Giáo trình Kiến trúc máy tính - TS. Vũ Đức Lung

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LỜI NĨI ðẦU TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN o0o Giáo trình KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Biên soạn: TS Vũ ðức Lung 2009 Với mục tiêu đưa mơn học chun ngành công nghệ thông tin vào học từ học kỳ đầu trường ðại học Cơng nghệ thơng tin, giáo trình Kiến trúc máy tính biên soạn ñặc biệt cho mục ñích ñược ñịnh hướng cho sinh viên nghành công nghệ thông tin năm thứ Giáo trình Kiến trúc máy tính trình bày vấn ñề chung nhất, thành phần cấu thành nên máy tính đại nhằm trang bị cho sinh viên nội dung chủ yếu chương sau: Chương I: Trình bày lịch sử phát triển máy tính tích máy tính giai đoạn, hệ máy tính, định hướng phát triển máy tính cách phân loại máy tính Chương II: Giới thiệu ngun lý hoạt động chung tính chất phận yếu máy tính như: xử lý (CPU), mạch (Mainboard), thiết bị lưu trữ liệu, loại nhớ RAM, Card đồ họa, hình Ngồi cịn cho thấy hình dáng tích hợp phận với nhằm giúp sinh viên tự mua sắm, lắp ráp máy tính cho Chương III: Trình bày cách biến đổi hệ thống số (như hệ thập phân, hệ nhị phân, hệ bát phân, hệ thập lục phân), cách ñể biểu diễn liệu, cách thực phép tính số học cho hệ nhị phân Chương IV: Các cổng ñại số Boolean, ñịnh lý ñại số Boolean, cách ñơn giản hàm Boolean mạch số, cách biểu diễn mạch số qua hàm Boolean ngược lại, mạch tổ hợp bản, cách thiết kế mạch ñơn giản Chương V: Trình bày ngun lý họat động mạch lật, flip-flop, qui trình thiết kế mạch đưa ví dụ cụ thể cho việc thiết kế Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Chương VI: Phân loại kiến trúc lệnh, cách bố trí địa nhớ, cách mã hóa tập lệnh, lệnh máy tính qua lệnh hợp ngữ assembler Chương VII: Giới thiệu cấu trúc xử lý trung tâm: tổ chức, chức nguyên lý hoạt ñộng phận bên xử lý tính tốn logic số học, điều khiển, tập ghi Ngồi cịn trình bày cách tổ chức đường liệu, diễn biến q trình thi hành lệnh kỹ thuật ống dẫn Chương VIII: Trình bày cấp nhớ, thiết kế nguyên lý hoạt ñộng loại nhớ Phương pháp ñánh giá hiệu cấp nhớ Các chiến thuật thay khối nhớ, trang nhớ chiến thuật ghi vào nhớ Như nói trên, giáo trình nhằm giảng dạy cho sinh viên năm thứ kiến thức đưa ðể hiểu sâu vấn ñề nên xem thêm sách tham khảo cuối giáo trình Mặc dù cố gắng biên soạn công phu kỹ lưỡng, nhiên khó tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong ñón nhận ñóng góp ý kiến Thầy, bạn ñồng nghiệp, bạn sinh viên bạn đọc nhằm chỉnh sửa giáo trình hồn thiện Cuối xin chân thành cảm ơn góp ý q giá đồng nghiệp biên soạn giáo trình Vũ ðức Lung ChươngPDF I: GiớiMerge thiệu and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Simpo Chương I: Giới thiệu 1.1 Lịch sử phát triển máy tính Trong q trình phát triển cơng nghệ máy tính, người