Bài giảng Tin học cơ sở: Bài 2 - Cấu tạo và các thiết bị của máy tính điện tử có nội dung trình bày các các thành phần (bộ nhớ, các thiết bị vào, các thiết bị ra) và nguyên lý hoạt động (bộ xử lý và hoạt động của bộ xử lý, Pipeline và kiến trúc siêu vô hướng, nguyên lý von Neuman).
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÀI GIẢNG TIN HỌC CƠ SỞ BÀI CẤU TẠO VÀ CÁC THIẾT BỊ CỦA MÁY TÍNH ĐIỆN TỬ Giảng viên: ĐÀO KIẾN QUỐC Mobile 098.91.93.980 Email: dkquoc@vnu.edu.vn NỘI DUNG Các – – – thành phần Bộ nhớ Các thiết bị vào Các thiết bị Nguyên – – – lý hoạt động Bộ xử lý hoạt động xử lý Pipeline kiến trúc siêu vô hướng Nguyên lý Von Neuman CÁC CHỨC NĂNG TRONG TÍNH TỐN Chức nhập thơng tin Chức nhớ Chức tính tốn Chức xuất thơng tin Chức điều khiển 5555 1234 1234 +432 KIẾN TRÚC CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNH ĐIỆN TỬ Khu vực ngoại vi Bộ nhớ Bộ nhớ Thiết bị đưa vào Bộ nhớ Bộ số học logic Bộ điều khiển Bộ xử lý Khu vực trung tâm Thiết bị đưa GIẢI PHẪU MỘT MÁY TÍNH ĐIỆN TỬ Bộ nhớ (memory) Bộ nhớ Thiết bị đưa vào (input device) Bộ nhớ Bộ số học logic Bộ điều khiển Bộ xử lý (CPU) Thiết bị đưa (output device) BỘ NHỚ TRONG Bộ nhớ nơi lưu trữ thơng tin tạm thời q trình làm việc máy tính CPU truy xuất liệu trực tiếp từ nhớ Bộ nhớ xuyến ferrit Đặc tính nhớ Tốc độ truy xuất thơng tin nhanh Nói chung, khơng giữ thơng tin khơng có nguồn ni Giá thành lưu trữ cao Bộ nhớ bán dẫn BỘ NHỚ TRONG ROM (read only memory): đọc, chương trình khơng ghi được, phải ghi trước phương tiện chuyên dụng RWM (Read Write Memory), nhớ ghi, xoá Do trước ghi/đọc, ô nhớ định vị trước nên tốc độ truy nhập khơng phụ thuộc vào vị trí nhớ nhớ Chính RWM gọi nhớ truy nhập ngẫu nhiên (Random Access Memory) Người ta thường gọi nhớ loại RAM gọi RWM) EPROM xoá ghi lại thiết bị chuyên dụng TỔ CHỨC CỦA BỘ NHỚ TRONG Ô nhớ bit Địa 0 1 0 1 Địa 0 1 1 Địa 1 1 0 Địa 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 Một ô nhớ Một ngăn nhớ Địa n-1 BỘ NHỚ NGỒI Có khả lưu trữ không cần nguồn nuôi (giữ tài liệu dùng nhiều lần) Lưu trữ với khối lượng lớn (ví dụ hồ sơ ngân hàng) Lưu trữ với giá thành rẻ Các công nghệ lưu trữ Vật liệu tử (đĩa mềm, đĩa cứng, băng từ, đĩa quang từ MO) Vật liệu quang (đĩa CD) Bán dẫn (Flash driver) BĂNG TỪ Băng có phủ vật liệu từ tính Thơng tin ghi theo đường đầu từ Chế độ ghi- đọc Ưu điểm: Dung lượng lớn, rẻ tiền Nhược điểm: Khai thác chậm chế độ khai thác Băng từ tủ đọc băng từ cỡ lớn Băng từ kiểu cassette Băng từ thường dùng để lưu trữ liệu có tần số khai thác thấp (ví dụ ghi cước điện thoại, tháng lấy lần để tính