slide bài giảng kiến trúc máy tính và hệ điều hành chương 1 mở đầu và kiến trúc máy tính vonneumann

NHỮNG CỘT MỐC TRONG LĨNH VỰC KIẾN TRÚC MÁY TÍNH ĐẦU... NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢNMáy tính điện tử làm việc theo hai nguyên lý cơ bản: + Nguyên lý số Digital: sử dụng các trạng

Trang 1

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH

Trang 2

+ Nắm được quá trình phát triển của máy tính điện

tử, đặc biệt là kiến trúc máy tính

MỤC TIÊU

+ Cung cấp các kiến thức cơ sở về hệ điều hành – một trong những thành phần quan trọng nhất của phần mềm hệ thống

+ Nắm được quá trình hình thành, phát triển và cách khai thác một số hệ điều hành thông dụng

Trang 3

+ Kiến trúc máy tính – Nguyễn Đình Việt

TÀI LIỆU THAM

Trang 4

1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN

1.2 NHỮNG CỘT MỐC TRONG LĨNH VỰC

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

ĐẦU

Trang 5

Máy tính dùng để chỉ mọi phương tiện được sử dụng để thực hiện các phép biến đổi toán học

1.1.1 Máy tính

Bảng tính Máy tính bỏ túi Máy tính điện tử

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU

Trang 6

Máy tính điện tử làm việc theo hai nguyên lý cơ bản: + Nguyên lý số (Digital): sử dụng các trạng thái rời rạc của một đại lượng vật lý để biểu diễn số liệu

+ Nguyên lý tương tự (Analog): sử dụng một đại lượng vật lý biến đổi liên tục để biểu diễn số liệu

Trang 7

1.1.2 Nguyên lý xây dựng và sự phân loại máy tính

điện tử

1.1.2.1 Các nguyên lý xây dựng máy tính điện tử

Ví dụ về tình trạng rời rạc của đại lượng vật lý theo nguyên lý số được thể hiện trong bảng 1 – 01

Linh kiện Đại lượng vật lý Trạng thái 1 Trạng thái 2

Chuyển mạch điện tử Dòng điện Có (nối mạch) Không (ngắt mạch) Lõi ferit Trường từ tính Tồn tại Đảo từ (đảo hướng) Điôt/Transitor Dòng điện Dẫn điện Không dẫn điện

Trang 8

điện tử

1.1.2.1 Các nguyên lý xây dựng máy tính điện tử

Thí dụ về đại lượng vật lý biến đổi liên tục theo nguyên lý tương tự được thể hiện trong bảng 1 - 02

Thiết bị Đại lượng vật lý

Thước tính Chiều dài

MTĐT tương tự Điện áp

Trang 9

điện tử

1.1.2.2 Phân loại máy tính điện tử

Phương pháp phân loại theo nguyên lý xây dựng máy tính điện tử:

* Máy tính số (Digital Computer)

Máy tính số là loại máy tính sử dụng các đại lượng vật lý biến thiên rời rạc (dạng số) để biểu diễn các đại lượng cần tính toán

Trang 10

điện tử

+ Phân loại máy tính số theo cách thực thi hành chương trình:

- Máy tính số liên tiếp

- Máy tính số song song

- Máy tính số liên tiếp - song songNgày nay, các cơ chế thực hiện song song được áp dụng

ở các mức độ khác nhau để nâng cao tốc độ hoạt động chung của MTĐT

Trang 11

điện tử

+ Phân loại máy tính số theo nhiệm vụ mà người thiết

Trang 12

điện tử

Máy tính tương tự là loại máy tính sử dụng các đại lượng vật lý biến thiên liên tục để biểu diễn các đại lượng cần tính toán

* Máy tính tương tự (Analog Computer)

Trang 13

điện tử

Nhược điểm: độ chính xác không cao, hoạt động không mềm dẻo, khả năng giải bài toán phụ thuộc vào phần cứng của máy, được sử dụng cho những ứng dụng

có tính chất chuyên biệt

* Máy tính tương tự (Analog Computer)

