tổng quan hệ thống máy tính

TRƯỜNG ………………….
KHOA……………………….

[\[\





Chính sách ngôn ngữ ở Việt
Nam qua các thời kì lịch sử

1

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY TÍNH

1.1 Lịch sử hệ thống máy tính
1.1.1 Các thế hệ máy tính
Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ
chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các ngoại vi,…Ta
có thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển từ thế hệ
trước sang thế hệ sau
được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về công nghệ.
• Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn chân không (Vacumm Tube) 1946-1955
• Thế hệ 2: Máy tính dùng Transitor (1955-1965)
• Thế hệ 3: Máy tính dùng mạch tích hợp IC (Intergrated Circuit) 1966 – 1980
• Thế hệ 4: Máy tính dùng mạch tích hợp cực lớn VLSI (Very Large Scale
Intergrated )1980 đến nay
a. Máy tính thế hệ 1
Máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer):
Đề xuất năm 1943 và hoàn thành 1946 được sử dụng đến1955 do thầy trò

Eckert và Mauchly Trường đại h
ọc Pennsylvania của Mỹ

Đặc điểm chính:
• Nặng 30 tấn, chiến diện tích 150m2 và sử dụng 140KW.
• 5000 nghìn phép cộng trên giây.
• Sử dụng hệ thập phân.
• Lập trình bằng công tắc.
• Sử dụng 18000 bóng đèn điện tử (vacuum tubes)
IAS(Institute for Advanced Studies):
Xây dựng dựa trên ý tưởng của Turring (Mỹ) và Von Neumann (Anh)
Thiết kế 1947 hoàn thành 1952
2

Là mô hình cơ bản của hệ thống máy tính ngày nay

Hình 1.1: Cấu trúc ISA
Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiên
được đưa ra thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được bán
ra.

Hình 1.2: Micral (Pháp) máy vi tính lắp ráp hoàn toàn đầu tiên:
Commercial Computers
• 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation
• UNIVAC I (Universal Automatic Computer)
• US Bureau of Census 1950 calculations
• Became part of Sperry-Rand Corporation
• Late 1950s - UNIVAC II
– Faster
– More memory

3

b. Máy tính thế hệ 2 (1957-1964)
– Lab Bell phát minh ra transistor vào năm 1947 các đèn điện tử được thay thế
bằng các transistor lưỡng cực.
– Đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor xuất hiện trên thị
trường.
– Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn.
– Vào thời điểm này, mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ được dùng.
– Ngôn ngữ
cấp cao xuất hiện (như FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959,
ALGOL năm 1960) và hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing) được
dùng.
c. Thế hệ thứ ba (1965-1971)
– Xuất hiện các mạch tích hợp - IC: Integrated Circuit.
– Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale Integration) có thể
chứa vài chục linh kiện
– Mạch tích hợp mật độ trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa
hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp.
– Mạch in nhiều lớp xuất hiện
– Bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ.
– Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng.
d. Thế hệ thứ tư 1972.
– IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large Scale Integration): Chứa hàng ngàn
linh kiện.
– IC mật độ tích hợp rất cao (VLSI: Very Large Scale Integration) có thể chứa
hơn 10 ngàn linh kiện trên m
ạch. (Hiện nay, các chip VLSI chứa hàng triệu
linh kiện).
– Xuất hiện bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và phần điều

khiển của một bộ xử lý
– Bắt đầu xuất hiện các thế hệ máy tính cá nhân.
– Bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi.
– Kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuậ
t vô hướng, xử lý song song…
4


Chíp VXL intel 4004 –
chip VXL đầu tiên của intel

IBM/PC đầu tiên khởi dầu
cho dòng máy PC phổ biến ngày nay

Tóm tắt
:
• Vacuum tube - 1946-1957
• Transistor - 1958-1964
• Small scale integration - 1965 : Up to 100 devices on a chip
• Medium scale integration – 1971 – 100: 3,000 devices on a chip
• Large scale integration - 1971-1977 : 3,000 - 100,000 devices on a chip
• Very large scale integration - 1978 -1991: 100,000 - 100,000,000 devices on
a chip
• Ultra large scale integration – 1991 : Over 100,000,000 devices on a chip

Hình 1.3: Sự phát triển về mật độ tích hợp của các chip VXL
5


Hình 1.4 : Lịch sử tiến hóa của các thế hệ vi xử lý Intel: từ năm 1971 tới năm 2003

