Bài giảng môn Kiến trúc máy tính - Chương 1: Tổng quan về kiến trúc máy tính

Nội dung text: Bài giảng môn Kiến trúc máy tính - Chương 1: Tổng quan về kiến trúc máy tính

1. Chương 1 Tổng quan về Kiến trúc máy tính 1
2. Nội dung • Các khái niệm và định nghĩa cơ bản • Nguyên lý họat động • Nội dung môn học • Phân lọai máy tính • Lịch sử phát triển máy tính • Tổ chức tổng quát máy tính 2
3. Các khái niệm và định nghĩa • Máy tính (Computer) – Máy tính là thiết bị điện tử xử lý dữ liệu, hoạt động một cách tự động dưới sự điều khiển của chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ chính của nó. 3
4. Các khái niệm và định nghĩa • Hệ thống máy tính (Computer system) – Một hệ thống máy tính bao gồm một máy tính và các thiết bị ngoại vi. • Thiết bị ngoại vi (Peripherals) – Bao gồm các thiết bị nhập (input devices), thiết bị xuất (output devices) và bộ nhớ thứ cấp (secondary storage). 4
5. Các khái niệm và định nghĩa • Chương trình (program) – Danh sách các lệnh (command) hoặc chỉ thị (instruction) để bộ xử lý trong máy tính thi hành. • Lệnh và tập lệnh – Bộ xử lý (CPU) trong máy tính đuợc thiết kế để hiểu và thi hành được các lệnh được thiết kế truớc của nhà sản xuất CPU – Tập hợp tất cả các lệnh CPU hiểu đuợc gọi là tập lệnh (instruction set) của CPU đó 5
6. Các khái niệm và định nghĩa • Lập trình (programming) – Việc viết 1 chương trình cho máy tính chạy gọi là lập trình. Người viết chương trình gọi là lập trình viên (programmer) – Máy tính không thể tự nó giải được 1 bài tóan vì cần có chương trình do con người viết ra. – Người lập trình phải biết cách giải bài toán mới có thể viết chương trình cho máy giải được. • Xử lý dữ liệu (data processing) – Bao gồm các thao tác: Thu thập, nhập, lưu trữ, tìm kiếm, tính tóan, trình bày kết quả. – Hệ thống máy tính cần có con người tham gia. 6
7. Các khái niệm và định nghĩa • Ngôn ngữ lập trình – Ngôn ngữ tự nhiên (natural language): • Do con nguời sử dụng. Lệ thuộc ngữ cảnh, không có tính chính xác và nhất quán cần thiết cho máy tính • Không sử dụng được cho máy tính – Ngôn ngữ máy (machine language) • Là các ký hiệu nhị phân (số 0 và 1) mà các linh kiện điện tử trong máy tính hiểu và xử lý được. • Rất khó khăn khi con nguời sử dụng trực tiếp. – Ngôn ngữ dùng ký hiệu/ Hợp ngữ Symbolic language/ Assembly language dạng ký hiệu/gợi nhớ của tập lệnh CPU – Ngôn ngữ lập trình (programming language) • Là trung gian giữa ngôn ngữ tự nhiên và ngôn ngữ máy. 7
8. Các khái niệm và định nghĩa Con nguời Máy tính Ngôn ngữ Ngôn ngữ Ngôn ngữ Tự nhiên Lập trình Máy Ngôn ngữ Ngôn ngữ Cấp cao Cấp thấp HLL LLL High Level Language Low Level Language 8
9. Các khái niệm và định nghĩa • Chương trình dịch (translator) – Máy tính không hiểu đuợc ngôn ngữ lập trình và ngôn ngữ tự nhiên – Cần phải dịch ngôn ngữ lập trình do con nguời viết ra ngôn ngữ máy để máy tính thi hành – Việc dịch có thể thực hiện tự động thông qua 1 chương trình gọi là chương trình dịch – Bao gồm 2 loại: • Trình Biên dịch (Compiler) • Trình Thông dịch (Interpreter) 9
