Nhập môn kiến trúc máy tính

Chương 1

Nhập mơn
kiến trúc máy tính


Lịch sử máy tính
Blaise Pascal (1642)

ENIAC (1946)
18.000 bóng đèn
1500 rờ le
30 tấn
140 KW

Intel 8080 (1974)
được xem như CPU đầu
tiên được tích hợp trên 1
chip

IBM 360 (1965)
Von Neumann (1946)

Cơ

PDP-1 (1961)

Đèn
điện tử

(1642-1945)

(1945-1955)

(1955-1965)

Bộ nhớ dây trễ, tĩnh
điện. Giấy, phiếu đục
lổ. Băng từ

Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

80x86 (1978)

Tran-sistors

IC

?

(1965-1980) (1980-????)

Bộ nhớ xuyến từ.
Băng từ, trống từ,
đĩa từ.

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 2

Giới thiệu tổng quát một máy tính

Bộ
xử lý
trung
tâm
(CPU)

Tuyến địa chỉ
Tuyến dữ liệu

Tuyến điều khiển
Tuyến trạng thái

Xuất
nhập
(I/O)

Bộ nhớ
chính
(MEMORY)
Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 3


Mơ hình Von-Neumann
Tuyến

Điều khiển màn hình

Khối điều
khiển

Điều khiển máy in
Điều khiển đĩa

Khối số học
luận lý
(ALU)

Xuất / nhập

Bộ thanh ghi

Bank 0
Bank 1
Bank 2
Bank 3

CPU
Chương 1 / Nhập môn Kiến trúc máy tính

Bộ nhớ
Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 4

Mơ hình máy tính
Bộ nhớ chính

Khối điều
khiển

Bank 0
Bank 1

Khối số học
luận lý
(ALU)

Bank 2

CPU

Bank 3

Đơn vị giao tiếp

I/O
Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Đơn vị giao tiếp

I/O

I/O

I/O

Tổ chức & cấu trúc máy tính

I/O
Tờ 5


Nguyên lý hoạt động
Các thanh ghi (registers)
Bộ nhớ trung tâm (central memory)

0
4
Mạch giải mã
chọn ô nhớ

Địa chỉ

Thanh ghi địa chỉ

Điều khiển đọc/ghi

1
5

2
6

3

chọn ơ nhớ
Ơ nhớ

Ghi

Đọc

Thanh ghi dữ liệu
Dữ liệu
Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 6


Nguyên lý hoạt động (tt.1)
Chương trình (program).
Đơn vị điều khiển (control unit)

Bộ đếm chương trình
(Program Counter)

+1

Địa chỉ câu lệnh
Câu lệnh

Thanh ghi lệnh (Instruction Register)

Mã lệnh
(opcode)

Địa chỉ toán hạng
(operand address)

Địa chỉ tốn hạng

Mạch tuần tự
(sequencer)

...

...

Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 7


Nguyên lý hoạt động (tt.2)
Đơn vị số học / luận lý (ALU)
Máy tính 3 địa chỉ
Dạng lệnh
Kiến trúc

T
đi ín

ều hi
k h ệu
iể
n

Mã lệnh

Địa chỉ th1

Địa chỉ th2

R1

Địa chỉ kq

R2
Toán hạng 1

Tốn hạng 2

Khối tính tốn
Kết quả

R3
Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 8

Nguyên lý hoạt động (tt.3)
Máy tính 1 địa chỉ
Dạng lệnh
Mã lệnh

T
đi ín
ều hi
kh ệu
iể
n

Kiến trúc

Địa chỉ tốn hạng

R1
Tốn hạng

Khối tính tốn

ACC

Kết quả
Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 9

Ví dụ so sánh
Cần tính :

C=A+B

Máy ba địa chỉ
C←A+B

Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Máy một địa chỉ
Acc ← A
Acc ← Acc + B
C ← Acc

