Bài giảng Kiến trúc máy tính (ThS. Nguyễn Hằng Phương) Chương 2

+ Chương Lịch sử phát triển máy tính + NỘI DUNG Lịch sử phát triển Máy tính Thế hệ đầu tiên: ống chân khơng Thế hệ thứ hai: Transitor Thế hệ thứ ba: mạch tích hợp Các hệ Thiết kế hiệu suất Tốc độ vi xử lý Cân Hiệu suất Cải tiến Tổ chức Kiến trúc Chip Đa lõi, MICs GPGPUs Sự phát triển kiến trúc Intel x86 Hệ thống nhúng ARM Đánh giá hiệu suất Tốc độ đồng hồ số lệnh giây Tiêu chuẩn Luật Amdahl Luật Little + 1.1 Thế hệ đầu tiên: Ống chân không a, ENIAC - Electronic Numerical Integrator And Computer    Được thiết kế xây dựng trường ĐH Pennsylvania  Bắt đầu từ 1943 – hoàn thành năm 1946  Bởi giáo sư John Mauchly học trò John Eckert Là máy tính điện tử số giới  Phịng thí nghiệm đạn đạo qn đội (BRL) cần thiết bị cung cấp bảng quỹ đạo xác cho loại vũ khí khoảng thời gian cho phép  Đã khơng kịp hồn thành phục vụ chiến tranh Được tháo rời vào năm 1955 Nhiệm vụ thực loạt tính tốn giúp xác định tính khả thi bomb hydrogen ENIAC Nặng 30 Chiếm 1500 m2 diện tích sàn Gồm 18000 đèn điện tử, 1500 cơng tắc điện tử Tiêu thụ 140 kWh Có khả thực 5000 phép tính 1s Tính tốn số thập phân Bộ nhớ gồm 20 ghi, giữ số 10 chữ số Lập trình tay cách đấu nối đầu cắm điện dùng ngắt điện + John von Neumann b EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer)    Ý tưởng thiết kế đưa vào năm 1945 Khái niệm chương trình lưu trữ  Do nhà thiết kế ENIAC, đặc biệt nhà toán học John von Neumann  Chương trình lưu vào nhớ với liệu  ALU điều khiển để tính tốn liệu nhị phân  Bộ điều khiển dịch tập lệnh nhớ thi hành, điều khiển hoạt động thiết bị vào Máy tính IAS   Hồn thiện vào năm 1952 viện nghiên cứu cao cấp Princeton Là tảng cho máy tính đại ngày Cấu trúc Máy von Neumann Central Processing Unit (CPU) ArithmeticLogic Unit (CA) Main Memory (M) I/O Equipment (I, O) Program Control Unit (CC) + Format nhớ máy IAS  Bộ nhớ IAS gồm 1000 cell nhớ (gọi từ) x 40 bit  2x20 bit tập lệnh  lưu trữ liệu lệnh  Chữ số biểu diễn dạng số nhị phân Mỗi lệnh mã nhị phân 39 (a) Number word sign bit left instruction opcode right instruction 20 address 28 opcode (b) Instruction word 39 address Arithmetic-logic unit (ALU) + AC Cấu trúc máy tính IAS MQ Inputoutput equipment Arithmetic-logic circuits MBR Instructions and data IBR PC IR Control circuits Main memory M MAR Control signals Program control unit Addresses + Các loại ghi Thanh ghi đệm liệu (MDR) Thanh ghi địa nhớ (MAR) • Chứa word lưu vào nhớ gửi cổng I/O • Có thể nhận word từ nhớ từ cổng I/O • Chứa địa nhớ từ chuẩn bị đọc ghi vào MDR Thanh ghi tập lệnh (IR) • Chứa mã lệnh lệnh thực thi Thanh ghi đệm chứa tập lệnh (IBR) • Được sử dụng để tạm thời lưu trữ lệnh nằm bên tay phải từ nhớ Bộ đếm chương trình (PC) • Chứa địa cặp lệnh cần lấy từ nhớ Bộ cộng tích luỹ (AC) • Được sử dụng để tạm thời giữ toán hạng kết nhân chia (MQ) phép tính ALU + Tập lệnh IAS + Hệ thống nhúng Yêu