Máy chủ (Server) Thực chất là máy phục vụ Dùng trong mạng theo mô hình ClientServer (Khách hàngNgười phục vụ) Tốc độ và hiệu năng tính toán cao Dung lượng bộ nhớ lớn Độ tin cậy cao Giá thành: hàng nghìn đến hàng chục triệu USD. 10 Máy tính nhúng (Embedded Computer) Được đặt trong thiết bị khác để điều khiển thiết bị đó làm việc Được thiết kế chuyên dụng Ví dụ: • Điện thoại di động • Máy ảnh số • Bộ điều khiển trong máy giặt, điều hoà nhiệt độ • Router – bộ định tuyến trên mạng Giá thành: vài USD đến hàng trăm nghìn USD. 11 1.2. Kiến trúc máy tính Định nghĩa kiến trúc máy tính • Kiến trúc máy tính là một chi tiết về đặc điểm kỹ thuật như thế nào để một tập các tiêu chuẩn phần mềm và công nghệ phần cứng tương tác để tạo thành một hệ thống máy tính hay nền tảng • Kiến trúc máy tính đề cập đến cách một hệ thống máy tính được thiết kế và những công nghệ gì tương thích với nhau. 1.2. Kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh: Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập trình Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính →Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi rất nhanh
3/6/2017 Mơn học: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Nội • • • • • • • dung môn học Chương – Tổng quan kiến trúc máy tính Chương – Biểu diễn thơng tin máy tính Chương – Mạch logic số Chương – Bộ vi xử lý Chương – Kiến trúc tập lệnh Chương – Bộ nhớ thiết bị lưu trữ Chương – Hệ thống vào Đơn • • • Chương 1: Tổng quan kiến trúc máy tính Máy tính phân loại Kiến trúc máy tính Sự tiến hố máy tính Các thành phần máy tính Hoạt động máy tính Liên kết hệ thống (Bus) vị đảm nhận: Khoa Công nghệ Thông tin – Bộ môn Kỹ thuật Máy tính Phó Chủ nhiệm khoa: ThS Nguyễn Đào Trường – 0946 562 168 Email: truongnguyendao@gmail.com Tài liệu tham khảo William Stallings, Computer organization and architecture: Design for performance, 8th edition, Prentice Hall, 2010 TS Vũ Đức Lung, Kiến trúc máy tính, Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2009 Trường Đại học Hàng Hải, Kiến trúc máy tính, 2010 Võ Văn Chín, Nguyễn Hồng Vân, Phạm Hữu Tài, Kiến trúc máy tính, ASVIET002CNTT Đại học Cần Thơ, 2003 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Kiến trúc máy tính, 2008 Đại học Hàng hải, Kiến trúc máy tính thiết bị ngoại vi, 2009 Nguyễn Kim Khánh, Kiến trúc máy tính, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2007 Đỗ Đức Giáo, Toán rời rạc, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2000 1.1 Máy tính phân loại Máy tính Máy tính (Computer) thiết bị điện tử thực công việc sau: • Nhận thơng tin vào, • Xử lý thơng tin theo dãy lệnh nhớ sẵn bên trong, • Đưa thông tin Dãy lệnh nằm nhớ để u cầu máy tính thực cơng việc cụ thể gọi chương trình (program) → Máy tính hoạt động theo chương trình Tài liệu tham khảo Máy tính Các thành phần máy tính 3/6/2017 Máy chủ (Server) Mơ hình phân lớp máy tính Thực chất máy phục vụ Dùng mạng theo mơ hình Client/Server (Khách hàng/Người phục vụ) Tốc độ hiệu tính tốn cao Dung lượng nhớ lớn Độ tin cậy cao Giá thành: hàng nghìn đến hàng chục triệu USD • Phần cứng (Hardware): hệ thống vật lý máy tính • Phần mềm (Software): chương trình liệu Máy