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 10


Máy giả thiết 1 địa chỉ
00000
00001
00010
00011

Khối điều khiển

màn hình

Bộ nhớ
32 byte

Khối số học
luận lý (ALU)

tập lệnh

Bộ thanh ghi
bàn phím

ACC
IR
PC
11110
11111
Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

CPU
Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 11


Tập lệnh 1 địa chỉ
(lệnh nạp)
000

ACC  (addr)

Addr

(địa chỉ 5
bit)
(lệnh cất)
001

(addr)  ACC

Addr

(lệnh cộng)
010

ACC  ACC + (addr)

Addr

(lệnh nhập)
011

Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

00000

Tổ chức & cấu trúc máy tính

ACC  bàn phím

Tờ 12


Tập lệnh 1 địa chỉ (tt.)
(lệnh xuất)
100

00000

Màn hình  ACC

(lệnh nhảy)
101

Addr

PC  addr

Addr

PC  addr nếu ACC≠0

(lệnh nhảy điều kiện)
110
(lệnh dừng)
111

Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

00000

Tổ chức & cấu trúc máy tính

CPU dừng hoạt động

Tờ 13


Bài tốn
Chương trình tính tổng 2 số nhập từ bàn phím và xuất kết quả ra màn hình
Địa chỉ

Lệnh

Giải thich

00000

Nhập

Acc

 số thứ nhấtsố số thứ nhấtthứ số thứ nhấtnhất

00001

Cất (11111)

(11111)

 số thứ nhấtsố số thứ nhấtthứ số thứ nhấtnhất

00002

Nhập

Acc

 số thứ nhấtsố số thứ nhấtthứ số thứ nhấthai

00003

Cộng (11111)

Acc

 số thứ nhấtsố số thứ nhấtthứ số thứ nhấthai số thứ nhất+ số thứ nhấtsố số thứ nhấtthứ số thứ nhấtnhất

00004

Xuất

Màn số thứ nhấthình số thứ nhất số thứ nhấtkết số thứ nhấtquả

00005

Dừng

CPU số thứ nhấtdừng.

:

BT : Tính tích 2 số nhập từ bàn phím và xuất kết quả ra màn hình .

Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 14


Lệnh rẽ nhánh (branch instruction)
Thỏa điều kiện
Lệnh rẽ nhánh
Lệnh kế

Không thỏa điều kiện

Đơn vị điều khiển
+1

Bộ đếm chương trình

ALU

Địa chỉ

Kiểm tra điều kiện
Chương 1 / Nhập môn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 15


Quá trình đọc và thực thi lệnh
Lệnh cần thực hiện :
Mem(B)  NOT(Mem(A))

Bước 1 : đọc lệnh.
2

Bộ nhớ

Đơn vị điều khiển
+1

PC

1

IR
Địa chỉ

3

Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 16


Quá trình đọc và thực thi lệnh (tt.)
Bước 2 : đọc toán hạng và thực thi lệnh.
2

Đơn vị điều khiển
+1

Bộ nhớ

PC

IR
Địa chỉ

ALU

1
4
3

Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 17

Quá trình đọc và thực thi lệnh (tt.)
Bước 3 : ghi kết quả.
3

Đơn vị điều khiển
+1

Bộ nhớ

PC

IR
Địa chỉ

ALU

1

2

Bước 4 : chuẩn bị đọc câu lệnh kế tiếp.
Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 18


Bài tốn kết nối

Vấn đề kết nối (connection problem) có thể được thực hiện qua
các dạng khác nhau.
Bus
Nối điểm-điểm
A

C

B

D

Phức tạp O(n2)

BUS Arbiter

A

B

BUS

C

D

Phức tạp O(n)
Chương 1 / Nhập môn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 19


Mạch điều khiển ngoại vi
Mạch điều khiển ngoại vi (IO controllers) thường dùng các thanh
ghi sau :
Port A

Port B

Port C

Thanh ghi điều khiển

Thanh ghi chọn thiết bị

Thanh ghi dữ liệu

Thanh ghi trạng thái

Cách dùng này được gọi là Programmed I/O.
Chương 1 / Nhập mơn Kiến trúc máy tính

Tổ chức & cấu trúc máy tính

Tờ 20