kien truc may tinh chuong 1

Mục đích, yêu cầu Nghiên cứu các nguyên lý cơ bản của máy tính theo hai khía cạnh sau: • Kiến trúc máy tính: các thuộc tính của máy tính theo cách nhìn của nhà lập trình • Tổ chức máy t

Trường Đại học Vinh

 Không được tự ý sao chép!

 Mọi ý kiến đóng góp xin vui lòng gửi về:

• Địa chỉ Khoa CNTT, Trường Đại học Vinh

Mục đích, yêu cầu

 Nghiên cứu các nguyên lý cơ bản của máy tính theo hai khía cạnh sau:

• Kiến trúc máy tính: các thuộc tính của máy tính theo cách nhìn của nhà lập trình

• Tổ chức máy tính: nghiên cứu các thành phần của máy tính, liên kết giữa các thành phần và hoạt động của máy tính

 Tìm hiểu kiến trúc Intel và và tổ chức của các máy tính dự trên kiến trúc Intel.

 Môn học yêu cầu sinh viên đ có kiến thức về Điện ã

tử số và Lập trình cơ bản.

 Số đơn vị học trình: 4 (60 tiết)

Tµi liÖu tham kh¶o

 William Stallings, Computer Organization and Architecture,

Nội dung bài giảng

 Chương 2: Biểu diễn DL & số học máy tính

 Chương 3: Bộ xử lý

 Chương 4: Kiến trúc tập lệnh

 Chương 5: Hệ thống nhớ

 Chương 6: Hệ thống vào/ra

Kiến trúc máy tính

Chương 1

Giới thiệu chung

Nội dung chương 1

M« h×nh c¬ b¶n cña m¸y tÝnh

HÖ thèng nhí

Phần cứng máy tính

Hệ điều hành Các CT tiện ích

Các CT ứng dụng

Người dùng

Nhà lập trình

Ph©n lo¹i m¸y tÝnh

 Ph©n lo¹i m¸y tÝnh theo truyÒn thèng:

• Bé vi ®iÒu khiÓn (Microcontroller)

• M¸y vi tÝnh (Microcomputer)

• M¸y tÝnh nhá (Minicomputer)

• M¸y tÝnh lín (Mainframe computer)

• Siªu m¸y tÝnh (Supercomputer)

Phân loại máy tính

 Phân loại máy tính theo hiện đại:

• Máy tính để bàn (Desktop computer)

• Máy chủ (Server)

• Máy tính nhúng (Embedded computer)

• Hiệu năng không cao lắm, còn gọi là PC

• Dung lượng vừa phải

• Giá thành: khoảng từ 500 USD đến 10.000 USD

Máy tính nhúng

 Là một phần của hệ thống lớn:

• Chứa trong các thiết bị gia dụng

• Trong thiết bị mạng, truyền thông,

• Các thiết bị điều khiển tự động, không lưu,

• Các bộ vi ĐK; vi xử lý

• Bộ nhớ: RAM, ROM; đĩa

• Vào/ra chuyên dụng (kể cả tín hiệu analog)

• Có độ tin cậy và an toàn cao

• Hiệu năng cao (thời gian thực)

• Giá thành: vài chục đến hàng trăm nghìn USD

KiÕn tróc vµ tæ chøc m¸y tÝnh

 KiÕn tróc m¸y tÝnh (computer architecture): nghiªn

Chức năng và cấu trúc của máy tính

 Chức năng máy tính: hoạt động của máy tính

CÊu tróc tæng qu¸t cña m¸y tÝnh

M¸y tÝnh

Bé nhí

HÖ thèng vµo/ra

th«ng tin gi÷a m¸y tÝnh víi bªn ngoµi.