cầu ràng buộc Hệ thống từ nhỏ đến lớn, kéo theo nhiểu ràng buộc giá thành nhiều yêu cầu để tối ưu hoá tái sử dụng khác Các mơ hình tính tốn khác từ hệ thống kiện rời rạc đến hệ thống kết hợp hybrid Điều kiện môi trường khác xạ, độ rung độ ẩm Không nghiêm ngặt với yêu cầu kết hợp yêu cầu chất lượng khác độ an toàn, tin cậy, thời gian thực độ linh hoạt Đặc tính ứng dụng khác dẫn đến tải tĩnh hay động, tốc độ nhanh hay chậm, tác vụ tính tốn hay giao diện, tổ hợp and hay or Độ bền ngắn dài + Tổ chức hệ thống nhúng Software FPGA/ ASIC Human interface Memory Processor Auxiliary Systems (power, cooling) Diagnostic port D/A Conversion A/D conversion Electromechanical backup and safety Sensors Actuators External environment + Acorn RISC Machine (ARM)  Họ vi xử lý vi điều khiển RISC  Thiết kế vi xử lý kiến trúc đa lõi, cấp phép cho nhà sản xuất  Chip tốc độ cao, nhỏ gọn tiết kiệm điện  Chủ yếu dùng hệ thống nhúng Được sử dụng rộng rãi PDA, thiết bị cầm tay  iPod, iPhone  Kiến trúc xử lý sử dụng rộng rãi  Acorn sản xuất ARM1 & ARM2 năm 1985 ARM3 năm 1989  Acorn, VLSI Apple Computer thành lập ARM Ltd  ARM1 ARM2 ARM3 ARM6 ARM7 ARM8 Notable Features 32-bit RISC Multiply and swap instructions; Integrated memory management unit, graphics and I/O processor First use of processor cache First to support 32-bit addresses; floatingpoint unit Integrated SoC 5-stage pipeline; static branch prediction ARM9 ARM9E ARM10E ARM11 Cortex XScale Cache None None Typical MIPS @ MHz MIPS @ 12 MHz KB unified 12 MIPS @ 25 MHz KB unified 28 MIPS @ 33 MHz KB unified KB unified 60 MIPS @ 60 MHz 84 MIPS @ 72 MHz 16 KB/16 KB 300 MIPS @ 300 MHz 220 MIPS @ 200 MHz Enhanced DSP instructions 6-stage pipeline 9-stage pipeline 16 KB/16 KB 13-stage superscalar pipeline Applications processor; 7-stage pipeline Variable 740 MIPS @ 665 MHz 2000 MIPS @ GHz 32 KB/32 KB L1 512 KB L2 1000 MIPS @ 1.25 GHz DSP = digital signal processor 32 KB/32 KB Variable SoC = system on a chip + Family Thông số ARM Các hạng mục thiết kế ARM Thiết kế xử lý ARM cần phải đáp ứng ba hạng mục sau: Bảo mật ứng dụng  Cards thông minh, SIM cards thiết bị toán Nhúng thời gian thực  Các hệ thống lưu trữ, phận tự động ứng dụng mạng, công nghiệp Platforms ứng dụng  Thiết bị chạy hệ điều hành mở bao gồm Linux, Palm OS, Symbian OS, Windows CE ứng dụng không dây ảnh số + ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MÁY + 6.1 Đồng hồ hệ thống 6.2 Chuẩn so sánh (Benchmark) Ví dụ: xét câu lệnh ngơn ngữ lập trình bậc cao sau: A = B + C /* giả sử tất giá trị nằm nhớ chính*/ Với kiến trúc tập lệnh truyền thống, theo kiến trúc CISC (Complex instruction set computer -CISC), lệnh biên dịch thành lệnh sau xử lý add mem(B), mem(C), mem (A) Trên máy RISC điển hình, phần biên dịch sau: load mem(B), reg(1); load mem(C), reg(2); add reg(1), reg(2), reg(3); store reg(3), mem (A) + Đặc tính mong muốn chuẩn so sánh Viết