ñã chế tạo hàng ngàn loại máy tính khác Rất nhiều số máy tính bị qn lãng đi, số cịn nhắc lại ngày ðó máy tính với ý tưởng thiết kế nguyên lý hoạt ñộng ñộc ñáo tạo nên tầm ảnh hưởng lớn đến máy tính hệ sau ðể giúp sinh viên có khái niệm máy tính hiểu rõ cách mà người ñã phát minh máy tính đại, dễ sử dụng ngày nay, phần trình bày chi tiết quan trọng lịch sử trình phát triển máy tính Máy tính thường phân loại thành hệ dựa tảng cơng nghệ phần cứng sử dụng trình chế tạo Lịch sử phát triển máy tính chia thành hệ máy tính sau: 1.1.1 Thế hệ zero –máy tính học (1642-1945) Mốc lịch sử máy tính phải nhắc ñến ñầu tiên nhà bác học người Pháp Blez Pascal (1626-1662) vào năm 1642 ñã phát minh máy tính tốn – máy tính học với bánh quay dẫn ñộng tay Máy ông cho phép thực phép tính cộng trừ Sau 30 năm, vào năm 1672 nhà bác học khác, Gotfrid Vilgelm Leibnits ñã chế tạo máy tính với phép tính (+ * /) sử dụng 12 bánh quay Từ cịn sinh viên hết đời, ơng ñã nghiên cứu tính chất hệ nhị phân người ñã ñưa nguyên lý khái niệm cho hệ nhị Chương I: Giới thiệu phân ñược dùng ngày máy tính điện tử Năm 1834 giáo sư tốn học trường ðH Cambridge (Anh), Charles Babbage (người phát minh ñồng hồ công tơ mét) ñã thiết kế máy tính với phép tính + – có cấu trúc đáng để ý thời – máy tính có phận: - nhớ, - tính tốn, - thiết bị nhập để đọc phiếu ñục lỗ, - thiết bị xuất ñể khoan lỗ lên đồng Chính ý tưởng ơng tiền đề cho máy tính đại sau ðể máy tính hoạt động cần phải có chương trình, ơng th Ada làm chương trình cho máy tính Cơ Ada lập trình viên để tưởng nhớ tới ta sau Ada đặt tên cho ngơn ngữ lập trình Tuy nhiên máy tính khơng hoạt động địi hỏi q phức tạp thời người kỹ thuật chưa cho phép Năm 1936 К Zus (người ðức) ñã thiết kế vài máy ñếm tự ñộng sở rơle (relay) Tuy nhiên ơng khơng biết máy tính Babbage máy tính ơng bị phá hủy trận bom vào Berlin chiến tranh giới lần thứ - 1944 Vì phát minh ơng ta khơng ảnh hưởng đến phát triển kỹ thuật máy tính sau Năm 1944 G Iken (thuộc ðH Havard Mỹ) ñã ñọc cơng trình Babbage ơng cho đời Mark I sau Mark II Máy Mark I đời với mục đích phục vụ chiến tranh Nó nặng tấn, cao 2.4 m, dài 15 m, chứa 800 km dây ñiện Tuy nhiên vào thời điểm máy tính relay qua thời bắt đầu kỷ ngun máy tính điện tử 1.1.2 Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) Chiến tranh giới thứ bắt ñầu vào ñầu thời kỳ chiến tranh tàu ngầm ðức ñã phá hủy nhiều tàu Anh, nhờ ChươngPDF I: GiớiMerge thiệu and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Simpo Chương I: Giới thiệu tín hiệu mã hóa chuyền thiết bị ENIGMA mà qn đội Anh khơng thể giải mã ðể giải mã địi hỏi số lượng tính tốn lớn nhiều thời gian, chiến tranh khơng cho phép chờ đợi Vì phủ Anh cho thành lập phịng thí nghiệm bí mật nhằm chế tạo máy tính điện phục vụ cho việc giải mã thơng