Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 1: Mở đầu

Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 1: Mở đầu cung cấp cho học viên những kiến thức về khái niệm và phân loại máy tính, lịch sử phát triển của máy tính, luật Moore, kiến trúc và tổ chức, đánh giá hiệu năng,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Mục tiêu và thời lượng môn học

Nội dung

 Chương 1: Mở đầu

 Chương 2: Hệ thống máy tính

 Chương 3: Biểu diễn thông tin trong máy tính

 Chương 4: Bộ xử lý trung tâm

 Chương 5: Hệ thống nhớ

 Chương 6: Hệ thống vào ra

Yêu cầu và đánh giá môn học

 Yêu cầu đối với sinh viên:

 Dự lớp theo qui chế.

 Hoàn thành các bài tập được giao.

 Đánh giá môn học:

 Chuyên cần: 10%

 Đánh giá giữa kỳ: 30%

Thi cuối kỳ: 60%

Tài liệu tham khảo

1 Stallings, William Computer organization and

architecture: designing for performance 2010,

8th edition

2 Andrew S Tanenbaum Structured Computer

Organization 2013, 6th edition

3 Hennessy, John L., and David A

Patterson Computer architecture: a

quantitative approach 2012, 5th edition

Chương 1: Mở đầu

1.1 Khái niệm và phân loại máy tính

1.2 Lịch sử phát triển của máy tính

1.3 Luật Moore

1.1 Khái niệm và phân loại máy

tính

1 Khái niệm máy tính

 Máy tính (Computer) là một thiết bị được sử

dụng để thực hiện các phép biến đổi toán

học, thí dụ: bàn tính, máy tính bỏ túi, máy vi tính

 Ngày nay, khi nói đến máy tính chúng ra

ngầm hiểu là máy vi tính

1 Khái niệm máy tính

 Máy tính thực hiện các công việc sau:

 Nhận thông tin,

 Xử lý thông tin theo chương trình nhớ sẵn bên

trong,

 Đưa thông tin ra.

 Máy tính hoạt động theo chương trình

1 Khái niệm máy tính

 Máy tính bao gồm:

 Phần cứng (Hardware): gồm các đối tượng vật lý

hữu hình như vi mạch, bản mạch in, dây cáp nối, bộ nhớ, màn hình, …

 Phần mềm (Software): gồm các thuật giải và sự

thể hiện trên máy tính là các chương trình

 Chương trình: gồm một tập các lệnh (hay chỉ thị Instruction) nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện một công việc cụ thể

- Phần sụn (Firmware): Là phần mềm được nhúng

vào trong các mạch điện tử trong quá trình chế tạo các mạch điện tử này

2 Phân loại máy tính

 Thường phân loại theo tốc độ xử lý:

 Phân loại truyền thống:

 Siêu máy tính (Supercomputer)

 Máy tính lớn (Mainframe computer)

 Máy tính nhỏ (Minicomputer)

 Máy vi tính (Microcomputer)

Siêu máy tính (Supercomputer)

phẩy động (FLOPS – Floatting point

Operations Per Second) cực lớn

http://vi.wikipedia.org/wiki/Siêu_máy_tí nh

Máy tính lớn (Mainframe computer)

 Được thiết kế để giải các bài toán lớn với tốc

độ rất nhanh

 Sử dụng kỹ thuật xử lý song song với rất

nhiều bộ xử lý, có hệ thống vào-ra mạnh, bộ nhớ dung lượng lớn

 Thường được sử dụng để điều khiển các hệ thống thiết bị dùng trong quân sự, chương

Máy tính nhỏ (Minicomputer)

như tính năng của máy tính lớn

thuật, gia công dữ liệu qui mô nhỏ

Phân loại hiện đại

Máy tính cá nhân PC

 Là loại máy tính phổ biến nhất

 Các loại máy tính cá nhân:

 Máy tính để bàn (Desktop)

 Máy tính xách tay (Laptop)

Máy chủ (Server Computer)

 Thực chất là máy phục vụ

 Dùng trong mạng theo mô hình Client/Server

 Tốc độ và hiệu năng tính toán cao

 Dung lượng bộ nhớ lớn

 Độ tin cậy cao

Máy tính nhúng (Embedded Computer)

 Được đặt trong thiết bị khác để điều khiển thiết

Chương 1: Mở đầu

1.1 Khái niệm và phân loại máy tính

1.2 Lịch sử phát triển của máy tính

1.3 Luật Moore

1.4 Kiến trúc và tổ chức

1.5 Đánh giá hiệu năng

1.2 Lịch sử phát triển của máy tính điện tử

 Thế hệ thứ nhất : Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1945-1955)

 Thế hệ thứ hai : Máy tính dùng các linh kiện bán dẫn như transistor (1955-1965)

 Thế hệ thứ ba : Máy tính dùng vi mạch SSI,MSI (1965-1980)

 Thế hệ thứ tư (từ 1980 đến nay): Máy tính dùng vi mạch VLSI (Very Large Scale Integration), ULSI

1.2 Lịch sử phát triển của máy

tính điện tử

 Câu 1: Dựa vào yếu tố nào người ta phân

chia máy tính thành các thế hệ?

 Câu 2: Đặc trưng cơ bản của từng thế hệ

máy tính?

