Bài tập lớn Kiến trúc máy tính MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ II DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU II MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 2 1 1 Chức năng 2 1 2 Cấu trúc 3 CHƯƠNG 2 RAM 8 2 1 Hoạt động củ[.]
Bài tập lớn Kiến trúc máy tính MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ II DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU II MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 1.1 Chức 1.2 Cấu trúc CHƯƠNG RAM 2.1 Hoạt động nhớ 2.2 RAM .10 2.2.1 Cấu trúc DRAM SRAM 10 2.3 Tổ chức nhớ 15 Tổ chức nhớ SRAM 16 Tổ chức nhớ DRAM .16 Tổ chức DRAM nâng cao .17 SDRAM 17 DDR SDRAM 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 Nguyễn Thái Châu (2121050525) I Lớp DCCTCLC66A1 Bài tập lớn Kiến trúc máy tính DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Máy tính: Cấu trúc cấp cao Hình 1-2 Các yếu tố máy tính đa lõi .5 Hình 1-3 Bộ xử lý zEnterprise EC12 (PU) Sơ đồ chip Hình 1-4 zEnterprise EC12 Bố cục cốt lõi Hình 2-1 Hoạt động nhớ .8 Hình 2-2 Phần tử nhớ DRAM bit 11 Hình 2-3 Phần tử nhớ DRAM bit 13 Hình 2-4 Đặc tính giá thành SRAM DRAM 14 Hình 2-5 Giao tiếp xử lý nhớ .15 Hình 2-6 Tổ chức nhớ SRAM 16 Hình 2-7 Tổ chức nhớ DRAM 16 Hình 2-8 RAM động đồng 256Mb .17 Hình 2-9 Thời gian đọc SDRAM (Độ dài liên tục = 4, độ trễ = 2) 19 Hình 2-10 hệ DDR 20 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Các loại nhớ bán dẫn Bảng 2-2 Giải thích thuật ngữ RAM động đồng (Hình 2-8) 18 Bảng 2-3 Đặc điểm DDR 20 Nguyễn Thái Châu (2121050525) II Lớp DCCTCLC66A1 Bài tập lớn Kiến trúc máy tính Nguyễn Thái Châu (2121050525) III Lớp DCCTCLC66A1 Bài tập lớn Kiến trúc máy tính MỞ ĐẦU Kiến trúc máy tính đề cập đến thuộc tính hệ thống mà lập trình viên nhìn thấy hay nói cách khác thuộc tính có tác động trực tiếp đến việc thực thi logic chương trình Một thuật ngữ thường sử dụng thay cho kiến trúc máy tính kiến trúc tập lệnh (ISA) ISA xác định định dạng hướng dẫn, mã lệnh, ghi, lệnh nhớ liệu; ảnh hưởng lệnh thực thi ghi nhớ; thuật toán để kiểm soát việc thực thi lệnh Tổ chức máy tính đề cập đến đơn vị hoạt động kết nối chúng để thực đặc điểm kiến trúc Ví dụ thuộc tính kiến trúc bao gồm tập lệnh, số lượng bit sử dụng để biểu diễn kiểu liệu khác (ví dụ: số, ký tự), chế I / O kỹ thuật định địa nhớ Các thuộc tính tổ chức bao gồm chi tiết phần cứng suốt người lập trình, chẳng hạn tín hiệu điều khiển; giao diện máy tính thiết bị ngoại vi; cơng nghệ nhớ sử dụng Trong lịch sử, ngày nay, khác biệt kiến trúc tổ chức điều quan trọng Nhiều nhà sản xuất máy tính cung cấp nhóm mơ hình máy tính, tất có kiến trúc có khác biệt tổ chức Do đó, mơ hình khác gia đình có giá đặc điểm hiệu suất khác Hơn nữa, kiến trúc cụ thể kéo dài nhiều năm bao gồm số mơ hình máy tính khác nhau, tổ chức thay đổi theo cơng nghệ thay đổi Một ví dụ bật hai tượng kiến trúc Hệ thống IBM / 370 Kiến trúc giới thiệu lần vào năm 1970 bao gồm số mơ hình Khách hàng có yêu cầu khiêm tốn mua mơ hình rẻ hơn, chậm và, nhu cầu tăng lên, sau nâng cấp lên mơ hình đắt hơn, nhanh mà không cần phải từ bỏ phần mềm phát triển Trong năm qua, IBM giới thiệu nhiều mơ hình với cơng nghệ cải tiến để thay mơ hình cũ hơn, mang đến cho khách hàng tốc độ cao hơn, chi phí thấp hai Các mơ hình giữ nguyên kiến trúc để khoản đầu tư vào phần mềm khách hàng bảo vệ Đáng ý, kiến trúc System / 370, với vài cải tiến, tồn ngày kiến trúc dòng sản phẩm máy tính lớn IBM Bài tập lớn Kiến trúc máy tính CHƯƠNG TỔNG QUAN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Máy tính hệ thống phức tạp; máy tính đương đại chứa hàng triệu linh kiện điện tử Điều quan trọng nhận chất phân cấp hầu hết hệ thống phức tạp, bao gồm máy tính [SIMO96] Hệ thống phân cấp tập hợp hệ thống có liên quan với nhau, hệ thống sau phân cấp theo cấu trúc đạt đến mức thấp hệ thống [ CITATION NXB09 \l 1033 ] Bản chất phân cấp hệ thống phức tạp điều cần thiết cho thiết kế mô tả chúng Người thiết kế cần xử lý mức cụ thể hệ thống thời điểm Ở cấp độ, hệ thống bao gồm tập hợp thành phần mối quan hệ chúng với Hành vi cấp phụ thuộc vào đặc tính đơn giản hóa, trừu tượng hóa hệ thống cấp thấp Ở cấp độ, người thiết kế quan tâm đến cấu trúc chức 1.1 Chức Về chất, cấu trúc hoạt động máy tính đơn giản Nói chung, có bốn chức mà máy tính thực hiện: Xử lý liệu: Dữ liệu có nhiều dạng khác phạm vi yêu cầu xử lý rộng Tuy nhiên, thấy có số phương pháp kiểu xử lý liệu Lưu trữ liệu: Ngay máy tính xử lý liệu bay (tức liệu đến xử lý, kết xuất lập tức), máy tính phải tạm thời lưu trữ liệu phần liệu xử lý thời điểm Như vậy, có chức lưu trữ liệu ngắn hạn Một điều quan trọng không kém, máy tính thực chức lưu trữ liệu lâu dài Các tập tin liệu lưu trữ máy tính để phục vụ cho việc truy xuất cập nhật sau Di chuyển liệu: Môi trường hoạt động máy tính bao gồm thiết bị đóng vai trị nguồn đích liệu Khi liệu nhận gửi đến thiết bị kết nối trực tiếp với máy tính, trình gọi đầu vào - đầu (I / O) thiết bị coi thiết bị ngoại vi Khi liệu di chuyển khoảng cách xa hơn, đến từ thiết bị từ xa, q trình gọi truyền thơng liệu Bài tập lớn Kiến trúc máy tính Điều khiển: Trong máy tính, điều khiển quản lý tài nguyên máy tính điều phối hoạt động phận chức theo hướng dẫn 1.2 Cấu trúc MÁY TÍNH MỘT BỘ XỬ LÝ ĐƠN GIẢN Hình 1-1 Máy tính: Cấu trúc cấp cao Hình 1-1 cung cấp nhìn phân cấp cấu trúc bên máy tính xử lý đơn truyền thống Có bốn thành phần cấu trúc chính: Khối xử lý trung tâm (CPU): Điều khiển hoạt động máy tính thực chức xử lý liệu nó; thường gọi đơn giản xử lý Bộ nhớ chính: Lưu trữ liệu I/O: Di chuyển liệu máy tính mơi trường bên ngồi Bài tập lớn Kiến trúc máy tính Kết nối hệ thống: Một số chế cung cấp giao tiếp CPU, nhớ I / O Một ví dụ phổ biến kết nối hệ thống bus hệ thống, bao gồm số dây dẫn mà tất thành phần khác gắn vào Khối điều khiển: Điều khiển hoạt động CPU máy tính Đơn vị số học logic (ALU): Thực chức xử lý liệu máy tính Thanh ghi: Cung cấp nhớ cho CPU Kết nối CPU: Một số chế cung cấp giao tiếp đơn vị điều khiển, ALU