›

Giáo trình Kiến trúc Máy tính - Vũ Đức Lung

pdf 48 trang huongle 4240
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kiến trúc Máy tính - Vũ Đức Lung", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_kien_truc_may_tinh_vu_duc_lung.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kiến trúc Máy tính - Vũ Đức Lung

  1. KINTRÚCMÁYTÍNH (Computerarchitecture)  Thời gian: Lý Thuyết:45tiết (3TC)  Điểm số: Điểm thi giữa HK:30% Điểm thi cuối kỳ:70%  Khoa Kỹ thuật máy tính  GV:TS. Vũ Đức Lung  Email:lungvd@uit.edu.vn Khoa KTMT Vũ Đc Lung 1
  2. McMc đđíchích mônmôn hchc Nhằm trang bị cho sinh viên các kiến thức cơ bản nhất về kiến trúc một máy tính.  Lịch sử  Chức năng và nguyên lý hoạt động của các bộ phận  Cách biểu diễn dữ liệu,tính toán trong máy tính  Cách chế tạo,thiết kế các mạch Logicsố cơ bản  Các kiến trúc bộ lệnh trong các loại máy tính CISCvà RICS  Các nguyên lý hoạt động của bộ xử lý Khoa KTMT Vũ Đc Lung 2
  3. Ni dungmôn hc Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Các bộ phận cơ bản của máy tính Chương 3:Biểu diễn dữ liệu Chương 4:Mạch Logicsố Chương 5:Mạch tuần tự Chương 6:Kiến trúc bộ lệnh Chương 7:Tổ Chức bộ xử lý Chương 8:Hệ Thống bộ nhớ Khoa KTMT Vũ Đc Lung 3
  4. TàiTài liệuliệu họchọc tậptập && thamtham khảokhảo 1.Vũ Đức Lung.Giáo trình kiến trúc máy tính.TrườngĐHCông nghệ thôngtin,ĐHQGTP.HCM,2009. 2.Cấu trúc máy tính cơ bản,tổng hợp và biên dịch VNGuide,nhà xuất bản thống kê,2005. 3.Võ Văn Chín,Nguyễn Hồng Vân,Phạm Hữu Tài.Giáo trình kiến trúc máy tính.ĐHCần Thơ,2005. 4.M.AbdElBarr,H.ElRewini,FundamentalsofComputerOrganization andArchitecture,Wiley,2005 5.Patterson,D.A.,andJ.L.Hennessy. ComputerOrganizationandDesign: TheHardware/SoftwareInterface ,3rded.SanMateo,CA:Morgan Kaufman,2004 Slides+bài tp: vdlung?hl=en Khoa KTMT Vũ Đc Lung 4
  5. Chương I: Gii thiu Mục đích nắm bắt cơ bản về: Một số khái niệm cơ bản về kiến trúc máy tính Lịch sử phát triển của máy tính quacác thế hệ máy tính: Khuynh hướng hiện tại cho phát triển ngành máy tính Phân loại máy tính Các dòng CPUIntel Khoa KTMT Vũ Đc Lung 5
  6. Kin trúc máy tính  Kiến trúc máy tính đề cập đến những thuộc tính hệ thống mà lập trình viên có thể quan sát được.Đó là các thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực thi một chương trình,ví dụ như tập chỉ thị của máy tính,số bitđược sử dụng để biểu diễn dữ liệu,cơ chế nhập/xuất,kỹ thuật định địa chỉ bộ nhớ,v.v Khoa KTMT Vũ Đc Lung 6
  7. T chc máy tính  Tổ chức máy tính quan tâm đến các đơn vị vận hành và sự kết nối giữa chúng nhằm hiện thực hóa những đặc tả về kiến trúc,chẳng hạn như về tín hiệu điều khiển,giao diện giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi,kỹ thuật bộ nhớ được sử dụng Khoa KTMT Vũ Đc Lung 7
