Tài liệu kiến trúc máy tính

Mục Lục Tài liệu kiến trúc máy tính Khái niệm: Kiến trúc máy tính (Computer architecture) khái niệm trừu tượng hệ thống tính tốn quan điểm người lập trình người viết chương trình dịch Máy tính: Khái niệm máy tính: Là cơng cụ cho phép lưu trữ xử lý liệu cách nhanh chóng, xác, tự động theo chương trình định sẵn Tập lệnh: tập hợp chuỗi nhị phân mã hóa thao tác mà máy tính thực Các kiểu liệu: kiểu liệu mà máy tính xử lý Tổ chức máy tính (Về phần cứng): Nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính Kiến trúc (Về phần mềm): thay đổi chậm (tổ chức phần cứng thay đổi nhanh) Phân loại máy tính: Microcomputer : gọi PC (Personal computer) Mini computer: Có khả sử lý cực mạnh, sức bền cao, phục vụ cho nhu cầu xử lý, lưu trữ tập thể (dùng làm server hỗ trợ 4000 người dùng) Main Frame Computer: Khả sử lý cực mạnh dùng mục đích tính tốn có u cầu cao, tức khắc Super Computer: Tốc độ cực nhanh, loại máy tính mạnh Đơn vị tính Petaflop (triệu tỉ phép tính/giấy) Thành phần máy tính: Bộ xử lý Bộ nhớ Nhập xuất Thành phần liên kết hệ thống Hoạt động máy tính: Thực lệnh: Thực lệnh thao tác máy tính Q trình lặp lặp lại, gồm bước: Nhận lệnh& thực thi lệnh Dữ Liệu: Mã hóa liệu: - Mọi liệu đưa vào máy tính đề mã hóa dạng nhị phận - Các loại liệu: + Dữ liệu nhân tạo (Do người quy ước) + Dữ liệu tự nhiên tồn khách quan người (âm thanh, ánh sáng, nhiệt độ, hình ảnh + Mơ hình thơng tin đầu vào tái tạo tín hiệu: =>(t/hvật lý)=>Bộ cảm biến=>Bộ chuyển đổi tương tự số=>Máy tính=>bộ chuyển đổi số tương tự=>bộ tái tạo tín hiệu=>(t/h vật lý)=> Thứ tự lưu trữu cảu bye liệu: Bộ nhớ tường tổ chức thep bye Độ dài liệu chiếm đến 10 bye Phân lọai cách lưu trữ liệu: Little endian (lưu trữ đầu nhỏ) Big endian (lưu trữ đầu lớn) CPU (Central Processing Unit) : Chức năng: Điều khiển hoạt động PC, xử lý liệu Nhiệm vụ: Nhận lệnh: CPU đọ lệnh từ nhớ Giải mã lệnh: Xác định thao tác yêu cầu Nhận liệu: Từ nhớ cổng vào Xử Lý dữu liệu: Thực phép toán số học logic Ghi dữu liệu: Vào nhớ hay cổng vào Thanh ghi: có tốc đọ truy suất cực nhanh, chứa thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động chuyền tải CPU Số lượng ghi tùy vào xử lý cụ thể Số lượng ghi nhiều làm tăng hiệu hoạt động CPU Phân loại: dựa theo chức Thanh ghi địa chỉ: Quản lý địa ngăn nhớ cổng vào Ví Dụ: PC; DS;ES Thanh ghi liệu: Chứa tạm thời liệu Ví dụ: AC Thanh ghi đa năng: Có thể chứa địa liệu.Ví dụ: AX; BX; CX; DX Thanh ghi điều khiển/ trạng thái: Chứa thơng tin điều kiển trạng thái CPU Ví dụ: CF; SF; OF; ZE Thanh ghi lệnh: Chứa lệnh thực Ví Dụ: IR Khái niêm Lệnh: Mỗi lệnh chỗi số nhị phân mà xử lý hiểu dượcđể thực thao tác xác định - Các lệnh mơ tả kí hiệu gợi nhớ lệnh gọi nhớ Thành phần lệnh: + Thao tác mà thành phần xử lý phải thực +Điều khiển vào +Địa toán hàm (nơi chứa địa toán hạm mà thap tác tác động) Hoạt động CPU: Tính địa lệnh: Xác định địa lệnh thực Nhận lệnh: Đọc lệnh từ nhớ có địa xác định vào ghi Giải mã lệnh: Lệnh từ ghi IR đưa đến đơn vị điều khiển giả mã Tính địa tốn hạng: Xác định vị trí giá trị nằm nhớ hay cổng vào Nhập toán hạng: Sau xác định vị trí giá trị CPU đưa địa BUS địa phát tín hiệu điều khiển đọc, tốn hạng đưa