Phân loại máy tính:
Thông thường máy tính được phân loại theo tính năng kỹ thuật và giá tiền.
– Các siêu máy tính (Super Computer): là các máy tính đắt tiền nhất và tính
năng kỹ thuật cao nhất. Giá bán một siêu máy tính từ vài triệu USD. Các siêu
máy tính thường là các máy tính vectơ hay các máy tính dùng kỹ thuật vô
hướng và được thiết kế để tính toán khoa học, mô phỏng các hiện tượng. Các
siêu máy tính được thiết kế
với kỹ thuật xử lý song song với rất nhiều bộ xử
lý (hàng ngàn đến hàng trăm ngàn bộ xử lý trong một siêu máy tính).
– Các máy tính lớn (Mainframe) là loại máy tính đa dụng. Nó có thể dùng
cho các ứng dụng quản lý cũng như các tính toán khoa học. Dùng kỹ thuật
xử lý song song và có hệ thống vào ra mạnh. Giá một máy tính lớn có thể từ
vài trăm ngàn USD đến hàng triệu USD.
– Máy tính mini (Minicomputer) là loại máy cở trung, giá một máy tính mini
có thể từ vài ch
ục USD đến vài trăm ngàn USD.
– Máy vi tính (Microcomputer) là loại máy tính dùng bộ vi xử lý, giá một
máy vi tính có thể từ vài trăm USD đến vài ngàn USD.

6

1.1.2 Xu hướng phát triển của các hệ thống máy tính.
– Máy tính thông minh, dựa trên các
ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và
PROLOG,
– Giao diện người - máy thông minh:
ASIMO (Advanced Step Innovative
Mobility: Bước chân tiên tiến của đổi
mới và chuyển động).
– Máy tính song song với từ vài bộ xử lý

đến vài ngàn bộ xử lý.
– Hệ thống nhúng
1.2 Các thuật ngữ và khái niệm cơ bản.
1.2.1 Các khái niệm cơ bản.
– Máy tính(computer) là thiết bị đ
iện tử thực hiện công việc:
• Nhận thông tin vào.
• Xử lý thông tin theo chương trình nhớ sẵn bên trong bộ nhớ máy tính.
• Đưa thông tin ra.
– Chương trình (Program): chương trình là dãy các câu lệnh nằm trong bộ
nhớ, nhằm mục đích hướng dẫn máy tính thực hiện một công việc cụ thể nào
đấy.
Î
Máy tính thực hiện theo chương trình.
– Phần mềm (Software): Bao gồm chương trình và dữ liệu.
– Phần cứng (Hardware): Bao gồm tất cả các thành phần vật lý cấu thành lên
hệ thống Máy tính.
– Phần dẻo (Firmware): Là thành phần chứa cả hai thành phần trên.
– Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) đề cập đến các thuộc tính của
hệ thống máy tính dưới cái nhìn của người lập trình. Hay nói cách khác, là
những thu
ộc tính ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thực hiện logic của
chương trình. Bao gồm: tập lệnh, biểu diễn dữ liệu, các cơ chế vào ra, kỹ
thuật đánh địa chỉ,…
7

– Cấu trúc máy tính(Computer Structure): là những thành phần của máy tính
và những liên kết giữa các thành phần.Ở mức cao nhất máy tính bao gồm 4
thành phần:
– Bộ xử lý : điều khiển và xử lý số liệu.

– Bộ nhớ : chứa chương trình và dữ liệu.
– Hệ thống vào ra : trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài.
– Liên kết giữa các hệ thống (BUS): liên kết các thành phần của máy tính l
ại
với nhau.

Hình 1.5: Mô hình phân lớp hệ thống máy tính
1.2.2 Ngôn ngữ máy, cấp máy và máy ảo.
o Ngôn ngữ máy: Tập các chỉ thị Æ Khó dùng, nhàm chán
o Ngôn ngữ cấp cao: Biểu diễn một tập các chỉ thị mức dưới Æ Xây dựng
cấu trúc máy ảo + Ngôn ngữ bậc cao ở các cấp máy khác nhau
o Biên dịch (compilation): dịch toàn bộ chương trình sang dạng thấp hơn
rồi chạy chương trình
o
Thông dịch (interpretation): Dịch từng lệnh sang mã máy
Các mức ngôn ngữ máy:
• Mức 0: Mức logic số, hoạt động sử dụng các cổng logic AND, OR, XOR,
NOT…
• Mức 1: Mức vi chương trình; Thực hiện thông dịch các lệnh mức 2; Các
lệnh di chuyển dữ liệu, kiểm tra…
• Mức 2: Mức máy tính thông thường; chạt trên mức vi chương trình
8

• Mức 3: Mức máy hệ điều hành; chứa thêm tập các chỉ thị điều khiển các
chương trình hoạt động một cách đồng thời
• Mức ngôn ngữ Assembly: Dùng cho người lập trình, ngôn ngữ gần với
ngôn ngữ máy nhất mà người lập trình tiếp cận (Thực hiện biên dịch)
• Mức ngôn ngữ bậc cao: Dùng lập trình ứng dụng
Mô hình cơ bản hệ th
ống máy tính:

Kiến trúc hệ thống máy tính:


Structure - Top Level

Structure - The CPU



1
.
1
.
tr
đ
i
t
h


.
3 Thông
t
.
3.1 L
ư
ợn
g
H

ì
Tr
ạ
ạng thái c
a
i
ểm ta nhì
n
h
ấp và tại t
h
Đơn
Lượ
n
t
in và biể
u
g
thông ti
n
ì
nh 1.6:Th
ô
ạ
ng thái c
ó
a
o khi hiệ
u
n

t
r
ạng th
á
h
ời điểm t
2
vị đo lườn
n
g thông ti
n
Stru
c
u
diễn thô
n
n
và sự m
ã
ô
ng tin về
h
ó
ý nghĩa
:
u
điện thế
á
i của tín
h

2

thì tín hi
ệ
g thông ti
n
n
được đị
n
c
ture - Th
e
n
g tin tro
n
ã
hóa thô
n
h
ai trang
th
:
t
r
ạng th
á
lớn hơn
V
h
iệu. Thí d

ụ
ệ
u ở trạng
t
n
là bi
t

n
h nghĩa b
ở
e
Control
U
n
g máy tín
n
g tin
th
ái có ý n
g
á
i thấ
p
khi
V
H
. Để có
t
ụ

, tại thời
đ
t
hái cao.
ở
i công th
ứ
I=log
2
(N
U
ni
t

h
g
hĩa của h
i
hiệu điệ
n
t
hông tin,
t
đ
iểm t
1
thì
ứ
c:
)

i
ệu điện th
ế
n
thế thấ
p

h
t
a phải xá
c
tín hiệu
ở
9

ế

h
ơn V
L
v
à
c
định thờ
i
ở
trạng thá
i
9


à

i

i

10

Trong đó: I là lượng thông tin tính bằng bit
N Số trạng thái có thể có
Như vậy lượng thông tin là số con số nhị phân cần thiết để biểu diễn số
trạng thái có thể có. Do vậy, một con số nhị phân được gọi là một bit. Một từ n bit
có thể tượng trưng một trạng thái trong tổng số 2
n
trạng thái mà từ đó có thể tượng
trưng. Vậy một từ n bit tương ứng với một lượng thông tin n bit.
1.3.2 Biểu diễn thông tin trong máy tính.
Nguyên tắc chung: Mọi dữ liệu đưa vào máy tính đều được mã hóa thành số
nhị phân
Các loại dữ liệu:
– Dữ liệu nhân tạo: do con người quy ước
– Dữ liệu tự nhiên: Tồn tại khách quan với con người
Mã hoá dữ liệu nhân tạo
–
Dữ liệu số nguyên: mã hoá theo một số chuẩn đa qui ước.
– Dữ liệu số thực: mã hoá bằng số dấu chấm động
– Dữ liệu phi số (ký tự): mã hoá theo các bộ mã ký tự hiện hành như :
ASCII, Unicode,…

Hình 1.7: Mô hình mã hóa và tái tạo tín hiệu vật lý:
Các tín hiệu thông dụng:
Âm thanh
Hình ảnh
Thứ tự lưu trữ các byte trong máy tính:
– Bộ nhớ chính tổ chức lưu trữ
dữ liệu theo đơn vị byte
11

– Độ dài từ dữ liệu có thể chiếm từ 1 đến 4 byte. Vì vậy cần phải biết thứ tự
chúng lưu trữ trong bộ nhớ chính đối với các dữ liệu nhiều byte.
– Có hai cách lưu trữ được đưa ra
o Little Endian (đầu nhỏ): Byte có ý nghĩa thấp hơn được lưu trữ trong
bộ nhớ ở vị trí có địa chỉ nhỏ hơn.
o Big Endian (
đầu to): Byte có ý nghĩa thấp hơn được lưu trữ trong bộ
nhớ ở vị trí có địa chỉ lớn hơn.
Ví dụ lưu trữ một từ dữ liệu 32bit
0001 1010 0010 1011 0011 1100 0100 1101B
1 A 2 B 3 C 4 D H
Biểu diễn trong ngăn nhớ:
300 4D 300 1A
301 3C 301 2B
302 2B 302 3C
303 1A 303 4D
Little endian Big endian
Lưu trữ của các bộ VXL điển hình
:
– Loại máy Intel: 80x86, Petium -> little endian
– Motorola 680x0 và các bộ xử lý RISC -> big endian

