MÁY TÍNH CÁC KHÁI NIỆM VÀ CÔNG NGHỆ

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH MÁY TÍNH CÁC KHÁI NIỆM VÀ CÔNG NGHỆ 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM CƠNG NGHỆ Mục tiêu: Giới thiệu khái niệm máy tính cơng nghệ liên quan Slide dịch hình lấy từ sách tham khảo: Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Patterson, D A., and J L Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM CÔNG NGHỆ Giới thiệu Bên chương trình ứng dụng Bên máy tính 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM CƠNG NGHỆ Giới thiệu Bên chương trình ứng dụng Bên máy tính 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved Giới thiệu ü Máy tính – cách mạng thứ ba văn minh (cùng với cách mạng nông nghiệp công nghiệp) ü Xu hướng nghiên cứu khoa học mới: Các nhà khoa học tính toán, lý thuyết thực nghiệm hợp tác việc khám phá thành tựu thiên văn học, sinh học, hóa học, vật lý, v.v… ü Những ứng dụng xem “khoa học viễn tưởng” trước đây: 03/2017 Ø Máy tính tơ (Computers in automobiles) Ø Điện thoại (Cell phones) Ø Dự án di truyền học người (Human genome project) Ø World Wide Web Ø Cơng cụ tìm kiếm (Search engines) Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved Giới thiệu ü 03/2017 Máy tính sử dụng lớp ứng dụng chính: § Máy tính để bàn (Desktop computers) § Máy chủ (Servers) § Máy tính nhúng (Embedded computers) Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved Giới thiệu ü Máy tính sử dụng lớp ứng dụng chính: § Máy tính để bàn (Desktop computers) - Sử dụng cá nhân, thường tích hợp hình hiển thị (graphic display), chuột (mouse) bàn phím (keyboard) - Hiệu tốt người dùng đơn lẻ, mức chi phí thấp, thường dùng để thực thi phần mềm hãng thứ ba, hay goi shrink-wrap software - Là máy tính phổ biến nhất, biết đến với tên gọi máy tính cá nhân (personal computer) hay máy tính đa dụng (general-purpose computer) 03/2017 § Máy chủ (Servers) § Máy tính nhúng (Embedded computers) Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved Giới thiệu ü Máy tính sử dụng lớp ứng dụng chính: § Máy tính để bàn (Desktop computers) § Máy chủ (Servers) - Dùng để chạy chương trình lớn có nhiều người dùng đồng thời thường truy cập qua hình thức mạng - Máy chủ chạy ứng dụng đơn có tính phức tạp cao (như ứng dụng kĩ thuật khoa hoc), điều khiển nhiều công việc nhỏ (như xây dựng máy chủ Web lớn) - Những ứng dụng thường dựa phần mềm phát triển từ nguồn khác (như hệ thống sở liệu mô phỏng), thường hiệu chỉnh để phù hợp với chức cụ thể - Máy chủ xây dựng theo cơng nghệ máy tính để bàn, cung cấp khả mở rộng lớn mặt tính toán số lượng ngõ nhập xuất (hiệu máy chủ đo nhiều cách, tùy thuộc vào ứng dụng dùng) § 03/2017 Máy tính nhúng (Embedded computers) Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved Giới thiệu ü Máy tính sử dụng lớp ứng dụng chính: § Máy tính để bàn (Desktop computers) § Máy chủ (Servers) Có nhiều loại khác chi phí cơng suất: • Low-end servers: sử dụng ứng dụng lưu trữ, ứng dụng cho doanh nghiệp nhỏ, dịch vụ web, khơng kèm hình bàn phím, chi phí khoảng 1000$ • Supercomputers: Ø Thường dùng cho cơng việc tính tốn kĩ thuật khoa học phức tạp cao cấp, ví dụ dự báo thời tiết, khai phá dầu mỏ, tìm cấu trúc protein v.v… với hiệu cao Ø Bao gồm hàng trăm đến hàng ngàn xử lý, với nhớ kích cỡ gigabytes đến terabytes khả lưu trữ liệu terabytes đến petabytes, chi phí hàng triệu đến hàng trăm triệu đơla • Datacenter: khơng gọi với tên supercomputers, Internet datacenters sử dụng công ty eBay, Google chứa hàng ngàn xử lý, với nhớ hàng terabytes, khả lưu trữ hàng petabytes Datacenter thường xem cụm máy tính lớn § 03/2017 Máy tính nhúng (Embedded computers) Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved Giới thiệu ü Máy tính sử dụng lớp ứng dụng chính: § Máy tính để bàn (Desktop computers) § Máy chủ (Servers) § Máy tính nhúng (Embedded computers) • Là máy tính bên thiết bị đó, dùng để chạy ứng dụng hay tập hợp phần mềm định trước; lớp máy tính phổ biến trải rộng mặt ứng dụng hiệu • Máy tính