thời gian thực hiện ＝

Tần số xung nhịp

Số lệnh được thực hiện × CPI

CPI ＝

Số lệnh được thực hiện Thời gian thực hiện × Tần số xung nhịp

NKK-HUT

Số lệnh được thực hiện

MIPS (Million Instruction Per Second)

Số triệu lệnh được thực hiện trong 1 second

MIPS ＝

Thời gian thực hiện×106

8 September 2009

10 6 ・ CPI f

Quan hệ giữa MIPS và CPI

exec time of 1 inst.

Với CPI = 4

program execution time（T)

n inst executed

T＝n・CPI・

f

１

MIPS＝ n

T・10 6

MIPS＝

10 6 ・ MIPS

f CPI = exec time of 1 inst.

8 September 2009

Số phép toán số dấu phẩy động được thực hiện

MFLOPS million of floating point operations per second – triệu phép toán số dấu phẩy động trên 1s

MFLOPS ＝

Thời gian thực hiện×106

GFLOPS（10 9 ） TFLOPS（10 12 ）

NKK-HUT

Ví dụ 1

Tính MIPS của bộ xử lý với:

Tần số xung nhịp = 2GHz và CPI = 4

0.5ns

2ns

1 chu kỳ = 1/(2x10-9) = 0,5ns CPI = 4 Æ 1 lệnh = 4x0,5ns = 2ns Vậy bộ xử lý thực hiện được 500MIPS

NKK-HUT

Ví dụ 2 Tính CPI của bộ xử lý với:

Tần số xung nhịp = 1GHz và 400 MIPS

1ns

4x108 lệnh thực hiện trong 1s

Æ 1 lệnh thực hiện trong 1/(4x108)s = 2,5ns

Æ CPI = 2,5

8 September 2009

Hết chương 1