– Power PC & Itanium: tích hợp cả hai cách trên
a. Biểu diễn số nguyên
Máy tính biểu diễn số nguyên chia thành hai loại:
- Số nguyên không dấu
- Số nguyên có dấu
Số nguyên không dấu:
Giả sử dùng n bit để biểu diễn số nguyên không dấu
Æ dải giá trị biểu diễn: (0 – 2
N
-1)
Ví dụ n=8: dải giá trị từ 0 – 255
n=16 dải giá trị: 0 – 65535
Số nguyên có dấu:
Số bù một và số bù hai: Cho một số nhị phân N được biểu diễn bởi n bit. Ta có
12

 Số bù một của N bằng (2
n
-1)-N
 Số bù hai của N bằng 2
n
-N
Ví dụ: Cho số N = 0001 00012 được biểu diễn bởi n=8bit.
Xác định số bù 1 và bù 2 của N.
Áp dụng công thức 1111 1111 (2n-1)
- 0001 0001 N
số bù một của N: 1110 1110
Nhận xét:
– Số bù một của một số N được xác định bằng cách đảo các bit trong N
– Số bù hai của một số N được xác định bằng cách lấy số bù một của N cộng

thêm 1: Số bù 2 của N =(số bù 1 của N)+1
Giả sử dùng n bit để bi
ểu diễn số nguyên có dấu Æ dải mà n bit biểu diễn được
từ (- 2
n-1
…-1,0 2
n-1
-1). Giá trị của số nguyên đó được tính theo 2 phần riêng biệt:
 Phần giá trị dương (0 Æ 2
n-1
-1).
 Phần giá trị âm (- 2
n-1
Æ -1).
Trong đó:
Bít có trọng số cao nhất (hay bit ngoài cùng bên trái của dãy nhị được máy
tính sử dụng để biểu diễn dấu của giá trị)
nếu: = 0 : thì số nhị phân cần tính giá trị là số dương.
Dạng tổng quát là: 0a
n-2
a
n-3
…a
0

Nếu: = 1 : thì số nhị phân cần tính giá trị là số âm.
Dạng tổng quát là: 1a
n-2
a
n-3

…a
0


Ví dụ: Biểu diễn số nguyên có dấu sau đây A=+97 và B= -101 theo hai dạng kiểu
n=8bit và n=16bit trong máy tính.
b. Biểu diễn số thực.
Ví dụ:
Khối lượng mặt trời:
199000000000000000000000000000000000g
Khối lượng điện tử:
0.00000000000000000000000000000910956g
13

Biểu diễn số trên trong máy tính: Sử dụng cách biểu diễn số có dấu phẩy tĩnh rất
bất tiện Æ sử dụng số có dấu phẩy động
• Floating Point Number Æ Biểu diễn cho số thực
• X=M*R
E

– X: Số thực
– M: Phần định trị
– R: Cơ số (2)
– E: Phần mũ
Chuẩn IEEE754/85:
• Số có dấu chấm động chính xác đơn 32 bit
• Số có dấu chấm động chính xác kép 64 bit
• Số có độ chính xác mở rộng dài 128bit (quadruple)

S: Bit dấu
e = E + 127 Æ E = e -127
m: Phần lẻ của phần định trị M; M = 1.m
Giá trị số thực:
Các phép toán v
ới số dấu phẩy động:
• Tăng số mũ của số có số mũ nhỏ hơn bằng với số mũ của số có số mũ lớn
• Cộng hoặc trừ phần định trị
• Chuẩn hóa lại kết quả


()
127
2*.1*1
−
−=
e
S
mX
14

c. Biểu diễn ký tự:
• BCD (Binary Coded Decimal): Mã hóa các số thập phân bằng các ký hiệu
nhị phân
Thập phân
BCD Thập phân BCD
0 0000 8 1000

1 0001 9 1001
2 0010
Cấm
1010
3 0011 1011
4 0100 1100
5 0101 1101
6 0110 1110
7 0111 1111
Yêu cầu: Phân biệt số thập phân và mã BCD của số đó
Mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange): Biểu
diễn các ký tự hiển thị được và ký tự điều khiển:








15

Bảng mã ASCII tiêu chuẩn

16

Bảng mã ASCII mở rộng:

Bài tập:
1. Chuyển đổi giữa các hệ thống đếm.
2. Chuyển đổi giữa các ký tự trong bảng mã ASCII

1.4 Sơ lược các bộ phận của hệ thống máy tính. (Pending)



17

Chương2:KIẾNTRÚCBỘVIXỬLÝ

2.1 Sự tiến hóa của các bộ vi xử lý Intel
Các bộ vi xử lý thời kỳ đầu

• 8080
— Là bộ vi xử lý đầu tiên
— 8 bit dữ liệu
• 8086
— Giống bộ xử lý 8086 nhưng có tốc độ xử lý nhanh hơn
— 16 bit
— Sử dụng bộ đệm lệnh, lưu các chỉ dẫn lệnh.
— 8088 (8 bit external bus) used in first IBM PC
• 80286
— 16 Mbyte bộ nhớ

