Tổ chức máy tính pot

Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 1 1 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Bài 1: Bài 1: Giới thiệu Giới thiệu (Đọc chapter 1: 1.1 – 1.4 và 1.8) (Đọc chapter 1: 1.1 – 1.4 và 1.8) Hồ Viết Việt Hồ Viết Việt ThS. GVC ThS. GVC Bộ môn Kỹ thuật máy tính, Khoa Điện tử Viễn thông Bộ môn Kỹ thuật máy tính, Khoa Điện tử Viễn thông Đại học Bách khoa Đà Nẵng Đại học Bách khoa Đà Nẵng hoviet.viet@gmail.com hoviet.viet@gmail.com Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 2 2 Giáo trình Giáo trình D. A. Patterson and J. L. Hennessy, D. A. Patterson and J. L. Hennessy, Computer Organization & Design, Computer Organization & Design, The Hardware/Software Interface The Hardware/Software Interface , , Fourth Edition, Fourth Edition, Morgan Kaufman Publishers Inc., 2009 Morgan Kaufman Publishers Inc., 2009 Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 3 3 Mục đích của môn học Mục đích của môn học Tìm hiểu các thành phần của một máy Tìm hiểu các thành phần của một máy tính số, cách thức hoạt động của nó: tính số, cách thức hoạt động của nó: Abstraction vs Technology. Abstraction vs Technology. Tìm hiểu các khái niệm thiết kế máy tính Tìm hiểu các khái niệm thiết kế máy tính hiện đại: datapath, control, pipeline, hiện đại: datapath, control, pipeline, cache,… cache,… Đánh giá hiệu suất của một máy tính Đánh giá hiệu suất của một máy tính Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 4 4 Mục đích của môn học Mục đích của môn học Mục tiêu của người học Mục tiêu của người học Hoàn thành môn học này, sinh viên có thể: Hoàn thành môn học này, sinh viên có thể: Viết được các chương trình Assembly Viết được các chương trình Assembly đơn giản cho bộ xử lý MIPS 32 bit đơn giản cho bộ xử lý MIPS 32 bit Nhận dạng được Phần cứng, Phần mềm Nhận dạng được Phần cứng, Phần mềm hệ thống và Phần mềm ứng dụng hệ thống và Phần mềm ứng dụng Đánh giá hiệu suất của một máy tính Đánh giá hiệu suất của một máy tính Thiết kế một bộ xử lý MIPS đơn giản với Thiết kế một bộ xử lý MIPS đơn giản với một tập lệnh cho trước một tập lệnh cho trước Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 5 5 Mục tiêu bài 1 Mục tiêu bài 1 Phân biệt được phần cứng, phần mềm hệ thống và phần Phân biệt được phần cứng, phần mềm hệ thống và phần mềm ứng dụng mềm ứng dụng – Phần mềm hệ thống: OS, Compiler, Assembler, Phần mềm hệ thống: OS, Compiler, Assembler, – Phần cứng: Datapath, Control, Memory, Input, Output Phần cứng: Datapath, Control, Memory, Input, Output – Ngôn ngữ bậc cao, Ngôn ngữ Assembly, Ngôn ngữ Ngôn ngữ bậc cao, Ngôn ngữ Assembly, Ngôn ngữ máy máy Tính toán thời gian thực hiện, hiệu suất của một máy Tính toán thời gian thực hiện, hiệu suất của một máy tính từ các thông số: clock rate, CPI tính từ các thông số: clock rate, CPI – So sánh hiệu suất của các máy tính khác nhau khi So sánh hiệu suất của các máy tính khác nhau khi chạy cùng một đoạn mã chạy cùng một đoạn mã – So sánh hiệu suất của các đoạn mã khác nhau khi So sánh hiệu suất của các đoạn mã khác nhau khi chạy trên cùng một máy tính chạy trên cùng một máy tính Technology: Một PC điển hình Technology: Một PC điển hình Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 6 6 Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 7 7 Abstraction: Khái niệm Computer Abstraction: Khái niệm Computer Application software Programs user writes and runs Hardware Systems software Operating system compiler assembler User Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 8 8 Phần mềm của Computer Phần mềm của Computer Application software, a program in C: swap (int v[ ], int k) {int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } MIPS binary machine code: 00000000101000010000000000011000 00000000000110000001100000100001 10001100011000100000000000000000 10001100111100100000000000000100 10101100111100100000000000000000 10101100011000100000000000000100 00000011111000000000000000001000 Compiler Assembler Application software Hardware Systems software MIPS compiler output, assembly language program: swap; muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0 ($2) lw $16, 4 ($2) sw $16, 0 ($2) sw $15, 4 ($2) jr $31 Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 9 9 Phần cứng của Computer Phần cứng của Computer Control Datapath Memory Central Processing Unit (CPU) hay “processor” Input Output 5 thành phần cơ bản Application software Hardware Systems software Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 10 10 Kiến trúc tập lệnh (ISA) Kiến trúc tập lệnh (ISA) Một tập lệnh assembly cung cấp mối liên kết Một tập lệnh assembly cung cấp mối liên kết giữa phần mềm và phần cứng. giữa phần mềm và phần cứng. Với cùng một tập lệnh, người lập trình phần Với cùng một tập lệnh, người lập trình phần mềm và người kỹ sư phần cứng hoạt động ít mềm và người kỹ sư phần cứng hoạt động ít nhiều độc lập với nhau. nhiều độc lập với nhau. ISA được thiết kế nhằm khai thác được tính ISA được thiết kế nhằm khai thác được tính năng cao nhất từ công nghệ phần cứng sẵn có. năng cao nhất từ công nghệ phần cứng sẵn có. Instruction set Software Hardware Application software Hardware Systems software [...]