BÀI GIẢNG; KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Computer Architecture

Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT Contact „ Offices: „ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH „ Computer Architecture Room 322 - C1: DCE, FIT Room 201- e-Library Building: LINC „ Mobile: 091-358-5533 „ e-mail: „ „ Nguyễn Kim Khánh, PhD in CE khanhnk@mail.hut.edu.vn khanhnk@it-hut.edu.vn Bộ môn Kỹ thuật máy tính - Khoa Cơng nghệ thơng tin Thư viện & Mạng thông tin Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 18 March 2007 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính NKK-HUT Bài giảng Kiến trúc máy tính NKK-HUT Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo William Stallings - Computer Organization and Architecture – Designing for Performance – 2003 (6th edition) Behrooz Parhami - Computer Architecture: From Microprocessors to Supercomputers - 2005 David A Patterson & John L Hennessy Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface – 2002 (third edition) John L Hennessy & David A Patterson Computer Architecture: A Quantitative Approach – 2003 (third edition) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Tài liệu tham khảo Nội dung giáo trình „ „ „ „ „ „ „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính NKK-HUT Chương Giới thiệu chung Chương Hệ thống máy tính Chương Số học máy tính Chương Bộ xử lý trung tâm Chương Bộ nhớ máy tính Chương Hệ thống vào-ra Chương Kiến trúc máy tính tiên tiến 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính NKK-HUT Kiến trúc máy tính Nội dung 1.1 Máy tính phân loại 1.2 Kiến trúc máy tính 1.3 Sự tiến hố máy tính Chương GIỚI THIỆU CHUNG Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT 1.1 Máy tính phân loại Máy tính Máy tính „ Máy tính (Computer) thiết bị điện tử thực công việc sau: „ „ „ Nhận thông tin vào, Xử lý thông tin theo dãy lệnh nhớ sẵn bên trong, Đưa thông tin Dãy lệnh nằm nhớ để u cầu máy tính thực cơng việc cụ thể gọi chương trình (program) Ỉ Máy tính hoạt động theo chương trình „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính NKK-HUT 18 March 2007 Phân loại máy tính „ Phân loại truyền thống: „ „ „ „ „ 10 NKK-HUT Mơ hình phân lớp máy tính „ Bài giảng Kiến trúc máy tính Máy vi tính (Microcomputers) Máy tính nhỏ (Minicomputers) Máy tính lớn (Mainframe Computers) Siêu máy tính (Supercomputers) Phần cứng (Hardware): hệ thống vật lý máy tính Phần mềm (Software): chương trình liệu 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 11 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 12 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Máy tính cá nhân PC Phân loại máy tính đại „ Máy tính cá nhân (Personal Computers) Máy chủ (Server Computers) Máy tính nhúng (Embedded Computers) „ „ „ „ „ „ „ „ „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 13 NKK-HUT „ „ „ „ „ Máy tính để bàn (Desktop) Máy tính xách tay (Laptop) 1981 Ỉ IBM giới thiệu máy tính IBM-PC sử dụng xử lý Intel 8088 1984 Æ Apple đưa Macintosh sử dụng xử lý Motorola 68000 Giá thành: hàng trăm đến hàng nghìn USD 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 14 NKK-HUT Máy tính nhúng (Embedded Computer) Máy chủ (Server) „ Là loại máy tính phổ biến Các loại máy tính cá nhân: Thực chất máy phục vụ Dùng mạng theo mơ hình Client/Server (Khách hàng/Người phục vụ) Tốc độ hiệu tính tốn cao Dung lượng nhớ lớn Độ tin cậy cao Giá thành: hàng nghìn đến hàng chục triệu USD 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 15 „ „ „ Được đặt thiết bị khác để điều khiển thiết bị làm việc Được thiết kế chuyên dụng Ví dụ: „ „ „ „ „ Điện thoại di động Máy ảnh số Bộ điều khiển máy giặt, điều hoà nhiệt độ Router – định tuyến mạng Giá thành: vài USD đến hàng trăm nghìn USD 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 16 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT 1.2 Kiến trúc máy tính Ví dụ Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh: „ „ Các máy tính PC dùng xử lý Pentium III Pentium 4: Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn người lập trình „ chung kiến trúc tập lệnh (IA-32) „ có tổ chức khác Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính Ỉ Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi nhanh 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 17 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 NKK-HUT Kiến trúc tập lệnh Cấu trúc máy tính Kiến trúc tập lệnh máy tính bao gồm: „ Tập lệnh: tập hợp chuỗi số nhị phân mã hố cho thao tác mà máy tính thực „ Các kiểu liệu: kiểu liệu mà máy tính xử lý 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 19 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 20 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Các thành phần máy tính „ „ „ „ 1.3 Sự tiến hố máy tính Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): Điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu Bộ nhớ (Main Memory): Chứa chương trình liệu sử dụng Hệ thống vào (Input/Output System): Trao đổi thơng tin máy tính với bên ngồi Liên kết hệ thống (System Interconnection): Kết nối vận chuyển thông tin thành phần với 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính „ „ „ „ „ 21 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 22 NKK-HUT Máy tính dùng đèn điện tử „ Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1950s) Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor (1960s) Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI LSI (1970s) Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI (1980s) Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch ULSI, SoC (1990s) ENIAC (tiếp) Nặng 30 „ 18000 đèn điện tử 1500 rơle „ 5000 phép cộng/giây „ Xử lý theo số thập phân „ Bộ nhớ lưu trữ liệu „ Lập trình cách thiết lập vị trí chuyển mạch cáp nối „ ENIAC- Máy tính điện tử „ „ „ „ Electronic Numerical Intergator And Computer Dự án Bộ Quốc phòng Mỹ Do John Mauchly John Presper Eckert Đại học Pennsylvania thiết kế Bắt đầu từ năm 1943, hoàn thành năm 1946 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 