Chương 5 Đại cương về kiến trúc máy tính

1CHƯƠNG 5 ĐẠI CƯƠNG VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Nguyễn Văn Thọ Khoa Điện tử viễn thông Đại học Duy Tân – 2010 ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG 2-2 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. VON NEUMANN & MÁY TÍNH VON NEUMANN John Louis von Neumann (1903- 1957) Nhà toán học, vật lý học người Hungari Người đề xuất khái niệm chương trình được lưu trữ qua bản phác thảo đầu tiên cho EDVAC (1945) Bản phác thảo cấu trúc cơ bản trở thành Máy tính Von Neumann. • memory, chứa đựng chỉ thị và dữ liệu • processing unit, xử lý các phép tính số học và logic • a control unit, cung cấp chỉ thị 22-3 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. MÁY TÍNH VON NEUMANN MEMORY CONTROL UNIT MAR MDR IR PROCESSING UNIT ALU TEMP PC OUTPUT Monitor Printer LED Disk INPUT Keyboard Mouse Scanner Disk 2-4 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 MEMORY - BỘ NHỚ Một mảng k x m bit (k = 2n) Address(Địa chỉ) • Giá trị địa chỉ là duy nhất cho mỗi vị trí trong bộ nhớ Contents (Nội dung) • m-bit value stored in location Hoạt động cơ bản: LOAD • Đọc 1 giá trị từ 1 vị trí trong bộ nhớ STORE • Ghi 1 giá trị vào 1 vị trí trong bộ nhớ ••• 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 1101 1110 1111 00101101 10100010 32-5 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 GIAO TIẾP VỚI BỘ NHỚ Đơn vị xử lý làm gì để đọc/ghi ở bộ nhớ ? MAR: Memory Address Register Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ MDR: Memory Data Register Thanh ghi dữ liệu bộ nhớ Đọc từ 1 vị trí có địa chỉ (A): 1. Ghi địa chỉ (A) vào MAR. 2. Gửi tín hiệu điều khiển đọc tới bộ nhớ. 3. Đọc dữ liệu từ MDR. Ghi giá trị (X) vào vị trí (A): 1. Ghi giá trị (X) vào MDR. 2. Ghi địa chỉ (A) vào MAR. 3. Gửi tín hiệu điều khiển ghi vào bộ nhớ. MEMORY MAR MDR 2-6 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Control Unit - Đơn vị điều khiển Điều khiển thi hành chương trình IR - Instruction Register Thanh ghi chỉ thị PC - Program Counter Thanh ghi Bộ đếm chương trình IR chứa chỉ thị hiện tại. PC chứa địa chỉ của chỉ thị kế tiếp sẽ xử lý Control unit: • Đọc 1 chỉ thị từ bộ nhớ (địa chỉ của chỉ thị nằm trong PC) • Căn cứ vào chỉ thị nhận được, phát tín hiệu điều khiển để gọi thành phần tương ứng thực hiện tác vụ 1 chỉ thị có thể mất nhiều chu kỳ máy để thực hiện xong CONTROL UNIT IRPC 42-7 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Processing Unit – Đơn vị xử lý Functional Units • ALU = Arithmetic and Logic Unit • Có nhiều đơn vị chức năng, trong đó có 1 số chức năng đặc biệt (nhân, căn bậc 2, …) • LC-2 thực hiện được ADD, AND, NOT Registers ( Thanh ghi) • Dung lượng nhỏ, lưu trữ tạm thời • Chứa toán hạng và kết quả của các đơn vị chức năng • LC-2 có 8 thanh ghi (R0, …, R7) Word Size (Độ dài từ) • Số bit ALU có thể xử lý trong 1 chỉ thị • Khác với độ rộng của thanh ghi • LC-2 là 16 bits PROCESSING UNIT ALU TEMP 2-8 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Input & Output Dùng để đưa dữ liệu vào bộ nhớ máy tính hoặc lấy dữ liệu ra từ bộ nhớ máy tính Các thiết bị thường sử dụng giao diện là các thanh ghi giống như 2 thanh ghi MAR và MDR của bộ nhớ • LC-2 hỗ trợ keyboard (input) và bảng điện tử (output) • keyboard: thanh ghi dữ liệu KBDR( data register) & thanh ghi trạng thái KBSR (status register) • console: data register (CRTDR) & status register (CRTSR) Một vài thiết bị có thể vừa là input , vừa là output disk, network Chương trình truy cập thiết bị thường sử dụng thông qua trình điều khiển thiết bị (driver) OUTPUT Monitor Printer LED Disk 52-9 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1-9 Instruction Processing - Xử lý chỉ thị Giải mã chỉ thịi i ỉ ị Tính toán địa chỉị ỉ Lấy các toán hạng từ bộ nhớ Xử lý tính toánl Lưu trữ kết quả Lấy chỉ thị từ bộ nhớỉ ị EVALUATE ADDRESS FETCH OPERANDS EXECUTE STORE DECODE FETCH 2-10 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Instruction - Chỉ thị Chỉ thị là đơn vị cơ bản của công việc Thành phần : • opcode: tác vụ cần thi hành (cộng , trừ …) • operands: (toán hạng) số liệu hoặc địa chỉ số liệu cần cho tác vụ 1 chỉ thị được mã hóa thành 1 chuỗi các bit (Just like data!) • Chỉ thị thường có chiều dài 16, 32 bit. • Control unit thể hiện chỉ thị : phát 1 chuỗi các tín hiệu điều khiển để thi hành tác vụ. • Operation is either executed completely, or not at all. Chỉ thị của computer và định dạng của nó được gọi là Instruction Set Architecture (ISA). 