Bài giảng Cấu trúc máy tính - Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính - Đỗ Xuân Phi

Nội dung text: Bài giảng Cấu trúc máy tính - Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính - Đỗ Xuân Phi

1. Cấu trúc máy tính Chương 2 KIẾN TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 1
2. Nội dung 2.1. Các thành phần của máy tính 2.2. Hoạt động của máy tính 2.3. Liên kết hệ thống 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 2
3. 2.1 Các thành phần của máy tính CPU Bộ nhớ ◼ Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit) ◼ Bộ nhớ (Memory) ◼ Hệ thống vào ra Liên kết hệ thống (Input/Output System) ◼ Liên kết hệ thống (System Interconnection) Hệ thống vào ra 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 3
4. Bộ xử lý trung tâm (CPU) ◼ Chức năng: ◼ điều khiển hoạt động của máy tính ◼ xử lý dữ liệu ◼ Nguyên tắc hoạt động cơ bản: ◼ CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính. 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 4
5. Cấu trúc cơ bản của CPU Đơn vị điều khiển (Control Đơn vị Unit - CU): điều khiển hoạt Tập các Đơn vị số học và động của máy tính theo Thanh ghi điều khiển logic chương trình đã định sẵn. (CU) (RF) (ALU) Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU): thực hiện các phép toán số học và phép toán logic. Tập thanh ghi (Register File - Bus bên trong RF): lưu giữ các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động Đơn vị nối ghép bus (BIU) của CPU. Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU) kết nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong (internal bus) và bus Bus bên ngoài bên ngoài (external bus). 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 5
6. Tốc độ của bộ xử lý ◼ Tốc độ của bộ xử lý: ◼ Số lệnh được thực hiện trong 1 giây ◼ MIPS (Million of Instructions per Second) ◼ Khó đánh giá chính xác ◼ Tần số xung nhịp của bộ xử lý: ◼ Bộ xử lý hoạt động theo một xung nhịp (Clock) có tần số xác định ◼ Tốc độ của bộ xử lý được đánh giá gián tiếp thông qua tần số của xung nhịp 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 6
7. Tốc độ bộ xử lý (tiếp) ◼ Dạng xung nhịp T0 ◼ T0: chu kỳ xung nhịp ◼ Tần số xung nhịp: f0 = 1/T0 ◼ Mỗi thao tác của bộ xử lý cần kT0 ◼ T0 càng nhỏ → bộ xử lý chạy càng nhanh ◼ Ví dụ: Máy tính dùng bộ xử lý 2GHz 9 Ta có f0 = 2GHz = 2x10 Hz 9 T0 = 1/f0 = 1/(2x10 ) = 0.5 ns. 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 7
8. Bộ nhớ máy tính ◼ Chức năng: lưu trữ chương trình và dữ liệu. ◼ Các thao tác cơ bản với bộ nhớ: ◼ Thao tác ghi (Write) ◼ Thao tác đọc (Read) ◼ Các thành phần chính: ◼ Bộ nhớ trong (Internal Memory) ◼ Bộ nhớ ngoài (External Memory) 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 8
9. Bộ nhớ trong ◼ Chức năng và đặc điểm: ◼ Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp ◼ Tốc độ rất nhanh ◼ Dung lượng không lớn ◼ Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM và RAM ◼ Các loại bộ nhớ trong: ◼ Bộ nhớ chính ◼ Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm) 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 9
10. Bộ nhớ chính ◼ Chứa các chương trình và dữ Nội dung Địa chỉ liệu đang được CPU sử dụng. 00101010 0000 ◼ Tổ chức thành các ngăn nhớ 10111011 0001 được đánh địa chỉ. 11011011 0010 11001100 0011 ◼ Ngăn nhớ thường được tổ 11011101 0100 chức theo byte. 10111011 0101 01101100 0110 ◼ Nội dung của ngăn nhớ có thể 01110001 0111 thay đổi, song địa chỉ vật lý của 00110011 1000 ngăn nhớ luôn cố định. 11001010 1001 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 10
11. Bộ nhớ cache ◼ Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy cập bộ nhớ ◼ Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính ◼ Tốc độ nhanh hơn ◼ Cache thường được chia thành một số mức ◼ Cache có thể được tích hợp trên chip vi xử lý ◼ Cache có thể có hoặc không 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 11
