Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Hệ thống máy tính - Đoàn Thị Quế

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Hệ thống máy tính - Đoàn Thị Quế

1. CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MÁY TÍNH 1
2. Nội dung 2.1 Cấu trúc và chức năng của máy vi tính 2.2 Liên kết hệ thống 2.3 Các hoạt động cơ bản của máy tính 2
3. 2.1 Cấu trúc và chức năng của máy vi tính  Cấu trúc (structure) là cách thức mà các thành phần liên kết với nhau  Chức năng (function) là sự vận hành của từng thành phần của cấu trúc 3
4. Chức năng của máy vi tính  Xử lý dữ liệu (Data processing)  Lưu trữ dữ liệu (Data storage)  Vận chuyển dữ liệu (Data movement)  Điều khiển (Control) 4
5. Mô hình chức năng máy vi tính Data movements:  input–output (I/O)  data communications 5
6. Cấu trúc máy tính ở mức cao nhất Computer Central Main Processing Memory Unit Computer System Interconnection Input Output 6
7. Cấu trúc máy tính ở mức cao nhất 7
8. Bộ xử lý trung tâm (CPU)  Chức năng:  Điều khiển hoạt động của máy tính  Xử lý dữ liệu  Nguyên tắc hoạt động cơ bản:  CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ  Các thành phần:  Phần thi hành lệnh: ALU và các thanh ghi  Phần điều khiển: CU 8
9. Bộ nhớ chính  Chức năng: Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp  Dạng thông tin lưu trữ: Thông tin lưu trữlà các lệnh và số liệu được mã hóa thành số nhị phân  Tổ chức của bộ nhớ: Gồm các ngăn nhớ, mỗi ngăn nhớ chứa một số bit nhất định và được đánh địa chỉ 9
10. Hệ thống vào/ra (Input/Output System)  Chức năng: trao đổi thông tin giữa máy tính với người dùng hay giữa các máy tính trong hệ thống mạng  Các thành phần chính  Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)  Các modul vào/ra (I/O Modules) 10
11. Nội dung 2.1 Cấu trúc và chức năng của máy vi tính 2.2 Liên kết hệ thống 2.3 Các hoạt động cơ bản của máy tính 11
12. 1.2 Liên kết hệ thống 1. Kết nối thông tin trong máy tính: 12
13. Kết nối theo kiểu bus  Tất cả các đầu vào ra của một bit thông tin của các module được kết nối chung vào một đường truyền  Bus: làtập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin giữa các module của máy tính với nhau  Số đường dây của bus có thể truyền các bit thông tin đồng thời được gọi là độ rộng bus (chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu) 13
14. Phân loại bus  Theo tín hiệu truyền trên bus  Bus địa chỉ (Address bus)  Bus dữ liệu (Data bus)  Bus điều khiển (Control bus)  Theo nghi thức truyền thông  Bus đồng bộ (Synchronous bus)  Bus không đồng bộ (Asynchronous bus) 14
15. Phân loại theo tín hiệu truyền trên bus  Bus địa chỉ (Address bus)  Bus dữ liệu (Data bus)  Bus điều khiển (Control bus) 15
16. Bus địa chỉ  Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác định ngăn nhớ hay cổng vào/ra  Độ rộng bus địa chỉ: Xác định không gian địa chỉ của bộ nhớ  n bit: An-1, An-2, A2, A1, A0 n  có thể đánh địa chỉ tối đa cho 2 ngăn nhớ  Ví dụ: Bộ xử lý Pentium có bus địa chỉ 32 bit có khả năng đánh địa chỉ cho 232 bytes nhớ (4 GBytes) (ngăn nhớ tổ chức theo byte) 16
17. Bus dữ liệu  Chức năng:  Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU  Vận chuyển dữ liệu giữa CPU, module nhớ, module vào/ra với nhau  Độ rộng bus dữ liệu: Xác định số bit dữ liệu có thể được trao đổi đồng thời  M bit: DM-1, DM-2, D2, D1, D0  M thường là: 8, 16, 32, 64, 128 bit 17
