Bài giảng Kiến trúc máy tính - Nguyễn Quý Sỹ

Hà nội, 17 December 2009 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Posts and Telecommunications Institute of Technology KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Chương I: Tổng quan hệ thống máy tính Giảng viên: TS. Nguyễn Quý Sỹ Email: synq@ptit.edu.vn Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1. Lịch sử phát triển các hệ thống máy tính (computing system) 2. Các thế hệ máy tính điện tử số 3. Kiến trúc máy tính thông dụng Nội dung Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Dữ liệu và Thông tin? (Data vs. Information) • Máy tính là gì? • Máy tính điện tử là gì? • Thuật ngữ “Máy tính” ngày nay • Hệ thống nhúng là gì? 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Đơn vị thông tin 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN • Byte (B): 1 ký tự • Kilobyte (KB): 1,024 ký tự • Megabyte (MB): 1,048,576 ký tự • Gigabyte (GB): 1,073,741,824 ký tự Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Bàn tính (3000 năm trước công nguyên) 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Máy cộng (1642) 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Thẻ đục lỗ (1801) 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Máy chữ (William Austin, 1892) 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Máy trừ (Babbage, 1833) 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Ada Lovelace, lập trình viên máy tính đầu tiên (1843) 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Samuel Morse, điện tín-1844 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Alexander Graham Bell, điện thoại: 1876 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Marconi, tín hiệu vô tuyến: 1895 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Herbert Hoover, vô tuyến: 1927 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Hệ thống thông tin dựa trên máy tính (CBIS) 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Thành phần của CBIS • Phần cứng • Phần mềm • Người sử dụng • Thông tin • Thủ tục • Truyền thông Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1. Thế hệ máy tính thứ nhất (1946-1957) 2. Thế hệ máy tính thứ hai (1958-1964) 3. Thế hệ máy tính thứ ba (1965-1971) 4. Thế hệ máy tính thứ tư (1972-...) 5. Thế hệ máy tính thứ năm-Khuynh hướng hiện tại 2. CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Máy tính dùng đèn điện tử • Máy tính ENIAC – 1943-1946 – H 2,8m x L 20m x W vài mét – 18.000 đèn điện tử – 1.500 công tắc tự động – 30 tấn, 140kw/h – 20 thanh ghi 10 bit, – 5.000 phép cộng/giây – Lập trình bằng tay đấu nối các đầu cắm và ngắt điện • Von Neumann tiếp tục phát triển ENIAC thành máy tính IAS-máy tính số đầu tiên có chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ, tạo ra kiến trúc cơ bản của máy tính ngày nay THẾ HỆ MÁY TÍNH I (1943-1957) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông THẾ HỆ MÁY TÍNH I (1943-1957) • Kiến trúc máy tính gồm 5 thành phần cơ bản – CU – ALU – Bộ nhớ – Thiết bị vào – Thiết bị ra • Bộ nhớ gồm 4096 từ, mỗi từ 40bit • ALU có 1 thanh ghi tích luý 40 bit. Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông THẾ HỆ MÁY TÍNH I (1943-1957) • Kiến trúc cơ bản của máy tính Von Neumann Bộ nhớ chính Arithmetic and Logic Unit Program Control Unit Thiết bị vào/ra MBR Arithmetic & Logic Circuits MQAccumulator MAR Control Circuits IBR IR PC Address Instructions & Data Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Máy tính dùng transistor • Phát triển công nghệ điện tử – Transitors-1947 – Thay thế đèn điện tử bằng đèn bán dẫn • Giảm kích thước • Giảm thể tích, khối lượng • Giảm công suất, năng lượng – Sử dụng mạch in, bộ nhớ bằng xuyến từ • Xuất hiện ngôn ngữ bậc cao: – Fortran (1954-1957) – LISP và COBOL (1957) – ALGOL (1960) • Hệ điều hành tuần tự THẾ HỆ MÁY TÍNH II (1958-1964) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Phát triển công nghệ điện tử – Mạch tích hợp: MSI, LSI – Mạch in nhiều