Bài giảng powerpoint kỹ thuật ghép nối máy tính full (6 chương)

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TỔ CHỨC
MÁY TÍNH


Outline


Giới thiệu



 Các ký hiệu và thuật ngữ cơ
bản




Những quan niệm về hệ thống
máy tính
Quan niệm của người dùng
Quan niệm của người lập trình
 Những lợi ích của các ngơn
ngữ lập trình bậc cao
 Tại sao chương trình lại dịch
ra ngôn ngữ assembly?




10/2005

Quan niệm của người kiến
trúc
Quan niệm của người thực
hiện

Vi xử lý
 Chu kỳ thực hiện lệnh
 Kỹ thuật đường ống
 RSIC và CISC



Memory
 Basic memory operations
 Design issues






Input/Output
Interconnection: The glue
Historical Perspective
Technological Advances

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

2


Sơ đồ khối máy tính đơn giản



10/2005

Các phần chính: CPU, Memory, I/O
Buses: address bus, data bus, và control bus.
DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

3


Cấu trúc máy tính theo mơ hình Von Neumman





Các thế hệ máy tính điện tử đầu tiên, việc “lập trình”
ứng với việc đấu dây và thiết lập mạch cứng -> Khơng
có chương trình được lưu trữ
Cấu trúc máy tính Von Neumman có 3 đặc trưng
chính:
(1) Gồm 3 hệ thống phần cứng: một bộ xử lý trung tâm (CPU);
một hệ thống bộ nhớ chính (main memory) và một hệ thống
vào ra (I/O system)

(2) Có khả năng lưu trữ một dãy các câu lệnh xử lý
(3) Có một luồng đơn (có thể là vật lý hoặc logic) nối giữa các
thành phần hệ thống
 Bộ xử lý trung tâm bao gồm có một đơn vị điều khiển (control
unit), một đơn vị xử lý toán học (ALU), một tập các thanh ghi
và một bộ đếm chương trình (program counter)

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

4


Cấu trúc máy tính theo mơ hình Von Neumman

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

5


Chu kỳ thực hiện lệnh
(1)
(2)
(3)
(4)

Đơn vị điều khiển nạp lệnh kế tiếp từ bộ nhớ, sử dụng bộ đếm chương trình

để xác định lệnh đó được đặt ở đâu
Lệnh được giải mã thành ngơn ngữ mà ALU có thể hiểu được
Bất kỳ toán hạng nào cần để thực hiện câu lệnh đều được nạp vào từ bộ
nhớ và đặt vào các thanh ghi trong CPU
ALU thực thi các câu lệnh và đặt kết quả vào thanh ghi hoặc bộ nhớ

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

6


Central Processing Unit (CPU)


Chức năng
 Điều khiển MT hoạt động theo
chương trình
 Xử lý dữ liệu



Nguyên tắc
 Nhận lệnh từ chương trình nằm
trong bộ nhớ chính
 Giải mã lệnh
 Thực hiện lệnh tuần tự



Bao gồm
 CU – Control Unit
 ALU – Arithmetic and Logic Unit
 Bus Interface Unit - Bus nội bộ

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

7


Khối điều khiển (CU - Control Unit)


Điều khiển hoạt động của CPU và các thành phần khác
 Đọc lệnh từ chương trình trong bộ nhớ chính (instruction fetch)
 Giải mã lệnh (instruction decode)
 Thực thi lệnh đã giải mã một cách tuần tự (instruction excution)

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

8


Khối tính tốn (ALU - Arithmetic Logic Unit)


Thực hiện các phép toán số học và logic
 Các phép toán số học: +,-,*,/
 Các phép toán logic: NOT, AND, OR,…
 Các phép so sánh
…



Dữ liệu
 Số nguyên (integer)
 Số dấu phảy tĩnh (fixed point number)
 Số dấu phảy động (floating point number)

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

9


Tập thanh ghi (Registers)




Là bộ nhớ nhỏ, tốc độ nhanh
Lưu trữ tốn hạng, kết quả và các thơng số khác trong q trình
tính tốn của CPU
Bao gồm

 Con trỏ chương trình (PC - Program Counter)
 Các thanh ghi đa chức năng
 Thanh ghi chỉ số (index register)
 Thanh ghi cờ (flag register)

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

10


Bộ nhớ chính (main memory)





