KIẾN TRÚC MÁY TÍNH(Computer architecture)

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (Computer architecture) Editor: Trần Sơn Hải This slide is heavily reference to UIT slides Trường ðHSP TPHCM 11/13/08 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (Computer architecture) Nội dung mơn học • Ngun lý tổ chức làm việc máy tính • Các phận máy tính • Các khái niệm mạch số • Những mạch số logic • Bộ nhớ • Bộ xử lý… 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM Mục đích mơn học • • • • Hiểu biết máy tính Nắm bắt phần tạo nên máy tính Cách nắp ráp máy tính để bàn Nạp hệ điều hành chương trình ứng dụng • Nâng cấp bảo hành máy tính 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM Chương I : Giới thiệu Chương II : Mạch Số Chương III : Những mạch logic số Chương : Thanh Ghi & Bộ Nhớ Chương : Biểu Diễn Dữ Liệu Chương : Vi Tác Vụ Chương : Tổ Chức Máy Tính Chương : Qui Trình Thực Hiện Lệnh 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM Chương I : Giới thiệu Mục đích - nắm bắt về: 1.Lịch sử phát triển máy tính Các phận máy tính 11/13/08 - Bộ xử lý (CPU) - Bản mạch (mainboard) - Ổ mềm (FDD) - Ổ cứng (HDD) - Ổ CD DVD - Bộ nhớ RAM - Bàn phím (keyboard) - Chuột (mouse) - Card hình (VGA Card) - Màn hình (Monitor) - Card mạng (Network adapter) - Modem Trường ðHSP TPHCM Lịch sử phát triển máy tính Thế hệ zero –máy tính học (1642-1945) Năm 1642 Pascal phát minh máy tính với phép tính + - 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM Năm 1672 Gotfrid vilgelm Lejbnits chế tạo máy tính với phép tính (+ - * /) 1834 Bebbidzh (Anh) – máy tính có phận: nhớ, tính tốn,thiết bị nhập, thiết bị xuất 1936 К Zus (ðức) máy sở rơle (relay) 1944 G Iken (Mỹ) – Mark I - nặng tấn, - cao 2.4 m, - dài 15 m, - chứa 800 km dây ñiện 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) 1943 máy tính COLOSSUS (Anh) Bóng đèn chân khơng (2000) 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM COLOSSUS 10 Dự án chế tạo máy ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer) ñược BRL (Ballistics Research Laboratory – Phịng nghiên cứu đạn đạo qn đội Mỹ) bắt đầu vào năm 1943 dùng cho việc tính tốn xác nhanh chóng bảng số liệu đạn đạo cho loại vũ khí Các thơng s : -18000 bóng đèn chân khơng - nặng 30 - Tiêu thụ lượng ñiện vào khoảng 140kW chiếm diện tích xấp xỉ 1393 m2 - 5000 phép cộng/ 1s - ðặc biệt sử dụng hệ ñếm thập phân 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM 11 Bộ nhớ - 20 "bộ tích lũy", - Mỗi có khả lưu giữ số thập phân có 10 chữ số -Mỗi chữ số thể vịng gồm 10 đèn chân khơng Máy ENIAC bắt ñầu hoạt ñộng vào tháng 11/1945 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM 12 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM 13 Nhà toán học John von Neumann, cố vấn