Bài giảng kiến trúc máy tính (computer architecture) chương 3 nguyễn kim khánh

NKK-HUST c om Kiến trúc máy tính cu u du o ng th an co ng Chương HỆ THỐNG MÁY TÍNH Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 89 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Nội dung học phần cu u du o ng th an co ng c om Chương Giới thiệu chung Chương Cơ logic số Chương Hệ thống máy tính Chương Số học máy tính Chương Kiến trúc tập lệnh Chương Bộ xử lý Chương Bộ nhớ máy tính Chương Hệ thống vào-ra Chương Các kiến trúc song song 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 90 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST c om Nội dung chương cu u du o ng th an co ng 3.1 Các thành phần máy tính 3.2 Hoạt động máy tính 3.3 Bus máy tính 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 91 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST 3.1 Các thành phần máy tính n du o ng th Bus hệ thống n Hệ thống vào-ra n u cu Trao đổi thơng tin máy tính với bên ngồi Bus hệ thống (System bus) n 2017 Chứa chương trình thực Hệ thống vào-ra (Input/Output) n n Điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu Bộ nhớ (Main Memory) an n c om Bộ nhớ co CPU Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit – CPU) ng n Kết nối vận chuyển thơng tin Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 92 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Bộ xử lý trung tâm (CPU) Nguyên tắc hoạt động bản: an n ng n điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu co n c om Chức năng: CPU hoạt động theo chương trình nằm nhớ Là thành phần nhanh hệ thống cu u n du o ng n th n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 93 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Các thành phần CPU n Đơn vị điều khiển n u cu Tập ghi du o ng th Đơn vị số học logic Đơn vị số học logic an Bus hệ thống 2017 n Control Unit (CU) Điều khiển hoạt động máy tính theo chương trình định sẵn co n c om Đơn vị điều khiển ng n n n Arithmetic and Logic Unit (ALU) Thực phép toán số học phép toán logic Tập ghi n n Register File (RF) Gồm ghi chứa thông tin phục vụ cho hoạt động CPU Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 94 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Bộ nhớ máy tính n n c om Bộ nhớ (Main memory) Bộ nhớ đệm (Cache memory) Thiết bị lưu trữ (Storage Devices) cu u n an Các thành phần chính: th n ng n Thao tác ghi (Write) Thao tác đọc (Read) co n ng n Chức năng: nhớ chương trình liệu (dưới dạng nhị phân) Các thao tác với nhớ: du o n CPU 2017 Bộ nhớ đệm Bộ nhớ Các thiết bị lưu trữ Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 95 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Bộ nhớ (Main memory) c om Nội dung Địa 0100 1101 00 0000 0101 0101 00 0001 1010 1111 00 0010 0000 1110 00 0011 0111 0100 00 0100 1011 0010 00 0101 0010 1000 00 0110 1110 1111 00 0111 cu u n du o ng th n ng n co n Tồn máy tính Chứa lệnh liệu chương trình thực Sử dụng nhớ bán dẫn Tổ chức thành ngăn nhớ đánh địa (thường đánh địa cho byte nhớ) Nội dung ngăn nhớ thay đổi, song địa vật lý ngăn nhớ cố định CPU muốn đọc/ghi ngăn nhớ cần phải biết địa ngăn nhớ an n n 2017 0110 0010 11 1110 0010 0001 11 1111 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 96 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Bộ nhớ đệm (Cache memory) c om Bộ nhớ có tốc độ nhanh đặt đệm CPU nhớ nhằm tăng tốc độ CPU truy cập nhớ Dung lượng nhỏ nhớ Sử dụng nhớ bán dẫn tốc độ nhanh Cache thường chia thành số mức (L1, L2, L3) Cache thường tích hợp chip xử lý Cache có khơng an th cu n ng n du o n u n co ng n n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 97 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Thiết bị lưu trữ (Storage Devices) c om n Tốc độ chậm n co an th n ng n Lưu giữ tài nguyên phần mềm máy tính Được kết nối với hệ thống dạng thiết bị vào-ra Dung lượng lớn n ng n Cịn gọi nhớ ngồi Chức đặc điểm Các loại thiết bị lưu trữ Bộ nhớ từ: ổ đĩa cứng HDD Bộ nhớ bán dẫn: ổ thể rắn SSD, ổ nhớ flash, thẻ nhớ Bộ nhớ quang: CD, DVD n n cu u n du o n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 98 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Kết nối CPU (tiếp) n c om ng cu u n du o ng n co n an n Phát địa đến mô-đun nhớ hay môđun vào-ra Đọc lệnh từ nhớ Đọc liệu từ nhớ mô-đun vào-ra Đưa liệu (sau xử lý) đến nhớ mơ-đun vào-ra Phát tín hiệu điều khiển đến mô-đun nhớ mô-đun vào-ra Nhận tín hiệu ngắt th n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 119 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Cấu trúc bus c om Bus: tập hợp đường kết nối để vận chuyển thông tin mô-đun máy tính với Các bus chức năng: n an Độ rộng bus: số đường dây bus truyền bit thơng tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa bus liệu) cu u n th n Bus địa (Address bus) Bus liệu (Data bus) Bus điều khiển (Control bus) ng n du o n co ng n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 120 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Mơ-đun nhớ ng Mơ-đun nhớ Mô-đun vào-ra Mô-đun vào-ra bus địa bus liệu bus điều khiển cu u du o ng th an co CPU c om Sơ đồ cấu trúc bus 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 121 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Bus địa c om n Chức năng: vận chuyển địa để xác định vị trí ngăn nhớ hay cổng vào-ra Độ rộng bus địa chỉ: ng n N bit: AN-1, AN-2, A2, A1, A0 Số lượng địa tối đa sử dụng là: 2N địa (gọi không gian địa chỉ) n Địa nhỏ nhất: 00 000 (2) n Địa lớn nhất: 11 111 (2) n u Ví dụ: cu n du o ng th an co n Máy tính sử dụng bus địa 32-bit (A31-A0), nhớ đánh địa cho byte Có khả đánh địa cho 232 bytes nhớ = 4GiB 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 122 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Bus liệu n vận chuyển lệnh từ nhớ đến CPU vận chuyển liệu thành phần máy tính với co n c om Chức năng: ng n an Độ rộng bus liệu: số bit truyền đồng thời n n Ví dụ: th M bit: DM-1, DM-2, D2, D1, D0 M thường 8, 16, 32, 64 bit ng n du o n cu u Máy tính có bus liệu kết nối CPU với nhớ 64-bit Có thể trao đổi byte nhớ thời điểm n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 123 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST c om Bus điều khiển Chức năng: vận chuyển tín hiệu điều khiển n Các loại tín hiệu điều khiển: ng n Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi n Các tín hiệu điều khiển ngắt n Các tín hiệu điều khiển bus cu u du o ng th an co n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 124 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Một số tín hiệu điều khiển điển hình Các tín hiệu (phát từ CPU) điều khiển đọc/ghi: Memory Read (MEMR): Tín hiệu điều khiển đọc liệu từ ngăn nhớ có địa xác định đưa lên bus liệu co ng n c om n an Memory Write (MEMW): Tín hiệu điều khiển ghi liệu có sẵn bus liệu đến ngăn nhớ có địa xác định I/O Read (IOR): Tín hiệu điều khiển đọc liệu từ cổng vào-ra có địa xác định đưa lên bus liệu n cu u n du o ng th n I/O Write (IOW): Tín hiệu điều khiển ghi liệu có sẵn bus liệu cổng có địa xác định 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 125 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tiếp) 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 co ng n c om n an Interrupt Acknowledge (INTA): Tín hiệu phát từ CPU báo cho điều khiển vào-ra biết CPU chấp nhận ngắt để trao đổi vào-ra ng th n du o Non Maskable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt khơng che gửi đến ngắt CPU u n Reset: Tín hiệu từ bên ngồi gửi đến CPU thành phần khác để khởi động lại máy tính cu n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 126 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tiếp) Các tín hiệu điều khiển bus: Bus Request (BRQ) : Tín hiệu từ mơ-đun vào-ra gửi đến yêu cầu CPU chuyển nhượng quyền sử dụng bus