Bài giảng Kỹ nghệ máy tính Chương 1 Computer nêu kỹ nghệ(Engineering)là gì ? Ứng dụng khoa học và phương pháp toán học để tạo ra những sản phẩm và hệ thống có ích cho xã hội. Ngành khoa học ứng dụng, đôi khi, khoa học cơ bản cũng là một trong những phạm vi nghiên cứu của nó.
ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHƯƠNG COMPUTER Nguyễn Văn Thọ Khoa Điện tử viễn thông Đại học Duy Tân – 2010 Nguyen Van Tho – Duy Tan University What is a Computer? Nguyen Van Tho – Duy Tan University 1987 vs 2007 System IBM PC/AT Nokia 6682 Smartphone Year 1987 2007 Cost Form factor $2000 ½ desktop $150 Pocket CPU 12 MHz 80286 220 MHz ARM Memory 512 KB MB Storage 20MB Hard disk, 1.2MB Floppy 1GB mini-SD flash Display 80x25 monochrome text keyboard 176x208 pixel color Camera, phone, web Peripherals Nguyen Van Tho – Duy Tan University Kỹ nghệ(Engineering)là ? • Ứng dụng khoa học phương pháp toán học để tạo sản phẩm hệ thống có ích cho xã hội • Ngành khoa học ứng dụng • Đơi khi, khoa học phạm vi nghiên cứu Nguyen Van Tho – Duy Tan University EE, CE & CS EE, CE & CS quan hệ với khắn khít Electrical Engineering Hardware Computer Engineering Computer Science Software Hardware & Software EE : Kỹ nghệ điện tử : phần cứng CS : Khoa học máy tính: phần mềm) CE : Kỹ nghệ máy tính : phần cứng & phần mềm Nguyen Van Tho – Duy Tan University EE, CE and CS Nguyen Van Tho – Duy Tan University HARDWARE VS SOFTWARE • Quan điểm • Kỹ sư phần mềm khơng hiểu biết phần cứng • Kỹ sư phần cứng khơng hiểu biết phần mềm • Điều khơng xác ! Phần cứng phần mềm phần hệ thống máy tính Hệ thống hoạt động tốt người thiết kế am hiểu lĩnh vực • Kỹ sư phần cứng phải hiểu rõ chương trình trình biên dịch để thiết kế vi xử lý hoạt động tối ưu • Kỹ sư phần mềm phải nắm rõ khả hạn chế phần cứng để thiết kế phần mềm hiệu Nguyen Van Tho – Duy Tan University DIGITAL VS ANALOG • Cassetse vs CD’s • Điện thoại quay số vs Cell phone • NTSC vs HDTV Nguyen Van Tho – Duy Tan University DIGITAL VS ANALOG • Analog • Tín hiệu liên tục mặt thời gian • Hầu hết tín hiệu giới thực analog • Digital • Tín hiệu rời rạc mặt thời gian • Tín hiệu lưu trữ máy tính digital, nhị phân x[n] x(t) … … t Analog Signal Digital Signal t , x(t ) ∈ ℜ n, x[n] ∈ Ζ Nguyen Van Tho – Duy Tan University CÁC LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU • • • • • n Mạch tương tự mạch số Truyền thơng Xử lý tín hiệu xử lý ảnh Hệ thống nhúng Thiết kế phần cứng Nguyen Van Tho – Duy Tan University Analog and Digital Circuits Mạch tương tự mạch số • Thiết kế kiểm tra mạch điện tử • Chuyển đổi tương tự -số • Phần mềm vẽ mô mạch sử dụng thiết kế mạch • Các thành phần điện tử Nguyen Van Tho – Duy Tan University Communications Truyền thông • Telephones, Cell phones • Kênh truyền thông (dây dẫn, sóng điện từ), khác phương pháp truyền thơng, tối ưu hóa kênh truyền • Sự truyền dẫn vật lý thơng tin, mã hố giải mã thơng tin, mã sửa lỗi… • Chuyển mạch Nguyen Van Tho – Duy Tan University Signal and Image Processing Xử lý tín hiệu xử lý ảnh • Tiếng nói (Voice), video, biomedical signals • Xử lý tín hiệu truyền thơng, nén thơng tin, dị tìm tín hiệu • Chuyển đổi tiếng nói sang tín hiệu số • Photos – to GIFs/JPEGs • Điện tim • CDs & DVDs Nguyen Van Tho – Duy Tan University Embedded Systems Hệ thống nhúng • Vi xử lý & vi điều khiển nhúng • Lập trình cho hệ thống nhúng • Thiết kế máy tính nhúng • Thiết kế hệ thống điều khiển tự động • Giao diện Nguyen Van Tho – Duy Tan University Design Hardware Thiết kế phần cứng • • • • Mạch số Ngơn ngữ mơ tả phần cứng Thiết kế, chế tạo chip Kiểm tra mạch số (testing) Nguyen Van Tho – Duy Tan University LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY TÍNH • • • • • • • Thế hệ -1: The early days (…-1642) Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Thế hệ 5: ? Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ -1: The early days (…-1642) • Bàn tính, abacus, sử dụng để tính tốn Khái niệm giá trị theo vị trí xử dụng Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ -1: The early days (…-1642) • Codex Madrid - Leonardo Da Vinci (1500) • Vẽ máy tính khí Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Blaise Pascal, trai người thu thuế, chế tạo máy cộng có nhớ vào năm 1642 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Năm 1801, Joseph-Marie Jacquard phát minh máy dệt tự động sử dụng bìa đục lỗ để điều khiển hoạ tiết dệt vải • Bìa đục lỗ lưu trữ chương trình: máy đa Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Babbage thiết kế máy vi phân Difference Engine để thay tồn bảng tính: máy thực ứng dụng cụ thể (application specific hard-coded machine) Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Ada Augusta King, trở thành lập trình viên vào năm 1842 viết chương trình cho Analytical Engine, thiết bị thứ Babbage Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Konrad Zuse, Berlin, Đức, phát triển vào năm 1935 máy tính Z-1 sử dụng rơ le số nhị phân • Chu kỳ lệnh: giây (0.17 Hz) Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945) • Máy tính điện tự động lớn đa máy Harvard Mark I ( IBM Automatic Sequence Control Calculator ), phát minh Howard Aiken vào cuối 1930 • ASCC khơng phải máy tính có chương trình lưu trữ sằn mà lệnh ghi vào băng giấy Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • 18000 vacuum tubes, 1500 rơ le, 30 tấn, 140 kW, 20 ghi 10 chữ số thập phân, 100 nghìn phép tính/ giây • “Trong tương lai máy tính nặng tối đa 1.5 tấn” (Popular Mechanics, 1949) Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Lập trình thơng qua 6000 cơng tắc nhiều nấc hàng dây Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Năm 1946, John von Neumann phát minh máy tính có chương trình lưu nhớ • Máy tính ông gồm có đơn vị điều khiển, ALU, nhớ chương trình liệu sử dụng số nhị phân thay số thập phân • Máy tính ngày có cấu trúc von Neumann • ơng đặt móng cho tượng “von Neumann bottleneck”, khơng tương thích tốc độ nhớ với đơn vị xử lý Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Năm 1948, máy tính có chương trình lưu trữ nhớ vận hành trường đại học Manchester: Manchester Mark I Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • Năm 1951, máy tính Whirlwind lần sử dụng nhớ lõi từ (magnetic core memories) Gần nguyên lý sử dụng lại để chế tạo MRAM dạng tích hợp Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955) • John von Neumann năm 1952 với máy tính ơng Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) • Năm 1947, William Shockley, John Bardeen, and Walter Brattain phát minh transistor Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965) • Năm 1955, IBM cơng bố IBM704, máy tính mainframe sử dụng tranzistor • Đây máy tính với phép toán dấu phấy động (5 kFlops, clock: 300 kHz) Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • Năm 1958, Jack St Clair Kilby of Texas Instruments (Nobel prize physics, 2000) đưa chứng minh ý tưởng tích hợp transistor với điện trở tụ điện chip bán dẫn với kích thước nửa kẹp giấy Đây IC Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • 7/4/1964 IBM đưa System/360, họ máy tính tương thích IBM Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • Năm 1965, Digital Equipment Corporation, đưa máy tính mini DP-8 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • Năm 1971, Ted Hoff chế tạo Intel 4004 theo đơn đặt hàng công ty Nhật để tạo chip sản xuất calculator Đây vi xử lý với 2400 transistor (microprocessor, processoron-a-chip) • bít liệu, 12 bit địa Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980) • 1973-1974, Edward Roberts, William Yates and Jim Bybee chế tạo MITS Altair 8800, máy tính cá nhân • Giá $375, 256 bytes of memory, khơng keyboard, khơng hình khơng nhớ ngồi • Sau đó, Bill Gate Paul Allen viết