10. Các khái niệm và định nghĩa • Thành phần máy tính – Phần cứng (hardware) • Bộ xử lý CPU • Bộ nhớ (Memory) • Thiết bị ngoại vi – Phần mềm (software) • Hệ thống (system software) • Ứng dụng (application software) – Phần dẻo (firmware) • Trung gian giữa phần cứng và phần mềm 10
11. Nguyên lý họat động • Mô hình Turing – Là một mô hình máy tính lý thuyết do nhà toán học nguời Anh Alan Turing đưa ra năm 1936 gọi là máy Turing – Dùng để kiểm tra khả năng giải các lọai bài toán khác nhau bằng các thuật toán trên máy móc – Luận đề Church-Turing khẳng định mọi hàm toán học tính được thì cũng có thể dùng các máy Turing để tính, và do đó cho phép định nghĩa các khái niệm như sự tính được của hàm hay thuật toán. 11
12. Nguyên lý họat động • Máy Turing – Gồm 1 dải băng dài vô hạn có nhiều ô. – 1 đầu đọc/ghi để đọc/ ghi từng ký tự hoặc dịch chuyển trên 1 ô của dải băng. – 1 khối xử lý chứa tập các trạng thái 12
13. Nguyên lý họat động • Nguyên lý hoạt động máy Turing – Máy làm việc theo từng bước rời rạc. Một lệnh của máy như sau : qiSiSjXqj. – Nghĩa là : trạng thái hiện hành của máy là qi đầu đọc ghi đang ở ô Si thì sẽ ghi đè Sj vào ô hiện tại và dịch chuyển hoặc đứng yên theo chỉ thị là X và trạng thái mới của máy là qj – Dữ liệu của bài toán là 1 chuỗi các ký hiệu thuộc tập các ký hiệu của máy không kể ký hiệu rỗng b – Trạng thái trong ban đầu của máy là q0 .được cất vô băng. Quá trình sẽ dừng lại khi trạng thái trong của máy là trạng thái kết thúc qf. 13
14. Nguyên lý họat động • Ví dụ máy Turing – Thực hiện phép toán NOT trên chuỗi các bit 0/1 – Chuỗi dữ liệu nhập ban đầu là 10 – Tập các ký hiệu của máy {0,1} – Tập các trạng thái trong {q0, q1} – Tập lệnh gồm 3 lệnh : q001Rq0, q010Rq0, q0bbNq1 q0 Ban đầu q0 1 0 b 0 0 b q1 q0 Dừng 0 1 b 0 1 b Kết quả 01 14
15. Nguyên lý họat động • Mô hình Von Neumann – Là một mô hình máy tính thực tế do nhà toán học người Mỹ gốc Hungary John Von Neumann đưa ra khi tham gia thiết kế máy tính EDVAC năm 1945. - Máy gồm 3 khối cơ bản : đơn vị xử lý, bộ nhớ và hệ thống xuất nhập. - Hiện đang áp dụng cho các máy tính ngày nay. 15
16. Nguyên lý họat động • Nguyên lý Von Neumann – Chương trình điều khiển xử lý dữ liệu cũng được xem là data và được lưu trữ trong bộ nhớ gọi là chương trình lưu trữ. – Bộ nhớ chia làm nhiều ô, mỗi ô có 1 địa chỉ (đánh số thứ tự) để có thể chọn lựa ô nhớ trong quá trình đọc ghi dữ liệu. (nguyên lý định địa chỉ) – Các lệnh được thực hiện tuần tự nhờ 1 bộ đếm chương trình (thanh ghi lệnh) nằm bên trong đơn vị xử lý. 16
17. Nguyên lý họat động • Sơ đồ máy tính Von Neumann CPU Bộ nhớ chính Đọc lệnh Lưu trữ thông tin Phân tích lệnh Nơi chứa chương trình Thực thi lệnh để CPU đọc và thực thi Khối xuất nhập ❑ Giao tiếp với môi trường bên ngoài ❑ Xuất nhập dữ liệu, bộ nhớ phụ 17