dự án ENIAC, ñưa ngày 8/11/1945, ñề xuất loại máy tính có tên gọi EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer – chứa 2500 ñèn ñiện tử) Máy tính cho phép nhiều thuật tốn khác tiến hành máy tính mà khơng cần phải nối dây lại máy ENIAC 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM 14 John von Neumann 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM 15 1952 ñời IAS (Institute for Advanced Studies) học viện nghiên cứu cao cấp Princeton, Mỹ Cấu trúc máy IAS 1952 máy tính Von Neumann đời – c
s cho 11/13/08 16 ki n trúc máy tínhTrường hi ðHSP n đTPHCM i (bit 1,0) B nh - 1000 vị trí lưu trữ, gọi word, - word = 40 bit - Mỗi số ñược biểu diễn bit dấu giá trị 39 bit -Một word chứa thị 20 bit, với thị gồm mã thao tác bit (op code) ñặc tả thao tác ñược thực ñịa 12 bit ñịnh hướng ñến word nhớ (ñịa ñi từ ñến 999) 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM 17 11/13/08 Các dạng thức nhớ máy IAS Trường ðHSP TPHCM 18 Khối nước XHCN -1950 trường khí xác quang học (CNTT bây giờ): máy tính tốn điện cỡ lớn đời với mục đích giải tốn khoa học kỹ thuật phức tạp Năm 1967 cho ñời hệ cuối máy tính thành cơng Nga với tốc độ lên tới triệu phép tính/ giây - 1953 đại học toán, viện hàn lâm – máy Strela - 1954 PC – Ural 1-16 Minsk, Kiev… 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM 19 Thế hệ II – transistor (1955-1965) Sự thay ñổi ñầu tiên lĩnh vực máy tính điện tử xuất có thay đèn chân khơng đèn bán dẫn ðèn bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn, tỏa nhiệt sử dụng theo cách thức đèn chân khơng để tạo nên máy tính Năm 1947 - Bardeen, Brattain Shockley phịng thí nghiệm Bell Labs phát minh transistor ñã ñược giải Nobel vật lý năm 1956 11/13/08 Trường ðHSP TPHCM 20 Mạch số học B3 A3 B2 A2 S0 S1 X3 Y3 FA C4 X2 C3 X1 Cin S0 S1 C2 X0 Y0 FA C2 A0 S S 4x1 MUX Y1 FA C3 S0 S1 4x1 MUX Y2 B0 4x1 MUX 4x1 MUX A1 S0 S1 B1 FA C1 C0 C1 Cout 11/12/08 D3 D2 Trường ðHSP TPHCM D1 D0 12 6.3 Vi tác vụ luận lý Hàm F0 = F1 = xy F2 = x.y F3 = x F4 = x.y Ký hiệu F←0 F←A∧B F←A∧B F←A F←A∧B F5 = y F←B F6 = x ⊕ y F←A⊕B F7 = x + y F8 = (x + y) F9 = x ⊕ y F←A∨B F←A∨B F←A⊕B F10 = y F←B F11 = x + y F←A∨B F12 = x F←A F13 = x + y F←A∨B F14 = xy F15 = F←A∧B Trường ðHSP TPHCM F ← 1…1 11/12/08 Vi tác vụ xóa AND truyền A OR NOR NXOR NAND Gán 13 Mạch luận lý S0 S1 S0 S1 Ai MUX 4x1 Bi Ei S1 S0 ðầu phép tính 0 E=A∧B AND E=A∨B OR E=A⊕B XOR 1 E=A Inverter Trường ðHSP TPHCM 11/12/08 14 Mạch luận lý S0 S1 Ai Bi S0 S1 MU X 4x1 S1 S0 Ei ðầu phép tính 0 E=A∧B AND E=A∨B OR E=A⊕B XOR 1 E=A Inverter Vẽ mạch luận lý với i=2 Cho S0=S1=1, A1=0,A2=1,B1=1,B2=0 Xác ñịnh E1, E2? 