Bài giảng Hệ thống máy tính: Chương 1 - Nguyễn Kim Khánh

Bài giảng Hệ thống máy tính: Chương 1 - Nguyễn Kim Khánh giới thiệu đến các bạn các kiến thức về sự phát triển của máy tính, định nghĩa kiến trúc máy tính, hiệu năng máy tính. Để nắm vững hơn nội dung kiến thức bài giảng mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.

Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT Contact HỆ THỐNG MÁY TÍNH Computer System „ Offices: 322-C1 - DCE, SoICT „ Mobile: 091-358-5533 „ e-mail: „ „ khanhnk@mail.hut.edu.vn khanhnk@it-hut.edu.vn Nguyễn Kim Khánh, PhD in Computer Engineering Bộ môn Kỹ thuật máy tính Viện Cơng nghệ thơng tin Truyền thơng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội September 2009 September 2009 NKK-HUT NKK-HUT Mục tiêu học phần „ „ Giới thiệu kiến thức hệ thống máy tính bao gồm: kiến trúc nhớ, kiến trúc vào-ra, kiến trúc CPU kiến trúc máy tính song song, vấn đề thiết kế hệ thống máy tính Sinh viên có khả đánh giá hiệu họ máy tính, khai thác sử dụng hiệu loại máy tính có khả tiếp cận để phát triển hệ máy tính nhúng phục vụ mục đích chuyên dụng September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN Tài liệu tham khảo William Stallings - Computer Organization and Architecture – Designing for Performance – 2003 (6th edition) Behrooz Parhami - Computer Architecture: From Microprocessors to Supercomputers - 2005 David A Patterson & John L Hennessy Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface – 2002 (third edition) John L Hennessy & David A Patterson Computer Architecture: A Quantitative Approach – 2003 (third edition) September 2009 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo September 2009 September 2009 NKK-HUT NKK-HUT Nội dung học phần „ „ „ „ „ Chương Giới thiệu chung Chương Kiến trúc nhớ Chương Kiến trúc vào-ra Chương Kiến trúc xử lý Chương Kiến trúc máy tính tiên tiến Hệ thống máy tính Chương GIỚI THIỆU CHUNG Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN September 2009 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT 1.1 Sự phát triển của máy tính Nội dung Các hệ máy tính „ Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử chân khơng (1950s) „ Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor (1960s) „ Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI LSI (1970s) „ Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI (1980s) „ Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch ULSI, SoC (1990s đến nay) 1.1 Sự phát triển máy tính 1.2 Định nghĩa kiến trúc máy tính 1.3 Hiệu máy tính September 2009 September 2009 NKK-HUT NKK-HUT Luật Moore 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 September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN „ 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 September 2009 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Tăng trưởng số transistor chip CPU Sự phát triển vi xử lý „ „ „ „ „ „ „ 1971: vi xử lý 4-bit Intel 4004 1972-1977: xử lý 8-bit 1978-1984: xử lý 16-bit Khoảng từ 1985: xử lý 32-bit Khoảng từ 2000: xử lý 64-bit Các xử lý đa lõi (multicores) Các vi điều khiển (microcontroller) September 2009 September 2009 NKK-HUT NKK-HUT Sự phát triển Intel x86 „ 4004 „ „ „ 8080 „ „ „ „ Bộ vi xử lý đa 8-bit Sử dụng PC – Altair „ „ „ 5MHz – 29,000 transistors 16-bit 8088 (bus liệu bên 8-bit) sử dụng IBM PC 80286 „ Đánh địa nhớ được16 Mbyte September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 80386 „ „ „ „ „ „ Tăng cường nhớ cache chip Đường ống lệnh Có đồng xử lý tốn chip Pentium „ „ „ „ 32-bit Hỗ trợ đa nhiệm 80486 „ 8086 „ „ Bộ vi xử lý 4-bit Sự phát triển Intel x86 Siêu vô hướng Bus liệu 64-bit Đa lệnh thực song song Pentium Pro „ „ „ „ Tăng cường tổ chức siêu vơ hướng Dự đốn rẽ nhánh Phân tích luồng liệu Suy đốn đơng September 2009 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Sự phát triển Intel x86 „ „ Pentium II Công nghệ MMX Pentium III Pentium „ „ „ „ Tăng cường xử lý số dấu phẩy động multimedia „ Duo Core: xử lý chip Core 2: Kiến trúc 64-bit Core Quad – 3GHz – 820 triệu transistors Định nghĩa trước kiến trúc máy tính: „ Thêm lệnh xử lý dấu phẩy động cho đồ họa 3D „ „ „ Xử lý đồ họa, video & audio „ „ 1.2 Định nghĩa kiến trúc máy tính „ Cách nhìn logic máy tính từ người lập trình (hardware/software