MTS giải được hầu như mọi loại bài toán toán học

và các tính toán logic phức tạp với tốc độ thực hiện, độ chính xác và độ tin cậy ngày càng cao

Trang 14

điện tử

Là loại máy tính kết hợp nguyên lý số và tương

tự Trong quá trình tính toán, hai nửa này truyền dữ liệu cho nhau thông qua các bộ chuyển đổi (converter)

* Máy tính lai (Hybrid Computer)

Việc đồng bộ hoạt động của hai nửa có thể do một đơn vị điều khiển riêng hoặc do đơn vị điều khiển của máy tính số đảm nhiệm

Trang 15

1.2 NHỮNG CỘT MỐC LỊCH SỬ TRONG LĨNH VỰC KTMT

1.2.1 Thế hệ số không - Máy tính cơ khí (1642 - 1945)

Blases Pascal (1642) Baron Gottfried

von Leibniz (1672)

Trang 16

Charles Babbage (Analitical Engine)

- “the store”

- “the mill”

- “the input section”

- “the output section”

Ông tổ của máy tính số hiện đại

Trang 17

Konrad Zuse (1930)

Trang 19

Trang 20

1.2.2 Thế hệ thứ nhất - Máy tính dùng đèn điện tử

(1945 - 1955)

Máy tính điện tử đầu tiên đưa vào hoạt động EDSAC (1949) - Maurice Wilkes

Trang 21

1.2.2 Thế hệ thứ nhất - Máy tính dùng đèn điện tử (1945 - 1955)

Máy tính điện tử ILLIAC - Đại học Tổng hợp Illinois

Trang 22

Máy tính điện tử EDVAC - Mauchley và Eckert

Trang 23

Máy tính điện tử IAS - John von Neumann

Trang 24

Trang 25

1.2.3 Thế hệ thứ hai - Máy tính dùng Transistor (1955

- 1965)

John Barden, Walter Brattain và William Shockley đã sáng chế ra transistor

ở phòng thí nghiệm Bell năm 1948

Trang 26

- 1965)

Máy tính dùng Transistor đầu tiên được chế tạo ở phòng thí nghiệm Lincoln

TX - 0

Trang 27

- 1965)

PDP - 1 do DEC chế tạo năm 1961 bởi Kenneth Olsen

Trang 28

- 1965)

PDP - 8 do DEC chế tạo vài năm sau đó

Trang 29

- 1965)

Trang 30

- 1965)

IBM 1401

Trang 31

- 1965)

CDC 6600

Trang 32

1.2.4 Thế hệ thứ ba - Máy tính dùng Mạch tích hợp (1955 - 1965)

Mạch tích hợp (còn gọi là mạch vi điện tử - IC)

Trang 33

IBM System/360

Trang 34

Trang 35

Trang 36

1.2.5 Thế hệ thứ tư - Máy tính dùng Mạch VLSI (1980

- )

Mạch tổ hợp ở mức độ rất cao (Very Large Scale Integrator - VLSI)

Trang 37

- )

Microcomputer (Personal Computer - PC) qua các thời kỳ

Trang 38

- )

Minicomputer

Supermini

Trang 39

- )

Mainframe

Supercomputer

Trang 40

- )

Cray - 3

Trang 41

5 kiểu máy tính hiện nay

Kiểu máy

Tốc độ điển hình (MIPS)

Dung lượng bộ nhớ điển hình (MB)

Ví dụ về tên máy ứng dụng Ví dụ về

Trang 42

- Tín hiệu điện nằm trong khoảng 0V - 1V (mức thấp): 0

- Tín hiệu điện nằm trong khoảng 2V - 5V (mức cao): 1Cổng - cơ sở phần cứng của tất cả các loại máy tính

- Có một số lối vào (input)