• 80386
— 32 bit
— Hỗ trợ các hệ điều hành đa nhi
ệm.
Các bộ vi xử lý tiên tiến Intel

80486
o Ra đời năm 1989
o Có chừng1,2 triệu bóng bán dẫn/chip gấp 4 lần 386
o Có 168 chân, đóng vỏ PGA (Pin grid array)
o Là bộ vi xử lý 32 bit như 386, tức có cấu trúc bên trong, các thanh
ghi cũng như bus số liệu ngoài đều là 32 bit.
o Bus dữ liệu chân D0-D31
o Bus địa chỉ chân A0-A31
Một số đặc điểm nâng cao:
1. Thực hiện cách tổ chức đường ống dẫn (pepeline) nhờ vậy mà tố
c độ
thực hiện của 486 nhanh hơn nhiều lần so với 386. Nhiều lệnh nếu thực
hiện ở 386 mất 3 chu kỳ đồng hồ còn ở 486 chỉ mất có 1 chu kỳ
18

2. Sử dụng Cache Internal: 8 kb bên trong CPU loại trừ được độ trễ khi
sử dụng cache external. 8 kb cache Internal được dùng để lưu số liệu và
lệnh nên tốc độ xử lý được nâng đáng kể.
3. Có đồng xử lý toán học ngay bên trong CPU
4. Có thiết kế 4 chân DP0-DP3 (Data Parity) để kiểm tra tính chẵn lẻ của
hệ thống. Mỗi chân cho mỗi byte từ D0-D31.
5. Tần số làm việc của CPU bằng đồng hồ
của hệ thống.
Pentium (1993)

Một số thông số chung:
– Mật độ 3,1tr T/chip
– 273 chân – PGA (Pin Grid Array)
Đặc điểm nâng cao:
– Bus dữ liệu ngoài 64 bit: D0-D63
– Có 2 đơn vị thực hiện bên trong CPU
– Có 8 chân DP để làm việc với 8 byte số liệu D0-D63.
– Có 16 Kb cache trên chip: 8 kb cho mã lệnh, 8 kb cho số liệu còn ở 486
chỉ có cache 8 kb dành cho cả hai.
– Hai cache mã lệnh và số liệu của CPU Pentium được truy nhập đồng
thời.
–
Bộ đồng xử lý toán học của Pentium nhanh gấp nhiều lần (10 lần trở
lên) so với đồng xử lý toán học của 486. Bộ đồng xử lý toán học được
coi là đơn vị dấu phẩy động (FPU), còn đơn vị tương ứng để thực hiện
với số nguyên được gọi là đơn vị số nguyên (IU). Phần FPU của
Pentium sử dụng pepeline 8 tầng còn đơn vị BIU sử
dụng 5 tầng.
– Pentium mới có đó là cấu trúc Superscalar (Cấu trúc siêu hướng), có
2 đơn vị thực hiện song song bên trong CPU. Mỗi đơn vị thực hiện lại
được tổ chức theo kiến trúc đường ống dẫn gồm nhiều tầng nên tăng
được tốc độ xử lý lên nhiều lần. Như vậy khi Pentium thực hiện lệnh,
tại mỗi thời điểm có 2 lệnh cùng chuyển đế
n 2 đơn vị thực hiện khác
nhau.
– BVXL Pentium có thể dự đoán rẽ nhánh (Branch prediction) tức là bộ
vi xử lý có thể suy đoán và nhận trước mã lệnh khi có lệnh JMP hoặc

P

đ
ư
ti
ệ
B
entium
M
BV
X
ư
ợc viết t
ắ
ệ
n.
VXL Pent
– Sử d
ụ
Data
chốt
hiện
đáng
audi
o
kể (1
– Côn
g
và x
ử
lệnh CAL
(lệnh JM

P
hiện tức t
h
gian thực
h
M
MX (199
7
X
L Pentiu
m
ắ
t từ Mult
i
ium MM
X
ụ
ng kỹ th
u
Techniqu
e
của vấn đ
ề
được cho
kể số cá
c
o
, g
r
aphic

v
0 - 20% s
o
g
nghệ M
M
ử
lý các số
L. BVXL
P
P
và lệnh
n
h
ời. Tính
c
h
iện lệnh
Hình 2.1:
7
)
m
MMX đư
ợ
i
media Ex
t
X
có 3 nét
đ

u
ật mới nh
e
- hay cò
n
ề
là kỹ th
u
nhiều dạn
g
c
lệnh khi
v
à đồ hoạ.
o
với Penti
u
M
X được b
ổ
liệu video
,
P
entium c
ó
n
gay sau l
ệ
c
hất suy đ

o
Cấu trúc
b
ợ
c xuất xư
t
ension tứ
c
đ
ặc trưng
c
ất có
t
ên
g
n
gọi là kỹ
u
ật SIMD
g
dữ liệu
đ
thực hiệ
n
Kỹ thuật
u
m).
ổ
sung 57
l