11/12/08 Trường ðHSP TPHCM 15 6.4 Vi tác vụ dịch Ký hiệu 11/12/08 • • • • • • • Ý nghĩĩa R ← shl R Dịch trái R R ← shr R Dịch phải R R ← cil R Dịch vòng trái R R ← cir R Dịch vòng phải R R ← ashl R Dịch trái số học R R ← ashr R Dịch phải số học R Trường ðHSP TPHCM R= 10101011 Shl R= 01010110 Shr R= 01010101 Cil R= 01010111 Cir R=??? Ashl R=??? Ashr R=??? 16 Mạch dịch tổ hợp bit A3 A2 A1 A0 IL IR S S S S 2x1 MUX 2x1 MUX 2x1 MUX H3 H2 H1 S 2x1 MUX H0 Trường ðHSP TPHCM 11/12/08 18 6.5 ALU (Arithmetic and Logic Unit) Ai+1 Ai-1 Ai S0 S1 Bi Một tầng mạch luận lý Ci+1 Một tầng mạch số học Ei S2 S3 Ci-1 Di S0 S1 4x1 MUX 11/12/08 Trường ðHSP TPHCM 19 Các tác vụ ALU S3 0 0 0 0 0 0 1 11/12/08 Chọn tác vụ S2 S1 S0 Cin 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 x 1 x 1 x 1 x x x x x x x Tác vụ Chức F=A F=A+1 F=A+B F=A+B+1 F=A+B F=A+B+1 F=A–1 F=A F=A∧B F=A∨B F=A⊕B F=A F = shr A F = shl A Chuyển A Tăng A Phép cộng Cộng với nhớ Trừ có mượn Phép trừ Giảm Chuyển A AND OR XOR Inverter Dịch phải A Dịch trái A Trường ðHSP TPHCM 20 There are six shift microoperations: shl that shifts the bits of a register one place left shr that shifts the bits of a register one place right; cil that shifts the bits of a register one place left with the leftmost bit being circled back to the right cir that works similarly but to the right ashl that shifts all bits except the sign bit of a register to the left but not into the sign bit ashr that shifts all bits excluding the sign bit to the right Eight-bit examples Type Symbolic Source R2 Destination R1 shift left R1 ← shl R2 10011110 00111100 shift right R1 ← shr R2 10011110 01001111 Circle shift left R1 ←cil R2 10011110 00111101 Circle shift right R1 ← cir R2 10011110 01001111 arithmetic shift left R1 ← ashl R2 10011110 10111100 arithmetic shift right R1 ← ashr R2 10011110 10001111 Chương - Tổ chức máy tính Mục tiêu Hiểu cấu tạo cách thức hoạt động (ở mức vi trình) máy tính 11/22/08 Trường ðHSP TPHCM 7.1 Mã Lệnh • Mã lệnh nhóm bit lệnh cho máy tính thực tác vụ • Mã lệnh gồm nhiều phần: Mã tác vụ, ñịa nhớ, bit thị khác… Trường ðHSP TPHCM 11/22/08 Tổ chức chương trình 15 12 11 ðịa tác tố Mã tác vụ Chương trình (mã lệnh) AC (accumulator) 4096 từ Dữ liệu 11/22/08 16 bit Trường ðHSP TPHCM ðịa gián tiếp 15 14 I 22 12 11 ðịa tác tố Mã tác vụ ADD 22 457 ADD 457 457 1350 457 1350 + + AC AC Trường ðHSP TPHCM 11/22/08 Tập ghi Ký hiệu Bit Tên Chức DR 16 Th.ghi liệu Lưu tác tố AR 12 Th.ghi ñịa Lưu ñịa nhớ AC 16 Th.ghi tích lũy Th.ghi xử lý IR 16 Th.ghi lệnh Lưu mã lệnh PC 12 Th.ghi đếm chương trình Lưu ñịa lệnh kế TR 16 Th.ghi tạm Lưu liệu tạm INPR Th.ghi nhập Lưu ký tự nhập OUTR Th.ghi xuất Lưu ký tự xuất 11/22/08 Trường ðHSP TPHCM Thanh ghi bus Trường ðHSP TPHCM 11/22/08 Tập lệnh 15 14 I 12 Mã tác vụ ðịa tác tố Mã tác vụ 15 11 12 000 – 110 11 Mã tác vụ 1 15 11/22/08 Tác vụ ghi 12 1 111, I = 0 11 Mã tác vụ Tác vụ nhập/xuất