bai+giang+ktmt ch2

Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Kiến trúc máy tính Nội dung giáo trình „ „ Chương HỆ THỐNG MÁY TÍNH „ „ „ „ „ Chương Giới thiệu chung Chương Hệ thống máy tính Chương Số học máy tính Chương Bộ xử lý trung tâm Chương Bộ nhớ máy tính Chương Hệ thống vào-ra Chương Kiến trúc máy tính tiên tiến Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính NKK-HUT 2.1 Các thành phần máy tính Nội dung chương 2.1 Các thành phần máy tính 2.2 Hoạt động máy tính 2.3 Liên kết hệ thống 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN „ Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit) „ Bộ nhớ (Memory) „ Hệ thống vào (Input/Output System) „ Liên kết hệ thống (System Interconnection) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Bộ xử lý trung tâm (CPU) „ „ Cấu trúc CPU Chức năng: „ điều khiển hoạt động máy tính „ xử lý liệu Nguyên tắc hoạt động bản: CPU hoạt động theo chương trình nằm nhớ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính NKK-HUT 18 March 2007 „ „ „ NKK-HUT Các thành phần CPU „ Bài giảng Kiến trúc máy tính Tốc độ xử lý Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU): điều khiển hoạt động máy tính theo chương trình định sẵn Đơn vị số học logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU): thực phép toán số học phép toán logic Tập ghi (Register File - RF): lưu giữ thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động CPU Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU) kết nối trao đổi thông tin bus bên (internal bus) bus bên (external bus) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN „ Tốc độ xử lý: „ „ „ „ MIPS (Million of Instructions per Second) Khó đánh giá xác Tần số xung nhịp xử lý: „ „ Số lệnh thực giây 18 March 2007 Bộ xử lý hoạt động theo xung nhịp (Clock) có tần số xác định Tốc độ xử lý đánh giá gián tiếp thông qua tần số xung nhịp Bài giảng Kiến trúc máy tính Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Tốc độ xử lý (tiếp) Bộ nhớ máy tính ƒ Dạng xung nhịp „ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ „ T0: chu kỳ xung nhịp Tần số xung nhịp: f0 = 1/T0 Mỗi thao tác xử lý cần kT0 T0 nhỏ Ỉ xử lý chạy nhanh Ví dụ: Máy tính dùng xử lý 2GHz Ta có f0 = 2GHz = 2x109Hz Æ T0 = 1/f0 = 1/(2x109) = 0,5 ns 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Chức năng: lưu trữ chương trình liệu Các thao tác với nhớ: „ „ „ Các thành phần chính: „ „ NKK-HUT Thao tác ghi (Write) Thao tác đọc (Read) 18 March 2007 Bộ nhớ (Internal Memory) Bộ nhớ (External Memory) Bài giảng Kiến trúc máy tính 10 NKK-HUT Các thành phần nhớ máy tính Bộ nhớ „ Chức đặc điểm: „ „ „ „ „ Các loại nhớ trong: „ „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 11 Chứa thơng tin mà CPU trao đổi trực tiếp Tốc độ nhanh Dung lượng không lớn Sử dụng nhớ bán dẫn: ROM RAM 18 March 2007 Bộ nhớ Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm) Bài giảng Kiến trúc máy tính 12 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Bộ nhớ (Main Memory) Bộ nhớ cache „ Chứa chương trình liệu CPU sử dụng Tổ chức thành ngăn nhớ đánh địa Ngăn nhớ thường tổ chức theo byte Nội dung ngăn nhớ thay đổi, song địa vật lý ngăn nhớ cố định „ „ „ „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính „ Dung lượng nhỏ nhớ „ Tốc độ nhanh „ „ 13 NKK-HUT „ Cache tích hợp chip vi xử lý Cache có khơng Bài giảng Kiến trúc máy tính 14 NKK-HUT Hệ thống vào-ra (Input-Output) Chức đặc điểm „ „ „ Cache thường chia thành số mức 18 March 2007 Bộ nhớ ngồi (External Memory) „ Bộ nhớ có tốc độ nhanh đặt đệm CPU nhớ nhằm tăng tốc độ CPU truy cập nhớ „ Lưu giữ tài nguyên phần mềm máy tính Được kết nối với hệ thống dạng thiết bị vào-ra „ Dung lượng lớn „ Tốc độ chậm „ „ „ „ Các loại nhớ „ Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm „ Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD „ Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN Chức năng: Trao đổi thông tin máy tính với giới bên ngồi Các thao tác bản: Các thành phần chính: „ „ 15 