Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture)

Bài giảng KTMT 1/57 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) Giảng viên: ThS. Phạm Thị Minh Thu Bộ môn Tin học, Khoa Toán Tin Trường Đại học Khoa học (thupm84@gmail.com) Thái Nguyên - 2011 Bài giảng KTMT 2/57 Giới thiệu môn học  Thông tin môn học • Số tín chỉ: 02 (25t Lý thuyết + 5t bài tập) • Môn học tiên quyết: Tin cơ sở, Xử lý tín hiệu số, Toán rời rạc  Mục tiêu: – Có được kiến thức cơ bản về kiến trúc và tổ chức của máy tính, – Nhận biết được hoạt động, tổ chức của các bộ phận chính trong máy tính, đặc biệt là bộ nhớ và CPU. – Hiểu rõ về ảnh hưởng của tập lệnh và kiểu đánh địa chỉ đến hiệu năng của một máy tính computer. – Hiểu rõ về quan hệ giữa tập lệnh, kiểu địa chỉ, pipeline và những phân cấp của bộ nhớ (cache, chính, ảo). Bài giảng KTMT 3/57 Nội dung môn học Chương 1: Nhập môn Chương 2: Kiến thức cơ sở Chương 3: Bộ nhớ và hệ thống lưu trữ Chương 4: Bus và Interconnection Chương 5: Tập lệnh Chương 6: Tổ chức và chức năng của CPU Bài giảng KTMT 4/57 Giới thiệu môn học  Yêu cầu  Đi học đầy đủ, tích cực  Làm tiểu luận  Đánh giá: • Điểm = (CC+GK+Tiểu luận)*0.1 + Thi CK*0.7 • GK: Viết-60’; Cuối kỳ: Viết-60’  Tài liệu tham khảo  Nguyễn Đình Việt, Kiến trúc máy tính, Nxb Đại học Quốc gia.  Vũ Chấn Hưng, Giáo trình Kiến trúc máy vi tính, Nxb Giao thông vận tải William Stallings, Computer Organization and Architecture Bài giảng KTMT 5/57 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Kiến trúc máy tính Chương 1: Nhập môn Thái Nguyên - 2011 Giảng viên: ThS. Phạm Thị Minh Thu Bộ môn Tin học, Khoa Toán Tin (thupm84@gmail.com) Bài giảng KTMT 6/57 Nội dung chính 1.1. Máy tính và phân loại 1.2. Kiến trúc máy tính 1.3. Sự tiến hóa của máy tính Bài giảng KTMT 7/57 1.1. Máy tính và sự phân loại a) Máy tính  Máy tính (Computer) là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau: • Nhận thông tin vào, • Xử lý thông tin theo dãy các lệnh được nhớ sẵn bên trong, • Đưa thông tin ra.  Dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ yêu cầu máy tính thực hiện công việc cụ thể gọi là chương trình (program)  Máy tính hoạt động theo chương trình. Bài giảng KTMT 8/57 Các thành phần của máy tính Bài giảng KTMT 9/57 Mô hình phân lớp của máy tính Bài giảng KTMT 10/57 Phần cứng? Phần mềm Phần cứng: Hệ thống vật lý của máy tính (mạch điện tử, bộ nhớ, màn hình, bàn phím, ...) Phần mềm: các chương trình và dữ liệu (hệ điều hành, Word, Excel, Game, ...) Phần sụn (firm ware): là phần mềm được nhúng vào các mạch điện tử Bài giảng KTMT 11/57 Hình ảnh phần sụn Bài giảng KTMT 12/57 b) Phân loại máy tính  Phân loại truyền thống  Máy vi tính (Microcomputers)  Máy tính nhỏ (Minicomputers)  Máy tính lớn (Mainframe Computers)  Siêu máy tính (Supercomputers)  Phân loại hiện đại  Máy tính cá nhân (Personal Computers)  Máy chủ (Server Computers)  Máy tính nhúng (Embedded Computers) Bài giảng KTMT 13/57 5 kiểu máy tính hiện nay MIPS: Million Instruction Per SecondMIPS? Bài giảng KTMT 14/57 Máy tính cá nhân  Là loại máy tính phổ biến nhất Gồm:  Máy tính để bàn (Desktop)  Máy tính xách tay (Laptop) Năm 1981: IBM giới thiếu máy tính IBM- PC sử dụng bộ xử lý Intel 8088 Năm 1984: Apple đưa ra Macintosh sử dụng bộ xử