Bài giảng Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1: Tổng quan về kiến trúc máy tính

bangtqh@utc2.edu.vn KIẾN TRÚC VÀ TỔ CHỨC MÁY TÍNH (Computer Organization and Architecture) Chương 1 – Tổng quan về kiến trúc máy tính bangtqh@utc2.edu.vn Nội dung 1. Máy tính và phân loại 2. Sự tiến hóa của máy tính 3. Sơ đồ khối cấu trúc máy tính Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 2 bangtqh@utc2.edu.vn 1.1. Máy tính và phân loại
Máy tính (Computer) là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau: – Nhận thông tin vào – Xử lý thông tin theo chương trình được nhớ sẵn bên trong bộ nhớ – Đưa thông tin ra
Chương trình (Program): là dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện một công việc cụ thể
Máy tính không tự thực hiện được nếu không có chương trình Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 3 bangtqh@utc2.edu.vn 1.1. Máy tính và phân loại (tt)
Mô hình cơ bản của máy tính Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 4 HÖ thèng nhí HÖ thèng vµo Bé xö lý HÖ thèng ra bangtqh@utc2.edu.vn 1.1. Máy tính và phân loại (tt)
Mô hình phân lớp của máy tính Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 5 PhÇn cøng m¸y tÝnh HÖ ®iÒu hµnh C¸c CT tiÖn Ých C¸c CT øng dông Ng−êi dïng Nhµ lËp tr×nh Nhµ thiÕt kÕ H§H bangtqh@utc2.edu.vn 1.1. Máy tính và phân loại (tt)
Phân loại máy tính theo truyền thống: – Các vi điều khiển (Microcontroller) – Máy vi tính (Microcomputer) – Máy tính nhỏ (Minicomputer) – Máy tính lớn (Mainframe computer) – Siêu máy tính (Supercomputer)
Phân loại máy tính theo hiện đại – Máy tính để bàn (Desktop computer) – Máy chủ (Server) – Máy tính nhúng (Embedded computer) Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 6 bangtqh@utc2.edu.vn Desktop
Máy tính để bàn (Desktop Computer) – Được sử dụng cho nhiều mục đích: • Xử lý văn bản, lướt Web, Multimedia,... • Tính toán, lập trình, ... – Bao gồm: • Bộ vi xử lý • Bộ nhớ • Đĩa cứng, CD-ROM/DVD, ... • Chuột , bàn phím, màn hình, card mạng, ... – Đặc điểm: • Hiệu năng không cao lắm, còn gọi là PC • Dung lượng vừa phải • Giá thành: khoảng từ 500$ đến 10.000$ 1.1. Máy tính và phân loại (tt) Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 7 bangtqh@utc2.edu.vn
Máy server – Được sử dụng trong các dịch vụ cao cấp: • Lưu trữ file • Tính toán lớn • Xử lý tương tác, Web, ... – Bao gồm: • Nhiều bộ xử lý • Nhiều đĩa cứng • Giao tiếp mạng, ... – Đặc điểm: • Hiệu năng cao • Độ tin cậy lớn • Giá thành: khoảng từ hàng chục nghìn đến hàng triệu USD 1.1. Máy tính và phân loại (tt) Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 8 bangtqh@utc2.edu.vn 1.1. Máy tính và phân loại (tt)
Máy tính nhúng – Là một phần của hệ thống lớn: • Chứa trong các thiết bị gia dụng • Trong thiết bị mạng, truyền thông, ... • Các thiết bị điều khiển tự động, không lưu, ... – Bao gồm: • Các bộ vi ĐK; vi xử lý • Bộ nhớ: RAM, ROM; đĩa • Vào/ra chuyên dụng (kể cả tín hiệu analog) – Đặc điểm: • Có độ tin cậy và an toàn cao • Hiệu năng cao (thời gian thực) • Giá thành: vài chục đến hàng trăm nghìn USD Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 9 bangtqh@utc2.edu.vn 1.2. Sự tiến hóa của máy tính