62-11 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Ví dụ : LC-3 ADD Instruction LC-3 có chỉ thị là 16-bit • Mỗi chỉ thị có 4 bit opcode [15:12]. LC-3 có 8 thanh ghi (R0-R7) . • Nguồn và đích của chỉ thị ADD là các thanh ghi. “Cộng nội dung của thanh ghi R2 với thanh ghi R6, lưu trữ kết quả trong thanh ghi R6.” 2-12 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Instruction Processing: FETCH Lấy chỉ thị kế tiếp từ PC đưa vào Instruction Register (IR). • Lấy nội dung của PC đưa vào MAR. • Gửi tín hiệu điều khiển đọc tới bộ nhớ • Đọc nội dung của MDR, đưa vào IR. Thanh ghi PC chỉ đến chỉ thị kế tiếp • PC = PC+1. EA OP EX S F D 72-13 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Instruction Processing: DECODE Nhận dạng opcode. • LC-3 : 4 bit [12-15] của chỉ thị. [0001] Xác định giá trị các toán hạng từ các bit còn lại • Example: ¾ADD 3 bit [6-8] toán hạng nguồn 1 : 010 3 bit [0-2] toán hạng nguồn 2 : 110 3 bit [9-10] toán hạng đích : 110 EA OP EX S F D 2-14 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Instruction Processing: EVALUATE ADDRESS Trong những chỉ thị cần truy cập bộ nhớ, tính toán địa chỉ sử dụng cho việc truy cập bộ nhớ. EA OP EX S F D 82-15 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Instruction Processing: FETCH OPERANDS Lấy các toán hạng nguồn để thi hành tác vụ. Examples: • Lấy dữ liệu từ bộ nhớ (LDR) • Đọc dữ liệu từ thanh ghi EA OP EX S F D 2-16 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Instruction Processing: EXECUTE Thi hành tác vụ với các toán hạng nguồn Examples: • Gửi toán hạng tới ALU và tín hiệu xác định ADD EA OP EX S F D 92-17 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Instruction Processing: STORE Lưu trữ kết quả ra bộ nhớ hoặc thanh ghi Examples: • result of ADD is placed in destination register • result of memory load is placed in destination register • for store instruction, data is stored to memory ¾write address to MAR, data to MDR ¾assert WRITE signal to memory EA OP EX S F D 2-18 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Ideal Pipelining WMXRDFi+4 WMXRDFi+3 WMXRDFi+2 WMXRDFi+1 WMXRDFi 1 3 1 2 1 1 1 0 987654321Cycle: Instr: 10 2-19 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. VON NEUMAN VS. HARDVARD 2-20 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 3 MỨC ĐỘ XỬ LÝ SONG SONG Many applications have thread-level parallelism • Web server: 100s of users connected simultaneously • O/S has many threads to choose from Could run more than one thread at the same time Possible approaches • Multithreading (Intel hyperthreading) • Multiple processor cores per chip • Multiple processor chips per system 11 2-21 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Multithreading (Intel hyperthreading) Bản chất của siêu phân luồng ? Mô phỏng mỗi bộ xử lý vật lý như là 2 bộ xử lý logic, tài nguyên vật lý sẽ được chia sẻ và có cấu trúc chung giống hệt nhau cho cả 2 bộ xử lý logic. Hệ điều hành và phần mềm coi nó như 2 bộ xử lý song song AS AS Tài nguyên thực thi Kết quả là tốc độ trung bình tăng lên khoảng 20-30%. 2-22 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Multithreading (Intel hyperthreading) Hạn chế của siêu phân luồng ? Khi CPU thực hiện đồng thời 2 chuỗi lệnh đơn giản (add, load,store) Æ xung đột do cả hai chuỗi lệnh đều cùng dùng đến một đơn vị thực thi. Khi đó CPU sử dụng kỹ thuật siêu phân luồng hoá ra chậm hơn so với CPU thông thường (10%) 12 2-23 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. BỘ XỬ LÝ ĐA NHÂN AS Tài nguyên thực thi AS Tài nguyên thực thi Bộ xử lý đa nhân được kiến trúc bởi 2 hay nhiều CPU vật lý thực sự, có khả năng thực hiện đồng thời 2 chuỗi lệnh song song thực sự . 