Đang tải... (xem toàn văn)
Chương 2 - Kiến trúc cơ bản của máy tính. Những nội dung chính được trình bày trong chương này gồm: Các thành phần của máy tính, hoạt động của máy tính, liên kết hệ thống. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.
Cấu trúc máy tính Chương KIẾN TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí Nội dung 2.1 Các thành phần máy tính 2.2 Hoạt động máy tính 2.3 Liên kết hệ thống 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 2.1 Các thành phần máy tính CPU Bộ nhớ Liên kết hệ thống Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit) Bộ nhớ (Memory) Hệ thống vào (Input/Output System) Hệ thống vào 05/21/21 Liên kết hệ thống (System Interconnection) Chương 2: Kiến trúc máy tí Bộ xử lý trung tâm (CPU) Chức năng: điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu Nguyên tắc hoạt động bản: CPU hoạt động theo chương trình nằm nhớ 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí Cấu trúc CPU Đơn vị điều khiển (CU) Đơn vị số học logic (ALU) Tập Thanh ghi (RF) Bus bên 05/21/21 Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU): điều khiển hoạt động máy tính theo chương trình định sẵn Đơn vị số học logic (Arithmetic and Logic Unit ALU): thực phép toán số học phép toán logic Đơn vị nối ghép bus (BIU) Tập ghi (Register File - RF): lưu giữ thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động CPU Bus bên Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU) kết nối trao đổi thông tin bus bên (internal bus) bus bên (external bus) Chương 2: Kiến trúc máy tí Tốc độ xử lý Tốc độ xử lý: Số lệnh thực giây MIPS (Million of Instructions per Second) Khó đánh giá xác Tần số xung nhịp xử lý: Bộ xử lý hoạt động theo xung nhịp (Clock) có tần số xác định Tốc độ xử lý đánh giá gián tiếp thông qua tần số xung nhịp 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí Tốc độ xử lý (tiếp) Dạng xung nhịp T0 T0: chu kỳ xung nhịp Tần số xung nhịp: f0 = 1/T0 Mỗi thao tác xử lý cần kT T0 nhỏ xử lý chạy nhanh Ví dụ: Máy tính dùng xử lý 2GHz Ta có f0 = 2GHz = 2x109Hz T0 = 1/f0 = 1/(2x109) = 0.5 ns 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí Bộ nhớ máy tính Chức năng: lưu trữ chương trình liệu Các thao tác với nhớ: Thao tác ghi (Write) Thao tác đọc (Read) Các thành phần chính: Bộ nhớ (Internal Memory) Bộ nhớ (External Memory) 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí Bộ nhớ Chức đặc điểm: Chứa thông tin mà CPU trao đổi trực tiếp Tốc độ nhanh Dung lượng không lớn Sử dụng nhớ bán dẫn: ROM RAM Các loại nhớ trong: Bộ nhớ Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm) 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí Bộ nhớ Chứa chương trình liệu CPU sử dụng Tổ chức thành ngăn nhớ đánh địa Ngăn nhớ thường tổ chức theo byte Nội dung ngăn nhớ thay đổi, song địa vật lý ngăn nhớ cố định 05/21/21 Nội dung Địa 00101010 0000 10111011 0001 11011011 0010 11001100 0011 11011101 0100 10111011 0101 01101100 0110 01110001 0111 00110011 1000 11001010 1001 Chương 2: Kiến trúc máy tí 10 Kết nối mô-đun nhớ Địa Dữ liệu Mô-đun nhớ Dữ liệu/lệnh Tín hiệu điều khiển đọc Tín hiệu điều khiển ghi 05/21/21 Địa đưa đến để xác định ngăn nhớ Dữ liệu đưa đến ghi Dữ liệu lệnh đưa đọc (lưu ý: nhớ không phân biệt lệnh liệu) Nhận tín hiệu điều khiển: Điều khiển đọc (Read) Điều khiển ghi (Write) Chương 2: Kiến trúc máy tí 24 Kết nối mơ-đun vào/ra Địa Dữ liệu đến bên Dữ liệu đến TBNV Dữ liệu từ bên Dữ liệu từ TBNV Tín hiệu điều khiển đọc Tín hiệu điều khiển ghi 05/21/21 Mơ-đun Vào/Ra Các tín hiệu điều khiển đển TBNV Các tín hiệu điều khiển ngắt Địa đưa đến để xác định cổng vào-ra Nhận liệu CPU, nhớ hay từ thiết bị ngoại vi Đưa liệu vào CPU, nhớ hay thiết bị ngoại vi Nhận tín hiệu điều khiển từ CPU Phát tín hiệu điều khiển đến thiết bị ngoại vi Phát tín hiệu ngắt đến CPU Chương 2: Kiến trúc máy tí 25 Kết nối CPU Lệnh Địa Dữ liệu Các tín hiệu điều khiển ngắt Dữ liệu CPU Các tín hiệu điều khiển nhớ vào/ra 05/21/21 Đọc lệnh liệu Nhận tín hiệu ngắt Phát địa đến môđun nhớ hay mô-đun vào-ra Đưa liệu (sau xử lý) Phát tín hiệu điều khiển đến mô-đun nhớ mô-đun vào-ra Chương 2: Kiến trúc máy tí 26 BUS CPU Mô-đun nhớ Bus địa Bus liệu Bus điều khiển 05/21/21 Mô-đun Vào/Ra Bus: tập hợp đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin mơ-đun máy tính với Các bus chức năng: Bus địa Bus liệu Bus điều khiển Độ rộng bus: số đường dây bus truyền bit thơng tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa bus liệu) Chương 