tin Năm 1943 máy tính COLOSSUS đời với 2000 đèn chân khơng giữ bí mật suốt 30 năm khơng thể trở thành sở cho phát triển máy tính Một người sáng lập COLOSSUS nhà toán học tiếng Alain Turing Trong hình 1.1 chân dung Alain Turing bóng đèn chân không Máy ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), John Mauchly John Presper Eckert (ñại học Pensylvania, Mỹ) thiết kế chế tạo, máy số hố điện tử đa giới (hình 1.2)
Số liệu kỹ thuật: ENIAC máy khổng lồ với 18000 bóng đèn chân khơng, nặng 30 tấn, tiêu thụ lượng ñiện vào khoảng 140kW chiếm diện tích xấp xỉ 1393 m2 Mặc dù vậy, làm việc nhanh nhiều so với loại máy tính điện thời với khả thực 5000 phép cộng giây đồng hồ Bóng đèn chân khơng Hình 1.1 Alain Turing với bóng đèn chân khơng Chiến tranh giới ñã có ảnh hưởng lớn ñến phát triển kỹ thuật máy tính Mỹ Qn đội Mỹ cần bảng tính tốn cho pháo binh hàng trăm phụ nữ th cho việc tính tốn máy tính tay (người ta cho phụ nữ tính tốn cẩn thận nam giới) Tuy nhiên q trình tính tốn địi hỏi thời gian lâu nhằm ñáp ứng yêu cầu BRL (Ballistics Research Laboratory – Phịng nghiên cứu đạn đạo qn đội Mỹ) việc tính tốn xác nhanh chóng bảng số liệu ñạn ñạo cho loại vũ khí mới, dự án chế tạo máy ENIAC bắt đầu vào năm 1943 Hình 1.2 Máy tính ENIAC
ðiểm khác biệt ENIAC & máy tính khác: ENIAC sử dụng hệ đếm thập phân nhị phân tất máy tính khác Với ENIAC, số biểu diễn dạng thập phân việc tính ChươngPDF I: GiớiMerge thiệu and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Simpo toán ñược thực hệ thập phân Bộ nhớ máy gồm 20 "bộ tích lũy", có khả lưu giữ số thập phân có 10 chữ số Mỗi chữ số ñược thể vịng gồm 10 đèn chân khơng, thời điểm, có đèn trạng thái bật ñể thể mười chữ số từ ñến hệ thập phân Việc lập trình ENIAC cơng việc vất vả phải thực nối dây tay qua việc đóng/mở cơng tắc cắm vào rút dây cáp ñiện Chương I: Giới thiệu 1.3), cố vấn dự án ENIAC, ñưa ngày 8/11/1945, đề xuất loại máy tính có tên gọi EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer – Ekert Moyshly ñã bắt ñầu làm ngừng lại ñi thành lập công ty, sau Unisys Corporation) Máy tính cho phép nhiều thuật tốn khác tiến hành máy tính mà khơng cần phải nối dây lại máy ENIAC nhờ vào khái niệm chương trình lưu trữ
Hoạt động thực tế: Máy ENIAC bắt ñầu hoạt ñộng vào tháng 11/1945 với nhiệm vụ khơng phải tính tốn đạn ñạo (vì chiến tranh giới lần thứ hai ñã kết thúc) mà để thực tính tốn phức tạp dùng việc xác định tính khả thi bom H Việc sử dụng máy vào mục ñích khác với mục ñích chế tạo ban ñầu cho thấy tính đa ENIAC Máy tiếp tục hoạt ñộng quản lý BRL cho ñến ñược tháo rời vào năm 1955 Với ñời thành công máy ENIAC, năm 1946 ñược xem năm mở đầu cho kỷ ngun máy tính ñiện tử, kết thúc nỗ lực nghiên cứu nhà khoa học ñã kéo dài nhiều năm liền trước Máy tính Von Neumann Như đề cập