Giáo trình Kiến trúc Máy tính - Bài 1: Nguyên lý cơ bản - Vũ Mạnh Khánh

Nội dung text: Giáo trình Kiến trúc Máy tính - Bài 1: Nguyên lý cơ bản - Vũ Mạnh Khánh

1. Kiến Trúc Máy Tính Khái niệm Bài 1: Nguyên lý cơ bản Máy tính: dùng để chỉ mọi phương tiện được sử dụng để thực hiện các biến đổi tốn học  Vd: bàn tính, máy tính bỏ túi Giáo viên: Vũ Mạnh Khánh Ngày nay: dùng để chỉ máy tính điện tử 1. Nguyên lý xây dựng 2. Phân loại máy tính Nguyên lý số: Dùng các trạng thái rời Máy tính số: sử dụng đại lượng vật lý rạc của một đại lượng vật lý để biểu biến thiên rời rạc để biểu diễn các đại diễn số liệu(nguyên lý đếm) lượng cần tính tốn Nguyên lý tương tự: Sử dụng một đại Các thơng số cơ bản: lượng vật lý biến đổi liên tục để biểu  Tốc độ hoạt động diễn số liệu(nguyên lý đo)  Hệ thống lệnh và số địa chỉ lệnh  Thiết bị nhớ và dung lượng tin 1
2. 2. Phân loại máy tính© 2. Phân loại máy tính© Máy tính số© Máy tính tương tự: Dùng đại lượng  Cách thi hành vật lý biến thiên liên tục để biểu diễn Máy tính liên tiếp các đại lượng cần tính tốn Máy tính song song Đặc điểm  Nhiệm vụ  Dùng mơ hình hĩa làm cơ sở cho sự họat Máy tính chuyên dụng(một loại bài tốn) động Máy tính đa năng( một lớp các bài tốn)  Kết quả thường đưa ra dưới dạng đồ thị, thời gian thực hiện ngắn, khơng chính xác 2. Phân loại máy tính© 2. Phân loại máy tính© Máy tính lai: Kết hợp cả nguyên lý số Máy tính điện tử và nguyên lý tương tự. Máy tính số Máy tính tương tự Máy tính lai Cách thi hành Máy tính liên tiếp Máy tính song song Nhiệm vụ Máy tính chuyên dụng Máy tính đa năng 2
3. 3. Một số khái niệm 3. Một số khái niệm Lệnh máy: Các mạch điện tử cĩ thể hiểu và Cần thiết phải cĩ ngơn ngữ cao hơn thực hiện trực tiếp được một tập hợp hữu ngơn ngữ máy hạn các trạng thái các lệnh đơn giản. Ngơn ngữ máy: tập hợp các lệnh máy  Ngơn ngữ máy(L1) đơn giản nên khĩ sử dụng Chương trình: Tập các lệnh mơ tả thực hiện một cơng việc  Người ta xây dựng tập chỉ thị mới dễ sử  Chú ý: dụng hơn được gọi là (L2) Khi thiết kế máy tính người thiết kế phải quyết định ngơn ngữ máy Cách thực hiện chương trình viết bằng Để giảm độ phức tạp thì các chỉ thị máy được L2 thiết kế đơn giản 3. Một số khái niệm Máy tính nhiều mức Trình biên dịch: thay thế một lệnh L2 Mức N Máy ảo Mn Ngơn ngữ Ln bằng một dãy lệnh L1 Trình Thơng dịch: Viết một chương Mức 4 Máy ảo M4 Ngơn ngữ L4 trình bằng ngơn ngữ L1 để thực thi chương trình viết bằng ngơn ngữ L2 Mức 3 Máy ảo M3 Ngơn ngữ L3  Chú ý: Mỗi ngơn ngữ ta coi là một mức hay một Mức 2 Máy ảo M2 Ngơn ngữ L2 máy ảo Mức 1 Máy ảo M1 Ngơn ngữ L1 3
