Chương 1 – Tổng quan về kiến trúc máy tính. Nội dung chính trong chương gồm: Máy tính và phân loại, sự tiến hóa của máy tính, sơ đồ khối cấu trúc máy tính. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.
KIẾN TRÚC VÀ TỔ CHỨC MÁY TÍNH (Computer Organization and Architecture) Chương – Tổng quan kiến trúc máy tính bangtqh@utc2.edu.vn Nội dung Máy tính phân loại Sự tiến hóa máy tính Sơ đồ khối cấu trúc máy tính bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 1.1 Máy tính phân loại Máy tính (Computer) thiết bị điện tử thực công việc sau: – Nhận thông tin vào – Xử lý thơng tin theo chương trình nhớ sẵn bên nhớ – Đưa thông tin Chương trình (Program): dãy lệnh nằm nhớ để yêu cầu máy tính thực cơng việc cụ thể Máy tính khơng tự thực khơng có chương trình bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 1.1 Máy tính phân loại (tt) Mơ hình máy tính HƯ thèng vµo Bé xư lý HƯ thèng HƯ thèng nhí bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 1.1 Máy tính phân loại (tt) Mơ hình phân lớp máy tớnh Ngời dùng Nhà lập trình Các CT ứng dụng Nhà thiết kế HĐH Các CT tiện ích Hệ điều hành Phần cứng máy tính bangtqh@utc2.edu.vn Kin trỳc v t chức máy tính - Chương 1.1 Máy tính phân loại (tt) Phân loại máy tính theo truyền thống: – – – – – Các vi điều khiển (Microcontroller) Máy vi tính (Microcomputer) Máy tính nhỏ (Minicomputer) Máy tính lớn (Mainframe computer) Siêu máy tính (Supercomputer) Phân loại máy tính theo đại – Máy tính để bàn (Desktop computer) – Máy chủ (Server) – Máy tính nhúng (Embedded computer) bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 1.1 Máy tính phân loại (tt) Máy tính để bàn (Desktop Computer) – Được sử dụng cho nhiều mục đích: • Xử lý văn bản, lướt Web, Multimedia, • Tính tốn, lập trình, – Bao gồm: • • • • Bộ vi xử lý Bộ nhớ Đĩa cứng, CD-ROM/DVD, Desktop Chuột , bàn phím, hình, card mạng, – Đặc điểm: • Hiệu khơng cao lắm, cịn gọi PC • Dung lượng vừa phải • Giá thành: khoảng từ 500$ đến 10.000$ bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 1.1 Máy tính phân loại (tt) Máy server – Được sử dụng dịch vụ cao cấp: • Lưu trữ file • Tính tốn lớn • Xử lý tương tác, Web, – Bao gồm: • Nhiều xử lý • Nhiều đĩa cứng • Giao tiếp mạng, – Đặc điểm: • Hiệu cao • Độ tin cậy lớn • Giá thành: khoảng từ hàng chục nghìn đến hàng triệu USD bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 1.1 Máy tính phân loại (tt) Máy tính nhúng – Là phần hệ thống lớn: • Chứa thiết bị gia dụng • Trong thiết bị mạng, truyền thơng, • Các thiết bị điều khiển tự động, không lưu, – Bao gồm: • Các vi ĐK; vi xử lý • Bộ nhớ: RAM, ROM; đĩa • Vào/ra chuyên dụng (kể tín hiệu analog) – Đặc điểm: • Có độ tin cậy an tồn cao • Hiệu cao (thời gian thực) • Giá thành: vài chục đến hàng trăm nghìn USD bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 1.2 Sự tiến hóa máy tính Thế hệ số - Máy tính khí – Bảng tính (abacus) người TQ – Máy tính của Pascal chế tạo năm 1642 (thực phép + -) – Máy tính Leibniz chế tạo 1670 (thực phép tính thơng dụng +, -, * / ) – Máy phân tích (analytical machine) Charles Babbage chế tạo khoảng năm 1820 – Có kiến trúc gồm phần giống máy đại bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 10 1.2 Sự tiến hóa máy tính(tt) Thế hệ thứ (1946 - 1957): MT dùng đèn điện tử chân không Thế hệ thứ hai (1958 - 1964): MT dùng transistor Thế hệ thứ ba (1965 - 1974): MT dùng vi mạch cỡ nhỏ (SSI) vừa (MSI) – Cỡ nhỏ: 100 thiết bị / chip – Cỡ vừa: 100 - 3000 thiết bị / chip Thế hệ thứ tư (1974 - nay): MT dùng vi mạch cỡ lớn (LSI) cực lớn (VLSI) – Cỡ lớn: 3000 - 100.000 thiết bị / chip – Cỡ cực lớn: 100.000 - 100.000.000 thiết bị / chip bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 11 1.2 Sự tiến hóa máy tính(tt) ENIAC - 1940s IBM 360 - 1960s (Vacuum Tubes) (Transistors) 12 bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 1.2 Sự tiến hóa máy tính(tt) DEC VAX 11/780 - 1970s (Discrete IC’s) bangtqh@utc2.edu.vn Apple II Computer Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 13 1.2 Sự tiến hóa máy tính(tt) Original IBM PC bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 14 1.2 Sự tiến hóa máy tính(tt) ENIAC: Electronic Nummerical Integrator And Computer – – – – John Presper Eckert John Mauchly thiết kế Trường Đại học Pennsylvania (Mỹ) Dự án Bộ quốc phòng Mỹ Bắt đầu chế tạo năm 1943, hoàn thành năm 1946 Đặc điểm: – – – – Dùng số thập phân (không phải nhị phân) 20 ghi, 10 bit Lập trình tay nhờ chuyển mạch Gồm 18.000 đèn điện tử chân không, Nặng ~30 tấn, Chiếm 15.000 feet vuông, Công suất tiêu thụ: 140kW/h – Khả năng: 5000 phép cộng/giây bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 15 1.2 Sự tiến hóa máy tính(tt) Máy tính Von Newmann – Khái niệm CT lưu trữ (stored-program concept) Jonh von Newmann đưa – Bộ nhớ (BNC) chứa chương trình liệu – ALU hoạt động liệu nhị phân – KĐK giải mã lệnh từ nhớ thực chúng – Thiết bị vào/ra hoạt động KĐK điều khiển – Xây dựng từ 1947 đến 1952 bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 16 1.2 Sự tiến hóa máy tính(tt) Cấu trúc máy tính Von Newmann bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 17 1.2 Sự tiến hóa máy tính(tt) Máy tính dùng Transistor – Máy tính PDP-1 DEC (Digital Equipment Corporation) máy tính mini – IBM 7000 – Tốc độ tính tốn đẩy lên hàng trăm nghìn phép cộng trong/giây – Xuất ngơn ngữ lập trình bậc cao bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 18 1.2 Sự tiến hóa máy tính(tt) Máy tính dùng vi mạch (IC – Integrated Circuit) – Vi mạch: nhiều transistor linh kiện điện tử tích hợp chip – Siêu máy tính xuất như: CRAY-1 – Bộ vi xử lý (microprocessor), CPU chế tạo chip đời (1971) Định luật Moore Do Gorden Moore, người đồng sáng lập Intel chủ tịch danh dự Intel tiên đoán vào năm 1965 – Số lượng transistor tăng gấp đôi sau 12 tháng (Nhưng từ 1970, chậm hơn: sau 18 tháng) – Giá thành chip không thay đổi – Mật độ cao ⇒ đường dẫn điện ngắn hơn, dẫn đến hiệu cao – Kích thước nhỏ ⇒ độ phức tạp tăng lên – Công suất tiêu thụ nhỏ phải làm mát – chip liên kết với nhau, tăng độ tin cậy bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 19 1.2 Sự tiến hóa máy tính(tt) Máy tính dùng vi mạch VLSI – CPU chế tạo chip – Các vi mạch điều khiển tổng hợp (chipset): thực nhiều chức điều khiển nối ghép – Bộ nhớ bán dẫn: ROM, RAM – Các vi điều khiển (microcontroller): máy tính chuyên dụng chế tạo chip → dùng cho máy tính nhúng bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 20 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc máy tính Máy tính Các thiết bị ngoại vi Bộ nhớ Bộ xử lý M¸y tÝnh Các đường truyền thơng bangtqh@utc2.edu.vn Bus liên kết hệ thống Hệ thống vào/ra Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 21 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt) Các thành phần MT – Bộ xử lý (processor): điều khiển hoạt động máy tính, xử lý liệu – Hệ thống nhớ (memory system): chứa chương trình liệu xử lý – Hệ thống vào (input/output system): trao đổi thơng tin máy tính với bên – Bus liên kết hệ thống (system interconnection bus): kết nối vận chuyển thông tin ba thành phần bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 22 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt) Bộ xử lý – Chức năng: • Điều khiển hoạt động máy tính • Xử lý liệu – Nguyên tắc hoạt động bản: BXL hoạt động theo chương trình nằm sẵn nhớ, gồm bước bản: • Nhận lệnh từ nhớ • Giải mã thực lệnh – Bộ vi xử lý (microprocessor): xử lý chế tạo chip bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 23 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt) Bộ xử lý Bộ xử lý Khối điều khiển ALU Bus bên Các