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

+ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH MƠ TẢ MƠN HỌC  Môn học sở ngành, cung cấp cho sinh viên kiến thức tảng tổ chức kiến trúc máy tính  Thời lượng   Tổng số: 60 tiết  Lý thuyết: 45 tiết + Thực hành: 15 tiết Tài liệu học tập: Computer Organization and Architecture, William Stallings, 9th Edition Slide giảng  Đánh giá: Điểm mơn học = Điểm q trình x 40% + Thi trắc nghiệm hết môn x 60% + NỘI DUNG Chương – Giới thiệu Chương – Sự phát triển máy tính hiệu Chương – Tổng quan chức kết nối máy tính Chương – Bộ nhớ Cache Chương – Bộ nhớ Chương – Bộ nhớ Chương – Vào/Ra Chương – Các hệ đếm Chương – Bộ xử lý số học Chương 10 – Tập lệnh: Các đặc tính chức Chương 11 – Tập lệnh: Chế độ địa khuôn dạng Chương 12 – Tổ chức chức vi xử lý + Chương Giới thiệu Kiến trúc máy tính Tổ chức máy tính  Kiến trúc thuộc tính mà lập trình viên nhìn thấy được, thuộc tính có tác động trực tiếp đến việc thực chương trình  Bao gồm: Tập lệnh (tập lệnh mã máy hồn chỉnh hiểu xử lý xử lý trung tâm); cách đánh địa nhớ; ghi; định dạng địa liệu; chế I/O  Tổ chức cách thực tính năng, khối hoạt động kết nối để thực đặc tính kiến trúc  Bao gồm: Chi tiết phần cứng; Tín hiệu điều khiển; Giao diện máy tính thiết bị ngoại vi; Cơng nghệ nhớ + Kiến trúc IBM System/370  Được  Bao giới thiệu vào năm 1970 gồm nhiều model thể nâng cấp lên model đắt tiền tốc độ nhanh mà không cần bỏ phần mềm gốc  Có model tung cải tiến kĩ thuật giữ ngun kiến trúc khách hàng khơng cần mua phần mềm  Các  Kiến trúc trì đến ngày dịng máy tính mainframe IBM + Kiến trúc Intel x86  Bộ vi xử lý Intel 8086 giới thiệu vào năm 1978  Kiến trúc x86 gần chiếm toàn thị phần máy tính cá nhân, máy workstation, server chí siêu máy tính  Các model tung cải tiến kĩ thuật giữ nguyên kiến trúc khách hàng khơng cần mua phần mềm Các model khác họ có kiến trúc Nhưng tổ chức khác nhau! + Cấu trúc chức  Hệ thống cấp bậc  Là tập hợp hệ thống có liên quan với  Bản chất cấp bậc hệ thống phức tạp cần thiết cho thiết kế mô tả chúng  Nhà thiết kế cần làm việc với cấp cụ thể hệ thống  Mỗi cấp có cấu trúc chức riêng  Cấu trúc Cách thức thành phần liên quan đến  Chức Hoạt động thành phần riêng cấu trúc + Operating Environment (source and destination of data) 2.1 Chức  Data Movement Apparatus Bốn chức bản: ● Xử lý liệu (Data processing) ● Lưu trữ liệu (Data storage) ● Di chuyển liệu (Data movement) ● Điều khiển (Control) Control Mechanism Data Storage Facility Data Processing Facility + Di Movement chuyển Hoạt động (a) Di chuyển liệu (Data movement) Máy tính phải có khả di chuyển liệu giới bên ngồi Điều khiển Control Lưu trữ Processing Xử lý Storage (a) Figure 1.2 Possible Computer Operations Hazard Pipeline  Xảy pipeline, phần pipeline, phải đình trệ điều kiện khơng cho phép tiếp tục thực  Cịn gọi pipeline bubble  Có ba loại hazard:  Tài nguyên  Dữ liệu  Điều khiển Hazard tài nguyên  Hazard tài nguyên xảy hai nhiều lệnh đường ống cần dùng tài nguyên  Các lệnh phải thực nối tiếp thay song song với phần đường ống  Còn gọi Hazard cấu trúc RAW Hazard + Hazard liệu Xảy có xung đột việc truy cập vị trí tốn hạng (Lệnh sau sử dụng liệu kết lệnh trước) + Các loại Hazard liệu  Read after write (RAW), true dependency     Write after read (WAR), or antidependency     Một lệnh sửa đổi ghi vị trí nhớ Lệnh đọc liệu nhớ vị trí ghi Hazard xảy việc đọc diễn