Bài giảng cấu trúc máy tính chương 2

Chương Hệ thống máy tính 2.1 Các thành phần máy tính 2.2 Hoạt ñộng máy tính 2.3 Liên kết hệ thống Cấu trúc Máy tính 28 2.1 Các thành phần máy tính Mô hình máy tính Các mô hình máy tính ñược thiết kế dựa kiến trúc Von Neumann Các ñặc ñiểm kiến trúc Von Neumann: Dữ liệu chương trình chứa nhớ ñọc ghi Bộ nhớ ñược ñánh ñịa cho ngăn nhớ không phụ thuộc vào nội dung chúng Máy tính thực lệnh cách Cấu trúc Máy tính 29 2.1 Các thành phần máy tính Sơ ñồ cấu trúc máy tính Bộ xử lý trung tâm (CPU): Điều khiển hoạt ñộng máy tính xử lý số liệu Hệ thống nhớ: chứa chương trình liệu ñang ñược xử lý Hệ thống vào/ra (I/O: Input/Output) : trao ñổi thông tin bên bên máy tính Liên kết hệ thống (Interconnection): kết nối vận chuyển thông tin thành phần với Cấu trúc Máy tính 30 1.Bộ xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) Điều khiển toàn hoạt ñộng máy tính Xử lý liệu (vd: phép toán số học logic) Nguyên tắc hoạt ñộng: CPU hoạt ñộng theo chương trình nằm nhớ CấutrúccơbảnCPU Đơn vị ñiều khiển (CU:Control Unit): Điều khiển hoạt ñộng máy tính theo chương trình ñã ñịnh sẵn Đơn vị số học logic (ALU: Arithmetic And Logic Unit): thực phép toán số học logic liệu cụ thể Tập ghi (RF: Register File): Lưu trữ thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt ñộng CPU Đơn vị nối ghép BUS(BIU: Bus Interface Unit): kết nối trao ñổi thông tin Bus bên Bus bên CPU Chứcnăng: Cấu trúc Máy tính 31 1.Bộ xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) Bộ vi xử lý hoạt ñộng theo xung nhịp(clock) có tần số xác ñịnh Tốc ñộ vi xử lý ñược ñánh giá gián tiếp thông qua tần số xung nhịp Gọi To : chu kỳ xung nhịp, fo =1/To tần số xung nhịp Mỗi thao tác xử lý cần kTo To nhỏ xử lý chạy nhanh Ví dụ: Một máy tính Pentium tốc ñộ 2GHz Ta có fo=2GHz=2.109Hz To= 1/fo=1/2.109= 0.5ns Cấu trúc Máy tính 32 Bộ nhớ máy tính Chức năng: Lưu trữ chương trình liệu Các thao tác bản: Thao tác ñọc liệu (Read) Thao tác ghi liệu (Write) Các thành phần Bộ nhớ (Internal Memory) Bộ nhớ (External Memory) Cấu trúc Máy tính 33 Bộ nhớ trong(Internal Memory) Chức ñặc ñiểm: Chứa thông tin mà CPU trao ñổi trực tiếp Tốc ñộ nhanh Dung lượng không lớn Sử dụng nhớ bán dẫn RAM, ROM Các loại nhớ Bộ nhớ (Main memory) Bộ nhớ Cache (Cache Memory) hay gọi nhớ ñệm Cấu trúc Máy tính 34 Bộ nhớ (main memory) Chứa chương trình liệu ñang ñược sử dụng CPU Bộ nhớ ñược tổ chức thành ngăn nhớ ñược ñánh ñịa Ngăn nhớ thường ñược tổ chức theo byte Nội dung ngăn nhớ thay ñổi ñịa vật lý ñã ñược ñánh không thay ñổi Cấu trúc Máy tính 35 Bộ nhớ ñệm nhanh(cache memory) Đây nhớ bán dẫn có tốc ñộ nhanh chúng ñược ñặt ñệm CPU nhớ nhằm tăng tốc truy xuất CPU tới nhớ Dung lượng nhỏ nhiều nhớ Tốc ñộ nhanh nhiều lần Ngay Cache ñược tích hợp vào vi xử lý suốt với người sử dụng Bộ nhớ Cache thông thường ñược chia thành mức Cache có không Cấu trúc Máy tính 36 Bộ nhớ máy tính Chi tiết cấu trúc nhớ Cache Cấu trúc Máy tính 37 2.3 Liên kết hệ thống Kết nối Module I/O DỮ LIỆU M T&TBNV ĐỊA CHỈ DỮ LIỆU M