Tổng quan về kiến trúc máy tính - chương 1 - Một số khái niệm và công nghệ pot

Khoa KH & KT Máy tính Bộ môn Kỹ thuật Máy tính Phạm Tường ng Nguyễn Quốc Hải Tuấn Nội dung tóm tắt mơn học ) Là mơn học sở ngành máy tính, giảng dạy cho chuyên ngành KTMT lẫn KHMT ) Cung cấp kiến thức nguyên lý hoạt động tổ chức máy tính số • • • • • • Vấn đề đánh giá hiệu suất Kiến trúc tập lệnh Tính tốn số học Đường liệu tín hiệu điều khiển Hệ thống nhớ Giao tiếp với ngoại vi ) Sử dụng kiến trúc xử lý PowerPC, MIPS, Intel, v.v… làm minh họa Kiến trúc Máy tính - Chap 01 Mục đích mơn học ) Đối với chuyên ngành KTMT • Nắm vững kiến thức tổ chức hoạt động máy tính số • Làm tảng để tìm hiểu cấu trúc (kiến trúc + mạch logic) phần tử khác máy tính số • Vận dụng để thiết kế, cải tạo, sửa chữa hệ thống ứng dụng vi xử lý – vi điều khiển, hệ thống nhúng ) Đối với chuyên ngành KHMT • Nắm vững kiến thức tổ chức hoạt động máy tính số • Vận dụng vào thiết kế, cải tạo hệ thống phần mềm cho hoạt động hiệu quả, phù hợp với kiến trúc phần cứng Kiến trúc Máy tính - Chap 01 Tài liệu tham khảo ) “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L Hennessy & David A Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC 1998 ) “Computer Architecture: a quantitative approach”, John L Hennessy & David A Patterson, Third Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC 2002 Kiến trúc Máy tính - Chap 01 Chương Kiến trúc Máy tính - Chap 01 1.1 Dẫn nhập ) Sự đời phát triển máy tính dẫn đến gọi cách mạng thông tin, cách mạng thứ văn minh loài người (trước cách mạng nơng nghiệp, cách mạng kỹ nghệ) ) Kết sức mạch trí tuệ nhân loại nhân lên đáng kể, khoa học – kỹ thuật phát triển mạnh mẽ vươn đến giới hạn ) Một số thành tựu đạt thời gian qua giống chuyện viễn tưởng • Automatic teller machines • Laptop computers • World Wide Web Kiến trúc Máy tính - Chap 01 Computers in automobiles • Human genome project • … ) Phần cứng máy tính tiến cho phép nhà lập trình viết nên phần mềm ứng dụng kỳ diệu, làm cho máy tính thâm nhập nhanh chóng vào ngóc ngách đời sống đại ) Trong tương lai điều viễn tưởng là: xã hội không cần đến tiền mặt, xa lộ thơng minh tự động hóa, ubiquitous computing, … ) Các nhà lập trình thành cơng ln biết quan tâm tới tốc độ chương trình viết ) Trong thập niên 60 70, hạn chế chủ yếu hiệu suất máy tính nằm kích thước nhớ Ư Tối thiểu hóa mã lệnh để chương trình thực thi nhanh Kiến trúc Máy tính - Chap 01 … ) Trong gần 20 năm qua, tiến thiết kế máy tính cơng nghệ nhớ xóa hạn chế nhớ kích thước nhỏ Ư Muốn chương trình thực thi nhanh cần hiểu vận dụng chất phân cấp nhớ chất song song xử lý ) Những nhà lập trình muốn viết phiên cạnh tranh chương trình dịch, hệ điều hành, sở liệu, chương trình ứng dụng cần phải tăng cường hiểu biết nguyên lý hoạt động tổ chức máy tính Kiến trúc Máy tính - Chap 01 1.2 Bên chương trình ) Máy tính bước phát triển mạch logic ) Thông tin máy tính biểu diễn ký số nhị phân hay bit (binary digit) ) Máy tính hoạt động tuân theo thị Thuật ngữ dùng để gọi thị riêng lẻ câu lệnh (instruction) ) Mỗi câu lệnh chuỗi xác định bit, (giống số nhị phân) mà máy tính hiểu • TD 1000110010100000 yêu cầu máy tính cộng số nguyên ) Những nhà lập trình truyền đạt thị đến máy tính thơng qua số nhị phân nói • Đây cơng việc tẻ nhạt Kiến trúc Máy tính - Chap 01 … ) Cơng cụ lập trình dùng số nhị phân để viết thị cho máy tính gọi ngôn ngữ máy (machine language) ) Con người nhanh chóng thay số nhị phân ký hiệu gợi nhớ (mnemonic), chúng ký hiệu gần với cách suy nghĩ người • TD sử dụng add A, B thay cho 1000110010100000 ) Lúc đầu người dùng tay để dịch ký hiệu số nhị phân đem thực thi máy