,
audio, đồ
ó
thể suy
đ
ệ
nh JMP)
v
o
án rẽ nhá
n
b
ộ vi xử lý
ởng đầu ti
ê
c
là bộ vi
x
c
hính sau đ
g
ọi là SIM
D
thuật lệnh
cho phép
v
đ
ồng thời.
n
vòng lặp

SIMD nâ
n
l
ệnh mới
v
hoạ và ho
đ
oán và nh
ậ
v
à các lện
h
n
h làm bớ
t
Pentium
ê
n vào thá
n
x
ử lý mở
ây:
D
(Single
đơn xử lý
v
ới cùng
m
Kỹ thuật
chung c

h
n
g tốc độ
x
v
à rất mạn
h
ạt hinh (t
ứ
ậ
n t
r
ước c
á
h
này vẫn
t
một phầ
n
n
g 1.1997.
rộng cho
đ
Instructio
n
cho đa sô
m
ột lệnh
n
SIMD ch

o
h
o các số
l
x
ử lý số liệ
u
h
chuyên c
h
ứ
c xử lý M
u
1
9
á
c mã lện
h
được thự
c
n
tổng thờ
i
Từ MM
X
đ
a phươn
g
n
, Multipl

e
liệu). Mấ
u
n
hưng thự
c
o
phép bớ
t
l
iệu video
,
u
lên đán
g
h
o thao tá
c
u
ltimedia).
9

h

c

i


X

g

e

u

c

t

,

g

c



P
P
e
I
n
B
v
ụ
B
– Tron
g

mà b
nhập
– Bộ v
i
entium II
e
ntium Pr
o
– Dự
đ
– Phân
– Thự
c
– Kiến
n
tel Celer
o
VXL Cel
e
ụ
tốt cho x
ử
B
ộ vi xử lý
– BV
X
(mic
r
II. V
i

o
o
o
– Cele
r
g
Pen
t
ium
ộ vi xử lý
lâu hơn.n
h
i
xử lý Pe
n
(1997)
Penti
u
o
: Công ng
đ
oán đa
r
ẽ
n
tách luồn
g
c
hiện lệnh
trúc BUS

o
n
e
ron - 199
8
ử
lý đồ ho
ạ
Celeron c
X
L Intel C
e
r
o-architec
i
kiến trúc
Dự đoá
n
Phân tíc
h
Thực hi
ệ
r
on áp dụn
MMX có
truy nhập
h
iều.
n
tium MM

X
u
m II = P
e
hệ thi hàn
h
n
hánh (M
u
g
dữ liệu (
D
theo kiểu
đ
độc lậ
p
k
é
Hì
8
, là BVX
L
ạ
, internet,
ó các đặc
e
leron có
t
ture). Về
p

P6 áp dụ
n
n
đa rẽ nhá
n
h
dòng số
l
ệ
n lệnh có
g công ng
h
cache là
3
số liệu ở
R
X
có 8 tha
n
e
ntium Pr
o
h
động (D
y
u
ltiple Bra
n
D
ata Flow

đ
ầu cơ (S
p
é
p DIP (D
u
nh 2.2: Ki
ế
L
nhằm đá
p
đa phươn
g
điểm chí
n
t
ổ chức t
h
p
hương di
n
g các kỹ t
h
n
h
l
iệu
suy đoán
h
ệ Intel Pe

n
3
2 Kb và
d
R
AM - là
v
n
h ghi 64
b
o
+ Pentiu
m
y
namic Ex
e
n
ch Predic
t
Analisis)
p
eculative
E
u
al Indepe
n
ế
n trúc DI
P
p

ứng nhu
g
tiện so
n
n
h sau đây
h
eo kiểu v
i
ện này C
e
h
uật mới s
a
n
tium M
M
d
o đó bớt
v
ùng nhớ
đ
b
it và có 4
m
MMX +
e
cution)
t
ion)

E
xecution
)
n
dent Bus
A
P

cầu một
B
n
g giá thà
n
:
i
kiến trúc
e
leron cũn
g
a
u đây:
M
X.
được đán
g
đ
òi hỏi th
ờ
kiểu số li
ệ

DIP
)