cước) dùng với mục đích backup tự động Định kỳ, máy tính chép vùng liệu lên băng từ, lần giữ lại phiên KIẾN TRÚC MÁY TÍNH xxxxx ALU xxxxx xxxxx Thanh ghi lệnh PC Thanh ghi liệu CU CPU Thanh ghi lệnh IR [1064] [1068] ……… [2B00] ……… [A001] [A006] [A009] Bus địa Bus điều khiển Bus liệu BỘ NHỚ Thiết bị ngoại vi A1 64 10 68 10 A2 70 10 A3 74 10 CẤU TRÚC LỆNH ĐỊA CHỈ Lệnh địa (ít sử dụng) MÃ LỆNH ĐỊA CHỈ MÃ LỆNH ĐỊA CHỈ Lệnh địa MÃ LỆNH THANH GHI MÃ LỆNH ĐỊA CHỈ THANH GHI MÃ LỆNH THANH GHI THANH GHI Lệnh có thành phần địa chỉ, liệu ghi, thể từ mã lệnh MÃ LỆNH Lệnh khơng có thành phần địa Lệnh có thành phần ghi, thể từ mã lệnh Lệnh có thành phần địa chỉ, thành phần khác ghi, thể từ mã lệnh CHU TRÌNH LỆNH Đọc lệnh từ nhớ (Instruction Fetch) Thực lệnh (Execute) Giải mã lênh (Decode) Đọc liệu (Data Fetch) VÍ DỤ VỀ CHU TRÌNH LỆNH ĐỐI VỚI MÁY HAI ĐỊA CHỈ GIẢ ĐỊNH x = (b+ c).d R1 ← b + c R1 ← R1 x d x ← R1 [1064] b [1068] c [106C] a [1070] d [1074] x [A001] A1 64 10 68 10 Cộng số nhớ, ghi kết vào ghi R1 [A006] A2 70 10 Nhân ghi R1 với số nhớ, ghi vào ghi R1 [A009] A3 74 10 Lưu ghi R1 vào ô nhớ A2 70 10 [1064] 12 A1 64 10 68 10 [1068] VÍ DỤ VỀ CHU TRÌNH LỆNH [A001] ALU Thanh ghi lệnh PC ADD Thanh ghi liệu CU [A006] [A001] Thanh ghi lệnh IR Bus địa Bus điều khiển [1064] [1068] ……… [2B00] ……… [A001] [A006] [A009] MEMORY Bus liệu Fetch (Instruction) Decode A1 64 10 68 10 A2 70 10 A3 74 10 Fetch (Data) Execute Kiến trúc von Neumann NGUYÊN LÝ VON NEUMANN Nguyên lý điều khiển chương trình: máy tính thực cơng việc theo chương trình đưa vào nhớ Nguyên lý đảm bảo khả thực tự động để giải tốn máy tính điện tử Nguyên lý truy cập qua địa chỉ: liệu chương trình khơng định giá trị mà thơng qua địa nhớ Nguyên lý đảm bảo tính mềm dẻo chương trình, thể thuật tốn khơng phụ thuộc vào giá trị phát sinh chương trình Kiến trúc Von-Neumann nói kiến trúc máy tính thực phù hợp với nguyên lý Von Neumann PIPELINE Trong máy tính đại, CPU tổ chức để song song hố nhiều cơng đoạn chu kỳ xử lý lệnh Khối ghi tổ chức phân cấp có khối lượng lớn (gọi cache) CPU khơng lấy lệnh nhớ mà lấy khối lệnh đặt sẵn cache để giảm thiểu thời gian truy cập nhớ nhiều lần Khi nhiều lệnh đưa lên cache thực lệnh, đồng thời đọc liệu cho lệnh thứ hai giải mã lệnh thứ theo thứ tự Cơ chế gọi pipeline (đường ống) instruction pipeline CƠ CHẾ ĐOÁN TRƯỚC RẼ NHÁNH Một lệnh rẽ nhánh liên quan tới điều kiện kiểm tra Nếu kết thực khối lệnh này, sai thực khối lệnh Điều không may là, đoạn lệnh nạp vào cache lại đoạn lệnh phải thực gây phải thay cache Cơ chế dự đoán rẽ nhánh phát triển gần cho