bus): kÕt nèi vµ vËn chuyÓn th«ng tin gi÷a ba thµnh phÇn trªn

• NhËn lÖnh tõ bé nhí

• Gi¶i m vµ thùc hiÖn lÖnh ·

 Bé vi xö lý (microprocessor): lµ bé xö lý ®­îc chÕ

C¸c thµnh phÇn c¬ b¶n cña BXL

ALU

C¸c thanh ghi

Bus bªn trong

Khèi

®iÒu khiÓn

Bé xö lý

Các thành phần cơ bản của BXL

 Khối điều khiển: (Control Unit): điều khiển hoạt

động của BXL ⇒ điều khiển hoạt động của máy tính

 Khối số học và logic (Arithmetic - Logic Unit): thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic

 Tập thanh ghi (Registers Sets): lưu giữ các thông tin tạm thời trong quá trình hoạt động

Tốc độ của BXL

 Số lệnh thực hiện được trong 1 giây:

MIPS (Millions of Instructions Per Second)

 Trên thực tế thường được đánh giá gián tiếp thông qua tần số xung đồng hồ (nhịp, clock) cung cấp cho BXL làm việc

• Bé nhí trong (Internal Memory)

• Bé nhí ngoµi (External Memory)

HÖ thèng nhí

• Ngăn nhớ thường được tổ chức theo byte

• Địa chỉ vật lý của ngăn nhớ là cố định, nội dung

có thể thay đổi.

Bộ nhớ ngoài

• Lưu giữ các chương trình và dữ liệu dưới dạng thư viện

• Bộ nhớ ngoài được kết nối với hệ thống dưới dạng thiết

• C¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi (Peripherals)

• C¸c modul vµo/ra (IO Modules)

CÊu tróc c¬ b¶n cña hÖ thèng vµo/ra

Modul IO

Cæng IO

Cæng IO

Cæng IO

TBNV TBNV

TBNV

.

.

Nèi ghÐp víi

bus hÖ thèng

Các thiết bị ngoại vi

 Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong

và bên ngoài máy tính

 Các thiết bị ngoại vi cơ bản:

• Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét,

• Thiết bị ra: màn hình, máy in,

• Thiết bị vào và ra: các ổ đĩa,

• Thiết bị truyền thông: MODEM,

Modul vào/ra

 Chức năng: nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính

 Cổng vào/ra: trong mỗi modul vào/ra có một

số cổng vào/ra Mỗi cổng vào/ra cũng được

đánh một địa chỉ xác định

 Thiết bị ngoại vi được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thông qua cổng vào/ra

Bus liên kết hệ thống

 Khái niệm bus:

• Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vận

chuyển thông tin giữa các thành phần của máy tính

• Độ rộng bus: là số đường dây của bus có thể

truyền các bit thông tin đồng thời Khái niệm này chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu

Sơ đồ kết nối bus

Bus địa chỉ (address bus)

Bus dữ liệu (data bus)

 Chức năng:

• Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến BXL

• Vận chuyển dữ liệu giữa BXL, hệ thống nhớ, hệ

thống vào/ra với nhau

 Độ rộng bus dữ liệu: xác định số bit dữ liệu có thể trao đổi cùng một lúc

• Độ rộng M bit: D0 , D1 , ,DM-1

• M thường là 8, 16, 32, 64 bit

Bus điều khiển (control bus)

 Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển

 Các loại tín hiệu điều khiển:

• Các tín hiệu điều khiển phát ra từ BXL để điều khiển hệ thống nhớ, hệ thống vào/ra hoạt động

• Các tín hiệu yêu cầu, trạng thái từ hệ thống nhớ,

hệ thống vào/ra đến BXL

Một số tín hiệu điều khiển điển hình

 Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi:

• Memory Read (MEMR): điều khiển đọc lệnh/dữ

Một số tín hiệu điều khiển điển hình

 Các tín hiệu điều khiển ngắt:

• Interrupt Request (INTR): tín hiệu từ mạch điều

khiển vào ra gửi đến BXL yêu cầu ngắt (ngắt chắn được)

• Interrupt Acknowledge (INTA): tín hiệu từ BXL gửi ra ngoài báo chấp nhận ngắt

• Non Maskable Inerrupt (NMI): tín hiệu ngắt gửi

đến BXL (ngắt không chắn được)