18. Nguyên lý họat động • Kiến trúc Harvard • Được sử dụng trong máy Harvard Mark I (IBM 1944) • Bao gồm 2 khối bộ nhớ riêng biệt: • Bộ nhớ lệnh chương trình • Bộ nhớ dữ liệu • Máy tính Von Neumann ngày nay chỉ sử dụng 1 khối bộ nhớ chung cho cả chương trình và dữ liệu • Tuy nhiên một số loại máy có sử dụng kiến trúc Harvard 18
19. Nguyên lý họat động • Tại sao sử dụng kiến trúc Von Neumann? – Tạo ra các máy tính đa năng, lập trình được • Giải các bài toán khác nhau bằng các chương trình khác nhau. – Các lệnh chương trình được thi hành 1 cách tự động – Máy tính có thể chế tạo từ các linh kiện điện tử cơ bản • Chức năng xử lý dữ liệu thực hiện bằng các cổng logic • Chức năng lưu trữ dữ liệu thực hiện qua các ô nhớ • Chức năng truyền dữ liệu thực hiện qua các đường truyền dẫn điện 19
20. Nội dung môn học • Cung cấp các kiến thức cơ bản về nguyên lý hoạt động và tổ chức ở các máy tính số – Vấn đề đánh giá hiệu suất – Kiến trúc tập lệnh – Tính toán số học – Đường đi dữ liệu và tín hiệu điều khiển – Hệ thống bộ nhớ – Giao tiếp với ngoại vi 20
21. Nội dung môn học • Mục đích môn học – Nắm vững các kiến thức cơ bản về tổ chức và hoạt động của máy tính số – Làm nền tảng để tìm hiểu cấu trúc của các phần tử khác nhau trong một máy tính số – Vận dụng để thiết kế, cải tạo, sửa chữa các hệ thống ứng dụng vi xử lý–vi điều khiển, vi mạch, hệ thống nhúng – Vận dụng vào thiết kế, cải tạo các hệ thống phần mềm sao cho hoạt động hiệu quả, phù hợp với kiến trúc phần cứng 21
22. Nội dung môn học • Sự phân cấp máy tính theo Tanenbaum Chương trình Ln được dịch hay phiên Cấp n Máy ảo Mn với ngôn ngữ máy Ln dịch chạy trên máy cấp thấp hơn Máy ảo M4 với ngôn ngữ máy L4 Chương trình L3 Cấp 4 được dịch hay phiên dịch chạy trên M1 Cấp 3 Máy ảo M3 với ngôn ngữ máy L3 hay M2 Chương trình L2 được dịch hay phiên Máy ảo M2 với ngôn ngữ máy L2 Cấp 2 dịch chạy trên M1 Chương trình L1 Cấp 1 Máy thật M1 với ngôn ngữ máy L1 được thi hành trực tiếp trên phần cứng 22
23. Nội dung môn học • Sự phân cấp máy tính theo Tanenbaum (tiếp) Cấp 5 Cấp ngôn ngữ hướng vấn đề Dịch (compiler) Cấp 4 Cấp ngôn ngữ hợp dịch Dịch (assembler) Cấp 3 Cấp máy hệ điều hành Dịch một phần Cấp 2 Cấp máy quy ước Phiên dịch (hoặc thực thi trực tiếp) Cấp 1 Cấp vi lập trình Vi chương trình chạy trên phần cứng Cấp 0 Cấp logic số 23
24. Nội dung môn học • Các quan niệm về máy tính theo thời gian Application Algorithm Programming Language Parallel computing, Original Operating System/Virtual Machines security, domain of the Domain of Instruction Set Architecture (ISA) computer recent architect Microarchitecture computer (‘50s-’80s) architecture Gates/Register-Transfer Level (RTL) (‘90s) Circuits Reliability, power, Devices Physics Reinvigoration of computer architecture, 24 mid-2000s onward.
