BÀI GIẢNG KIẾN TRÚC MÁY TÍNH docx

1 Chng 1 GII THIU CHUNG Phm Quang Dng B môn Khoa hc máy tính - Khoa CNTT Trng i hc Nông nghip I – Hà Ni website: www.hau1.edu.vn/it/pqdung T: (04) 8766318 D: 0988.149.189 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.2 Chng 1: Gii thiu chung Ni dung chng 1 1.1. Máy tính và phân loi 1.2. Kin trúc máy tính 1.3. S tin hoá ca máy tính Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.3 Chng 1: Gii thiu chung 1.1. Máy tính và phân loi 1. Máy tính ¸ Máy tính (Computer) là thit b đin t thc hin các công vic sau: ̈ Nhn thông tin vào, ̈ X lý thông tin theo dãy các lnh đc nh sn bên trong, ̈ a thông tin ra. ¸ Dãy các lnh nm trong b nh đ yêu cu máy tính thc hin công vic c th đc gi là chng trình (program) å Máy tính hot đng theo chng trình. Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.4 Chng 1: Gii thiu chung Mô hình máy tính c bn 2 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.5 Chng 1: Gii thiu chung Mô hình phân lp ca máy tính ¸ Phn cng: h thng vt lý ca máy tính ¸ Phn mm: các chng trình và d liu Ngi s dng (End User) Ngi lp trình (Programmer) Ngi thit k HH (OS Designer) Các chng trình ng dng (Application Programs) Các phn mm trung gian (Utilities) H điu hành (Operating System) Phn cng (Computer Hardware) Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.6 Chng 1: Gii thiu chung 2. Phân loi máy tính ¸ Phân loi truyn thng: ̈ Máy vi tính (Microcomputer) ̈ Máy tính nh (Minicomputer) ̈ Máy tính ln (Mainframe Computer) ̈ Siêu máy tính (Supercomputer) Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.7 Chng 1: Gii thiu chung Phân loi máy tính hin đi ¸ Máy tính đ bàn (Desktop Computers) ¸ Máy ch (Servers) ¸ Máy tính nhúng (Embedded Computers) Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.8 Chng 1: Gii thiu chung Máy tính đ bàn (Desktop) ¸ Là loi máy tính ph bin nht ¸ Các loi máy tính đ bàn ̈ Máy tính cá nhân (Personal Computer – PC) ̈ Máy tính trm làm vic (Workstation Computer) ¸ 1981 å IBM gii thiu máy tính IBM-PC s dng b x lý Intel 8088 ¸ 1984 å Apple đa ra máy tính Macintosh s dng b x lý Motorola 68000 ¸ Giá thành: 300USD đn 10.000USD 3 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.9 Chng 1: Gii thiu chung Máy ch (Server) ¸ Thc cht là máy phc v ¸ Dùng trong mng theo mô hình Client/Server (Khách hàng/Ngi phc v) ¸ Tc đ và hiu nng tính toán cao ¸ Dung lng b nh ln ¸  tin cy cao ¸ Giá thành: hàng chc nghìn đn hàng chc triu USD. Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.10 Chng 1: Gii thiu chung Máy tính nhúng (Embedded Computer) ¸ c đt trong thit b khác đ điu khin thit b đólàm vic ¸ c thit k chuyên dng ¸ Ví d: ̈ in thoi di đng ̈ B điu khin trong máy git, điu hoà nhit đ ̈ Router - b đnh tuyn trên mng ¸ Giá thành: Vài USD đn hàng trm nghìn USD. Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.11 Chng 1: Gii thiu chung 1.2. Kin trúc máy tính Kin trúc máy tính bao gm hai khía cnh: ¸ Kin trúc tp lnh (Intruction Set Architecture): nghiên cu máy tính theo cách nhìn ca ngi lp trình. ¸ T chc máy tính (Computer Organization): nghiên cu cu trúc phn cng máy tính. å Kin trúc tp lnh thay đi chm, t chc máy tính thay đi rt nhanh. Ví d: Các máy tính PC dùng các b x lý Intel 32-bit t 80386 đn Pentium 4: ̈ Cùng chung kin trúc tp lnh (IA-32) ̈ Có t chc khác nhau Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.12 Chng 1: Gii thiu chung Kin trúc tp lnh Kin trúc tp lnh ca máy tính bao gm: ¸ Tp lnh: tp hp các chui s nh phân mã hoá cho các thao tác mà máy tính có th thc hin. ¸ Các kiu d liu: các kiu d liu mà máy tính có th x lý. 4 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.13 Chng 1: Gii thiu chung Cu trúc c bn ca máy tính Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.14 Chng 1: Gii thiu chung Các thành phn c bn ca máy tính ¸ B x lý trung tâm (Central Processing Unit): iu khin hot đng ca máy tính và x lý d liu. ¸ B nh chính (Main Memory): Cha các chng trình và d liu đang đc s dng. ¸ H thng vào ra (Input/Output System): Trao đi thông tin gia máy tính vi bên ngoài. ¸ Liên kt h thng (System Interconnection): Kt ni và vn chuyn thông tin gia các thành phn vi nhau. Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.15 Chng 1: Gii thiu chung 1.3. S tin hoá ca máy tính ¸ Th h th nht: Máy tính dùng đèn đin t chân không (1943-1956) ¸ Th h th hai: Máy tính dùng transistor (1957-1965) ¸ Th h th ba: Máy tính dùng vi mch SSI, MSI và LSI (1966-1980) ¸ Th h th t: Máy tính dùng vi mch VLSI, SLSI (1981-nay) http://www.computerhistory.org/timeline/timeline.php Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.16 Chng 1: Gii thiu chung 1. Máy tính dùng đèn đin t ¸ ENIAC -Máy tính đin t đu tiên ̈ Electronic Numerical Intergator And Computer ̈ D án ca B Quc phòng M ̈ Do John Mauchly và John Presper Eckert  i hc Pennsylvania thit k. ̈ Bt đu t nm 1943, hoàn thành nm 1946 5 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.17 Chng 1: Gii thiu chung ENIAC (tip) ¸ Nng 30 tn ¸ Kích thc 140 m 2 ¸ 18000 đèn đin t và 1500 rle ¸ 5000 phép cng/giây ¸ X lý theo s thp phân ¸ B nh ch lu tr d liu ¸ Lp trình bng cách thit lp v trí ca các chuyn mch và các cáp ni. Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.18 Chng 1: Gii thiu chung ENIAC (tip) Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.19 Chng 1: Gii thiu chung ENIAC (tip) Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.20 Chng 1: Gii thiu chung Máy tính von Neumann ¸ Còn gi là máy tính IAS: ̈ Princeton Institute for Advanced Studies ̈ c bt đu t 1947, hoàn thành 1952 ̈ Do John von Neumann thit k ̈ c xây dng theo ý tng “chng trình đc lu tr” (stored-program concept) ca von Neumann/Turing (1945) 6 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.21 Chng 1: Gii thiu chung c đim chính ca máy tính IAS ¸ Bao gm các thành phn: đn v điu khin, đn v s hc và logic (ALU), b nh chính và các thit b vào ra. ¸ B nh chính cha chng trình và d liu. ¸ B nh chính đc đánh đa ch theo tng ngn nh, không ph thuc vào ni dung ca nó. ¸ ALU thc hin các phép toán vi s nh phân. ¸ n v điu khin nhn lnh t b nh, gii mã và thc hin lnh mt cách tun t. ¸ n v điu khin điu khin hot đng ca các thit b vào-ra. ¸ Tr thành mô hình c bn ca máy tính. Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.22 Chng 1: Gii thiu chung John von Neumann và máy tính IAS Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.23 Chng 1: Gii thiu chung Các máy tính thng mi ra đi ¸ 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation ¸ UNIVAC I (Universal Automatic Computer) ¸ 1950s - UNIVAC II ̈ Nhanh hn ̈ B nh ln hn Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.24 Chng 1: Gii thiu chung John Mauchly và UNIVAC 7 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.25 Chng 1: Gii thiu chung UNIVAC Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.26 Chng 1: Gii thiu chung Hãng IBM ¸ IBM – International Business Machine ¸ 1952 – IBM 701 ̈ Máy tính lu tr chng trình đu tiên ca IBM ̈ S dng cho tính toán khoa hc ¸ 1955 – IBM 702 ̈ Các ng dng thng mi Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.27 Chng 1: Gii thiu chung IBM 701 (1952) và IBM 702 (1955) IBM 701 IBM 702 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.28 Chng 1: Gii thiu chung 2. Máy tính dùng transistor ¸ Máy tính PDP-1 ca DEC (Digital Equipment Corporation) máy tính mini đu tiên ¸ IBM 7000 ¸ Hàng trm nghìn phép cng trong mt giây ¸ Các ngôn