Bus Grant (BGT): Tín hiệu phát từ CPU chấp nhận chuyển nhượng quyền sử dụng bus cho mô-đun vàora Lock/ Unlock: Tín hiệu cấm/cho-phép xin chuyển nhượng bus cu u n du o ng th n an co ng n c om n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 127 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Phân cấp bus ng th n Bus phục vụ yêu cầu trao đổi liệu thời điểm độ trễ lớn Bus phải có tốc độ tốc độ bus mô-đun nhanh hệ thống co n c om Đơn bus: Tất mô-đun kết nối vào bus chung an n ng Đa bus: Phân cấp thành nhiều bus cho mơ-đun khác có tốc độ khác du o n n n u Bus xử lý Bus RAM Các bus vào-ra cu n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 128 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Expansion bus interface Network SCSI Serial Phân cấp bus Modem Expansion bus c om (a) Traditional bus architecture Main memory Cache / bridge System bus FireWire Graphic Video LAN High-speed bus Expansion bus interface Serial Modem cu u FAX du o ng th SCSI an co ng Local bus Processor Expansion bus (b) High-performance architecture Figure 3.17 2017 Example Bus Configurations Kiến trúc máy tính so an external bus or other interconnect scheme is not needed, although there may also be an CuuDuongThanCong.com external cache As will be discussed in Chapter 4, the use of https://fb.com/tailieudientucntt a cache struc- 129 NKK-HUST Kết nối điểm-điểm an I/O device I/O device I/O Hub ng DRAM PCIe PCIe–PCI Bridge PCIe 2017 Figure 3.20 Core PCI Express Memory PCIe Legacy endpoint trúc máy PCIe Switch PCIe Memory bus Multicore Configuration Using QPI Kiến CuuDuongThanCong.com Memory PCIe DRAM Core D Gigabit Ethernet Figure 3.24 QPI 99 th Core 3.6 / PCI EXPRESS Chipset I/O device u Core C Core B du o Core A cu DRAM DRAM I/O Hub Kết nối PCIe co Kết nối QPI CHAPTER / A TOP-LEVEL VIEW OF COMPUTER FUNCTION I/O device 94 c om n Point-to-point connection Khắc phục nhược điểm bus dùng chung (shared bus) ng n PCIe endpoint PCIe PCIe endpoint PCIe endpoint Typical Configuration Using PCIe device and one or more that attach to a switch that manages multiple PCIe streams PCIe links from the chipset may attach to the following kinds of devices that impletính 130 ment PCIe: • Switch: The switch manages multiple PCIe streams • PCIe endpoint: An I/O device orhttps://fb.com/tailieudientucntt controller that implements PCIe, such as NKK-HUST Một số bus điển hình máy tính an cu n u du o n ng th n co ng n QPI (Quick Path Interconnect) PCI bus (Peripheral Component Interconnect): bus vào-ra đa PCIe: (PCI express) kết nối điểm-điểm đa tốc độ cao SATA (Serial Advanced Technology Attachment): Bus kết nối với ổ đĩa cứng ổ đĩa CD/DVD USB (Universal Serial Bus): Bus nối tiếp đa c om n 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 131 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST Ví dụ bus máy tính Intel Intel® Desktop Board DH87MC c om an Int Fo Fo On Tw x4 th ng du o Su Int Fea Hy and ng co 9.6” (24.38cm) 11 int 13 12 10 14 15 11.6” (29.46cm) cu u Exp 6S co Int Int Te ® 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 132 https://fb.com/tailieudientucntt reli ng c om NKK-HUST cu u du o ng th an co Hết chương 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 133 https://fb.com/tailieudientucntt ... Chương Giới thiệu chung Chương Cơ logic số Chương Hệ thống máy tính Chương Số học máy tính Chương Kiến trúc tập lệnh Chương Bộ xử lý Chương Bộ nhớ máy tính Chương Hệ thống vào-ra Chương Các kiến. .. phần máy tính 3. 2 Hoạt động máy tính 3. 3 Bus máy tính 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com 91 https://fb.com/tailieudientucntt NKK-HUST 3. 1 Các thành phần máy tính n du o ng th Bus hệ thống... i+2 30 4 lệnh i co an lệnh 30 0 PC lệnh 30 1 30 3 lệnh i 30 2 lệnh i+1 30 3 lệnh i+2 30 4 u du o ng IR ng lệnh th CPU CPU Sau nhận lệnh i cu Trước nhận lệnh i 2017 Kiến trúc máy tính CuuDuongThanCong.com