25. Nội dung môn học • Các thuật ngữ thuờng gặp: – Cấu trúc máy tính (computer structure) – Kiến trúc máy tính (computer architechture) – Tổ chức máy tính (computer organization) • Kiến trúc máy tính liên quan đến các thuộc tính của một hệ thống máy tính có khả năng thấy được đối với người lập trình, hoặc các thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp đến logic thực hiện của chương trình (phần mềm) 25
26. Nội dung môn học • Tổ chức máy tính liên quan đến các khối chức năng và sự kết nối giữa chúng để thực hiện các đặc tả kiến trúc (nghĩa là làm thế nào hiện thực các tính năng kiến trúc) • Ví dụ: Tín hiệu điều khiển, giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi, công nghệ bộ nhớ, (phần cứng) 26
27. Nội dung môn học • Vị trí KTMT và TCMT 27
28. Nội dung môn học • So sánh KTMT và TCMT – Ví dụ chức năng “nhân”: • Kiến trúc: có hay không có lệnh nhân. • Tổ chức: một đơn vị thực hiện chức năng “nhân” đặc biệt hay việc dùng nhiều đơn vị “cộng” để thực hiện chức năng “nhân”. • Nhiều nhà sản xuất máy tính đưa ra dòng (họ) các mẫu máy tính, các máy này có cùng kiến trúc nhưng khác nhau về mặt tổ chức – Tất cả máy tính họ x86 của Intel có cùng kiến trúc cơ bản – Họ System/370 của IBM có cùng kiến trúc cơ bản • Điều này dẫn đến – Nhiều máy khác nhau trong cùng họ có giá thành và hiệu suất khác nhau – Tổ chức sẽ thay đổi theo công nghệ • Tương thích về chương trình • Tối thiểu đối với các máy thế hệ trước (backward) 28
29. Nội dung môn học • Tại sao học KTMT ? – Để trở thành chuyên nghiệp trong lĩnh vực máy tính ngày nay, bạn không nên xem máy tính như một hộp đen (black box) thực hiện các chương trình bằng ma thuật. – Bạn nên hiểu các thành phần chức năng của một hệ thống máy tính, đặc tính, hiệu suất và tương tác của chúng. – Bạn cần hiểu rõ kiến trúc máy tính để có thể xây dựng các chương trình chạy hiệu quả trên máy tính. – Khi chọn lựa để dùng một hệ thống, bạn phải có khả năng hiểu được ưu và nhược điểm của các thành phần khác nhau, ví dụ tốc độ xung nhịp CPU so với kích thước bộ nhớ. 29
30. Nội dung môn học • Cấu trúc và Chức năng – Nhận biết bản chất phân cấp của các hệ thống phức tạp nhất • Hệ thống phân cấp là tập hợp các hệ thống con có quan hệ với nhau, sao cho mỗi hệ thống con này lại có tính phân cấp về cấu trúc như vậy, cho đến khi chúng ta đạt đến hệ thống con nguyên tử thấp nhất – Cấu trúc là cách mà các thành phần quan hệ với các thành phần khác – Chức năng là tác vụ của các thành phần chức năng riêng biệt nằm trong cấu trúc – Theo cách mô tả, có 2 cách tiếp cận • Bottom-up • Top-down 30
31. Nội dung môn học • Chức năng Máy tính – Xử lý dữ liệu (Data processing) – Lưu trữ dữ liệu (Data storage) – Dịch chuyển dữ liệu (Data movement) – Điều khiển (Control) 31
32. Nội dung môn học • Các tác vụ Dịch chuyển dữ liệu Lưu trữ dữ liệu Xử lý dữ liệu 32
33. Nội dung môn học • Cấu trúc - Top Level Peripherals Computer Central Main Processing Memory Unit Computer Systems Interconnection Input Output Communication lines 33
34. Nội dung môn học • Cấu trúc - CPU CPU Computer Arithmetic Registers and I/O Login Unit System CPU Bus Internal CPU Memory Interconnection Control Unit 34
35. Nội dung môn học • Cấu trúc – Bộ điều khiển 35