nhúng: bao gồm vi xử lý (microprocessor) tìm thấy máy giặt, xe hơi, điện thoại, ti vi kĩ thuật số,… • Hệ thống tính tốn nhúng: thiết kế để chạy ứng dụng tập ứng dụng có liên quan, thường tích hợp với phần cứng phân phối hệ thống đơn; theo đó, máy tính nhúng phổ biến, đa số người dùng không thật nhận họ dùng máy tính • u cầu quan trọng ứng dụng nhúng đạt hiệu hoạt động cần thiết tối thiểu với chi phí lượng tiêu thụ thấp • Trong nhiều năm vừa qua, tốc độ phát triển máy tính nhúng nhanh nhiều so với máy tính để bàn máy chủ 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 10 Bên máy tính v Bên thùng máy • Đơn vị xử lý trung tâm (Central processor unit - CPU): gọi xử lý (Processor), phận hoạt động tích cực máy tính, chứa đường liệu (data path) khối điều khiển (control), thực việc cộng số, kiểm tra số, kích hoạt thiết bị I/O , v.v… • Datapath: Thành phần xử lý, thực tính tốn tốn học • Control: Thành phần xử lý, điều khiển đường liệu, nhớ, thiết bị I/O tùy theo lệnh thực thi chương trình è Khối Datapath thực tính tốn toán học, khối Control hướng dẫn đường liệu, nhớ, thiết bị I/O việc cần làm dựa yêu cầu lệnh chương trình èDatapath Control, giống bắp não xử lý 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 25 Bên máy tính v Chi tiết vi xử lý Hình Bên vi xử lý AMD Barcelona Hình bên trái ảnh vi mô chip xử lý AMD Barcelona, hình bên phải thể khối xử lý Chip có nhân xử lý, hay gọi “core” 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 26 Bên máy tính v Chi tiết vi xử lý Cache: üBên xử lý có dạng nhớ, gọi nhớ đệm (Cache memory) üBộ nhớ Cache nhớ nhỏ, nhanh, hoạt động đệm cho nhớ DRAM üCache xây dựng công nghệ thiết kế nhớ khác biệt, dựa static random access memory (SRAM) SRAM có tốc độ truy cập nhanh dày đặc hơn, mắc DRAM 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 27 Bên máy tính v Nơi lưu liệu an tồn • Bộ nhớ khả biến/bay (Volatile memory): Chỉ lưu liệu có nguồn điện (vd: DRAM) • Bộ nhớ bất biến/khơng bay (Nonvolatile memory): Có thể lưu diệu không cấp nguồn điện, dùng để lưu trữ chương trình lần chạy Đĩa từ (Magnetic disk) dạng nhớ bất biến Ø Bộ nhớ (Main/Primary memory): Là nhớ khả biến, dùng để lưu chương trình chạy, điển hình DRAM máy tính ngày Ø Bộ nhớ thứ cấp (Secondary memory): Là nhớ bất biến, dùng để lưu chương trình liệu lần chạy, điển hình đĩa từ máy tính ngày ü Đĩa từ (Magnetic disk, gọi hard disk): Bộ nhớ thứ cấp bất biến, bao gồm đĩa quay phủ vật liệu ghi từ o Gigabyte: theo truyền thống, tương đương 1.073.741.824 (230) bytes, nhiên số hệ thống lưu trữ giao tiếp định nghĩa 1.000.000.000 (109) bytes Tùy thuộc ngữ cảnh, Gigabyte 109 230 bytes o Đa số ổ đĩa cứng (hard drive) nằm bên máy tính, ngồi có dạng kết nối vào máy tính sử dụng kết nối ngồi thơng qua cổng USB (universal serial bus) ü Đĩa quang Optical disks: CDs (Compact disks) DVDs (Digital video disks) 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 28 Bên máy tính v Nơi lưu liệu an tồn Bộ nhớ Flash: § Bộ nhớ bán dẫn dạng nonvolatile, dùng để thay cho nhớ đĩa (disk) thiết bị di động điện thoại, máy chơi nhạc, hướng đến cho laptop § Rẻ chậm DRAM mắc nhanh đĩa từ 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 29 Bên máy tính v Giao tiếp với máy tính khác Mạng máy tính: Kết nối tất máy tính, cho phép người dùng máy tính mở rộng lực tính tốn thơng qua giao tiếp máy tính Mạng máy tính ngày trở nên phổ biến xương sống cho hệ thống máy tính Máy tính kết nối mạng có nhiều thuận lợi: § Giao tiếp: Thơng tin trao đổi máy tính với tốc độ cao § Chia sẻ tài ngun: Khác với máy tình riêng lẻ xài riêng thiết bị I/O, máy tính bên mạng kết nối chia sẻ thiết bị cho § Truy cập từ xa: Bằng cách kết nối máy tính từ xa, người dùng khơng cần gần máy tính mà họ sử dụng 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 30 Bên máy tính v Giao tiếp với máy tính khác Mạng máy tính khác độ dài hiệu năng, theo chi phí tăng tương ứng với tốc độ truyền tải khoảng cách mà thơng tin truyển tới § Ethernet (hình thức mạng phổ biến nhất): Có