  8. Hc Kin trúc máy tính đ làm gì? Khoa KTMT Vũ Đc Lung 8
  9. Máy tính là gì? Là máy xử lý dữ liệu,thực thi tự động dưới sự điều khiển của một danh sách các câu lệnh lưu trong bộ nhớ Khoa KTMT Vũ Đc Lung 9
  10. Th phn b vix lý Khoa KTMT Vũ Đc Lung 10
  11. 1.1.Lchs phát trin máy tính 1.1.1.Thế hệ zero –máy tính cơ học (1642 1945) Năm 1642Pascalphát minh ra máy tính đầu tiên với 2phép tính + và Khoa KTMT Vũ Đc Lung 11
  12. 1.1.1.Thế1.1.1.Thế hệhệ zerozero ––máymáy tínhtính ccơơ họchọc (1642(1642 1945)1945) Năm 1672Gotfrid vilgelm Leibnits chế tạo • 1834Babbage(Anh)– máy tính ra máy tính với 4phép có 4bộ phận:bộ nhớ,bộ tính tính cơ bản (+ */) toán,thiết bị nhập,thiết bị xuất • 1936К. Zuse (Đức)máy trên cơ sở rơle (relay) • 1944G.Iken (Mỹ)– MarkI nặng 5tấn, cao 2.4m, dài 15m, chứa 800kmdây điện Khoa KTMT Vũ Đc Lung 12
  13. 1.1.1.Thế1.1.1.Thế hệhệ zerozero ––máymáy tínhtính ccơơ họchọc (1642(1642 1945)1945) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 13
  14. 1.1.2.Thế1.1.2.Thế hệhệ II –– bóngbóng đđènèn đđiệniện (1945(1945 1955)1955) 1.1943máy tính COLOSSUS(Anh) 2000đèn chân không Gi bí mt sut 30năm Bóng đèn chân không Khoa KTMT Vũ Đc Lung 14
  15. 1.1.2.Thế1.1.2.Thế hệhệ II –– bóngbóng đđènèn đđiệniện (1945(1945 1955)1955) COLOSSUS Khoa KTMT Vũ Đc Lung 15
  16. 1.1.2.Thế1.1.2.Thế hệhệ II –– bóngbóng đđènèn đđiệniện (1945(1945 1955)1955) 2.Dự án chế tạo máy ENIAC (Electronic NumericalIntegrator andComputer)được BRL(BallisticsResearchLaboratory– Phòng nghiên cứu đạn đạo quân đội Mỹ)bắt đầu vào năm 1943dùng cho việc tính toán chính xác và nhanh chóng các bảng số liệu đạn đạo cho từng loại vũ khí mới. Các thông số: 18000bóng đèn chân không nặng hơn 30tấn Tiêu thụ một lượng điện năng vào khoảng 140kWvà chiếm một diện tích xấp xỉ 1393m2. 5000phép cộng/1s Đặc biệt sử dụng hệ đếm thập phân Khoa KTMT Vũ Đc Lung 16
  17. 1.1.2.Thế1.1.2.Thế hệhệ II –– bóngbóng đđènèn đđiệniện (1945(1945 1955)1955) B nh ca ENIAC 20"b tích lũy", Mi b có kh năng lưu gi mt s thp phân có 10ch s. Mi ch s đưc th hin bng mt vòng gm 10đèn chân không. Đim khác bit gia ENIAC&các máy tính khác: ENIACs dng h đm thp phân ch không phi nh phân như tt c các máy tính khác • Máy ENIACbắt đầu hoạt động vào tháng 11/1945 Khoa KTMT Vũ Đc Lung 17
  18. 1.1.2.Th1.1.2.Th hh II –– bóngbóng đđènèn đđinin (1945(1945 1955)1955) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 18
  19. 1.1.2.Thế1.1.2.Thế hệhệ II –– bóngbóng đđènèn đđiệniện (1945(1945 1955)1955) 3.Nhà toán học John vonNeumann (Hungary),một cố vấn của dự án ENIAC,đưa ra 1945,trong một bản đề xuất về một loại máy tính mới có tên gọi EDVAC (ElectronicDiscreteVariableComputer) 2500đèn điện tử Chương trình lưu trong bộ nhớ (không cần phải nối dây lại như máy ENIAC). Khoa KTMT Vũ Đc Lung 19