• Reset : tín hiệu từ bên ngoài khởi động lại máy

Một số tín hiệu điều khiển điển hình

 Các tín hiệu điều khiển bus:

• Bus Request (BRQ)/Hold: tín hiệu từ mạch điều

khiển vào/ra gửi đến yêu cầu BXL nhường quyền

điều khiển bus

• Bus Grant (BGT)/Hold Acknowledge (HLDA) : tín

hiệu phát ra từ BXL chấp nhận nhường quyền

điều khiển bus

Đặc điểm của cấu trúc đơn bus

 Bus chỉ phục vụ được một yêu cầu trao đổi dữ liệu tại một thời điểm

 Bus phải có tốc độ bằng tốc độ của modul nhanh nhất trong hệ thống

 Bus phụ thuộc vào cấu trúc bus của BXL ⇒

các modul nhớ và modul vào/ra cũng phụ thuộc vào BXL

Đặc điểm của cấu trúc đa bus

 Có sự phân cấp cho các thành phần:

• Bus của bộ nhớ

• Bus vào/ra

 Phân cấp bus khác nhau về tốc độ

 Các bus cho modul nhớ và modul vào/ra không phụ thuộc vào BXL cụ thể

Phân cấp bus trong máy tính PC

tăng tốc - nối ghép card màn hình tăng tốc

nối ghép với các TBNV có tốc độ trao đổi dữ liệu nhanh

VÝ dô: bus truyÒn thèng

VÝ dô: bus hiÖu n¨ng cao

Hoạt động của máy tính

 Thực hiện chương trình

 Ngắt

 Hoạt động vào/ra

1 Thực hiện chương trình

 Chương trình là d y các lệnh được lưu trữ trong bộ ã nhớ

 Hoạt động cơ bản của máy tính là thực hiện chương trình , nghĩa là lặp đi lặp lại chu trình lệnh:

• Nhận lệnh

• Thực hiện lệnh

 Việc thực hiện chương trình chỉ bị dừng nếu:

• Ngắt nguồn

Chu trình lệnh

 Gồm hai bước:

• Thực hiện lệnh

 LÖnh ®­îc n¹p vµo thanh ghi lÖnh (IR)

 BXL gi¶i m lÖnh vµ thùc hiÖn yªu cÇu cña ·

Thực hiện lệnh

 BXL giải m lệnh đ được nhận và thực hiện ã ãthao tác mà lệnh yêu cầu

 Các kiểu thao tác của lệnh:

• Trao đổi dữ liệu giữa BXL và bộ nhớ chính

• Trao đổi dữ liệu giữa BXL và Modul vào/ra

• Xử lý dữ liệu

• Điều khiển rẽ nhánh

2 Ngắt

 Khái niệm ngắt: ngắt là cơ chế cho phép BXL tạm thời dừng thực hiện công việc hiện tại để

chuyển sang thực hiện CT khác, gọi là chương

trình con phục vụ ngắt (ISR - Interrupt Service

Routine)

 Các loại ngắt:

• Nếu có ngắt (không bị cấm), BXL thực hiện:

 Tạm dừng thực hiện chương trình hiện tại

 Cất trạng thái xử lý hiện tại

 Xử lý ngắt

 Khôi phục trạng thái và tiếp tục thực hiện chương trình đang bị ngắt.

Chu tr×nh lÖnh cã ng¾t

Chuyển điều khiển qua ngắt

Chương trình

đang thực hiện Chương trình con

phục vụ ngắt Ngắt

Lệnh n+1

Lệnh n

3 Hoạt động vào/ra

 Là hoạt động trao đổi dữ liệu giữa máy tính với thiết bị ngoại vi

 Các kiểu hoạt động vào/ra:

• BXL trao đổi dữ liệu với Modul vào/ra

• BXL có thể nhượng quyền đọc/ghi bộ nhớ cho

Modul vào/ra, khi đó Modul vào/ra có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ

Lịch sử phát triển của máy tính

 Thế hệ thứ nhất : dùng đèn điện tử chân không (1946 - 1957)