vào CPU Số lần thực thao tác phụ thuộc vào số toán tử đưa vào ghi Thao tác liệu: Thực thao tác lệnh với toán hạng vừa chuyển vào ghi Tính địa tốn hạng kết quả: Tính lại địa để lưu tốn hạng Cất toán hạng: Ghi kết vào nhớ thiết bị vào Kiểm tra ngắt: Sau thực xong chu kì lệnh kiểm tra chu kì ngắt Nếu khơng ngắt kiểm tra chu kì Cấu trúc chung vi xử lý: Đơn vị xử lý liệu: - Đơn vị xử lý số nguyên - Đơn vị xử lý chức đặc biệt(âm thanh, hình ảnh ) - Đơn vị chấm động Bộ nhớ Cache - Cahe L1 gồm hai phần tách rời cache lệnh cache liệu - Giải pháp xung đột lệnh, liệu - Một số vi xử lý có cache L3 Tính địa lệnh Quá trình nhận lệnh CPU: CPU(nhận lệnh từ nhớ chính)  Bộ đếm chương trình PC(Program camter) (giưa địa lệnh nhận)  CPU(Nhận lệnh từ ngăn nhớ gõ CPU)  Lệnh lạp ghi IR (Intuction Register) Sau nhập lệnh vào nội dung PC tự động tăng để gõ lệnh Quá trình thực lệnh: Bộ xử lý giả mã lệnh nhập phát tín hiệu điều khiển, thực thao tác mà lệnh yêu cấu Như trao đổi liệu CPU nhớ Modul & RAM xử lý dữu liệu thực phép toán số học logic Ngắt: chế cho phép CPU ngừng chương trình thực để chuyển sang thực trương trình khác Hoạt động ngắt: Sau thực xong mộ lệnh xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt Nếu khơng có lệnh ngắt, xử lý nhận lệnh trương trình thực Nếu có ngắt tạm dừng chương trình thực hiện, ngữ cảnh thiết lập PC tới trương trình phục vụ ngắt Chương trình phục vụ ngắt thực việc khôi phục ngữ cảnh, tiếp tục trương trình bị tạm dừng Bios(Basic input/Output System) Bios tập hợp chươnng trình sơ cấp để hướng dẫn hoạt động máy tính: Kiểm tra nhớ, ổ đĩa, CPU, bàn phím lưu chíp nhớ đọ Rom trương trình tự chạy khởi động máy Chức năng: POST: (A power- on Self test ): Kiểm tra tra thiết bị máy tính hoặ khởi động lại để chắn máy tính hoạt động tốt Kích hoạt chíp Bios khác gắn board mạch điện tử khác gắn mainboard Cung cấp routine (tập tin thi hành) bậc thấp để gắn kết hệ điều hành với thiết bị phần cứng Chúng quản lý bàn phím, hình, cổng nối tiếp cồn song song Quản lý cài đặt với đĩa cứng, đồng hồ BUS: Khái niệm: Tập hợp đường kết nói dùng để vận chuyển thơng tin thành phần máy tính với Độ Rộng Bus: Là số đường dây Bus chuyền thơng tin đơng thờ Phân loại Bus: Theo chức chia làm loại Bus địa (address bus): Đường dẫn thông tin tín hiệu địa chỉ.(vị chí nhớ thiết bị) Độ rộng bus địa chỉ: không gian địa tối đa nhớ Bus liệu (data bus): Đường dẫn thông tin liệu.(nội dung nhớ thiết bị).Độ rộng bus liệu: số bit truyền đồng thời Bus điều khiển (Control bus): Đường dẫn thơng tin tín hiệu điều khiển (xác định thao tác) Các Bus điển hình máy tính: - Bus xử lý (Font slide Bus –FSB): tốc độ cao - Bus nhớ chính: Nhanh - Bus đĩa cứng/CD: Chậm - Bus đĩa mềm, cổng giao tiếp: chậm Bộ nhớ Tổng quan nhớ : - Chứa thông tin mà cpu trao đổi trực tiếp - Tốc độ nhanh - Dung lượng nhỏ - Sử dụng nhớ bán dẫn - Chứa chương trình, dữu liệu CPU sử dụng - Tổ chức thành ngăn nhớ đánh địa Nội dung ngăn nhớ thay đổi địa ln cố định Các loại nhớ bán dẫn: Rom (Reald Only Memory) - Là nhớ đọc dùng để lưu thư viện trương trình, chuong trình điều khiển hệ thống - Phân loại Rom: + Rom mặt nạ: Thơng tin rom khơng thể xóa (Ví dụ: Bios Rom) + PRom: Rom ngun thủy khơng thể xóa hay ghi Nhưng thơng tin cài vào chíp lưu mãi Chíp.