trên, việc lập trình máy ENIAC công việc tẻ nhạt tốn nhiều thời gian Cơng việc có lẽ đơn giản chương trình biểu diễn dạng thích hợp cho việc lưu trữ nhớ với liệu cần xử lý Khi máy tính cần lấy thị cách đọc từ nhớ, ngồi chương trình thiết lập hay thay đổi thơng qua chỉnh sửa giá trị lưu phần nhớ Ý tưởng này, ñược biết ñến với tên gọi "khái niệm chương trình lưu trữ", nhà tốn học John von Neumann (Hình John von Neumann Hình 1.3 Von Neumann với máy tính EDVAC Máy IAS Tiếp tục với ý tưởng mình, vào năm 1946, von Neuman ñồng nghiệp bắt tay vào thiết kế máy tính có chương trình lưu trữ với tên gọi IAS (Institute for Advanced Studies) học viện nghiên cứu cao cấp Princeton, Mỹ Mặc dù đến năm 1952 máy IAS hồn tất, mơ hình cho tất máy tính ña sau Cấu trúc tổng quát máy IAS, minh họa hình 1.4, gồm có: ChươngPDF I: GiớiMerge thiệu and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Simpo
Một nhớ để lưu trữ liệu chương trình
Một logic-số học (ALU – Arithmetic and Logic Unit) có khả thao tác liệu nhị phân
Một ñiều khiển chương trình có nhiệm vụ thơng dịch thị nhớ làm cho chúng ñược thực thi
Thiết bị nhập/xuất ñược vận hành ñơn vị điều khiển Hầu hết máy tính ñều có chung cấu trúc chức tổng quát Do chúng cịn có tên gọi chung máy von Neumann Bộ Logic-số học ALU Bộ nhớ Thiết bị nhập xuất Chương I: Giới thiệu 20 Dù vậy, ñến cuối năm 50, máy tính bán dẫn hóa hồn tồn bắt đầu xuất thị trường máy tính Việc sử dụng ñèn bán dẫn chế tạo máy tính ñã xác ñịnh hệ máy tính thứ hai, với ñại diện tiêu biểu máy PDP-1 công ty DEC (Digital Equipment Corporation) IBM 7094 IBM DEC ñược thành lập vào năm 1957 sau năm cho đời sản phẩm máy PDP-1 ñã ñề cập ðây máy mở đầu cho dịng máy tính mini DEC, vốn phổ biến máy tính hệ thứ ba Các máy IBM-709,7090,7094 có chu kỳ thời gian microsecond, nhớ 32 K word 16 bit Hình 1.5 mơ tả cấu hình với nhiều thiết bị ngoại vi máy IBM 7094 Băng từ CPU Bộ ñiều khiển CU Kênh liệu Phiếu ñục lỗ Máy in dịng Hình 1.4 Cấu trúc máy IAS 1.1.3 Thế hệ II – transistor (1955-1965) Sự thay ñổi ñầu tiên lĩnh vực máy tính ñiện tử xuất có thay đèn chân khơng ñèn bán dẫn ðèn bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn, tỏa nhiệt sử dụng theo cách thức đèn chân khơng để tạo nên máy tính Khơng đèn chân khơng vốn địi hỏi phải có dây, có bảng kim loại, có bao thủy tinh chân khơng, đèn bán dẫn thiết bị trạng thái rắn ñược chế tạo từ silicon có nhiều cát tự nhiên ðèn bán dẫn phát minh lớn phịng thí nghiệm Bell Labs năm 1947 Bardeen, Brattain Shockley Nó tạo cách mạng điện tử năm 50 kỷ Kênh liệu Bộ dồn kênh Bộ ñọc thẻ Trống từ Kênh liệu ðĩa Hypertape Memory Hình 1.5 Một cấu trúc máy IBM 7094 10 ChươngPDF I: GiớiMerge thiệu and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Simpo Ở có nhiều ñiểm khác biệt so với máy IAS mà cần lưu