chương trình dịch BASIC cho Altair Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 4: VLSI (1980-?) • Năm 1981, IBM bắt đầu với IBM "PC" sử dụng hệ điều hành DOS Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Nguồn Intel Nguyen Van Tho – Duy Tan University Thế hệ 4: VLSI (1980-?) Nguồn Intel Nguyen Van Tho – Duy Tan University SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH Luật Moore : Cứ sau 18 tháng số lượng transistor tích hợp xử lý tăng lên gấp đôi Hệ : Tốc độ xử lý máy tính tăng gấp đơi sau 18 tháng 1-41 Nguyen Van Tho – Duy Tan University MÁY TÍNH TRONG TƯƠNG LAI ? Giới hạn máy tính quy ước (máy tính nay) - Cơng nghệ bán dẫn vi điện tử tiến dần đến giới hạn vật lý (cỡ 10nm) -Dự kiến thời đại Silic kéo dài đến năm 2020 Máy tính thời kỳ “hậu Silic” - Máy tính lượng tử (quantum computer) - Máy tính sinh học (AND computer) 1-42 Nguyen Van Tho – Duy Tan University MỘT SỐ DỰ BÁO SAI LẦM ¾ “I think there is a world market for maybe five computers,” [Thomas Watson, IBM Chairman, 1943] Tôi nghĩ tương lai giới có khoảng máy tính ¾“640K ought to be enough for anybody,” [Bill Gates, Microsoft Chairman, 1981] 640KB đủ cho người 1-43 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Universal Computing Device THIẾT BỊ TÍNH TỐN VẠN NĂNG Tất máy tính, có đủ thời gian nhớ tính tốn xác = PDA = Workstation Máy tính trạm Supercomputer Siêu máy tính 1-44 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Alan Turing & Turing Machine ¾ Alan Mathison Turing (1912-1954) • Nhà toán học, logic học mật mã học người Anh • Được xem cha đẻ ngành khoa học máy tính • Cơng thức hóa khái niệm thuật tốn tính tốn với máy Turing ¾Turing Machine (Máy Turing) • Mọi điều tính tốn tính tốn máy Turing • Máy Turing khơng phải máy tính thực, mơ hình tốn học 1-45 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Turing Machine (Máy Turing) Mơ hình thiết bị tính tốn biểu diễn tất phép tính tốn – Alan Turing (1937) • Có thể đọc/ ghi ký hiệu băng nhớ “vô hạn” • Chuyển trạng thái, dựa trạng thái hành ký hiệu băng nhớ Tất phép tính tốn thực máy Turing (Turing’s thesis) a,b Tadd Turing machine that adds a+b a,b Tmul ab Turing machine that multiplies 1-46 Nguyen Van Tho – Duy Tan University Máy Turing vạn -Universal Turing Machine Turing mô tả máy Turing có khả cài đặt để thực tất máy Turing khác • inputs: số liệu, mơ tả phép tính (Turing machine) Tadd, Tmul a,b,c U c(a+b) Universal Turing Machine U thiết bị khả trình – máy tính • thị phần liệu đầu vào • computer xem Universal Turing Machine, ngược lại Kết luận : Máy tính máy Turing vạn 1-47 Nguyen Van Tho – Duy Tan University TỪ LÝ THUYẾT ĐẾN THỰC TIỄN Lý thuyết : máy tính giải tốn tính có đủ nhớ thời gian Thực tế : giải tốn dựa máy tính bị ràng buộc với nhng yu t sau : ã Thi gian ắ d bỏo thi tit, audio, video, ã Giỏ thnh ắ cell phone, automotive engine controller, ã Nng lng ắ cell phone, handheld video game, 1-48 Nguyen Van Tho – Duy Tan University CÁC LOẠI MÁY TÍNH Đa dụng : General purpose (universal machines): servers, desktops, laptops, PDAs, Đặc biệt (Special purpose ): máy đếm tiền, ATMs, máy chơi game, tổng đài Nhúng (Embedded): xe hơi, cửa tự động, printers, VCRs, dây chuyền công nghiệp, thiết bị y tế… 1-49 ... SỬ PHÁT TRIỂN MÁY TÍNH • • • • • • • Thế hệ -1 : The early days (… -1 6 42) Thế hệ 0: Mechanical (16 42 -1 9 45) Thế hệ 1: Vacuum tubes (19 45 -1 9 55) Thế hệ 2: Discrete transistors (19 55 -1 9 65) Thế hệ 3:... University Thế hệ 1: Vacuum tubes (19 45 -1 9 55) • 18 000 vacuum tubes, 15 00 rơ le, 30 tấn, 14 0 kW, 20 ghi 10 chữ số thập phân, 10 0 nghìn phép tính/ giây • “Trong tương lai máy tính nặng tối đa 1. 5 tấn” (Popular... sau 18 tháng 1- 41 Nguyen Van Tho – Duy Tan University MÁY TÍNH TRONG TƯƠNG LAI ? Giới hạn máy tính quy ước (máy tính nay) - Công nghệ bán dẫn vi điện tử tiến dần đến giới hạn vật lý (cỡ 10 nm) -Dự