Bài giảng kiến trúc máy tính chương 1 các khái niệm và công nghệ (đh bách khoa TP HCM)

Kiến trúc Máy tính Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Chương Các khái niệm & Cơng nghệ BK TP.HCM Cuộc cách mạng Máy tính  Tiến Công nghệ: theo cấp số   Biến ứng dụng mơ ước trở thành thực       Dựa định luật Moore Lĩnh vực xe Phone cầm tay Các dự án Gen World Wide Web Search Engines Ngày nay, máy tính hữu khắp nơi BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Lịch sử phát triển  Thế hệ thứ I: 1945 - 1955   Thế hệ thứ II: 1955 - 1965   transistors, hệ thống bó (IBM máy tính lớn) Thế hệ thứ III: 1965 – 1980   Đèn chân không, Board mạch Mạch tổ hợps & Đa lập trình (Mini, Main Frame) Thế hệ thứ IV: 1980 – đến    personal computers Siêu máy tính, Data Center, Tính tốn lưới Máy tính bảng với Điện tốn đám mây BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Phân loại Máy tính    BK Máy tính để bàn (Desktop Computers)  Đa năng, Đa dạng phần mềm  Cân đối theo giá thành/Hiệu suất Máy tính Server (Server Computers)  Mơi trường mạng  Dung lượng lớn, Hiệu suất cao, Độ tin cậy tốt  Đủ loại cấp độ (từ nhỏ đến lớn theo yêu cầu lắp đặt) Máy tính nhúng (Embedded computers)  Tích hợp phận hệ thống  Yêu cầu ràng buộc chặt chẽ Công suất/Hiệu suất/Giá thành TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Thị trường tiêu thụ Triệu BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Thực thi chương trình  Phần mềm ứng dụng   Ngôn ngữ cấp cao Phần mềm hệ thống   Biên dịch: Ngôn ngữ cấp cao  Mã máy Hệ điều hành: thực thi dịch vụ     Phần cứng  BK TP.HCM 9/11/2015 Xử lý Xuất/Nhập Quản trị nhớ & lưu trữ Định thời công việc & tài nguyên chung Bộ Xử lý, Bộ nhớ, Điều khiền Nhập/Xuất Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Lộ trình thực lệnh  Ngôn ngữ cấp cao    Hợp ngữ (Assembly lang.)   Cấp độ trìu tượng sát thực với vấn đề Hiệu (productivity) & Uyển chuyển (portability) Các lệnh mã máy trình bày dạng text gợi nhớ Biểu diễn phần cứng   Số nhị phân (bits) Mã máy lệnh & Dữ liệu BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Thành phần máy tính  Giống cho loại, bao gồm (5 thành phần):   Để bàn, server, nhúng Nhập/Xuất bao gồm:  Giao tiếp với người dùng   Thiết bị lưu trữ   Màn hình, bàn phím, chuột Đĩa cứng, CD/DVD, flash Giao tiếp mạng  Liên lạc với máy tính khác BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Mổ xẻ bên máy tính Thiết bị Xuất Cáp nối Mạng Thiết bị Nhập Thiết bị Nhập BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Ví dụ: Laptop BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 10 Cách tính CPI tổng quan   Nếu loại lệnh khác thực với số chu kỳ khác lệnh CPI trung bình trọng số BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 29 Ví dụ: CPI trung bình   Sau biên dịch chương trình với loại lệnh A, B, C cho kết quả: Kết biên dịch 1: IC =  Clock Cycles = 2×1 + 1×2 + 2×3 = 10  Avg CPI = 10/5 = 2.0  Kết biên dịch 2: IC =  Clock Cycles = 4×1 + 1×2 + 1×3 =9  Avg CPI = 9/6 = 1.5 BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 30 Rút Hiệu suất  Cơng thức tổng quan  Phụ thuộc vào yếu tố:     Giải thuật: IC, CPI Ngơn ngữ lập trình: IC, CPI Biên dịch: IC, CPI Kiến trúc tập lệnh: IC, CPI, Tc BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 31 Năng lượng tiêu thụ  Trong công nghệ chế tạo CMOS IC BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 32 Giảm lượng tiêu thụ  Giả sử CPU so với CPU cũ    Ngưỡng lượng tiêu thụ    85% tải Giảm 15% nguồn (V) 15% tần số Không thể tiếp tục giảm nguồn (v) Không thể làm hạn chế nhiệt sinh tăng Vậy cải thiện hiệu suất cách nào? BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 33 Hiệu suất đơn xử lý BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 34 Nhiều xử lý kết hợp  Bộ xử lý đa lõi   Nhiều xử lý chip Yêu cầu lập trình song song tường minh  Compare with instruction level parallelism    Nhiều lệnh phần cứng thực đồng thời Hidden from the programmer Khó khăn    Làm lập trình với hiệu suất cao Cân tải Tối ưu trao đổi liệu đống BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 35 SPEC CPU Benchmark  Tập chương trình để đo hiệu suất   Standard Performance Evaluation Corp (SPEC)   Có tải đặc thù sát với thực tế Phát triển đánh giá (benchmarks) cho CPU, I/O, Web, … SPEC CPU2006    Tổng thời gian thực thi nhóm chương trình chọn để đánh giá  Khơng tính t.gian I/O, tập trung vào CPU Normalize relative to reference machine Summarize as geometric mean of performance ratios  CINT2006 (integer) and CFP2006 (floating-point) BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 36 CINT2006 for Opteron X4 2356 BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 37 SPECpower_ssj2008 for X4 BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 38 MIPS đại lượng đo hiệu suất  MIPS = Millions of Instructions Per Second  Không dùng vào mục đích so sánh    BK Sự khác Kiến trúc tập lệnh máy tính Sự khác vế độ phức tạp lệnh Các chương trình thực CPU có CPI khác TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 39 Quy trình chế tạo mạch  BK Độ lợi (Yield): số chip đạt yêu cầu/mỗi wafer TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 40 AMD Opteron X2 Wafer   X2: 300mm wafer, 117 chips, 90nm technology X4: 45nm technology BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 41 Giá thành mạch tích hợp  Quan hệ phi tuyến với thiết diện Wafe & tỷ lệ lỗi    Giá thành Wafer & thiết diện cố định Tỷ lệ lỗi phụ thuộc vào quy trình sản xuất Thiết diện chip phụ thuộc vào kiến trúc & thiết kế mạch BK TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 42 Kết luận  Giá thành/Hiệu suất ngày cải thiện   Cấu trúc tổ chức phân tầng ý niệm    BK Cả phần cứng lẫn mềm Kiến trúc tập lệnh   Công nghệ phát triển Phần giao Phần cứng/Mềm Thời gian thực thi: cách tốt đo hiệu suất Năng lượng (Power): yếu tố cản trở  Song song hóa cải thiện hiệu suất TP.HCM 9/11/2015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 43 ... TP. HCM 9 /11 /2 015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 36 CINT2006 for Opteron X4 2356 BK TP. HCM 9 /11 /2 015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 37 SPECpower_ssj2008 for X4 BK TP. HCM 9 /11 /2 015 Khoa Khoa... CPI Kiến trúc tập lệnh: IC, CPI, Tc BK TP. HCM 9 /11 /2 015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 31 Năng lượng tiêu thụ  Trong công nghệ chế tạo CMOS IC BK TP. HCM 9 /11 /2 015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy. .. thực thi chương trình    Mất 10 s máy A, 15 s máy B Execution TimeB / Execution TimeA = 15 s / 10 s = 1. 5 Có nghĩa máy A nhanh máy B 1. 5 lần BK TP. HCM 9 /11 /2 015 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 22