T&TBNV Module I/O ĐỊA CHỈ T/h ñk ñọc T/h ñk TBNV T/h ñk ghi T/h yêu cầu ngắt Địa chỉ: nhận ñịa ñể xác ñịnh cổng vào Dữ liệu: nhận liệu từ thiết bị ngoại vi, CPU hay nhớ chính, ñưa liệu tới thiết bị ngoại vi, CPU hay nhớ Nhận tín hiệu ñiều khiển từ CPU Phát tín hiệu ñiều khiển ñến TBNV Phát tín hiệu yêu cầu TBNV tới CPU Cấu trúc Máy tính 57 2.3 Liên kết hệ thống Kết nối CPU DỮ LIỆU DỮ LIỆU CPU LỆNH T/h y/c ngắt ĐỊA CHỈ T/h ñkhiển CPU phát ñịa ñến nhớ hay Module vào Đọc lệnh liệu Đưa liệu sau xử lý Phát tín hiệu ñiều khiển ñến Module nhớ hay Module vào Nhận tín hiệu ngắt Cấu trúc Máy tính 58 Cấu trúc BUS Khái niệm BUS: Bus tập hợp ñường dây dùng ñể vận chuyển thông tin từ thành phần tới thành phần khác bên máy tính Độ rộng BUS : số ñường dây có khả vận chuyển bit thông tin ñồng thời Phân loại BUS: theo chức ta chia bus làm loại: BUS ñịa chỉ, BUS liệu BUS ñiều khiển Cấu trúc Máy tính 59 2.3 Liên kết hệ thống BUS ñịa : Chức năng: dùng ñể vận chuyển ñịa từ CPU ñến Module nhớ hay Module vào ra, nhằm ñể xác ñịnh ngăn nhớ hay cổng vào cần truy xuất trao ñổi thông tin (ñây BUS chiều) Độ rộng BUS ñịa (A0,A1,…, An-1) Cho biết khả quản lý cực ñại số ngăn nhớ Nếu sử dụng ñộ rộng bus ñịa n ñường dung lượng cực ñại nhớ quản lý 2n ngăn nhớ hay tương ñương với 2n byte nhớ (nếu ngắn nhớ byte) Cấu trúc Máy tính 60 2.3 Liên kết hệ thống Ví dụ: Bus ñịa số VXL 8088/8086 n=20 80286 n=24 80386…Pentium n=32 Pentium II, III,IV n=36 Cấu trúc Máy tính 220(1MB) 224(16MB) 232(4GB) 236(64GB) 61 2.3 Liên kết hệ thống BUS liệu: Chức năng: vận chuyển lệnh từ nhớ -> CPU, vận chuyển liệu CPU, nhớ cổng vào Độ rộng Bus liệu (D0,D1,….Dm-1) Cho biết số byte có khả trao ñổi ñồng thời m=8,16,32,64,128 bit Ví dụ: 8088 -> m=8 8086 -> m=16 80386 -> m=32 Pentium -> m=64 Cấu trúc Máy tính 62 2.3 Liên kết hệ thống BUS ñiều khiển: Tập hợp tín hiệu ñiều khiển gồm có Các tín hiệu phát từ CPU ñể ñiều khiển Module nhớ Module vào Các tín hiệu từ Module nhớ, Module vào gởi ñến CPU yêu cầu Ngoài BUS cung cấp nguồn tín hiệu xung nhịp (clock) với BUS ñồng Một số tín hiệu ñiển hình Cấu trúc Máy tính 63 2.3 Liên kết hệ thống Tín hiệu (MemR) ñiều khiển ñọc liệu từ nhớ từ ngăn nhớ xác ñịnh (IOR) Tín hiệu ñọc liệu từ cổng vào Tín hiệu (MemW) ñiều khiển ghi liệu có sẵn BUS liệu ñến ngănnhớ xác ñịnh Tín hiệu ñiều khiển (IOW) ghi liệu có sẵn cổng Interrupt Request(INTR) tín hiệu yêu cầu ngắt từ thiết bị ngoại vi Interrupt Acknowlegde(INTA) tín hiệu chấp nhận ngắt phát từ CPU Ngoài có tín hiệu khác như: t/h yêu cầu chấp nhận CPU chuyển nhượng BUS (BRQ,BGT),… Cấu trúc Máy tính 64 2.3 Liên kết hệ thống Đặc ñiểm cấu trúc ñơn BUS Có nhiều thành phần nối vào BUS chung Tại thời ñiểm phục vụ ñược yêu cầu trao ñổi liệu Các thành phần nối vào BUS có tốc ñộ khác Các module nhớ module vào phụ thuộc vào cấu trúc CPU Khắc phục: Xây dựng cấu trúc ña BUS bao gồm hệ thống BUS khác tốc ñộ Bus ñược phân cấp nối với Cbă Cấu trúc Máy tính 66 2.3 Liên kết hệ thống Bộ VXL BUS VXL Cầu nối BUS BUS nhớ Cầu nối BUS BUS vào/ra tốc ñộ chậm Cấu trúc Máy tính 67 Cấu trúc Pentium II ñiển hình Intel Pemtium Cache L1 BUS 66MHz VXL Cache L2 North Brigde 66MHz 66MHz SIMM EDO (16) DIMM SDRAM (66) BUS PCI Khe cắm PCI USB1 USB2 IDE1 South Bridge CMOS & RTC IDE2 BUS ISA Khe cắm ISA Đĩa mềm Bàn phím Chuột Super I/O LPT COM1 COM2 ROM Cấu trúc Máy tính 68 Cấu trúc Pentium Intel Pemtium Processor 4.2 or 3.2 GB/s RDRAM AGP 4X >1 GB/s MCH Dual chanel RDRAM 4.0 GB/s RDRAM RDRAM Inter Hub ATA 100MB/s IDE Architecture LAN Interface 133MB/s PCI ICH2 Channel Audio USB Ports Flash BIOS Cấu trúc Máy tính 69 Ví dụ: Cấu hình máy tính Intel MotherBoard D915PBLL, Socket T ATX 800FSB, DDR2 533, PCI-E 16x, SATA, 8ch Audio & LAN 3.2GHz Pentium IV processor 512 MB DDRAM 80 GB hard disk keyboard and a mouse, foppy disk drive, 24x speed DVD drive, 19" monitor with 1280 x 1024 pixels resolution, 56 Kbit Modem, 100 Mbit Ethernet card Cấu trúc Máy tính 70 Phần trao ñổi giải ñáp Cấu trúc Máy tính 70 Tóm tắt chương Đặc ñiểm kiến trúc Von Neumann Cấu trúc chức hệ thống máy tính Quy trình thực chương trình máy tính Ngắt gì? Tại phải sử dụng ngắt hệ thống máy tính BUS máy tính? Phân loại chức BUS máy tính Cấu trúc ña bus máy tính Nhận diện ñược tất thành phần phần cứng máy tính bạn Cấu trúc Máy tính 71 [...]... trên Cấu trúc Máy tính 46 Ví dụ: Thực hiện chương trình 0001: loader 0010: store 0101: add Cấu trúc Máy tính 47 Ví dụ: Thực hiện chương trình Cấu trúc Máy tính 48 Ví dụ: Thực hiện chương trình Cấu trúc Máy tính 49 Ví dụ: Thực hiện chương trình Cấu trúc Máy tính 50 2 Ngắt (Interrupt) Khái niệm chung về ngắt: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình ñang thực hiện chuyển sang thực hiện một chương. .. n ñường thì dung lượng cực ñại của bộ nhớ có thể quản lý là 2n ngăn nhớ hay tương ñương với 2n byte nhớ (nếu mỗi ngắn nhớ 1 byte) Cấu trúc Máy tính 60 2. 3 Liên kết hệ thống Ví dụ: Bus ñịa chỉ của một số bộ VXL là 8088/8086 n =20 8 028 6 n =24 80386…Pentium n= 32 Pentium II, III,IV n=36 Cấu trúc Máy tính 22 0(1MB) 22 4(16MB) 23 2(4GB) 23 6(64GB) 61 2. 3 Liên kết hệ thống BUS dữ liệu: Chức năng: vận chuyển lệnh... máy in, màn hình,… Thiết bị nhớ: ñĩa từ, quang,… Thiết bị truyền thông: Modem,… Cấu trúc Máy tính 41 Module vào ra Chức năng: nối ghép thiết bị ngoại vi với máy tính Mỗi Module có 1 hay nhiều cổng vào ra Mỗi cổng ñược ñánh ñịa chỉ xác ñịnh Các thiết bị ngoại vi ñược kết nối với máy tính thông qua cổng vào ra (ví dụ: COM, LPT, USB, VGA,…) Cấu trúc Máy tính 42 2 .2 Hoạt ñộng của máy tính 1 Thực hiện chương. .. Các Module I/O (IO Module) Cấu trúc Máy tính 39 Hệ thống vào ra (Input/Output System) Cấu trúc vào ra cơ bản P o r t I /O Tbị ngoại vi 1 P o r t I /O Tbị ngoại vi 2 P o r t I /O Tbị ngoại vi n Mo_ dule I/O Bus máy tính Cấu trúc Máy tính 40 Thiết bị ngoại vi (Peripherals) Các thiết bị ngoại vi (Peripherals) - Chức năng: chuyển ñổi thông tin từ bên ngoài thành dữ liệu máy tính và ngược lại - Các thiết... chương trình Là hoạt ñộng cơ bản của Máy tính Máy tính lặp ñi lặp lại quá trình