ý ðiểm quan trọng số việc sử dụng kênh liệu Một kênh liệu module nhập/xuất độc lập có xử lý tập lệnh riêng Trên hệ thống máy tính với thiết bị thế, CPU không thực thi thị nhập/xuất chi tiết Những thị lưu nhớ ñược thực thi xử lý chuyên dụng kênh liệu CPU khởi động kiện truyền nhập/xuất cách gửi tín hiệu điều khiển đến kênh liệu, lệnh cho thực thi dãy thị máy tính Kênh liệu thực nhiệm vụ độc lập với CPU cần gửi tín hiệu báo cho CPU thao tác hồn tất Cách xếp làm giảm nhẹ công việc cho CPU nhiều Một đặc trưng khác đa cơng, điểm kết thúc trung tâm cho kênh liệu, CPU nhớ Bộ đa cơng lập lịch truy cập ñến nhớ từ CPU kênh liệu, cho phép thiết bị hoạt ñộng ñộc lập với Chương I: Giới thiệu Omnibus tính lớn với giá có 16000 la Mỹ, so với số tiền lên đến hàng trăm ngàn la để mua ñược máy System/360 IBM Tương phản với kiến trúc chuyển trung tâm ñược IBM sử dụng cho hệ thống 709, kiểu sau máy PDP-8 ñã sử dụng cấu trúc phổ dụng cho máy mini vi tính: cấu trúc đường truyền Hình 1.6 minh họa cấu trúc ðường truyền PDP-8, ñược gọi Omnibus, gồm 96 ñường tín hiệu riêng biệt, ñược sử dụng ñể mang chuyển tín hiệu điều khiển, địa liệu Do tất thành phần hệ thống ñều dùng chung tập hợp đường tín hiệu, việc sử dụng chúng phải ñược CPU ñiều khiển Kiến trúc có độ linh hoạt cao, cho phép module gắn vào ñường truyền ñể tạo nhiều cấu hình khác Cấu trúc kiểu DEC ñược sử dụng tất máy tính ngày DEC ñã bán ñược 50000 PDP-8 trở thành nhà cung cấp máy tính mini đứng đầu giới lúc
Máy PDP-1 Máy PDP-1 có gần K word, (word=18 bit) thời gian cho chu kỳ microsecond Thông số lớn gần gấp lần so với máy dịng với IBM-709, PDP-1 máy tính nhỏ gọn nhanh thời có giá bán 120000$, cịn IBM7090- có giá bán tới triệu USD Máy PDP-1 với hình kính cỡ 512 điểm ðH cơng nghệ Massachuset từ sinh viên viết trị chơi máy tính – chị trơi chiến tranh Sau vài năm DEC cho ñời tượng khác ngành cơng nghiệp máy tính ðó máy PDP-8, máy tính 12 bít Vào lúc máy tính cỡ trung địi hỏi phịng có điều hịa khơng khí, máy PDP-8 đủ nhỏ để ñặt ghế dài vốn thường gặp phịng thí nghiệm để kết hợp vào thiết bị khác Nó thực cơng việc máy 11 Bộ ñiều khiển console CPU Bộ nhớ I/O ••• I/O Omnibus Hình 1.6 Cấu trúc đường truyền PDP-8 Một máy tính đáng ý giai ñoạn vào năm 1964, cơng ty CDC (Control Data Corporation) cho đời máy tính 6600 Máy có tốc độ cao gấp nhiều lần IBM7094 ñiểm ñặc biệt máy tính sử lý song song mà sau siêu máy tính hay sử dụng 12 ChươngPDF I: GiớiMerge thiệu and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Simpo Chương I: Giới thiệu 1.1.4 Thế hệ III – mạch tích hợp (1965-1980) Một đèn bán dẫn đơn lẻ thường ñược gọi thành phần rời rạc Trong suốt năm 50 ñầu năm 60 kỷ 20, thiết bị ñiện tử phần lớn ñược kết hợp từ thành phần rời rạc – ñèn bán dẫn, ñiện trở, tụ ñiện, v.v Các thành phần rời