Vào liệu (Input) Ra liệu (Output) 18 March 2007 Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices) Các mơ-đun vào-ra (IO Modules) Bài giảng Kiến trúc máy tính 16 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Cấu trúc hệ thống vào-ra Các thiết bị ngoại vi „ „ Chức năng: chuyển đổi liệu bên bên máy tính Các loại thiết bị ngoại vi „ „ „ „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 17 NKK-HUT 18 March 2007 Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét Thiết bị ra: hình, máy in Thiết bị nhớ: ổ đĩa Thiết bị truyền thông: MODEM Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 NKK-HUT Mơ-đun vào-ra „ „ „ „ 2.2 Hoạt động máy tính Thực chương trình Chức năng: nối ghép thiết bị ngoại vi với máy tính Mỗi mơ-đun vào-ra có một vài cổng vào-ra (I/O Port) Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN „ Máy tính lặp lặp lại hai bước: „ „ Các thiết bị ngoại vi kết nối trao đổi liệu với máy tính thơng qua cổng vào-ra Bài giảng Kiến trúc máy tính Là hoạt động máy tính „ Mỗi cổng vào-ra đánh địa xác định 18 March 2007 „ 19 Nhận lệnh Thực lệnh chu trình lệnh Thực chương trình bị dừng thực lệnh bị lỗi gặp lệnh dừng 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 20 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Chu trình lệnh Nhận lệnh Bắt đầu chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ nhớ „ Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) CPU giữ địa lệnh nhận „ CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ trỏ PC „ Lệnh nạp vào ghi lệnh IR (Instruction Register) „ Sau lệnh nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 21 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 22 NKK-HUT Minh họa trình nhận lệnh Thực lệnh „ „ Bộ xử lý giải mã lệnh nhận phát tín hiệu điều khiển thực thao tác mà lệnh yêu cầu Các kiểu thao tác lệnh: „ Trao đổi liệu CPU nhớ „ Trao đổi liệu CPU mơ-đun vào-ra „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 23 Xử lý liệu: thực phép toán số học phép toán logic với liệu „ Điều khiển rẽ nhánh „ Kết hợp thao tác 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 24 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Ngắt (Interrupt) „ „ Hoạt động ngắt Khái niệm chung ngắt: Ngắt chế cho phép CPU tạm dừng chương trình thực để chuyển sang thực chương trình khác, gọi chương trình phục vụ ngắt Các loại ngắt: „ „ „ 18 March 2007 „ „ „ Tạm dừng chương trình thực Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt) Thiết lập PC trỏ đến chương trình phục vụ ngắt Chuyển sang thực chương trình phục vụ ngắt Cuối chương trình phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh tiếp tục chương trình bị tạm dừng „ „ Ngắt lỗi thực chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho Ngắt lỗi phần cứng, ví dụ lỗi nhớ RAM Ngắt mô-đun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi liệu Bài giảng Kiến trúc máy tính Sau hồn thành lệnh, xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt Nếu khơng có ngắt Ỉ xử lý nhận lệnh chương trình Nếu có tín hiệu ngắt: „ „ „ 25 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 26 NKK-HUT Hoạt động ngắt (tiếp) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN Chu trình lệnh với ngắt 27 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 28 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt „ Xử lý ngắt Khi ngắt thực hiện, ngắt khác bị cấm Bộ xử lý bỏ qua ngắt xử lý ngắt Các yêu cầu ngắt đợi kiểm tra sau ngắt xử lý xong Các ngắt thực „ „ „ „ „ Hoạt động vào-ra „ „ Hoạt động vào-ra: hoạt động trao đổi liệu mơ-đun vào-ra với bên máy tính Các kiểu hoạt động vào-ra: „ „ Xử lý ngắt ưu tiên „ „ „ 18 March 2007 Các ngắt định nghĩa mức ưu tiên khác Ngắt có mức ưu tiên thấp bị ngắt ngắt ưu tiên cao Xẩy ngắt lồng Bài giảng Kiến trúc máy tính 29 NKK-HUT 18 March 2007 CPU trao đổi liệu với mô-đun vào-ra Mô-đun vào-ra trao đổi liệu trực tiếp với nhớ (DMA- Direct Memory Access) Bài giảng Kiến trúc máy tính 30 NKK-HUT 2.3 Liên kết hệ thống Kết nối mô-đun