interface) Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture – ISA) Là định nghĩa hẹp xử lý 1chip „ September 2009 September 2009 NKK-HUT NKK-HUT Định nghĩa Hennessy/ Patterson „ Kiến trúc máy tính bao gồm: „ „ „ „ Tổ chức máy tính software Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn người lập trình (hardware/software interface) Instruction Set Architecture Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu thiết kế máy tính mức cao,chẳng hạn hệ thống nhớ, cấu trúc bus, thiết kế bên CPU memory arithmetic Phần cứng (Hardware): nghiên cứu thiết kế logic chi tiết cơng nghệ đóng gói máy tính Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức phần cứng máy tính thay đổi nhanh September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN input control output CPU Processor Architecture Memory Architecture I/O Architecture September 2009 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Kiến trúc xử lý Kiến trúc nhớ instruction cycle • instruction fetch • instruction decode • operand fetch • instruction execution • write result • update PC CPU Controller Program Counter（PC) Instruction Reg（IR) Control Signal Status signal • Phân cấp hệ thống nhớ • Ngun lý cục hóa tham chiếu nhớ Main Memory Register Program ALU Data Arithmetic Unit September 2009 September 2009 NKK-HUT NKK-HUT Kiến trúc vào-ra Kin trỳc vo-ra bus hệ thống Mô-đun Cổng vào-ra vào-ra Thiết bị ngoại vi Chờnh lch tc thiết bị vào-ra với CPU nhớ Các kỹ thuật thực hiện: „ nèi ghÐp víi CPU vµ nhớ Cổng vào-ra Mô-đun Cổng vào-ra vào-ra September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN ThiÕt bÞ ngo¹i vi Ngắt: rút ngắn thời gian đợi đáp ứng từ thiết bị vào-ra DMA: Phần cứng dành riêng để truyền liệu thiết bị vào-ra với nhớ chớnh Thiết bị ngoại vi September 2009 Bi giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Kiến trúc máy tính hệ điều hành 1.3 Hiệu máy tính (performance) user Hiệu ＝ Thời gian thực application program OS hardware resource management multi programming support Hiệu •OS mode / user mode •process dispatch •memory protection memory I/O device September 2009 September 2009 NKK-HUT NKK-HUT CPI (Cycles Per Instruction) CPI số chu kỳ cần thiết để thực lệnh Thời gian thực CPU Thời gian thực CPU = = Số lệnh × (Số chu kỳ lệnh) × (Thời gian chu kỳ) = Số lệnh × CPI / (Tần số xung nhịp) hardware processor ＝ MIPS (Million Instruction Per Second) Số triệu lệnh thực second Số lệnh thực × CPI Thời gian thực ＝ CPI ＝ Tần số xung nhịp Số lệnh thực MIPS ＝ Thời gian thực hiện×106 Thời gian thực × Tần số xung nhịp Số lệnh thực September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN September 2009 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT Quan hệ MIPS CPI MFLOPS million of floating point operations per second – triệu phép toán số dấu phẩy động 1s Với CPI = Số phép toán số dấu phẩy động thực exec time of inst exec time of inst n inst executed MFLOPS ＝ program execution time（T) T＝n・CPI・ １ MIPS＝ f Thời gian thực hiện×106 n GFLOPS（109 ） T・106 f f MIPS＝ 106 ・CPI CPI = 106 TFLOPS（1012） ・MIPS September 2009 September 2009 NKK-HUT NKK-HUT Ví dụ Ví dụ Tính MIPS xử lý với: Tần số xung nhịp = 2GHz CPI = Tính CPI xử lý với: Tần số xung nhịp = 1GHz 400 MIPS 0.5ns 1ns 2ns 1/(2x10-9) chu kỳ = = 0,5ns CPI = Ỉ lệnh = 4x0,5ns = 2ns Vậy xử lý thực 500MIPS September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 4x108 lệnh thực 1s Ỉ lệnh thực 1/(4x108)s = 2,5ns Ỉ CPI = 2,5 September 2009 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT Hết chương September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN ... September 2009 Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN September 2009 Bài giảng Hệ thống máy tính NKK-HUT NKK-HUT 1. 1 Sự phát triển của máy tính Nội dung Các hệ máy tính „ Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện... nhớ Chương Kiến trúc vào-ra Chương Kiến trúc xử lý Chương Kiến trúc máy tính tiên tiến Hệ thống máy tính Chương GIỚI THIỆU CHUNG Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội September 2009 Nguyễn. .. vi xử lý „ „ „ „ „ „ „ 19 71: vi xử lý 4-bit Intel 4004 19 72 -1 9 77: xử lý 8-bit 19 78 -1 9 84: xử lý 16 -bit Khoảng từ 19 85: xử lý 32-bit Khoảng từ 2000: xử lý 64-bit Các xử lý đa lõi (multicores) Các