Bài giảng hệ thống máy tính (computer systems) chương 1 nguyễn kim khánh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hanoi University of Science and Technology HỆ THỐNG MÁY TÍNH Computer Systems Nguyễn Kim Khánh Bộ mơn Kỹ thuật máy tính Viện Cơng nghệ thông tin Truyền thông Department of Computer Engineering (DCE) School of Information and Communication Technology (SoICT) Version: CS-HEDSPI2019 NKK-HUST Contact Information n n n CS-HEDSPI2019 Address: 502-B1 Mobile: 091-358-5533 e-mail: khanhnk@soict.hust.edu.vn khanh.nguyenkim@hust.edu.vn Computer Systems NKK-HUST Mục tiêu n Hai học phần liên thông: n n n n Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) Hệ thống máy tính (Computer Systems) Sinh viên trang bị kiến thức kiến trúc tập lệnh tổ chức máy tính Sau học xong hai học phần, sinh viên có khả năng: n n n n n CS-HEDSPI2019 Tìm hiểu kiến trúc tập lệnh xử lý cụ thể Lập trình hợp ngữ Đánh giá hiệu máy tính Khai thác quản trị hiệu hệ thống máy tính Phân tích thiết kế thành phần máy tính Computer Systems NKK-HUST Mục tiêu học phần n n Kiến trúc máy tính n Kiến trúc tập lênh n Chương trình nguồn dịch thành mã máy ? n Phần cứng thực chương trình mã máy ? Hệ thống máy tính n Đánh giá hiệu hệ thống máy tính n Tổ chức thành phần hệ thống máy tính n Các kiến trúc máy tính song song CS-HEDSPI2019 Computer Systems NKK-HUST Tài liệu học tập n Bài giảng Hệ thống máy tính ftp://dce.soict.hust.edu.vn/khanhnk/IT4272/ n Sách giáo trình: [1] David A Patterson, John L Hennessy Computer Organization and Design – 2012, Revised 4th edition n Sách tham khảo: [2] William Stallings Computer Organization and Architecture – 2013, 9th edition [3] David Money Harris, Sarah L Harris Digital Design and Computer Architecture – 2013, 2nd edition [4] Andrew S Tanenbaum Structured Computer Organization – 2013, 6th edition CS-HEDSPI2019 Computer Systems NKK-HUST Nội dung học phần Chương Tổng quan hệ thống máy tính Chương Bộ nhớ máy tính Chương Hệ thống vào-ra Chương Các kiến trúc song song CS-HEDSPI2019 Computer Systems NKK-HUST Hệ thống máy tính Chương TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY TÍNH Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội CS-HEDSPI2019 Computer Systems NKK-HUST Nội dung chương 1.1 Các thành phần máy tính 1.2 Hoạt động máy tính 1.3 Bus máy tính 1.4 Hiệu máy tính CS-HEDSPI2019 Computer Systems NKK-HUST 1.1 Các thành phần máy tính n CPU Bộ nhớ Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit – CPU) n n Bus hệ thống Bộ nhớ (Main Memory) n n Hệ thống vào-ra Trao đổi thông tin máy tính với bên ngồi Bus hệ thống (System bus) n CS-HEDSPI2019 Chứa chương trình thực Hệ thống vào-ra (Input/Output) n n Điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu Kết nối vận chuyển thông tin Computer Systems NKK-HUST Bộ xử lý trung tâm (CPU) n Chức năng: n n n Nguyên tắc hoạt động bản: n n điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu CPU hoạt động theo chương trình nằm nhớ Là thành phần nhanh hệ thống CS-HEDSPI2019 Computer Systems 10 NKK-HUST Ví dụ (tiếp) Ta có: n t= f Số chu kỳ xung nhịp chạy chương trình máy A: nA = t A × f A = 10s × 2GHz = 20 ×10 Số chu kỳ xung nhịp chạy chương trình máy B: nB = 1.2 × nA = 24 ×10 Tốc độ xung nhịp cần thiết cho máy B: nB 24 ×10 fB = = = ×10 Hz = 4GHz tB CS-HEDSPI2019 Computer Systems 54 NKK-HUST Số lệnh số chu kỳ lệnh Số chu kỳ xung nhịp chương trình: Số chu kỳ = Số lệnh chương trình x Số chu kỳ lệnh n = IC × CPI n n n n - số chu kỳ xung nhịp IC - số lệnh chương trình (Instruction Count) CPI - số chu kỳ lệnh (Cycles per Instruction) Vậy thời gian thực CPU: tCPU IC × CPI = IC × CPI × T0 = f0 Trong trường hợp lệnh khác có CPI khác nhau, cần tính CPI trung bình CS-HEDSPI2019 Computer Systems 55 NKK-HUST Ví dụ n n Hai máy tính A B có kiến trúc tập lệnh Máy tính A có: n n n Máy tính B: n n n Chu kỳ xung nhịp: TA = 250ps Số chu kỳ/ lệnh trung bình: CPIA = 2.0 Chu kỳ xung nhịp: TB = 500ps Số chu kỳ/ lệnh trung bình: CPIB = 1.2 Hãy xác định máy nhanh nhanh ? CS-HEDSPI2019 Computer Systems 56 NKK-HUST Ví dụ (tiếp) Ta có: tCPU = IC × CPITB × T0 Hai máy kiến trúc tập lệnh, số lệnh chương trình hai máy nhau: ICA = ICB = IC Thời gian thực chương trình máy A máy B: t A = ICA × CPI A × TA = IC × 2.0 × 250 ps = IC × 500 ps t B = ICB × CPI B × TB = IC ×1.2 × 500 ps = IC × 600 ps Từ ta có: t B IC × 600 ps = = 1.2 t A IC × 500 ps Kết luận: máy A nhanh máy B 1.2 lần CS-HEDSPI2019 Computer Systems 57 NKK-HUST CPI trung bình n Nếu loại lệnh khác có số chu kỳ khác nhau, ta có tổng số chu kỳ: K n = ∑ (CPI i × ICi ) i=1 n CPI trung bình: K n CPITB = = ∑ (CPI i × ICi ) IC IC i=1 CS-HEDSPI2019 Computer Systems 58 NKK-HUST Ví dụ n Cho bảng dãy lệnh sử dụng lệnh thuộc loại A, B, C Tính CPI trung bình? CS-HEDSPI2019 Loại lệnh A B C CPI theo loại lệnh IC dãy lệnh 20 10 20 IC dãy lệnh 40 10 10 Computer Systems 59 NKK-HUST Ví dụ n n Cho bảng dãy lệnh sử dụng lệnh thuộc loại A, B, C Tính CPI trung bình? Loại lệnh A B C CPI theo loại lệnh IC dãy lệnh 20 10 20 IC dãy lệnh 40 10 10 Dãy lệnh 1: Số lệnh = 50 n Số chu kỳ = = 1x20 + 2x10 + 3x20 = 100 n CPITB = 100/50 = 2.0 n CS-HEDSPI2019 Computer Systems Dãy lệnh 2: Số lệnh = 60 Số chu kỳ = = 1x40 + 2x10 + 3x10 = 90 n CPITB = 90/60 = 1.5 n 60 NKK-HUST Tóm tắt Hiệu Instructions Clock cycles Seconds CPU Time = ´ ´ Program Instruction Clock cycle Thời gian CPU = Số lệnh chương trình x Số chu kỳ/lệnh x Số giây chu kỳ tCPU n IC × CPI = IC × CPI × T0 = f0 Hiệu phụ thuộc vào: n n n n n CS-HEDSPI2019 Thuật giải Ngơn ngữ lập trình Chương trình dịch Kiến trúc tập lệnh Phần cứng Computer Systems 61 NKK-HUST MIPS thước đo hiệu n MIPS: Millions of Instructions Per Second (Số triệu lệnh giây) MIPS = Instruction count Instruction count Clock rate = = Execution time ×106 Instruction count × CPI ×106 CPI×106 Clock rate f0 MIPS = CPI ´ 10 CS-HEDSPI2019 f0 CPI = MIPS ´ 10 Computer Systems 62 NKK-HUST Ví dụ Tính MIPS xử lý với: clock rate = 2GHz CPI = CS-HEDSPI2019 Computer Systems 63 NKK-HUST Ví dụ Tính MIPS xử lý với: clock rate = 2GHz CPI = 0.5ns 2ns § § § § Chu kỳ T0 = 1/(2x109) = 0.5ns CPI = thời gian thực lệnh = x 0.5ns = 2ns Số lệnh thực 1s = (109ns)/(2ns) = 5x108 lệnh Vậy xử lý thực 500 MIPS CS-HEDSPI2019 Computer Systems 64 NKK-HUST Ví dụ Tính CPI xử lý với: clock rate = 1GHz 400 MIPS CS-HEDSPI2019 Computer Systems 65 NKK-HUST Ví dụ Tính CPI xử lý với: clock rate = 1GHz 400 MIPS 1ns § § § § CS-HEDSPI2019 Chu kỳ T0 = 1/109 = 1ns Số lệnh thực s 400MIPS = 4x108 lệnh Thời gian thực lệnh = 1/(4x108)s = 2.5ns Vậy ta có: CPI = 2.5 Computer Systems 66 NKK-HUST MFLOPS § Sử dụng cho hệ thống tính tốn lớn § Millions of Floating Point Operations per Second § Số triệu phép tốn số dấu phẩy động giây Executed floating point operations MFLOPS = Execution time ×106 GFLOPS（109 ） TFLOPS（1012） PFLOPS (1015) CS-HEDSPI2019 Computer Systems 67 NKK-HUST Hết chương CS-HEDSPI2019 Computer Systems 68