trước hoạt động ghi hoàn tất Một lệnh đọc ghi vị trí nhớ Lệnh ghi vào vị trí Hazard xảy thao tác ghi hồn thành trước có thao tác đọc Write after write (WAW), or output dependency   Hai lệnh ghi vào vị trí Hazard xảy thao tác ghi diễn theo thứ tự ngược với trình tự dự định + Hazard điều khiển  Còn gọi Hazard nhánh  Xảy đường ống đưa định sai dự báo nhánh  Đưa lệnh đáng sau phải loại bỏ vào đường ống  Giải pháp với nhánh có điều kiện: Nhiều luồng  Mục tiêu nhánh truy xuất trước  Loop buffer  Dự báo nhánh  Nhánh trễ  a Nhiều luồng  Một đường ống đơn giản gặp khó khăn lệnh rẽ nhánh phải chọn hai lệnh để truy xuất chọn sai  Cách ép buộc nhân rộng phần mở đầu đường ống cho phép đường ống truy xuất hai lệnh, sử dụng hai luồng  Có hai vấn đề với cách làm này:  Trong nhiều đường ống có trễ tranh chấp để truy cập vào ghi nhớ  Lệnh nhánh thêm vào vào đường ống (một hai luồng) trước định lệnh nhánh ban đầu giải b Mục tiêu nhánh truy xuất trước +  Khi nhận nhánh điều kiện, mục tiêu nhánh truy xuất trước, bổ sung vào lệnh theo sau nhánh  Mục tiêu lưu lại lệnh rẽ nhánh thực thi  Nếu nhánh chọn, mục tiêu truy xuất trước  IBM 360/91 sử dụng cách + c Bộ đệm vòng lặp    nhớ nhỏ, tốc độ cao trì tầng truy xuất lệnh pipeline chứa n lệnh truy xuất gần nhất, theo thứ tự Lợi ích:  lệnh truy xuất theo trình tự có sẵn mà tốn thời gian truy cập nhớ thông thường  Nếu có rẽ nhánh tới mục tiêu nằm trước địa lệnh rẽ nhánh vài vị trí, mục tiêu đệm  Cách đặc biệt phù hợp để xử lý vòng lặp nguyên tắc tương tự với nhớ cache dành riêng cho lệnh  Điểm khác biệt:  đệm vịng lặp trữ lệnh theo trình tự  kích thước nhỏ nhiều; giảm chi phí Loop Buffer + d Dự đoán nhánh  Nhiều kỹ thuật sử dụng để dự đoán nhánh chọn hay không: Predict never taken Predict always taken Predict by opcode Taken/not taken switch Branch history table     Các phương pháp tĩnh Không phụ thuộc vào lịch sử thực thi tính tới thời điểm có lệnh rẽ nhánh có điều kiện Các phương pháp động phụ thuộc vào lịch sử thực thi + Lược đồ dự đoán nhánh Sơ đồ trạng thái dự đốn nhánh + Đối phó với nhánh Tổng kết + Cấu trúc Chức Bộ xử lý Chương 14     Tổ chức xử lý Tổ chức ghi  Pipelining lệnh  Chiến lược Pipelining  Hiêu suất Pipeline  Thanh ghi hiển thị người dùng  Pipeline hazard  Thanh ghi điều khiển trạng thái  Xử lý rẽ nhánh  Pipelining Intel 80486 Chu kỳ lệnh  Chu kỳ gián tiếp  Luồng liệu Họ vi xử lý x86  Tổ chức ghi  Xử lý gián đoạn Câu hỏi chương 14 Chức ghi xử lý? Thanh ghi hiển thị với người dùng thường hỗ trợ loại liệu ? Mã điều kiện gì? Từ trạng thái chương trình PSW gì? Tại pipeline lệnh hai giai đoạn không rút ngắn nửa thời gian chu kỳ lệnh so với không sử dụng pipeline? Liệt kê giải thích ngắn gọn giải pháp để pipeline lệnh giải vấn đề lệnh rẽ nhánh có điều kiện Dự báo nhánh sử dụng bit lịch sử nào? ... 1 Phân biệt tổ chức máy tính kiến trúc máy tính? Phân biệt cấu trúc máy tính chức máy tính? Bốn chức máy tính gì? Kể tên thành phần cấu trúc máy tính? Kể tên thành phần cấu trúc xử lý? + Chương... nguyên kiến trúc khách hàng khơng cần mua phần mềm  Các  Kiến trúc trì đến ngày dịng máy tính mainframe IBM + Kiến trúc Intel x86  Bộ vi xử lý Intel 8086 giới thiệu vào năm 1978  Kiến trúc. .. lệnh: Các đặc tính chức Chương 11 – Tập lệnh: Chế độ địa khuôn dạng Chương 12 – Tổ chức chức vi xử lý + Chương Giới thiệu Kiến trúc máy tính Tổ chức máy tính  Kiến trúc thuộc tính mà lập trình