nhớ Luồng thơng tin máy tính „ Các mơ-đun máy tính: „ „ „ CPU Mơ-đun nhớ Mơ-đun vào-ra Î cần kết nối với 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 31 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 32 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Kết nối mô-đun nhớ (tiếp) Kết nối mô-đun vào-ra Địa đưa đến để xác định ngăn nhớ Dữ liệu đưa đến ghi Dữ liệu lệnh đưa đọc (lưu ý: nhớ không phân biệt lệnh liệu) Nhận tín hiệu điều khiển: „ „ „ „ „ „ 18 March 2007 Điều khiển đọc (Read) Điều khiển ghi (Write) Bài giảng Kiến trúc máy tính 33 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 34 NKK-HUT Kết nối mô-đun vào-ra (tiếp) „ „ Địa đưa đến để xác định cổng vào-ra Ra liệu (Output) „ „ „ „ „ „ Nhận liệu từ CPU nhớ Đưa liệu thiết bị ngoại vi Vào liệu (Input) „ „ Kết nối CPU Nhận liệu từ thiết bị ngoại vi Đưa liệu vào CPU nhớ Nhận tín hiệu điều khiển từ CPU Phát tín hiệu điều khiển đến thiết bị ngoại vi Phát tín hiệu ngắt đến CPU 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 35 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 36 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Kết nối CPU (tiếp) „ „ „ „ „ Cấu trúc bus „ Phát địa đến mô-đun nhớ hay mô-đun vào-ra Đọc lệnh liệu Đưa liệu (sau xử lý) Phát tín hiệu điều khiển đến mơ-đun nhớ mơ-đun vào-ra Nhận tín hiệu ngắt 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính „ Bus: tập hợp đường kết nối dùng để vận chuyển thơng tin mơ-đun máy tính với Các bus chức năng: „ „ „ „ 37 NKK-HUT Bus địa Bus liệu Bus điều khiển Độ rộng bus: số đường dây bus truyền bit thơng tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa bus liệu) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 38 NKK-HUT Sơ đồ cấu trúc bus Bus địa „ „ Chức năng: vận chuyển địa để xác định ngăn nhớ hay cổng vào-ra Độ rộng bus địa chỉ: cho biết số lượng ngăn nhớ tối đa đánh địa N bit: AN-1, AN-2, A2, A1, A0 Ỵ đánh địa tối đa cho 2N ngăn nhớ (không gian địa nhớ) „ „ Ví dụ: Bộ xử lý Pentium có bus địa 32 bit Ỵ có khả đánh địa cho 232 bytes nhớ (4GBytes) (ngăn nhớ tổ chức theo byte) „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 39 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 40 10 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Bus liệu Bus điều khiển Chức năng: „ „ „ vận chuyển lệnh từ nhớ đến CPU vận chuyển liệu CPU, mô đun nhớ, mô đun vào-ra với „ „ Độ rộng bus liệu: Xác định số bit liệu trao đổi đồng thời „ „ „ M bit: DM-1, DM-2, D2, D1, D0 M thường 8, 16, 32, 64,128 bit Các loại tín hiệu điều khiển: „ Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi „ Các tín hiệu điều khiển ngắt „ Các tín hiệu điều khiển bus Ví dụ: Các xử lý Pentium có bus liệu 64 bit „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 41 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 42 NKK-HUT Một số tín hiệu điều khiển điển hình „ Chức năng: vận chuyển tín hiệu điều khiển Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tiếp) Các tín hiệu (phát từ CPU) điều khiển đọc-ghi: „ „ „ „ 18 March 2007 „ „ Memory Read (MEMR): điều khiển đọc liệu từ ngăn nhớ có địa xác định lên bus liệu „ Memory Write (MEMW): điều khiển ghi liệu có sẵn bus liệu đến ngăn nhớ có địa xác định „ I/O Read (IOR): điều khiển đọc liệu từ cổng vào-ra có địa xác định lên bus liệu „ I/O Write (IOW): điều khiển ghi liệu có sẵn bus liệu cổng có địa xác định Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN Các tín hiệu điều khiển ngắt: 43 Interrupt Request (INTR): Tín hiệu từ điều khiển vào-ra gửi đến yêu cầu ngắt CPU để trao đổi vàora Tín hiệu INTR bị che Interrupt Acknowledge (INTA): Tín hiệu phát từ CPU báo cho điều khiển vào-ra biết CPU chấp nhận ngắt để trao đổi vào-ra Non Maskable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt khơng che gửi đến ngắt CPU Reset: Tín hiệu từ bên ngồi gửi đến CPU thành phần khác để khởi động lại máy tính 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 44 11 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tiếp) „ Đặc điểm cấu trúc đơn bus Các tín hiệu điều khiển bus: „ „ „ „ Bus Request (BRQ) Hold: Tín hiệu từ mô-đun điều khiển vào-ra gửi đến yêu cầu CPU chuyển nhượng quyền sử dụng bus „ „ Bus Grant (BGT) Hold Acknowledge (HLDA): Tín hiệu phát từ CPU chấp nhận chuyển nhượng quyền sử dụng bus Lock/ Unlock: Tín hiệu cấm/cho-phép xin chuyển nhượng bus 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính „ 45 NKK-HUT 18 March 2007 46 Một số bus điển hình PC „ Tổ chức thành nhiều bus hệ thống máy tính „ „ „ Bài giảng Kiến trúc máy tính NKK-HUT Phân cấp bus máy tính „ Bus hệ thống phục vụ yêu cầu trao đổi liệu thời điểm Bus hệ thống phải có tốc độ tốc độ bus mô-đun nhanh hệ thống Bus hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc bus (các tín hiệu) xử lý Ỉ mơ-đun nhớ mơ-đun vào-ra phụ thuộc vào xử lý Khắc phục: phân cấp bus Ỉ cấu trúc đa bus „ Cho thành phần khác nhau: „ Bus xử lý „ Bus nhớ „ Các bus vào-ra „ „ Các bus khác tốc độ Bus nhớ bus vào-ra khơng phụ thuộc vào xử lý cụ thể „ „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 47 Bus xử lý (Front Side Bus - FSB): có tốc độ nhanh Bus nhớ (nối ghép với mơ-đun RAM) AGP bus (Accelerated Graphic Port) - Bus đồ họa tăng tốc: nối ghép card hình tăng tốc PCI bus(Peripheral Component Interconnect): nối ghép với thiết bị ngoại vi có tốc độ trao đổi liệu nhanh IDE (Integrated Device Electronics): Bus kết nối với ổ đĩa cứng ổ đĩa CD, DVD USB (Universal Serial Bus): Bus nối tiếp đa 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 48 12 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Máy tính Pentium dùng Chipset 845 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Chipset 865 49 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 50 Bài giảng Kiến trúc máy tính 52 NKK-HUT Chipset 955 18 March 2007 Chipset 975 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 51 18 March 2007 13 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Ví dụ bo mạch 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 53 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 54 NKK-HUT Các vấn đề liên quan đến thiết kế bus „ „ „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 55 Các kiểu bus Phân xử bus Định thời bus 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 56 14 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Các kiểu bus „ Bus dành riêng (Dedicated): „ Các đường địa liệu tách rời Ưu điểm: điều khiển đơn giản Nhược điểm: có nhiều đường kết nối „ „ „ „ Phân xử bus „ „ Bus dồn kênh (Multiplexed) Các đường dùng chung cho địa liệu Có đường điều khiển để phân biệt có địa hay có liệu Ưu điểm: có đường dây Nhược điểm: „ „ „ „ „ „ 18 March 2007 Có nhiều mơ-đun điều khiển bus „ ví dụ: CPU điều khiển vào-ra Chỉ cho phép mô-đun điều khiển bus thời điểm Phân xử bus tập trung hay phân tán Điều khiển phức tạp Hiệu hạn chế Bài giảng Kiến trúc máy tính 57 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 58 NKK-HUT Phân xử bus (tiếp) „ „ Phân xử bus tập trung „ „ „ Định thời bus (Timing) Có Bộ điều khiển bus (Bus Controller) hay gọi Bộ phân xử bus (Arbiter) Có thể phần CPU mạch tách rời „ Phối hợp kiện bus Bus đồng „ „ Phân xử bus phân tán „ „ 18 March 2007 „ Mỗi mơ-đun chiếm bus Có đường điều khiển đến tất mơđun khác Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN „ Bus không đồng „ „ 59 Các kiện bus xác định tín hiệu xung nhịp xác định (clock) Bus Điều khiển bao gồm đường Clock Tất mô-đun đọc đường clock 18 March 2007 Khơng có đường tín hiệu Clock Kết thúc kiện bus kích hoạt cho kiện Bài giảng Kiến trúc máy tính 60 15 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Giản đồ định thời Bus đồng 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Giản đồ định thời thao tác đọc Bus không đồng 61 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 62 NKK-HUT Giản đồ định thời thao tác ghi Bus không đồng Hết chương 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 63 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 64 16