12. Bộ nhớ ngoài ◼ Chức năng và đặc điểm ◼ Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính ◼ Được kết nối với hệ thống dưới dạng các 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: đĩa CD, DVD ◼ Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 12
13. Hệ thống vào/ra ◼ Chức năng: Trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài. Thiết bị ◼ Các thao tác cơ bản: ngoại vi ◼ Vào dữ liệu (Input) ◼ Ra dữ liệu (Output) ◼ Các thành phần chính: Mạch Thiết bị ghép nối ngoại vi ◼ Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Vào/Ra Devices) ◼ Mạch ghép nối vào-ra (IO Modules) ◼ Các loại thiết bị ngoại vi cơ bản Thiết bị ngoại vi ◼ Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét ◼ Thiết bị ra: màn hình, máy in ◼ Thiết bị nhớ: các ổ đĩa ◼ Thiết bị truyền thông: MODEM 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 13
14. Mạch ghép nối Vào/Ra ◼ Chức năng: nối ghép các thiết Thiết bị ngoại vi bị ngoại vi với máy tính ◼ Mỗi mô-đun vào-ra có một hoặc Mạch Thiết bị một vài cổng vào-ra (I/O Port). ghép nối ngoại vi Vào/Ra ◼ Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác định. Thiết bị ngoại vi ◼ Các thiết bị ngoại vi được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thông qua các cổng vào-ra. 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 14
15. 2.2 Hoạt động của máy tính CPU BỘ NHỚ CHÍNH Đọc lệnh Lưu trữ thông tin Phân tích lệnh Nơi chứa chương trình để CPU đọc và thực thi Thực thi lệnh Khối xuất nhập Giao tiếp với môi trường bên ngoài xuất nhập dữ liệu, bộ nhớ phụ 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 15
16. Chu trình lệnh ◼ Máy tính lặp đi lặp lại hai bước: nhận lệnh và Bắt đầu thực thi lệnh. Thực hiện chương trình bị dừng nếu thực hiện lệnh bị lỗi hoặc gặp lệnh dừng. ◼ Nhận lệnh ◼ Bắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU nhận lệnh Nhận lệnh từ bộ nhớ chính. ◼ Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) của CPU giữ địa chỉ của lệnh sẽ được nhận. ◼ CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi Thực hiện lệnh PC. ◼ Lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh IR (Instruction Register). ◼ Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự Dừng động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp. 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 16
17. Chu trình lệnh ◼ Thực hiện lệnh ◼ Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và Bắt đầu phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao tác mà lệnh yêu cầu. ◼ Các kiểu thao tác của lệnh: Nhận lệnh ◼ Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính ◼ Trao đổi dữ liệu giữa CPU và mạch ghép nối vào/ra Thực hiện lệnh ◼ Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học hoặc phép toán logic với các dữ liệu. Dừng ◼ Điều khiển rẽ nhánh ◼ Kết hợp các thao tác trên. 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 17
18. Minh họa quá trình nhận lệnh CPU CPU Lệnh Lệnh 200 200 PC PC Lệnh Lệnh 201 201 202 203 Lệnh i Lệnh i 202 202 IR IR Lệnh i+1 203 Lệnh i+1 203 Lệnh i Lệnh 204 Lệnh 204 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 18
19. Ngắt (Interrupt) ◼ Khái niệm chung về ngắt: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là chương trình con phục vụ ngắt. ◼ Các loại ngắt: ◼ Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho 0. ◼ Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ lỗi bộ nhớ RAM. ◼ Ngắt do mạch ghép vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu. 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 19