36. Phân lọai máy tính • Theo công nghệ • Theo khả năng xử lý – Máy tính tương tự – Máy vi tính (micro (analog) computer) – Máy tính số (digital) – Máy mini (mini computer) • Theo mức độ sử dụng – Máy tính lớn (main frame) – Siêu máy tính (super – Máy chuyên dụng computer) – Máy đa dụng • Theo thế hệ • Theo nguyên lý họat – Thế hệ 1 động – Thế hệ 2 • Von Neumann – Thế hệ 3 • Phi Von Neumann – Thế hệ 4 36
37. Phân lọai máy tính • Bài tập phân biệt các lọai máy tính sau: – Workstation – Client – Server – Desktop – Laptop – Palmtop – Terminal – 37
38. Lịch sử phát triển máy tính The zeroth generation The first generation The second generation The third generation The fourth generation 38
39. Lịch sử phát triển máy tính • Thế hệ 1 (1945-1955) – Công nghệ chế tạo: Đèn điện tử – Phần cứng: chưa có. Sau này xuất hiện băng giấy và phiếu đục lỗ. Chỉ có 1 lọai máy mainframe. – Ngôn ngữ lập trình: chưa có, sử dụng ngôn ngữ máy – Hệ điều hành: chưa có – Các máy điển hình: ENIAC, EDVAC, IAS – Đặc điểm: tính toán chậm, kích thức lớn, tiêu thụ nhiều năng luợng. Chế tạo đơn lẻ. 39
40. Lịch sử phát triển máy tính • Thế hệ 2 (1955-1965) – Công nghệ chế tạo: Transistor – Phần cứng: Băng từ, máy in. Xuất hiện máy mini – Ngôn ngữ lập trình: Assembly, Fortran, Cobol – Hệ điều hành: Đơn giản (Control program, Monitor). Xử lý theo lô, xử lý offline. – Các máy điển hình: PDP-1, IBM 7094, CDC 6600 – Đặc điểm: Tốc độ nhanh hơn, kích thức thu hẹp nhưng vẫn còn lớn, tiêu thụ ít năng luợng hơn. Sản xuất hàng lọat theo đơn đặt hàng. 40
41. Lịch sử phát triển máy tính • Thế hệ 3 (1965-1980) – Công nghệ chế tạo: Mạch tích hợp IC – Phần cứng: Màn hình, đĩa cứng. Xuất hiện siêu máy tính. Xuất hiện họ các máy tính. – Ngôn ngữ lập trình: Phát triển mạnh: Algol , Pascal, C – Hệ điều hành: Xử lý đa chương, chia sẻ thời gian, xuất hiện UNIX – Các máy điển hình: IBM/360, DEC PDP-11, Cray-1 – Đặc điểm: Tốc độ nhanh, kích thức nhỏ, tiêu thụ ít năng luợng, ngày càng dễ sử dụng 41
42. Lịch sử phát triển máy tính • Thế hệ 4 (1980 - nay) – Công nghệ chế tạo: Mạch tích hợp IC cỡ lớn (VLSI). Độ tích hợp ngày càng cao theo định luật Moore – Phần cứng: Phát triển đa dạng. Xuất hiện máy vi tính. – Ngôn ngữ lập trình: Phát triển mạnh hơn và dễ lập trình hơn: C++, Java, Prolog, Lisp – Hệ điều hành: Đồ họa, mạng, đa xử lý, xử lý phân tán – Các máy điển hình: IBM PC, Mac – Đặc điểm: Tốc độ rất cao, kích thức rất nhỏ, thân thiện với con nguời, hỗ trợ multimedia, 42
43. Lịch sử phát triển máy tính • Định luật Moore – Do Gordon Moore, người đồng sáng lập công ty Intel đưa ra từ 1965: “Số lượng transistor trong 1 chip tăng gấp đôi sau 18 tháng” 43
44. Lịch sử phát triển máy tính • Tại sao chưa có thế hệ 5? – Dự án máy tính thế hệ 5 của Nhật bản – Xuất hiện máy vi tính – Xuất hiện mạng Internet tòan cầu – Xuất hiện các siêu máy tính cực mạnh – Máy tính đã xâm nhập vào mọi lĩnh vực trong đời sống con nguời 44
45. Tổ chức tổng quát máy tính • Sơ đồ tổ chức tổng quát THIẾT BỊ NGỌAI VI CPU BỘ NHỚ ĐIỀU KHIỂN BUS HỆ THỐNG 45
46. Tổ chức tổng quát máy tính • CPU – Chức năng: Điều khiển mọi họat động bên trong MT và thực hiện các phép tính – Thành phần: • CU (Control Unit) • ALU (Arithmetic & Logic Unit) • Các thanh ghi (Registers) – Khả năng xử lý : bit • 8, 16, 32, 64 bit – Tốc độ xử lý (tính toán): ??? 46