tính nhúng (Embedded Computer) Phân loại máy tính 10 Phân loại truyền thống Phân loại truyền thống: Máy vi tính (Microcomputers) Máy tính nhỏ (Minicomputers) Máy tính lớn (Mainframe Computers) Siêu máy tính (Supercomputers) • • • • Phân loại máy tính đại Máy tính cá nhân (Personal Computers) Máy chủ (Server Computers) Máy tính nhúng (Embedded Computers) Giá thành: vài USD đến hàng trăm nghìn USD 11 1.2 Kiến trúc máy tính Là loại máy tính phổ biến Các loại máy tính cá nhân: • Máy tính để bàn (Desktop) • Máy tính xách tay (Laptop) Điện thoại di động Máy ảnh số Bộ điều khiển máy giặt, điều hoà nhiệt độ Router – định tuyến mạng Máy tính cá nhân PC Được đặt thiết bị khác để điều khiển thiết bị làm việc Được thiết kế chuyên dụng Ví dụ: 1981 → IBM giới thiệu máy tính IBM-PC sử dụng xử lý Intel 8088 1984 → Apple đưa Macintosh sử dụng xử lý Motorola 68000 Giá thành: hàng trăm đến hàng nghìn USD Định nghĩa kiến trúc máy tính • Kiến trúc máy tính chi tiết đặc điểm kỹ thuật để tập tiêu chuẩn phần mềm công nghệ phần cứng tương tác để tạo thành hệ thống máy tính hay tảng • Kiến trúc máy tính đề cập đến cách hệ thống máy tính thiết kế cơng nghệ tương thích với 12 3/6/2017 1.2 Kiến trúc máy tính Cấu trúc máy tính Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh: Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn người lập trình Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính →Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi nhanh 13 Các thành phần máy tính Ví dụ 16 Các máy tính PC dùng xử lý Pentium III Pentium 4: • chung kiến trúc tập lệnh (IA-32) • có tổ chức khác 14 Kiến trúc tập lệnh Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): Điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu Bộ nhớ (Main Memory): Chứa chương trình liệu sử dụng Hệ thống vào (Input/Output System): Trao đổi thơng tin máy tính với bên ngồi Liên kết hệ thống (System Interconnection): Kết nối vận chuyển thông tin thành phần với 17 1.3 Sự tiến hố máy tính Kiến trúc tập lệnh máy tính bao gồm: Tập lệnh: tập hợp chuỗi số nhị phân mã hoá cho thao tác mà máy tính thực Các kiểu liệu: kiểu liệu mà máy tính xử lý 15 Các hệ máy tính • Thế hệ 1: (1946-1957) đèn điện tử • Thế hệ 2: (1958-1964) linh kiện bán dẫn chủ yếu transistor • Thế hệ (1965-1971) mạch tích hợp (IC) • Thế hệ thứ (1972-về sau) IC có mật độ tích hợp cao • Thế hệ thứ 5: Theo đề án người Nhật máy tính điện tử hệ thứ có cấu trúc 18 hoàn toàn mới, bao gồm khối 3/6/2017 Máy tính dùng đèn điện tử (tiếp) Máy tính dùng đèn điện tử Thế hệ 1: (1946-1957) đèn điện tử ENIAC- Máy tính điện tử • Electronic Numerical Intergator And Computer • Dự án Bộ Quốc phịng Mỹ • Do John Mauchly John Presper Eckert Đại học Pennsylvania thiết kế • Bắt đầu từ năm 1943, hoàn thành năm 1946 19 Máy tính dùng đèn điện tử (tiếp) • • • • • • 22 Máy tính von Neumann Nặng 30 18000 đèn điện tử 1500 rơle 5000 phép cộng/giây Xử lý theo số thập phân Bộ nhớ lưu trữ liệu Lập trình cách thiết lập vị trí chuyển mạch cáp nối Đó máy tính IAS: • • • • 20 Máy tính dùng đèn điện tử (tiếp) Princeton Institute for Advanced Studies Được 1947, hoàn thành1952 Do John von Neumann thiết