lý Motorola 68000  Giá thành từ hàng trăm đến hàng nghìn USD Bài giảng KTMT 15/57 Personal Computer Bài giảng KTMT 16/57 Máy chủ - Server Là máy phục vụ Dùng trong mạng theo mô hình Client/Server Tốc độ và hiệu năng tính toán cao Dung lượng bộ nhớ lớn Giá thành từ hàng nghìn đến hàng chục triệu USD Bài giảng KTMT 17/57 MiniComputer Bài giảng KTMT 18/57 Supermini NORD-5 1972 VAX 11/780 Bài giảng KTMT 19/57 Mainframe Bài giảng KTMT 20/57 SuperComputer Bài giảng KTMT 21/57 Máy tính nhúng Được đặt trong thiết bị khác để điều khiển thiết bị đó làm việc Được thiết kế chuyên dụng Ví dụ:  Điện thoại di động  Máy ảnh số  Bộ điều khiển trong máy giặt, điều hòa  Router Giá thành từ vài USD đến hàng trăm USD Bài giảng KTMT 22/57 Máy tính nhúng Router Máy tính nhúng dùng cho các ứng dụng công nghiệp Bài giảng KTMT 23/57 1.2. Kiến trúc máy tính Khái niệm: Kiến trúc – Cấu trúc -Tổ chức Kiến trúc là những thuộc tính có thể can thiệp bởi người lập trình. Cấu trúc là những thuộc tính phần cứng trong suốt với người lập trình (các tín hiệu điều khiển, giao diện giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi, các kỹ thuật bộ nhớ). Tổ chức máy tính: chỉ các khối, các đơn vị của máy tính điện tử và sự liên kết giữa chúng Bài giảng KTMT 24/57 Khái niệm: Kiến trúc-…  Với một máy tính:  Có thực hiện được phép nhân hay không thuộc phạm trù kiến trúc máy tính; Thực hiện phép nhân bằng mạch nhân hay mạch cộng thuộc phạm trù tổ chức máy tính.  Kiến trúc máy tính là ngành khoa học nghiên cứu việc thiết kế các thành phần cấu thành nên máy tính điện tử. Bài giảng KTMT 25/57 Kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh: Kiến trúc tập lệnh: nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập trình Tổ chức máy tính: nghiên cứu phần cứng máy tính  Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi rất nhanh. Bài giảng KTMT 26/57 Ví dụ  Các máy tính PC dùng các bộ xử lý Pentium III và Pentium IV: Chung kiến trúc tập lệnh Tổ chức khác nhau Bài giảng KTMT 27/57 Kiến trúc tập lệnh  Kiến trúc tập lệnh của máy tính bao gồm: Tập lệnh: Tập hợp các chuỗi số nhị phân mã hóa cho các thao tác mà máy tính có thể thực hiện được Các kiểu dữ liệu: Các kiểu dữ liệu mà máy tính có thể xử lý Bài giảng KTMT 28/57 Cấu trúc cơ bản của máy tính Bài giảng KTMT 29/57 Các thành phần cơ bản của máy tính Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): điều khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu. Bộ nhớ chính (Main Memory): Chứa các chương trình và dữ liệu đang được sử dụng. Hệ thống vào ra (Input/ Output System): Trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài Liên kết hệ thống (System Connection): Kết nối và vận chuyển giữa các thành phần với nhau. Bài giảng KTMT 30/57 1.3. Sự tiến hóa của máy tính Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1950s) Thế hệ 2: Máy tính dùng transistor (1960s) Thế hệ 3: Máy tính dùng vi mạch IC (1970s) Thế hệ 4: Máy tính dùng vi mạch VLSI (1980s – nay) Bài giảng KTMT 31/57 Một số hình ảnh Bài giảng KTMT 32/57 What? ENIAC Bài giảng KTMT 33/57 a) Máy tính dùng đèn điện tử ENIAC – Máy tính điện tử đầu tiên Electronic Numerical Intergator And Computer Dự án của Bộ Quốc phòng Mỹ Do John Mauchly và John Presper Eckert ở Đại học