ghi CẤU TRÚC MÁY TÍNH ĐA LÕI Đơn vị xử lý trung tâm (CPU): Phần máy tính tìm nạp thực thi lệnh Nó bao gồm ALU, đơn vị điều khiển ghi Một hệ thống với đơn vị xử lý thường gọi đơn giản xử lý Core: Một đơn vị xử lý riêng lẻ chip xử lý Một lõi có chức tương đương với CPU hệ thống CPU Các đơn vị xử lý chuyên biệt khác, chẳng hạn đơn vị tối ưu hóa cho hoạt động vectơ ma trận, gọi lõi Bộ xử lý: Một miếng silicon vật lý chứa nhiều lõi Bộ xử lý thành phần máy tính thơng dịch thực lệnh Nếu xử lý chứa nhiều lõi, gọi xử lý đa lõi Bài tập lớn Kiến trúc máy tính Dữ liệu (Data in): Là ta muốn ghi vào ô nhớ trạng thái mức cao hay mức thấp, Mức hay mức Chọn (Select): Ta có mảng nhớ (Memory array) chứa nhiều cell Để truy cập vào cell này, ta phải có đường liệu chọn (select) để chọn vùng nhớ đó, nhớ để bắt đầu thao tác ghi liệu Điều khiển (Control): Điều khiển hoạt động đọc ghi Write Memory Type Category Erasure Volatility Mechanism Random-access Read-write Electrically, memory (RAM) memory byte-level Electrically Volatile Read-only Masks memory (ROM) Read-only Not possible memory Programmable ROM (PROM) Erasable PROM UV light, chip- (EPROM) level Nonvolatile Electrically Electrically Read-mostly Electrically, memory byte-level Erasable PROM (EEPROM) Electrically, Flash memory block-level Bảng 2-1 Các loại nhớ bán dẫn Bảng 2.1 Liệt kê loại nhớ bán dẫn Phổ biến gọi nhớ truy xuất ngẫu nhiên (Random-access memory) hay gọi RAM Và số nhớ đọc để lưu chương trình (read-only memory) hay cịn gọi ROM Điểm giống khác biệt RAM phần lại là: RAM nhớ có khả vừa ghi vừa đọc (Read-write memory) khác với phần lại nhớ đọc (Read-only memory) nhớ chủ yếu đọc (Read-mostly memory) Erasure (Dọn dẹp): RAM xố nội dung nhớ (Electrically, byte-level) Cơ chế RAM ghi điện Bài tập lớn Kiến trúc máy tính Đặc tính bay (Volatility): liệu ghi nhớ bị đi, khơng cịn lưu trữ nguồn cung cấp cho nhớ bị ngắt quãng Trái ngược với nhớ RAM, nhớ ROM lưu trữ liệu kể nguồn cung cấp khơng cịn (Nonvolatile) Và điểm chung RAM phần cịn lại: nhớ bán dẫn, có chức lưu trữ liệu lệnh 2.2 RAM Công nghệ RAM chia thành hai công nghệ: RAM động (Dynamic RAM) hay gọi DRAM RAM tĩnh (Static RAM) hay gọi SRAM 2.2.1 Cấu trúc DRAM SRAM Cấu trúc RAM động (DRAM-Dynamic RAM) Yếu tố lưu trữ liệu chế dùng tụ điện để lưu trữ trạng thái nạp Nếu trạng thái tụ điện mà nạp liệu mức Cịn tụ điện DRAM ko nạp (rỗng) mức Sự diện khơng có điện tích tụ điện hiểu hệ nhị phân Vì điện tích tụ điện bị rị, phải có chế để trì thơng tin nạp tụ điện Thì chế charge refreshing tụ điện (capacitors) Thuật ngữ động lực học (Dynamic) đề cập đến xu hướng điện tích lưu trữ bị rị rỉ ngồi, nguồn điện cấp liên tục Bài tập lớn Kiến trúc máy tính Hình 2-6 Phần tử nhớ DRAM bit Hình 2-2 cấu trúc DRAM điển hình cho riêng lẻ lưu trữ bit Bộ nhớ DRAM tổ chức thành ma trận nhớ (thường ma trận vuông), đường địa (Adress line) dây hàng ma trận, đường bit (Bit Line) dây cột Phần tử nhớ đặt giao điểm dây hàng cột Phần tử nhớ đặt giao điểm dây hàng cột