18. CPU 16 bit (8086, 8088, 80286)  Bus dữ liệu  16 bit: 8086/80286  8 bit: 8088  Bus địa chỉ  20 bit: 8086/8088  24 bit: 80286 18
19.  CPU 32 bit: 80386/80486  Bus dữ liệu: 32 bit  Bus địa chỉ: 32 bit 19
20. Bus điều khiển  Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển  Các loại tín hiệu điều khiển:  Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi  Các tín hiệu điều khiển ngắt  Các tín hiệu điều khiển bus 20
21. Một số tín hiệu điều khiển điển hình  Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển đọc/ghi:  Memory Read (MEMR): điều khiển đọc dữ liệu từ một ngăn nhớ có địa chỉ xác định lên bus dữ liệu  Memory Write (MEMW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus dữ liệu đến một ngăn nhớ có địa chỉ xác định  I/O Read (IOR): điều khiển đọc dữ liệu từ một cổng vào/ra có địa chỉ xác định lên bus dữ liệu  I/O Write (IOW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus dữ liệu ra một cổng có địa chỉ xác định. 21
22. Một số tín hiệu điều khiển điển hình  Các tín hiệu điều khiển ngắt:  Interrupt Request (INTR): tín hiệu từ bộ điều khiển vào/ra gửi đến yêu cầu ngắt CPU để trao đổi vào/ra, INTR là tín hiệu che được  Non Maskable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt không che được gửi đến CPU  Interrupt Acknowledge (INTA): tín hiệu phát ra từ CPU báo cho bộ điều khiển vào/ra biết CPU chấp nhận ngắt để trao đổi vào/ra  Reset: tín hiệu từ bên ngoài gửi đến CPU và các thành phần khác để khởi động lại máy tính. 22
23. Một số tín hiệu điều khiển điển hình  Các tín hiệu điều khiển bus:  Bus Request (BRQ) hay là Hold: tín hiệu từ modul điều khiển vào/ra gửi đến yêu cầu CPU chuyển nhượng quyền sử dụng bus  Bus Grant (BGT) hay là Hold Acknowledge (HLDA): tín hiệu phát ra từ CPU chấp nhận quyền sử dụng bus  Lock: tín hiệu khóa không cho xin chuyển nhượng bus 23
24. Phân loại bus theo nghi thức truyền thông  Bus đồng bộ:  Bus có đường tín hiệu Clock  Các sự kiện trên bus được định nhịp bởi xung nhịp Clock  Mỗi một sự kiện xảy ra trong một số nguyên lần chu kỳ xung nhịp gọi là chu kỳ bus  Bus không đồng bộ  Không có đường tín hiệu Clock  Kết thúc một sự kiện này trên bus sẽ kích hoạt cho một sự kiện tiếp theo 24
25. Tần số bus  Bus đồng bộ: cần một bộ dao động tạo các xung nhịp cho bus  Tần số nhịp đo theo đơn vị Hz  Hz = số nhịp/s  Khz = 1000Hz  Mhz = 1000 Khz  Ghz = 1000 Mhz 25
26. 2. Cấu trúc bus (bus structure)  Cấu trúc đơn bus  Cấu trúc đa bus 26
27. Cấu trúc đơn bus 27
28. Các vấn đề xảy ra với cấu trúc đơn bus  Khi có nhiều thiết bị cùng yêu cầu sử dụng bus sẽ xảy ra:  Độ trễ bus  Tắc nghẽn bus  Hầu hết các hệ thống sử dụng cấu trúc đa bus 28
29. Cấu trúc đa bus  Tổ chức thành nhiều bus trong hệ thống máy tính  Bus cho bộxử lývà bộ nhớ chính  Bus cho các thiết bị ngoại vi 29
30. Cấu trúc bus truyền thống 30
31. Cấu trúc bus hiệu năng cao 31
32. Hoạt động của bus hệ thống  Mọi tác vụ trên bus xảy ra trong một số nguyên lần chu kỳ xung nhịp và được gọi là chu kỳ bus  4 chu kỳ bus cơ bản:  Đọc bộ nhớ (memory Read)  Ghi bộ nhớ (memory Write)  Đọc I/O (I/O Read)  Ghi I/O (I/O Write) 32
33. Các hoạt động trong một chu kỳ bus  Bước 1: chiếm quyền sử dụng bus  Bước 2: gửi địa chỉ qua bus địa chỉ, (gửi dữ liệu lên bus dữ liệu), vàyêu cầu qua bus điều khiển  Bước 3 : truyền dữ liệu từ địa chỉ đã được định vị 33
