Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 1: Mở đầu - Đoàn Thị Quế

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 1: Mở đầu - Đoàn Thị Quế

1. KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Computer Architecture GV: Đoàn Thị Quế Bộ môn: Kỹ thuật máy tính & mạng 1
2. Mục tiêu và thời lượng môn học  Kiến thức:  Sinh viên có kiến thức cơ bản về tổ chức, chức năng và nguyên lý hoạt động của các thành phần trong máy tính  Nắm vững cấu trúc của bộ xử lý trung tâm, diễn tiến thi hành lệnh, cấu trúc tập lệnh, các phương pháp định địa chỉ, cách thức vận hành của các loại bộ nhớ và cách giao tiếp giữa thiết bị ngoại vi và bộ xử lý.  Kĩ năng:  Hiểu được các hoạt động xử lý lệnh trong các kỹ thuật xử lý thông tin trong máy tính  Đánh giá được hiệu năng hoạt động của máy tính  Thái độ:  Nhận thức được tầm quan trọng của môn học, từ đó có thái độ nghiêm túc, ham thích học tập và rèn luyện.  Thời lượng: 2 tín chỉ 2
3. Nội dung  Chương 1: Mở đầu  Chương 2: Hệ thống máy tính  Chương 3: Biểu diễn thông tin trong máy tính  Chương 4: Bộ xử lý trung tâm  Chương 5: Hệ thống nhớ  Chương 6: Hệ thống vào ra 3
4. Yêu cầu và đánh giá môn học  Yêu cầu đối với sinh viên:  Dự lớp theo qui chế.  Hoàn thành các bài tập được giao.  Đánh giá môn học:  Chuyên cần: 10%  Đánh giá giữa kỳ: 30%  Thi cuối kỳ: 60% 4
5. Tài liệu tham khảo 1. Stallings, William. Computer organization and architecture: designing for performance. 2010, 8th edition. 2. Andrew S. Tanenbaum. Structured Computer Organization. 2013, 6th edition. 3. Hennessy, John L., and David A. Patterson. Computer architecture: a quantitative approach. 2012, 5th edition. 5
6. Chương 1: Mở đầu 1.1. Khái niệm và phân loại máy tính 1.2 Lịch sử phát triển của máy tính 1.3 Luật Moore 1.4 Kiến trúc và tổ chức 1.5 Đánh giá hiệu năng 6
7. 1.1 Khái niệm và phân loại máy tính 1. Khái niệm máy tính  Máy tính (Computer) là một thiết bị được sử dụng để thực hiện các phép biến đổi toán học, thí dụ: bàn tính, máy tính bỏ túi, máy vi tính  Ngày nay, khi nói đến máy tính chúng ra ngầm hiểu là máy vi tính 7
8. 1. Khái niệm máy tính  Máy tính thực hiện các công việc sau:  Nhận thông tin,  Xử lý thông tin theo chương trình nhớ sẵn bên trong,  Đưa thông tin ra. Máy tính hoạt động theo chương trình 8
9. 1. Khái niệm máy tính  Máy tính bao gồm:  Phần cứng (Hardware): gồm các đối tượng vật lý hữu hình như vi mạch, bản mạch in, dây cáp nối, bộ nhớ, màn hình,  Phần mềm (Software): gồm các thuật giải và sự thể hiện trên máy tính là các chương trình  Chương trình: gồm một tập các lệnh (hay chỉ thị - Instruction) nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện một công việc cụ thể  Phần sụn (Firmware): Là phần mềm được nhúng vào trong các mạch điện tử trong quá trình chế tạo các mạch điện tử này 9
10. 2. Phân loại máy tính  Thường phân loại theo tốc độ xử lý:  Phân loại truyền thống:  Siêu máy tính (Supercomputer)  Máy tính lớn (Mainframe computer)  Máy tính nhỏ (Minicomputer)  Máy vi tính (Microcomputer) 10
11. Siêu máy tính (Supercomputer)  Tốc độ xử lý rất nhanh  Tốc độ thực hiện các phép tính số dấu phẩy động (FLOPS – Floatting point Operations Per Second) cực lớn  Tham khảo: êu_máy_tí nh 11
12. Máy tính lớn (Mainframe computer)  Được thiết kế để giải các bài toán lớn với tốc độ rất nhanh  Sử dụng kỹ thuật xử lý song song với rất nhiều bộ xử lý, có hệ thống vào-ra mạnh, bộ nhớ dung lượng lớn  Thường được sử dụng để điều khiển các hệ thống thiết bị dùng trong quân sự, chương trình nghiên cứu vũ trụ, xử lý thông tin trong ngành ngân hàng, khí tượng, bảo hiểm 12
13. Máy tính nhỏ (Minicomputer)  Là dạng thu nhỏ về kích thước cũng như tính năng của máy tính lớn  Dùng cho các tính toán khoa học kỹ thuật, gia công dữ liệu qui mô nhỏ 13
14. Máy vi tính (Microcomputer)  Bộ xử lý trung tâm (CPU) là chip vi xử lý  Kích thước nhỏ  Tốc độ tính toán đủ cao  Phù hợp cho một người dùng  Còn được gọi là máy tính cá nhân PC (Personal computer) 14
