Chương 8: W8 coa computer system

Bài giảng tổ chức và cấu trúc máy tính của trường đại học công nghệ thông tin, chương 8. Bài giảng là slide powerpoint cung cấp đầy đủ kiến thức, bài tập, kỹ năng cho sinh viên về chương 8 của môn tổ chức và cấu trúc máy tính

Computer Organization and Architecture

(Tổ chức và Kiến trúc Máy tính)

Chương 5: Tổ chức máy tính

| Các thành phần của máy tính |

Các thành phần chính của hệ thống máy tính

Các thành phần chính của hệ thống máy tính

 Output Devices – Các thiết bị xuất

monitor, printer, speakers

Parts of a PC

 System Unit – Thùng máy chứa các thiết bị: p

rocessor, main memory, và secondary stor age

 Các thiết bị Input/Ouput – gắn vào system uni

t thông qua device controller.

 "input“ và "output" mô tả luồng dữ liệu vào hoặc

ra system unit.

Viết tắt “I/O”

Computer Systems

System Unit

Input deviceInput device

Output deviceOutput device

Output device

The Processor

 Processor là "brain – bộ não " của một hệ thống máy tính

 “Main processor” được gọi là Central Processing Unit

 Math co-processors: Xử lý các nhiệm vụ xử lý toán học

 Graphics coprocessors: tăng tốc khả năng hiển thị đồ họa

lên màn hình

Component Interaction

CPU điều khiển tất cả các tài nguyên bên trong hệ thống

để hoàn một nhiệm vụ

The CPU

CPU là một chip bán dẫn (silicon chip) mà

bao gồm hàng triệu các thành phần điện tử:

CPU có ba phần chính:

 Control Unit

 Arithmetic Logic Unit (ALU)

 Registers

Central Processing Unit (CPU)

Arithmetic / Logic Unit

Registers

Control Unit

Vùng nhớ nhỏ, tốc độ cao dành để lưu trữ lệnh và dữ liệu

Thực hiện tính toán và các quyết định

Điều khiển các bước

xử lý

Registers – Các thanh ghi

 Registers: bộ nhớ thấp, tốc độ cao bên trong CPU

 Các thanh ghi khác nhau thì lưu khác nhau:

 instructions and addresses of instructions

 data (operands – toán hạng)

 results of operations (kết quả của các phép toán)

Special Purpose Registers

Special Purpose Registers: chứa các

thông tin cụ thể mà CPU cần.

Instruction Register (IR): chứa lệnh thực

tế mà được thực thi bởi CPU tại thời điểm hiện tại

The Program Counter (PC): chứa địa chỉ

của lệnh kế tiếp mà CPU sẽ thực thi

General Purpose Registers

 General Purpose có chức năng:

 Lưu các toán hạng cho các phép toán số học

và logic

 Lưu kết quả của các phép toán

Computer Systems

Không phải tất cả các CPU đều bằng nhau

Các máy đời mới sử dụng các chip đặc biệt được thiết kế

để tăng tốc xử lý dữ liệu

 CISC ‑ Complex instruction set computer

Tập lệnh lớn, nhiều định dạng

 RISC ‑ Reduced instruction set computer

Tập lệnh đơn giản, ít biến

Nhiều CPU làm việc song song

 Kilobyte (KB) = 1024 bytes (210 bytes)

llion bytes (220 bytes)

Main Memory

 Kích thước của mỗi word mỗi máy tính là khác nh au

Word sizes vary from computer to computer

Word size is an even multiple of a bytes

 Mỗi word trong máy tính có thể lưu một trong hai giá trị

Dữ liệu hoặc

Lệnh

Main Memory

5248 5249 5250 5251 5252 5253 5254 5255 5256

A word is stored in consecutive

memory bytes.

10011010

Each memory cell stores a set number of bits (some computers use 8 bits/one

byte , others use words )

Each memory cell

has a numeric

address , which

uniquely identifies

its location

CPU and Memory

 Mỗi CPU có thể tương tác mới main memory theo hai cách:

 write một byte/word từ một vị trí bộ nhớ cho trước

 Các bits trong bộ nhớ sẽ được xóa (destroy)

 Các bit mới sẽ được lưu

 read một byte/word từ một vị trí bộ nhớ cho trước

 CPU sao chép các bits mà được lưu tại vị trí đó và lưu chúng vào một CPU

 Nội dung của bộ nhớ này sẽ không thay đổi

Main Memory Characteristics

 Tương tác với processor hàng triệu lần / giây

 Dữ liệu không tồn tại lâu dài

Secondary Storage Characteristics

 Kết nối với main memory thông qua bus và một th iết bị điều khiển

 Nội dung được thay đổi dễ dàng, nhưng việc truy xuất là rất thấp so với main memory

 Sử dụng cho việc lưu trữ chương trình và dữ liệu dài hạn (long-term storage)

Program Instructions

 Programs instructions được lưu trữ trong bộ nhớ thứ

cấp (hard disks, CD-ROM, DVD)

 Để truy xuất dữ liệu, CPU yêu cầu một vùng làm việc:

 Main Memory

 Cũng được gọi RAM (random access memory),

primary storage, and internal memory.