47. Tổ chức tổng quát máy tính • CPU (tiếp) – Nhiệm vụ: thi hành chương trình – Chu trình lệnh: Lấy lệnh, thi hành lệnh 47
48. Tổ chức tổng quát máy tính • Bộ nhớ (memory) – Chức năng: Lưu trữ dữ liệu và chương trình trong máy tính – Tổ chức : Bộ nhớ đuợc chia ra các ô có kích thước bằng nhau. Mỗi ô có thể lưu trữ 1 byte hoặc 1 từ máy (word). 1 word có thể chứa 2, 4, 8, 16, byte tùy theo nhà sản xuất máy tính. – Cần địa chỉ (address) để gán cho các ô nhớ. Mục đích để phân biệt các ô nhớ với nhau khi truy cập dữ liệu – Phân lọai bộ nhớ: • RAM (Random Access Memory) • ROM (Read Only Memory) • Cache 48
49. Tổ chức tổng quát máy tính • Bộ nhớ (tiếp) – Phân cấp bộ nhớ – Khác biệt: Dung lượng, tốc độ truy cập, giá thành 49
50. Tổ chức tổng quát máy tính • Bộ nhớ (tiếp) – Đặc điểm các loại bộ nhớ 50
51. Tổ chức tổng quát máy tính • Bộ nhớ (tiếp) – Các mức cache 51
52. Tổ chức tổng quát máy tính • Thiết bị ngọai vi (peripherals) – Chức năng: giao tiếp giữa máy tính với thế giới bên ngoài (con người) – Nhiệm vụ: chuyển đổi dạng dữ liệu giữa con người và máy tính – Phân loại: • Thiết bị nhập (input devices) • Thiết bị xuất (output devices) • Thiết bị truyền thông (communication devices) • Thiết bị lưu trữ (storage devices) 52
53. Tổ chức tổng quát máy tính • Thiết bị ngọai vi (tiếp) – Các lọai thiết bị lưu trữ • Giấy – Băng giấy đục lỗ, Phiếu đục lỗ, • Từ tính – Xuyến từ, Trống từ, Băng từ – Đĩa từ (Đĩa mềm, Đĩa cứng) • Quang học – CD/ DVD – Blue-ray, HD-DVD • Quang từ – MO disk • Bán dẫn – USB Flash, SSD, thẻ nhớ, • Khác – Bubble, Hologram, 53
54. Tổ chức tổng quát máy tính • Thiết bị ngọai vi (tiếp) – Tốc độ truy cập 1 số thiết bị ngoại vi thông dụng 54
55. Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống – Mục đích: Tổ chức dạng bus được dùng để đơn giản hóa việc tổ chức và phân luồng dữ liệu trong hệ thống máy tính – Chức năng: Liên kết & truyền tín hiệu giữa các thành phần trong MT – Cần cơ chế sao cho tại một thời điểm, chỉ có 1 thanh ghi có thể đặt dữ liệu lên bus để tránh tranh chấp bus – Phân lọai: • Data bus • Address bus – Không gian địa chỉ • Control bus 55
56. Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống (tiếp) – Mô hình hệ thống máy tính 3 bus CPU Memory Address Address Address bus Instruction Registers Instruction Control bus : Data CU ALU : Data Data Data bus 56
57. Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống (tiếp) – Ví dụ về Control bus 57
58. Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống (tiếp) – Đồng bộ bus: Các thành phần trong máy tính phải hoạt động đồng bộ. • Mỗi họat động cơ bản được chia ra nhiều buớc nhỏ • Cần 1 trọng tài đánh nhịp để điều khiển từng buớc hoạt động • Ví dụ: thao tác đọc bộ nhớ được chia ra: – CPU gửi yêu cầu đọc cho BN (bus điều khiển) – CPU gửi địa chỉ cần đọc cho BN (bus địa chỉ) – BN giải mã địa chỉ – BN xuất dữ liệu cho CPU (bus dữ liệu) • Một chu kỳ lệnh gồm nhiều chu kỳ máy (4 như VD trên) • Đơn vị đo tốc độ xung nhịp: Hertz (Hz) – 2 chế độ tốc độ họat động trong CPU máy tính – Sự tồn tại BN cache 58
59. Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống (tiếp) – Ví dụ minh hoạ về sự đồng bộ bus 59
60. Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống (tiếp) – Trong thực tế người ta phân bus hệ thống ra nhiều mức tốc độ do có sự chênh lệch của các thành phần trong máy tính 60