- Có một lối ra (output)

Trang 43

Đảo giá trị logic: 0  1, 1  0Thời gian: vài nano giây (1ns = 10-9s)

Trang 45

1.3 CÁC CỔNG VÀ ĐẠI SỐ LOGIC

1.3.2 Một số cổng cơ bản

* Cổng NAND:

Trang 46

1.3.2 Một số cổng cơ bản

* Cổng NOR:

Trang 48

1.3.3 Đại số logic

Để mô tả các mạch điện được xây dựng từ các cổng, chúng

ta cần sử dụng đại số logic (Boolean algebra)

Trang 49

: (A = 1 and B = 0) or (B = 1 and C = 0)+ Hàm n biến: tổng của nhiều nhất là 2n hạng thức tích n biến

Trang 50

1.3.4 Sự thực hiện các hàm logic

+ Cách xây dựng một mạch điện để thực hiện một hàm logic:

1 Viết bảng chân lý của hàm

2 Sử dụng các cổng NOT để tạo ra các giá trị đảo của biến

3 Với mỗi hạng thức có một con 1 ở cột kết quả: lấy ra một cổng AND

4 Nối đầu vào các cổng AND tới các tín hiệu vào phù hợp

5 Đưa các đầu ra của các cổng AND vào các đầu vào của một cổng OR

Trang 52

+ Xây dựng được mọi hàm logic

Trang 53

1.3.5 Sự tương đương của các mạch

Trang 56

(A+C) A(B+C) = AB+ACĐịnh luật hấp thụ A(A+B)=A A+AB=A

Định luật De Morgan

Trang 59

1.4 CÁC MẠCH LOGIC SỐ CƠ BẢN

1.4.1 Mạch tích hợp - Intergrated Circuits (IC)

+ Kích thước: rộng cỡ 5 - 15 mm, dài cỡ 20 - 50 mm

Trang 60

Integrated) > 100.000

+ Hiện nay có thể đặt hàng triệu cổng trong một chip

Chip có 1 triệu cổng cần tới 3.000.002 chân+ Thiết kế các chip sao cho tỉ số cổng/chân ra cao

Trang 61

1.4.1 Mạch tích hợp - Intergrated Circuits (IC)

Trang 63

1.4.2 Các mạch tổ hợp (Combinational Circuit)

+ Bộ dồn kênh

Trang 64

+ Bộ phân kênh

Trang 65

+ Bộ giải mã

Trang 66

0 +5V

9

Trang 68

+ Bộ so sánh

Trang 69

+ Mảng logic định trình được

Trang 70

12 biến

vào

24 đường vào

24 tín hiệu

vào

50 đường vào

6 tín hiệu

ra

Trang 71

1.4.2 Các mạch số học(Combinational Circuit)

+ Bộ dịch (Shifter)

Trang 73

1.4.2 Các mạch số học(Combinational Circuit)

+ Bộ cộng (Adder)

Trang 76

+ Thanh ghi 8 bit lưu số 59 ở hệ 10 Hãy cho biết trị nhị phân

và thập phân ở ngõ ra khi ENABLE = 0 và ENABLE = 1

Trang 81

A B C D

Y E

+ Cho biết trị ngõ ra của

mạch dưới khi tất cả các

ngõ vào đều cao hoặc đều

thấp:

Trang 82

BÀI TẬP

+ Vẽ mạch logic cho phương trình sau:

Trang 83

2.1 MÔ HÌNH MÁY TÍNH THEO KIẾN TRÚC

VONNEUMANN

CHƯƠNG 2 : KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

VONNEUMANN

Trang 84

VONNEUMANN

VONNEUMANN

Trang 85

Thiết bị ra OUTPUT DEVICES

Bộ nhớ trong MAIN MEMORY

Bộ Số học - Logic

ALU

Bộ điều khiển

CU

Trang 86

VONNEUMANN

VONNEUMANN

+ Bộ nhớ trung tâm: chứa các chương trình và dữ liệu

+ Bộ điều khiển: điều khiển sự hoạt động của hệ thống

+ Bộ số học và logic: thực hiện các thao tác tính toán

+ Thiết bị vào: nhận thông tin từ bên ngoài đưa vào bộ nhớ+ Thiết bị ra: đưa thông tin số từ bộ nhớ trong ra ngoài