  20. 1.1.2.Thế1.1.2.Thế hệhệ II –– bóngbóng đđènèn đđiệniện (1945(1945 1955)1955) John vonNeumann Khoa KTMT Vũ Đc Lung 20
  21. 1.1.2.Thế1.1.2.Thế hệhệ II –– bóngbóng đđènèn đđiệniện (1945(1945 1955)1955) 1952ra đi IAS (InstituteforAdvancedStudies)ti hc vin nghiên cu cao cp Princeton,M. Bộ Logicsốhọc ALU Thiết Bộ bị nhớ nhập chính xuất Bộ điềukhiển CU Cu trúc ca máy IAS 1952máy tính VonNeumannra đi – cơ s cho kin trúc máy tính hin đi (bit1,0). Khoa KTMT Vũ Đc Lung 21
  22. Đc tính ca IAS K thut storedprogram Chương trình đưc đưa vào b nh chính đã đưc đa ch hóa và máy tính dùng b đm chương trình đ thi hành tun t các lnh. B nh 1000v trí lưu tr,gi là word , 1word=40bit. Mi s đưc biu din bng 1bitdu và mt giá tr 39bit. Mt wordcó th cha 2ch th 20bit,vi mi ch th gm mt mã thao tác 8bit(opcode)đc t thao tác s đưc thc hin và mt đa ch 12bitđnh hưng đn mt wordtrong b nh (đa ch này đi t 0đn 999). Khoa KTMT Vũ Đc Lung 22
  23. Khoa KTMTCác dạng th ức Vũ b Đcộ nh Lung ớ của máy IAS 23
  24. 1.1.3.Thế1.1.3.Thế hệhệ IIII –– transistor(1955transistor(1955 1965)1965) Sự thay đổi đầu tiên trong lĩnh vực máy tính điện tử xuất hiện khi có sự thay thế đèn chân không bằng đèn bán dẫn .Đèn bán dẫn nhỏ hơn,rẻ hơn, tỏa nhiệt ít hơn trong khi vẫn có thể được sử dụng theo cùng cách thức của đèn chân không để tạo nên máy tính Năm 1947 Bardeen , Brattain và Shockley của phòng thí nghiệm BellLabs đã phát minh ra transistor và đã được giải Nobelvật lý năm 1956. Khoa KTMT Vũ Đc Lung 24
  25. 1.1.3.Thế1.1.3.Thế hệhệ IIII –– transistor(1955transistor(1955 1965)1965) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 25
  26. 1.1.3.Thế1.1.3.Thế hệhệ IIII –– transistor(1955transistor(1955 1965)1965) Trong thế hệ này nổi tiếng nhất là 2máy: PDP1của DEC là máy tính nhỏ gọn nhất thời bấy giờ.DEC (DigitalEquipmentCorporation)được thành lập vào năm 1957 và cũng trong năm đó cho ra đời sản phẩm đầu tiên của mình là PDP1. 4Kword(1word=18bit) chu kỳ 5ms giá 120000$ và IBM7094 . 32Kword(1word=16bit) chu kỳ 2ms giá 1triệu USD Khoa KTMT Vũ Đc Lung 26
  27. 1.1.3.Thế1.1.3.Thế hệhệ IIII –– transistor(1955transistor(1955 1965)1965) máy IBM7094 Khoa KTMT Vũ Đc Lung 27
  28. 1.1.3.Thế1.1.3.Thế hệhệ IIII –– transistor(1955transistor(1955 1965)1965) AnIBM7094console Khoa KTMT Vũ Đc Lung 28
  29. 1.1.3.Thế1.1.3.Thế hệhệ IIII –– transistor(1955transistor(1955 1965)1965) Một cấu trúc máy IBM7094 Khoa KTMT Vũ Đc Lung 29
  30. 1.1.4.1.1.4. ThếThế hệhệ IIIIII –– mạchmạch tíchtích hợphợp (1965(1965 1980)1980) 1958 JackKilby và RobertNoyce đã cho ra đi mt công ngh mi,công ngh mch tích hp (Integratedcircuit– IC ) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 30