rạc sản xuất riêng biệt, đóng gói chứa riêng, sau dùng để nối lại với bảng mạch Các bảng lại gắn vào máy tính, máy kiểm tra dao ñộng, thiết bị ñiện tử khác - - Bất thiết bị ñiện tử cần ñến ñèn bán dẫn, ống kim loại nhỏ chứa mẫu silicon phải ñược hàn vào bảng mạch Tồn q trình sản xuất, ñi từ ñèn bán dẫn ñến bảng mạch, q trình tốn khơng hiệu Các máy tính hệ thứ hai ban đầu chứa khoảng 10000 đèn bán dẫn Con số sau tăng lên nhanh chóng đến hàng trăm ngàn, làm cho việc sản xuất máy mạnh hơn, gặp nhiều khó khăn ðể giải vấn đề khó khăn này, năm 1958 Jack Kilby Robert Noyce ñã cho ñời công nghệ mới, công nghệ mạch tích hợp (Integrated circuit - IC hay vi mạch CHIP) Sự phát minh mạch tích hợp vào năm 1958 cách mạng hóa điện tử bắt đầu cho kỷ nguyên vi ñiện tử với nhiều thành tựu rực rỡ Mạch tích hợp yếu tố xác định hệ thứ ba máy tính Với cơng nghệ nhiều transitor ñược cho vào chip nhỏ ðối với nhà sản xuất máy tính, việc sử dụng nhiều IC đóng gói mang lại nhiều điểm có ích sau: - chip ðiều có nghĩa giá cho mạch nhớ luận lý giảm cách đáng kể Vì thành phần luận lý nhớ đặt gần chip nên khoảng cách nguyên tử ngắn dẫn ñến việc gia tăng tốc ñộ chung cho tồn Máy tính trở nên nhỏ hơn, tiện lợi để bố trí vào loại mơi trường khác Có giảm thiểu yêu cầu nguồn thiết bị làm mát hệ thống Sự liên kết mạch tích hợp đáng tin cậy nối kết hàn Với nhiều mạch chip, có nối kết liên chip
Máy IBM System/360 Máy IBM System/360 ñược IBM đưa vào năm 1964 họ máy tính cơng nghiệp sản xuất cách có kế hoạch Khái niệm họ máy tính bao gồm máy tính tương thích khái niệm thành cơng ðó chuỗi máy tính với ngơn ngữ Assembler Chương trình viết cho máy dùng cho máy khác mà khơng phải viết lại, ưu điểm bật Ý tưởng thành lập họ máy tính trở thành phổ biến nhiều năm sau Trong bảng 1.1 cho ta thấy thơng số đời họ IBM-360 Họ máy IBM System/360 khơng định tương lai sau IBM mà cịn có ảnh hưởng sâu sắc đến tồn ngành cơng nghiệp máy tính Nhiều đặc trưng họ máy trở thành tiêu chuẩn cho máy tính lớn khác Giá chip gần khơng thay đổi q trình phát triển nhanh chóng mật độ thành phần 13 14 ChươngPDF I: GiớiMerge thiệu and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Simpo Thông số Model 30 Model 40 3.5 Model 50 Tốc ñộ so sánh 10 chúng Thời gian chu kỳ, 1000 625 500 nano giây Dung lượng nhớ 64 256 256 tối ña, Kbyte Số byte lấy từ nhớ chu kỳ Số kênh liệu tối 3 đa Bảng 1.1 Các thơng số họ IBM - 360 Model 60 21 250 512 16 Hình 1.7 Máy tính IBM 5100 1.1.5 Thế hệ IV – máy tính cá nhân (1980-đến nay) Một số cột mốc ñáng ý giai ñoạn là:  1975 máy tính cá nhân (Portable computer) IBM 5100 (hình 1.7) đời, nhiên máy tính ñã không gặt hái ñược thành công Những thông số sau: - Bộ nhớ dùng băng từ - Nặng 23 Kg - Có giá 10000$ - Khả lập trình Basic - Màn hình 16 dòng, 64 ký tự - Bộ nhớ