Trang 87

VONNEUMANN

VONNEUMANN

 Mô tả sự hoạt động của máy tính:

 Chương trình và số liệu được đưa vào bộ nhớ RAM

 Lệnh đầu tiên trong tập lệnh được đưa vào CU

 CU giải mã, tính địa chỉ các toán hạng

 CU phát tín hiệu điều khiển để lấy các toán hạng đưa

vào các thanh ghi bên trong ALU

 CU phát tín hiệu điều khiển tới ALU để ALU thực hiện

các phép toán

Trang 88

VONNEUMANN

VONNEUMANN

 Mô tả sự hoạt động của máy tính:

 CU tiếp tục giải mã, sẽ có 2 trường hợp:

 Mã lệnh cho biết cần tiến hành rẽ nhánh

 Mã lệnh cho biết không cần rẽ nhánh

 Quá trình lặp lại bước 2 cho lệnh tiếp theo của tập lệnh

cho đến khi gặp lệnh kết thúc chương trình

Chu kỳ tìm nạp - giải mã - thực thi lệnh

(fetch - decode - excute)

Trang 89

Trang 90

2.2 BỘ XỬ LÝ - PROCESSORS

VONNEUMANN

Trang 91

VONNEUMANN

Trang 93

VONNEUMANN

2.2.1 Sự thi hành các chỉ thị

 Lấy chỉ thị tiếp theo từ bộ nhớ đặt vào thanh ghi chỉ thị IR

 Thay đổi con đếm chương trình để trỏ tới chỉ thị tiếp theo

 Xác định kiểu của chỉ thị vừa lấy về

 Nếu chỉ thị sử dụng dữ liệu trong bộ nhớ thì xác định vị

Trang 94

VONNEUMANN

Trang 95

VONNEUMANN

Trang 96

VONNEUMANN

Trang 97

VONNEUMANN

Trang 98

- Kích thước: 20 - 300 chỉ thị

- Tập chỉ thị phức tạp chưa hẳn là tốt hơn tập chỉ thị đơn giản

- Trình biên dịch ngôn ngữ lập trình bậc cao làm việc tốt hơn trên máy có tập chỉ thị đơn giản  máy RISC

- RISC (Reduced Instruction Set Computer)

- CISC (Complex Instruction Set Computer)

Trang 99

 Các chỉ lệnh được phân tích nhỏ thành vi chỉ lệnh để thực thi nhờ vi chương trình

 Độ dài cũng như kích thước các chỉ lệnh thay đổi

Trang 100

VONNEUMANN

Trang 101

VONNEUMANN

2.2.2 Tổ chức CPU

Các thanh ghi (registers)

thanh ghi vào ALU (ALU input register)

thanh ghi ra ALU (ALU output register)

Trang 102

VONNEUMANN

Trang 103

VONNEUMANN

Trang 104

VONNEUMANN

+ Dựa vào vị trí của toán hạng:

 Thanh ghi - bộ nhớ (register - memory)

 Thanh ghi - thanh ghi (register - register)

 Bộ nhớ - bộ nhớ (memory - memory)

Trang 105

VONNEUMANN

2.2.3 Sự thực hiện song song các lệnh

+ Nâng cao tốc độ hoạt động của máy tính:

 Nâng cao tốc độ hoạt động của phần cứng

 Hoạt động song song các phần cứng:

 SISD (Single Instruction stream, Single Data stream)  SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data

stream)  MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream)

Định dạng
Số trang	212
Dung lượng	16,3 MB