lớp – Bộ nhớ bán dẫn thay thế bộ nhớ xuyến từ • Máy tính đa chương trình • Không gian địa chỉ lớn • Hệ điều hành phân chia thời gian • Mạng máy tính đầu tiên (ARPANet-1969) THẾ HỆ MÁY TÍNH III (1965-1971) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Mạng ARPANet THẾ HỆ MÁY TÍNH III (1965-1971) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Công nghệ điện tử – Công nghệ mạch tích hợp mật độ cao (LSI) và VLSI – Bộ vi xử lý chứa cả phần thực hiện và chương trình điều khiển – Bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo – Kỹ thuật cải tiến tốc độ bộ xử lý không ngừng phát triển: kỹ thuật đường ống, xử lý song song... • Các loại máy tính – Vi điều khiển – Máy vi tính-PC – MiniComputer – SuperMini – Mainframe-server – SuperComputer THẾ HỆ MÁY TÍNH IV (1972-...) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Các chip vi xử lý (Intel 4004) và đĩa từ: 1970 THẾ HỆ MÁY TÍNH IV (1972-...) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Siêu máy tính đầu tiên (Cray-1)-1976, với 150 triệu phép tính dấu phẩy động/giây THẾ HỆ MÁY TÍNH IV (1972-...) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Các bộ xử lý (tính toán trên máy tính) – World Star (1978) – SpreadSheet (1979) • Hệ điều hành – PC-DOS (1982) THẾ HỆ MÁY TÍNH IV (1972-...) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Các thế hệ chip vi xử lý Intel THẾ HỆ MÁY TÍNH IV (1972-...) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Máy tính thông minh • Trí tuệ nhân tạo • Giao diện thông minh • Thế hệ các máy tính xử lý song song • Sản phẩm điển hình ASIMO (1986-2004) THẾ HỆ MÁY TÍNH V-Khuynh hướng hiện nay Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Định luật Moore-Sự phát triển của máy tính Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Là hoạt động về chức năng của các khối phần cứng riêng rẽ trong một hệ thống máy tính, luồng thông tin và điều khiển giữa chúng 2. KHÁI NIỆM KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Công nghệ Giao diện ngôn ngữ lập trình Thiết kế giao diện (ISA) Đo và đánh giá Cơ chế song song Computer Architecture Ứng dụng OS Tổ chức phần cứng Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Kiến trúc máy tính là khoa học và nghệ thuật lựa chọn và kết nối các thành phần phần cứng để tạo ra một máy tính thoả mãn được các mục tiêu chức năng, hoạt động và giá cả. • Kiến trúc máy tính là sự thiết kế mang tính khái niệm và cấu trúc hoạt động cơ bản của một hệ thống máy tính, là một bản thiết kế mô tả chi tiết và mô tả chức năng các yêu cầu và thực hiện thiết kế các phần khác nhau của một máy tính-tức là tập trung phần lớn vào cách mà CPU thực hiện nội bộ và truy cập các địa chỉ trong bộ nhớ 2. KHÁI NIỆM KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Kiến trúc máy tính gồm: – Kiến trúc tập lệnh là hình ảnh trừu tượng của một hệ thống tính toán được nhìn từ góc độ của một lập trình viên sử dụng ngôn ngữ máy (hay hợp ngữ), bao gồm tập lệnh, cách đánh địa chỉ bộ nhớ, các thanh ghi, và các định dạng địa chỉ và dữ liệu. – Vi kiến trúc (Tổ chức máy tính) là một mô tả bậc thấp, cụ thể hơn về hệ thống, các bộ phận cấu thành của hệ thống được kết nối với nhau như thế nào và chúng hoạt động tương hỗ như thể nào để thực hiện kiến trúc tập lệnh. – Thiết kế hệ thống (System Design) bao gồm tất cả các thành phần phần cứng khác bên trong một hệ thống tính toán chẳng hạn: • các đường kết nối hệ thống như bus (máy tính) • các bộ điều khiển bộ nhớ • các cơ chế CPU off-load như Direct memory access (truy nhập bộ nhớ trực tiếp) • các kỹ thuật đa xử lý, xử lý đường ống. • Kiến trúc máy tính và tổ chức máy tính? 2. KHÁI NIỆM KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • 6 mức của máy tính 2. KHÁI NIỆM KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Ngôn ngữ bậc cao – Mức 5 – Các ngôn ngữ định hướng ứng dụng – C++, Java, Pascal, Visual Basic . . . – Các chương trình biên dịch thành ngôn ngữ hợp ngữ (Mức 4) • Ngôn ngữ hợp ngữ – Mức 4 – Các