KIẾN TRÚC CÁC HỆ THỐNG TÍNH TOÁN - CHƯƠNG 1 pdf

1 KIẾN TRÚC CÁC HỆ THỐNG TÍNH TOÁN Nguyễn Phú Bình Trần Trung Kiên Bộ môn KTMT - Khoa CNTT Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 2 Lưu ý của tác giả  Không được tự ý sao chép hay quảng bá bài giảng này khi chưa được sự đồng ý của các tác giả.  Địa chỉ liên hệ của các tác giả: Nguyễn Phú Bình Email: ngphubinh@yahoo.com Mobile: 0983533925 Website: http://phubinh.vicosoft.com/ktmt Trần Trung Kiên Email: trankien_bk@yahoo.com Mobile: 0914919392 Bộ môn Kỹ thuật Máy tính Khoa Công nghệ Thông tin Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội C1- P322, Tel: 8696125 Website: http://ktmt.shorturl.com 3 Mục đích của môn học  Giúp sinh viên:  Nắm được những nguyên tắc cơ bản của xử lý song song và thực hiện cơ chế song song trong các hệ tính toán khác nhau  Làm quen với các đặc điểm về hiệu suất và hiệu năng của hệ thống song song, các điểm đặc biệt trong việc thực hiện các giải thuật song song trên các hệ thống tính toán.  Nắm được khái niệm về các lớp hệ thống tính toán song song hiện đại. 4 Yêu cầu của môn học  Yêu cầu sinh viên cần phải có kiến thức về Kiến trúc máy tính, Vi xử lý và Hệ điều hành.  Kết thúc môn học sinh viên cần phải:  Nắm được các kiểu cấu trúc cơ bản của các hệ thống tính toán hiện đại hiệu năng cao, sơ đồ phân loại các hệ thống tính toán song song, nguyên tắc tổ chức và các chức năng của chúng.  Biết cách tiến hành so sánh các hệ thống tính toán hiện đại và ứng dụng chúng để giải quyết các lớp bài toán khác nhau.  Nắm được khái niệm về sự phát triển của các hướng nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực kiến trúc hệ thống tính toán. 5 Tài liệu tham khảo  Hesham El-Rewini, Mostafa Abd-El-Barr, Advanced Computer Architecture And Parallel Processing, John Wiley & Sons, Inc., 2005.  Ananth Grama, Anshul Gupta, George Karypis, Vipin Kumar, Introduction to Parallel Computing, Addison Wesley, 2003. 6 Kiến trúc các hệ thống tính toán Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN Nguyễn Phú Bình – Trần Trung Kiên Bộ môn Kỹ thuật Máy tính, Khoa Công nghệ Thông tin Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 7 Nội dung chương 1 1.1. Sự phát triển của máy tính và kiến trúc song song 1.2. Các mức song song của hệ thống 1.3. Hiệu năng của hệ thống song song 1.4. Phân loại các hệ thống song song 1.5. Các hệ thống song song hiện đại 8 1.1. Sự PT của MT và kiến trúc song song  Từ khi ra đời cho đến nay, máy tính điện tử đã phát triển qua 4 thế hệ:  Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1946 - 1955)  Thế hệ 2: Máy tính dùng transistor (1956-1965)  Thế hệ 3: Máy tính dùng vi mạch tích hợp (1966-1980)  Thế hệ 4: Máy tính dùng vi mạch tích hợp VLSI (1981-nay) 9 Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn điện tử  1946: John Mauchley và J.Presper Eckert chế tạo ra ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) - máy tính điện tử đa năng đầu tiên:  Gồm gần 18000 đèn điện tử chân không và 1500 rơle điện tử  Nặng 30 tấn, chiếm diện tích 170m 2 , tiêu thụ 170KW  Có 20 thanh ghi, mỗi thanh ghi chứa được 1 số thập phân 10 chữ số  Xử lý số ở hệ thập phân  Bộ nhớ chỉ lưu trữ dữ liệu  Hoạt động bằng cách thiết lập vị trí của các công tắc và các cáp nối 10 Đèn điện tử chân không [...]... để giải quyết nhanh hơn các bài toán lớn 27 Nội dung chương 1 1 .1 Sự phát triển của máy tính và kiến trúc song song 1. 2 Các mức song song của hệ thống 1. 3 Hiệu năng của hệ thống song song 1. 4 Phân loại các hệ thống song song 1. 5 Các hệ thống song song hiện đại 28 1. 