... (RISC), UltraSparc (Superscalar) Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính 11 Kiến trúc máy tính Kiến trúc: các thuộc tính hệ thống có ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực hiện chương trình Kiến trúc dưới mắt người lập trình: – Tập lệnh – Biễu diễn dữ liệu – Cơ chế I/O – Định địa chỉ bộ nhớ Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính 12 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính: các chi tiết vật lý được che dấu đối với người... lệnh – Các tín hiệu điều khiển – Công nghệ bộ nhớ Với cùng một kiến trúc có thể có nhiều tổ chức khác nhau Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính 13 Kiến trúc và Tổ chức ISA Hardware Engineers Software Programmers Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính 14 Hiệu suất (Performance)? Thời gian đáp ứng (Response time): thời gian tính từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc một công việc Năng suất (Throughput): khối lượng... 2011-2012 Tổ chức máy tính 26 Xếp hạng máy tính MIPS: triệu lệnh trên giây Tổng số lệnh được thực hiện MIPS = ─────────────────── Thời gian thực hiện × 106 Xếp hạng dựa vào MIPS chỉ mang tính chất tương đối vì nó phụ thuộc chương trình Các chương trình chuẩn dùng để đánh giá hiệu suất: Synthetic benchmarks SPEC benchmarks (System Performance Evaluation Corporation) Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính 27... Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính 20 Tính CPU Time Execution Time ~ CPU Time CPU Time Instruction count × CPI ──────────────── Clock rate = Học kỳ 1 2011-2012 Instruction count × CPI × Clock cycle time = Performance = Instructions Clock cycles 1 second ──────── × ───────── × ──────── Program Instruction Clock rate = 1 ──────────────── Execution Time Tổ chức máy tính 21 So sánh 2 máy tính C1 và C2 Chạy... của máy tính Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính 18 Các thông số liên quan đến việc tính toán hiệu suất Các thống số Đơn vị tính CPU time của 1 chương Thời gian (giây, … ) trình Tổng số lệnh (Instruction Số lệnh được thực hiện count) của 1 chương trình CPI Clock cycle time Học kỳ 1 2011-2012 Số chu kỳ trung bình để thực hiện 1 lệnh Một chu kỳ đồng hồ (giây, …) Tổ chức máy tính 19 “Màu thời gian xanh xanh... bài 1 Máy tính là một hệ thống có chức năng xử lý dữ liệu số bao gồm cả phần cứng và phần mềm Để giải quyết một bài toán trên máy tính, người sử dụng phải viết và chạy một chương trình bằng một ngôn ngữ bậc cao (như C/C++ chẳng hạn) Bên trong máy tính có các chương trình hệ thống gọi là compiler và assembler sẽ chuyển chương trình của người sử dụng sang ngôn ngữ Assembly và rồi sang dạng mã máy Mã máy. .. benchmarks LINPACK benchmarks, floating point computing, used for supercomputers Synthetic benchmarks Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính 15 Bội số và Ước số 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24 Học kỳ 1 2011-2012 Ước số milli micro nano pico femto atto zepto yocto m μ n p f Tổ chức máy tính 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024 Bội số kilo mega giga tera peta exa zetta yotta k M G T P 16 Dung lượng... 2011-2012 Tổ chức máy tính 17 Đo hiệu suất Thời gian tính theo giây (s), micro giây (μs), nano giây (ns), or pico giây (ps) Clock cycle (Chu kỳ đồng hồ) Chu kỳ (Period) của đồng hồ hệ thống Ví dụ: 1 nano giây là chu kỳ của một đồng hồ hệ thống có tần số 1GHz (1GHz clock rate) CPU time = (CPU clock cycles)/(clock rate) Cycles per instruction (CPI): Số chu kỳ trung bình cần để thực hiện một lệnh của máy tính. .. lệnh Đoạn mã nào hiệu quả hơn? Giả sử một máy tính có 3 kiểu lệnh: A, B và C CPU cycles (M) = 10 triệu CPU cycles (N) = 9 triệu Đoạn mã N hiệu quả hơn CPI( M ) = 10/5 = 2 CPI( N ) = 9/6 = 1.5 N hiệu quả hơn Lưu ý: Kích cõ của đoạn mã không quyết định hiệu suất Học kỳ 1 2011-2012 Số triệu lệnh Đoạn mã Kiểu A Kiểu B Kiểu C Tổng cộng M 2 1 2 5 N 4 1 1 6 Tổ chức máy tính 23 Các cách nâng cao hiệu suất Tăng... dạng mã máy Mã máy sẽ được xử lý bởi các thành phần phần cứng (control unit, datapath, memory, input và output) để có được kết quả mong muốn Hiệu suất của một máy tính có thể được tính toán theo CPI và clock rate Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính 28 . 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 13 13 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính: các chi tiết vật lý được Tổ chức máy tính: các chi tiết vật lý được. Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 1 1 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính Học kỳ 1 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Bài 1: Bài 1: Giới. 2011-2012 Học kỳ 1 2011-2012 Tổ chức máy tính Tổ chức máy tính 12 12 Kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính Kiến trúc: các thuộc tính hệ thống có ảnh Kiến trúc: các thuộc tính hệ thống có ảnh hưởng