LHB kientrucmaytinh ch1 v1

TS Lê Hữu Bình lhbinh@husc.edu.vn; lhbinh@hueic.edu.vn Huế, 9/2021 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Tài liệu tham khảo David A Patterson, John L Hennessy Computer Organization and Design, Revised 4th edition, 2012 William Stallings, Computer Organization and Architecture, 9th edition, 2013 Nguyễn Kim Khánh, Bài giảng kiến trúc máy tính, Viện Cơng nghệ Thơng tin Truyền thơng, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Version: CA-2017 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Tài liệu tham khảo Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.1 Một số khái niệm nguyên lý ❖ Máy tính (Computer): thiết bị điện tử thực chức sau: ➢ Nhận thông tin vào ➢ Xử lý thông tin theo dãy lệnh nhớ sẵn bên ➢ Đưa thơng tin ❖ Chương trình (Program): Dãy lệnh nằm nhớ để yêu cầu máy tính thực cơng việc cụ thể → Máy tính hoạt động theo chương trinh Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.1 Một số khái niệm nguyên lý Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.1 Một số khái niệm nguyên lý ❖ Phân loại máy tính ➢ Máy tính cá nhân (Personal Computers) ✓ Desktop computers, Laptop computers ✓ Máy tính đa dụng ➢ Máy chủ (Servers) – máy phục vụ ✓ Dùng mạng để quản lý cung cấp dịch vụ ✓ Hiệu độ tin cậy cao ✓ Hàng nghìn đến hàng triệu USD ➢ Siêu máy tính (Supercomputers) ✓ Dùng cho tính tốn cao cấp khoa học kỹ thuật ✓ Hàng triệu đến hàng trăm triệu USD Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.1 Một số khái niệm nguyên lý ❖ Phân loại máy tính ➢ ➢ ➢ ➢ Máy tính nhúng (Embedded Computers) ✓ Đặt ẩn thiết bị khác ✓ Được thiết kế chuyên dụng Thiết bị di động cá nhân (PMD - Personal Mobile Devices) ✓ Smartphones, Tablet ✓ Kết nối Internet Raspberry Pi Model B Điện tốn đám mây (Cloud Computing) ✓ Sử dụng máy tính qui mô lớn (Warehouse Scale Computers), gồm nhiều servers kết nối với ✓ Cho công ty thuê phần để cung cấp dịch vụ phần mềm Software as a Service (SaaS): phần phần mềm chạy PMD, phần chạy Cloud Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.1 Một số khái niệm nguyên lý ❖ Kiến trúc máy tính ➢ Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): Nghiên cứu máy tính theo cách nhìn người lập trinh ➢ Tổ chức máy tính (Computer Organization): Nghiên cứu thiết kế máy tính mức cao (thiết kế CPU, hệ thống nhớ, cấu trúc bus, ) ➢ Phần cứng (Hardware): Nghiên cứu thiết kế logic chi tiết công nghệ đóng gói máy tính Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.1 Một số khái niệm ngun lý ❖ Mơ hình phận lớp máy tính ➢ Phần mềm ứng dụng ✓ Được viết theo ngôn ngữ bậc cao Phần mềm ứng dụng Người sử dụng ➢ Phần mềm hệ thống ✓ Chương trình dịch (Compiler): dịch mã ngôn ngữ bậc cao thành ngôn ngữ máy ✓ Hệ điều hành (Operating System) Phần mềm hệ thống • Lập lịch cho nhiệm vụ chia sẻ tài nguyên • Quản lý nhớ lưu trữ • Điều khiển vào-ra ➢ Phần cứng Người lập trình Người lập trình hệ thống Phần cứng ✓ Bộ xử lý, nhớ ✓ Mô-đun vào-ra Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.1 Một số khái niệm nguyên lý ❖ Các mức mã chương trình ➢ Ngơn ngữ bậc cao ✓ Mức trừu tượng gần với vấn đề cần giải ✓ Hiệu linh động ➢ Hợp ngữ (Assembly) ✓ Mô tả lệnh dạng text ➢ Ngôn ngữ máy ✓ Mô tả theo phần cứng ✓ Lệnh liệu mã hóa theo nhị phận Các mức mã chương trình (nguồn10 [1]) Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.1 Một số khái niệm nguyên lý ❖ Các thành phần máy tính ➢ Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU) ✓ Điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu ➢ Bộ nhớ (Main Memory) ✓ Chứa chương trình thực ➢ Hệ thống vào/ra (Input/Output) ✓ Trao đổi thông tin máy tính với bên ngồi ➢ Bus hệ thống (System bus) ✓ Kết nối truyền tải thông tin 11 Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.1 Một số khái niệm nguyên lý ❖ Các thành phần máy tính 12 Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.2 Lịch sử phát triển ứng dụng máy tính ❖ 1990s: Máy tính dùng đèn điện tử chân khơng ➢ 1946: Máy tính ENIAC ➢ 1952: Máy tính IAS theo kiến trúc Von Neumann ❖ 1960s: Máy tính dùng transistors ❖ 1970s: Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI LSI ➢ SSI - Small Scale Integration ➢ MSI - Medium Scale Integration ➢ LSI - Large Scale Integration ❖ 1980s: Máy tính dùng vi mạch VLSI (Very Large Scale Integration) ❖ 1990s đến nay: Máy tính dùng vi mạch ULSI (Ultra Large Scale Integration) 13 Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ Tổ chức máy tính (Computer Organization): Đề cập đến khối chức kết nối chúng để thực đặc tả kiến trúc (nghĩa làm thực tính kiến trúc) THIẾT BỊ NGOẠI VI CPU BỘ NHỚ MODULE I/O BUS HỆ THỐNG 14 Chương Nhập môn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ CPU: ➢ Chức năng: Điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu ➢ Thành phần bản: ✓ CU (Control Unit) điều khiển hoạt động máy tính theo chương trình định sẵn ✓ ALU (Arithmetic & Logc Unit)thực phép toán số học logic liệu cụ thể ✓ RF (Register File) lưu trữ liệu tạm thời phục vụ cho hoạt động CPU ✓ BIU (Bus Interface Unit) kết nối trao đổi liệu Bus bên Bus bên CPU 15 Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ Tốc độ xung nhịp CPU: 16 Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ Thời gian thực CPU: 17 Chương Nhập môn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ Thời gian thực CPU: ➢ Bài tập 1: 18 Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ Số lệnh số chu kỳ lệnh: ➢ Số chu kỳ xung nhịp chương trình: 19 Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ Số lệnh số chu kỳ lệnh: ➢ Bài tập 2: 20 Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ Bộ nhớ: ➢ Chức năng: lưu trữ chương trình liệu.o ➢ Tổ chức : nhớ chia thành nhớ có kích thước đánh địa Mổi ô nhớ byte từ máy (word), word 1,2,4 hay byte tùy theo nhà sản xuất máy tính ➢ Thao tác : ✓ Đọc liệu (Read) ✓ Ghi liệu(write) ➢ Các thành phần chính: ✓ Bộ nhớ (Internal Memory) ✓ Bộ nhớ (External Memory) 21 Chương Nhập mơn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ Bộ nhớ trong: ➢ Chức đặc điểm: ✓ Chứa thông tin mà CPU trao đổi trực tiếp ✓ Tốc độ nhanh ✓ Dung lương không lớn ✓ Sử dụng nhớ bán dẫn ➢ Các loại nhớ trong: ✓ Bộ nhớ chính(Main Memory) : • RAM (Radom Access Memory) • ROM (Read Only Memory) ✓ Bộ nhớ Cache (Cache Memory) hay nhớ đệm 22 Chương Nhập môn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ Bộ nhớ ngồi: ➢ Chức đặc điểm: ✓ Lưu trữ tài nguyên phần mềm máy tính ✓ Được kết nối với hệ thống thiết bị vào ✓ Dung lượng lớn ( vài trăm GB) ✓ Tốc độ chậm ➢ Các loại nhớ: ✓ Bộ nhớ quang: CD, VCD, DVD,… ✓ Bộ nhớ bán dẫn: flash disk,… 23 Chương Nhập môn Kiến trúc máy tính 1.3 Tổ chức chung máy tính ❖ Thiết bị ngoại vi: ➢ Chức năng: giao tiếp máy tính với giới bên ngồi ➢ Nhiệm vụ: chuyển đổi dạng liệu từ bên thành liệu máy tính ngược lại ➢ Các thiết bị ngoại vi ✓ Thiết bị nhập (input devices): keyboard, mouse… ✓ Thiết bị xuất (output devices): monitor, printer… ✓ TB truyền thông (communication sevices) Modem, ✓ TB lưu trữ (storage devices) 24