thể dài km tốc độ truyền liệu lên tới 10 gigabits giây è hữu ích kết nối máy tính tầng tòa nhà, ví dụ dạng mang cục (local area network ) Local area network (LAN): mạng thiết kế để truyền liệu vùng địa lý giới hạn, điển hình mạng tòa nhà § Wide area networks (mạng xuyên lục địa, xương sống mạng Internet, hỗ trợ World Wide Web): Có thể dài tới hàng trăm km tốc độ truyền lên tới hàng gigabits giây è thường xây dựng công nghệ sợi quang (optical fibers) cung cấp cơng ty viễn thơng § Wireless technology (mạng không dây, phát triển rộng rãi, đa số laptop sử dụng công nghệ mạng này): Mạng không dây phổ biến theo chuẩn IEEE 802.11, cho phép tốc độ truyền liệu khoảng – 100 triệu bit giây 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 31 Bên máy tính v Cơng nghệ xây dựng Bộ xử lý Bộ nhớ § Transistor: Cơng tắc đóng/mở điều khiển điện § Very large scale integrated circuit (VLSI): Mạch tích hợp chứa hàng trăm ngàn đến hàng triệu transistor § Moore’s law: Số lượng transistor mạch tích hợp tăng gấp đôi khoảng thời gian 18–24 tháng (Gordon Moore, nhà sáng lập Intel vào năm1960s.) 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 32 Bên máy tính v Cơng nghệ xây dựng Bộ xử lý Bộ nhớ Hình Định luật Moore [Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Moore’s_law] 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 33 Bên máy tính v Ảnh màu • Để biểu diễn ảnh màu hình máy tính, ảnh hình chia thành hàng cột, tạo thành ma trận ô Mỗi ô gọi pixel Pixel: Phần tử ảnh nhỏ Màn hình bao gồm hàng trăm, ngàn, triệu pixel tổ chức thành ma trận • Tùy vào kích cỡ hình độ phân giải (resolution), ma trận hiển thị có độ lớn từ 640×480 đến 2560×1600 pixels (trong năm 2008) Ví dụ: Màn hình với độ phân giải Full HD 1920 × 1080, tức độ rộng 1920 (1920 cột) cao 1080 (1080 hàng), có tổng cộng 1920 × 1080 = 2073600 pixels tồn hình, hay 2.0736 Megapixels (1 Megapixels = triệu pixels) 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 34 Bên máy tính v Ảnh màu • Mỗi pixel mang màu dùng số bit để thể màu Vì vậy, hình ảnh máy tính thể ma trận bit, gọi “bit map” • Khi hình ảnh thể hình, máy tính có phần cứng tên “raster refresh buffer”, hay gọi “frame buffer”, để lưu nội dung bitmap trước thể hình Hình Ví dụ thiết kế đơn giản Frame buffer với bits cho pixel Pixel (X0, Y0) chứa thông tin bit 0011, quy định tương ứng với màu xanh nhạt hình; Pixel (X1, Y1) chứa thơng tin bit 1101, quy định tương ứng với màu xanh đậm hình 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 35 Bên máy tính v Ảnh màu Một màu tương ứng hầu hết máy tính tổ hợp từ ba màu bản: đỏ (Red), xanh (Green) xanh dương (Blue) Dùng bit để hiển thị cho màu tùy vào hệ thống Ví dụ: Màn hình máy tính có độ phân giải 640×480, sử dụng bits để biểu diễn cho màu Red Green Blue Nếu hình biểu diễn lên hệ thống này, pixel cần tới × = 24 bit, frame buffer phải có kích thước tối thiểu 640 × 480 × 24 = 7372800 bits để lưu trọn hình 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 36 MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM CƠNG NGHỆ Giới thiệu Bên chương trình ứng dụng Bên máy tính 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 37 MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM CƠNG NGHỆ Tổng kết: § Ba loại máy tính chính: Desktop computers, Servers Embedded computers § Phần mềm phần cứng máy tính phân làm ba cấp: Ứng dụng (Application), Phần mềm hệ thống (System software) Phần cứng (Hardware) § Ngơn ngữ máy tính § Về phần cứng, giới thiệu máy tính có phần cứng phân chia từ: Ngơn ngữ cấp kỹ thuật chế tạo liên cao, hợp ngữ, đến ngôn ngữ quan máy 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 38 MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM CÔNG NGHỆ v Lý thuyết: Đọc sách tham khảo • Các mục 1.1, 1.2, 1.3 • Sách: Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Patterson, D A., and J L Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011 v Bài tập: file đính kèm 03/2017 Copyrights 2017 CE-UIT All Rights Reserved 39