Trường ðHSP TPHCM 111, I = ðịnh thời ñiều khiển 15 14 13 11 – 12 Mạch giải mã 3x8 D0 … D7 Các cổng ñiều khiển Tín hiệu điều khiển T15 … 15 T0 Mạch giải mã 4x16 INR (increment) Mạch ñếm bit CLR (clear) Clock 11/22/08 Trường ðHSP TPHCM 10 11/22/08 Trường ðHSP TPHCM 11 Chương – Quy trình thực lệnh 6/17/2009 Trường ðHSP TPHCM Mục tiêu • Hiểu cách thức máy tính thi hành chu kỳ máy (ở mức vi trình) Chu kỳ lệnh Tìm lệnh Giải mã lệnh ðọc địa hiệu dụng từ nhớ lệnh có địa gián tiếp Thực lệnhTrường ðHSP TPHCM 6/17/2009 Tìm giải mã lệnh T0: AR PC T1:IR M[AR] ,PC PC+1 T2: Trường ðHSP TPHCM 6/17/2009 Chu kỳ lệnh tổng quát Start SC ← AR ← PC T0 IR ← M[AR], PC ← PC + T1 Giải mã tác vụ IR(12-14) AR ← IR(0-11), I ← IR(15) =1 (thanh ghi nhập/xuất) =0 (tham chiếu nhớ) D7 =0 (thanh ghi) =1 (nhập xuất) =1 (gián tiếp) I T3 Thi hành tác vụ nhập/xuất SC ← T2 =0 (trực tiếp) I T3 T3 Thi hành tác vụ tham chiếu ghi SC ← AR ← M[AR] T4 Thi hành tác vụ tham chiếu nhớ SC ← 6/17/2009 Câu hỏi • Giả sử ghi PC=2000 giá trị nhớ 16 bit sau đây: 1101 1111 0011 1110 Hãy thực chu trình lệnh – T0: AR (thanh ghi ñịa chỉ) = ? – T1: IR (thanh ghi lệnh) = ?, PC (thanh ghi ñếm chương trình) =? – T2: D7=?, I=?, AR = ? – T3: – T4: Và xác ñịnh loại mã lệnh gì? (nhập xuất, ghi, tham chiếu nhớ trực tiếp, tham chiếu nhớ gián tiếp) Câu hỏi • Giả sử ghi PC=2000 giá trị nhớ 16 bit sau đây: 1101 1111 0011 1110 Hãy thực chu trình lệnh – T0: AR = 2000 – T1: IR= 1101 1111 0011 1110, PC=2001 – T2: D7=0, I=1, AR = 1111 0011 1110 – T3: AR = M[3902] – T4: Thi hành tác vụ tham chiếu nhớ – ðây lệnh tham chiếu nhớ gián tiếp Lệnh ghi Mã lệnh Diễn giải Vi tác vụ r SC ← Xóa SC CLA rB11 AC ← Xóa AC CLE rB10 E←0 Xóa E CMA rB9 AC ← AC’ Bù AC CME rB8 E ← E’ Bù E CIR rB7 AC ← shr AC, AC(15) ← E, E ← AC(0) Vòng phải CIL rB6 AC ← shl AC, AC(0) ← E, E ← AC(15) Vòng trái INC rB5 AC ← AC + Tăng AC SPA rB4 if AC(15)=0 then PC ← PC + Nhảy dương SNA rB3 if AC(15)=1 then PC ← PC + Nhảy âm SZA rB2 if AC=0 then PC ← PC + Nhảy AC=0 SZE rB1 if E=0 then PC ← PC + Nhảy E=0 HLT rB0 S←0 Dừng Trường ðHSP TPHCM 6/17/2009 Lệnh nhớ Mã lệnh Vi tác vụ AND D0 AC ← AC ^ M[AR] ADD D1 AC ← AC + M[AR], E ← Cout LDA D2 AC ← M[AR] STA D3 M[AR] ← AC BUN D4 PC ← AR BSA D5 M[AR] ← PC, PC ← AR + ISZ D6 If M[AR] + = then PC ← PC + 6/17/2009 Trường ðHSP TPHCM Lệnh nhập xuất Mã lệnh Diễn giải Vi tác vụ P SC ← Xóa SC INP pB11 AC(0-7) ← INPR, FGI ← Nhập ký tự OUT pB10 OUTR ← AC(0-7), FGO ← Xuất ký tự SKI pB9 If (FGI=1) then PC ← PC + Nhảy theo cờ nhập SKO pB8 If (FGI=0) then PC ← PC + Nhảy theo cờ xuất ION pB7 IEN ← Cho phép ngắt IOF pB6 IEN ← Cấm ngắt 6/17/2009 Trường ðHSP TPHCM Cấu hình nhập xuất FGO Máy in Giao tiếp thiết bị xuất OUTR AC Bàn phím Giao tiếp thiết bị nhập INPR FGI 6/17/2009 Trường ðHSP TPHCM 10