kế Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình lưu trữ” (stored-program concept) von Neumann/Turing (1945) 23 Đặc điểm máy tính IAS • Đèn điện tử 21 Bao gồm thành phần: đơn vị điều khiển, đơn vị số học logic (ALU), nhớ thiết bị vào-ra Bộ nhớ chứa chương trình liệu Bộ nhớ đánh địa theo ngăn nhớ, khơng phụ thuộc vào nội dung ALU thực phép toán với số nhị phân Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ nhớ, giải mã thực lệnh cách Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động thiết bị vào-ra Trở thành mơ hình máy tính 24 3/6/2017 John von Neumann máy tính IAS Alan Turing UNIVAC II 25 Các máy tính thương mại đời 28 Hãng IBM • 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation • UNIVAC I (Universal Automatic Computer) • 1950s - UNIVAC II Nhanh Bộ nhớ lớn • IBM - International Business Machine • 1953 - IBM 701 Máy tính lưu trữ chương trình IBM Sử dụng cho tính tốn khoa học • 1955 – IBM 702 Các ứng dụng thương mại 26 UNIVAC I 29 IBM 701 27 30 3/6/2017 Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI LSI Máy tính dùng transistor Máy tính PDP-1 DEC (Digital Equipment Corporation) máy tính mini IBM 7000 Hàng trăm nghìn phép cộng giây Các ngơn ngữ lập trình bậc cao đời Vi mạch (Integrated Circuit - IC): nhiều transistor phần tử khác tích hợp chip bán dẫn • • • • • • SSI (Small Scale Integration) MSI (Medium Scale Integration) LSI (Large Scale Integration) VLSI (Very Large Scale Integration) (thế hệ thứ tư) ULSI (Ultra Large Scale Integration) (thế hệ thứ tư) SoC (System on Chip) Siêu máy tính xuất hiện: CRAY-1, VAX Bộ vi xử lý (microprocessor) đời • Bộ vi xử lý → Intel 4004 (1971) 31 34 Luật Moore Máy tính DEC PDP-1 (1960) • • • • • Gordon Moore – người đồng sáng lập Intel Số transistors chip gấp đôi sau 18 tháng Giá thành chip không thay đổi Mật độ cao hơn, đường dẫn ngắn Kích thước nhỏ dẫn tới độ phức tạp tăng lên • Điện tiêu thụ • Hệ thống có chip liên kết với nhau, tăng độ tin cậy 35 32 Tăng trưởng số transistor chip CPU IBM 7030 (1961) 33 36 3/6/2017 Máy tính dùng vi mạch VLSI/ULSI IBM 360 Family Các sản phẩm cơng nghệ VLSI/ULSI: • Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU chế tạo chip • Vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset): một vài vi mạch thực nhiều chức điều khiển nối ghép • Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory): ROM, RAM • Các vi điều khiển (Microcontroller): máy tính chuyên dụng chế tạo chip 40 37 PDP-11 (1973) VAX-11 (1981) Intel 4004 - vi xử lý 4-bit 38 Micro VAX Siêu máy tính CRAY-1 41 Intel 8080 - vi xử lý 8-bit 39 42 3/6/2017 Intel 80286 - vi xử lý 16-bit Pentium III Pentium (32-bit) 43 80386 - vi xử lý 32-bit Intel 46 Itanium (64-bit) 44 47 Các hệ thống máy tính đại Intel Pentium (32-bit) Máy tính nhúng Máy tính cá nhân (PC) Máy trạm làm việc Máy chủ (Servers) Mạng máy tính Internet - Mạng máy tính toàn cầu 45 48 3/6/2017 Bộ xử lý trung tâm (CPU) Ví dụ máy chủ HP Chức năng: • điều khiển hoạt động máy tính • xử lý liệu Nguyên tắc hoạt động bản: • CPU hoạt động theo chương trình nằm nhớ 52 49 Ví dụ máy chủ Sun Cấu trúc CPU 50 53 1.4 Các thành phần máy tính Các thành phần CPU Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit) Bộ nhớ (Memory) Hệ thống vào (Input/Output System) Liên kết hệ thống (System Interconnection) (BUS) 51 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) 54 3/6/2017 Các thành phần nhớ máy tính Tốc độ xử lý Tốc độ xử lý: • Số lệnh thực giây • MIPS (Million of Instructions per Second) • Khó đánh giá xác Tần số xung nhịp xử lý: • 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 55 Bộ nhớ Tốc độ xử lý (tiếp) 58 Dạng xung nhịp Chức đặc điểm: • • • • Chứa thông tin mà CPU trao đổi trực tiếp Tốc độ nhanh Dung lượng không lớn Sử dụng nhớ bán dẫn: ROM RAM Các loại nhớ trong: • Bộ nhớ • Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm) 59 56 Bộ nhớ máy tính Bộ nhớ (Main Memory) Chức năng: lưu trữ chương trình liệu Các thao tác với nhớ: • Thao tác ghi (Write) • Thao tác đọc (Read) Các thành phần chính: • Bộ nhớ (Internal Memory) • Bộ nhớ ngồi (External Memory) 57 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 60 10 3/6/2017 Đĩa từ Cylinders 385 Các đặc tính đĩa từ 388 Đĩa mềm Đầu từ cố định hay đầu từ di động Đĩa cố định hay thay đổi Một mặt hay hai mặt Một đĩa hay nhiều đĩa Cơ chế đầu từ 8”, 5.25”, 3.5” Dung lượng nhỏ: tới 1.44Mbyte Tốc độ chậm Thông dụng Rẻ tiền Tương lai khơng dùng ? • Tiếp xúc (đĩa mềm) • Khơng tiếp xúc 386 389 Đĩa cứng Nhiều đĩa Một nhiều đĩa Thông dụng Dung lượng tăng lên nhanh • 1993: 200MB • 2004: 30GB, 40GB • 2013: 1TB, 2TB Tốc độ đọc/ghi nhanh Rẻ tiền 387 390 65 3/6/2017 RAID RAID & Redundant Array of Inexpensive Disks Redundant Array of Independent Disks Hệ thống nhớ dung lượng lớn 391 Đặc điểm RAID 394 RAID & Tập đĩa cứng vật lý OS coi ổ logic → dung lượng lớn Dữ liệu lưu trữ phân tán ổ đĩa vật lý → truy cập song song (nhanh) Có thể sử dụng dung lượng dư thừa để lưu trữ thông tin kiểm tra chẵn lẻ, cho phép khôi phục lại thông tin trường hợp đĩa bị hỏng → an tồn thơng tin loại phổ biến (RAID – 6) 392 RAID 0, 1, 395 Ánh xạ liệu RAID 393 396 66 3/6/2017 Đĩa quang 5.6 Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) CD-ROM (Compact Disk ROM) CD-R (Recordable CD) CD-RW (Rewriteable CD) Dung lượng thông dụng 650MB Ổ đĩa CD: • Kỹ thuật phân trang: Chia không gian địa nhớ thành trang nhớ có kích thước nằm liền kề Thơng dụng: kích thước trang = 4KBytes • Kỹ thuật phân đoạn: Chia không gian nhớ thành đoạn nhớ có kích thước thay đổi, đoạn nhớ gối lên 400 • Ổ CD-ROM • Ổ CD-Writer: Ghi phiên ghi nhiều phiên • Ổ CD-RW Tốc độ đọc sở 150KByte/s Tốc độ bội, ví dụ: 48x, 52x, 397 5.7 Hệ thống nhớ PC Đĩa quang (tiếp) Khái niệm nhớ ảo: gồm nhớ nhớ ngồi mà CPU coi nhớ (bộ nhớ chính) Các kỹ thuật thực nhớ ảo: DVD Bộ nhớ cache: tích hợp chip vi xử lý Bộ nhớ chính: Tồn dạng mơđun nhớ RAM • Digital Video Disk: dùng ổ đĩa xem video • Digital Versatile Disk: ổ máy tính • Ghi hai mặt • Một hai lớp mặt • Thơng dụng: 4,7GB/lớp • SIMM – Single Inline Memory Module 30 chân: đường liệu 72 chân: 32 đường liệu • DIMM – Dual Inline Memory Module 64 đường liệu • RIMM – Rambus DRAM 398 401 Hệ thống nhớ PC (tiếp) Flash Disk Thường kết nối qua cổng USB Không phải dạng đĩa Bộ nhớ bán dẫn cực nhanh (flash memory) Dung lượng tăng nhanh Thuận tiện • • • • Chương trình POST (Power On Self Test) Chương trình CMOS Setup Chương trình Bootstrap loader Các trình điều khiển vào-ra (BIOS) CMOS RAM: • Chứa thơng tin cấu hình hệ thống • Đồng hồ hệ thống • Có pin ni riêng 399 ROM BIOS chứa chương trình sau: Video RAM: quản lý thơng tin hình Các loại nhớ 402 67 3/6/2017 Cấu trúc hệ thống vào-ra Hết chương 403 Chương 6: Hệ thống vào (IO) 6.1 Tổng quan hệ thống vào-ra 6.2 Các phương pháp điều khiển vào-ra 6.3 Nối ghép thiết bị ngoại vi 6.4 Các cổng vào-ra thông dụng PC 406 Đặc điểm vào-ra Tồn đa dạng thiết bị ngoại vi khác về: • Nguyên tắc hoạt động • Tốc độ • Khuôn dạng liệu Tất thiết bị ngoại vi chậm CPU RAM →Cần có mô-đun vào-ra để nối ghép thiết bị ngoại vi với CPU nhớ 404 6.1 Tổng quan hệ thống vàora Giới thiệu chung Chức hệ thống vào-ra: Trao đổi thông tin máy tính với giới bên ngồi Các thao tác bản: • Vào liệu (Input) • Ra liệu (Output) Các thành phần chính: • Các thiết bị ngoại vi • Các mô-đun vào-ra 405 407 Các thiết bị ngoại vi Chức năng: chuyển đổi liệu bên bên máy tính Phân loại: • Thiết bị ngoại vi giao tiếp người-máy: Bàn phím, Màn hình, Máy in, • Thiết bị ngoại vi giao tiếp máy-máy: gồm thiết bị theo dõi kiểm tra • Thiết bị ngoại vi truyền thông: Modem, Network Interface Card (NIC) 408 68 3/6/2017 Cấu trúc chung thiết bị ngoại vi Cấu trúc chung mô-đun vàora 409 Các thành phần thiết bị ngoại vi Bộ chuyển đổi tín hiệu: chuyển đổi liệu bên bên máy tính Bộ đệm liệu: đệm liệu truyền mô-đun vào-ra thiết bị ngoại vi Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt động thiết bị ngoại vi đáp ứng theo yêu cầu từ mô-đun vào-ra 412 Các thành phần mô-đun vàora Thanh ghi đệm liệu: đệm liệu trình trao đổi Các cổng vào-ra (I/O Port): kết nối với thiết bị ngoại vi, cổng có địa xác định Thanh ghi trạng thái/điều khiển: lưu giữ thông tin trạng thái/điều khiển cho cổng vào-ra Khối logic điều khiển: điều khiển môđun vào-ra 410 Mô-đun vào-ra 413 Địa hóa cổng vào-ra Chức mơ-đun vào-ra: a Khơng gian địa xử lý • • • • Điều khiển định thời Trao đổi thông tin với CPU Trao đổi thông tin với thiết bị ngoại vi Đệm bên máy tính với thiết bị ngoại vi • Phát lỗi thiết bị ngoại vi 411 414 69 3/6/2017 Không gian địa xử lý (tiếp) b Các phương pháp địa hoá cổng vào-ra Một số xử lý quản lý không gian địa chỉ: Vào-ra riêng biệt (Isolated IO hay IO mapped IO) Vào-ra theo ánh xạ nhớ (Memory mapped IO) • không gian địa nhớ: 2N địa Ví dụ: Các xử lý 680x0 (Motorola) 415 Không gian địa xử lý (tiếp) 418 Vào-ra riêng biệt Một số xử lý quản lý hai khơng gian địa tách biệt: • Khơng gian địa nhớ: 2N địa • Khơng gian địa vào-ra: 2N1 địa • Có tín hiệu điều khiển phân biệt truy nhập không gian địa • Tập lệnh có lệnh vào-ra chun dụng Cổng vào-ra đánh địa theo không gian địa vào-ra CPU trao đổi liệu với cổng vào-ra thông qua lệnh vào-ra chuyên dụng (IN, OUT) Chỉ thực hệ thống có quản lý khơng gian địa vào-ra riêng biệt 416 Không gian địa xử lý (tiếp) Vào-ra theo ánh xạ nhớ Ví dụ: Pentium (Intel) • • • • 419 Cổng vào-ra đánh địa theo không gian địa nhớ Vào-ra giống đọc/ghi nhớ CPU trao đổi liệu với cổng vào-ra thông qua lệnh truy nhập liệu nhớ Có thể thực hệ thống không gian địa nhớ = 232 byte = 4GB không gian địa vào-ra = 216 byte = 64KB Tín hiệu điều khiển M / IO Lệnh vào-ra chuyên dụng: IN, OUT 417 420 70 3/6/2017 6.2 Các phương pháp điều khiển vào-ra Vào-ra chương trình (Programmed IO) Vào-ra điều khiển ngắt (Interrupt Driven IO) Truy nhập nhớ trực tiếp – DMA (Direct Memory Access) Các lệnh vào-ra Với vào-ra riêng biệt: sử dụng lệnh vàora chuyên dụng (IN, OUT) Với vào-ra theo đồ nhớ: sử dụng lệnh trao đổi liệu với nhớ 421 Vào-ra chương trình 424 Lưu đồ đoạn chương trình vào-ra Nguyên tắc chung: CPU điều khiển trực tiếp vào-ra chương trình → cần phải lập trình vào-ra 422 Các tín hiệu điều khiển vào-ra Tín hiệu điều khiển (Control): kích hoạt thiết bị ngoại vi Tín hiệu kiểm tra (Test): kiểm tra trạng thái mô-đun vào-ra thiết bị ngoại vi Tín hiệu điều khiển đọc (Read): yêu cầu môđun vào-ra nhận liệu từ thiết bị ngoại vi đưa vào ghi đệm liệu, CPU nhận liệu Tín hiệu điều khiển ghi (Write): yêu cầu môđun vào-ra lấy liệu bus liệu đưa đến ghi đệm liệu chuyển thiết bị ngoại vi 423 425 Hoạt động vào-ra chương trình CPU yêu cầu thao tác vào-ra Mô-đun vào-ra thực thao tác Mô-đun vào-ra thiết lập bit trạng thái CPU kiểm tra bit trạng thái: • Nếu chưa sẵn sàng quay lại kiểm tra • Nếu sẵn sàng chuyển sang trao đổi liệu với mô-đun vào-ra 426 71 3/6/2017 Hoạt động vào liệu: nhìn từ mơ-đun vào-ra Đặc điểm Vào-ra ý muốn người lập trình CPU trực tiếp điều khiển vào-ra CPU đợi mô-đun vào-ra → tiêu tốn thời gian CPU Mơ-đun vào-ra nhận tín hiệu điều khiển đọc từ CPU Mô-đun vào-ra nhận liệu từ thiết bị ngoại vi, CPU làm việc khác Khi có liệu → mơ-đun vào-ra phát tín hiệu ngắt CPU CPU u cầu liệu Mô-đun vào-ra chuyển liệu đến CPU 427 Hoạt động vào liệu: nhìn từ CPU Vào-ra điều khiển ngắt 430 Ngun tắc chung: • CPU khơng phải đợi trạng thái sẵn sàng mô-đun vào-ra, CPU thực chương trình • Khi mơ-đun vào-ra sẵn sàng phát tín hiệu ngắt CPU • CPU thực chương trình vào-ra tương ứng để trao đổi liệu • CPU trở lại tiếp tục thực chương trình bị ngắt 428 Chuyển điều khiển đến chương trình ngắt Phát tín hiệu điều khiển đọc Làm việc khác Cuối chu trình lệnh, kiểm tra tín hiệu ngắt Nếu bị ngắt: • Cất ngữ cảnh (nội dung ghi) • Thực chương trình ngắt để vào liệu • Khơi phục ngữ cảnh chương trình thực 431 Các vấn đề nảy sinh thiết kế Làm để xác định mô-đun vàora phát tín hiệu ngắt ? CPU làm có nhiều yêu cầu ngắt xẩy ? 429 432 72 3/6/2017 Các phương pháp nối ghép ngắt Hỏi vòng phần cứng Sử dụng nhiều đường yêu cầu ngắt Hỏi vòng phần mềm (Software Poll) Hỏi vòng phần cứng (Daisy Chain or Hardware Poll) Sử dụng điều khiển ngắt (PIC) 433 436 Kiểm tra vòng phần cứng (tiếp) Nhiều đường yêu cầu ngắt CPU phát tín hiệu chấp nhận ngắt (INTA) đến mô-đun vào-ra Nếu mơ-đun vào-ra khơng gây ngắt gửi tín hiệu đến mơ-đun xác định mô-đun gây ngắt Thứ tự mô-đun vào-ra kết nối chuỗi xác định thứ tự ưu tiên Mỗi mô-đun vào-ra nối với đường yêu cầu ngắt CPU phải có nhiều đường tín hiệu yêu cầu ngắt Hạn chế số lượng mô-đun vào-ra Các đường ngắt qui định mức ưu tiên 437 434 Hỏi vòng phần mềm Bộ điều khiển ngắt lập trình CPU thực phần mềm hỏi môđun vào-ra Chậm Thứ tự mơ-đun hỏi vịng thứ tự ưu tiên 435 PIC – Programmable Interrupt Controller PIC có nhiều đường vào yêu cầu ngắt có qui định mức ưu tiên PIC chọn u cầu ngắt khơng bị cấm có mức ưu tiên cao gửi tới CPU 438 73 3/6/2017 Đặc điểm vào-ra điều khiển ngắt Sơ đồ cấu trúc DMAC Có kết hợp phần cứng phần mềm Phần cứng: gây ngắt CPU Phần mềm: trao đổi liệu CPU trực tiếp điều khiển vào-ra CPU đợi mô-đun vào-ra → hiệu sử dụng CPU tốt 439 Ngắt 80x86 442 Các thành phần DMAC Tổ chức kiểu vector ngắt Số hiệu ngắt: n (00-FF) Bảng vector ngắt: 256 x byte = 1024bytes 00000 – 003FF Lệnh INT n Thanh ghi liệu: chứa liệu trao đổi Thanh ghi địa chỉ: chứa địa ngăn nhớ liệu Bộ đếm liệu: chứa số từ liệu cần trao đổi Logic điều khiển: điều khiển hoạt động DMAC 440 DMA (Direct Memory Access) Vào-ra chương trình ngắt CPU trực tiếp điều khiển: Chiếm thời gian CPU Tốc độ truyền bị hạn chế phải chuyển qua CPU Để khắc phục dùng DMA Thêm mô-đun phần cứng bus → DMAC (Controller) DMAC điều khiển trao đổi liệu môđun vào-ra với nhớ 441 443 Hoạt động DMA CPU “nói” cho DMAC • Vào hay Ra liệu • Địa thiết bị vào-ra (cổng vào-ra tương ứng) • Địa đầu mảng nhớ chứa liệu →nạp vàothanh ghi địa • Số từ liệu cần truyền → nạp vào đếm liệu CPU làm việc khác DMAC điều khiển trao đổi liệu Sau truyền từ liệu thì: • nội dung ghi địa tăng • nội dung đếm liệu giảm Khi đếm liệu = 0, DMAC gửi tín hiệu ngắt CPU để 444 báo kết thúc DMA 74 3/6/2017 Các kiểu thực DMA Cấu hình DMA (3) DMA truyền theo khối (Block-transfer DMA): DMAC sử dụng bus để truyền xong khối liệu DMA lấy chu kỳ (Cycle Stealing DMA): DMAC cưỡng CPU treo tạm thời chu kỳ bus, DMAC chiếm bus thực truyền từ liệu DMA suốt (Transparent DMA): DMAC nhận biết chu kỳ CPU không sử dụng bus chiếm bus để trao đổi từ liệu Bus vào-ra tách rời hỗ trợ tất thiết bị cho phép DMA Mỗi lần truyền, DMAC sử dụng bus lần • Giữa DMAC với nhớ 445 448 Đặc điểm DMA Cấu hình DMA (1) CPU khơng tham gia q trình trao đổi liệu DMAC điều khiển trao đổi liệu nhớ với mơ-đun vào-ra (hồn tồn phần cứng)→ tốc độ nhanh Phù hợp với u cầu trao đổi mảng liệu có kích thước lớn Mỗi lần truyền, DMAC sử dụng bus hai lần • Giữa mơ-đun vào-ra với DMAC • Giữa DMAC với nhớ 449 446 Kênh vào-ra xử lý vào-ra Cấu hình DMA (2) Việc điều khiển vào-ra thực xử lý vào-ra chuyên dụng Bộ xử lý vào-ra hoạt động theo chương trình riêng Chương trình xử lý vào-ra nằm nhớ nằm nhớ riêng Hoạt động theo kiến trúc đa xử lý DMAC điều khiển vài mô-đun vào-ra Mỗi lần truyền, DMAC sử dụng bus lần • Giữa DMAC với nhớ 447 450 75 3/6/2017 6.3 Nối ghép thiết bị ngoại vi Các cấu hình nối ghép Các kiểu nối ghép vào-ra Nối ghép song song Nối ghép nối tiếp Điểm tới điểm (Point to Point) • Thơng qua cổng vào-ra nối ghép với thiết bị ngoại vi Điểm tới đa điểm (Point to Multipoint) • Thơng qua cổng vào-ra cho phép nối ghép với nhiều thiết bị ngoại vi • Ví dụ: SCSI (Small Computer System Interface): 15 thiết bị USB (Universal Serial Bus): 127 thiết bị IEEE 1394 (FireWire): 63 thiết bị 451 454 5.4 Các cổng vào-ra thông dụng PC Nối ghép song song Truyền nhiều bit song song Tốc độ nhanh Cần nhiều đường truyền liệu Các cổng PS/2: nối ghép bàn phím chuột Cổng nối ghép hình Cổng LPT (Line Printer): nối ghép với máy in, cổng song song (Parallel Port) – 25 chân Cổng COM (Communication): nối ghép với MODEM, cổng nối tiếp (Serial Port) - 25 chân Cổng USB (Universal Serial Bus): Cổng nối tiếp đa năng, cho phép nối ghép tối đa 127 thiết bị, nhờ USB Hub 455 452 Nối ghép nối tiếp Truyền bit Cần có chuyển đổi từ liệu song song sang nối tiếp hoặc/và ngược lại Tốc độ chậm Cần đường truyền liệu 453 Hết chương 456 76 3/6/2017 chương 7: Kiến trúc máy tính tiên tiến SIMD 7.1 Phân loại kiến trúc máy tính 7.2 Một số kiến trúc song song thông dụng 457 7.1 Phân loại kiến trúc máy tính Phân loại Michael Flynn (1966) 460 SIMD (tiếp) • SISD - Single Instruction Stream, Single Data Stream • SIMD - Single Instruction Stream, Multiple Data Stream • MISD - Multiple Instruction Stream, Single Data Stream • MIMD - Multiple Instruction Stream, Multiple Data Stream Đơn dòng lệnh điều khiển đồng thời phần tử xử lý PE (processing elements) Mỗi phần tử xử lý có nhớ liệu riêng LM (local memory) Mỗi lệnh thực tập liệu khác Các mô hình SIMD • Vector Computer • Array processor 458 461 MISD SISD Một luồng liệu truyền đến tập xử lý Mỗi xử lý thực dãy lệnh khác Không tồn máy tính thực tế Có thể có tương lai CU: Control Unit PU: Processing Unit MU: Memory Unit Một xử lý Đơn dòng lệnh Dữ liệu lưu trữ nhớ Chính Kiến trúc von Neumann 459 462 77 3/6/2017 7.2 Một số kiến trúc MIMD thông dụng MIMD Tập xử lý Các xử lý đồng thời thực dãy lệnh khác liệu khác Các mơ hình MIMD 1.SMP (Symmetric Multiprocessors) • Multiprocessors (Shared Memory) • Multicomputers (Distributed Memory) 463 466 SMP (tiếp) MIMD - Shared Memory 464 Một máy tính có n >= xử lý giống Các xử lý dùng chung nhớ hệ thống vào-ra Thời gian truy cập nhớ với xử lý Tất xử lý chia sẻ truy nhập vào-ra Các xử lý thực chức giống Hệ thống điều khiển hệ điều hành 467 phân tán Ưu điểm SMP MIMD - Distributed Memory Hiệu • Các cơng việc thực song song Tính sẵn dùng • Các xử lý thực chức giống nhau, lỗi xử lý không làm dừng hệ thống 465 Khả mở rộng • Người sử dụng tăng hiệu cách thêm xử lý 468 78 3/6/2017 Cluster (Phân cụm) Cluster of SMPs Nhiều máy tính kết nối với mạng liên kết tốc độ cao (~ Gbps) Mỗi máy tính làm việc độc lập Mỗi máy tính gọi node Các máy tính quản lý làm việc song song theo nhóm (cluster) Tồn hệ thống coi máy tính song song 469 472 Ví dụ: Hệ thống máy chủ Google (12/ 2000) Cluster (tiếp) Dễ dàng xây dựng mở rộng Tính sẵn sàng cao Khả chịu lỗi Giá thành rẻ với hiệu cao Cluster of PCs Hơn 6.000 xử lý Hệ thống lưu trữ dùng RAID: có 12.000 đĩa cứng ~ 1petabyte (1triệu GB) site Silicon Valley, 1site Virginia Mỗi site kết nối với Internet qua OC48 (2488Mbps) 470 473 Cluster of PCs Hết chương 471 474 79 ... thích với 12 3/6/2017 1.2 Kiến trúc máy tính Cấu trúc máy tính Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh: Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn người... chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính ? ?Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi nhanh 13 Các thành phần máy tính Ví dụ 16 Các máy tính. .. Computers) Máy tính nhúng (Embedded Computers) Giá thành: vài USD đến hàng trăm nghìn USD 11 1.2 Kiến trúc máy tính Là loại máy tính phổ biến Các loại máy tính cá nhân: • Máy tính để