  31. 1.1.4.1.1.4. ThếThế hệhệ IIIIII –– mạchmạch tíchtích hợphợp (1965(1965 1980)1980) Máy IBMSystem360 được IBMđưa ra vào năm 1964là họ máy tính công nghiệp đầu tiên được sản xuất một cách có kế hoạch. Đặc biệt khái niệm họ máy tính bao gồm các máy tính tương thích nhau là một khái niệm mới và hết sức thành công.Nhờ đó mà một chương trình được viết cho máy này cũng sẽ dùng được trên những máy khác cùng họ với nó. Khái niệm này đã được dùng cho đến ngày nay. Khoa KTMT Vũ Đc Lung 31
  32. 1.1.4.1.1.4. ThếThế hệhệ IIIIII –– mạchmạch tíchtích hợphợp (1965(1965 1980)1980) Máy DECPDP8 PDP8đã sử dụng một cấu trúc rất phổ dụng hiện naycho các máy minivà vitính:cấu trúc đường truyền.Đường truyền PDP 8,được gọi là Omnibus,gồm 96đường tín hiệu riêng biệt,được sử dụng để mang chuyển tín hiệu điều khiển,địa chỉ và dữ liệu. Cu trúc PDP8 Khoa KTMT Vũ Đc Lung 32
  33. 1.1.4.1.1.4. ThếThế hệhệ IIIIII –– mạchmạch tíchtích hợphợp (1965(1965 1980)1980) 1975máy tính cá nhân đầu tiên (Portablecomputer)IBM5100ra đời,tuy nhiên máy tính này đã không gặt hái được thành công nào. Băng từ Nặng 23Kg 10000$ Khả năng lập trình trên Basic Màn hình 16dòng,64 ký tự Bộ nhớ <=64Kbyte 1979chương trình Sendmail ra đời bởi 1sinh viênĐHTH California,Berkely universitycho ra đời BSDUNIX(Berkely SoftwareDistribution) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 33
  34. 1.1.5.1.1.5. ThếThế hệhệ IVIV –– máymáy tínhtính cácá nhânnhân (1980(1980 ?)?) Sự xuất hiện của công nghệ VLSI(verylarge scaleintegrated) cho phép trên một bản mạch có thể sắp sếp hàng triệu transistor.Từ đây bắt đầu kỷ nguyên của máy tính cá nhân Khoa KTMT Vũ Đc Lung 34
  35. 1.1.5.1.1.5. ThếThế hệhệ IVIV –– máymáy tínhtính cácá nhânnhân (1980(1980 ?)?) 1981ra đi máy IBMPCtrên cơ s CPUIntel8088 và dùng h điu hành MSDOSca Microsoft. 1983PC/XT(Extended Technology)vi HDD10 MBhoc 20MBvi giá ch có 1995$ Khoa KTMT Vũ Đc Lung 35
  36. Khi các nưc XHCN 1950tại trường cơ khí chính xác và quang học (CNTTbây giờ): máy tính toán điện cỡ lớn đầu tiên ra đời với mục đích giải quyết các bài toán khoa học và kỹ thuật phức tạp. 1953tại đại học toán,viện hàn lâm – máy Strela 1954PC– Ural116 Minsk,Kiev Nói chung trong thời kỳ đầu tuy có ra sau một thời gian,nhưng hầu hết đều có máy tính tương đương với xu hướng của thế giới. EC1840 Khoa KTMT Vũ Đc Lung 36
  37. Khi các nưc XHCN  EC1840,41 tương đương với8086  EC1842,1843tươngđương 80286  Từ 1849trở đi các máy tính dùng CPUcủa Intel. PC Năm bt đu SX Năm kt thúc SX S lưng ЕС1840 1986 1989 7461 ЕС1841 1987 1995 83937 ЕС1842 1988 1996 10193 ЕС1843 1990 1993 3012 ЕС1849 1990 1997 4966 ЕС1851 1991 1997 3142 ЕС1863 1991 1997 3069 ВМ2001 1994 1074 Khoa KTMT Vũ Đc Lung 37
