Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 2: Hệ thống máy tính

Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 2: Hệ thống máy tính cung cấp cho học viên những kiến thức về cấu trúc và chức năng của máy vi tính, liên kết hệ thống, các hoạt động cơ bản của máy tính,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MÁY TÍNH

Nội dung

2.1 Cấu trúc và chức năng của máy vi tính

2.2 Liên kết hệ thống

2.3 Các hoạt động cơ bản của máy tính

2.1 Cấu trúc và chức năng của máy

vi tính

 Cấu trúc (structure)

là cách thức mà các thành phần liên kết với nhau

 Chức năng (function) là sự vận

hành của từng thành phần của cấu trúc

Chức năng của máy vi tính

 Xử lý dữ liệu (Data processing)

 Lưu trữ dữ liệu (Data storage)

 Vận chuyển dữ liệu (Data movement)

 Điều khiển (Control)

Mô hình chức năng máy vi

tính

Data movements:

 input–output (I/O)

 data communications

Cấu trúc máy tính ở mức cao nhất

Computer

Main Memory

Input Output

System Interconnection

Central Processing Unit

Computer

Cấu trúc máy tính ở mức cao nhất

Bộ xử lý trung tâm (CPU)

 Chức năng:

 Điều khiển hoạt động của máy tính

 Xử lý dữ liệu

 Nguyên tắc hoạt động cơ bản:

 CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ

nhớ

 Các thành phần:

 Phần thi hành lệnh: ALU và các thanh ghi

Bộ nhớ chính

 Chức năng: Chứa các thông tin mà CPU

có thể trao đổi trực tiếp

 Dạng thông tin lưu trữ: Thông tin lưu

trữ là các lệnh và số liệu được mã hóa

thành số nhị phân

 Tổ chức của bộ nhớ: Gồm các ngăn

nhớ, mỗi ngăn nhớ chứa một số bit nhất định và được đánh địa chỉ

Hệ thống vào/ra (Input/Output System)

 Chức năng: trao đổi thông tin giữa máy tính

với người dùng hay giữa các máy tính trong hệ thống mạng

 Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)

 Các modul vào/ra (I/O Modules)

Nội dung

2.1 Cấu trúc và chức năng của máy vi tính

2.2 Liên kết hệ thống

2.3 Các hoạt động cơ bản của máy tính

1.2 Liên kết hệ thống

1 Kết nối thông tin trong máy tính:

Kết nối theo kiểu bus

 Tất cả các đầu vào ra của một bit thông tin của các module được kết nối chung vào một đường truyền

để vận chuyển thông tin giữa các

module của máy tính với nhau

 Số đường dây của bus có thể truyền

các bit thông tin đồng thời được gọi là

độ rộng bus (chỉ dùng cho bus địa chỉ

và bus dữ liệu)

Phân loại bus

 Theo tín hiệu truyền trên bus

 Bus địa chỉ (Address bus)

 Bus dữ liệu (Data bus)

 Bus điều khiển (Control bus)

 Theo nghi thức truyền thông

 Bus đồng bộ (Synchronous bus)

 Bus không đồng bộ (Asynchronous bus)

Phân loại theo tín hiệu truyền

trên bus

 Bus địa chỉ (Address bus)

 Bus dữ liệu (Data bus)

 Bus điều khiển (Control bus)

Bộ xử lý Pentium có bus địa chỉ 32 bit

 có khả năng đánh địa chỉ cho 232 bytes nhớ

(4 GBytes) (ngăn nhớ tổ chức theo byte)

Bus dữ liệu

 Chức năng:

 Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU

 Vận chuyển dữ liệu giữa CPU, module nhớ,

module vào/ra với nhau

 Độ rộng bus dữ liệu: Xác định số bit dữ liệu

có thể được trao đổi đồng thời

 M bit: DM-1, DM-2, D2, D1, D0

 M thường là: 8, 16, 32, 64, 128 bit

 CPU 32 bit: 80386/80486

 Bus dữ liệu: 32 bit

 Bus địa chỉ: 32 bit

Bus điều khiển

 Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều

khiển

 Các loại tín hiệu điều khiển:

 Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi

 Các tín hiệu điều khiển ngắt

 Các tín hiệu điều khiển bus

Một số tín hiệu điều khiển điển hình

 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

Một số tín hiệu điều khiển điển hình

 Các tín hiệu điều khiển ngắt:

 Interrupt Request (INTR): tín hiệu từ bộ điều

khiển vào/ra gửi đến yêu cầu ngắt CPU để trao đổi vào/ra, INTR là tín hiệu che được

 Non Maskable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt

không che được gửi đến CPU

 Interrupt Acknowledge (INTA): tín hiệu phát

ra từ CPU báo cho bộ điều khiển vào/ra biết CPU chấp nhận ngắt để trao đổi vào/ra

 Reset: tín hiệu từ bên ngoài gửi đến CPU và các

thành phần khác để khởi động lại máy tính

Một số tín hiệu điều khiển điển hình

 Các tín hiệu điều khiển bus:

 Bus Request (BRQ) hay là Hold: tín hiệu từ

modul điều khiển vào/ra gửi đến yêu cầu CPU chuyển nhượng quyền sử dụng bus

 Bus Grant (BGT) hay là Hold Acknowledge (HLDA): tín hiệu phát ra từ CPU chấp nhận quyền

sử dụng bus

 Lock: tín hiệu khóa không cho xin chuyển nhượng

bus

Phân loại bus theo nghi thức

truyền thông

 Bus đồng bộ:

 Bus có đường tín hiệu Clock

 Các sự kiện trên bus được định nhịp bởi xung nhịp Clock

 Mỗi một sự kiện xảy ra trong một số nguyên lần chu kỳ xung nhịp gọi là chu kỳ bus

 Bus không đồng bộ

 Không có đường tín hiệu Clock

2 Cấu trúc bus (bus structure)

 Cấu trúc đơn bus

 Cấu trúc đa bus

Cấu trúc đơn bus

Các vấn đề xảy ra với cấu trúc

đơn bus

 Khi có nhiều thiết bị cùng yêu cầu sử

dụng bus sẽ xảy ra:

 Độ trễ bus

 Tắc nghẽn bus

  Hầu hết các hệ thống sử dụng cấu

trúc đa bus

Cấu trúc đa bus

 Tổ chức thành nhiều bus trong hệ thống máy tính

Cấu trúc bus truyền thống

Cấu trúc bus hiệu năng cao

Hoạt động của bus hệ thống

 Mọi tác vụ trên bus xảy ra trong một số

nguyên lần chu kỳ xung nhịp và được gọi là chu kỳ bus

 4 chu kỳ bus cơ bản:

 Đọc bộ nhớ (memory Read)

 Ghi bộ nhớ (memory Write)

 Đọc I/O (I/O Read)

 Ghi I/O (I/O Write)

Các hoạt động trong một chu kỳ bus

 Bước 1: chiếm quyền sử dụng bus

 Bước 2: gửi địa chỉ qua bus địa chỉ, (gửi dữ liệu lên bus dữ liệu), và yêu cầu qua bus điều khiển

 Bước 3 : truyền dữ liệu từ địa chỉ đã

được định vị

Ví dụ thao tác CPU đọc 1 ô nhớ trong bộ nhớ

Chu kỳ Bus

3 Phân xử bus

 Một số khái niệm:

 Chủ bus (Bus Master): các thiết bị đòi hỏi truyền

thông tin trên bus

 Tớ bus (Bus Slave): các thiết bị thụ động chờ yêucầu từ các thiết bị khác

 Chỉ cho phép một module làm chủ bus ở một thời điểm

 Cần phải phân xử bus

 Phân xử bus có thể là:

 Phân xử tập trung

Phân xử không tập trung (phân xử phân tán)

a Phân xử bus tập trung

b Phân xử bus phân tán

 Không cần xử dụng một đơn vị riêng

làm trọng tài bus  giảm giá thành

phần cứng

 Mỗi module có thể chiếm bus

b Phân xử bus phân tán

Nội dung

2.1 Cấu trúc và chức năng của máy vi tính

2.2 Liên kết hệ thống

2.3 Các hoạt động cơ bản của máy tính

2.3 Hoạt động cơ bản của máy tính

 Thực hiện chương trình

 Hoạt động ngắt

 Hoạt động vào/ra

1 Thực hiện chương trình

 Là hoạt động cơ bản của máy tính

 Chu trình lệnh:

 Nhận lệnh (Fetch Instruction– FI)

 Thực hiện lệnh (Execute Instruction – EI)

 Thực hiện chương trình bị dừng

nếu thực hiện lệnh bị lỗi hoặc gặp

lệnh dừng.

Nhận lệnh

PC-Program Counter

IR-Instruction Register

Thực hiện lệnh

 CPU giải mã lệnh đã được nhận

 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 module vào/ra

 Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học

hoặc phép toán logic với các dữ liệu

 Điều khiển

Ví dụ về thực hiện chương

trình

2 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

 Nguyên nhân gây ngắt:

 Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi nguồn

 Ngắt do module vào/ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu

 Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho 0 …

Hoạt động ngắt

ngắt

theo của chương trình hiện tại

 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

 Chuyển sang 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.

Hoạt động ngắt (tiếp)

Chu trình thực hiện lệnh có ngắt

Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt

 Xử lý ngắt tuần tự:

 Các ngắt được thực hiện tuần tự

 Khi một ngắt đang được thực hiện, các ngắt khác

sẽ bị cấm

 Các ngắt khác vẫn đang đợi và được kiểm tra sau khi ngắt đầu tiên được xử lý xong

 Xử lý ngắt ưu tiên

 Các ngắt được định nghĩa mức ưu tiên khác nhau

 Ngắt có mức ưu tiên thấp hơn có thể bị ngắt bởi ngắt ưu tiên cao hơn

Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt

3 Hoạt động vào/ ra

 Hoạt động vào/ra: là hoạt động trao đổi dữ liệu giữa module vào/ra với bên

trong máy tính

 Các kiểu hoạt động vào-ra:

 Module vào/ra trao đổi dữ liệu với CPU

 Module vào/ra trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ chính (DMA- Direct Memory Access)

Hết chương 2