ghi bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 24 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt) Các thành phần BXL – Khối điều khiển: (Control Unit): điều khiển hoạt động BXL ⇒ điều khiển hoạt động máy tính – Khối số học logic (Arithmetic - Logic Unit): thực phép toán số học phép toán logic – Tập ghi (Registers Sets): lưu giữ thơng tin tạm thời q trình hoạt động máy tính bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 25 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt) Tốc độ Bộ xử lý – Là số lệnh thực giây: MIPS (Millions of Instructions Per Second) – Trên thực tế thường đánh giá gián tiếp thông qua tần số xung đồng hồ (nhịp, clock) cung cấp cho BXL làm việc bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 26 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt) Hệ thống nhớ – Chức năng: lưu trữ chương trình liệu – Các thao tác với nhớ: • Thao tác đọc (Read) • Thao tác ghi (Write) – Các thành phần chính: • Bộ nhớ (Internal Memory) • Bộ nhớ ngồi (External Memory) bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 27 Bộ nhớ Chức đặc điểm: – Chứa thơng tin mà máy tính xử lý – Tốc độ nhanh – Dung lượng không lớn – Sử dụng nhớ bán dẫn: ROM, RAM Các kiểu nhớ trong: – Bộ nhớ – Bộ nhớ cache bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 28 Bộ nhớ (tt) Bộ nhớ chính: – Chứa chương trình liệu BXL trao đổi – Tổ chức thành ngăn nhớ đánh địa – Ngăn nhớ thường tổ chức theo byte – Địa vật lý ngăn nhớ cố định, nội dung thay đổi bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 29 Bộ nhớ (tt) Bộ nhớ cache: – Bộ nhớ có tốc độ nhanh, đặt BXL Bộ nhớ – Có dung lượng nhỏ Bộ nhớ – Tốc độ nhanh – Hiện cache thường chia thành nhiều mức (level) tích hợp BXL 30 bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương Bộ nhớ Chức đặc điểm: – Lưu giữ chương trình liệu dạng thư viện – Bộ nhớ 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: CD, DVD, – Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 31 1.3 Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt) Hệ thống vào/ra – Chức năng: trao đổi thông tin máy tính với giới bên ngồi – Các thao tác bản: • Vào liệu (Input) • Ra liệu (Output) – Các thành phần chính: • Các thiết bị ngoại vi (Peripherals) • Các modul vào/ra (IO Modules) bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 32 Cấu trúc hệ thống vào/ra Nối ghép với bus hệ thống Modul IO bangtqh@utc2.edu.vn Cổng IO TBNV Cổng IO TBNV Cổng IO TBNV Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 33 Các thiết bị ngoại vi Chức năng: chuyển đổi liệu bên bên ngồi máy tính Các thiết bị ngoại vi bản: – Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét, – Thiết bị ra: hình, máy in, – Thiết bị vào ra: ổ đĩa, – Thiết bị truyền thông: MODEM, bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 34 Modul vào/ra Chức năng: nối ghép thiết bị ngoại vi với máy tính Cổng vào/ra: modul vào/ra có số cổng vào/ra Mỗi cổng vào/ra đánh địa xác định Thiết bị ngoại vi kết nối trao đổi liệu với máy tính thơng qua cổng vào/ra bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 35 Bus liên kết hệ thống Khái niệm bus: – Bus: tập hợp đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin thành phần máy tính – Độ rộng bus: số đường dây bus truyền bit thông tin đồng thời Khái niệm dùng cho bus địa bus liệu bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 36 Phân loại bus Phân loại cấu trúc bus – Cấu trúc đơn bus – Cấu trúc đa bus Phân loại bus chức năng: – Bus địa – Bus liệu – Bus điều khiển bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 37 Sơ đồ kết nối bus bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 38 Bus địa (address bus) Chức năng: vận chuyển địa ngăn nhớ hay cổng vào/ra từ nguồn đến đích Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng nhớ cực đại hệ thống Nếu độ rộng bus địa N bit: A0 , A1 , , AN-1 ⇒ không gian địa là: 2N byte Ví dụ: – Bộ xử lý Intel Pentium có bus địa 32 bit ⇒ không gian địa là: 232 byte = GB bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 39 Bus liệu (data bus) Chức năng: – Vận chuyển lệnh từ nhớ đến BXL – Vận chuyển liệu BXL, hệ thống nhớ, hệ thống vào/ra với Độ rộng bus liệu: xác định số bit liệu trao đổi lúc – Độ rộng M bit: D0 , D1 , ,DM-1 – M thường 8, 16, 32, 64 bit bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 40 Bus điều khiển (control bus) Chức năng: vận chuyển tín hiệu điều khiển Các loại tín hiệu điều khiển: – Các tín hiệu điều khiển phát từ BXL để điều khiển hệ thống nhớ, hệ thống vào/ra hoạt động – Các tín hiệu yêu cầu, trạng thái từ hệ thống nhớ, hệ thống vào/ra đến BXL bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 41 Một số tín hiệu điều khiển điển hình Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi: – Memory Read (MEMR): điều khiển đọc lệnh/dữ liệu từ ngăn nhớ có địa xác định – Memory Write (MEMW): điều khiển ghi liệu tới ngăn nhớ có địa xác định – I/O Read (IOR): điều khiển đọc liệu từ cổng vào/ra có địa xác định – I/O Write (IOW): điều khiển ghi liệu đến cổng vào/ra có địa xác định bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 42 Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tt) Các tín hiệu điều khiển ngắt: – Interrupt Request (INTR): tín hiệu từ mạch điều khiển vào gửi đến BXL yêu cầu ngắt (ngắt chắn được) – Interrupt Acknowledge (INTA): tín hiệu từ BXL gửi ngồi báo chấp nhận ngắt – Non Maskable Inerrupt (NMI): tín hiệu ngắt gửi đến BXL (ngắt không chắn được) – Reset: tín hiệu từ bên ngồi khởi động lại máy tính bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 43 Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tt) Các tín hiệu điều khiển bus: – Bus Request (BRQ)/Hold: tín hiệu từ mạch điều khiển vào/ra gửi đến yêu cầu BXL nhường quyền điều khiển bus – Bus Grant (BGT)/Hold Acknowledge (HLDA) : tín hiệu phát từ BXL chấp nhận nhường quyền điều khiển bus bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 44 Cấu trúc đơn bus Chỉ phục vụ yêu cầu trao đổi liệu thời điểm Bus phải có tốc độ tốc độ modul nhanh hệ thống Bus phụ thuộc vào cấu trúc bus BXL ⇒ modul nhớ modul vào/ra phụ thuộc vào BXL bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 45 Cấu trúc đa bus Có phân cấp cho thành phần: – Bus BXL – Bus nhớ – Bus vào/ra Phân cấp bus khác tốc độ – Các bus cho modul nhớ modul vào/ra không phụ thuộc vào BXL cụ thể bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 46 Phân cấp bus máy tính PC Bus BXL: có tốc độ nhanh Bus BNC: nối ghép với modul RAM Bus AGP (Accelerated Graphic Port): bus đồ họa tăng tốc - nối ghép card hình tăng tốc Bus PCI (Peripheral Component Interconnect): nối ghép với TBNV có tốc độ trao đổi liệu nhanh USB (Universal Serial Bus): bus nối tiếp đa bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 47 Ví dụ: bus truyền thống bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 48 Ví dụ: bus hiệu cao bangtqh@utc2.edu.vn bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 49 ... bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 1. 2 Sự tiến hóa máy tính(tt) DEC VAX 11 /780 - 19 70s (Discrete IC’s) bangtqh@utc2.edu.vn Apple II Computer Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 13 1. 2 Sự... trúc tổ chức máy tính - Chương 16 1. 2 Sự tiến hóa máy tính(tt) Cấu trúc máy tính Von Newmann bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 17 1. 2 Sự tiến hóa máy tính(tt) Máy tính dùng... 10 0.000 - 10 0.000.000 thiết bị / chip bangtqh@utc2.edu.vn Kiến trúc tổ chức máy tính - Chương 11 1. 2 Sự tiến hóa máy tính(tt) ENIAC - 19 40s IBM 360 - 19 60s (Vacuum Tubes) (Transistors) 12 bangtqh@utc2.edu.vn