4. Tổng kết Bài 2: Các nguyên lý cơ bản Viết một bài thu hoạch từ 10 – 15 1. Lịch sử phát triển máy tính dịng tĩm tắt những kiến thức đã đạt  Thế hệ thứ 0-Máy tính cơ khí(1642-1945) được trong buổi học( chấm điểm)  1642: Blase pascal(1623-1662) tạo ra máy tính cộng trừ  1672: Baron Gottfied Von Lebniz(1646-1716) chế tạo máy tính thực hiện cộng trừ nhân chia  Charles babbage(1792-1871) chế tạo thành cơng máy tính chạy thuật tốn”Phương pháp sai phân hữu hạn sử dụng đa thức” kết quả tính tốn được đục trên một tấm đồng 1. Lịch sử phát triển máy tính Nguyên lý Turing Máy tính hiện đại ngày nay được thiết kế dựa trên mơ hình Thế hệ 1- Dùng đèn điện tử(1945-1955) Turing Church và mơ hình Von Neumann. Alan Turing chế tạo máy COLOSSUS Mơ hình Turing : cho chính phủ Anh Mơ hình này rất đơn giản nhưng nĩ cĩ tất cả các đặc trưng của Nguyên Lý Turing 1 hệ thống máy tính sau này. Nguyên lý cấu tạo máy Turing : đầu đọc ghi khối xử lý chứa tập hữu hạn các trạng thái Băng dữ liệu vơ hạn, dữ liệu kết thúc là b Si b 4
5. Nguyên lý Turing Nguyên lý hoat động máy Turing khối xử lý chứa tập hữu hạn các trạng thái Dữ liệu của bài tốn là 1 chuổi các ký hiệu thuộc tập các ký hiệu của máy khơng kể ký hiệu rỗng b, được cất vơ băng. đầu đọc ghi Băng dữ liệu vơ hạn, dữ liệu kết thúc là b Trạng thái trong ban đầu của máy là q0 . S S b i j Đầu đọc/ghi ở ơ chứa ký hiệu đầu tiên của chuổi ký hiệu nhập. Trong quá trình hoạt động, sự thay đổi dữ liệu trên băng, sự dịch chuyển đầu đọc ghi và sự biến đổi trạng thái Máy làm việc theo từng bước rời rạc. Một lệnh trong của máy sẽ diễn ra tuân theo các lệnh thuộc tập lệnh của máy tùy theo trạng thái hiện tại và ký hiệu ở ơ hiện tại. của máy như sau : qiSiSjXqj. Quá trình sẽ dừng lại khi trạng thái trong của máy là trạng thái Nghĩa là : đầu đọc ghi đang ở ơ Si thì sẽ ghi đè Sj kết thúc q vào ơ hiện tại và dịch chuyển hoặc đứng yên theo f. chỉ thị là X và trạng thái hiện hành của máy là qj Thí dụ máy Turing Xét thí dụ máy Turing thực hiện phép tốn NOT trên chuổi các bit 0/1.Chuổi dữ liệu nhập ban đầu là 10 1. Lịch sử phát triển máy tính tập các ký hiệu của máy {0,1} Thế hệ 1- Dùng đèn điện tử(1945-1955) tập các trạng thái trong {q , q } 0 1 1943 Jonh Mauchley – J Presper Eckert chế tập lệnh gồm 3 lệnh : q001Rq0 , q010Rq0 , q0bbNq1 tạo ENIAC gồm 18000 bĩng đèn điện tử, q q 1500 rơle, nặng 30 tấn. 1946 hồn thành 0 Ban đầu 0 nhưng khơng đạt mục đích 1949 Máy tính đầu tiên đưa vào hoạt động 1 0 b 0 0 b là EDSAC Cùng thời kỳ này Jonh Von Newman nghiên Dừng q1 cứu xây dựng máy tính ISA. Ơng đưa ra thiết kế cơ sở được dùng trong máy EDSAC q0 0 1 b 0 1 b Kết quả 01 5
6. Nguyên lý VonNeumann Nguyên lý Von Newman Máy Von Neumann là mơ hình của các máy tính hiện đại. Chương trình điều khiển xử lý dữ liệu cũng được Nguyên lý của nĩ như sau : xem là data và được lưu trữ trong bộ nhớ gọi là Về mặt logic (chức năng) , máy gồm 3 khối cơ bản : đơn vị xử lý, chương trình lưu trữ. bộ nhớ và hệ thống xuất nhập. Bộ nhớ chia làm nhiều ơ, mỗi ơ cĩ 1 địa chỉ (đánh số Đơn vị xử lý thứ tự) để cĩ thể chọn lựa ơ nhớ trong quá trình đọc BBộộnhnhớớ Đơn vị xử lý Trao đổi thơng ghi dữ liệu. (nguyên lý định địa chỉ) tin Các lệnh được thực hiện tuần tự nhờ 1 bộ đếm Điều khiển chương