15. Phân loại hiện đại  Máy tính cá nhân (Personal Computer)  Máy chủ (Server Computer)  Máy tính nhúng (Embedded Computer) 15
16. Máy tính cá nhân PC  Là loại máy tính phổ biến nhất  Các loại máy tính cá nhân:  Máy tính để bàn (Desktop)  Máy tính xách tay (Laptop) 16
17. Máy chủ (Server Computer)  Thực chất là máy phục vụ  Dùng trong mạng theo mô hình Client/Server  Tốc độ và hiệu năng tính toán cao  Dung lượng bộ nhớ lớn  Độ tin cậy cao 17
18. Máy tính nhúng (Embedded Computer)  Được đặt trong thiết bị khác để điều khiển thiết bị đó làm việc  Hệ thống sử dụng vi xử lý nhưng không phải là vi xử lý đa năng  Được thiết kế chuyên dụng  Ví dụ:  Điện thoại di động  Máy ảnh số  Bộ điều khiển trong máy giặt, điều hoà nhiệt độ  Router – bộ định tuyến trên mạng 18
19. Chương 1: Mở đầu 1.1. Khái niệm và phân loại máy tính 1.2 Lịch sử phát triển của máy tính 1.3 Luật Moore 1.4 Kiến trúc và tổ chức 1.5 Đánh giá hiệu năng 19
20. 1.2 Lịch sử phát triển của máy tính điện tử  Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1945-1955)  Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng các linh kiện bán dẫn như transistor (1955-1965)  Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI,MSI (1965-1980)  Thế hệ thứ tư (từ 1980 đến nay): Máy tính dùng vi mạch VLSI (Very Large Scale Integration), ULSI (Ultra Large Scale Integration)  Tham khảo: Stallings W., ”Computer organization and architecture: designing for performance,” Pearson, 2010, pp.17-38. 20
21. 1.2 Lịch sử phát triển của máy tính điện tử  Câu 1: Dựa vào yếu tố nào người ta phân chia máy tính thành các thế hệ?  Câu 2: Đặc trưng cơ bản của từng thế hệ máy tính? 21
22. Thế hệ thứ nhất (1946-1957)  Linh kiện là đèn điện tử chân không  Cấu trúc mạch rời  Bộ nhớ chính sử dụng rơ le điện  Thời gian thao tác cỡ ms  Thí dụ: ENIAC, IAS 22
23. Máy tính ENIAC  Máy tính điện tử đầu tiên  Bắt đầu từ năm 1943, hoàn thành năm 1946, sử dụng đến năm 1955 thì bị hỏng  Electronic Numerical Integrator And Computer (máy điện toán và tích hợp số dạng điện tử)  Dự án của Bộ Quốc phòng Mỹ  Do John Mauchly và John Presper Eckert ở Đại học Pennsylvania thiết kế. 23
24. Máy tính ENIAC (tiếp) 2  Nặng 30 tấn, Kích thước140 m  18000 đèn điện tử và 1500 rơle  5000 phép cộng/giây  Bộ nhớ chỉ lưu trữ dữ liệu  Lập trình bằng cách thiết lập vị trí của các chuyển mạch và các cáp nối. 24
25. Đèn điện tử chân không 25
26. Máy tính IAS  IAS - Institute for Advanced Studies  Do John Von Neumann thiết kế  Còn gọi là máy tính Von Neumann  Được bắt đầu từ 1946, hoàn thành 1952  Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình được lưu trữ” (stored-program concept) của Von Neumann/Turing (1945) 28
27. John von Neumann và máy tính IAS 29
28. Tổ chức máy tính Von Neumann Arithmetic  Bộ nhớ chính (Main logic unit memory) I/O  Đơn vị số học và logic Main Equipment (ALU-Arithmetic logic memory unit)  Đơn vị điều khiển (CU- Control unit ) Control unit  Các thiết bị vào/ra (I/O Equipment) 30
29. Các máy tính thương mại ra đời  UNIVAC I (Universal Automatic Computer)  1950s - UNIVAC II  Nhanh hơn  Bộ nhớ lớn hơn 31
30. UNIVAC UNIVAC I UNIVAC II 32
31. Hãng IBM  IBM – International Business Machine  1953 – IBM 701  Máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên của IBM  Sử dụng cho tính toán khoa học  1955 – IBM 702  Các ứng dụng thương mại 33
32. Thế hệ thứ hai (1958-1964)  Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947  Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn  Mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ được dùng  Thời gian thao tác cỡ µs 35
33. Thế hệ thứ ba 1965( -1971)  Máy tính dùng vi mạch cỡ SSI, MSI  Vi mạch (Integrated Circuit – IC): nhiều transistor và các phần tử khác được tích hợp trên một đế bán dẫn Loại vi mạch Số cổng/IC SSI (Small Scale Integration) 106  Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ 37