(Thơng tin cài đặt lần Prom Ví dụ: đĩa CD) + EPRom (Erasable program mable rom): Là lạo cao PRom ghi xóa nhiều lần.(Ví dụ: Đĩa CD rasable) + EEPRom: Có thể ghi xóa thơng tin nhiều lần software thay hardware + Bios vốn Rom Ram (Random Acces Memory) - Lưu thông tin tạm thời - Là nhớ truy xuất ngẫu nhiên ( liệu truy xuất không theo thứ tự định Rom chạy chậm Ram nhiều) - Có hai loại RAM: SRAM DDRAM Bộ nhớ đệm nhanh Tổng quan: - Được đặt CPU nhớ Nhằm tăng tốc trao đổi thơng tin CPU nhớ Giảm thờ gian chờ CPU truy xuất nhớ Bằng cớ chế đọ trước ô nhớ - Cache chế tạo từ SRAM có tốc độ cao dung lượng nhỏ Phân loại Cache: Cache N1: - Ở nhân CPU kích thước nhỏ vài chục kilobye - Gồm phần tách rời Cache liệu nhằn giải xung đột nhận lệnh liệu Cache N2: - Ở ngồi nhân CPU kích thước lớn khoảng vài trăm kilobye đến vài MB dùng cho lệnh liệu - Một số máy có Cache N3 trung gian Cache N2 nhớ Disk Cache - Bộ nhớ đệm đĩa nguyên tắc với cache Nhưng xử dụng phần nhơ hay thiết kết đĩa cứng - Các truy xuất gần đĩa cứng lưu vào đệm Khi chuong trình truy xuất liệu từ đĩa cứng kiểm tra nhớ đệm trước tiên - Cơ chế nhớ đệm đĩa có tác dụng cải thiện tốc độ hệ thống - Việc truy xuất liệu đĩa đệm nhanh nhiều so với đĩa cứng Thay phần tử Cache Phương pháp chọn phần tử thay thế: - FIFO (Fist in, Fistout): Phần tử vào trước thay trước LRU (Least Recently Used): Chọn phần tử Cache mà khoảng thời gian lớn khơng sử dụng Bộ nhớ ngồi: Đĩa từ: Trên bề mặt đĩa phủ lớp mỏng chất có từ tính (ban đầu hạt từ khơng có hướng) - - Q trình ghi: Tín hiệu điện dạng tín hiệu số đưa vào đầu từ thành nam châm nhỏ.Chiều hạt từ tùy chỉnh theo tín hiệu đưa vào or Quá trình đọc: Đầu đọc lướt qua bề mặt đĩa dọc đường cắt ghi tín hiệu Tại thời điểm giao cá hạt từ tính, từ trường biến đổi Và cảm ứng từ lên đầu đọc tạo thành xung nhịp Xung điện yếu đưa vào khuếch đại lấy tín hiệu Đĩa Quang: CD trắng bề mặt có phủ lớp hóa chất có khả phản xạ ánh sáng CD có liệu cá điểm hóa chất bị đốt cháy Bộ nhớ Flash: Thường kết nối qua cổng USB, nhớ bán dẫn, gọn nhẹ Đĩa cứng SSD (Solid State Drive): Là chíp nhớ Flash, khơng có chuyển động học tốc độ nhanh, tiết kiệm điện, giảm giá thành, không ồn Thiết bị ngoại vi: Là số loại thiết bị bên ngồi thùng máy gắn kết với máy tính với tính nhập xuất (IO) mở rộng khả lưu trữ (như dạng nhớ phụ) Note: Tập tài liệu tóm gọn lại nội dung phần lý thuyết theo cách hiểu tui môn kiến trúc máy tính từ chương đến chương có quan trọng thiếu xót người bổ xung thêm rùi up lại nha!! .. .Tài liệu kiến trúc máy tính Khái niệm: Kiến trúc máy tính (Computer architecture) khái niệm trừu tượng hệ thống tính tốn quan điểm người lập trình người viết chương trình dịch Máy tính: ... kiểu liệu mà máy tính xử lý Tổ chức máy tính (Về phần cứng): Nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính Kiến trúc (Về phần mềm): thay đổi chậm (tổ chức phần cứng thay đổi nhanh) Phân loại máy tính: ... máy tính: Thực lệnh: Thực lệnh thao tác máy tính Q trình lặp lặp lại, gồm bước: Nhận lệnh& thực thi lệnh Dữ Liệu: Mã hóa liệu: - Mọi liệu đưa vào máy tính đề mã hóa dạng nhị phận - Các loại liệu: