bai giang Kien truc may tinh

Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.53 Chương 3: Biểu diễn dữ liệu và số học máy tính. Chuyển đổi các thừa số thành số dương 2[r]

(1)

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG

Phạm Quang Dũng

Bộ mơn Khoa học máy tính - Khoa CNTT Trường Đại học Nông nghiệp I – Hà Nội website: www.hau1.edu.vn/it/pqdung ĐT: (04) 8766318 DĐ: 0988.149.189

Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.2

Chương 1: Giới thiệu chung

Nội dung chương 1

1.1 Máy tính phân loại 1.2 Kiến trúc máy tính 1.3 Sự tiến hố máy tính

1.1 Máy tính phân loại

1 Máy tính

Máy tính (Computer) thiết bị điện tử thực

các công việc sau:

Nhận thông tin vào,

Xử lý thông tin theo dãy lệnh nhớ sẵn bên

trong,

Đưa thông tin

Dãy lệnh nằm nhớ để yêu cầu máy

tính thực cơng việc cụ thể gọi chương trình (program)

Ỉ Máy tính hoạt động theo chương trình

(2)

Mơ hình phân lớp máy tính

Phần cứng: hệ thống vật lý máy tính Phần mềm: chương trình liệu

Người sử dụng

(End User) Người lập trình (Programmer)

Người thiết kế HĐH (OS Designer) Các chương trình ứng dụng

(Application Programs) Các phần mềm trung gian (Utilities)

Hệ điều hành (Operating System)

Phần cứng (Computer Hardware)

2 Phân loại máy tính

Phân loại truyền thống: Máy vi tính (Microcomputer) Máy tính nhỏ (Minicomputer) Máy tính lớn (Mainframe Computer) Siêu máy tính (Supercomputer)

Phân loại máy tính đại

Máy tính để bàn (Desktop Computers)

Máy chủ (Servers)

Máy tính nhúng (Embedded Computers)

Máy tính để bàn (Desktop)

Là loại máy tính phổ biến Các loại máy tính để bàn

Máy tính cá nhân (Personal Computer – PC) Máy tính trạm làm việc (Workstation Computer)

1981 Ỉ IBM giới thiệu máy tính IBM-PC sử

dụng xử lý Intel 8088

1984 Ỉ Apple đưa máy tính Macintosh sử

dụng xử lý Motorola 68000

(3)

Máy chủ (Server)

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 chục nghìn đến hàng chục

triệu USD

Máy tính nhúng (Embedded Computer)

Được đặt thiết bị khác để điều khiển thiết

bị làm việc

Được thiết kế chuyên dụng

Ví dụ:

Điện thoại di động

Bộ điều khiển máy giặt, điều hoà nhiệt

độ

Router - định tuyến mạng

Giá thành: Vài USD đến hàng trăm nghìn USD

1.2 Kiến trúc máy tính

Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh:

Kiến trúc tập lệnh (Intruction 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

Ỉ Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi

rất nhanh

Ví dụ: Các máy tính PC dùng xử lý Intel 32-bit từ 80386 đến Pentium 4:

Cùng chung kiến trúc tập lệnh (IA-32) Có tổ chức khác

Kiến trúc tập lệnh

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

(4)

Cấu trúc máy tính

Các thành phần máy tính

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 thông tin máy tính với bên ngồi

Liên kết hệ thống (System Interconnection):

Kết nối vận chuyển thông tin thành phần với

1.3 Sự tiến hoá máy tính

Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử

chân không (1943-1956)

Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor

(1957-1965)

Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI,

MSI LSI (1966-1980)

Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI,

SLSI (1981-nay)

http://www.computerhistory.org/timeline/timeline.php

1 Máy tính dùng đèn điện tử

ENIAC - Máy tính điện tử đầu tiên

Electronic Numerical Intergator And Computer Dự án Bộ Quốc phòng Mỹ

Do John Mauchly John Presper Eckert Đại

học Pennsylvania thiết kế

(5)

ENIAC (tiếp)

Nặng 30

Kích thước 140 m2

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

ENIAC (tiếp)

Máy tính von Neumann

Cịn gọi máy tính IAS:

Princeton Institute for Advanced Studies Được 1947, hoàn thành 1952 Do John von Neumann thiết kế

Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình

(6)

Đặc điểm máy tính IAS Bao gồm thành phần: đơn vị điều khiển, đơn vị số

học logic (ALU), nhớ thiết bị vào

Bộ nhớ chứa chương trình liệu

Bộ nhớ đánh địa theo ngăn nhớ,

không phụ thuộc vào nội dung

ALU thực phép toán với số nhị phân

Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ nhớ, giải mã thực

hiện lệnh cách

Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động thiết bị

vào-ra

Trở thành mơ hình máy tính

John von Neumann máy tính IAS

Các máy tính thương mại đời

1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation

UNIVAC I (Universal Automatic Computer)

1950s - UNIVAC II

Nhanh Bộ nhớ lớn

(7)

UNIVAC

Hãng IBM

IBM – International Business Machine

1952 – IBM 701

Máy tính lưu trữ chương trình IBM Sử dụng cho tính tốn khoa học

1955 – IBM 702

Các ứng dụng thương mại

IBM 701 (1952) IBM 702 (1955)

IBM 701

IBM 702

2 Máy tính dùng transistor

Máy tính PDP-1 DEC (Digital Equipment

Corporation) máy tính mini đầu tiên

IBM 7000

Hàng trăm nghìn phép cộng giây

(8)

DEC's PDP-1 (1960)

IBM 7030 (1961)

3 Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI LSI

Vi mạch (Integrated Circuit – IC): nhiều transistor

và phần tử khác tích hợp chip bán dẫn

SSI (Small Scale Integratinon) MSI (Medium Scale Integration) LSI (Large Scale Integration)

VLSI (Very Large Scale Integration) (dùng cho máy

tính hệ thứ tư)

Siêu máy tính xuất hiện: CRAY-1, VAX Bộ vi xử lý (microprocessor) đời

Bộ xử lý Ỉ Intel 4004 (1971)

Luật Moore

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,

(9)

Tăng trưởng số transitor chip CPU

IBM 360 Family (1964-1968)

Có từ model 20 minicomputer (bộ nhớ 24 KB)

đến model 91 supercomputer xây dựng cho hệ thống phòng thủ tên lửa Bắc Mỹ

http://www.beagle-ears.com/lars/engineer/comphist/ibm360.htm

IBM 360/40

Dùng HĐH DOS/360

IBM 360/67

Time sharing

system

Phần cứng hỗ trợ

virtual memory

Dùng HĐH CP-67

(10)

IBM 360/91

Được thiết kế để xử lý liệu tốc độ cao cho ứng dụng khoa học

như khám phá không gian, vật lý nguyên tử, dự báo thời tiết toàn cầu

16.6 triệu phép cộng/giây → 1000 toán với 200 tỷ phép tính/ngày 2-6 MB main memory, CPU có đơn vị xử lý đồng thời

PDP-11 (1972)

Siêu máy tính CRAY-1 (1976)

Saymour Cray

HĐH Cray Operating System (COS), 100-160 triệu phép tính

dấu chấm động/giây (megaflops) Xử lý liệu vector MB main memory

(11)

VAX 11/780 (1978) - máy tính 32-bit

Osborne (1980) - máy tính khả chuyển

Máy tính "có thể di chuyển" đầu tiên, kích thước

nhỏ, nặng 24 pound (10,9 kg)

4 Máy tính dùng vi mạch VLSI

Các sản phẩm công nghệ VLSI:

Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU chế tạo

một 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

Các hệ thống máy tính đại

Máy tính nhúng

Máy tính cá nhân (PC)

Máy trạm làm việc

Máy chủ (Servers)

Mạng máy tính

(12)

Một số Hệ thống Máy tính nhúng

Siêu máy tính Earth Simulator NEC (2002)

Earth Simulator Cơ quan Khoa học Công nghệ biển Nhật Bản (JAMSTEC), Yokohama, Japan

5200 processor 35860-40960 GFlops

Siêu máy tính ASC Purple IBM (2005)

ASC Purple at Lawrence Livermore National Laboratory

10240 processor 40960 GB main

memory

63390-77824 GFlops

Siêu máy tính BlueGene L IBM (2005)

(13)

Chương 2

HỆ THỐNG MÁY TÍNH

Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.2 Chương 2: Hệ thống máy tính

2.1 Các thành phần máy tính 2.2 Hoạt động máy tính 2.3 Liên kết hệ thống

2.1 Các thành phần máy tính

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit)

Bộ nhớ (Memory)

Hệ thống vào (Input/Output System) Liên kết hệ thống (System Interconnection)

1 Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Chức

điều khiển hoạt động máy tính

xử lý liệu

Nguyên tắc hoạt động bản:

(14)

Cấu trúc CPU

Đơn vị điều khiển

(CU)

Đơn vị số học logic

(ALU)

Tập ghi

(RF)

Đơn vị phối ghép bus (BIU)

bus điều khiển bus liệu bus địa bus bên

Các thành phần CPU

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 liệu cụ thể

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

và trao đổi thông tin bus bên (internal bus) bus bên (external bus)

Chương 2: Hệ thống máy tính

Tốc độ xử lý

Tốc độ xử lý:

Tính số lệnh thực giây MIPS (Millions 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

Tốc độ xử lý (tiếp)

Dạng xung nhịp:

T0- chu kỳ xung nhịp Tần số xung nhịp: f0= 1/T0 Mỗi thao tác xử lý cần kT0

T0càng nhỏ Ỉ xử lý chạy nhanh

Ví dụ: Máy tính dùng xử lý Pentium IV 2GHz

Ta có f0= GHz = 2x109Hz

(15)

2 Bộ nhớ máy tính (Memory)

Chức năng: lưu trữ chương trình liệu Các thao tác với nhớ:

Đọc (Read)

Ghi (Write)

Các thành phần chính:

Bộ nhớ (Internal Memory)

Bộ nhớ (External Memory)

Các thành phần nhớ máy tính

Bộ nhớ (Internal memory)

Chức đặc điểm:

Chứa thơng 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 nhanh)

Bộ nhớ (Main memory)

Chứa chương trình

liệu CPU sử dụng

Tổ chức thành ngăn nhớ

được đánh địa

Ngăn nhớ thường tổ chức

theo byte

Nội dung ngăn nhớ

thay đổi, song địa vật lý ngăn nhớ cố định

00101011 11010101 00001010 01011000 11111011

(16)

Bộ nhớ đệm nhanh (Cache memory)

Bộ nhớ có tốc độ nhanh đặt đệm

CPU nhớ nhằm tăng tốc độ CPU truy nhập nhớ

Dung lượng nhỏ nhớ Tốc độ nhanh

Cache thường chia thành số mức Cache tích hợp chip vi xử lý Cache có không

Bộ nhớ (External memory)

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 ngoài:

Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm

Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD

Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card

3 Hệ thống vào-ra (Input/Output System)

Chức năng: trao đổi thơng tin máy tính

với giới bên

Các thao tác bản: Vào liệu (Input) Ra liệu (Output) Các thành phần chính:

Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)

Các môđun vào-ra (IO Modules)

Cấu trúc hệ thống vào-ra

Cổng

vào-ra Cổng

vào-ra

Cổng

vào-ra

Thiết bị ngoại vi

Môđun vào-ra Nối ghép với

(17)

Các thiết bị ngoại vi

Chức năng: chuyển đổi liệu bên

và bên ngồi máy tính

Các loại thiết bị ngoại vi (TBNV) bản: Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét … Thiết bị ra: hình, máy in …

Thiết bị nhớ: ổ đĩa …

Thiết bị truyền thông: MODEM …

Mơđun vào-ra

Chức năng: nối ghép TBNV với máy tính Mỗi mơđun vào-ra có một vài cổng

vào-ra (I/O Port)

Mỗi cổng vào-ra đánh địa xác

định

Các TBNV kết nối trao đổi liệu với

máy tính thơng qua cổng vào-ra

2.2 Hoạt động máy tính

1 Thực chương trình

Là hoạt động máy tính Máy tính lặp lặp lại hai bước:

Nhận lệnh

Thực lệnh

Thực chương trình bị dừng thực

lệnh bị lỗi gặp lệnh dừng

} chu trình lệnh

Chu trình lệnh

Bắt đầu

Nhận lệnh

Thực lệnh

(18)

Q trình nhận lệnh

Bắt đầu chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ

bộ nhớ

Bộ đếm chương trình PC (Program Counter)

của 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

Minh họa q trình nhận lệnh

Quá trình 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 môđun vào-ra

Xử lý liệu: thực phép toán số học

hoặc phép toán logic với liệu

Điều khiển rẽ nhánh

Kết hợp thao tác

2 Ngắt (Interrupt)

Khái niệm: 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:

Ngắt lỗi thực chương trình, ví dụ:

tràn số, chia cho …

Ngắt lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi nhớ RAM

Ngắt môđun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến

(19)

Hoạt động ngắt

Sau hoàn 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:

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, khơi phục ngữ cảnh

tiếp tục chương trình bị tạm dừng

Hoạt động ngắt (tiếp)

lệnh lệnh lệnh lệnh lệnh i lệnh i+1 RETURN lệnh lệnh Chương trình thực

lệnh

Chương trình phục vụ ngắt

lệnh lệnh Ngắt

Chu trình lệnh với ngắt

Bắt đầu

Nhận lệnh

Thực

lệnh Dừng

Kiểm tra có ngắt hay

khơng?

Chuyển đến chương trình

phục vụ ngắt Y

N

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 ngắt đợi kiểm tra sau ngắt

đầu tiên xử lý xong

Các ngắt thực

Xử lý ngắt ưu tiên

Các ngắt định nghĩa mức ưu tiên khác Ngắt có mức ưu tiên thấp bị ngắt ngắt

(20)

3 Hoạt động vào-ra

Hoạt động vào-ra: hoạt động trao đổi liệu

giữa TBNV với bên máy tính

Các kiểu hoạt động vào-ra:

CPU trao đổi liệu với môđun vào-ra

Môđun vào-ra trao đổi liệu trực tiếp với

nhớ

2.3 Liên kết hệ thống

1 Khái niệm chung bus

Bus: tập hợp đường kết nối dùng để vận

chuyển thông tin thành phần máy tính với

Độ rộng bus: số đường dây bus

truyền bit thông tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa bus liệu)

Phân loại cấu trúc bus:

Cấu trúc đơn bus

Cấu trúc đa bus

Bus đồng bus khơng đồng bộ

Bus đồng

Bus có đường tín hiệu Clock

Các kiện bus xác định xung

nhịp Clock

Bus khơng đồng

Khơng có đường tín hiệu Clock

Kết thúc kiện bus kích hoạt

cho kiện

(21)

Bus địa chỉ

Chức năng: vận chuyển địa để xác định

ngăn nhớ hay cổng vào-ra

Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng

nhớ cực đại hệ thống Nếu độ rộng bus địa N bit:

AN-1, AN-2, A2, A1, A0

Ỉ dung lượng nhớ cực đại 2N byte (cịn gọi khơng gian địa nhớ)

Ví dụ: Bộ xử lý Intel Pentium có bus địa 32

bit Ỉ khơng gian địa 232byte = GB.

Bus liệu

Chức năng:

vận chuyển lệnh từ nhớ đến CPU

vận chuyển liệu CPU, môđun nhớ

môđun vào-ra

Độ rộng bus liệu: xác định số bit liệu có

thể trao đổi đồng thời

M bit: DM-1, DM-2, … D2, D1, D0 M thường 8, 16, 32, 64, 128 bit

Ví dụ: Các xử lý Pentium có bus liệu

64 bit

Bus điều khiển

Chức năng: vận chuyển tín hiệu điều khiển Các loại tín hiệu điều khiển:

Các tín hiệu phát từ CPU để điều khiển mơđun

nhớ mơđun vào-ra

Các tín hiệu từ môđun nhớ hay môđun vào-ra

gửi đến yêu cầu CPU

Một số tín hiệu điều khiển điển hình

Các tín hiệu phát từ CPU để điều khiển

đọc-ghi:

Memory Read (MEMR): điều khiển đọc liệu từ

một ngăn nhớ có địa xác định lên bus liệu

Memory Write (MEMW): điều khiển ghi 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

(22)

Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tiếp)

Các tín hiệu điều khiển ngắt:

Interrupt Request (INTR): tín hiệu từ điều

khiển vào-ra gửi đến yêu cầu ngắt CPU để trao đổi vào-ra 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 Markable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt

không che gửi đến CPU

Reset: tín hiệu từ bên ngồi gửi đến CPU

thành phần khác để khởi động lại máy tính

Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tiếp)

Các tín hiệu điều khiển bus:

Bus Request (BRQ): Hold: tín hiệu từ

môđun 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

quyền sử dụng bus

Lock: tín hiệu khóa khơng cho xin chuyển

nhượng bus

Unlock: tín hiệu mở khóa cho xin chuyển nhượng

bus

Đặc điểm cấu trúc đơn bus

Bus hệ thống phục vụ yêu cầu

trao đổi liệu thời điểm

Bus hệ thống phải có tốc độ tốc độ bus

của môđun nhanh hệ thống

Bus hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc bus (các

tín hiệu) xử lý Ỉ mơđun nhớ môđun vào-ra phụ thuộc vào xử lý

Vì cần phải phân cấp bus Ỉ đa bus

3 Phân cấp bus máy tính

Phân cấp bus cho thành phần:

Bus xử lý

Bus nhớ

Các bus vào-ra

Phân cấp bus khác tốc độ

Bus nhớ bus vào-ra khơng phụ

(23)

Các bus điển hình PC

Bus xử lý (Front Side Bus - FSB): có tốc độ nhanh

nhất

Bus nhớ (nối ghép với mơđun RAM) AGP bus (Accelerated Graphic Port) - Bus đồ họa tăng

tốc: nối ghép card hình tăng tốc

PCI bus (Peripheral Component Interconnection): nối

ghép với TBNV có tốc độ trao đổi liệu nhanh

USB (Universal Serial Bus): Bus nối tiếp đa

IDE (Integrated Driver Electronics): Bus kết nối với ổ đĩa

cứng ổ đĩa CD, DVD

Phân cấp bus

Máy tính Pentium IV dùng Chipset 925

4 Phân xử bus

Có nhiều môđun điều khiển bus, vd CPU

DMA controller, thời điểm mođun điều khiển bus Ỉ cần phân xử bus

Sự phân xử bus tập trung phân tán Phân xử tập trung: có thiết bị phần cứng điều

khiển truy nhập bus:

Được gọi Bộ điều khiển bus (Bus Controller) hay

Trọng tài bus (Arbiter)

Có thể nằm CPU tách riêng

Phân xử phân tán: môđun điều khiển bus,

(24)

Chương 3

BIỂU DIỄN DỮ LIỆU VÀ SỐ HỌC MÁY TÍNH

Bộ mơn Khoa học máy tính - Khoa CNTT Trường Đại học Nơng nghiệp I – Hà Nội website: www.hau1.edu.vn/it/pqdung ĐT: (04) 8766318 DĐ: 0988.149.189

Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.2 Chương 3: Biểu diễn liệu số học máy tính

3.1 Các hệ đếm

3.2 Mã hoá lưu trữ liệu máy tính 3.3 Biểu diễn số nguyên

3.4 Thực phép toán số học với số nguyên 3.5 Số dấu chấm động

3.6 Biểu diễn ký tự

Chương 3: Biểu diễn liệu số học máy tính

3.1 Các hệ đếm bản Hệ thập phân (Decimal System)

Ỉ Con người sử dụng

Hệ nhị phân (Binary System)

Ỉ Máy tính sử dụng

Hệ mười sáu (Hexadecimal System)

Ỉ Dùng để viết gọn số nhị phân

1 Hệ thập phân

Cơ số 10

10 chữ số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,

Dùng n chữ số thập phân biểu diễn

10ngiá trị khác nhau:

00 000 =

(25)

Ví dụ số thập phân

472.38 = 4x102 + 7x101 + 2x100 + 3x10-1 + 8x10-2

Các chữ số phần nguyên:

472 : 10 = 47 dư

47 : 10 = dư : 10 = dư Các chữ số phần lẻ:

0.38 x 10 = 3.8 phần nguyên =

0.8 x 10 = 8.0 phần nguyên =

2 Hệ nhị phân

Cơ số

chữ số nhị phân:

Chữ số nhị phân gọi bit (binary digit) Bit đơn vị thông tin nhỏ

Dùng n bit biểu diễn 2n giá trị khác

nhau:

00 000 =

11 111 = 2n-1

Dạng tổng quát số nhị phân

Có số nhị phân A sau: A = anan-1 a1a0.a-1 a-m Giá trị A tính sau:

A = an2n + an-12n-1 + + a020+ a-12-1 + + a-m2-m

∑ − =

= n

m i

i i

a A 2

Ví dụ số nhị phân 1101001.1011(2)

6 -1 -2 -3 -4

(26)

Chuyển đổi số nguyên thập phân sang nhị phân

Phương pháp 1: chia dần cho lấy phần dư

Phương pháp 2: phân tích thành tổng

số 2iỈ nhanh hơn

Phương pháp chia dần cho 2

Ví dụ: chuyển đổi 105(10)

105:2 = 52 dư

52:2 = 26 dư

26:2 = 13 dư

13:2 = dư

6:2 = dư

3:2 = dư

1:2 = dư

Kết quả: 105(10)= 1101001(2)

Phương pháp phân tích thành tổng 2i

Ví dụ 1: chuyển đổi 105(10)

105 = 64 + 32 + + = 26 + 25 + 23 + 20

Kết quả: 105(10)= 0110 1001(2)

Ví dụ 2: 17000(10)= 16384 + 512 + 64 + 32 +

= 214 + 29 + 26+ 25 + 23

17000(10)= 0100 0010 0110 1000(2)

15 14 13 12 11 10 0

27 26 25 24 23 22 21 20

128 64 32 16

0 1 0

Chuyển số lẻ thập phân sang nhị phân

Ví dụ 1: chuyển đổi 0.6875(10)

0.6875 x = 1.375 phần nguyên =

0.375 x = 0.75 phần nguyên =

0.75 x = 1.5 phần nguyên =

(27)

Chuyển đổi số lẻ thập phân sang nhị phân (tiếp)

0.81(10)≈ 0.1100111(2)

Chuyển đổi số lẻ thập phân sang nhị phân (tiếp)

0.2(10) ≈ 0.00110011(2)

3 Hệ mười sáu (Hexa)

Cơ số 16

16 chữ số: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9, A,B,C,D,E,F Dùng để viết gọn cho số nhị phân:

nhóm bit thay chữ số Hexa

Quan hệ số nhị phân số Hexa

4-bit Chữ số Hexa

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 A 1011 B 1100 C 1101 D 1110 E 1111 F

Ví dụ chuyển đổi số nhị phân Ỉ số Hexa:

0000 00002= 0016

1011 00112= B316

(28)

3.2 Mã hố lưu trữ liệu máy tính

1 Nguyên tắc chung mã hoá liệu

Mọi liệu đưa vào máy tính mã

hố thành số nhị phân

Các loại liệu

Dữ liệu nhân tạo: người quy ước

Dữ liệu tự nhiên: tồn khách quan với

người

Mã hố liệu nhân tạo

Dữ liệu số nguyên: mã hoá theo số chuẩn

qui ước

Dữ liệu số thực: mã hoá số dấu chấm

động

Dữ liệu ký tự: mã hoá theo mã ký tự

Mã hóa tái tạo tín hiệu vật lý

Các liệu vật lý thông dụng:

Âm

Hình ảnh

Độ dài từ liệu (word)

Độ dài từ liệu số bit sử dụng để mã

hoá loại liệu tương ứng

(29)

2 Thứ tự lưu trữ byte liệu

Bộ nhớ thường tổ chức theo byte

Độ dài từ liệu chiếm từ đến nhiều

byte

Ỉ cần phải biết thứ tự lưu trữ byte nhớ

chính với liệu nhiều byte

Có cách lưu trữ:

Lưu trữ đầu nhỏ (Little-endian): Byte thấp lưu trữ ngăn nhớ có địa nhỏ hơn, byte cao lưu trữ ngăn nhớ có địa lớn

Lưu trữ đầu to (Big-endian): Byte cao lưu trữ ngăn nhớ có địa nhỏ hơn, byte thấp lưu trữ ngăn nhớ có địa lớn

Ví dụ lưu trữ liệu 32-bit

Lưu trữ xử lý điển hình

Intel 80x86 Pentium:

⇒ Little-endian

Motorola 680x0 xử lý RISC:

⇒ Big-endian

Power PC Itanium: hai

3.3 Biểu diễn số nguyên

Có hai loại số nguyên:

(30)

1 Biểu diễn số nguyên không dấu

Nguyên tắc tổng quát: Dùng n bit biểu diễn số

nguyên không dấu A: an-1an-2… a2a1a0

Giá trị A tính sau:

Dải biểu diễn A: từ đến 2n-1

∑−

=

0

2

n

i i i

a A

Các ví dụ

Ví dụ 1: Biểu diễn số ngun khơng dấu

sau 8-bit:

A=41 ; B=150 Giải:

A = 41 = 32 + + = 25 + 23 + 20 41 = 0010 1001

B = 150 = 128 + 16 + + = 27+24+22+21 150 = 1001 0110

Các ví dụ (tiếp)

Ví dụ 2: Cho số nguyên không dấu M, N

được biểu diễn 8-bit sau:

M = 0001 0010 N = 1011 1001

Xác định giá trị chúng? Giải:

M = 0001 0010 = 24 + 21= 16 + = 18 N = 1011 1001 = 27 + 25 + 24 + 23 + 20

= 128 + 32 + 16 + + = 185

Với n = bit

Biểu diễn giá trị từ đến 255

0000 0000 = Chú ý:

0000 0001 = 1111 1111 0000 0010 = + 0000 0001 0000 0011 = 0000 0000

… Vậy: 255 + = 0?

(31)

Trục số học số ngun khơng dấu với n = bit

Trục số học:

Trục số học máy tính:

0 255 254

1

3

Với n = 16 bit, 32 bit, 64 bit

n = 16 bit: dải biểu diễn từ đến 65535 (216-1)

0000 0000 0000 0000 = …

0000 0000 1111 1111 = 255 0000 0001 0000 0000 = 256 …

1111 1111 1111 1111 = 65535

n= 32 bit: dải biểu diễn từ đến 232-1 n= 64 bit: dải biểu diễn từ đến 264-1

2 Biểu diễn số ngun có dấu

a Số bù Số bù hai:

Giả sử A số nhị phân, ta có:

Số bù A nhận cách đảo giá trị

bit A

(Số bù hai A) = (Số bù A) +

Ví dụ: với n= bit

Giả sử có A = 0010 0101 Số bù A = 1101 1010

+

Số bù hai A = 1101 1011

Vì A + (Số bù hai A) = Ỉ dùng số bù hai để

biểu diễn cho số âm

b Biểu diễn số nguyên có dấu mã bù hai

Nguyên tắc tổng quát: Dùng n bit biểu diễn số nguyên có dấu A:

an-1an-2…a2a1a0

Với A số dương: bit an-1 = 0, bit lại

biểu diễn độ lớn số không dấu

Với A số âm: biểu diễn số bù hai

(32)

Biểu diễn số dương

Dạng tổng quát số dương A:

0an-2…a2a1a0

Giá trị số dương A:

Dải biểu diễn cho số dương: đến 2n-1-1 ∑− = = 2 n i i i a A

Biểu diễn số âm

Dạng tổng quát số âm A:

1an-2…a2a1a0

Giá trị số âm A:

Dải biểu diễn cho số âm: -1 đến -2n-1 ∑− = − + − = 2 2 n i i i n a A

Biểu diễn tổng quát cho số nguyên có dấu

Dạng tổng quát số nguyên A:

an-1an-2…a2a1a0

Giá trị A xác định sau:

Dải biểu diễn: từ -(2n-1) đến +(2n-1-1)

∑− = − − + − =

12 2

n i i i n n a a A

Các ví dụ

Ví dụ Biểu diễn số nguyên có dấu sau

đây bit:

A = +58 ; B = -80 Giải:

A = +58 = 0011 1010

B = -80

Ta có: +80 = 0101 0000 Số bù = 1010 1111 + Số bù hai = 1011 0000

(33)

Các ví dụ

Ví dụ 2: Hãy xác định giá trị số nguyên

có dấu biểu diễn đây:

P = 0110 0010

Q = 1101 1011

Giải:

P = 0110 0010 = 64 + 32 + = +98

Q = 1101 1011 = -128+64+16+8+2+1 = -37

Với n = bit

Biểu diễn giá trị từ -128 đến +127

0000 0000 =

0000 0001 = +1

0000 0010 = +2 Chú ý:

0000 0011 = +3 +127 + = -128

… -128 - = +127

0111 1111 = +127 Ỉ tràn xảy

1000 0000 = - 128

1000 0001 = - 127

…

1111 1110 = -2

1111 1111 = -1

Trục số học số nguyên có dấu với n = bit

Trục số học:

Trục số học máy tính:

Với n=16 bit, 32 bit, 64 bit

Với n=16 bit: biểu diễn từ -32768 đến +32767

0000 0000 0000 0000 =

0000 0000 0000 0001 = +1

…

0111 1111 1111 1111 = +32767

1000 0000 0000 0000 = - 32768

…

1111 1111 1111 1111 = -1

(34)

Chuyển đổi từ byte thành word

Đối với số dương:

+19 = 0001 0011 (8 bit)

+19 = 0000 0000 0001 0011 (16 bit) Ỉ thêm bit bên trái

Đối với số âm:

- 19 = 1110 1101 (8 bit)

- 19 = 1111 1111 1110 1101 (16 bit)

Ỉ thêm bit bên trái

3 Biểu diễn số nguyên theo mã BCD

Binary Coded Decimal Code

Dùng bit để mã hoá cho chữ số thập

phân từ đến

0 Ỉ 0000 Ỉ 0101

1 Æ 0001 Æ 0110

2 Æ 0010 Ỉ 0111

3 Ỉ 0011 Ỉ 1000

4 Ỉ 0100 Ỉ 1001

Có tổ hợp khơng sử dụng:

1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111

Ví dụ số BCD

35 Ỉ 0011 0101BCD 61 Æ 0110 0001BCD

1087 Æ 0001 0000 1000 0111BCD 9640 Ỉ 1001 0110 0100 0000BCD

Các kiểu lưu trữ số BCD

BCD khơng gói (Unpacked BCD): Mỗi số BCD

4-bit lưu trữ 4-bit thấp byte

Ví dụ: Số 35 lưu trữ sau:

BCD gói (Packed BCD): Hai số BCD lưu

trữ byte

Ví dụ: số 35 lưu trữ sau:

0 1 1

(35)

3.4 Thực phép toán số học với số nguyên

1 Phép cộng số nguyên không dấu

Bộ cộng n-bit

Nguyên tắc cộng số nguyên không dấu Khi cộng hai số nguyên không dấu n-bit, kết nhận n-bit:

Nếu khơng có nhớ khỏi bit cao kết

nhận luôn (Cout = 0)

Nếu có nhớ khỏi bit cao kết nhận

được sai, ⇔ có tràn nhớ ngồi (Cout = 1)

Tràn nhớ (Carry Out) xảy tổng >2n-1

Ví dụ cộng số ngun khơng dấu

57 = 0011 1001

+ 34 = + 0010 0010

91 0101 1011 = 64+16+8+2+1= 91 Ỉ

209 = 1101 0001

+ 73 = 0100 1001

282 0001 1010 = 16 + + = 26 Ỉ sai Ỉ có tràn nhớ ngồi (Cout = 1)

Để có kết ta thực cộng theo 16-bit: 209 = 0000 0000 1101 0001

+ 73 = + 0000 0000 0100 1001

0000 0001 0001 1010 = 256+16+8+2 = 282

2 Phép đảo dấu

Ta có:

+ 37 = 0010 0101

bù = 0101 1010

+

bù hai = 1101 1011 = -37

Lấy bù hai số âm:

- 37 = 1101 1011

bù = 0010 0100

+

bù hai = 0010 0101 = +37

Kết luận: Phép đảo dấu máy tính thực chất lấy

(36)

3 Cộng số nguyên có dấu

Khi cộng số ngun có dấu n-bit khơng quan tâm đến bit Coutvà kết nhận n-bit:

Cộng số khác dấu: kết luôn

Cộng số dấu:

Nếu dấu kết dấu với số hạng kết

là

Nếu kết có dấu ngược lại, có tràn xảy

(Overflow) kết sai

Tràn xảy tổng nằm dải biểu diễn

[-(2n-1),+(2n-1-1)]

Ví dụ cộng số ngun có dấu không tràn

(+70) = 0100 0110

+ (+42) = 0010 1010

+112 0111 0000 = +112

(+97) = 0110 0001

+ (- 52) = 1100 1100

+45 0010 1101 = +45

(- 90) = 1010 0110

+ (+36) = 0010 0100

- 54 1100 1010 = -54

(- 74) = 1011 0110

+ (- 30) = 1110 0010

- 104 1001 1000 = -104

Ví dụ cộng số nguyên có dấu bị tràn

(+75) = 0100 1011

+ (+82) = 0101 0010

+157 1001 1101

= -128 + 16 + + + = -99 Ỉ sai

(- 104) = 1001 1000

+ (- 43) = 1101 0101

- 147 0110 1101

= 64 + 32 + + + = +109 Ỉ sai

Cả ví dụ tràn tổng nằm dải biểu diễn

[-128, +127]

4 Nguyên tắc thực phép trừ

Phép trừ số nguyên: X – Y = X + (-Y)

(37)

5 Nhân số nguyên không dấu

Các ghi M,

Q, A: n bit

C: bit

thừa số n-bit

Ỉ tích số 2n-bit chứa cặp ghi A, Q

Bắt đầu

Dừng C 0; A M số bị nhân Q số nhân; BĐ = n

Q0=

C, A A + M

Dịch phải C, A, Q BĐ BĐ -

BĐ = Y N

Y N

Ví dụ 1011 x 1101 (11 x 13 = 143)

n = Số bị nhân

= 1011 Ỉ M

Số nhân =

1101 Ỉ Q

C A Q

0 0000 1101 / giá trị khởi đầu / 1011

0 1011 1101 C, A Å A + M

0 0101 1110 Dịch phải bit n = 0010 1111 Dịch phải bit n =

1011

0 1101 1111 C, A Å A + M

0 0110 1111 Dịch phải bit n = 1011

1 0001 1111 C, A Å A + M

0 1000 1111 Dịch phải bit n = 0 +

+

6 Nhân số ngun có dấu

Phương pháp 1:

1 Chuyển đổi thừa số thành số dương Nhân số dương số nguyên không dấu Hiệu chỉnh dấu kết quả:

Nếu thừa số dấu Ỉ khơng cần hiệu chỉnh Nếu thừa số khác dấu Ỉ đảo dấu kết

cách lấy bù

Nhân số nguyên có dấu (tiếp)

Phương pháp 2:

(38)

Ví dụ (+7) x (-3) = (-21) theo Booth n =

Số bị nhân =

0111 Ỉ M

-M = 1001 310 = 0011

-310 = 1101

(Số nhân)ỈQ

A Q Q-1

0000 1001 1001 1100 0111 0011 0001 1001 1010 1101 1110

0 / giá trị khởi đầu / 1101 1101 1110 1110 1111 1111 0111

0 A Å A - M = A + (-M) Dịch phải, giữ dấu A, n = A Å A + M

0 Dịch phải, giữ dấu A, n = A Å A - M

1 Dịch phải, giữ dấu A, n =

1011 Dịch phải, giữ dấu A, n = 0 +

+

Bỏ đi

7 Chia số nguyên không dấu

Khôi phục A

Thương chứa Q,

Phần dư chứa A

Ví dụ 7:3 = dư 1

n =

Số bị chia =

0111 Ỉ Q

Số chia = 310

= 0011 Ỉ M

-M = 1101

A Q 0000 0000 1101 0000 0001 1110 0001 0011 0000 0000 0001

1110 A Å A - M

0001 0010 Khôi phục A, n = 0 / giá trị khởi đầu / 0111 1110 1110 1100 1100 1000 1001 Dịch trái

A Å A - M = A + (-M) Khôi phục A, n = Dịch trái

A Å A - M

Khôi phục A, n = Dịch trái

A Å A - M

Q0Å 1, n =

Dịch trái 0010

8 Chia số nguyên có dấu

Sử dụng thuật giải chia số nguyên không dấu Đổi số bị chia số chia Ỉ dương

Chia số ngun khơng dấu Ỉ thương

phần dư (đều số dương)

Hiệu chỉnh dấu:

(+) : (+) Ỉ khơng hiệu chỉnh dấu kết (+) : (-) Ỉ đảo dấu thương

(39)

3.5 Số dấu chấm động

1 Ngun tắc chung

Floating Point Number Ỉ biểu diễn cho số thực Tổng quát: số thực X biểu diễn theo

kiểu số dấu chấm động sau: X = M * RE

M phần định trị (Mantissa), R số (Radix),

E phần mũ (Exponent)

2 Chuẩn IEEE754/85

Cơ số R = Các dạng:

Dạng 32-bit

Dạng 44-bit

Dạng 64-bit

Dạng 80-bit

Các dạng biểu diễn chính

Dạng 32-bit

S bit dấu:

S = Ỉ Số dương S = Ỉ Số âm

e (8 bit) mã excess-127 phần mũ E:

e = E + 127 Ỉ E = e – 127 giá trị 127 gọi độ lệch (bias)

m (23 bit) phần lẻ phần định trị M:

M = 1.m

Công thức xác định giá trị số thực:

X = (-1)S

(40)

Ví dụ 1

Xác định giá trị số thực biểu diễn 32-bit sau:

1100 0001 0101 0110 0000 0000 0000 0000

S = Ỉ Số âm

e = 1000 00102= 130 Ỉ E = 130 – 127 =

Vậy:

X = -1.10101100 *23= -1101.011 = -13.375

0011 1111 1000 0000 0000 0000 0000 0000 = ?

= +1.0

Ví dụ 2

Biểu diễn số thực X = 83.75 dạng số dấu chấm động IEEE754 32-bit

Giải:

X = 83.7510= 1010011.112 = 1.01001111 x 26 Ta có:

S = số dương

E = e-127=6 Ỉe = 127+6=13310= 1000 01012

Vậy:

X = 0100 0010 1010 0111 1000 0000 0000 0000

Các quy ước đặc biệt

Các bit e 0, bit m 0, X= ±

x000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 Ỉ X= ±

Các bit e 1, bit m 0, X= ±∞

x111 1111 1000 0000 0000 0000 0000 0000 Ỉ X= ±∞

Các bit e 1, cịn m có bit 1,

nó khơng biểu diễn cho số (NaN – not a number)

Dải giá trị biểu diễn

(41)

Dạng 64-bit

S bit dấu

Ỉ E = e – 1023

m (52 bit) phần lẻ phần định trị M: Giá trị số thực:

X = (-1)S

*1.m*2e-1023

Dải giá trị biểu diễn: 10-308 đến 10+308

Dạng 80-bit

S bit dấu

Ỉ E = e – 16383

m (64 bit) phần lẻ phần định trị M: Giá trị số thực:

X = (-1)S

*1.m*2e-16383

Dải giá trị biểu diễn: 10-4932 đến 10+4932

3.6 Biểu diễn ký tự

Bộ mã ASCII (American Standard Code for

Information Interchange)

Bộ mã Unicode

1 Bộ mã ASCII

Do ANSI (American National Standard

Institute) thiết kế

Bộ mã bit Ỉ mã hóa 28 =256 ký

tự, có mã từ: 0016÷ FF16 , đó:

(42)

ASCII Character

Code

128 ký tự chuẩn

Các ký tự chuẩn

26 chữ hoa ‘A’ đến ‘Z’ có mã từ 4116 đến 5A16 (65

đến 90)

‘A’ Ỉ 0100 0001 = 4116

‘B’ Æ 0100 0010 = 4216

‘Z’ Ỉ 0101 1010 = 5A16

26 chữ thường ‘a’ đến ‘z’ có mã từ 6116 đến 7A16 (97

đến 122)

‘a’ Ỉ 0110 0001 = 6116

‘b’ Ỉ 0110 0010 = 6216

‘z’ Ỉ 0111 1010 = 7A16

Các ký tự chuẩn (tiếp)

10 chữ số thập phân từ đến có mã từ 3016

đến 3916 (48 đến 57)

‘0’ Ỉ 0011 0000 = 3016

‘1’ Ỉ 0011 0001 = 3116

‘2’ Æ 0011 0010 = 3216

‘9’ Ỉ 0011 1001 = 3916

Các ký tự chuẩn (tiếp)

Các ký hiệu khác:

Các dấu câu: , : ; .

Các dấu phép toán: + - * / %

một số ký hiệu thông dụng: &, $, @, #

(43)

Các mã điều khiển: có mã 0016÷ 1F16và 7F16

Các mã ký tự điều khiển định dạng (điều khiển

hình, máy in …):

BS, HT, LF, VT, FF, CR

Các mã ký tự điều khiển truyền tin:

SOH, STX, ETX, EOT, ENQ, ACK, NAK, SYN, ETB

Các mã ký tự điều khiển phân cách thông tin:

FS, GS, RS, US

Các mã ký tự điều khiển khác:

NUL, BEL, SO, SI, DLE, DC1+DC4, CAN, EM, SUB,

ESC, DEL

Các ký tự mở rộng: có mã 8016 ÷ FF16

Các ký tự mở rộng định nghĩa bởi:

nhà chế tạo máy tính

người phát triển phần mềm

Ví dụ:

Bộ mã ký tự mở rộng IBM Ỉ IBM-PC

Bộ mã ký tự mở rộng Apple Ỉ Macintosh

Có thể thay đổi ký tự mở rộng để mã hóa

cho ký tự riêng tiếng Việt, ví dụ mã TCVN3

2 Bộ mã hợp Unicode

Do hãng máy tính hàng đầu thiết kế Bộ mã 16-bit

Bộ mã đa ngơn ngữ

Có hỗ trợ ký tự tiếng Việt

Unicode Character

Code

(44)

Chương 4

BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM

(Central Processing Unit - CPU)

Bộ môn Khoa học máy tính - Khoa CNTT Trường Đại học Nơng nghiệp I – Hà Nội website: www.hau1.edu.vn/it/pqdung ĐT: (04) 8766318 DĐ: 0988.149.189

Chương 4: CPU

4.1 Cấu trúc CPU 4.2 Tập lệnh

4.3 Hoạt động CPU

4.4 Cấu trúc xử lý tiên tiến 4.5 Kiến trúc Intel

Chương 4: CPU

4.1 Cấu trúc CPU Nhiệm vụ cấu trúc CPU

Nhiệm vụ CPU

¾ Nhận lệnh (Fetch Instruction): CPU đọc lệnh từ nhớ

¾ Giải mã lệnh (Decode Instruction): Xác định thao tác mà lệnh yêu cầu

¾ Nhận liệu (Fetch Data): nhận liệu từ nhớ cổng vào-ra

¾ Xử lý liệu (Process Data): thực phép toán số học hay phép toán logic với liệu

¾ Ghi liệu (Write Data): ghi liệu nhớ hay cổng vào-ra

Chương 4: CPU

(45)

Chương 4: CPU

Các thành phần CPU

Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU)

Đơn vị số học logic (Arithmetic and

Logic Unit - ALU)

Tập ghi (Register File - RF)

Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit

-BIU)

Bus bên (Internal Bus)

Chương 4: CPU

2 Đơn vị số học logic

Chức năng: Thực phép toán số

học phép toán logic:

Số học: cộng, trừ, nhân, chia, tăng,

giảm, đảo dấu

Logic: AND, OR, XOR, NOT, phép

dịch bit

Chương 4: CPU

Mơ hình kết nối ALU

Chương 4: CPU

3 Đơn vị điều khiển

Chức

Điều khiển nhận lệnh từ nhớ đưa vào

thanh ghi lệnh

Tăng nội dung PC để trỏ sang lệnh kế

tiếp

Giải mã lệnh nhận để xác định thao

tác mà lệnh yêu cầu

Phát tín hiệu điều khiển thực

lệnh

Nhận tín hiệu yêu cầu từ bus hệ thống

(46)

Chương 4: CPU

Mơ hình kết nối đơn vị điều khiển

Chương 4: CPU

Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển Clock: tín hiệu nhịp từ mạch tạo dao động

bên

Mã lệnh từ ghi lệnh đưa đến để giải

mã

Các cờ từ ghi cờ cho biết trạng thái

của CPU

Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển

Chương 4: CPU

Các tín hiệu phát từ đơn vị điều khiển Các tín hiệu điều khiển bên CPU:

Điều khiển ghi

Điều khiển ALU

Các tín hiệu điều khiển bên ngồi CPU:

Điều khiển nhớ

Điều khiển môđun vào-ra

Chương 4: CPU

4 Tập ghi

Tập hợp ghi nằm CPU

Chứa thông tin tạm thời phục vụ cho

hoạt động thời điểm CPU

Được coi mức hệ thống nhớ Tuỳ thuộc vào xử lý cụ thể

Số lượng ghi nhiều Ỉ tăng hiệu

của CPU

(47)

Chương 4: CPU

Phân loại ghi theo chức năng

Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa ngăn

nhớ hay cổng vào-ra

Thanh ghi liệu: chứa tạm thời liệu Thanh ghi đa năng: chứa địa

dữ liệu

Thanh ghi điều khiển/trạng thái: chứa

thông tin điều khiển trạng thái CPU

Thanh ghi lệnh: chứa lệnh thực

Chương 4: CPU

Một số ghi điển hình

Các ghi địa

Bộ đếm chương trình PC (Program Counter)

Con trỏ liệu DP (Data Pointer) Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer) Thanh ghi sở ghi số

(Base Register & Index Register)

Các ghi liệu Thanh ghi trạng thái

Chương 4: CPU

Bộ đếm chương trình PC

Cịn gọi trỏ lệnh IP

(Instruction Pointer)

Giữ địa lệnh

nhận vào

Sau lệnh nhận vào, nội dung

PC tự động tăng để trỏ sang lệnh

Chương 4: CPU

(48)

Chương 4: CPU

Thanh ghi trỏ liệu

Chứa địa ngăn nhớ liệu mà

CPU muốn truy nhập

Thường có số ghi trỏ

liệu

Chương 4: CPU

Minh họa ghi trỏ liệu

DP

Dữ liệu Dữ liệu cần đọc/ghi

Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu

Chương 4: CPU

Ngăn xếp (Stack)

Ngăn xếp vùng nhớ có cấu trúc LIFO

(Last In – First Out)

Ngăn xếp thường dùng để phục vụ cho

chương trình

Đáy ngăn xếp ngăn nhớ xác định Đỉnh ngăn xếp thông tin nằm vị trí

trên ngăn xếp

Đỉnh ngăn xếp bị thay đổi

Chương 4: CPU

Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer)

SP chứa địa ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp Khi cất thông tin vào ngăn xếp:

Nội dung SP tự động giảm

Thông tin cất vào ngăn nhớ trỏ SP Khi lấy thông tin khỏi ngăn xếp:

Thông tin đọc từ ngăn nhớ trỏ SP Nội dung SP tự động tăng

(49)

Chương 4: CPU

Minh họa trỏ ngăn xếp SP

SP Đỉnh Stack

Đáy Stack

Chương 4: CPU

Thanh ghi sở ghi số

Thanh ghi sở: chứa địa ngăn

nhớ sở (địa sở)

Thanh ghi số: chứa độ lệch địa

ngăn nhớ mà CPU cần truy nhập so với ngăn nhớ sở (chỉ số)

Địa ngăn nhớ cần truy nhập = địa

chỉ sở + số

Chương 4: CPU

Minh họa ghi sở ghi số

Thanh ghi sở

Thanh ghi số

Ngăn nhớ sở

Ngăn nhớ cần truy nhập

Chương 4: CPU

Các ghi liệu

Chứa liệu tạm thời kết

quả trung gian

Cần có nhiều ghi liệu

Các ghi số nguyên: 8, 16, 32, 64

bit

(50)

Chương 4: CPU

Thanh ghi trạng thái (Status Register)

Còn gọi ghi cờ (Flag Register) Chứa thông tin trạng thái CPU

Các cờ phép toán: báo hiệu trạng thái kết

phép toán

Các cờ điều khiển: biểu thị trạng thái điều khiển

CPU

Chương 4: CPU

Ví dụ cờ phép tốn

Cờ Zero (cờ rỗng): thiết lập lên kết

quả phép toán

Cờ Sign (cờ dấu): thiết lập lên kết

phép toán nhỏ

Cờ Carry (cờ nhớ): thiết lập lên phép

tốn có nhớ ngồi bit cao Ỉ cờ báo tràn với số khơng dấu

Cờ Overflow (cờ tràn): thiếp lập lên

cộng hai số nguyên dấu mà kết có dấu ngược lại Ỉ cờ báo tràn với số có dấu

Chương 4: CPU

Ví dụ cờ điều khiển

Cờ Interrupt (Cờ cho phép ngắt)

Nếu IF = Ỉ CPU trạng thái cho phép ngắt với tín

hiệu yêu cầu ngắt từ bên gửi tới

Nếu IF = Ỉ CPU trạng thái cấm ngắt với tín hiệu

yêu cầu ngắt từ bên gửi tới

Chương 4: CPU

4.2 Tập lệnh

1 Giới thiệu chung tập lệnh

Mỗi xử lý có tập lệnh xác định

Tập lệnh thường có hàng chục đến hàng trăm lệnh Mỗi lệnh chuỗi số nhị phân mà xử lý hiểu

được để thực thao tác xác định

Các lệnh mô tả ký hiệu gợi nhớ Ỉ

(51)

Chương 4: CPU

Các thành phần lệnh máy

Mã thao tác (operation code → opcode):

mã hóa cho thao tác mà xử lý phải thực

Địa toán hạng: nơi chứa toán

hạng mà thao tác tác động

Toán hạng nguồn: liệu vào thao tác Tốn hạng đích: liệu thao tác

Chương 4: CPU

2 Các kiểu thao tác

Chuyển liệu

Xử lý số học với số nguyên Xử lý logic

Điều khiển vào-ra

Chuyển điều khiển (rẽ nhánh) Điều khiển hệ thống

Xử lý số dấu chấm động Xử lý liệu chuyên dụng

Chương 4: CPU

Các lệnh chuyển liệu

MOVE Copy liệu từ nguồn đến đích LOAD Nạp liệu từ nhớ đến xử lý STORE Cất liệu từ xử lý đến nhớ EXCHANGE Trao đổi nội dung nguồn đích CLEAR Chuyển bit vào tốn hạng đích SET Chuyển bit vào tốn hạng đích PUSH Cất nội dung toán hạng nguồn vào

ngăn xếp

POP Lấy nội dung đỉnh ngăn xếp đưa đến

tốn hạng đích

Chương 4: CPU

Các lệnh số học

ADD Cộng hai toán hạng

(52)

Chương 4: CPU

Các lệnh logic

AND Thực phép AND hai toán hạng OR Thực phép OR hai toán hạng XOR Thực phép XOR hai toán hạng NOT Đảo bit toán hạng (lấy bù 1)

TEST Thực phép AND toán hạng để lập cờ SHIFT Dịch trái (phải) toán hạng

ROTATE Quay trái (phải) toán hạng

Chương 4: CPU

Minh hoạ lệnh AND, OR, XOR

Giả sử có hai ghi chứa liệu sau:

(R1) = 1010 1010

(R2) = 0000 1111

R1 Å (R1) AND (R2) = 0000 1010

Phép toán AND dùng để xoá số bit giữ nguyên số bit cịn lại tốn hạng

R1 Å (R1) OR (R2) = 1010 1111

Phép toán OR dùng để thiết lập số bit giữ ngun số bit cịn lại tốn hạng

R1 Å (R1) XOR (R2) = 1010 0101

Phép toán XOR dùng để đảo số bit giữ ngun số bit cịn lại tốn hạng

Chương 4: CPU

Các lệnh vào chuyên dụng

INPUT Copy liệu từ cổng xác

định đến đích

OUTPUT Copy liệu từ nguồn đến

một cổng xác định

Chương 4: CPU

Các lệnh chuyển điều khiển

JUMP (BRANCH) - Lệnh nhảy không điều kiện:

Nạp vào PC địa xác định

JUMP CONDITIONAL - Lệnh nhảy có điều kiện:

Điều kiện Ỉ nạp PC địa xác định Điều kiện sai Ỉ khơng làm

CALL - Lệnh gọi chương trình con:

Cất nội dung PC (địa trở về) vị trí xác định

(thường Stack)

Nạp vào PC địa lệnh chương trình

RETURN - Lệnh trở từ chương trình con:

Khôi phục địa trở trả lại cho PC để trở chương

(53)

Chương 4: CPU

Lệnh rẽ nhánh không điều kiện

Chuyển tới thực lệnh

ở vị trí có địa XXX: PC ÅXXX

Chương 4: CPU

Lệnh rẽ nhánh có điều kiện

Trong lệnh có kèm theo điều kiện Kiểm tra điều kiện lệnh:

Nếu điều kiện Ỉ chuyển tới thực lệnh vị

trí có địa XXX PC Å XXX

Nếu điều kiện sai Ỉ chuyển sang thực lệnh kế

tiếp

Điều kiện thường kiểm tra thơng qua cờ Có nhiều lệnh rẽ nhánh có điều kiện

Chương 4: CPU

Minh họa lệnh rẽ nhánh có điều khiện

Lệnh

Lệnh Lệnh rẽ nhánh XXX

Lệnh Lệnh

Lệnh XXX

Chương 4: CPU

Lệnh CALL RETURN

Lệnh gọi chương trình con: lệnh CALL

Cất nội dung PC (chứa địa lệnh kế tiếp)

Stack

Nạp vào PC địa lệnh chương

trình gọi

Ỉ Bộ xử lý chuyển sang thực chương trình

con tương ứng

Lệnh trở từ chương trình con: lệnh RETURN

(54)

Chương 4: CPU

Minh họa lệnh CALL RETURN

Lệnh

Lệnh CALL CTcon

Lệnh

RETURN Lệnh

Lệnh

CTcon

Lệnh CTcon

Chương 4: CPU

Các lệnh điều khiển hệ thống

NO OPERATION Khơng thực HALT Dừng thực chương trình

WAIT Tạm dừng thực chương trình, lặp

kiểm tra điều kiện thoả mãn tiếp tục thực

LOCK Cấm không cho xin chuyển nhượng bus UNLOCK Cho phép xin chuyển nhượng bus

Chương 4: CPU

3 Các phương pháp định địa (addressing modes)

Khái niệm định địa (addressing)

Tốn hạng lệnh là:

Một giá trị cụ thể

Nội dung ghi

Nội dung ngăn nhớ cổng vào-ra

Phương pháp định địa cách thức địa

chỉ hoá trường địa lệnh để xác định toán hạng

Chương 4: CPU

Các phương pháp định địa thông dụng

Định địa tức Định địa ghi Định địa trực tiếp

(55)

Chương 4: CPU

Định địa tức thì

Tốn hạng nằm Trường địa lệnh Chỉ tốn hạng nguồn

Ví dụ:

ADD R1,5 ; R1 Å R1+5

Không tham chiếu nhớ Truy nhập toán hạng nhanh Dải giá trị toán hạng bị hạn chế Sơ đồ định địa tức thì:

Chương 4: CPU

Định địa ghi

Tốn hạng chứa ghi có tên

Trường địa lệnh

Ví dụ:

ADD R1, R2 ; R1 Å R1+R2

Số lượng ghi Ỉ Trường địa chỉ cần bit Khơng tham chiếu nhớ

Truy nhập toán hạng nhanh

Tăng số lượng ghi Ỉ hiệu

Chương 4: CPU

Sơ đồ định địa ghi

Chương 4: CPU

Định địa trực tiếp

Tốn hạng ngăn nhớ có địa

ra trực tiếp Trường địa lệnh

Ví dụ: ADD R1, A ; R1 Å R1+(A)

Cộng nội dung ghi R1 với nội dung

của ngăn nhớ có địa A

Tìm tốn hạng nhớ địa A

CPU tham chiếu nhớ lần để truy

(56)

Chương 4: CPU

Sơ đồ định địa trực tiếp

Mã thao tác Địa

Toán hạng

Bộ nhớ

Chương 4: CPU

Định địa gián tiếp qua ghi Tốn hạng ngăn nhớ có địa nằm

trong ghi

Trường địa lệnh cho biết tên

ghi

Thanh ghi ngầm định

Thanh ghi gọi ghi trỏ Vùng nhớ tham chiếu lớn

(2n), (với n độ dài ghi)

Chương 4: CPU

Sơ đồ định địa gián tiếp qua ghi Mã thao tác Tên ghi

Toán hạng

Bộ nhớ Địa

Tập ghi

Chương 4: CPU

Định địa gián tiếp qua ngăn nhớ Ngăn nhớ trỏ Trường địa

lệnh chứa địa tốn hạng

Có thể gián tiếp nhiều lần

Giống khái niệm biến trỏ biến

động lập trình

CPU phải thực tham chiếu nhớ

nhiều lần để tìm tốn hạng Ỉ chậm

(57)

Chương 4: CPU

Sơ đồ định địa gián tiếp qua ngăn nhớ Mã thao tác Địa

Địa

Toán hạng

Bộ nhớ

Chương 4: CPU

Định địa dịch chuyển

Để xác định toán hạng Trường địa

lệnh chứa hai thành phần:

Tên ghi

Hằng số

Địa toán hạng = nội dung ghi

+ số

Thanh ghi ngầm định

Chương 4: CPU

Sơ đồ định địa dịch chuyển

Mã thao tác Tên ghi

Toán hạng

Bộ nhớ Tập ghi

Hằng số

+

Chương 4: CPU

Các dạng định địa dịch chuyển

Địa hoá tương PC

Thanh ghi Bộ đếm chương trình PC

Tốn hạng có địa cách ngăn nhớ trỏ PC

một độ lệch xác định

Định địa sở

Thanh ghi chứa địa sở Hằng số số

(58)

Chương 4: CPU

4.3 Hoạt động CPU Chu trình lệnh

Nhận lệnh

Giải mã lệnh

Nhận toán hạng

Thực lệnh

Cất toán hạng

Ngắt

Chương 4: CPU Nhận lệnh

CPU đưa địa lệnh cần nhận từ

đếm chương trình PC bus địa

CPU phát tín hiệu điều khiển đọc nhớ Lệnh từ nhớ đặt lên bus liệu

được CPU copy vào ghi lệnh IR

CPU tăng nội dung PC để trỏ sang lệnh kế

tiếp

Chương 4: CPU

Sơ đồ mô tả trình nhận lệnh

Chương 4: CPU Giải mã lệnh

Lệnh từ ghi lệnh IR đưa đến

đơn vị điều khiển

Đơn vị điều khiển tiến hành giải mã lệnh để

xác định thao tác phải thực

(59)

Chương 4: CPU Nhận liệu

CPU đưa địa toán hạng bus địa

chỉ

CPU phát tín hiệu điều khiển đọc Toán hạng đọc vào CPU Tương tự nhận lệnh

Chương 4: CPU

Nhận liệu gián tiếp

CPU đưa địa bus địa CPU phát tín hiệu điều khiển đọc

Nội dung ngăn nhớ đọc vào CPU,

chính địa toán hạng

Địa CPU phát bus địa để

tìm tốn hạng

CPU phát tín hiệu điều khiển đọc Toán hạng đọc vào CPU

Chương 4: CPU

Sơ đồ nhận toán hạng gián tiếp

Chương 4: CPU

Thực lệnh

Có nhiều dạng tuỳ thuộc vào lệnh Có thể là:

Đọc/Ghi nhớ

Vào/Ra

Chuyển ghi Thao tác số học/logic

(60)

Chương 4: CPU

Ghi toán hạng

CPU đưa địa bus địa

CPU đưa liệu cần ghi bus liệu CPU phát tín hiệu điều khiển ghi

Dữ liệu bus liệu copy đến vị trí

xác định

Chương 4: CPU

Sơ đồ mô tả q trình ghi tốn hạng

Chương 4: CPU

Ngắt

Nội dung đếm chương trình PC (địa trở

về sau ngắt) đưa bus liệu

CPU đưa địa (thường lấy từ trỏ ngăn

xếp SP) bus địa

CPU phát tín hiệu điều khiển ghi nhớ

Địa trở bus liệu ghi vị trí xác

định (ở ngăn xếp)

Địa lệnh chương trình điều

khiển ngắt nạp vào PC

Chương 4: CPU

(61)

Chương 4: CPU

2 Đường ống lệnh (Instruction Pipelining)

Chia chu trình lệnh thành cơng đoạn cho phép

thực gối lên (như dây chuyền lắp ráp)

Chẳng hạn có cơng đoạn:

Nhận lệnh (Fetch Instruction – FI) Giải mã lệnh (Decode Instruction – DI)

Tính địa toán hạng (Calculate Operand Address – CO) Nhận toán hạng (Fetch Operands – FO)

Thực lệnh (Execute Instruction – EI) Ghi toán hạng (Write Operands – WO)

Chương 4: CPU

Biểu đồ thời gian đường ống lệnh

Chương 4: CPU

Các xung đột đường ống lệnh

Xung đột cấu trúc: nhiều công đoạn

dùng chung tài nguyên

Xung đột liệu: lệnh sau sử dụng liệu

kết lệnh trước

Xung đột điều khiển: rẽ nhánh gây

Chương 4: CPU

(62)

Chương 4: CPU

Các đơn vị xử lý liệu Các đơn vị số nguyên

Các đơn vị số dấu chấm động Các đơn vị chức đặc biệt

Đơn vị xử lý liệu âm Đơn vị xử lý liệu hình ảnh Đơn vị xử lý liệu vector

Chương 4: CPU Bộ nhớ cache

Được tích hợp chip vi xử lý Bao gồm hai mức cache

Cache L1 gồm hai phần tách rời: Cache lệnh

Cache liệu

Ỉ Giải xung đột nhận lệnh liệu

Cache L2

Chương 4: CPU

Đơn vị quản lý nhớ

Chuyển đổi địa ảo thành địa vật lý Cung cấp chế phân trang/phân đoạn Cung cấp chế độ bảo vệ nhớ

Chương 4: CPU

4.5 Kiến trúc Intel

Kiến trúc 4-bit: 4004

Kiến trúc 8-bit: 8008, 8080, 8085

Kiến trúc 16-bit: 8086/8088, 80186, 80286 Kiến trúc 32-bit: 80386, 80486,

Pentium, Pentium II Celeron, Pentium III, Pentium IV

(63)

Chương 4: CPU

1 Kiến trúc 16-bit (IA-16) Các ghi bên trong: 16-bit

Xử lý phép toán số nguyên với 16-bit Quản lý nhớ theo đoạn 64 KBytes Mở đầu cho dịng máy tính IBM-PC

Chương 4: CPU

2 Kiến trúc 32-bit (IA-32)

Các ghi bên trong: 32 bit

Xử lý phép toán số nguyên với 32-bit Có chế độ làm việc

Chế độ 8086 thực (Real 8086 mode): làm việc

như xử lý 8086

Chế độ 8086 ảo (Virtual 8086 mode): làm việc

như nhiều xử lý 8086 (đa nhiệm 16-bit)

Chế độ bảo vệ (Protected mode) Đa nhiệm 32-bit

Quản lý nhớ ảo

Xử lý phép toán số dấu chấm động (từ

80486)

Chương 4: CPU

3 Kiến trúc 64-bit (IA-64) Các ghi bên trong: 64 bit

Xử lý phép toán số nguyên với 64-bit Xử lý phép toán số dấu chấm động Khơng tương thích phần cứng với xử

lý trước

Tương thích phần mềm cách giả lập

(64)

Chương 5

BỘ NHỚ MÁY TÍNH

Chương 5: Bộ nhớ máy tính

5.1 Tổng quan hệ thống nhớ 5.2 Bộ nhớ bán dẫn

5.3 Bộ nhớ 5.4 Bộ nhớ cache 5.5 Bộ nhớ

5.6 Hệ thống nhớ máy tính cá nhân

5.1 Tổng quan hệ thống nhớ

1 Các đặc trưng hệ thống nhớ

Vị trí

Bên CPU:

tập ghi

Bộ nhớ

nhớ nhớ cache

Bộ nhớ ngoài: thiết bị nhớ Dung lượng

Độ dài từ nhớ (tính bit: 16, 32 bit) Số lượng từ nhớ

Các đặc trưng hệ thống nhớ (tiếp) Đơn vị truyền

Từ nhớ (word)

Khối nhớ (block)

Phương pháp truy nhập

Truy nhập (băng từ) Truy nhập trực tiếp (các loại đĩa)

Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn)

(65)

Các đặc trưng hệ thống nhớ (tiếp) Hiệu

Thời gian truy nhập

Chu kỳ nhớ

Tốc độ truyền

Kiểu vật lý

Bộ nhớ bán dẫn

Bộ nhớ từ

Bộ nhớ quang

Các đặc trưng hệ thống nhớ (tiếp) Các đặc tính vật lý

Khả biến/Khơng khả biến

(volatile/nonvolatile)

Xóa được/Khơng xóa

Tổ chức

2 Phân cấp hệ thống nhớ

Từ trái sang phải:

dung lượng tăng dần tốc độ giảm dần giá thành/1 bit giảm dần

5.2 Bộ nhớ bán dẫn

1 Phân loại

Kiểu nhớ Tiêu chuẩn

Khả

xóa Cơ chế ghi

Tính khả biến

Read Only Memory

(ROM) Mặt nạ

Programmable ROM (PROM)

Erasable PROM (EPROM)

Bằng tia cực tím, chip Electrically Erasable

PROM (EEPROM)

Bằng điện, mức byte Flash Memory Bằng điện,

mức khối Random Access

Memory (RAM)

Bằng điện,

mức byte Khả biến Bộ nhớ

đọc-ghi Bộ nhớ

chỉ đọc Bằng điện

(66)

ROM (Read Only Memory)

Bộ nhớ không khả biến Lưu trữ thông tin sau:

Thư viện chương trình

Các chương trình điều khiển hệ thống (BIOS)

Các bảng chức

Vi chương trình

Các kiểu ROM

ROM mặt nạ:

thông tin ghi sản xuất đắt

PROM (Programmable ROM)

Cần thiết bị chuyên dụng để ghi

chương trình → ghi lần

EPROM (Erasable PROM)

Cần thiết bị chuyên dụng để ghi

chương trình → ghi nhiều lần

Trước ghi lại, xóa tia cực tím

Các kiểu ROM (tiếp)

EEPROM (Electrically Erasable PROM)

Có thể ghi theo byte

Xóa điện

Flash Memory (Bộ nhớ cực nhanh)

Ghi theo khối

Xóa điện

RAM (Random Access Memory)

Bộ nhớ đọc-ghi (Read/Write Memory) Khả biến

(67)

SRAM (Static RAM) - RAM tĩnh

Các bit lưu trữ Flip-Flop

→ thông tin ổn định

Cấu trúc phức tạp Dung lượng chip nhỏ Tốc độ nhanh

Đắt tiền

Dùng làm nhớ cache

DRAM (Dynamic RAM) - RAM động

Các bit lưu trữ tụ điện

→ cần phải có mạch làm tươi

Cấu trúc đơn giản Dung lượng lớn Tốc độ chậm Rẻ tiền

Dùng làm nhớ

Các DRAM tiên tiến

Enhanced DRAM Cache DRAM

Synchronous DRAM (SDRAM): làm việc

được đồng xung đồng hồ

DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) Rambus DRAM (RDRAM)

2 Tổ chức chip nhớ

(68)

Các tín hiệu chip nhớ

Các đường địa chỉ: An-1÷ A0→ có 2n từ nhớ Các đường liệu: Dm-1 ÷ D0 → độ dài từ

nhớ = m bit

Dung lượng chip nhớ = 2nxm bit Các đường điều khiển:

Tín hiệu chọn chip CS (Chip Select)

Tín hiệu điều khiển đọc OE (Output Enable) Tín hiệu điều khiển ghi WE (Write Enable)

Các tín hiệu điều khiển tích cực với mức

Tổ chức DRAM

Dùng n đường địa dồn kênh → cho phép

truyền 2n bit địa

Tín hiệu chọn địa hàng RAS

(Row Address Select)

Tín hiệu chọn địa cột CAS

(Column Address Select)

Dung lượng DRAM = 22nxm bit

Chip nhớ

3 Thiết kế mơ-đun nhớ bán dẫn

Dung lượng chip nhớ = 2nxm bit Cần thiết kế để tăng dung lượng:

(69)

Tăng độ dài từ nhớ

VD1:

Cho chip nhớ SRAM 4K x4 bit

Thiết kế mô-đun nhớ 4K x8 bit Giải:

Dung lượng chip nhớ = 212x4 bit

chip nhớ có: 12 chân địa chân liệu mơ-đun nhớ cần có:

12 chân địa chân liệu

Ví dụ tăng độ dài từ nhớ

A11÷A0 D3÷D0 A11÷A0

A11÷A0

D3÷D0 D3÷D0 D7÷D4

CS

WE OE

CS CS

OE

OE WE

WE

Bài tốn tăng độ dài từ nhớ tổng quát Cho chip nhớ 2nxm bit

Thiết kế mô-đun nhớ 2nx(k.m) bit Dùng k chip nhớ

Tăng số lượng từ nhớ

VD2:

Thiết kế mô-đun nhớ 8K x8 bit Giải:

Dung lượng chip nhớ = 212x8 bit chip nhớ có:

12 chân địa chân liệu

Dung lượng mô-đun nhớ = 213x8 bit: 13 chân địa

(70)

Ví dụ tăng số lượng từ nhớ

A 0

0

0 1 x

G Y0 Y1

Bộ giải mã 2→4

B A 0 0

0 0 1 1

0 1 1 1 1 1 1 x x 1 1

G Y0 Y1 Y2 Y3

Bài tập

1 Tăng số lượng từ nhớ gấp lần:

Thiết kế mô-đun nhớ 16K x8 bit

2 Tăng số lượng từ nhớ gấp lần:

3 Thiết kế kết hợp:

5.3 Bộ nhớ chính

1 Các đặc trưng

Chứa chương trình thực

dữ liệu sử dụng

Tồn hệ thống máy tính

Bao gồm ngăn nhớ đánh địa trực tiếp

bởi CPU

Dung lượng nhớ nhỏ không gian

địa nhớ mà CPU quản lý

Việc quản lý logic nhớ tùy thuộc vào hệ

(71)

2 Tổ chức nhớ đan xen

Độ rộng bus liệu để trao đổi với

nhớ: m = 8, 16, 32, 64, 128 … bit

Các ngăn nhớ tổ chức theo byte

→ tổ chức nhớ vật lý khác

m=8 bit → băng nhớ tuyến tính

m=16 bit → hai băng nhớ đan xen 2i AN-1 ÷ A1

D7 ÷ D0

2i+1 Băng Băng BE0 BE1

D15 ÷ D8

Bộ tạo tín hiệu chọn byte BE1 BE0 A0 B W Chọn byte

0 Chọn byte Chọn byte cao Chọn byte thấp 1 Không chọn

BE1 BE0

Các tín hiệu chọn byte:

m=32 bit → bốn băng nhớ đan xen 12 16 4i AN-1 ÷ A2

D7 ÷ D0

13 17 4i+1 Băng Băng BE0 BE1

D15 ÷ D8

Bộ tạo tín hiệu chọn byte BE3 BE0 A0 B W 10 14 18 4i+2 Băng BE2 D23 ÷ D16

3 11 15 19 4i+3 Băng BE3 D31 ÷ D24

BE2 BE1 A1

(72)

m=64 bit → tám băng nhớ đan xen

5.4 Bộ nhớ đệm nhanh (cache memory) Nguyên tắc chung

Cache có tốc độ nhanh nhớ

Cache đặt CPU nhớ nhằm tăng tốc

độ truy nhập nhớ CPU

Cache đặt chip CPU

Ví dụ thao tác cache

CPU yêu cầu nội dung ngăn nhớ CPU kiểm tra cache với liệu Nếu có, CPU nhận liệu từ cache (nhanh) Nếu khơng có, đọc block nhớ chứa liệu

từ nhớ vào cache

Tiếp chuyển liệu từ cache vào CPU

Cấu trúc chung cache/bộ nhớ chính

B0 B1 B2 B3 B4 B5 Bi

Bp-1 L0

L1 L2 L3 Li Lm-1

Bộ nhớ Cache

Tag

(73)

Cấu trúc chung cache/bộ nhớ chính

Một số Block nhớ nạp vào Line

của cache

Nội dung Tag (thẻ nhớ) cho biết block nhớ

chính chứa line

Khi CPU truy nhập (đọc/ghi) từ nhớ, có khả

năng xảy ra:

Từ nhớ có cache (cache hit) Từ nhớ khơng có cache (cache miss)

Vì số line cache số block nhớ chính,

cần có thuật giải ánh xạ thơng tin nhớ vào cache

2 Các phương pháp ánh xạ địa chỉ a) Ánh xạ trực tiếp (Direct mapping)

Mỗi block nhớ nạp vào

line cache

Quy ước nạp: B0→ L0 B1→ L1

Bm-1 → Lm-1 Bm → L0 Bm+1 → L1

L0: B0, Bm, B2m

L1: B1, Bm+1, B2m+1

Ỉ Bjchỉ nạp vào Lj mod m

Ánh xạ trực tiếp (tiếp)

B0 B1 B2 B3 B4 B5 Bi Bp-1 L0 L1 L2 L3 Li Lm-1

Bộ nhớ Cache

Tag Line Byte

So sánh n1 n2 n3 N bit cache hit cache miss = (2) (3.1) (3.2) (1)

Ánh xạ trực tiếp (tiếp)

Địa CPU phát có N bit, chia thành

trường:

Trường Byte (có n1 bit) để xác định byte nhớ

trong Line (Block)

2n1= kích thước Line

Trường Line (có n2bit) để xác định Line

Cache

2n2= số Line Cache

Ỉ Dung lượng Cache = 2n1* 2n2= 2n1+n2 Trường Tag (có n3bit): số bit lại

(74)

b) Ánh xạ liên kết toàn phần

Fully Associative Mapping

Mỗi block nạp vào line

của cache

Địa nhớ CPU phát chia thành

2 phần: tag byte

Để kiểm tra xem block có cache hay

khơng, phải đồng thời kiểm tra tất tag line cache

Ỉ Cần mạch phức tạp để kiểm tra

Ánh xạ liên kết toàn phần (tiếp)

c) Ánh xạ liên kết tập hợp

Set Associative Mapping

Là phương pháp dung hòa phương pháp Chia cache thành tập: S0, S1, S2

Mỗi Set có số Line (2, 4, 8, 16 Line)

vd Set có line: 2-way Set Associative Mapping

Mỗi block nạp vào line Set

định:

B0→ S0 B1→ S1

Bk-1 → Sk-1 Bk → S0

Địa CPU phát có trường: Tag, Set, Byte

(75)

Ví dụ

Hệ thống có: nhớ = 256 MB

Cache = 128 KB Line = 16 Byte

Xác định số bit trường địa

Ánh xạ trực tiếp

Ánh xạ liên kết tập hợp Line/Set

Ví dụ (tiếp)

1) 2N= 256.220= 228Ỉ N = 28 bit

Tính cho trường Byte:

Kích thước line = 16 = 24Byte Ỉ n 1= bit

Tính cho trường Line:

Số line Cache: 128.210/16 = 213 Ỉ n

2= 13 bit

Tính cho trường Tag:

n3= N - (n1 + n2) = 28 - (4 + 13) = 11 bit 2) - Trường Byte: n1= bit

- Trường Set:

Số Set = Số line/4 = 213/4 = 211 Ỉ n

2 = 11 bit - Trường Tag: n3= N - (n1 + n2) = 28 - (4 + 11) = 13 bit

3 Các thuật giải thay block cache

Khi CPU truy nhập thông tin mà khơng

có cache (cache miss) nạp block chứa thơng tin vào cache để thay block cũ cache

Ánh xạ trực tiếp Ỉ có cách nạp Ỉ

không cần thuật giải để nạp

phương pháp ánh xạ liên kết Ỉ cần có

thuật giải để lựa chọn thay

Các thuật giải thay block cache (tiếp)

1 Random: thay block cách ngẫu nhiên

2 FIFO (First In, First Out): thay block tồn lâu toàn cache ánh xạ liên kết

toàn phần, set ánh xạ liên kết tập hợp.

3 LFU (Least Frequently Used): thay block có số lần truy nhập

(76)

4 Phương pháp ghi liệu cache hit Ghi xuyên qua (Write through)

ghi cache nhớ

tốc độ chậm

Ghi trả sau (Write back)

ghi cache

tốc độ nhanh

block cache bị thay cần phải

ghi trả block nhớ

5 Cache xử lý Intel

80386: khơng có cache chip 80486: 8KB

Pentium: có cache L1 chip cache lệnh = 8KB

cache liệu = 8KB

Pentium 4: hai mức cache L1 L2 chip Cache L1:

cache L1, cache 8KB kích thước Line = 64 byte

Cache L2:

256 KB - MB

kích thước Line = 128 byte

Sơ đồ Pentium 4

5.5 Bộ nhớ ngồi Các kiểu nhớ

Đĩa từ (Magnetic Disk) Đĩa quang (Optical Disk) Flash Disk

(77)

2 Đĩa từ (Platter)

Các đặc tính đĩa từ

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

Tiếp xúc (đĩa mềm)

Không tiếp xúc

Nhiều đĩa (Multiple Platters)

(78)

Đĩa mềm

8”, 5.25”, 3.5”

Dung lượng nhỏ: tới 1.44 MB Tốc độ chậm (360 rpm)

Thông dụng Rẻ tiền

Tương lai khơng dùng nữa?

