bài giảng kiến trúc máy tính chuyên ngành công nghệ thông tin

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH • tín • Đối tượng sinh viên năm thứ • Chuyên ngành CNTT July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính NỘI DUNG CHÍNH Gồm chương • Chương Tổng quan • Chương Thiết kế hệ lệnh cho VXL • Chương Thiết kế nhớ • Chương Giới thiệu số KT đại • Chương Tổ chức vào máy tính • July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính Tài liệu tham khảo William Stallings - Computer Organization and Architecture – Designing for Performance – 2003 (6th edition) Behrooz Parhami Computer Architecture: From Microprocessors to Supercomputers - 2005 David A Patterson & John L Hennessy -Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface – 2002 (third edition) John L Hennessy & David A Patterson -Computer Architecture: A Quantitative Approach –2003 (third edition) July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính Chương I Tổng quan • I Giới thiệu chung • II Kiến trúc máy tính Vonneuman • III Các phương pháp vào liệu máy tính July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính I Giới thiệu chung • 1.1 Máy tính phân loại máy tính Máy tính Máy tính (Computer) thiết bị điện tử thực cơng việc sau: • Nhận thơng tin vào • Xử lý thông tin theo dãy lệnh nhớ sẵn bên trong, • Đưa thơng tin • Dãy lệnh nằm nhớ để yêu cầu máy tính thực cơng việc cụ thể gọi chương trình (program) • Máy tính hoạt động theokiến trúc máy tính chương trình July 3, 2014 Bài giảng I Giới thiệu chung Phân loại máy tính Phân loại truyền thống • • • • Máy vi tính (Microcomputers) Máy tính nhỏ (Minicomputers) Máy tính lớn (Mainframe Computers) Siêu máy tính (Supercomputers) Phân loại máy tính đại • • • Máy tính cá nhân (Personal Computers) Máy chủ (Server Computers) Máy tính nhúng (Embedded Computers) July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính • Máy tính cá nhân PC Là loại máy tính phổ biến 􀂄 Các loại máy tính cá nhân: 􀂄 Máy tính để bàn (Desktop) 􀂄 Máy tính xách tay (Laptop) 􀂄 1981 IBM giới thiệu máy tính IBM-PC sử dụng xử lý Intel 8088 􀂄 1984 Apple đưa Macintosh sử dụng xử lý Motorola 68000 􀂄 Giá thành: hàng trăm đến hàng nghìn USD July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính • Máy chủ (Server) 􀂄 Thực chất máy phục vụ 􀂄 Dùng mạng theo mơ hình Client/Server (Khách hàng/Người phục vụ) 􀂄 Tốc độ hiệu tính tốn cao 􀂄 Dung lượng nhớ lớn 􀂄 Độ tin cậy cao 􀂄 Giá thành: hàng nghìn đến hàng chục triệuUSD July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính • Máy tính nhúng (Embedded Computer) Được đặt thiết bị khác để điều khiển thiết bị làm việc 􀂄 Được thiết kế chuyên dụng Ví dụ: 􀂄 Điện thoại di động 􀂄 Máy ảnh số 􀂄 Bộ điều khiển máy giặt, điều hoà nhiệt độ 􀂄 Router – định tuyến mạng 􀂄 Giá thành: vài USD đến hàng trăm nghìn USD July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 1.2 Kiến trúc máy tính Định nghĩa trước kiến trúc máy tính: Cách nhìn logic máy tính từ người lập trình (hardware/software interface) Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture– ISA) Là định nghĩa hẹp Định nghĩa Hennessy/ Patterson Kiến trúc máy tính bao gồm: Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture):nghiên cứu máy tính theo cách nhìn người lập trình (hardware/software interface) July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 10 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 138 A) Siêu ống dẫn Máy tính có kỹ thuật siêu ống dẫn bậc n, cách chia giai đoạn kỹ thuật ống dẫn đơn giản, giai đoạn thực khoản thời gian Tc, thành n giai đoạn thực khoản thời gian Tc/n Độ hữu hiệu kỹ thuật tương đương với việc thi hành n lệnh chu kỳ Tc Hình 3.15 Ta thấy chu kỳ Tc máy dùng kỹ thuật siêu ống dẫn làm lệnh thay làm1 lệnh máy dùng kỹ thuật ống dẫn bình thường Trong máy tính siêu ống dẫn, tốc độ thực lệnh tương đương với việc thực lệnh khoảng thời gian Tc/n July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 139 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 140 Các bất lợi siêu ống dẫn thời gian thực giai đoạn ngắn Tc/n việc trì hỗn thi hành lệnh nhảy lớn Trong vídụ hình 3.15, lệnh thứ i lệnh nhảy tương đối lệnh giải mã giai đoạn ID, địa nhảy đến tính vào giai đoạn EX, lệnh phải nhảy tới lệnh thứ i+4, có trì trệ lệnh thay lệnh kthuật ống dẫn bình thường July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 141 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 142 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 143 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 144 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 145 Giới thiệu số KT song song July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 146 Giới thiệu KT song song July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 147 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 148 •Các máy MIMD xếp vào ba loại : SMP (Symmetric Multiprocesors), Cluster NUMA (Nonunifrom Memory Access) •a) Một hệ thống SMP bao gồm nhiều xử lý giống lắp đặt bên máy tính, xử lý kết nối với hệ thống bus bên hay vài xếp chuyển mạch thích hợp Vấn đề lớn hệ thống SMP kết hợp hệ thống cache riêng lẻ Vì xử lý SMP có cache riêng nó, đó, khối liệu nhớ tồn hay nhiều cache khác •Nếu khối liệu cache xử lý bị thay đổi dẫn đến liệu cache xử lý lại nhớ khơng đồng • Các giao thức cache kết hợp thiết kế để giải vấn đề July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 149 • b) Trong hệ thống cluster, máy tính độc lập kết nối với thông qua hệ thống kết nối tốc độ cao (mạng tốc độ cao Fast Ethernet hay Gigabit) hoạt động máy tính thống • Mỗi máy hệ thống xem phần cluster, gọi nút (node) July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 150 • c) Một hệ thống NUMA (Nonunifrom Memory Access) hệ thống đa xử lý giới thiệu thời gian gần đây, hệ thống với nhớ chia sẻ, thời gian truy cập vùng nhớ dành riêng cho xử lý khác Điều khác với kiểu quản lý nhớ hệ thống SMP (bộ nhớ dùng chung, thời gian truy cập vùng nhớ khác hệ thống cho xử lý nhau) July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 151 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 152 ... register July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 48 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 49 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 50 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 51 ... July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 31 Phép toán đại số Boole July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 32 Các đồng thức đại số Boole July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 33 Mạch lơgic... thực hàm phủ định, hội tuyển July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 34 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 35 July 3, 2014 Bài giảng kiến trúc máy tính 36 • 3.1.1 Cổng NOT Cổng NOT thực