Thế hệ số 0 - Máy tính cơ khí – Bảng tính (abacus) của người TQ – Máy tính của của Pascal chế tạo năm 1642 (thực hiện được phép + và -) – Máy tính của Leibniz chế tạo 1670 (thực hiện được 4 phép tính thông dụng +, -, * và / ) – Máy phân tích (analytical machine) của Charles Babbage chế tạo khoảng năm 1820 – Có kiến trúc gồm 3 phần giống máy hiện đại Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 10 bangtqh@utc2.edu.vn 1.2. Sự tiến hóa của máy tính(tt)
Thế hệ thứ nhất (1946 - 1957): MT dùng đèn điện tử chân không
Thế hệ thứ hai (1958 - 1964): MT dùng transistor
Thế hệ thứ ba (1965 - 1974): MT dùng vi mạch cỡ nhỏ (SSI) và vừa (MSI) – Cỡ nhỏ: dưới 100 thiết bị / chip – Cỡ vừa: 100 - 3000 thiết bị / chip
Thế hệ thứ tư (1974 - nay): MT dùng vi mạch cỡ lớn (LSI) và cực lớn (VLSI) – Cỡ lớn: 3000 - 100.000 thiết bị / chip – Cỡ cực lớn: 100.000 - 100.000.000 thiết bị / chip Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 11 bangtqh@utc2.edu.vn 12 1.2. Sự tiến hóa của máy tính(tt) ENIAC - 1940s (Vacuum Tubes) IBM 360 - 1960s (Transistors) Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 bangtqh@utc2.edu.vn 1.2. Sự tiến hóa của máy tính(tt) 13 DEC VAX 11/780 - 1970s (Discrete IC’s) Apple II Computer Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 bangtqh@utc2.edu.vn 1.2. Sự tiến hóa của máy tính(tt) 14 Original IBM PC Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 bangtqh@utc2.edu.vn 1.2. Sự tiến hóa của máy tính(tt)
ENIAC: Electronic Nummerical Integrator And Computer – John Presper Eckert và John Mauchly thiết kế – Trường Đại học Pennsylvania (Mỹ) – Dự án của Bộ quốc phòng Mỹ – Bắt đầu chế tạo năm 1943, hoàn thành năm 1946
Đặc điểm: – Dùng số thập phân (không phải nhị phân) – 20 thanh ghi, mỗi thanh 10 bit – Lập trình bằng tay nhờ các chuyển mạch – Gồm 18.000 đèn điện tử chân không, Nặng ~30 tấn, Chiếm 15.000 feet vuông, Công suất tiêu thụ: 140kW/h – Khả năng: 5000 phép cộng/giây 15Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 bangtqh@utc2.edu.vn 1.2. Sự tiến hóa của máy tính(tt)
Máy tính Von Newmann – Khái niệm CT được lưu trữ (stored-program concept) do Jonh von Newmann đưa ra – Bộ nhớ chính (BNC) chứa chương trình và dữ liệu – ALU hoạt động trên dữ liệu nhị phân – KĐK giải mã các lệnh từ bộ nhớ và thực hiện chúng tuần tự – Thiết bị vào/ra hoạt động do KĐK điều khiển – Xây dựng từ 1947 đến 1952 16Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 bangtqh@utc2.edu.vn
Cấu trúc máy tính Von Newmann 1.2. Sự tiến hóa của máy tính(tt) Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 17 bangtqh@utc2.edu.vn 1.2. Sự tiến hóa của máy tính(tt)
Máy tính dùng Transistor – Máy tính PDP-1 của DEC (Digital Equipment Corporation) máy tính mini đầu tiên – IBM 7000 – Tốc độ tính toán được đẩy lên hàng trăm nghìn phép cộng trong/giây – Xuất hiện các ngôn ngữ lập trình bậc cao Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 18 bangtqh@utc2.edu.vn 1.2. Sự tiến hóa của máy tính(tt)
Máy tính dùng vi mạch (IC – Integrated Circuit) – Vi mạch: nhiều transistor và linh kiện điện tử được tích hợp trên 1 chip – Siêu máy tính xuất hiện như: CRAY-1 – Bộ vi xử lý (microprocessor), CPU được chế tạo trên một chip ra đời (1971)
Định luật Moore Do Gorden Moore, người đồng sáng lập Intel và hiện là chủ tịch danh dự của Intel tiên đoán vào năm 1965 – Số lượng transistor tăng gấp đôi sau mỗi 12 tháng (Nhưng từ 1970, chậm hơn: sau mỗi 18 tháng) – Giá thành của chip hầu như không thay đổi – Mật độ cao hơn⇒ đường dẫn điện ngắn hơn, dẫn đến hiệu năng cao hơn – Kích thước nhỏ⇒ độ phức tạp tăng lên – Công suất tiêu thụ nhỏ hơn và phải làm mát – ít chip liên kết với nhau, do đó tăng độ tin cậy Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 19 bangtqh@utc2.edu.vn 1.2. Sự tiến hóa của máy tính(tt)