34. IBM 360 38
35. Micro VAX 39
36. Siêu máy tính CRAY-1 40
37. Hệ thống máy tính có thể di chuyển 41
38. Thế hệ thứ tư (từ 1972 - nay)  Máy tính dùng vi mạch cỡ LSI,VLSI,ULSI  Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU-central processing unit được chế tạo trên một chip.  Vi mạch điều khiển tổng hợp (chipset): một hoặc một vài vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép.  Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory): ROM, RAM  Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): Máy tính chuyên dụng được chế tạo trên một chip. 42
39. Chương 1: Mở đầu 1.1. Khái niệm và phân loại máy tính 1.2 Lịch sử phát triển của máy tính 1.3 Luật Moore 1.4 Kiến trúc và tổ chức 1.5 Đánh giá hiệu năng 43
40. 1.3 Luật Moore  Gordon Moore - người đồng sáng lập Intel  Luật Moore: “Số transistors trên chip sẽ tăng gấp đôi sau 18 tháng” 44
41. Kết quả của luật Moore  Kích thước các linh kiện nhỏ do đó máy tính sẽ giảm kích thước  Mật độ tích hợp cao hơn , do vậy đường dẫn ngắn hơn dẫn đến tăng tốc độ  Chi phí cho máy tính sẽ giảm  Điện năng tiêu thụ ít hơn  Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó tăng độ tin cậy 45
42. Chương 1: Mở đầu 1.1. Khái niệm và phân loại máy tính 1.2 Lịch sử phát triển của máy tính 1.3 Luật Moore 1.4 Kiến trúc và tổ chức 1.5 Đánh giá hiệu năng 46
43. Kiến trúc và tổ chức  Kiến trúc máy tính (computer architecture):  Đề cập đến những đặc tính của một hệ thống có thể nhìn thấy bởi người lập trình như: số lượng bit được sử dụng để đại diện cho nhiều loại dữ liệu (ví dụ: số, ký tự), kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture), kỹ thuật định địa chỉ bộ nhớ và cơ chế Input/Output.  Tổ chức máy tính (Computer Organization):  Đề cập đến các đơn vị hoạt động đó là các phần cứng và mối liên kết giữa chúng như tín hiệu điều khiển, giao diện giữa máy tính và thiết bị ngoại vi và các công nghệ bộ nhớ được sử dụng.  Lưu ý: Một vài máy tính có cùng kiến trúc phần mềm nhưng phần tổ chức khác nhau. 47
44. Các mô hình kiến trúc máy tính 48
45. Chương 1: Mở đầu 1.1. Khái niệm và phân loại máy tính 1.2 Lịch sử phát triển của máy tính 1.3 Luật Moore 1.4 Kiến trúc và tổ chức 1.5 Đánh giá hiệu năng 49
46. 1.5 Đánh giá hiệu năng  Tốc độ của máy tính được quyết định bởi những yếu tố nào? 50
47. 1.5 Đánh giá hiệu năng  Tốc độ của máy tính được quyết định bởi:  Tốc độ của bộ xử lý  Dung lượng của RAM  Kiến trúc tập lệnh  Hiệu quả của trình biên dịch  Kỹ năng lập trình  . 51
48. 1.5 Đánh giá hiệu năng  Tốc độ của bộ xử lý:  Số lệnh được thực hiện trong 1 giây MIPS (Million of Instructions per Second)  Khó đánh giá chính xác  Tốc độ của bộ xử lý được đánh giá gián tiếp thông qua tần số của xung nhịp  Bộ xử lý hoạt động theo một xung nhịp (Clock) có tần số xác định 52
49. 1.5 Đánh giá hiệu năng  Tốc độ đồng hồ (tần số xung nhịp): số dao động/s (Hz) Xung nhịp 53
50. 1.5 Đánh giá hiệu năng  CPI là số chu kỳ trung bình cho mỗi lệnh của một chương trình  f là tần số xung nhip 54
51. Câu hỏi ôn tập 1. Trình tự xử lý thông tin của máy tính điện tử là gì? 2. Hardware, software, firmware là gì? 3. Theo cách phân loại truyền thống có mấy loại máy tính? 4. Theo cách phân loại hiện đại có mấy loại máy tính? 55
52. Câu hỏi ôn tập 5. Dựa vào tiêu chuẩn nào người ta phân chia máy tính thành các thế hệ? Đặc trưng cơ bản của từng thế hệ máy tính? 6. Luật Moore và những thành quả của nó? 7. Phân biệt thuật ngữ kiến trúc máy tính (computer architecture) và tổ chức máy tính (computer organization). 8. So sánh mô hình kiến trúc máy tính Von Neumann và Harvard? 56
53. Câu hỏi ôn tập 9. Tìm hiểu các đặc tính cơ bản của các loại máy tính sau: Microcontroller, Mobile and game computers, Personal computer, Server, Mainframe.  Ref. Tanenbaum, A.S., Austin T. Structured computer organization. Pearson, 2013, pp. 31- 39. 57
54. Hết chương 1 58