ng lp trình bc cao ra đi. 8 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.29 Chng 1: Gii thiu chung DEC's PDP-1 (1960) Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.30 Chng 1: Gii thiu chung IBM 7030 (1961) Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.31 Chng 1: Gii thiu chung 3. Máy tính dùng vi mch SSI, MSI và LSI ¸ Vi mch (Integrated Circuit – IC): nhiu transistor và các phn t khác đc tích hp trên mt chip bán dn. ̈ SSI (Small Scale Integratinon) ̈ MSI (Medium Scale Integration) ̈ LSI (Large Scale Integration) ̈ VLSI (Very Large Scale Integration) (dùng cho máy tính h th t) ¸ Siêu máy tính xut hin: CRAY-1, VAX ¸ B vi x lý (microprocessor) ra đi ̈ B x lý đu tiên å Intel 4004 (1971). Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.32 Chng 1: Gii thiu chung Lut Moore ¸ Gordon Moore - ngi đng sáng lp Intel ¸ S transistors trên chip s gp đôi sau 18 tháng ¸ Giá thành ca chip hu nh không thay đi ¸ Mt đ cao hn, do vy đng dn ngn hn ¸ Kích thc nh hn dn ti đ phc tp tng lên ¸ in nng tiêu th ít hn ¸ H thng có ít các chip liên kt vi nhau, do đó tng đ tin cy 9 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.33 Chng 1: Gii thiu chung Tng trng s transitor trong chip CPU Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.34 Chng 1: Gii thiu chung IBM 360 Family (1964-1968) ¸ Có t model 20 minicomputer (b nh 24 KB) đn model 91 supercomputer đc xây dng cho h thng phòng th tên la Bc M. http://www.beagle-ears.com/lars/engineer/comphist/ibm360.htm Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.35 Chng 1: Gii thiu chung IBM 360/40 ¸ Dùng HH DOS/360 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.36 Chng 1: Gii thiu chung IBM 360/67 ¸ Time sharing system ¸ Phn cng h tr virtual memory ¸ Dùng HH CP-67 ¸ 500 KB RAM 10 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.37 Chng 1: Gii thiu chung IBM 360/91 ¸ c thit k đ x lý d liu tc đ cao cho các ng dng khoa hc nh khám phá không gian, vt lý nguyên t, d báo thi tit toàn cu. ¸ 16.6 triu phép cng/giây  1000 bài toán vi 200 t phép tính/ngày. ¸ 2-6 MB main memory, CPU có 5 đn v x lý đng thi. Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.38 Chng 1: Gii thiu chung PDP-11 (1972) Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.39 Chng 1: Gii thiu chung Siêu máy tính CRAY-1 (1976) Saymour Cray ̌ HH Cray Operating System (COS), ̌ 100-160 triu phép tính du chm đng/giây (megaflops) ̌ X lý d liu vector ̌ 8 MB main memory Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.40 Chng 1: Gii thiu chung 1977 - PC có tích hp màn hình [...]... máy tính 32-bit ng 1: Gi i thi u chung Osborne 1 (1980) - máy tính kh chuy n ¸ Máy tính "có th di chuy n" u tiên, kích th c nh , n ng 24 pound (10,9 kg) Ph m Quang D ng Ch Bài gi ng Ki n trúc máy tính 1.41 ng 1: Gi i thi u chung Ph m Quang D ng Ch Bài gi ng Ki n trúc máy tính 1.42 ng 1: Gi i thi u chung 4 Máy tính dùng vi m ch VLSI Các h th ng máy tính hi n Các s n ph m chính c a công ngh VLSI: ¸ Máy. .. Purple at Lawrence Livermore National Laboratory Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính 1.47 Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính 1.48 12 Ch ng 2: H th ng máy tính N i dung ch Ch ng 2 H TH NG MÁY TÍNH ng 2 2.1 Các thành ph n c a máy tính 2.2 Ho t ng c a máy tính 2.3 Liên k t h th ng Ph m Quang D ng B môn Khoa h c máy tính - Khoa CNTT Tr ng i h c Nông nghi p I – Hà N i website: www.hau1.edu.vn/it/pqdung... trên Bài gi ng Ki n trúc máy tính ¸ ̈ i u khi n r nhánh Ph m Quang D ng ng 2: H th ng máy tính ¸ li u gi a CPU và b nh chính ̈ 2.22 2 Ng t (Interrupt) ¸ ̈ Bài gi ng Ki n trúc máy tính 2.23 Ph m Quang D ng ng trình, ví d : Bài gi ng Ki n trúc máy tính n 