thực hiện lệnh gồm hai bước cơ bản: Nhận lệnh (Fetch) Thực hiện lệnh (Execute) Thực hiện chương trình dừng khi: Mất nguồn Gặp lệnh dừng Gặp tình huống không giải quyết ñược(lỗi) Cấu trúc Máy tính 43 Chu kỳ thực hiện lệnh Begin Nhận lệnh Thực thi lệnh End Cấu trúc Máy tính 44 1 Thực hiện chương trình Nhận lệnh (Fetch) Bắt... vậy có thể xảy ra tình trạng ngắt lồng nhau Cấu trúc Máy tính 54 3 Hoạt ñộng vào ra Là hoạt ñộng trao ñổi dữ liệu giữa thiết bị ngoại vi với bên trong máy tính Các kiểu hoạt ñộng I/O: CPU trao ñổi dữ liệu với module vào ra Module vào ra trao ñổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ chính Cấu trúc Máy tính 55 2. 3 Liên kết hệ thống 1 Thông tin các thành phần trong máy tính Kết nối Module nhớ bao gồm DỮ LIỆU ĐỊA... theo Nếu có tín hiệu ngắt: Tạm dừng chương trình ñang thực hiện Cất ngữ cảnh (thông tin có liên quan ñến chương trình ñang thực hiện) Thiết lập bộ ñếm chương trình PC trỏ ñến chương trình con phục vụ ngắt Thực hiện chương trình con phục vụ ngắt Cuối chương trình con phục vụ ngắt Khôi phục lại ngữ cảnh và tiếp tục chương trình ñang bị tạm dừng Cấu trúc Máy tính 52 2 Ngắt (Interrupt) Chu kỳ lệnh với ngắt... TBNV Phát tín hiệu yêu cầu của TBNV tới CPU Cấu trúc Máy tính 57 2. 3 Liên kết hệ thống Kết nối CPU DỮ LIỆU DỮ LIỆU CPU LỆNH T/h y/c ngắt ĐỊA CHỈ T/h ñkhiển CPU phát ñịa chỉ ñến bộ nhớ hay Module vào ra Đọc lệnh và dữ liệu Đưa dữ liệu ra sau khi xử lý Phát tín hiệu ñiều khiển ñến Module nhớ hay Module vào ra Nhận các tín hiệu ngắt Cấu trúc Máy tính 58 2 Cấu trúc BUS Khái niệm BUS: Bus là tập hợp các... ñầu Nhận lệnh Thực hiện N Ngắt? Dừng Y Cấu trúc Máy tính Chương trình con phục vụ ngắt 53 2 Ngắt (Interrupt) Xử lý tín hiệu ngắt Cấm ngắt: Bộ xử lý bỏ qua các ngắt tiếp theo trong khi ñang xử lý ngắt Các ngắt vẫn ñang ñợi và ñược kiểm tra sau khi ngắt ñầu tiên ñược thực hiện xong Các ngắt ñược thực hiện tuần tự nếu cùng thứ tự ưu tiên Các ngắt trong máy tính máy tính ñược ñịnh nghĩa mức ñộ ưu tiên khác... -> CPU, vận chuyển dữ liệu giữa CPU, bộ nhớ và cổng vào ra Độ rộng của Bus dữ liệu (D0,D1,….Dm-1) Cho biết số byte có khả năng trao ñổi ñồng thời m=8,16, 32, 64, 128 bit Ví dụ: 8088 -> m=8 8086 -> m=16 80386 -> m= 32 Pentium -> m=64 Cấu trúc Máy tính 62 2.3 Liên kết hệ thống BUS ñiều khiển: Tập hợp các tín hiệu ñiều khiển gồm có Các tín hiệu phát ra từ CPU ñể ñiều khiển Module nhớ và Module vào ra Các tín ... tác Cấu trúc Máy tính 46 Ví dụ: Thực chương trình 0001: loader 0010: store 0101: add Cấu trúc Máy tính 47 Ví dụ: Thực chương trình Cấu trúc Máy tính 48 Ví dụ: Thực chương trình Cấu trúc Máy tính. .. chúng Máy tính thực lệnh cách Cấu trúc Máy tính 29 2. 1 Các thành phần máy tính Sơ ñồ cấu trúc máy tính Bộ xử lý trung tâm (CPU): Điều khiển hoạt ñộng máy tính xử lý số liệu Hệ thống nhớ: chứa chương. .. ñáp Cấu trúc Máy tính 70 Tóm tắt chương Đặc ñiểm kiến trúc Von Neumann Cấu trúc chức hệ thống máy tính Quy trình thực chương trình máy tính Ngắt gì? Tại phải sử dụng ngắt hệ thống máy tính BUS máy