Trong Chương 5 Đại cương về kiến trúc máy tính nằm trong bài giảng Kỹ nghệ máy tính trình bày về VON NEUMANN và máy tính VON NEUMANN, John Louis von Neumann (19031957) Nhà toán học, vật lý học người Hungari Người đề xuất khái niệm chương trình được lưu trữ qua bản phác thảo đầu tiên.
ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHƯƠNG ĐẠI CƯƠNG VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Nguyễn Văn Thọ Khoa Điện tử viễn thông Đại học Duy Tân – 2010 Nguyen Van Tho – Duy Tan University VON NEUMANN & MÁY TÍNH VON NEUMANN John Louis von Neumann (19031957) Nhà toán học, vật lý học người Hungari Người đề xuất khái niệm chương trình lưu trữ qua phác thảo cho EDVAC (1945) Bản phác thảo cấu trúc trở thành Máy tính Von Neumann • memory, chứa đựng thị liệu • processing unit, xử lý phép tính số học logic • a control unit, cung cấp thị 2-2 Nguyen Van Tho – Duy Tan University MÁY TÍNH VON NEUMANN MEMORY MAR MDR INPUT Keyboard Mouse Scanner Disk OUTPUT PROCESSING UNIT ALU TEMP Monitor Printer LED Disk CONTROL UNIT PC IR 2-3 Nguyen Van Tho – Duy Tan University MEMORY - BỘ NHỚ Một mảng k x m bit (k = 2n) Address(Địa chỉ) • Giá trị địa cho vị trí nhớ Contents (Nội dung) • m-bit value stored in location Hoạt động bản: LOAD 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 1101 1110 1111 00101101 • • • 10100010 • Đọc giá trị từ vị trí nhớ STORE • Ghi giá trị vào vị trí nhớ 2-4 1-4 Nguyen Van Tho – Duy Tan University GIAO TIẾP VỚI BỘ NHỚ Đơn vị xử lý làm để đọc/ghi nhớ ? MAR: Memory Address Register MEMORY Thanh ghi địa nhớ MAR MDR MDR: Memory Data Register Thanh ghi liệu nhớ Đọc từ vị trí có địa (A): Ghi địa (A) vào MAR Gửi tín hiệu điều khiển đọc tới nhớ Đọc liệu từ MDR Ghi giá trị (X) vào vị trí (A): Ghi giá trị (X) vào MDR Ghi địa (A) vào MAR Gửi tín hiệu điều khiển ghi vào nhớ 2-5 1-5 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Control Unit - Đơn vị điều khiển Điều khiển thi hành chương trình IR - Instruction Register Thanh ghi thị PC - Program Counter Thanh ghi Bộ đếm chương trình CONTROL UNIT PC IR IR chứa thị PC chứa địa thị xử lý Control unit: • Đọc thị từ nhớ (địa thị nằm PC) • Căn vào thị nhận được, phát tín hiệu điều khiển để gọi thành phần tương ứng thực tác vụ thị nhiều chu kỳ máy để thực xong 2-6 1-6 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Processing Unit – Đơn vị xử lý Functional Units • ALU = Arithmetic and Logic Unit • Có nhiều đơn vị chức năng, có số chức đặc biệt (nhân, bậc 2, …) • LC-2 thực ADD, AND, NOT PROCESSING UNIT ALU TEMP Registers ( Thanh ghi) • Dung lượng nhỏ, lưu trữ tạm thời • Chứa toán hạng kết đơn vị chức • LC-2 có ghi (R0, …, R7) Word Size (Độ dài từ) • Số bit ALU xử lý thị • Khác với độ rộng ghi • LC-2 16 bits 2-7 1-7 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Input & Output Dùng để đưa liệu vào nhớ máy tính lấy liệu từ nhớ máy tính OUTPUT Các thiết bị thường sử dụng giao diện Monitor Printer LED ghi giống ghi MAR MDR Disk nhớ • LC-2 hỗ trợ keyboard (input) bảng điện tử (output) • keyboard: ghi liệu KBDR( data register) & ghi trạng thái KBSR (status register) • console: data register (CRTDR) & status register (CRTSR) Một vài thiết bị vừa input , vừa output disk, network Chương trình truy cập thiết bị thường sử dụng thơng qua trình điều khiển thiết bị (driver) 2-8 1-8 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Instruction Processing - Xử lý thị Lấy thị từ nhớ FETCH FETCH Giải mã thị DECODE DECODE Tính tốn địa EVALUATE EVALUATE ADDRESS ADDRESS Lấy toán hạng từ nhớ FETCH FETCH OPERANDS OPERANDS Xử lý tính tốn EXECUTE EXECUTE Lưu trữ kết STORE STORE 2-9 1-9 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Instruction - Chỉ thị Chỉ thị đơn vị cơng việc Thành phần : • opcode: tác vụ cần thi hành (cộng , trừ …) • operands: (toán hạng) số liệu địa số liệu cần cho tác vụ thị mã hóa thành chuỗi bit (Just like data!) • Chỉ thị thường có chiều dài 16, 32 bit • Control unit thể thị : phát chuỗi tín hiệu điều khiển để thi hành tác vụ • Operation is either executed completely, or not at all Chỉ thị computer định dạng gọi Instruction Set Architecture (ISA) 2-10 1-10 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Ví dụ : LC-3 ADD Instruction LC-3 có thị 16-bit • Mỗi thị có bit opcode [15:12] LC-3 có ghi (R0-R7) • Nguồn ADD ghi “Cộng nội dung ghi R2 với ghi R6, lưu trữ kết ghi R6.” 2-11 1-11 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Instruction Processing: FETCH Lấy thị từ PC đưa vào Instruction Register (IR) • Lấy nội dung PC đưa vào MAR • Gửi tín hiệu điều khiển đọc tới nhớ • Đọc nội dung MDR, đưa vào IR Thanh ghi PC đến thị • PC = PC+1 F D EA OP EX S 2-12 1-12 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Instruction Processing: DECODE Nhận dạng opcode • LC-3 : bit [12-15] thị [0001] Xác định giá trị toán hạng từ bit cũn li ã Example: ắADD bit [6-8] toỏn hng nguồn : 010 bit [0-2] toán hạng nguồn : 110 bit [9-10] tốn hạng đích : 110 F D EA OP EX S 2-13 1-13 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Instruction Processing: EVALUATE ADDRESS Trong thị cần truy cập nhớ, tính toán địa sử dụng cho việc truy cập nhớ F D EA OP EX S 2-14 1-14 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Instruction Processing: FETCH OPERANDS Lấy toán hạng nguồn để thi hành tác vụ Examples: • Lấy liệu từ nhớ (LDR) • Đọc liệu từ ghi F D EA OP EX S 2-15 1-15 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Instruction Processing: EXECUTE Thi hành tác vụ với tốn hạng nguồn Examples: • Gửi tốn hạng tới ALU tín hiệu xác định ADD F D EA OP EX S 2-16 1-16 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Instruction Processing: STORE Lưu trữ kết nhớ ghi F Examples: D • result of ADD is placed in destination register • result of memory load is placed in destination register • for store instruction, data is stored to memory ¾write address to MAR, data to MDR ¾assert WRITE signal to memory EA OP EX S 2-17 1-17 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Ideal Pipelining Cycle: Instr: i F D R X M W F D R X M W F D R X M W F D R X M W F D R X i+1 i+2 i+3 i+4 1 1 M W 2-18 Nguyen Van Tho – Duy Tan University VON NEUMAN VS HARDVARD 2-19 Nguyen Van Tho – Duy Tan University MỨC ĐỘ XỬ LÝ SONG SONG Many applications have thread-level parallelism • Web server: 100s of users connected simultaneously • O/S has many threads to choose from Could run more than one thread at the same time Possible approaches • Multithreading (Intel hyperthreading) • Multiple processor cores per chip • Multiple processor chips per system 2-20 10 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Multithreading (Intel hyperthreading) Bản chất siêu phân luồng ? AS AS Tài nguyên thực thi Mô xử lý vật lý xử lý logic, tài nguyên vật lý chia sẻ có cấu trúc chung giống hệt cho xử lý logic Hệ điều hành phần mềm coi xử lý song song Kết tốc độ trung bình tăng lên khoảng 20-30% 2-21 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Multithreading (Intel hyperthreading) Hạn chế siêu phân luồng ? Khi CPU thực đồng thời chuỗi lệnh đơn giản (add, load,store) Ỉ xung đột hai chuỗi lệnh dùng đến đơn vị thực thi Khi CPU sử dụng kỹ thuật siêu phân luồng hố chậm so với CPU thơng thường (10%) 2-22 11 Nguyen Van Tho – Duy Tan University BỘ XỬ LÝ ĐA NHÂN AS AS Tài nguyên thực thi Tài nguyên thực thi Bộ xử lý đa nhân kiến trúc hay nhiều CPU vật lý thực sự, có khả thực đồng thời chuỗi lệnh song song thực 9CPU nhân (Core Duo) tăng 40% hiệu 9CPU nhân (Quad Core) tăng 50% hiệu hệ thống so với CPU nhân 2-23 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Multiple