Máy tính dùng vi mạch VLSI – CPU được chế tạo trên một chip – Các vi mạch điều khiển tổng hợp (chipset): thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép – Bộ nhớ bán dẫn: ROM, RAM – Các bộ vi điều khiển (microcontroller): máy tính chuyên dụng được chế tạo trên một chip → dùng cho máy tính nhúng. Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 20 bangtqh@utc2.edu.vn 1.3. Sơ đồ khối cấu trúc máy tính Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 21 M¸y tÝnh Bộ nhớ Hệ thống vào/ra Bus liên kết hệ thống Các thiết bị ngoại vi Các đường truyền thông Bộ xử lý Máy tính bangtqh@utc2.edu.vn 1.3. Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt)
Các thành phần cơ bản của MT – Bộ xử lý (processor): điều khiển hoạt động của máy tính, xử lý dữ liệu. – Hệ thống nhớ (memory system): chứa các chương trình và dữ liệu đang xử lý. – Hệ thống vào ra (input/output system): trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài. – Bus liên kết hệ thống (system interconnection bus): kết nối và vận chuyển thông tin giữa ba thành phần trên. 22Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 bangtqh@utc2.edu.vn 1.3. Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt)
Bộ xử lý – Chức năng: • Điều khiển hoạt động của máy tính • Xử lý dữ liệu – Nguyên tắc hoạt động cơ bản: BXL hoạt động theo chương trình nằm sẵn trong bộ nhớ, gồm 2 bước cơ bản: • Nhận lệnh từ bộ nhớ • Giải mã và thực hiện lệnh – Bộ vi xử lý (microprocessor): là bộ xử lý được chế tạo trên một chip. 23Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 bangtqh@utc2.edu.vn 1.3. Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt)
Bộ xử lý Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 24 ALU Các thanh ghi Bus bên trong Khối điều khiển Bộ xử lý bangtqh@utc2.edu.vn 1.3. Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt)
Các thành phần cơ bản của BXL – Khối điều khiển: (Control Unit): điều khiển hoạt động của BXL ⇒ điều khiển hoạt động của máy tính – Khối số học và logic (Arithmetic - Logic Unit): thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic – Tập thanh ghi (Registers Sets): lưu giữ các thông tin tạm thời trong quá trình hoạt động của máy tính 25Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 bangtqh@utc2.edu.vn 1.3. Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt)
Tốc độ của Bộ xử lý – Là số lệnh thực hiện được trong 1 giây: MIPS (Millions of Instructions Per Second) – Trên thực tế thường được đánh giá gián tiếp thông qua tần số xung đồng hồ (nhịp, clock) cung cấp cho BXL làm việc. Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 26 bangtqh@utc2.edu.vn 1.3. Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt)
Hệ thống nhớ – Chức năng: lưu trữ chương trình và dữ liệu – Các thao tác cơ bản với bộ nhớ: • Thao tác đọc (Read) • Thao tác ghi (Write) – Các thành phần chính: • Bộ nhớ trong (Internal Memory) • Bộ nhớ ngoài (External Memory) Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 27 bangtqh@utc2.edu.vn Bộ nhớ trong
Chức năng và đặc điểm: – Chứa các thông tin mà máy tính đang xử lý – Tốc độ nhanh – Dung lượng không lớn – Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM, RAM
