KIẾN TRÚC CÁC HỆ THỐNG TÍNH TOÁN - CHƯƠNG 1 pdf

1
KIẾN TRÚC CÁC HỆ THỐNG TÍNH TOÁN
Nguyễn Phú Bình
Trần Trung Kiên
Bộ môn KTMT - Khoa CNTT
Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội
2
Lưu ý của tác giả
 Không được tự ý sao chép hay quảng bá bài giảng này khi chưa
được sự đồng ý của các tác giả.
 Địa chỉ liên hệ của các tác giả:
Nguyễn Phú Bình
Email:
Mobile: 0983533925
Website: />Trần Trung Kiên
Email:
Mobile: 0914919392
Bộ môn Kỹ thuật Máy tính
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
C1- P322, Tel: 8696125
Website:
3
Mục đích của môn học
 Giúp sinh viên:
 Nắm được những nguyên tắc cơ bản của xử lý song song và
thực hiện cơ chế song song trong các hệ tính toán khác nhau
 Làm quen với các đặc điểm về hiệu suất và hiệu năng của hệ
thống song song, các điểm đặc biệt trong việc thực hiện các
giải thuật song song trên các hệ thống tính toán.
 Nắm được khái niệm về các lớp hệ thống tính toán song song

hiện đại.
4
Yêu cầu của môn học
 Yêu cầu sinh viên cần phải có kiến thức về Kiến trúc
máy tính, Vi xử lý và Hệ điều hành.
 Kết thúc môn học sinh viên cần phải:
 Nắm được các kiểu cấu trúc cơ bản của các hệ thống tính
toán hiện đại hiệu năng cao, sơ đồ phân loại các hệ thống tính
toán song song, nguyên tắc tổ chức và các chức năng của
chúng.
 Biết cách tiến hành so sánh các hệ thống tính toán hiện đại và
ứng dụng chúng để giải quyết các lớp bài toán khác nhau.
 Nắm được khái niệm về sự phát triển của các hướng nghiên
cứu cơ bản trong lĩnh vực kiến trúc hệ thống tính toán.
5
Tài liệu tham khảo
 Hesham El-Rewini, Mostafa Abd-El-Barr, Advanced
Computer Architecture And Parallel Processing,
John Wiley & Sons, Inc., 2005.
 Ananth Grama, Anshul Gupta, George Karypis, Vipin
Kumar, Introduction to Parallel Computing, Addison
Wesley, 2003.
6
Kiến trúc các hệ thống tính toán
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN
Nguyễn Phú Bình – Trần Trung Kiên
Bộ môn Kỹ thuật Máy tính, Khoa Công nghệ Thông tin
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
7

Nội dung chương 1
1.1. Sự phát triển của máy tính và kiến trúc song song
1.2. Các mức song song của hệ thống
1.3. Hiệu năng của hệ thống song song
1.4. Phân loại các hệ thống song song
1.5. Các hệ thống song song hiện đại
8
1.1. Sự PT của MT và kiến trúc song song
 Từ khi ra đời cho đến nay, máy tính điện tử đã phát
triển qua 4 thế hệ:
 Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1946 -
1955)
 Thế hệ 2: Máy tính dùng transistor (1956-1965)
 Thế hệ 3: Máy tính dùng vi mạch tích hợp (1966-1980)
 Thế hệ 4: Máy tính dùng vi mạch tích hợp VLSI (1981-nay)
9
Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn điện tử
 1946: John Mauchley và J.Presper Eckert chế tạo ra
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)
- máy tính điện tử đa năng đầu tiên:
 Gồm gần 18000 đèn điện tử chân không và 1500 rơle điện tử
 Nặng 30 tấn, chiếm diện tích 170m
2
, tiêu thụ 170KW
 Có 20 thanh ghi, mỗi thanh ghi chứa được 1 số thập phân 10
chữ số
 Xử lý số ở hệ thập phân
 Bộ nhớ chỉ lưu trữ dữ liệu
 Hoạt động bằng cách thiết lập vị trí của các công tắc và các
cáp nối