20. Hoạt động ngắt ◼ Sau khi hoàn thành mỗi một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt ◼ Nếu không có ngắt → bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của chương trình hiện tại ◼ Nếu có tín hiệu ngắt: ◼ Tạm dừng chương trình đang thực hiện ◼ Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt) ◼ Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt ◼ Chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt ◼ Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh và tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 20
21. Minh họa hoạt động ngắt Chương trình con phục Lệnh vụ ngắt Lệnh Lệnh Lệnh Ngắt ở đây Lệnh i Lệnh Lệnh i + 1 Lệnh Lệnh Lệnh RETURN Lệnh Lệnh 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 21
22. Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt ◼ Xử lý ngắt tuần tự ◼ Khi một ngắt đang được thực hiện, các ngắt khác sẽ bị cấm. ◼ Bộ xử lý sẽ bỏ qua các ngắt tiếp theo trong khi đang xử lý một ngắt ◼ Các yêu cầu ngắt vẫn đang đợi và được kiểm tra sau khi ngắt đầu tiên được xử lý xong ◼ Các ngắt được thực hiện tuần tự ◼ Xử lý ngắt ưu tiên ◼ Các ngắt được định nghĩa mức ưu tiên khác nhau ◼ Ngắt có mức ưu tiên thấp hơn có thể bị ngắt bởi ngắt ưu tiên cao hơn ◼ Xẩy ra ngắt lồng nhau 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 22
23. 2.3. Liên kết hệ thống CPU Bộ nhớ Liên kết hệ thống Hệ thống vào ra 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 23
24. Kết nối mô-đun nhớ ◼ Địa chỉ đưa đến để xác định Địa chỉ ngăn nhớ ◼ Dữ liệu được đưa đến khi ghi ◼ Dữ liệu hoặc lệnh được đưa ra Dữ liệu Mô-đun Dữ liệu/lệnh khi đọc (lưu ý: bộ nhớ không nhớ phân biệt lệnh và dữ liệu) Tín hiệu điều khiển đọc ◼ Nhận các tín hiệu điều khiển: Tín hiệu điều ◼ khiển ghi Điều khiển đọc (Read) ◼ Điều khiển ghi (Write) 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 24
25. Kết nối mô-đun vào/ra ◼ Địa chỉ đưa đến để xác định Địa chỉ Dữ liệu đến bên trong cổng vào-ra ◼ Nhận dữ liệu CPU, bộ nhớ chính Dữ liệu đến TBNV hay từ thiết bị ngoại vi Dữ liệu từ bên trong ◼ Đưa dữ liệu vào CPU, bộ nhớ chính hay thiết bị ngoại vi Dữ liệu từ TBNV Các tín hiệu điều khiển ◼ Mô-đun đển TBNV Nhận các tín hiệu điều khiển từ Vào/Ra CPU ◼ Phát các tín hiệu điều khiển đến Tín hiệu điều thiết bị ngoại vi khiển đọc Các tín hiệu điều khiển ngắt ◼ Phát các tín hiệu ngắt đến CPU Tín hiệu điều khiển ghi 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 25
26. Kết nối CPU ◼ Đọc lệnh và dữ liệu Lệnh Địa chỉ ◼ Nhận các tín hiệu ngắt ◼ Phát địa chỉ đến các mô-đun Dữ liệu Dữ liệu nhớ hay các mô-đun vào-ra CPU Các tín hiệu ◼ Đưa dữ liệu ra (sau khi xử Các tín hiệu điều khiển bộ điều khiển ngắt nhớ và vào/ra lý) ◼ Phát tín hiệu điều khiển đến các mô-đun nhớ và các mô- đun vào-ra 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 26
27. BUS ◼ Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông Mô-đun Mô-đun tin giữa các mô-đun của máy CPU nhớ Vào/Ra tính với nhau. ◼ Các bus chức năng: ◼ Bus địa chỉ ◼ Bus dữ liệu Bus địa chỉ ◼ Bus điều khiển ◼ Độ rộng bus: là số đường dây Bus dữ liệu của bus có thể truyền các bit thông tin đồng thời (chỉ dùng Bus điều khiển cho bus địa chỉ và bus dữ liệu) 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 27
28. Bus địa chỉ ◼ Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác định ngăn nhớ hay cổng vào-ra ◼ Độ rộng bus địa chỉ: cho biết số lượng ngăn nhớ tối đa được đánh địa chỉ. ◼ N bit: AN-1, AN-2, A2, A1, A0 → có thể đánh địa chỉ tối đa cho 2N ngăn nhớ (không gian địa chỉ bộ nhớ) ◼ Ví dụ: Bộ xử lý Pentium có bus địa chỉ 32 bit có khả năng đánh địa chỉ cho 232 bytes nhớ (4GBytes) (ngăn nhớ tổ chức theo byte) 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 28
29. Bus dữ liệu ◼ Chức năng: ◼ vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU ◼ vận chuyển dữ liệu giữa CPU, mô đun nhớ, mô đun vào-ra với nhau ◼ Độ rộng bus dữ liệu: Xác định số bit dữ liệu có thể được trao đổi đồng thời. ◼ N bit: DN-1, DN-2, D2, D1, D0 ◼ N thường là 8, 16, 32, 64,128 bit. ◼ Ví dụ: Các bộ xử lý Pentium có bus dữ liệu 64 bit 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 29