  38. 1.2.1.2. KhuynhKhuynh hhưướngớng hiệnhiện tạitại vàvà ttươươ ngng lailai Tăng tn s xung đng h X lý songsong Đa lõi CPU Máy tính thông minh,trí tu nhân to: LISPvà PROLOG ASIMO (AdvancedStepInnovativeMobility) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 38
  39. 1.2.1.2. KhuynhKhuynh hhưướngớng hiệnhiện tạitại vàvà ttươươ ngng lailai Các bộ sử lý đa lõi 1999– CPU2lõi kép đầu tiên ra đời (IBMPower4cho máy chủ) 2001– bắt đầu bán ra thị trường Power4 2002– AMDvà Intelcùng thông báo về việc thành lập CPU đa lõi của mình. 2004– CPUlõi kép của Sunra đời UltraSPARS IV 2005– Power5 03/2005– CPUIntellõi kép x86ra đời,AMD– Opteron, Athlon 64X2 2025/05/2005– AMDbắt đầu bán Opteron 2xx,26/05Intel PentiumD,31/05AMD– bán Athlon 64X2 Khoa KTMT Vũ Đc Lung 39
  40. 1.2.1.2. KhuynhKhuynh hhưướngớng hiệnhiện tạitại vàvà ttươươ ngng lailai Presler 65nm Khoa KTMT Vũ Đc Lung 40
  41. Yonah DualCore Khoa KTMT Vũ Đc Lung 41
  42. CPUPower5 Khoa KTMT Vũ Đc Lung 42
  43. 1.2.1.2. KhuynhKhuynh hhưướngớng hiệnhiện tạitại vàvà ttươươ ngng lailai Mt trong nhng siêu máy tính hàng đu ca th gii (8192CPU,7,3Tfops) 26/06/2007:supercomputerBlueGene/Lvới 128dãy,130ngàn CPU,360Tfops,267triệu USD.( MDGRAPE3:1PFlops) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 43
  44. 1.3.1.3. PhânPhân loạiloại máymáy tínhtính a)Các siêu máy tính (SuperComputer): >1triu USD,IBMDeepBlue,BlueGene, MDGRAPE3 b)Các máy tính ln (Mainframe) t vài trăm – 1triu USD.IBMmainframes,Unisys ClearPath mainframes, Hitachi zSeries (z800),HewlettPackard,Fujitsu BS2000 andFujitsuICL VME c)Máy tính mini(Minicomputer) Vài chc đn vài trăm ngàn USD. ControlData’sCDC160AandCDC1700,DECPDPandVAXseries, HewlettPackardHP3000series,HP2100series,HP1000series.IBM midrangecomputers,Texas InstrumentsTI990 d)Máy vitính (Microcomputerorpersonal computer) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 44
  45. 1.4.Các dòng Intel 1970bộ CPU4004(4bit)của Intel trên 1chipđầu tiên ra đời 1972CPUIntel8008(8bit) 1974CPU8080,1978CPU8086(16bit) 1979CPU8088(8bit) 1981máy tính IBMPCđầu tiên ra đời trên cơ sở CPUIntel8088 và hệ điều hành MSDOS 1982CPU80286(16bit) 1985CPU80386(32bit),89486,93Pentium Khoa KTMT Vũ Đc Lung 45
  46. 1.4.1.4. CácCác dòngdòng CPUIntelCPUIntel Khoa KTMT Vũ Đc Lung 46
  47. 1.4.1.4. CácCác dòngdòng CPUIntel(CPUIntel( tttt )) PentiumD, Core2Duo, Intel®Core™2Quadprocessor, Intel®Core™2Extremeprocessor Intel®Core™i7processor Intel®Core™i7processorExtremeEdition Corei7 • 45nm • 4nhân • TurboBoost • Intel®Quickpath • CacheL38MB • Intel®DesktopBoardDX58SOExtremeSeries • chipsetIntel®X58Express • Gia 330$(6tr3) Khoa KTMT Vũ Đc Lung 47
  48. Câu hi và bài tp  Nắm bắt các khái niệm cơ bản  Lịch sử phát triền của máy tính  Các xu hướng  Phân loại máy tính Khoa KTMT Vũ Đc Lung 48