2.24 Ch ng 2: H th ng máy tính Ho t Ch ng ng t Ho t ¸ Sau khi hoàn thành m t l nh, b ng t ¸ N u không có ng t å b ch ng trình hi n t i ¸ ng 2: H th ng máy. .. tr khác nhau: ̈ vi t g n s nh phân Bài gi ng Ki n trúc máy tính li u và s C s 10 ¸ d ng i sáu (Hexadecimal System) Dùng ng 3: Bi u di n d 3.2 1 H th p phân H nh phân (Binary System) å ¸ Ch H th p phân (Decimal System) å ¸ h c máy tính Bài gi ng Ki n trúc máy tính 99 999 = 10n - 1 Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính 3.4 Ch ng 3: Bi u di n d li u và s h c máy tính Ch ng 3: Bi u di n d li u và... th b ng 1 ch Hexa 1011 3.15 E 1111 Bài gi ng Ki n trúc máy tính D 1110 Ph m Quang D ng C 1101 i s nh phân å s Hexa: B 1100 Ví d chuy n F Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính 3.16 Ch ng 3: Bi u di n d li u và s h c máy tính 3.2 Mã hoá và l u tr d Ch li u trong máy tính 1 Nguyên t c chung v mã hoá d ¸ M i d li u li u a vào máy tính ¸ Các lo i d li u s D h c máy tính li u nhân t o nguyên: mã hoá... mô un vào-ra ̈ Mô un vào-ra trao i d li u tr c ti p v i b nh chính ̈ ̈ Ph m Quang D ng Ch 2.29 ng 2: H th ng máy tính Bus ¸ Bài gi ng Ki n trúc máy tính Bus ng b n bus C u trúc a bus Ph m Quang D ng Ch ng b và bus không C u trúc Bài gi ng Ki n trúc máy tính 2.30 ng 2: H th ng máy tính 2 C u trúc n bus ng b ̈ Bus có ̈ Các s ng tín hi u Clock ki n trên bus c xác nh b i xung nh p Clock ¸ Bus không ng... c b n: ng theo ch ng trình n m trong b nh chính Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính 2.3 Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính 2.4 Ch ng 2: H th ng máy tính Ch C u trúc c b n c a CPU ng 2: H th ng máy tính Các thành ph n c b n c a CPU nv ¸ nv i u khi n (CU) nv s h c và logic (ALU) i u khi n (Control Unit – CU): ng c a máy tính theo ch T p các thanh ghi (RF) n v s ¸ ng trình ã h c và logic... (Microcontroller): máy tính c ch t o trên m t chip Bài gi ng Ki n trúc máy tính 1.43 Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính 1.44 11 Ch ng 1: Gi i thi u chung Ch M t s H th ng Máy tính nhúng ng 1: Gi i thi u chung Siêu máy tính Earth Simulator c a NEC (2002) ̌ 5200 processor ̌ 35860-40960 GFlops Earth Simulator t i C quan Khoa h c và Công ngh bi n Nh t B n (JAMSTEC), Yokohama, Japan Ph m Quang D ng Ch Bài gi... ánh giá gián ti p thông qua t n s c a xung nh p Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính lý c n kT0 ¸ T0 càng nh å b x ¸ Ví d : Máy tính dùng b x lý ch y càng nhanh lý Pentium IV 2GHz Ta có f0 = 2 GHz = 2x109 Hz å T0 = 1/f0 = 1/(2x109) = 0,5 ns 2.7 Ph m Quang D ng Bài gi ng Ki n trúc máy tính 2.8 Ch ng 2: H th ng máy tính Ch 2 B nh máy tính (Memory) ¸ Ch c n ng: l u tr ¸ ¸ Ghi (Write) Các thành ph... song ng n nh luôn c m nhanh) Bài gi ng Ki n trúc máy tính ng trình và d ch c theo byte Các lo i b nh trong: ̈ Ch a các ch c ánh ng không l n ̈ 2.10 ng 2: H th ng máy tính li u ang i tr c ti p T c Bài gi ng Ki n trúc máy tính B nh chính (Main memory) c i m: Ch a các thông tin mà CPU có th ̈ Ph m Quang D ng 2.11 Ph m Quang D ng có th a ch v t lý c a nh Bài gi ng Ki n trúc máy tính N i dung 00101011 11010101 . 1 1.1. Máy tính và phân loi 1.2. Kin trúc máy tính 1.3. S tin hoá ca máy tính Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.3 Chng 1: Gii thiu chung 1.1. Máy tính và phân loi 1. Máy tính ¸. Memory) Phm Quang Dng Bài ging Kintrúcmáytính 2.10 Chng 2: H thng máy tính Các thành phn ca b nh máy tính Phm Quang Dng Bài ging Kintrúcmáytính 2.11 Chng 2: H thng máy tính B nh trong. d liu mà máy tính có th x lý. 4 Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.13 Chng 1: Gii thiu chung Cu trúc c bn ca máy tính Phm Quang Dng Bài ging Kin trúc máy tính 1.14 Chng