30. Bus điều khiển ◼ Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển ◼ Các loại tín hiệu điều khiển: ◼ Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi ◼ Các tín hiệu điều khiển ngắt ◼ Các tín hiệu điều khiển bus 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 30
31. Một số tín hiệu điều khiển điển hình ◼ Các tín hiệu (phát ra từ CPU) điều khiển đọc-ghi: ◼ Memory Read (MEMR): điều khiển đọc dữ liệu từ một ngăn nhớ có địa chỉ xác định lên bus dữ liệu. ◼ Memory Write (MEMW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus dữ liệu đến 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 lên bus dữ liệu. ◼ I/O Write (IOW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus dữ liệu ra một cổng có địa chỉ xác định. 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 31
32. Một số tín hiệu điều khiển điển hình ◼ Các tín hiệu điều khiển ngắt: ◼ Interrupt Request (INTR): Tín hiệu từ bộ điều khiển vào-ra gửi đến yêu cầu ngắt CPU để trao đổi vào-ra. Tín hiệu INTR có thể bị che. ◼ Interrupt Acknowledge (INTA): Tín hiệu phát ra từ CPU báo cho bộ điều khiển vào-ra biết CPU chấp nhận ngắt để trao đổi vào-ra. ◼ Non Maskable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt không che được gửi đến ngắt CPU. ◼ Reset: Tín hiệu từ bên ngoài gửi đến CPU và các thành phần khác để khởi động lại máy tính. 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 32
33. Đặc điểm của cấu trúc đơn bus ◼ Bus hệ thống chỉ phục vụ được một yêu cầu trao đổi dữ liệu tại một thời điểm ◼ Bus hệ thống phải có tốc độ bằng tốc độ bus của mô- đun nhanh nhất trong hệ thống ◼ Bus hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc bus (các tín hiệu) của bộ xử lý → các mô-đun nhớ và các mô- đun vào-ra cũng phụ thuộc vào bộ xử lý. ◼ Khắc phục: phân cấp bus → cấu trúc đa bus 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 33
34. Phân cấp bus trong máy tính ◼ Tổ chức thành nhiều bus trong hệ thống máy tính ◼ Cho các thành phần khác nhau: ◼ Bus của bộ xử lý ◼ Bus của bộ nhớ chính ◼ Các bus vào-ra ◼ Các bus khác nhau về tốc độ ◼ Bus bộ nhớ chính và các bus vào-ra không phụ thuộc vào bộ xử lý cụ thể. 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 34
35. Các kiểu bus ◼ Bus dành riêng (Dedicated): ◼ Các đường địa chỉ và dữ liệu tách rời ◼ Ưu điểm: điều khiển đơn giản ◼ Nhược điểm: có nhiều đường kết nối ◼ Bus dồn kênh (Multiplexed) ◼ Các đường dùng chung cho địa chỉ và dữ liệu ◼ Có đường điều khiển để phân biệt có địa chỉ hay có dữ liệu ◼ Ưu điểm: có ít đường dây ◼ Nhược điểm: ◼ Điều khiển phức tạp hơn ◼ Hiệu năng hạn chế 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 35
36. Phân xử bus ◼ Có nhiều mô-đun điều khiển bus ◼ ví dụ: CPU và bộ điều khiển vào-ra ◼ Chỉ cho phép một mô-đun điều khiển bus ở một thời điểm. ◼ Phân xử bus có thể là tập trung hay phân tán. ◼ Phân xử bus tập trung ◼ Có một Bộ điều khiển bus (Bus Controller) hay còn gọi là Bộ phân xử bus (Arbiter) ◼ Có thể là một phần của CPU hoặc mạch tách rời. ◼ Phân xử bus phân tán ◼ Mỗi một mô-đun có thể chiếm bus ◼ Có đường điều khiển đến tất cả các môđun khác 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 36
37. Định thời bus (Timing) ◼ Phối hợp các sự kiện trên bus ◼ Bus đồng bộ ◼ Các sự kiện trên bus được xác định bởi một tín hiệu xung nhịp xác định (clock) ◼ Bus Điều khiển bao gồm cả đường Clock ◼ Tất cả các mô-đun có thể đọc đường clock ◼ Bus không đồng bộ ◼ Không có đường tín hiệu Clock ◼ Kết thúc một sự kiện này trên bus sẽ kích hoạt cho một sự kiện tiếp theo 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 37
38. Hết chương 2 6/12/2021 Chương 2: Kiến trúc cơ bản của máy tính 38