Các kiểu bộ nhớ trong: – Bộ nhớ chính – Bộ nhớ cache Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 28 bangtqh@utc2.edu.vn Bộ nhớ trong (tt)
Bộ nhớ chính: – Chứa các chương trình và dữ liệu đang được BXL trao đổi – Tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa chỉ – Ngăn nhớ thường được tổ chức theo byte – Địa chỉ vật lý của ngăn nhớ là cố định, nội dung có thể thay đổi. Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 29 bangtqh@utc2.edu.vn 30 Bộ nhớ trong (tt)
Bộ nhớ cache: – Bộ nhớ có tốc độ nhanh, được đặt giữa BXL và Bộ nhớ chính – Có dung lượng nhỏ hơn Bộ nhớ chính – Tốc độ nhanh hơn – Hiện nay cache thường được chia thành nhiều mức (level) và được tích hợp trên BXL Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 bangtqh@utc2.edu.vn Bộ nhớ ngoài
Chức năng và đặc điểm: – Lưu giữ các chương trình và dữ liệu dưới dạng thư viện – Bộ nhớ ngoài được kết nối với hệ thống dưới dạng thiết bị vào/ra – Dung lượng lớn – Tốc độ chậm
Các loại bộ nhớ ngoài: – Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm – Bộ nhớ quang: CD, DVD, ... – Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 31 bangtqh@utc2.edu.vn 1.3. Sơ đồ khối cấu trúc máy tính (tt)
Hệ thống vào/ra – Chức năng: trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài – Các thao tác cơ bản: • Vào dữ liệu (Input) • Ra dữ liệu (Output) – Các thành phần chính: • Các thiết bị ngoại vi (Peripherals) • Các modul vào/ra (IO Modules) Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 32 bangtqh@utc2.edu.vn Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào/ra Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 33 Modul IO Cổng IO Cổng IO Cổng IO TBNV TBNV TBNV . . . . . . Nối ghép với bus hệ thống bangtqh@utc2.edu.vn Các thiết bị ngoại vi
Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính
Các thiết bị ngoại vi cơ bản: – Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét, ... – Thiết bị ra: màn hình, máy in, ... – Thiết bị vào và ra: các ổ đĩa, ... – Thiết bị truyền thông: MODEM, ... Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 34 bangtqh@utc2.edu.vn Modul vào/ra
Chức năng: nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính
Cổng vào/ra: trong mỗi modul vào/ra có một số cổng vào/ra. Mỗi cổng vào/ra cũng được đánh một địa chỉ xác định
Thiết bị ngoại vi được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thông qua cổng vào/ra Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 35 bangtqh@utc2.edu.vn Bus liên kết hệ thống
Khái niệm bus: – Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin giữa các thành phần của máy tính – Độ rộng bus: là số đường dây của bus có thể truyền các bit thông tin đồng thời. Khái niệm này chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 36 bangtqh@utc2.edu.vn Phân loại bus
Phân loại cấu trúc bus – Cấu trúc đơn bus – Cấu trúc đa bus
Phân loại bus chức năng: – Bus địa chỉ – Bus dữ liệu – Bus điều khiển Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 37 bangtqh@utc2.edu.vn Sơ đồ kết nối bus Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 38 bangtqh@utc2.edu.vn Bus địa chỉ (address bus)
Chức năng: vận chuyển địa chỉ của ngăn nhớ hay cổng vào/ra từ nguồn đến đích
Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng bộ nhớ cực đại của hệ thống Nếu độ rộng bus địa chỉ là N bit: A0 , A1 , ... , AN-1 ⇒ không gian địa chỉ là: 2N byte