Processor Cores per Chip Processor Processor Core & L1 Core & L1 Processor Processor Core & L1 Core & L1 L2 Cache L2 Cache L2 Cache Bus I/F Bus I/F Intel Pentium D L2 Cache Processor Processor Core & L1 Core & L1 L2 Cache Bus I/F Bus I/F AMD Athlon X2 IBM Power5 Intel Core2 Duo Increased level of integration per package/chip Perception of 2x performance (not always reality) Can share nothing (Intel), Bus interface (AMD), L2 (IBM) 2-24 12 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Multiple Processor Cores per Chip 2-25 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Multiple processor chips per system 2-26 13 Nguyen Van Tho – Duy Tan University ĐA NHIỆM VS SONG SONG Xử lý đa nhiệm : - Máy tính có khả thực nhiều cơng việc lúc khơng đồng thời - Các cơng việc chia nhỏ máy tính ln phiên thực Xử lý song song : -Xử lý đồng thời nhiều công việc lúc - Phải có phần cứng có khả xử lý song song 2-27 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Clock (xung nhịp ) – Đơn vị đo tốc độ Clock tín hiệu để giữ cho đơn vị điều khiển hoạt động • Tại nhịp clock, control unit chuyển tới chu kỳ Ỉ thị bước(phase) thị (1 thị thực vài chu kỳ) Mạch phát xung nhịp (Clock): • Dao động thạch anh • Phát ổn định liên tục mức logic • Chu kỳ - Clock cycle (or machine cycle) “1” “0” Machine Cycle time→ 2-28 1-28 14 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Instructions & Clock Cycles MIPS & MHz • MIPS = millions of instructions per second số triệu thị thực giây Ví dụ: Máy tính có tốc độ MIPS nghĩa máy tính có khả thực triệu thị giây • MHz = millions of clock cycles per second số triệu chu kỳ lệnh giây Ví dụ : Máy tính có tốc độ 1MHz nghĩa máy tính có triệu chu kỳ lệnh giây MIPS MHz có khác khơng ? 2-29 1-29 Nguyen Van Tho – Duy Tan University CISC & RISC • CISC (complex Instruction Set computer): máy tính có tập lệnh phức tạp ¾nhiều lệnh ¾cấu trúc phức tạp ¾mỗi lệnh: có độ dài khác thực đến chục chu kỳ xung nhịp ¾Ví dụ: Intel x86, AMD • RISC (reduced instruction Set computer): máy tính có tập lệnh rút gọn ¾ít lệnh ¾mỗi lệnh có độ dài cố định thực đến chu ký xung nhịp ¾cấu trúc vi xử lý đơn giản, có nhiều ghi ¾tốc độ xung nhịp lớn tiêu thụ lượng thấp ¾Ví dụ: ARM, PowerPC 2-30 15 Nguyen Van Tho – Duy Tan University KiẾN TRÚC MÁY TÍNH HiỆN ĐẠI Cầu Bắc North Bridge Cầu Nam Sound Bridge 2-31 Nguyen Van Tho – Duy Tan University DUAL CHANNEL MEMORY Sử dụng kênh truyền để tăng tốc độ truy xuất RAM Chanel A North Bridge Chanel B DDR2 DDR2 Main Memory Để tận dụng cơng nghệ phải có cặp RAM cắm theo 2-32 quy định 16 Nguyen Van Tho – Duy Tan University DUAL CHANNEL MEMORY 2-33 Nguyen Van Tho – Duy Tan University SERIAL VS PARALLEL Parallel : Cổng Printer, giao tiếp ổ cứng ATA , khe cắm mở rộng PCI , chuẩn đồ hoạ AGP… Serial : Cổng COM, USB , S-ATA, PCI-Express Xu hướng công nghệ : chuyển từ song song sang nối tiếp PCI,AGP Ỉ PCI Express ATA Æ S-ATA 0 A Truyền 0 B Nhận Parallel A Truyền 01000001 Serial B Nhận 2-34 17 Nguyen Van Tho – Duy Tan University VI KIẾN TRÚC NAHALEM (CORE I7) 2-35 Nguyen Van Tho – Duy Tan University 2-36 18 ... nhớ 2 -5 1 -5 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Control Unit - Đơn vị điều khiển Điều khiển thi hành chương trình IR - Instruction Register Thanh ghi thị PC - Program Counter Thanh ghi Bộ đếm chương. .. Instruction Set Architecture (ISA) 2-1 0 1-1 0 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Ví dụ : LC-3 ADD Instruction LC-3 có thị 16-bit • Mỗi thị có bit opcode [ 15: 12] LC-3 có ghi (R0-R7) • Nguồn ADD ghi “Cộng... 2-1 2 1-1 2 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Instruction Processing: DECODE Nhận dạng opcode • LC-3 : bit [1 2- 15] thị [0001] Xác định giá trị tốn hạng từ bit cịn lại • Example: ¾ADD bit [ 6-8 ]