Transistor hoạt động khoá điện tử Transistor có cực cực cổng G (Gate) nằm phía phía đường địa (Adress line), cực máng D (Drain) nằm phía đường Bit (Bit line) cực nguồn S (Source) nằm phía tụ điện Trong cực G (Gate) cực điều khiển, D nối với S G có mức điện áp cao (1) so với S, ngược lại điện trở D S lớn Việc ghi (Write) Khi đường địa có mức tích cực (1), T trạng thái mở, nối tụ điện C với đường bit bit Nếu thao tác ghi giá trị cần phải đặt đường bit Nếu giá trị tụ C nạp tới điện áp ứng với giá trị đường bit, cịn giá trị tụ C bị phóng hết điện tích, tức có giá trị Việc đọc (Read) Việc đọc phức tạp ghi chút tụ điện tích tụ C ứng với giá trị cần đọc nhỏ Trước đặt đường địa lên mức tích cực, cần phải đặt lên Bài tập lớn Kiến trúc máy tính đường bit điện áp 1/2 mức chênh lệch điện áp ứng với mức điện áp ứng với mức Điện áp tụ làm cho điện áp đường bit thay đổi chút theo chiều hướng tăng giảm, tuỳ thuộc vào việc nhớ giá trị (high) hay (low) Sự thay đổi nhỏ điện áp đường bit truyền tới đầu vào khuếch đại nhạy, đầu ta nhận điện áp ứng với giá trị bit chứa tụ C Làm tươi (Refresh) Vì tụ điện có điện trở rị transistor T mắc nối tiếp với dù trạng thái cấm có điện trở định, nạp, điện tích tụ C liên tục bị phóng, sau khoảng thời gian định làm thông tin thông tin mà C chứa Chính cần phải nạp điện lại cho tụ C trước điện áp tụ giảm thấp ngưỡng đó, việc gọi “làm tươi” (refresh) Để làm tươi ô nhớ DRAM, cần phải đọc nội dung viết trở lại Việc làm tươi phải tiến hành đặn theo chu kỳ định, gọi chu kỳ làm tươi; Tên gọi RAM động (Dynamic RAM) xuất phát từ hoạt động Cấu trúc RAM tĩnh (SRAM-Static RAM) Ngược lại, RAM tĩnh (SRAM) thiết bị kỹ thuật số sử dụng phần tử logic sử dụng xử lý Trong SRAM, giá trị nhị phân lưu trữ cách sử dụng cấu hình cổng logic flip-flop truyền thống RAM tĩnh giữ liệu miễn nguồn cung cấp cho Khi phần tử nhớ thiết lập giá trị nhớ thiết lập cho giá trị Vì người ta gọi phần tử nhớ RAM tĩnh (Static Random Access Memory) Bộ nhớ xây dựng từ phần tử bit gọi nhớ RAM tĩnh Bài tập lớn Kiến trúc máy tính Hình 2-7 Phần tử nhớ DRAM bit Hình 2-3 thể cấu trúc bit nhớ SRAM, sử dụng Transistor kí hiệu từ T1 đến T6 Trong có Transistor NPN T1 đến T4 Transistor PNP T5 T6 hoạt động công tắc điện tử để kết nối đường Bit line đường C1 đường Bit line đường C2 Ở trạng thái logic 1, điểm C1 cao (1) điểm C2 thấp (0); trạng thái này, T1 T4 tắt T2 T3 bật.1 Ở trạng thái logic 0, điểm C1 mức thấp (0) điểm C2 mức cao (1); trạng thái này, T1 T4 bật T2 T3 tắt Cả hai trạng thái ổn định miễn đặt điện áp dòng điện chiều (một chiều) Không giống DRAM, không cần làm để giữ lại liệu Như DRAM, dòng địa SRAM sử dụng để mở đóng cơng tắc Dịng địa điều khiển hai bóng bán dẫn (T5 T6) Khi tín hiệu áp dụng cho đường này, hai bóng bán dẫn bật, cho phép hoạt động đọc ghi Đối với hoạt động ghi, giá trị bit mong muốn áp dụng cho dòng B, phần bù áp dụng cho dịng B Điều buộc bốn bóng bán dẫn (T1, T2, T3, T4) trạng thái thích hợp Đối với thao tác đọc, giá trị bit đọc từ dòng B