23 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 24 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Đèn điện tử 18 March 2007 ENIAC (tiếp) Bài giảng Kiến trúc máy tính 25 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 26 NKK-HUT Máy tính von Neumann Đặc điểm máy tính IAS Bao gồm thành phần: đơn vị điều khiển, đơn vị số học logic (ALU), nhớ thiết bị vào-ra „ Bộ nhớ chứa chương trình liệu „ Bộ nhớ đánh địa theo ngăn nhớ, không phụ thuộc vào nội dung „ ALU thực phép toán với số nhị phân „ Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ nhớ, giải mã thực lệnh cách „ Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động thiết bị vào-ra „ Trở thành mơ hình máy tính 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 28 „ „ Đó máy tính IAS: „ Princeton Institute for Advanced Studies „ Được 1947, hoàn thành1952 „ Do John von Neumann thiết kế „ 18 March 2007 Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình lưu trữ” (stored-program concept) von Neumann/Turing (1945) Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 27 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT John von Neumann máy tính IAS 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Alan Turing 29 NKK-HUT „ „ Bài giảng Kiến trúc máy tính 30 Bài giảng Kiến trúc máy tính 32 NKK-HUT Các máy tính thương mại đời „ 18 March 2007 UNIVAC I 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer) 1950s - UNIVAC II „ „ 18 March 2007 Nhanh Bộ nhớ lớn Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 31 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT UNIVAC II Hãng IBM „ „ IBM - International Business Machine 1953 - IBM 701 „ „ „ 1955 – IBM 702 „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 33 NKK-HUT Máy tính lưu trữ chương trình IBM Sử dụng cho tính tốn khoa học 18 March 2007 Các ứng dụng thương mại Bài giảng Kiến trúc máy tính 34 NKK-HUT IBM 701 Máy tính dùng transistor „ „ „ „ 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 35 Máy tính PDP-1 DEC (Digital Equipment Corporation) máy tính mini IBM 7000 Hàng trăm nghìn phép cộng giây Các ngơn ngữ lập trình bậc cao đời 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 36 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Máy tính DEC PDP-1 (1960) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính IBM 7030 (1961) 37 NKK-HUT 18 March 2007 „ „ „ „ „ „ Luật Moore Vi mạch (Integrated Circuit - IC): nhiều transistor phần tử khác tích hợp chip bán dẫn „ „ 38 NKK-HUT Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI LSI „ Bài giảng Kiến trúc máy tính SSI (Small Scale Integration) MSI (Medium Scale Integration) LSI (Large Scale Integration) VLSI (Very Large Scale Integration) (thế hệ thứ tư) ULSI (Ultra Large Scale Integration) (thế hệ thứ năm) SoC (System on Chip) Siêu máy tính xuất hiện: CRAY-1, VAX Bộ vi xử lý (microprocessor) đời „ 18 March 2007 „ Gordon Moore – người đồng sáng lập Intel „ Số transistors chip gấp đôi sau 18 tháng „ Giá thành chip không thay đổi „ Mật độ cao hơn, đường dẫn ngắn „ Kích thước nhỏ dẫn tới độ phức tạp tăng lên „ Điện tiêu thụ „ Hệ thống có chip liên kết với nhau, tăng độ tin cậy Bộ vi xử lý Ỉ Intel 4004 (1971) Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 39 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 40 10 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Tăng trưởng số transistor chip CPU 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính IBM 360 Family 41 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 42 NKK-HUT PDP-11 (1973) 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN VAX-11 (1981) 43 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 44 11 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Micro VAX 18 March 2007 Siêu máy tính CRAY-1 Bài giảng Kiến trúc máy tính 45 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 46 NKK-HUT Máy tính dùng vi mạch VLSI/ULSI Intel 4004 - vi xử lý 4-bit Các sản phẩm cơng nghệ VLSI/ULSI: „ Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU chế tạo chip „ Vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset): một vài vi mạch thực nhiều chức điều khiển nối ghép „ Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory): ROM, RAM „ Các vi điều khiển (Microcontroller): máy tính chuyên dụng chế tạo chip 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 47 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 48 12 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Intel 8080 - vi xử lý 8-bit 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Intel 80286 - vi xử lý 16-bit 49 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 50 NKK-HUT Intel Pentium (32-bit) 80386 - vi xử lý 32-bit Intel 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 51 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 52 13 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Pentium III Pentium (32-bit) Pentium III 18 March 2007 Itanium (64-bit) Pentium Bài giảng Kiến trúc máy tính 53 NKK-HUT 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 54 NKK-HUT Ví dụ máy chủ HP Các hệ thống máy tính đại „ „ „ „ „ „ 18 March 2007 Máy tính nhúng Máy tính cá nhân (PC) Máy trạm làm việc Máy chủ (Servers) Mạng máy tính Internet - Mạng máy tính tồn cầu Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 55 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 56 14 Bài giảng Kiến trúc máy tính 18 March 2007 NKK-HUT NKK-HUT Ví dụ máy chủ Sun Tác dụng môn học „ SunFire15K „ SunFire V40z „ „ „ Sử dụng, khai thác, quản trị bảo trì máy tính có hiệu Làm chủ hệ thống máy tính phát triển phần mềm hệ thống Đánh giá hiệu hệ thống máy tính Lắp ráp sản xuất máy tính Có khả thiết kế máy tính nhúng phục vụ mục đích chuyên dụng (HW/SW co-design) SunFire V880 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 57 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính 58 NKK-HUT Hết chương 18 March 2007 Bài giảng Kiến trúc máy tính Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 59 15