Bài giảng Kiến trúc máy tính

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (Computer architecture)  Thời gian: - Lý Thuyết: 45 tiết (3 ĐVHT)  Điểm số: - Điểm chuyên cần: 10% - Điểm thi HK: 30% - Điểm thi cuối kỳ: 60%  Khoa Kỹ thuật máy tính  GV: Vũ Đức Lung  Email: lungvd@uit.edu.vn Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mục đích mơn học Nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức kiến trúc máy tính       Lịch sử Chức nguyên lý hoạt động phận Cách biểu diễn liệu, tính tốn máy tính Cách chế tạo, thiết kế mạch Logic số Các kiến trúc lệnh loại máy tính CISC RICS Các nguyên lý hoạt động xử lý Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nội dung môn học Chương : Giới thiệu Chương : Các phận máy tính Chương : Biểu diễn liệu Chương : Mạch Logic số Chương : Mạch Chương : Kiến trúc lệnh Chương : Tổ Chức xử lý Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu tham khảo Nguyễn Minh Tuấn Kiến trúc máy tính (Giáo trình lược giản) Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQG TP.HCM, V3.7 Cấu trúc máy tính bản, tổng hợp biên dịch VN-Guide, nhà xuất thống kê, 2005 Võ Văn Chín, Nguyễn Hồng Vân, Phạm Hữu Tài Giáo trình kiến trúc máy tính ĐH Cần Thơ, 2005 M Abd-El-Barr, H El-Rewini, Fundamentals of Computer Organization and Architecture, Wiley, 2005 Patterson, D A., and J L Hennessy Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 3rd ed San Mateo, CA: Morgan Kaufman, 2004 Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương I : Giới thiệu Mục đích - nắm bắt về: - Lịch sử phát triển máy tính qua hệ máy tính - Khuynh hướng cho phát triển nghành máy tính - Phân loại máy tính - Các dịng CPU Intel Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.1.Lịch sử phát triển máy tính 1.1.1.Thế hệ zero –máy tính học (1642-1945) Năm 1642 Pascal phát minh máy tính với phép tính + - Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.1.1.Thế hệ zero –máy tính học (1642-1945) Năm 1672 Gotfrid vilgelm Leibnits chế tạo máy tính với phép tính (+ - * /) • 1834 Babbage (Anh) – máy tính có phận: nhớ, tính tốn, thiết bị nhập, thiết bị xuất • 1936 К Zuse (Đức) máy sở rơle (relay) • 1944 G Iken (Mỹ) – Mark I - nặng tấn, - cao 2.4 m, - dài 15 m, - chứa 800 km dây điện Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.1.1.Thế hệ zero –máy tính học (1642-1945) Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) 1943 máy tính COLOSSUS (Anh) - 2000 đèn chân khơng - Giữ bí mật suốt 30 năm Bóng đèn chân khơng Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) COLOSSUS Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 10 https://fb.com/tailieudientucntt Các ghi họ 80x86 – Thanh ghi mục đích chung – Thanh ghi segment – Thanh ghi đếm chương trình PC ghi cờ trạng thái Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.4 Đƣờng liệu (Datapath)  Đường liệu gồm có – – – – logic-số học (ALU: Arithmetic and Logic Unit), mạch dịch, ghi đường nối kết phận  Nhiệm vụ phần đường liệu – đọc toán hạng từ ghi tổng quát – thực phép tính tốn hạng ALU – lưu trữ kết ghi tổng quát Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.4.1 Tổ chức One-Bus Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 7.4.2 Tổ chức Two-Bus Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 10 https://fb.com/tailieudientucntt Three-Bus  Tổ chức đường truyền liệu dạng three-bus Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 11 https://fb.com/tailieudientucntt 7.5 Diễn tiến thi hành lệnh mã máy(CPU instruction cycle)  Việc thi hành lệnh mã máy chia thành giai đoạn – – – – – Đọc lệnh (IF: Instruction Fetch) Giải