Pennsylvania thiết kế. Bắt đầu năm 1943, hoàn thành năm 1946 Bài giảng KTMT 34/57 ENIAC  Nặng 30 tấn  18000 đèn điện tử và 1500 rơle nhiệt  5000 phép cộng/giây  Xử lý theo số thập phân  Bộ nhớ chỉ chứa dữ liệu Lập trình bằng cách thiết lập vị trí của các chuyển mạch và các cáp nối. Bài giảng KTMT 35/57 Máy tính ngày nay có những cải tiến gì so với ENIAC? Bài giảng KTMT 36/57 Máy tính Von Neumann Đó là máy tính IAS: Princeton Institute for Advanced Studies Bắt đầu năm 1947, hoàn thành năm 1952 Do John Von Neumann thiết kế Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình được lưu trữ” (stored-program concept) của Von Neumann/ Turing (1945) Bài giảng KTMT 37/57 Đặc điểm chính của máy tính IAS  Bao gồm: đơn vị điều khiển, đơn vị số học và logic (ALU), bộ nhớ chính và các thiết bị vào-ra.  Bộ nhớ chính: chứa chương trình và dữ liệu  Bộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ, không phụ thuộc vào nội dung của nó.  ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân  Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã và thực hiện lệnh một cách tuần tự.  Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động của các thiết bị vào-ra.  Trở thành mô hình cơ bản của máy tính Bài giảng KTMT 38/57 John von Neumann và IAS Bài giảng KTMT 39/57 Alan Turing Bài giảng KTMT 40/57 Các máy tính thương mại ra đời  1947 – Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer)  1950s: UNIVAC II Nhanh hơn Bộ nhớ lớn hơn Bài giảng KTMT 41/57 UNIVAC I Bài giảng KTMT 42/57 UNIVAC II Bài giảng KTMT 43/57 Hãng IBM  IBM – (International Bussiness Machine)  1953 – IBM 701 Máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên của IBM  Sử dụng cho tính toán khoa học  1955 – IBM 702  Các ứng dụng thương mại Bài giảng KTMT 44/57 IBM 701 Bài giảng KTMT 45/57 b)Máy tính dùng transistor Máy tính PDP-1 của DEC (Digital Equipment Corporation): máy tính mini đầu tiên  IBM 7030 Hàng trăm nghìn phép cộng/ giây Các ngôn ngữ lập trình bậc cao ra đời Bài giảng KTMT 46/57 Máy tính DEC PDP-1 (1960) Bài giảng KTMT 47/57 IBM 7030 (1961) Bài giảng KTMT 48/57 c) Các máy tính dùng IC Mạch tích hợp (IC – Integerated Circuit): dùng nhiều transistor tích hợp trên một chip bán dẫn.  Siêu máy tính xuất hiện: CRAY-1, VAX Bộ vi xử lý (microprocessor) ra đời:  Bộ vi xử lý đầu tiên  Intel 4004 (1971) Bài giảng KTMT 49/57 VAX 11 (1981) Bài giảng KTMT 50/57 Micro VAX Bài giảng KTMT 51/57 Siêu máy tính CRAY 1 Bài giảng KTMT 52/57 Intel 4004 – bộ vi xử lý 4 bit Bài giảng KTMT 53/57 Luật Moore Gordon Moore –người đồng sáng lập Intel  Luật:  Số transistors trên chip sẽ gấp đôi sau 18 tháng  Giá thành của chip hầu như không thay đổi  Mật độ cao hơn nên đường dẫn ngắn hơn  Kích thước nhỏ hơn nên độ phức tạp tăng lên  Điện năng tiêu thụ ít hơn  Hệ thống ít chip hơn nên tăng độ tin cậy Bài giảng KTMT 54/57 Tăng trưởng số transistor trong chip CPU Bài giảng KTMT 55/57 Luật Moore Gordon Moore –người đồng sáng lập Intel  Luật:  Số transistors trên chip sẽ gấp đôi sau 18 tháng  Giá thành của chip hầu như không thay đổi  Mật độ cao hơn nên đường dẫn ngắn hơn  Kích thước nhỏ hơn nên độ phức tạp tăng lên  Điện năng tiêu thụ ít hơn  Hệ thống ít chip hơn nên tăng độ tin cậy Bài giảng KTMT 56/57 HẾT CHƯƠNG 1 Q&A