2: Kiến trúc máy tí 27 Bus địa Chức năng: vận chuyển địa để xác định ngăn nhớ hay cổng vào-ra Độ rộng bus địa chỉ: cho biết số lượng ngăn nhớ tối đa đánh địa N bit: AN-1, AN-2, A2, A1, A0 đánh địa tối đa cho 2N ngăn nhớ (khơng gian địa nhớ) Ví dụ: Bộ xử lý Pentium có bus địa 32 bit có khả đánh địa cho 232 bytes nhớ (4GBytes) (ngăn nhớ tổ chức theo byte) 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 28 Bus liệu Chức năng: vận chuyển lệnh từ nhớ đến CPU vận chuyển liệu CPU, mô đun nhớ, mô đun vào-ra với Độ rộng bus liệu: Xác định số bit liệu trao đổi đồng thời N bit: D N-1, DN-2, D2, D1, D0 N thường 8, 16, 32, 64,128 bit Ví dụ: Các xử lý Pentium có bus liệu 64 bit 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 29 Bus điều khiển Chức năng: vận chuyển tín hiệu điều khiển Các loại tín hiệu điều khiển: Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi Các tín hiệu điều khiển ngắt Các tín hiệu điều khiển bus 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 30 Một số tín hiệu điều khiển điển hình Các tín hiệu (phát từ CPU) điều khiển đọc-ghi: Memory Read (MEMR): điều khiển đọc liệu từ ngăn nhớ có địa xác định lên bus liệu Memory Write (MEMW): điều khiển ghi liệu có sẵn bus liệu đến ngăn nhớ có địa xác định I/O Read (IOR): điều khiển đọc liệu từ cổng vào-ra có địa xác định lên bus liệu I/O Write (IOW): điều khiển ghi liệu có sẵn bus liệu cổng có địa xác định 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 31 Một số tín hiệu điều khiển điển hình Các tín hiệu điều khiển ngắt: Interrupt Request (INTR): Tín hiệu từ điều khiển vào-ra gửi đến yêu cầu ngắt CPU để trao đổi vào-ra Tín hiệu INTR bị che Interrupt Acknowledge (INTA): Tín hiệu phát từ CPU báo cho điều khiển vào-ra biết CPU chấp nhận ngắt để trao đổi vào-ra Non Maskable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt khơng che gửi đến ngắt CPU Reset: Tín hiệu từ bên gửi đến CPU thành phần khác để khởi động lại máy tính 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 32 Đặc điểm cấu trúc đơn bus Bus hệ thống phục vụ yêu cầu trao đổi liệu thời điểm Bus hệ thống phải có tốc độ tốc độ bus mơ-đun nhanh hệ thống Bus hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc bus (các tín hiệu) xử lý mô-đun nhớ mô-đun vào-ra phụ thuộc vào xử lý Khắc phục: phân cấp bus cấu trúc đa bus 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 33 Phân cấp bus máy tính Tổ chức thành nhiều bus hệ thống máy tính Cho thành phần khác nhau: Bus xử lý Bus nhớ Các bus vào-ra Các bus khác tốc độ Bus nhớ bus vào-ra không phụ thuộc vào xử lý cụ thể 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 34 Các kiểu bus Bus dành riêng (Dedicated): Các đường địa liệu tách rời Ưu điểm: điều khiển đơn giản Nhược điểm: có nhiều đường kết nối Bus dồn kênh (Multiplexed) Các đường dùng chung cho địa liệu Có đường điều khiển để phân biệt có địa hay có liệu Ưu điểm: có đường dây Nhược điểm: Điều khiển phức tạp Hiệu hạn chế 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 35 Phân xử bus Có nhiều mơ-đun điều khiển bus ví dụ: CPU điều khiển vào-ra Chỉ cho phép mô-đun điều khiển bus thời điểm Phân xử bus tập trung hay phân tán Phân xử bus tập trung Có Bộ điều khiển bus (Bus Controller) hay cịn gọi Bộ phân xử bus (Arbiter) Có thể phần CPU mạch tách rời Phân xử bus phân tán Mỗi mơ-đun chiếm bus Có đường điều khiển đến tất môđun khác 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 36 Định thời bus (Timing) Phối hợp kiện bus Bus đồng Các kiện bus xác định tín hiệu xung nhịp xác định (clock) Bus Điều khiển bao gồm đường Clock Tất mơ-đun đọc đường clock Bus khơng đồng Khơng có đường tín hiệu Clock Kết thúc kiện bus kích hoạt cho kiện 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 37 Hết chương 05/21/21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 38 ... tác Chương 2: Kiến trúc máy tí 17 Minh họa q trình nhận lệnh CP U Lệnh PC 20 2 IR Lệnh Lệnh i Lệnh i+1 Lệnh 05 /21 /21 20 20 20 CP U Lệnh PC Lệnh 20 3 IR Lệnh i 20 20 Lệnh i Lệnh i+1 20 Lệnh 20 20 20 ... lồng 05 /21 /21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 22 2. 3 Liên kết hệ thống CPU Bộ nhớ Liên kết hệ thống Hệ thống vào 05 /21 /21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 23 Kết nối m? ?-? ?un nhớ Địa Dữ liệu M? ?-? ?un nhớ...Nội dung 2. 1 Các thành phần máy tính 2. 2 Hoạt động máy tính 2. 3 Liên kết hệ thống 05 /21 /21 Chương 2: Kiến trúc máy tí 2. 1 Các thành phần máy tính CPU Bộ nhớ Liên kết hệ