phép dự báo rẽ nhánh với xác xuất 90% cho phép giảm thiểu việc truy xuất từ nhớ lên cache KIẾN TRÚC SIÊU VÔ HƯỚNG Trong kiến trúc siêu vô hướng (superscala), việc xử lý lệnh cắt nhỏ nhiều lệnh xử lý đồng thời miễn không gây tranh chấp liệu Hai lệnh có tranh chấp liệu lệnh có sử dụng kết lệnh tạo Trong trường hợp bắt buộc phải tơn trọng thứ tự Sau xử lý liên kết kết xử lý thành phần Điều phức tạp xử lý dãy lệnh liên quan tới việc “gọi nhầm” dãy lệnh từ nhớ lên cache theo thứ tự bình thường tượng rẽ nhánh TỔNG KẾT Ngồi chức nhớ, vào-ra, tính tốn, MTĐT có chức đặc thù đảm bảo khả tính tốn tự động chức điều khiển Máy tính có nhớ để nhớ liệu làm việc Bộ nhớ phân cấp thành nhớ nhớ ngồi Giao tiếp với mơi trường bên ngồi thơng qua thiết bị ngoại vi Các thiết bị vào cho phép chuyển liệu từ môi trường vào máy Các thiết bị cho phép chuyển liệu từ máy mơi trường ngồi Các thiết bị ngoại vi kết nối qua cổng giao tiếp có sẵn chế tạo card mở rộng để cẳm vào khe cắm dự phòng máy tính TỔNG KẾT CPU đầu não máy tính, có khả thực lệnh phối hợp hoạt động thiết bị máy tính để xử lý theo chương trình định Một số cải tiến pipeline, kiến trúc siêu hướng dự đoán rẽ nhánh giúp cho việc xử lý lệnh CPU song song hoá Nguyên lý Von Neumann đảm bảo cho máy tính xử lý thơng tin tự động CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Hãy nêu kiến trúc chung máy tính Lý việc phân biệt khu vực trung tâm khu vực ngoại vi Phân biệt nhớ ROM RAM Tại cần nhớ Tại nói RAM nhớ truy nhập ngẫu nhiên Tại nói đĩa thiết bị truy nhập trực tiếp, Thế thiết bị ra, thiết bị vào Có thiết bị có chức thiết bị thiết bị vào hay không Kể số thiết bị vào CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Chức CPU thành phần CPU Nêu cấu trúc lệnh dùng lệnh có thành phần địa nhiều phép tốn thơng thường có nhiều đối tượng tham gia tính tốn Mơ tả hoạt động xử lý lệnh CPU Pipeline Thế chế siêu vô hướng Nêu ý nghĩa nguyên lý điều khiển theo chương trình Nêy ý nghĩa nguyên lý truy nhập theo địa ... Pipeline kiến trúc siêu vô hướng Nguyên lý Von Neuman CÁC CHỨC NĂNG TRONG TÍNH TỐN Chức nhập thơng tin Chức nhớ Chức tính tốn Chức xuất thơng tin Chức điều khiển 5555 123 4 123 4 +4 32 KIẾN TRÚC... trận diod tinh thể lỏng để tạo mầu pixel Sau dùng nguồn sáng cực mạnh phía sau để chiếu toàn lên ảnh lớn DLP (Digital Lighting Processpor) projector dùng cơng nghệ vi guơng (micro mirror) tinh xảo... phát sinh chương trình Kiến trúc Von-Neumann nói kiến trúc máy tính thực phù hợp với nguyên lý Von Neumann PIPELINE Trong máy tính đại, CPU tổ chức để song song hố nhiều cơng đoạn chu kỳ xử