Ví dụ: – Bộ xử lý Intel Pentium có bus địa chỉ là 32 bit ⇒ không gian địa chỉ là: 232 byte = 4 GB Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 39 bangtqh@utc2.edu.vn Bus dữ liệu (data bus)
Chức năng: – Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến BXL – Vận chuyển dữ liệu giữa BXL, hệ thống nhớ, hệ thống vào/ra với nhau
Độ rộng bus dữ liệu: xác định số bit dữ liệu có thể trao đổi cùng một lúc. – Độ rộng M bit: D0 , D1 , ... ,DM-1 – M thường là 8, 16, 32, 64 bit Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 40 bangtqh@utc2.edu.vn Bus điều khiển (control bus)
Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển
Các loại tín hiệu điều khiển: – Các tín hiệu điều khiển phát ra từ BXL để điều khiển hệ thống nhớ, hệ thống vào/ra hoạt động – Các tín hiệu yêu cầu, trạng thái từ hệ thống nhớ, hệ thống vào/ra đến BXL Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 41 bangtqh@utc2.edu.vn Một số tín hiệu điều khiển điển hình
Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi: – Memory Read (MEMR): điều khiển đọc lệnh/dữ liệu từ một ngăn nhớ có địa chỉ xác định – Memory Write (MEMW): điều khiển ghi dữ liệu tới 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 – I/O Write (IOW): điều khiển ghi dữ liệu đến một cổng vào/ra có địa chỉ xác định Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 42 bangtqh@utc2.edu.vn Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tt)
Các tín hiệu điều khiển ngắt: – Interrupt Request (INTR): tín hiệu từ mạch điều khiển vào ra gửi đến BXL yêu cầu ngắt (ngắt chắn được) – Interrupt Acknowledge (INTA): tín hiệu từ BXL gửi ra ngoài báo chấp nhận ngắt – Non Maskable Inerrupt (NMI): tín hiệu ngắt gửi đến BXL (ngắt không chắn được) – Reset: tín hiệu từ bên ngoài khởi động lại máy tính Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 43 bangtqh@utc2.edu.vn Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tt)
Các tín hiệu điều khiển bus: – Bus Request (BRQ)/Hold: tín hiệu từ mạch điều khiển vào/ra gửi đến yêu cầu BXL nhường quyền điều khiển bus – Bus Grant (BGT)/Hold Acknowledge (HLDA) : tín hiệu phát ra từ BXL chấp nhận nhường quyền điều khiển bus Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 44 bangtqh@utc2.edu.vn Cấu trúc đơn bus
Chỉ phục vụ được một yêu cầu trao đổi dữ liệu tại một thời điểm
Bus phải có tốc độ bằng tốc độ của modul nhanh nhất trong hệ thống
Bus phụ thuộc vào cấu trúc bus của BXL ⇒ các modul nhớ và modul vào/ra cũng phụ thuộc vào BXL Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 45 bangtqh@utc2.edu.vn Cấu trúc đa bus
Có sự phân cấp cho các thành phần: – Bus của BXL – Bus của bộ nhớ – Bus vào/ra
Phân cấp bus khác nhau về tốc độ – Các bus cho modul nhớ và modul vào/ra không phụ thuộc vào BXL cụ thể Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 46 bangtqh@utc2.edu.vn Phân cấp bus trong máy tính PC
Bus của BXL: có tốc độ nhanh nhất
Bus của BNC: nối ghép với các modul RAM
Bus AGP (Accelerated Graphic Port): bus đồ họa tăng tốc - nối ghép card màn hình tăng tốc
Bus PCI (Peripheral Component Interconnect): nối ghép với các TBNV có tốc độ trao đổi dữ liệu nhanh
USB (Universal Serial Bus): bus nối tiếp đa năng Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 47 bangtqh@utc2.edu.vn Ví dụ: bus truyền thống Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 48 bangtqh@utc2.edu.vn Ví dụ: bus hiệu năng cao Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 1 49 bangtqh@utc2.edu.vn