A
rchitectu
r
B
VXL đủ
m
n
h hạ.
của bộ v
i
g
giống v
ớ
2
0
g
kể số lầ
n
ờ
i gian tru
y
ệ
u mới.
r
e)
m
ạnh, phụ

c
i
xử lý P
6
ớ
i Pentiu
m
0

n

y


c

6

m

21

– Tần số làm việc của Celeron đầu tiên là 333 Mhz, 300A Mhz, 300 Mhz và
266 Mhz. Hiện nay đã đạt đến tốc độ 800 Mhz
– BVXL Celeron thế hệ sau có 15,5 triệu transistor và được xây dựng dựa trên
công nghệ CMOS 0,25 micron. Nhờ áp dụng công nghệ này, BVXL có tần
số làm việc cao và công suất tiêu thụ của CPU nhỏ.
– Bus hệ thống của BVXL Intel Celeron là 66 Mhz.
– Cache L1 có 32 Kb và được phân thành 16Kb cache cho số liệu và 16K cho
lệnh) cho phép truy nhập nhanh số liệu.

– Celeron 266 và 300 Mhz không có cache L2. Các bộ vi xử
lý Celeron sau
này như Celeron 333 Mhz và 300A Mhz có bổ sung thêm cache L2 là 128
Kb.
– Vỏ SEPP (single edge processor package) tương tự như đóng vỏ SEC (single
edge contact) của Pentium II và tương thích với Slot 1.
– Có đơn vị dấu phẩy động hỗ trợ cho các thao tác 32 bit, 64 bit và 80 bit.
– Qúi 4 1998 Intel có xuất xưởng Celeron đóng vỏ PPGA (Plastic Pin Grid
Array-gần giống với đóng vỏ của Pentium) với 370 chân.

Pentium III (1999)
Pentium III = Pentium II + SSIMDE + số hiệu bộ VXL
– SSIMDE (Streaming Single Instruction Multiple Data Extensions): Mở rộng
lệnh đơn cho đa dữ liệ
u phân luồng
 Phần cứng: Bổ xung thêm 8 thanh ghi 128 bit
 Phần mềm: Bổ xung thêm 70 lệnh (cho Multimedia và Internet)
 Phân luồng bộ nhớ (memory streaming)
 Cache L2 512Kb, có sử dụng giao thức kiểm tra và sửa lỗi ECC
(Error Checking and Correction)
– Số hiệu bộ VXL (Intel Processor Serial Number)
Một số đặc trưng chính của bộ vi xử lý Pentium III như sau:
– Giữ nguyên các công nghệ tiên tiến của bộ vi xử Intel Pentium II bao gồm:
o Thi hành động các lệnh (Dynamic Execution) của Pentium Pro
o Công nghệ MMX của Intel Pentium MMX.
22

o Kiến trúc Bus độc lập kép DIB (Dual Independent Bus Architecture -
DIP).
– Bổ sung hai tính chất rất mạnh cho Internet. Tính chất thứ nhất là: sử dụng

công nghệ mở rộng lệnh đơn cho đa số liệu phân luồng (Streaming Single
Instruction Multiple Data extensions - gọi gọn hơn là (Streaming SIMD
extensions hay SSE).
– Bổ sung thêm 70 lệnh SIMD mới, trong đó 50 lệnh mới là cho thực hiện trên
dấu phẩy động. Hỗ trợ cho điều này Pentium III có 8 thanh ghi mới (độ rộng
128 bit) cho phép thự
c hiện song song các toán hạng là số liệu dấu phẩy
động.
– Pentium III có thêm khái niệm SIM cho dấu phẩy động SIMD-FP. Sử dụng
SIMD với dấu phẩy động cho phép đạt độ chính xác cao hơn và nhờ vậy đồ
hoạ 3D trung thực hơn.
–
Pentium III sử dụng phân luồng bộ nhớ (memory streaming). Khi CPU cần
đến số liệu thi số liệu được nạp vào hai cache L2 và L1.
– Các lệnh phân luồng bộ nhớ của Pentium III cung cấp thêm một chọn lựa là
có thể xử lý số liệu mà không cần nạp vào cache. Phần mềm phát triển thực
hiện công việc này. Lúc đó số liệu có thể tuỳ chọn là không nạp vào hai hoặc
một trong cache. Việc đó cho phép phần mềm s
ử dụng trực tiếp bộ nhớ mà
không dùng cache. Nhờ vậy độ rộng dai thông hiệu dụng nâng từ 640 Mb/s
lên 790 Mb/s.
BVXL Pentium III có thông số kỹ thuật như sau:

– Bus hệ thống 100, 133 MHz
– Cache L2: 512 Kb, có sử dụng giao thức kiểm tra và sửa lỗi ECC (Error
Checking and Correction ). Giao thức ECC rất mạnh trong phát hiện lỗi và
sửa lỗi khi thao tác số liệu.
– Bộ vi xử lý Pentium III được lắp vào board mạch dưới dạng cartrige với
hàng chân cắm đơn kiểu SECC2 (Single-Edge Contact Cartridge 2). Board
mạch này giao tiếp với board mạch chủ qua khe cắm có 242 chân tiếp xúc.