mã lệnh (ID: Instruction Decode) Thi hành lệnh (EX: Execute) Thâm nhập nhớ nhảy (MEM: Memory access) Lưu trữ kết (RS: Result Storing) Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 12 https://fb.com/tailieudientucntt  Đọc lệnh (fetch instruction): – Dữ liệu PC load vào MAR: MAR ← PC – Giá trị ghi PC tăng lên 1: PCfPC+1 – Kết lệnh đọc từ nhớ, liệu load vào MDR: MDRM[MAR] – Dữ liệu MDR load vào IR: IR ← M[MAR]  Thứ tự thực lệnh theo thời gian loại one-bus: Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 13 https://fb.com/tailieudientucntt  Thứ tự thực lệnh theo thời gian loại three-bus:  Giải mã lệnh đọc ghi nguồn: – A ← Rs1 – B ← Rs2 – PC ← PC + Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 14 https://fb.com/tailieudientucntt Thi hành lệnh:  Liên hệ tới nhớ – MAR ← Địa ALU tính tuỳ theo kiểu định vị (Rs2) – MDR ← Rs1  Một lệnh ALU – Ngã ALU ← Kết phép tính  Một phép nhảy – Ngã ALU ← Địa lệnh ALU tính Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 15 https://fb.com/tailieudientucntt  Thâm nhập nhớ nhảy lần cuối – Tham khảo đến nhớ: MDR ← M[MAR] M[MAR] ← MDR – Nhảy: If (điều kiện), PC ← ngả ALU  Lưu trữ kết – Rd ← Ngã ALU Rd ← MDR Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 16 https://fb.com/tailieudientucntt 7.6 Xử lý ngắt (Interrupt Handling)  Ngắt kiện xảy cách ngẫu nhiên máy tính làm ngưng tính chương trình (nghĩa tạo lệnh nhảy)  ngắt quãng dùng cho công việc: – – – – – – – – – – Ngoại vi đòi hỏi nhập xuất số liệu Người lập trình muốn dùng dịch vụ hệ điều hành Cho chương trình chạy lệnh Làm điểm dừng chương trình Báo tràn số liệu tính tốn số học Trang nhớ thực khơng có nhớ Báo vi phạm vùng cấm nhớ Báo dùng lệnh tập lệnh Báo phần cứng máy tính bị hư Báo điện bị cắt Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 17  Khi ngắt xảy ra, xử lý thi hành bước: – – – – Thực xong lệnh làm Lưu trữ trạng thái Nhảy đến chương trình phục vụ ngắt Khi chương trình phục vụ chấm dứt, xử lý khôi phục lại trạng thái cũ tiếp tục thực chương trình mà thực bị ngắt  Thực vi tác vụ ngắt Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 18 https://fb.com/tailieudientucntt 7.7 Kỹ thuật ống dẫn (PIPELINE)  Thực lệnh kỹ thuật pipeline:  Một số ràng buộc pipeline – – – – Cần phải có mạch điện tử để thi hành giai đoạn lệnh Phải có nhiều ghi khác dùng cho tác vụ đọc viết Cần phải giải mã lệnh cách đơn giản Cần phải có làm tính ALU hữu hiệu để thi hành lệnh số học dài Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 19 https://fb.com/tailieudientucntt Những khó khăn kỹ thuật ống dẫn  Khó khăn cấu trúc  Khó khăn điều khiển  Khó khăn số liệu – ví dụ trường hợp lệnh liên tiếp sau: Lệnh 1: ADD R1, R2, R3 Lệnh 2: SUB R4, R1, R5 Lệnh 3: AND R6, R1, R7 Lệnh 4: OR R8, R1, R9 Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 20 https://fb.com/tailieudientucntt CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG VII Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 21 https://fb.com/tailieudientucntt ... viên kiến thức kiến trúc máy tính       Lịch sử Chức nguyên lý hoạt động phận Cách biểu diễn liệu, tính tốn máy tính Cách chế tạo, thiết kế mạch Logic số Các kiến trúc lệnh loại máy tính. .. https://fb.com/tailieudientucntt 1.3 Phân loại máy tính -a) Các siêu máy tính (Super Computer): - b) Các máy tính lớn (Mainframe) - c) Máy tính mini (Minicomputer) - d) Máy vi tính (Microcomputer) Vũ Đức Lung... khiển CU Cấu trúc máy IAS 1952 máy tính Von Neumann đời – sở cho kiến trúc máy tính đại (bit 1,0) Vũ Đức Lung Khoa KTMT CuuDuongThanCong.com 16 https://fb.com/tailieudientucntt Đặc tính IAS Kỹ