 Thế hệ thứ hai : dùng transistor (1958 - 1964)

 Thế hệ thứ ba : dùng vi mạch cỡ nhỏ (SSI) và vừa (MSI) (1965 - 1971)

• Cỡ nhỏ: dưới 100 thiết bị / chip

• Cỡ vừa: 100 - 3000 thiết bị / chip

 Thế hệ thứ tư : dùng vi mạch cỡ lớn (LSI) và cực lớn (VLSI) (1971 - nay)

• Cỡ lớn: 3000 - 100.000 thiết bị / chip

• Cỡ cực lớn: 100.000 - 100.000.000 thiết bị / chip

LÞch sö ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh

ENIAC - 1940s IBM 360 - 1960s

LÞch sö ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh

DEC VAX 11/780 - 1970s

(Discrete IC’s) Apple II Computer

LÞch sö ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh

1 Máy tính dùng đèn điện tử

 ENIAC: Electronic Nummerical Integrator And

Computer

 John Presper Eckert và John Mauchly thiết kế

 Trường Đại học Pennsylvania (Mỹ)

 Dự án của Bộ Quốc phòng Mỹ

 Bắt đầu từ năm 1943, hoàn thành năm 1946

 Dùng số thập phân (không phải nhị phân)

 20 thanh chứa, mỗi thanh 10 chữ số

 Lập trình bằng tay nhờ các chuyển mạch

 Gồm 18.000 đèn điện tử chân không

 Nặng 30 tấn

 Chiếm 15.000 feet vuông

 Công suất tiêu thụ: 140kW/h

Máy tính von Newmann

 Khái niệm CT được lưu trữ (stored-program concept) do von Newmann đưa ra

 BNC chứa chương trình và dữ liệu

 ALU hoạt động trên dữ liệu nhị phân

 KĐK giải m các lệnh từ bộ nhớ và thực hiện ãchúng tuần tự

 Thiết bị vào/ra hoạt động do KĐK điều khiển

 Xây dựng từ 1947 đến 1952

CÊu tróc cña m¸y tÝnh von Newmann

3 Máy tính dùng vi mạch

 Vi mạch (Integrated Circuit): nhiều transistor

và linh kiện điện tử được tích hợp trên 1 chip

 Siêu máy tính xuất hiện như: CRAY-1

 Bộ vi xử lý (microprocessor), CPU được chế tạo trên một chip ra đời (1971)

Luật Moore

 Gorden Moore, người đồng sáng lập Intel, hiện nay là chủ tịch danh

dự của Intel.

 Năm 1965, Moore tiên đoán:

• Số lượng transistor tăng gấp đôi sau mỗi 12 tháng

(Nhưng từ 1970, chậm hơn: sau mỗi 18 tháng)

• Giá thành của chip hầu như không thay đổi

• Mật độ cao hơn ⇒ đường dẫn điện ngắn hơn,

đưa đến hiệu năng cao hơn

• Kích thước nhỏ ⇒ độ phức tạp tăng lên

• Công suất tiêu thụ nhỏ hơn và phải làm mát

• ít chip liên kết với nhau, do đó tăng độ tin cậy

 Lịch sử đ chứng tỏ rằng Moore đúng ã

 Nhưng điều này không thể đúng m i, vì: ã

• Giới hạn về vật lý

• Giới hạn về tài chính

Tăng trưởng của trasistor trong CPU

4 M¸y tÝnh dïng vi m¹ch VLSI

 CPU ®­îc chÕ t¹o trªn mét chip

 C¸c vi m¹ch ®iÒu khiÓn tæng hîp (chipset): thùc hiÖn ®­îc nhiÒu chøc n¨ng ®iÒu khiÓn vµ nèi ghÐp

 Bé nhí b¸n dÉn: ROM, RAM

 C¸c bé vi ®iÒu khiÓn (microcontroller): m¸y tÝnh chuyªn dông ®­îc chÕ t¹o trªn mét chip

→ dïng cho m¸y tÝnh nhóng

Kiến trúc máy tính

Hết chương 1