21

Thế hệ thứ nhất (1946-1957)

Máy tính ENIAC

 Máy tính điện tử đầu tiên

 Bắt đầu từ năm 1943, hoàn thành năm 1946,

sử dụng đến năm 1955 thì bị hỏng

 Electronic Numerical Integrator And

Computer (máy điện toán và tích hợp số

dạng điện tử)

 Dự án của Bộ Quốc phòng Mỹ

 Do John Mauchly và John Presper Eckert ở

Đại học Pennsylvania thiết kế

Máy tính ENIAC (tiếp)

các chuyển mạch và các cáp nối.

25Đèn điện tử chân không

Máy tính IAS

John von Neumann và máy tính IAS

Tổ chức máy tính Von Neumann

Main

memory

Arithmetic logic unit

Control unit

I/O Equipment

 Bộ nhớ chính (Main memory)

 Đơn vị số học và logic (ALU-Arithmetic logic unit)

 Đơn vị điều khiển Control unit )

(CU- Các thiết bị vào/ra (I/O

Các máy tính thương mại ra đời

 UNIVAC I (Universal Automatic Computer)

 1950s - UNIVAC II

 Nhanh hơn

 Bộ nhớ lớn hơn

UNIVAC

Hãng IBM

 IBM – International Business Machine

 1953 – IBM 701

 Máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên của IBM

 Sử dụng cho tính toán khoa học

 1955 – IBM 702

 Các ứng dụng thương mại

Thế hệ thứ ba (1965-1971)

 Máy tính dùng vi mạch cỡ SSI, MSI

 Vi mạch (Integrated Circuit – IC): nhiều transistor và các phần tử khác được tích hợp trên một đế bán dẫn

 Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt

đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ

VLSI (Very Large Scale Integration) 10 3  10 6

ULSI (Ultra Large Scale Integration) > 10 6

IBM 360

Micro VAX

Siêu máy tính CRAY-1

Hệ thống máy tính có thể di chuyển

Thế hệ thứ tư (từ 1972 - nay)

 Máy tính dùng vi mạch cỡ LSI,VLSI,ULSI

 Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU-central

processing unit 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

Chương 1: Mở đầu

1.1 Khái niệm và phân loại máy tính

1.2 Lịch sử phát triển của máy tính

1.3 Luật Moore

1.4 Kiến trúc và tổ chức

1.5 Đánh giá hiệu năng

1.3 Luật Moore

tăng gấp đôi sau 18 tháng”

Kết quả của luật Moore

 Kích thước các linh kiện nhỏ do đó máy tính

sẽ giảm kích thước

 Mật độ tích hợp cao hơn , do vậy đường dẫn ngắn hơn dẫn đến tăng tốc độ

 Chi phí cho máy tính sẽ giảm

 Điện năng tiêu thụ ít hơn

 Hệ thống có ít các chip liên kết với

nhau, do đó tăng độ tin cậy

Chương 1: Mở đầu

1.1 Khái niệm và phân loại máy tính

1.2 Lịch sử phát triển của máy tính

1.3 Luật Moore

Kiến trúc và tổ chức

 Đề cập đến những đặc tính của một hệ thống có thể nhìn thấy bởi người lập trình như: số lượng bit được sử dụng

để đại diện cho nhiều loại dữ liệu (ví dụ: số, ký tự), kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture), kỹ thuật định địa chỉ bộ nhớ và cơ chế Input/Output

 Đề cập đến các đơn vị hoạt động đó là các phần cứng và mối liên kết giữa chúng như tín hiệu điều khiển, giao

diện giữa máy tính và thiết bị ngoại vi và các công nghệ

bộ nhớ được sử dụng.

 Lưu ý: Một vài máy tính có cùng kiến trúc phần mềm nhưng phần tổ chức khác nhau

Các mô hình kiến trúc máy

tính

Chương 1: Mở đầu

1.1 Khái niệm và phân loại máy tính

1.2 Lịch sử phát triển của máy tính

1.3 Luật Moore

1.4 Kiến trúc và tổ chức

1.5 Đánh giá hiệu năng

1.5 Đánh giá hiệu năng

 Tốc độ của máy tính được quyết định bởi

những yếu tố nào?

1.5 Đánh giá hiệu năng

 Tốc độ của máy tính được quyết định bởi:

1.5 Đánh giá hiệu năng

 Tốc độ của bộ xử lý:

 Số lệnh được thực hiện trong 1 giây MIPS (Million

of Instructions per Second)

1.5 Đánh giá hiệu năng

dao động/s (Hz)

53

Xung nhịp

1.5 Đánh giá hiệu năng

 CPI là số chu kỳ trung bình cho mỗi lệnh của một

chương trình

 f là tần số xung nhip

Câu hỏi ôn tập

1 Trình tự xử lý thông tin của máy tính điện tử là

gì?

2 Hardware, software, firmware là gì?

3 Theo cách phân loại truyền thống có mấy loại

máy tính?

4 Theo cách phân loại hiện đại có mấy loại máy

tính?

55

Câu hỏi ôn tập

5 Dựa vào tiêu chuẩn nào người ta phân chia máy

tính thành các thế hệ? Đặc trưng cơ bản của từng thế hệ máy tính?

6 Luật Moore và những thành quả của nó?

7 Phân biệt thuật ngữ kiến trúc máy tính (computer

architecture) và tổ chức máy tính (computer

organization)

Câu hỏi ôn tập

9 Tìm hiểu các đặc tính cơ bản của các loại máy

tính sau: Microcontroller, Mobile and game

computers, Personal computer, Server,

Mainframe

 Ref Tanenbaum, A.S., Austin T Structured

computer organization Pearson, 2013, pp 39

31-57

Hết chương 1