ngôn ngữ bậc cao, chạy thiết bị khác Đại diện cho kiểu lập trình riêng, ví dụ lập trình hệ thống, lập trình số học lập trình thương mại Có thể so sánh dễ dàng Được sử dụng rộng rãi + System Performance Evaluation Corporation (SPEC)  Bộ tiêu chuẩn Một tập hợp chương trình, định nghĩa ngôn ngữ bậc cao  Kiểm thử máy tính ứng dụng cụ thể khu vực lập trình hệ thống   SPEC Một tập đồn cơng nghiệp  Xác định trì tiêu chuẩn tiếng  Các phép đo hiệu suất sử dụng rộng rãi cho mục đích so sánh nghiên cứu  + SPEC CPU2006  Bộ tiêu chuẩn SPEC tiếng  Bộ tiêu chuẩn công nghiệp cho ứng dụng chuyên dụng xử lý  Thích hợp để đo hiệu suất cho ứng dụng dành phần nhiều thời gian để tính tốn I/O  Bao gồm 17 chương trình dấu phẩy động viết C, C ++, Fortran; 12 chương trình số nguyên viết C C ++  Chứa triệu dòng mã  Thế hệ vi xử lý thứ năm SPEC +  Gene Amdahl [AMDA67]  Giải 6.3 Luật Amdahl tăng tốc chương trình sử dụng nhiều xử lý so với sử dụng xử lý tả vấn đề mà công nghiệp phải đối mặt phát triển xử lý đa lõi  Mơ  Phần mềm phải thích hợp với môi trường thi hành lệnh song song để tận dụng sức mạnh xử lý song song thể khái quát hoá để đánh giá thiết kế nâng cấp kĩ thuật hệ thống máy tính  Có + 6.4 Luật Little Có mối liên hệ đơn giản với nhiều ứng dụng  Có thể áp dụng tới hầu hết hệ thống thoả mãn điều kiện ổn định khơng có rị rỉ  Hệ thống hàng đợi  Nếu máy chủ (server) rỗi, đối tượng xử lý lập tức, khơng đối tượng đươc chuyển đến hàng đợi  Có thể có hàng đợi cho server nhiều server, hay có nhiều hàng đợi với hàng đợi cung cấp cho nhiều server  Số đối tượng trung bình hàng đợi tốc độ đến trung bình nhân với thời gian mà đối tượng hệ thống  Mối quan hệ yêu cầu giả thiết  Với tính đơn giản tổng quát, hàng đợi hữu dụng  Tổng kết + Chương  Máy tính hệ thứ   Máy tính hệ thứ hai   Transistor Máy tính hệ thứ ba   Ống chân khơng Mạch tích hợp Thiết kế hiệu suất  Tốc độ vi xử lý  Cân hiệu  Kiến trúc tổ chức chip Lịch sử phát triển hiệu suất máy tính  Đa lõi  MICs  GPGPUs  Sự phát triển Intel x86  Hệ thống nhúng  Sự phát triển ARM  Đánh giá hiệu suất máy  Tốc độ đồng hồ số lệnh giây  Tiêu chuẩn đánh giá  Luật Amdahl  Luật Little + Câu hỏi chương Máy tính chương trình lưu trữ gì? Bốn thành phần máy tính đa năng? Ba yếu tố thiết kế hiệu suất hệ thống máy tính gì? Giải thích luật Moore ... dụng + cho máy tính cá nhân IBM 8 028 6   Máy 16-bit Sử dụng cache cho lệnh, hàng đợi Hiện diện kiến trúc x86 8088   Vi xử lý đa máy 8-bit với đường liệu tới nhớ 8-bit Được dùng máy tính cá nhân... thẻ  1953 - Máy tính điện tử chương trình lưu trữ - 701   1955 - Dòng sản phẩm 7 02   Dùng cho tính tốn khoa học Tính phần cứng làm phù hợp với ứng dụng kinh doanh Dịng máy tính hệ 700/7000... 7-stage pipeline Variable 740 MIPS @ 665 MHz 20 00 MIPS @ GHz 32 KB/ 32 KB L1 5 12 KB L2 1000 MIPS @ 1 .25 GHz DSP = digital signal processor 32 KB/ 32 KB Variable SoC = system on a chip + Family