9CPU 2 nhân (Core 2 Duo) tăng 40% hiệu năng 9CPU 4 nhân (Quad Core) tăng 50% hiệu năng hệ thống so với CPU 2 nhân. 2-24 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Multiple Processor Cores per Chip Increased level of integration per package/chip Perception of 2x performance (not always reality) Can share nothing (Intel), Bus interface (AMD), L2 (IBM) Processor Core & L1 L2 Cache Bus I/F Processor Core & L1 L2 Cache Bus I/F Processor Core & L1 L2 Cache Bus I/F Processor Core & L1 L2 Cache Processor Core & L1 L2 Cache Bus I/F Processor Core & L1 Intel Pentium D AMD Athlon X2 IBM Power5 Intel Core2 Duo 13 2-25 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Multiple Processor Cores per Chip 2-26 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Multiple processor chips per system 14 2-27 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. ĐA NHIỆM VS SONG SONG Xử lý đa nhiệm : - Máy tính có khả năng thực hiện nhiều công việc cùng 1 lúc nhưng có thể không đồng thời - Các công việc được chia nhỏ ra và máy tính luân phiên thực hiện Xử lý song song : -Xử lý đồng thời 2 hoặc nhiều hơn các công việc cùng 1 lúc. - Phải có phần cứng có khả năng xử lý song song 2-28 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Clock (xung nhịp ) – Đơn vị đo tốc độ Clock là tín hiệu để giữ cho đơn vị điều khiển hoạt động. • Tại mỗi nhịp clock, control unit chuyển tới chu kỳ kế tiếp Æ có thể là chỉ thị kế tiếp hoặc bước(phase) kế tiếp của chỉ thị. (1 chỉ thị có thể thực hiện trong 1 hoặc vài chu kỳ) Mạch phát xung nhịp (Clock): • Dao động thạch anh • Phát ổn định liên tục các mức logic 0 và 1 • Chu kỳ - Clock cycle (or machine cycle) “1” “0” time→Machine Cycle 15 2-29 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. 1 Instructions & Clock Cycles MIPS & MHz • MIPS = millions of instructions per second số triệu chỉ thị thực hiện được trong 1 giây Ví dụ: Máy tính có tốc độ 1 MIPS nghĩa là máy tính có khả năng thực hiện 1 triệu chỉ thị trong 1 giây • MHz = millions of clock cycles per second số triệu chu kỳ lệnh trong 1 giây Ví dụ : Máy tính có tốc độ 1MHz nghĩa là máy tính có 1 triệu chu kỳ lệnh trong 1 giây MIPS và MHz có khác nhau không ? 2-30 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. CISC & RISC • CISC (complex Instruction Set computer): máy tính có tập lệnh phức tạp ¾nhiều lệnh ¾cấu trúc phức tạp ¾mỗi lệnh: có độ dài khác nhau và thực hiện trong 1 đến chục chu kỳ xung nhịp ¾Ví dụ: Intel x86, AMD • RISC (reduced instruction Set computer): máy tính có tập lệnh rút gọn ¾ít lệnh ¾mỗi lệnh có độ dài cố định và thực hiện trong 1 đến 2 chu ký xung nhịp ¾cấu trúc vi xử lý đơn giản, có nhiều thanh ghi ¾tốc độ xung nhịp lớn và tiêu thụ năng lượng thấp ¾Ví dụ: ARM, PowerPC 16 2-31 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. KiẾN TRÚC MÁY TÍNH HiỆN ĐẠI Cầu Bắc North Bridge Cầu Nam Sound Bridge 2-32 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. DUAL CHANNEL MEMORY Sử dụng 2 kênh truyền để tăng tốc độ truy xuất RAM North Bridge DDR2 DDR2 Chanel A Chanel B Main Memory Để tận dụng công nghệ này phải có cặp RAM cắm theo quy định 17 2-33 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. DUAL CHANNEL MEMORY 2-34 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. SERIAL VS. PARALLEL Parallel : Cổng Printer, giao tiếp ổ cứng ATA , khe cắm mở rộng PCI , chuẩn đồ hoạ AGP… Serial : Cổng COM, USB , S-ATA, PCI-Express Xu hướng công nghệ : chuyển từ song song sang nối tiếp PCI,AGP Æ PCI Express ATA Æ S-ATA A Truyền 0 1 0 0 0 0 0 1 B Nhận A Truyền B Nhận 01000001 Parallel Serial 18 2-35 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. VI KIẾN TRÚC NAHALEM (CORE I7) 2-36 Nguyen Van Tho – Duy Tan University.