Đĩa cứng

Một nhiều đĩa Thông dụng

Dung lượng tăng lên nhanh

1993: 200 MB

2005: 30 GB, 40 GB, 80 GB, 120 GB …

Tốc độ đọc/ghi nhanh (5400, 7200 rpm) Rẻ tiền

RAID

Redundant Array of Inexpensive Disks Redundant Array of Independent Disks

Tập đĩa cứng vật lý HĐH coi ổ

logic

Dữ liệu lưu trữ phân tán ổ đĩa vật lý 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

loại phổ biến (RAID 0-6)

3 Đĩa quang

CD-ROM (Compact Disk ROM) CD-R (Recordable CD) CD-RW (Rewriteable CD) Dung lượng thông dụng 700 MB Ổ đĩa CD:

Ổ đĩa CD-ROM

Ổ CD-Writer: ghi phiên ghi nhiều phiên Ổ CD-RW

(79)

Đĩa quang (tiếp)

DVD

Digital Video Disk: dùng ổ đĩa xem

video

Digital Versatile Disk: ổ máy tính

Ghi hai mặt

Một hai lớp mặt

Thông dụng: 4,7 GB/lớp

4 Flash Disk

Bộ nhớ bán dẫn cực nhanh (flash memory) Thường kết nối qua cổng USB

Không phải dạng đĩa

Dung lượng tăng nhanh (64 MB – GB) Thuận tiện

5.6 Hệ thống nhớ PC nay

Bộ nhớ cache: tích hợp chip vi xử lý Bộ nhớ chính: tồn dạng mơ-đun

nhớ RAM

SIMM – Single Inline Memory Module

30 chân: đường liệu 72 chân: 32 đường liệu

DIMM - Dual Inline Memory Module

168 chân: 64 đường liệu

RIMM – Rambus DRAM

Hệ thống nhớ PC (tiếp)

ROM BIOS chứa chương trình sau: Chương trình POST (Power On Self Test) Chương trình CMOS Setup

Chương trình Bootstrap loader

Các trình điều khiển vào-ra (BIOS) CMOS RAM:

Cấu hình hệ thống Đồng hồ hệ thống Có pin ni riêng

(80)

Chương 6

HỆ THỐNG VÀO-RA

Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 6.2 Chương 6: Hệ thống vào-ra

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

Chương 6: Hệ thống vào-ra

6.1 Tổng quan hệ thống vào-ra

1 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

Các thiết bị ngoại vi

Các môđun vào-ra

Đặc điểm vào-ra

Tồn đa dạng thiết bị ngoại vi (TBNV)

khác về:

Nguyên tắc hoạt động Tốc độ

Khuôn dạng liệu

Tất TBNV chậm CPU RAM

(81)

2 Các TBNV

Chức năng: chuyển đổi liệu bên

trong bên ngồi máy tính

Phân loại:

TBNV giao tiếp người-máy: chuột, bàn phím,

màn hình, máy in,…

TBNV giao tiếp máy-máy: gồm thiết bị

theo dõi kiểm tra

TBNV truyền thông:

modem (modulator/demodulator), Network Interface Card (NIC, card mạng)

Cấu trúc chung TBNV

Các thành phần TBNV

Bộ chuyển đổi tín hiệu: chuyển đổi liệu

giữa bên bên máy tính

Bộ đệm liệu: đệm liệu truyền

giữa môđun vào-ra TBNV

Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt động

của TBNV đáp ứng theo yêu cầu từ môđun vào-ra

3 Môđun vào-ra

Chức năng:

Điều khiển định thời Trao đổi thông tin với CPU Trao đổi thông tin với TBNV

(82)

Cấu trúc chung môđun vào-ra

Các thành phần môđun vào-ra

Thanh ghi đệm liệu: đệm liệu

quá trình trao đổi

Các cổng vào-ra (I/O Port): kết nối với

TBNV, 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

4 Các phương pháp địa hóa cổng vào-ra

a Khơng gian địa xử lý

Một số xử lý quản lý

một không gian địa nhất, gọi không gian địa nhớ

N bit địa → có 2N địa Ví dụ: xử lý 680x0

của Motorola

000 000

Không gian địa nhớ

000 001 000 010 000 011 000 100 000 101

111 111 N bit

Không gian địa xử lý (tiếp)

Một số xử lý quản lý hai không gian địa

chỉ tách biệt

(83)

Hai không gian địa tách biệt xử lý

000 000

Không gian địa nhớ

000 001 000 010 000 011 000 100 000 101 111 111 N bit 00 00 Không gian địa vào-ra

00 01 00 10 00 11 11 11 N1bit

Hai không gian địa tách biệt xử lý (tiếp)

Đặc điểm xử lý có hai khơng gian địa chỉ:

Có tín hiệu điều khiển phân biệt truy nhập không

gian địa nhớ hay không gian địa vào-ra

Tập lệnh có lệnh vào-ra chuyên dụng (IN, OUT)

Ví dụ: Các xử lý 80x86 Pentium (Intel)

Pentium

Không gian địa nhớ = 232 byte = GB Không gian địa vào-ra = 216byte = 64 KB

Tín hiệu điều khiển:

Hai lệnh vào-ra chuyên dụng: IN, OUT

IO M/

b Các phương pháp địa hóa cổng vào-ra

Vào-ra theo đồ nhớ

(Memory mapped IO)

Vào-ra riêng biệt

(Isolated IO hay IO mapped IO)

Vào-ra theo đồ nhớ

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

(84)

Vào-ra riêng biệt

Cổng vào-ra đánh địa theo không

gian địa vào-ra riêng biệt

CPU trao đổi liệu với cổng vào-ra thông

qua lệnh vào-ra chuyên dụng (IN, OUT)

Chỉ thực hệ thống có

không gian địa vào-ra riêng biệt

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)

1 Vào-ra chương trình

Nguyên tắc chung: CPU điều khiển trực tiếp

vào-ra chương trình Kiểm tra trạng thái TBNV Phát tín hiệu điều khiển đọc/ghi Trao đổi liệu

Lưu đồ chương trình

Đọc trạng thái mơđun vào-ra

Mơđun vào-ra có sẵn sàng?

Trao đổi liệu với môđun vào-ra

(85)

Hoạt động vào-ra chương trình

CPU yêu cầu thao tác vào-ra

Môđun vào-ra thực thao tác

Môđun 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 môđun vào-ra

Đặc điểm

Vào-ra ý muốn người lập trình

CPU trực tiếp điều khiển vào-ra

CPU đợi môđun vào-ra → tiêu tốn thời gian

của CPU

2 Vào-ra điều khiển ngắt

Nguyên tắc chung:

CPU đợi trạng thái sẵn sàng

môđun vào-ra, CPU thực chương trình

Khi mơđun 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

đang bị ngắt

Chuyển điều khiển đến chương trình ngắt

lệnh lệnh lệnh lệnh

lệnh i

lệnh i+1

RETURN

lệnh

Chương trình thực

lệnh

Chương trình ngắt phục

vụ vào-ra

lệnh lệnh

(86)

Hoạt động vào liệu: nhìn từ mơđun vào-ra

Mơđun vào-ra nhận tín hiệu điều khiển đọc

từ CPU

Môđun vào-ra nhận liệu từ TBNV,

khi CPU làm việc khác

Mơđun vào-ra phát tín hiệu ngắt CPU

CPU yêu cầu liệu

Môđun vào-ra chuyển liệu đến CPU

Hoạt động vào liệu: nhìn từ CPU

Phát tín hiệu điều khiển đọc

Làm việc khác

Cuối chu kỳ lệnh, kiểm tra tín hiệu ngắt

Nếu bị ngắt:

Cất ngữ cảnh (nội dung ghi) Thực chương trình ngắt để vào

liệu

Khôi phục ngữ cảnh chương trình

thực

Các phương pháp nối ghép ngắt

Sử dụng nhiều đường yêu cầu ngắt

Kiểm tra vòng phần mềm

(Software Poll)

Kiểm tra vòng phần cứng

(Daisy Chain hayHardware Poll)

Sử dụng điều khiển ngắt (PIC)

Nhiều đường yêu cầu ngắt

CPU phải có nhiều đường tín hiệu yêu cầu ngắt Hạn chế số lượng môđun vào-ra

(87)

Kiểm tra vòng phần mềm

CPU thực phần mềm hỏi

môđun vào-ra

Chậm

Thứ tự môđun hỏi vịng thứ

tự ưu tiên

Kiểm tra vòng phần cứng

Kiểm tra vòng phần cứng (tiếp)

CPU phát tín hiệu chấp nhận ngắt (INTA) đến

mơđun vào-ra

Nếu mơđun vào-ra khơng gây ngắt gửi

tín hiệu đến môđun xác định môđun gây ngắt

Môđun vào-ra gây ngắt đặt vector ngắt lên bus

dữ liệu

CPU sử dụng vector ngắt để xác định nơi chứa

chương trình điều khiển ngắt

Thứ tự môđun vào-ra kết nối chuỗi xác

định thứ tự ưu tiên

Bộ điều khiển ngắt lập trình được

PIC – Programmable Interrupt Controller

PIC có nhiều đường vào yêu cầu ngắt có quy định mức ưu tiên PIC chọn yêu cầu ngắt không bị cấm có mức ưu tiên cao

nhất gửi tới CPU

(88)

Đặc điểm vào-ra điều khiển ngắt

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 môđun vào-ra → hiệu

quả sử dụng CPU tốt hơn

3 DMA (Direct Memory Access)

Vào-ra chương trình ngắt

CPU trực tiếp điều khiển: Chiếm thời gian CPU

Tốc độ bị hạn chế phải chuyển qua CPU

Để khắc phục dùng DMA

Thêm môđun phần cứng bus → DMAC

(DMA Controller)

DMAC điều khiển vào-ra không thông qua

CPU

Sơ đồ cấu trúc DMAC

Các thành phần DMAC

Thanh ghi liệu: chứa liệu trao đổi

Thanh ghi địa chỉ: chứa địa ngăn nhớ dữ

liệu

Bộ đếm liệu: chứa số từ liệu (word)

cần trao đổi

Logic điều khiển: điều khiển hoạt động

(89)

Hoạt động DMA

CPU “nói” cho DMAC:

Vào hay liệu Địa thiết bị vào-ra

Địa đầu mảng nhớ chứa liệu → nạp vào

ghi địa

Số từ liệu cần truyền → nạp vào đếm liệu

CPU làm việc khác

DMAC điều khiển trao đổi liệu Sau truyền word thì:

nội dung ghi địa tăng nội dung đếm liệu giảm

Khi đếm liệu = 0, DMAC gửi tín hiệu ngắt CPU để

báo kết thúc DMA

Các kiểu thực DMA

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

bức CPU treo tạm thời chu kỳ bus, DMAC chiếm bus thực truyền word

DMA suốt (Transparent DMA): DMAC nhận

biết chu kỳ CPU khơng sử dụng bus chiếm bus để trao đổi word

Cấu hình DMA (1)

Mỗi lần truyền, DMA sử dụng bus hai lần

Giữa môđun vào-ra với DMAC Giữa DMAC với nhớ

Cấu hình DMA (2)

DMAC điều khiển vài môđun vào-ra Mỗi lần truyền, DMAC sử dụng bus lần:

(90)

Cấu hình DMA (3)

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

Đặc điểm DMA

CPU không tham gia trình trao

đổi liệu

DMAC điều khiển trao đổi liệu bộ

nhớ với mơđun vào-ra (hồn tồn bằng phần cứng) → tốc độ nhanh

Phù hợp với u cầu trao đổi mảng dữ

liệu có kích thước lớn

4 Bộ xử lý vào-ra

Việc điều khiển vào-ra thực

một xử lý vào-ra chuyên dụng

Bộ xử lý vào-ra hoạt động theo chương

trình riêng nó

Chương trình xử lý vào-ra có thể

nằm nhớ nằm một nhớ riêng

Hoạt động theo kiến trúc đa xử lý

6.3 Nối ghép TBNV 1 Các kiểu nối ghép vào-ra

Nối ghép song song

(91)

Nối ghép song song

Truyền nhiều bit song song

Tốc độ nhanh

Cần nhiều đường truyền liệu

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

Môđun vào-ra nối tiếp Đến

bus hệ thống

Đến TBNV

2 Các cấu hình nối ghép

Điểm tới điểm (Point to Point)

Thông qua cổng vào-ra nối ghép với

một TBNV

Điểm tới đa điểm (Point to Multi-point)

Thông qua cổng vào-ra cho phép nối

ghép với nhiều TBNV

Ví dụ:

SCSI (Small Computer System Interface):

15 thiết bị

USB (Universal Serial Bus): 127 thiết bị IEEE 1394 (FireWire): 63 thiết bị

6.4 Các cổng vào-ra thông dụng PC

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,

chuột, cổng nối tiếp (Serial Port) – chân 25 chân

Cổng USB (Universal Serial Bus): Cổng nối tiếp đa

năng, cho phép nối ghép tối đa 127 thiết bị, nhờ USB Hub