Chứa chương trình và dữ liệu đang xử lý
Được kết nối và có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với CPU
Được tổ chức thành các ngăn nhớ, đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPU
Bao gồm
 ROM (Read Only Memory)

‐
‐

CPU chỉ đọc bộ nhớ này
Chứa các chương trình, dữ liệu cơ bản của máy tính

‐
‐

CPU có thể đọc và ghi bộ nhớ này
Chứa dữ liệu, chương trình được nạp, đang thực hiện

 RAM (Random Access Memory)

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

11


Memory


Là một chuỗi có thứ tự của các byte
 Số thứ tự trong chuỗi gọi là địa chỉ nhớ (memory address)
 Bộ nhớ định địa chỉ theo byte

‐ Mỗi byte có một địa chỉ riêng
‐ Hầu hết các vi xử lý hỗ trợ chế độ này



Không gian nhớ

 Xác định bởi độ rộng bus dữ liệu

 Pentium có bus dữ liệu 32 bit

‐ Không gian địa chỉ = 4GB (2

32

)

 Itanium hỗ trợ bus địa chỉ 64-bit

‐ Không gian địa chỉ 2

64

10/2005

byte

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

12


Memory (cont’d)

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

13

Memory (cont’d)


Đơn vị nhớ
 Địa chỉ (Address)
 Dữ liệu (Data)
 Tín hiệu điều khiển (Control signals)

‐
‐

10/2005

Đọc (Read)
Ghi (Write)

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

14


Memory (cont’d)


Chu kỳ đọc
1.
2.
3.

4.
5.



Đặt địa chỉ lên bus địa chỉ
Kích hoạt tín hiệu điều khiển đọc địa chỉ (/MEMR)
Chờ bộ nhớ đọc xong dữ liệu

‐ Introduce wait states if using a slow memory
Đọc dữ liệu trên bus dữ liệu
Xố tín hiệu đọc bộ nhớ

Với VXL Pentium, một lần đọc bộ nhớ chiếm 3 chu kỳ đồng hồ

‐ Clock 1: bước 1 và 2
‐ Clock 2: bước 3
‐ Clock 3 : bước 4 và 5

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

15


Memory (cont’d)


Chu kỳ ghi

1.
2.
3.
4.

Đặt địa chỉ lên bus địa chỉ
Đặt dữ liệu lên bus dữ liệu
Kích hoạt tín hiệu ghi bộ nhớ (/MEMW)
Chờ bộ nhớ gị xong dữ liệu

‐

Introduce wait states if necessary

5. Xố tín hiệu ghi bộ nhớ


Với VXL Pentium, một lần ghi bộ nhớ chiếm 3 chu kỳ đồng hồ

‐
‐
‐

10/2005

Clock 1: bước 1 và 3
Clock 2: bước 2
Clock 3 : bước 4 và 5

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

16


Input/Output


Các thiết bị ngoại vi (I/O devices) được ghép nối với máy
tính qua các bộ điều khiển ghép nối (I/O controller)
 Khối ghép nối thực hiện các thao tác vào/ra cụ thể ở mức thấp

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

17


Bus



Di chuyển dữ liệu trong hệ thống
Từ:
 Thiết bị vào tới CPU
 CPU tới bộ nhớ
 Từ bộ nhớ tới thiết bị ra



Giống như hệ thống đường cao tốc
 Các bit được di chuyển trên đường



Tốc độ và độ rộng bus
 Buses operate at different speeds and have different widths

‐

Original PC had buses at 4.77 MHz


‐
‐

Became a standard, called ISA
Improved over time


‐

Became 16 bits wide and 8 MHz

1990’s Intel introduced the PCI bus



10/2005

8 bits wide

Originally 32 bits wide
Now, 64 bits and runs at 133 MHz

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

18


Chương 2

Các phương pháp trao đổi

tin


Các vấn đề trong trao đổi tin


Các thiết bị ngoài rất đa dạng
 Lượng dữ liệu trao đổi khác nhau rất nhiều (keyboard x disk drive)
 Khác nhau về tốc độ – Thời gian truy cập, tốc độ truyền dữ liệu
 Khác nhau về định dạng dữ liệu
 Khác nhau về phương thức truyền tin