– Pentium III hiện nay có tần số làm việc rất cao, xấp xỉ 1 GHz v
ới công nghệ
0.18
μm.
Pentium IV (2000)
23

Sử dụng công nghệ Vi kiến trúc NetBurst
9 Tổ chức siêu đường ống (Hyper pipeline-20 tầng)
9 Tổ chức động cơ thi hành nhanh REE (Rapid Excution Engine)
9 Tần số hệ thống 400MHz
9 Thi hành động cải tiến
9 Bổ xung đơn vị Multimedia và Enhanced Floating Point
Các đặc tính nâng cao
– Công nghệ Siêu đường ống (Hyper Pipeline) với độ sâu (Pipeline Depth) là
20 tầng.
– Pentium III có độ sâu đường ống là 10 tầng.
– Có động cơ thi hành nhanh REE (Rapid Execution Engine)
– Hai đơn vị số học và logic của Pentium 4 có tần số làm việc gấp đôi so với
tần số làm việc của nhân CPU. Với cách tổ chức này, các lệnh số nguyên như
lệnh ADD, SUB, AND, OR thực hiện chỉ trong nửa nhịp đồng hồ. Ví dụ
với Pentium 4 - 1,5 GHz, REE làm việc ở tần số 3 Ghz.
– BUS hệ thống 400 MHz. Với BUS hệ thống 400 MHz, Pentium 4 cho phép
trao đổi số liệu Vào/Ra hệ thố
ng là 3,2 GB/s
– Cache chuyển số liệu mức 2 cải tiến 256 KB (Level 2 Advanced Transfer
Cache - ATC). Cache chuyển số liệu mức 2 cải tiến ATC có kích thước 256
KB và thực hiện trao đổi số liệu với nhân CPU với độ rộng 256 bit (32 byte).
Do vậy Pentium 4 - 1,5 GHz có thể trao đổi số liệu với tốc độ nhanh hơn hẳn
là 48 GB/s (Pentium III - 1 GHz là 16 GB/s)

– Thi hành động cải tiến (Advanced Dynamic Execution)
– Pentium 4 có thể xem xét trước 126 lệnh, tải về 48 lệnh và nạp vào mỗi
đườ
ng ống 24 lệnh
– Bộ đệm đích rẽ nhánh BTB có kích thước 4 KB có thể thực hiện được thuật
toán dự đoán rẽ nhánh phức tạp.
Tổ chức đường ống vi kiến trúc NetBurst
Tổ chức đường ống vi kiến trúc NetBurst gồm 3 phần chính.
9 Khối phát lệnh theo trinh tự gọi tắt là Khối phát lệnh
9 Khối thi hành siêu tỷ lệ không theo trinh tự hay gọi tắt là Khối thi hành
9 Đơn vị lưu trinh tự chương trinh.
24

Khối phát lệnh gồm hai đơn vị là Nhận/giải mã lệnh và Cache giám sát trinh
tự thi hành. Khối phát lệnh có nhiệm vụ liên tục chuyển các lệnh theo đúng thứ tự
của chương trinh tới khối thi hành và thực hiện các chức năng sau:
– Nhận trước các lệnh có thể được thực hiện
– Nhận các lệnh trước đó chưa được nhận
– Giải mã các lệnh thành các vi lệnh (
μops).
– Phát đi các vi lệnh
– Chuyển các lệnh đã được giải mã từ cache giám sát trinh tự thi hành
– Thực hiện dự đoán rẽ nhánh
2.2 Cấu trúc CPU
2.2.1 Thành phần cơ bản của một máy tính
Thành phần cơ bản của một bộ máy tính gồm: bộ xử lý trung tâm (CPU:
Central Processing Unit), bộ nhớ trong, các bộ phận nhập-xuất thông tin. Các bộ
phận trên được kết nối với nhau thông qua các hệ thống bus. H
ệ thống bus bao gồm:
bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Bus địa chỉ và bus dữ liệu dùng trong

việc chuyển dữ liệu giữa các bộ phận trong máy tính. Bus điều khiển làm cho sự
trao đổi thông tin giữa các bộ phận được đồng bộ. Thông thường người ta phân biệt
một bus hệ thống dùng trao đổi thông tin giữa CPU và bộ nhớ trong (thông qua
cache), và một bus vào-ra dùng trao đổi thông tin giữa các bộ phận vào-ra và bộ nh
ớ
trong.
Bộ xử lý trung tâm (CPU):

Hình 2.3: Cấu trúc một hệ máy tính đơn giản