CHƯƠNG 1 COMPUTER - Nguyễn Văn Thọ docx

ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHƯƠNG COMPUTER Nguyễn Văn Thọ Khoa Điện tử viễn thông Đại học Duy Tân – 2010 Nguyen Van Tho – Duy Tan University What is a Computer? Nguyen Van Tho – Duy Tan University 1987 vs 2007 System IBM PC/AT Nokia 6682 Smartphone Year 1987 2007 Cost Form factor $2000 ½ desktop $150 Pocket CPU 12 MHz 80286 220 MHz ARM Memory 512 KB MB Storage 20MB Hard disk, 1.2MB Floppy 1GB mini-SD flash Display 80x25 monochrome text keyboard 176x208 pixel color Camera, phone, web Peripherals Nguyen Van Tho – Duy Tan University Kỹ nghệ(Engineering)là ? • Ứng dụng khoa học phương pháp toán học để tạo sản phẩm hệ thống có ích cho xã hội • Ngành khoa học ứng dụng • Đơi khi, khoa học phạm vi nghiên cứu Nguyen Van Tho – Duy Tan University EE, CE & CS EE, CE & CS quan hệ với khắn khít Electrical Engineering Hardware Computer Engineering Computer Science Software Hardware & Software EE : Kỹ nghệ điện tử : phần cứng CS : Khoa học máy tính: phần mềm) CE : Kỹ nghệ máy tính : phần cứng & phần mềm Nguyen Van Tho – Duy Tan University EE, CE and CS Nguyen Van Tho – Duy Tan University HARDWARE VS SOFTWARE • Quan điểm • Kỹ sư phần mềm khơng hiểu biết phần cứng • Kỹ sư phần cứng khơng hiểu biết phần mềm • Điều khơng xác ! Phần cứng phần mềm phần hệ thống máy tính Hệ thống hoạt động tốt người thiết kế am hiểu lĩnh vực • Kỹ sư phần cứng phải hiểu rõ chương trình trình biên dịch để thiết kế vi xử lý hoạt động tối ưu • Kỹ sư phần mềm phải nắm rõ khả hạn chế phần cứng để thiết kế phần mềm hiệu Nguyen Van Tho – Duy Tan University DIGITAL VS ANALOG • Cassetse vs CD’s • Điện thoại quay số vs Cell phone • NTSC vs HDTV Nguyen Van Tho – Duy Tan University DIGITAL VS ANALOG • Analog • Tín hiệu liên tục mặt thời gian • Hầu hết tín hiệu giới thực analog • Digital • Tín hiệu rời rạc mặt thời gian • Tín hiệu lưu trữ máy tính digital, nhị phân x[n] x(t) … … t n Analog Signal Digital Signal t , x(t ) ∈ ℜ n, x[n] ∈ Ζ Nguyen Van Tho – Duy Tan University CÁC LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU • • • • • Mạch tương tự mạch số Truyền thơng Xử lý tín hiệu xử lý ảnh Hệ thống nhúng Thiết kế phần cứng Nguyen Van Tho – Duy Tan University Analog and Digital Circuits Mạch tương tự mạch số • Thiết kế kiểm tra mạch điện tử • Chuyển đổi tương tự -số • Phần mềm vẽ mô mạch sử dụng thiết kế mạch • Các thành phần điện tử Nguyen Van Tho – Duy Tan University Communications Truyền thông • Telephones, Cell phones • Kênh truyền thông (dây dẫn, sóng điện từ), khác phương pháp truyền thơng, tối ưu hóa kênh truyền • Sự truyền dẫn vật lý thơng tin, mã hố giải mã thơng tin, mã sửa lỗi… • Chuyển mạch Nguyen Van Tho – Duy Tan University Signal and Image Processing Xử lý tín hiệu xử lý ảnh • Tiếng nói (Voice), video, biomedical signals • Xử lý tín hiệu truyền thơng, nén thơng tin, dị tìm tín hiệu • Chuyển đổi tiếng nói sang tín hiệu số • Photos – to GIFs/JPEGs • Điện tim • CDs & DVDs Nguyen Van Tho – Duy Tan University Embedded Systems Hệ thống nhúng • Vi xử lý & vi điều khiển nhúng • Lập trình cho hệ thống nhúng • Thiết kế máy tính nhúng • Thiết kế hệ thống điều khiển tự động • Giao diện Nguyen Van Tho – Duy Tan University Design Hardware Thiết kế phần cứng • • • • Mạch số Ngơn ngữ mơ tả phần cứng Thiết kế, chế tạo chip Kiểm tra mạch số (testing) Nguyen Van Tho – Duy Tan University LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY TÍNH • • • • • • • Thế hệ -1: The early days (…-1642) Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Thế hệ 5: ? Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ -1: The early days (…-1642) • Bàn tính, abacus, sử dụng để tính tốn Khái niệm giá trị theo vị trí xử dụng Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ -1: The early days (…-1642) • Codex Madrid - Leonardo Da Vinci (1500) • Vẽ máy tính khí Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Blaise Pascal, trai người thu thuế, chế tạo máy cộng có nhớ vào năm 1642 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Năm 1801, Joseph-Marie Jacquard phát minh máy dệt tự động sử dụng bìa đục lỗ để điều khiển hoạ tiết dệt vải • Bìa đục lỗ lưu trữ chương trình: máy đa Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Babbage thiết kế máy vi phân Difference Engine để thay tồn bảng tính: máy thực ứng dụng cụ thể (application specific hard-coded machine) Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Ada Augusta King, trở thành lập trình viên vào năm 1842 viết chương trình cho Analytical Engine, thiết bị thứ Babbage Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Konrad Zuse, Berlin, Đức, phát triển vào năm 1935 máy tính Z-1 sử dụng rơ le số nhị phân • Chu kỳ lệnh: giây (0.17 Hz) Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Máy tính điện tự động lớn đa máy Harvard Mark I ( IBM Automatic Sequence Control Calculator ), phát minh Howard Aiken vào cuối 1930 • ASCC khơng phải máy tính có chương trình lưu trữ sằn mà lệnh ghi vào băng giấy Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • 18000 vacuum tubes, 1500 rơ le, 30 tấn, 140 kW, 20 ghi 10 chữ số thập phân, 100 nghìn phép tính/ giây • “Trong tương lai máy tính nặng tối đa 1.5 tấn” (Popular Mechanics, 1949) Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Lập trình thơng qua 6000 cơng tắc nhiều nấc hàng dây Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Năm 1946, John von Neumann phát minh máy tính có chương trình lưu nhớ • Máy tính ông gồm có đơn vị điều khiển, ALU, nhớ chương trình liệu sử dụng số nhị phân thay số thập phân • Máy tính ngày có cấu trúc von Neumann • ơng đặt móng cho tượng “von Neumann bottleneck”, khơng tương thích tốc độ nhớ với đơn vị xử lý Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Năm 1948, máy tính có chương trình lưu trữ nhớ vận hành trường đại học Manchester: Manchester Mark I Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Năm 1951, máy tính Whirlwind lần sử dụng nhớ lõi từ (magnetic core memories) Gần nguyên lý sử dụng lại để chế tạo MRAM dạng tích hợp Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • John von Neumann năm 1952 với máy tính ơng Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) • Năm 1947, William Shockley, John Bardeen, and Walter Brattain phát minh transistor Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) • Năm 1955, IBM cơng bố IBM704, máy tính mainframe sử dụng tranzistor • Đây máy tính với phép toán dấu phấy động (5 kFlops, clock: 300 kHz) Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • Năm 1958, Jack St Clair Kilby of Texas Instruments (Nobel prize physics, 2000) đưa chứng minh ý tưởng tích hợp transistor với điện trở tụ điện chip bán dẫn với kích thước nửa kẹp giấy Đây IC Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • 7/4/1964 IBM đưa System/360, họ máy tính tương thích IBM Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • Năm 1965, Digital Equipment Corporation, đưa máy tính mini DP-8 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • Năm 1971, Ted Hoff chế tạo Intel 4004 theo đơn đặt hàng công ty Nhật để tạo chip sản xuất calculator Đây vi xử lý với 2400 transistor (microprocessor, processoron-a-chip) • bít liệu, 12 bit địa Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • 1973-1974, Edward Roberts, William Yates and Jim Bybee chế tạo MITS Altair 8800, máy tính cá nhân • Giá $375, 256 bytes of memory, khơng keyboard, khơng hình khơng nhớ ngồi • Sau đó, Bill Gate Paul Allen viết chương trình dịch BASIC cho Altair Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 4: VLSI (1980-?) • Năm 1981, IBM bắt đầu với IBM "PC" sử dụng hệ điều hành DOS Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Nguồn Intel Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Nguồn Intel Nguyen Van Tho – Duy Tan University SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH Luật Moore : Cứ sau 18 tháng số lượng transistor tích hợp xử lý tăng lên gấp đôi Hệ : Tốc độ xử lý máy tính tăng gấp đơi sau 18 tháng 1-41 Nguyen Van Tho – Duy Tan University MÁY TÍNH TRONG TƯƠNG LAI ? Giới hạn máy tính quy ước (máy tính nay) - Cơng nghệ bán dẫn vi điện tử tiến dần đến giới hạn vật lý (cỡ 10nm) -Dự kiến thời đại Silic kéo dài đến năm 2020 Máy tính thời kỳ “hậu Silic” - Máy tính lượng tử (quantum computer) - Máy tính sinh học (AND computer) 1-42 Nguyen Van Tho – Duy Tan University MỘT SỐ DỰ BÁO SAI LẦM “I think there is a world market for maybe five computers,” [Thomas Watson, IBM Chairman, 1943] Tôi nghĩ tương lai giới có khoảng máy tính “640K ought to be enough for anybody,” [Bill Gates, Microsoft Chairman, 1981] 640KB đủ cho người 1-43 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Universal Computing Device THIẾT BỊ TÍNH TỐN VẠN NĂNG Tất máy tính, có đủ thời gian nhớ tính tốn xác = PDA = Workstation Máy tính trạm Supercomputer Siêu máy tính 1-44 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Alan Turing & Turing Machine Alan Mathison Turing (1912-1954) • Nhà toán học, logic học mật mã học người Anh • Được xem cha đẻ ngành khoa học máy tính • Cơng thức hóa khái niệm thuật tốn tính tốn với máy Turing Turing Machine (Máy Turing) • Mọi điều tính tốn tính tốn máy Turing • Máy Turing khơng phải máy tính thực, mơ hình tốn học 1-45 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Turing Machine (Máy Turing) Mơ hình thiết bị tính tốn biểu diễn tất phép tính tốn – Alan Turing (1937) • Có thể đọc/ ghi ký hiệu băng nhớ “vơ hạn” • Chuyển trạng thái, dựa trạng thái hành ký hiệu băng nhớ Tất phép tính tốn thực máy Turing (Turing’s thesis) a,b Tadd Turing machine that adds a+b a,b Tmul ab Turing machine that multiplies 1-46 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Máy Turing vạn -Universal Turing Machine Turing mơ tả máy Turing có khả cài đặt để thực tất máy Turing khác • inputs: số liệu, mơ tả phép tính (Turing machine) Tadd, Tmul a,b,c U c(a+b) Universal Turing Machine U thiết bị khả trình – máy tính • thị phần liệu đầu vào • computer xem Universal Turing Machine, ngược lại Kết luận : Máy tính máy Turing vạn 1-47 Nguyen Van Tho – Duy Tan University TỪ LÝ THUYẾT ĐẾN THỰC TIỄN Lý thuyết : máy tính giải tốn tính có đủ nhớ thời gian Thực tế : giải toán dựa máy tính bị ràng buộc với yếu tố sau : • Thời gian dự báo thời tiết, audio, video, • Giá thành cell phone, automotive engine controller, • Năng lượng cell phone, handheld video game, 1-48 Nguyen Van Tho – Duy Tan University CÁC LOẠI MÁY TÍNH Đa dụng : General purpose (universal machines): servers, desktops, laptops, PDAs, Đặc biệt (Special purpose ): máy đếm tiền, ATMs, máy chơi game, tổng đài Nhúng (Embedded): xe hơi, cửa tự động, printers, VCRs, dây chuyền công nghiệp, thiết bị y tế… 1-49 ... • Thế hệ -1 : The early days (… -1 6 42) Thế hệ 0: Mechanical (16 42 -1 9 45) Thế hệ 1: Vacuum tubes (19 45 -1 9 55) Thế hệ 2: Discrete transistors (19 55 -1 9 65) Thế hệ 3: Integrated circuits (19 65 -1 9 80) Thế... University Thế hệ 1: Vacuum tubes (19 45 -1 9 55) • 18 000 vacuum tubes, 15 00 rơ le, 30 tấn, 14 0 kW, 20 ghi 10 chữ số thập phân, 10 0 nghìn phép tính/ giây • “Trong tương lai máy tính nặng tối đa 1. 5 tấn” (Popular... Tan University Thế hệ -1 : The early days (… -1 6 42) • Codex Madrid - Leonardo Da Vinci (15 00) • Vẽ máy tính khí Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (16 42 -1 9 45) • Blaise Pascal,