34. Ví dụt hao tác CPU đọc 1 ô nhớ trong bộ nhớ Địa chỉ ô nhớ Bus địa chỉ 1 chiều CPU Bộ nhớ I/O Bus Nội dung ô nhớ 2 chiều dữ liệu _ Bus R/W=1 ___ đk ready 34
35. Chu kỳ Bus 35
36. 3. Phân xửbus  Một số khái niệm:  Chủbus (Bus Master): các thiết bị đòi hỏi truyền thông tin trên bus  Tớ bus (Bus Slave): các thiết bị thụ động chờ yêu cầu từ các thiết bị khác  Chỉ cho phép một module làm chủ bus ở một thời điểm Cần phải phân xử bus  Phân xử bus có thể là:  Phân xử tập trung  Phân xử không tập trung (phân xử phân tán) 36
37. a. Phân xửbus tập trung 37
38. b. Phân xửbus phân tán  Không cần xử dụng một đơn vị riêng làm trọng tài bus giảm giá thành phần cứng  Mỗi module có thể chiếm bus 38
39. b. Phân xửbus phân tán 39
40. Nội dung 2.1 Cấu trúc và chức năng của máy vi tính 2.2 Liên kết hệ thống 2.3 Các hoạt động cơ bản của máy tính 40
41. 2.3 Hoạt động cơ bản của máy tính  Thực hiện chương trình  Hoạt động ngắt  Hoạt động vào/ra 41
42. 1. Thực hiện chương trình  Là hoạt động cơ bản của máy tính  Chu trình lệnh:  Nhận lệnh (Fetch Instruction– FI)  Thực hiện lệnh (Execute Instruction – EI)  Thực hiện chương trình bị dừng nếu thực hiện lệnh bị lỗi hoặc gặp lệnh dừng. 42
43. Nhận lệnh PC-Program Counter IR-Instruction Register 43
44. Thực hiện lệnh  CPU giải mã lệnh đã được nhận  Phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao tác mà lệnh yêu cầu  Các kiểu thao tác của lệnh:  Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính  Trao đổi dữ liệu giữa CPU và module vào/ra  Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán sốhọc hoặc phép toán logic với các dữ liệu  Điều khiển 44
45. Ví dụ về thực hiện chương trình contents of memory and registers in hexadecimal 45
46. 2. Ngắt (Interrupt)  Khái niệm: ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là chương trình con phục vụ ngắt  Nguyên nhân gây ngắt:  Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi nguồn  Ngắt do module vào/ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu.  Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho 0 46
47. Hoạt động ngắt  Sau khi hoàn thành một lệnh, bộ xử lý kiểm tra ngắt  Nếu không có ngắt bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của chương trình hiện tại  Nếu có tín hiệu ngắt:  Tạm dừng chương trình đang thực hiện  Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt)  Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt  Chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt  Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh và tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng. 47
48. Hoạt động ngắt (tiếp) 48
49. Chu trình thực hiện lệnhcó ngắt 49
50. Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt  Xử lý ngắt tuần tự:  Các ngắt được thực hiện tuần tự  Khi một ngắt đang được thực hiện, các ngắt khác sẽ bị cấm  Các ngắt khác vẫn đang đợi và được kiểm tra sau khi ngắt đầu tiên được xử lý xong  Xử lý ngắt ưu tiên  Các ngắt được định nghĩa mức ưu tiên khác nhau  Ngắt có mức ưu tiên thấp hơn có thể bị ngắt bởi ngắt ưu tiên cao hơn 50
51. Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt 51
52. 3. Hoạt động vào/ ra  Hoạt động vào/ra: là hoạt động trao đổi dữ liệu giữa module vào/ra với bên trong máy tính  Các kiểu hoạt động vào-ra:  Module vào/ra trao đổi dữ liệu với CPU  Module vào/ra trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ chính (DMA- Direct Memory Access) 52
53. Hết chương2 53