10
Đèn điện tử chân không
11
Máy ENIAC
12
Thiết kế của von Neumann/Turing
 Dựa trên ý tưởng chương trình được lưu trữ (stored-
program concept)
 Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu
 ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân
 Đơn vị điều khiển giải mã lệnh từ bộ nhớ và thực hiện
 Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động của các thiết bị
vào-ra
 Trở thành mô hình cơ bản của các thế hệ máy tính sau
này
13
Kiến trúc Von Neumann
Kiến trúc Von Neumann
Máy IAS (1947-1952) do Von Neumann thiết kế
14
Thế hệ 2: Máy tính dùng Transistor
 1947: John Bardeen, Walter Brattain và William
Shockley phát minh ra transistor ở Bell Labs (Mỹ).
 Các máy tính thế hệ này nhanh hơn, nhỏ gọn hơn và
tiêu thụ điện năng ít hơn so với thế hệ trước.
15
Một số máy tính thế hệ 2
 Công ty DEC (Digital Equitment Corporation):
 1960: máy PDP-1 (Programmed Data Processor-1)
 Máy tính mini đầu tiên.

 Thời gian chu trình lệnh 5s (=½ IBM 7090 – nhanh nhất lúc đó)
 Trị giá 120000$ (IBM 7090 trị giá hàng triệu $)
 Công ty CDC (Control Data Corporation):
 1964: chế tạo máy CDC 6600
 Siêu máy tính đầu tiên, nhanh hơn IBM 7094
 CPU gồm các đơn vị chức năng có khả năng chạy song song
 Gồm cả một số minicomputer chuyên xử lý vào-ra
 Thực hiện được 10 triệu lệnh/s
 Trị giá 10 triệu USD
16
Máy PDP-1 và CDC 6600
17
Thế hệ 3: Máy tính dùng mạch tích hợp
 Mạch tích hợp (Integrated Circuit – IC) hay còn gọi là vi
mạch, là các chip bán dẫn trong đó chứa các transistor
và các linh kiện khác.
khuôn
Vỏ (package)
Tấm chắn
18
Quy trình chế tạo IC
Sản xuất
wafer
In li-tô
Cưa wafer
thành khuôn
Đóng vỏ
cho khuôn
Layout của
các lớp vi mạch

19
Công nghệ mạch tích hợp
 Cho phép xây dựng các siêu máy tính mạnh hơn
 1976: CRAY-1 do Cray Research Corporation thiết kế
 Thực hiện được 160 triệu lệnh/s
 Có đến 8MB bộ nhớ
 Bộ vi xử lý (microprocessor) – CPU được chế tạo trên
1 chip ra đời (1971: Intel 4004 – bộ vi xử lý 4 bit)
20
Siêu máy tính CRAY-1
21
Intel 4004 - Bộ vi xử lý đầu tiên
22
Thế hệ 4: Máy tính dùng vi mạch VLSI
 Các công nghệ mạch tích hợp:
 SSI (Small scale integration) – từ 1965
 Tích hợp tới 100 transistor trên một chip
 MSI (Medium scale integration) – cho đến 1971
 Tích hợp từ 100 đến 3,000 transistor trên một chip
 LSI (Large scale integration) – từ 1971 đến 1977
 Tích hợp từ 3,000 đến 100,000 transistor trên một chip
 VLSI (Very large scale integration) – từ 1978 đến nay
 Tích hợp từ 100,000 đến 100,000,000 transistor trên một chip
 ULSI (Ultra large scale integration)
 Có hơn 100,000,000 transistor trên một chip
23
Các công nghệ sản xuất máy tính
24
Các sản phẩm của công nghệ VLSI
 Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên

một chip.
 Các vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset): các vi
mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và
nối ghép.
 Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory), gồm hai
loại chính: ROM và RAM.
 Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy tính
chuyên dụng được chế tạo trên một chip.
25
Các loại máy tính phổ biến hiện nay
 Máy tính nhúng (Embedded Computer)
 Máy tính cá nhân (Personal Computer - PC)
 Máy trạm làm việc (Workstation)
 Máy chủ (Server)
 Máy tính lớn (Mainframe Computer)
 Siêu máy tính (Super Computer)