2 Các mức song song của hệ thống 1 Song song mức bộ nhớ 2 Song song mức bộ xử lý 29 1 Song song mức bộ nhớ  Có 2 mô hình: a Mô hình bộ... hợp  Cho phép xây dựng các siêu máy tính mạnh hơn  19 76: CRAY -1 do Cray Research Corporation thiết kế  Thực hiện được 16 0 triệu lệnh/s  Có đến 8MB bộ nhớ  Bộ vi xử lý (microprocessor) – CPU được chế tạo trên 1 chip ra đời (19 71: Intel 4004 – bộ vi xử lý 4 bit) 19 Siêu máy tính CRAY -1 20 Intel 4004 - Bộ vi xử lý đầu tiên 21 Thế hệ 4: Máy tính dùng vi mạch VLSI  Các công nghệ mạch tích hợp:  SSI... Neumann Kiến trúc Von Neumann Máy IAS (19 4 7 -1 952) do Von Neumann thiết kế 13 Thế hệ 2: Máy tính dùng Transistor  19 47: John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley phát minh ra transistor ở Bell Labs (Mỹ)  Các máy tính thế hệ này nhanh hơn, nhỏ gọn hơn và tiêu thụ điện năng ít hơn so với thế hệ trước 14 Một số máy tính thế hệ 2  Công ty DEC (Digital Equitment Corporation):  19 60: máy PDP -1 (Programmed... sẻ (Shared-Memory) 30 a Mô hình bộ nhớ riêng biệt 31 Mô hình bộ nhớ riêng biệt  Hệ thống được tạo bởi các máy tính riêng biệt kết nối với nhau bằng mạng nội bộ tốc độ cao  Những hệ thống song song kiểu này được gọi là hệ thống Boewufs hay Beowulf Cluster (hệ thống bó Beowulf) Các máy tính trong Cluster có thể là các máy tính cá nhân, các máy trạm (đơn bộ xử lý hoặc đa bộ xử lý đối xứng - SMP)  Mô... trong các chu trình lệnh, CPU sẽ lãng phí một vài chu kỳ đồng hồ để chờ đợi quá trình truy cập bộ nhớ  Kiến trúc song song là một giải pháp hữu hiệu để tăng năng lực cho các hệ thống tính toán 26 Kiến trúc máy tính song song  Định nghĩa của Alamsi và Gottlieb (19 89): Máy tính song song là máy tính bao gồm một tập các bộ xử lý tương tác với nhau và cùng phối hợp để giải quyết nhanh hơn các bài toán. .. ENIAC 11 Thiết kế của von Neumann/Turing  Dựa trên ý tưởng chương trình được lưu trữ (storedprogram concept)  Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu  ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân  Đơn vị điều khiển giải mã lệnh từ bộ nhớ và thực hiện  Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động của các thiết bị vào-ra  Trở thành mô hình cơ bản của các thế hệ máy tính sau này 12 Kiến trúc Von Neumann Kiến. .. triệu lệnh/s Trị giá 10 triệu USD 15 Máy PDP -1 và CDC 6600 16 Thế hệ 3: Máy tính dùng mạch tích hợp  Mạch tích hợp (Integrated Circuit – IC) hay còn gọi là vi mạch, là các chip bán dẫn trong đó chứa các transistor và các linh kiện khác khuôn Tấm chắn Vỏ (package) 17 Quy trình chế tạo IC Layout của các lớp vi mạch Sản xuất wafer In li-tô Cưa wafer thành khuôn Đóng vỏ cho khuôn 18 Công nghệ mạch tích hợp... (Small scale integration) – từ 19 65  Tích hợp tới 10 0 transistor trên một chip  MSI (Medium scale integration) – cho đến 19 71  Tích hợp từ 10 0 đến 3,000 transistor trên một chip  LSI (Large scale integration) – từ 19 71 đến 19 77  Tích hợp từ 3,000 đến 10 0,000 transistor trên một chip  VLSI (Very large scale integration) – từ 19 78 đến nay  Tích hợp từ 10 0,000 đến 10 0,000,000 transistor trên một... Các loại máy tính phổ biến hiện nay       Máy tính nhúng (Embedded Computer) Máy tính cá nhân (Personal Computer - PC) Máy trạm làm việc (Workstation) Máy chủ (Server) Máy tính lớn (Mainframe Computer) Siêu máy tính (Super Computer) 25 Đặc điểm của kiến trúc Von Neumann  Tốc độ của bộ xử lý ngày càng được nâng cao và nhanh hơn so với tốc độ truy cập bộ nhớ  Hiện tượng thắt cổ chai (bottle-neck):... hơn 10 0,000,000 transistor trên một chip 22 Các công nghệ sản xuất máy tính 23 Các sản phẩm của công nghệ VLSI  Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên một chip  Các vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset): các vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép  Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory), gồm hai loại chính: ROM và RAM  Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy tính . dung chương 1 1 .1. Sự phát triển của máy tính và kiến trúc song song 1. 2. Các mức song song của hệ thống 1. 3. Hiệu năng của hệ thống song song 1. 4. Phân loại các hệ thống song song 1. 5. Các hệ thống. Máy tính dùng transistor (19 5 6 -1 965)  Thế hệ 3: Máy tính dùng vi mạch tích hợp (19 6 6 -1 980)  Thế hệ 4: Máy tính dùng vi mạch tích hợp VLSI (19 8 1- nay) 9 Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn điện tử  19 46:. của các thiết bị vào-ra  Trở thành mô hình cơ bản của các thế hệ máy tính sau này 13 Kiến trúc Von Neumann Kiến trúc Von Neumann Máy IAS (19 4 7 -1 952) do Von Neumann thiết kế 14 Thế hệ 2: Máy tính