tính ) Sau đó, người phát triển chương trình trợ giúp việc dịch nói trên: assembler ) Cơng cụ lập trình dùng ký hiệu gợi nhớ nhằm viết thị cho máy tính gọi hợp ngữ (assemly language) Kiến trúc Máy tính - Chap 01 10 … ) Mỗi dịng hợp ngữ câu lệnh để máy tính thực thi Lập trình hợp ngữ buộc người lập trình phải suy nghĩ hành động máy tính • Cấp hành động máy tính gọi cấp thấp (low level) • Ngơn ngữ máy hợp ngữ ngôn ngữ cấp thấp (low level language) ) Theo hướng trên, người ta lại đưa ký hiệu gần với suy nghĩ người tạo nên ngơn ngữ cấp cao (high level language) • TD A + B thay cho add A, B ) Sử dụng chương trình để dịch ngơn ngữ cấp cao sang hợp ngữ: chương trình dịch (compiler) Kiến trúc Máy tính - Chap 01 11 … Chương trình viết C Compiler Chương trình dạng hợp ngữ Assembler Ngơn ngữ máy Kiến trúc Máy tính - Chap 01 12 … ) Ngơn ngữ cấp cao mang lại nhiều lợi ích quan trọng • Cho phép người lập trình suy nghĩ dạng ngơn ngữ tự nhiên (Anh ngữ, biểu thức tốn, …): FORTRAN, COBOL, LISP • Tăng đáng kể hiệu lập trình: chương trình ngắn hơn, sáng sủa dễ hiểu • Ngơn ngữ cấp cao độc lập máy tính ) Khả tái sử dụng chương trình mang lại hiệu cao viết tồn chương trình từ đầu Ư trình con, thư viện, thư việc trình xuất/nhập ) Người ta nhận thấy việc thực thi chương trình máy tính hiệu có chương trình đặc biệt giám sát thực thi cho chương trình Ö Hệ điều hành (operating system) Kiến trúc Máy tính - Chap 01 13 … ) Hệ điều hành chương trình quản lý tài ngun máy tính hỗ trợ tốt cho việc thực thi chương trình khác máy tính ) Phần mềm phân loại theo tính sử dụng • Các chương trình cung cấp dịch vụ chung cho chương trình khác gọi phần mềm hệ thống (systems software) Ư hệ điều hành, chương trình dịch, … • Phần mềm ứng dụng (applications software) phần mềm cung cấp dịch vụ cho người sử dụng máy tính (users) Ư word, excel, photoshop, … Kiến trúc Máy tính - Chap 01 14 1.3 Bên vỏ máy ) Khảo sát máy tính để bàn Webcam Thùng máy Màn hình Bàn phím Chuột Kiến trúc Máy tính - Chap 01 15 … ) Chuột Kiến trúc Máy tính - Chap 01 16 … ) Màn hình & card điều khiển hình • Hình ảnh thể dạng ma trận phần tử ảnh (picture element) hay pixel • Mỗi pixel đươc biểu diễn ma trận bit gọi bit map • Tùy thuộc vào kích thước độ phân giải hình, ma trận pixel có độ lớn từ 512 x 340 đến 1560 x 1280 • Chế độ bit / pixel • Chế độ bit / pixel • Chế độ 24 bit / pixel • Bộ nhớ card điều khiển hình dùng để chứa thông tin bit map gọi raster refresh buffer hay frame buffer Kiến trúc Máy tính - Chap 01 17 … ) Thùng máy Bộ xử lý Nguồn Motherboard Võ máy Kiến trúc Máy tính - Chap 01 Bộ nhớ Đĩa cứng 18 … ) Motherboard Mạch tích hợp ( IC hay chip) Connector Khe cắm ( slot ) Kiến trúc Máy tính - Chap 01 19 … ) Bộ nhớ (memory) • Chứa chương trình thực thi liệu cần thiết trình thực thi • Có loại nhớ: ROM RAM • Trên motherboard có loại nhớ RAM * Bộ nhớ (cơng nghệ DRAM) có dung lượng lớn chứa chương trình liệu thực thi * Bộ nhớ Cache (cơng nghệ SRAM) có tốc độ nhanh, đóng vai trị đệm cho nhớ Kiến trúc Máy tính - Chap 01 20 ... - Chap 01 14 1. 3 Bên vỏ máy ) Khảo sát máy tính để bàn Webcam Thùng máy Màn hình Bàn phím Chuột Kiến trúc Máy tính - Chap 01 15 … ) Chuột Kiến trúc Máy tính - Chap 01 16 … ) Màn hình & card điều... (giống số nhị phân) mà máy tính hiểu • TD 10 0 011 0 010 100000 yêu cầu máy tính cộng số nguyên ) Những nhà lập trình truyền đạt thị đến máy tính thơng qua số nhị phân nói • Đây cơng việc tẻ nhạt Kiến trúc. .. raster refresh buffer hay frame buffer Kiến trúc Máy tính - Chap 01 17 … ) Thùng máy Bộ xử lý Nguồn Motherboard Võ máy Kiến trúc Máy tính - Chap 01 Bộ nhớ Đĩa cứng 18 … ) Motherboard Mạch tích hợp