 Trước khi chương trình được chạy, các lệnh đầu tiên phải

được chép từ secondary storage sang main memory

 Cung cấp cho CPU truy cập nhanh đến các lệnh để

thực thi

 Một lệnh là một chuỗi thứ tự các bit

 Một định dạng lệnh đơn giản có thể bao gồm một mã lệnh và một địa chỉ hoặc toán hạng

Op Code Operands / Address

 Các lệnh nói cho computer phải làm gì

 operation code chỉ ra phép toán mà máy tính thực thi

(add, compare, etc)

 Vùng operand/address có thể lưu trữ một toán hạng ho

ặc một địa chỉ

operand: là một giá trị cụ thể hoặc số thanh ghi

address cho phép lệnh chỉ tới vị trí của một bộ nhớ

 CPU chạy mỗi lệnh trong một chương trình, bắt đầu từ lệnh 0, sử chung chu kỳ: Nạp lệnh – giải mã lệnh – thự

c thi (fetch-decode-execute)

Fetch-Decode-Execute Cycle

 Trong phần nạp lệnh, CPU sẽ nạp lệnh tiếp theo t

ừ địa chỉ được chứa trong thanh ghi PC (Progra

m Counter) và đặt lệnh này vào thanh ghi lệnh (In struction Register)

 Khi chương trình bắt đầu, PC=0, vì vậy lệnh tại địa chỉ 0 được nạp.

 Ngay sau khi lệnh được nạp, CPU sẽ thêm 1 word vào PC, vì vậy nó sẽ chứa địa chỉ của lệnh tiếp th eo

Fetch-Decode-Execute Cycle

 Đơn vị giải mã trong CPU sẽ giải mã lệnh trong th anh ghi lệnh IR và xác định phép toán nào cần ho

àn thành và kiểu toán hạng nào sẽ được sử dụng.

 Trong quá trình thực thi, một phép toán cụ thể sẽ đ ược thực hiện (add, compare, etc).

 Sau khi thực thi lệnh hoàn thành, lệnh tiếp theo sẽ được thực hiện

Main Memory

add r3, r1, r2

33 45

add r3, r1, r2

r1 r2 r3

78

3024

Execute

In this case add r1 and

r2 and put result in r3.

Các hệ thống máy tính có một nguồn clock nội, để sử dụng cho việc động bộ các hoạt động của máy tính

Processors chạy ở một tốc độ (clock speed) cụ thể

 Clock speed được đo bằng Hertz

 One Hertz is one clock tick per second

 MHz (mega Hertz)

 One MHz is one million clock ticks per second

 Clock speed xác định tốc độ của processor

Access to Instructions

Hard disk quá chậm để cung cấp lệnh cho CPU Vì vậy, chương trình được nạp vào main memory trước nơi mà tốc độ cao hơn.

Cache Memory

không thể cung cấp cho CPU với những lệnh

đủ nhanh

 Vì vậy một nhớ nhanh hơn ( cache memory) đ ược đặt ở giữa CPU và main memory để cun

g cấp lệnh nhanh nhất có thể đến CPU

Cache Memory

Primary and Secondary

Cache Memory

(L1), đặt cùng với CPU để cung cấp lệnh ch

o CPU với cùng tốc độ xung clock.

 off-the-chip secondary cache (L2) cũng có t

hể tương tác với CPU với tốc độ thấp hơn.

Các thành phần chính của hệ thống máy tính

Central Processing Unit (CPU)

Arithmetic / Logic Unit

Registers

Control Unit

Vùng nhớ nhỏ, tốc độ cao dành để lưu trữ lệnh và dữ liệu

Thực hiện tính toán và các quyết định

Điều khiển các bước

xử lý

L1 and L2 Cache Memory

User view of Computer Systems

How Programs Are Run

 The operating system presents an interface to the user

(e.g Windows Desktop)

 The user double clicks on an icon to run a program (e.g

Microsoft Word)

 The operating system copies the program (or at least the first part

of it) from the hard disk into main memory

 The CPU runs the instructions in the program, and presents the i

nitial Word screen

 Within Word, the user uses the menu to open a document

 The application software (Word) asks the Operating System to ope

n the file.

 The Operating System communicates with the hardware to open t

he file on the hard disk.