thuật nhớ lệnh có tương ứng 1-1 với ngôn ngữ máy – Gọi các hàm viết ở mức hệ điều hành (Mức 3) – Các chương trình được dịch thành ngôn ngữ máy (mức 2) 2. KHÁI NIỆM KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Hệ điều hành – Mức 3 – Cung cấp dịch vụ cho các chương trình mức 4 – Dịch và chạy ở mức kiến trúc tập lệnh (Mức 2) • Kiến trúc tập lệnh – Mức 2 – Cũng được biết như là ngôn ngữ máy – Được thực hiện bằng mức vi kiến trúc phần cứng (Mức 1) 2. KHÁI NIỆM KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Tổ chức máy tính – Mức 1 – Dịch các lệnh máy (Mức 2) – Được thực hiện bởi phần cứng số (Mức 0) • Logic số – Level 0 – CPU, được xây dựng từ các cổng logic số – Bus hệ thống – Bộ nhớ – Được thực hiện bằng các đèn bán dẫn 2. KHÁI NIỆM KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 2. KHÁI NIỆM KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (t) • Đối tượng và phạm vi của kiến trúc máy tính Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Mục đích của môn học: – Lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính. – Cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự. – Giới thiệu các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính, khái niệm về kiến trúc máy tính, tập lệnh. Các kiểu kiến trúc máy tính: mô tả kiến trúc, các kiểu định vị. – Giới thiệu cấu trúc của bộ xử lý trung tâm: tổ chức, chức năng và nguyên lý hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý. Mô tả diễn tiến thi hành một lệnh mã máy và một số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng, máy tính có lệnh thật dài, máy tính véc-tơ, xử lý song song và kiến trúc IA-64. – Giới thiệu chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ máy tính. – Giới thiệu một số thiết bị lưu trữ ngoài như: đĩa từ, đĩa quang, thẻ nhớ, băng từ. Hệ thống kết nối cơ bản các bộ phận bên trong máy tính. Cách giao tiếp giữa các ngoại vi và bộ xử lý. – Phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài. 2. KHÁI NIỆM KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (t) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 3. KIẾN TRÚC MÁY TÍNH THÔNG DỤNG • Phần cứng: Bao nhiêu khối chức năng chính? 3-4-5 – Bộ xử lý trung tâm • Khối điều khiển (CU) • Đường dẫn dữ liệu (thanh ghi, ALU) – Bộ nhớ chính – Thiết bị vào và ra Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 3. KIẾN TRÚC MÁY TÍNH THÔNG DỤNG • Kiến trúc máy tính Von Neumann – Chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ cùng với dữ liệu – Các chương trình và dữ liệu không thể phân biệt được – Sử dụng 1 bộ xử lý duy nhất, xử lý tuần tự fetch-decode-execute. – Thực hiện các lệnh tuần tự – Bộ xử lý phải sử dụng một số thanh ghi đặc biệt Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG MÁY TÍNH • Xử lý • Vào • Ra • Lưu trữ • Truyền thông Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Bên trong máy tính (khối trung tâm) 4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG MÁY TÍNH Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Bên trong máy tính (khối trung tâm)-Mainboard 4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG MÁY TÍNH Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Cấp nguồn và bảo vệ 4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG MÁY TÍNH Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông • Phần mềm – Phần mềm hệ thống • Hệ điều hành là một chương trình chạy trên máy tính, dùng để điều hành, quản lý các thiết bị phần cứng và các tài nguyên phần mềm trên máy tính. • Hệ điều hành đóng vai trò trung gian trong việc giao tiếp giữa người sử dụng và phần cứng máy tính, cung cấp một môi trường cho phép người sử dụng phát triển và thực hiện các ứng dụng của họ một cách dễ dàng. – Phần mềm ứng dụng 4. CẤU TRÚC HỆ THỐNG MÁY TÍNH Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hà nội, 17 December 2009 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Kết thúc chương I Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only.