trình (thanh ghi lệnh) nằm bên trong đơn Hệ xuất nhập vị xử lý. data chương trình 1. Lịch sử phát triển máy tính 1. Lịch sử phát triển máy tính Thế hệ 2- Dùng Transitor(1955-1965) Thế hệ 3-Mạch tích hợp(1965-1980) 1948 Transitor được chế tạo ra Tích hợp các Transitor trong một vỏ TX-0(Transitorized experimental IC computer 0) là máy tính đầu tiên sử 1964 IBM đưa ra máy system/360 dụng transitor  Tính tương thích cao 1957-1961 IBM xây dựng máy tính  Đa chương trình 7090,7094( kết thúc thời kỳ máy  Khơng gian địa chỉ lớn ENIAC) 6
7. 1. Lịch sử phát triển máy tính Bài 3: Kiến trúc chung MTĐT Thế hệ 4-Dùng mạch VLSI(1980-) 1.Máy tính điện tử gồm 5 phần  Bộ nhớ trung tâm(Central Memory) cĩ nhiệm vụ 1980 chế tạo được các mạch chứa các chương trình và dữ liệu trước khi được VLSI(very large scale integrator) thi hành  Bộ điều khiển CU: Điều khiển sự hoạt động của tất cả các thành phần của hệ thống máy tính theo chương trình mà nĩ được giao thi hành  Bộ số học và logic ALU: Thực hiện các thao tác tính tốn theo sự điều khiển của CU  Thiết bị vào: Nhận thơng tin từ thế giới bên ngồi, biến đổi phù hợp rồi đưa vào bộ nhớ  Thiết bị ra: Đưa thơng tin từ bộ nhớ ra ngồi 2. Hoạt động của máy tính 3. Bộ Xử lý-Processors Chương trình số liệu ban đầu đưa vào bộ nhớ trong Bộ xử lý trung tâm gồm CU,ALU và bộ nhớ lệnh đầu tiên được đưa vào CU CU giải mã lệnh, tính tốn địa chỉ tốn hạng nếu cĩ Thế hệ 1,2: Các đơn vị này được xây dựng CU phát tín hiệu lấy tốn hạng đưa vào ALU thành các modulo độc lập CU gửi tín hiệu điều khiển tính tốn cho ALU. Kết quả Thế hệ 3,4: CU,ALU được xây dựng từ 1 tính tốn được đưa ra bộ nhớ hoặc lưu trong ALU tùy hoặc một số mạch tích hợp. Các máy tính theo điều khiển của CU CU kiểm tra lệnh cĩ rẽ nhánh khơng? điện tử đời thứ 4 đều xử dụng các mạch  Cĩ: tính địa chỉ của lệnh rẽ nhánh, lấy lệnh rẽ nhánh tích hợp VLSI, Tích hợp CU,ALU và một vào CU phần bộ nhớ vào 1 chip gọi là  Khơng:Lấy lệnh đứng ngay sau trong bộ nhớ Microprocessor 7
8. 3. Bộ Xử lý-Processors 3.1 Thi hành các chỉ thị CU:Lấy chỉ thị từ bộ nhớ chính, giải mã và Lấy chỉ thị tiếp theo từ bộ nhớ đặt vào thanh ghi chỉ thị IR điều khiển ALU cũng như tất cả các thành Thay đổi con đếm chương trình để trỏ tới chỉ thị tiếp phần thi hành của chỉ thị theo ALU: Thực hiện các thao tác đơn giản như Xác định kiểu chỉ thị vừa lấy về Nếu chỉ thị sử dụng kiểu dữ liệu trong bộ nhớ thì xác +, and để hồn thành chỉ thị định vị trí của dữ liệu Register: là bộ nhớ, các thanh ghi cĩ nhiệm Lấy dữ liệu về(nếu cĩ) đặt vào các thanh ghi bên vụ khác nhau. Quan trọng nhất là con đếm trong CPU chương trình(PC), nĩ trỏ đến nhệm vụ tiếp Thi hành chỉ thị theo được thi hành và thanh ghi chỉ thị Chứa kết quả vào nơi thích hợp Trở lại bước 1 để thi hành lệnh tiếp theo (instruction Register-IR) chứa chỉ thị đang  Dãy các bước này thường được gọi là chu kỳ lấy lệnh- được thi hành giải mã lệnh- thi hành lệnh 8