Hầu như tất cả các các thiết bị ngồi có thời gian truy cập (access time)
chậm hơn CPU và RAM, nhưng một số có tốc độ truyền dữ liệu (transfer
rates) rất cao
Cần có một khối ghép nối để giao tiếp giữa thiết bị với CPU và bộ nhớ
Cần các chương trình điều khiển thiết bị (device drivers) – Là phần mềm làm
nhiệm vụ điều khiển truyền thông giữa CPU và thiết bị

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

20


Các phương pháp vào/ra
Mục đích:
 Tối thiểu hố thời gian sử dụng của CPU với chi phí chấp nhận được
 Đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu mà không mất mát dữ liệu
Các phương pháp chính:
 Hỏi vịng (Programmed I/O – Polling)– Hoàn toàn do CPU điều khiển
 Ngắt vi xử lý (Interrupt-driven I/O)– CPU điều khiển truyền dữ liệu nhưng
do thiết bị ngoài khở xướng
 Trực tiếp khối nhớ (Direct Memory Access - DMA) – Không sử dụng
CPU nhằm tối ưu tốc độ truyền dữ liệu giữa TBN và bộ nhớ
 Kênh vào ra (I/O Channels - Dedicated Peripheral Computers)- CPU chỉ
đưa ra các lệnh vào ra ở mức cao, điều khiển truyền dữ liệu sẽ do một
thiết bị chuyên dụng đảm nhiệm

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

21


Hỏi vòng (Polling)
1.
2.

MVT đưa tin điều khiển
TBN.
MVT chờ và kiểm tra trạng
thái sẵn sàng trao đổi tin
của TBN bằng cách:
 Đọc tin về trạng thái sẵn
sàng của TBN.
 Kiểm tra trạng thái sẵn sàng.
Nếu chưa, MVT lại đọc và
kiểm tra trạng thái sẵn sàng.

3.

10/2005

Chương trình

S

MVT trao đổi tin với TBN.

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

TBN đã sẵn
sàng ?
Đ
Trao đổi tin

22


Ngắt vi xử lý (Interrupt)
1.
2.

4.

5.

10/2005

Chương trình

Ngắt

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

Chương trình con
phục vụ ngắt

3.

MVT đang thưc hiện chuỗi lệnh
của một chương trình nào đó.
TBN có u cầu trao đổi tin, sẽ gửi
tín hiệu yêu cầu trao đổi tin ( yêu
cầu ngắt INTR)
MVT (cụ thể là VXL ) đưa tín hiệu
chấp nhận (xác nhận ngắt INTA)
Chương trình chính bị ngắt, MVT
chuyển sang chương trình con
phục vụ ngắt tức là chương trình
con trao đổi tin cho TBN đã u
cầu.
Chương trình chính lai tiếp tục
thực hiện ở chỗ bị ngắt.

23


Ngắt trong máy PC


Các loại ngắt
 Ngắt cứng: còn gọi là ngắt ngồi vì do ngun nhân bên ngồi.

‐ Ngắt NMI ( Non maskable Interrupt) - Ngắt không che được 
‐ Ngắt INTR
‐ Ngắt reset

 Ngắt mềm: (hay ngắt bên trong do lệnh của chương trình)

‐ Ngắt do lệnh: đó là ngắt khi thực hiện các lệnh CALL, HLT, INT
‐ Ngắt logic hay các ngoại trừ
‐ Ngắt của hệ điều hành (INT 10, INT 16, INT 21, .v.v. .)

10/2005

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

24


Các ngắt cứng trong máy PC
Số hiệu ngắt

10/2005

IRQ

Chức năng

08

Hardware IRQ0

System Timer

09

Hardware IRQ1

Keyboard

0A

Hardware IRQ2

Redirected

0B

Hardware IRQ3

Serial Comms. COM2/COM4

0C

Hardware IRQ4

Serial Comms. COM1/COM3

0D

Hardware IRQ5

Reserved/Sound Card

0E

Hardware IRQ6

Floppy Disk Controller

0F

Hardware IRQ7

Parallel Comms.

70

Hardware IRQ8

Real Time Clock

71

Hardware IRQ9

Redirected IRQ2

72

Hardware IRQ10

Reserved

73

Hardware IRQ11

Reserved

74

Hardware IRQ12

PS/2 Mouse

75

Hardware IRQ13

Math's Co-Processor

76

Hardware IRQ14

Hard Disk Drive

77

Hardware IRQ15

Reserved

DCE - Lecture Notes Computer Interfacing

25