kien truc may tinh chuong 1

1
KiÕn tróc m¸y tÝnh
Computer Architecture
Ths NguyÔn Quang Ninh
Bé m«n Kü thuËt M¸y tÝnh
Khoa C«ng nghÖ Th«ng tin
Tr­êng §¹i häc Vinh
Vinh, 12/2004
2
Lưu ý quan trọng

Bài giảng Kiến trúc máy tính này thuộc bản
quyền của tác giả:
Ths Nguyễn Quang Ninh
Giảng viên Bộ môn Kỹ thuật máy tính
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường Đại học Vinh

Không được tự ý sao chép!

Mọi ý kiến đóng góp xin vui lòng gửi về:

Địa chỉ Khoa CNTT, Trường Đại học Vinh

E-mail:
3
Mục đích, yêu cầu

Nghiên cứu các nguyên lý cơ bản của máy tính
theo hai khía cạnh sau:

Kiến trúc máy tính: các thuộc tính của máy tính theo
cách nhìn của nhà lập trình

Tổ chức máy tính: nghiên cứu các thành phần của máy
tính, liên kết giữa các thành phần và hoạt động của máy
tính

Tìm hiểu kiến trúc Intel và và tổ chức của các máy
tính dự trên kiến trúc Intel.

Môn học yêu cầu sinh viên đ có kiến thức về Điện ã
tử số và Lập trình cơ bản.

Số đơn vị học trình: 4 (60 tiết)
4
Tµi liÖu tham kh¶o

William Stallings, Computer Organization and Architecture,
2003 (6
th
edition).

John P. Hayes, Computer Architecture and Organization,
1998 (3
rd
edition).

Mehdi R. Zargham, Computer Architecture - Single and
Parallel Systems, 1996.


John L. Hennessy and David A. Patterson, Computer
Architecture - A Quantitative Approach, 1996 (2
nd
edittion).

M. Morris Mano, Computer System Architecture, 2002 (3
rd
edition).

TS NguyÔn Kim Kh¸nh, Slide bµi gi¶ng KTMT, Khoa
CNTT, Tr­êng §HBK Hµ Néi.

Ths NguyÔn Quang Ninh, KiÕn tróc m¸y tÝnh, Tr­êng §¹i
häc Vinh, 2000.
5
Nội dung bài giảng

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Biểu diễn DL & số học máy tính

Chương 3: Bộ xử lý

Chương 4: Kiến trúc tập lệnh

Chương 5: Hệ thống nhớ

Chương 6: Hệ thống vào/ra
6
KiÕn tróc m¸y tÝnh

Ch­¬ng 1
Giíi thiÖu chung
7
Nội dung chương 1

Máy tính và phân loại máy tính

Kiến trúc và tổ chức máy tính

Chức năng và cấu trúc của máy tính

Hoạt động của máy tính

Lịch sử phát triển máy tính.
8
Máy tính

Máy tính (Computer) là thiết bị điện tử thực hiện các
công việc sau:

Nhận thông tin vào

Xử lý thông tin theo chương trình được nhớ sẵn bên
trong bộ nhớ

Đưa thông tin ra

Chương trình (Program): là d y các lệnh nằm trong ã
bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện một công
việc cụ thể

Máy tính không tự thực hiện được nếu không có
chương trình
9
M« h×nh c¬ b¶n cña m¸y tÝnh
HÖ thèng nhí
HÖ thèng vµo
Bé xö lý HÖ thèng ra
10
Phần cứng máy tính
Hệ điều hành
Các CT tiện ích
Các CT
ứng dụng
Người
dùng
Nhà
lập trình
Nhà thiết
kế HĐH
Mô hình phân lớp của máy tính

Phần cứng (Hardware): gồm toàn bộ hệ thống vật lý của
máy tính

Phần mềm (Software): gồm các chương trình và dữ liệu
11
Ph©n lo¹i m¸y tÝnh

Ph©n lo¹i m¸y tÝnh theo truyÒn thèng:

•
Bé vi ®iÒu khiÓn (Microcontroller)
•
M¸y vi tÝnh (Microcomputer)
•
M¸y tÝnh nhá (Minicomputer)
•
M¸y tÝnh lín (Mainframe computer)
•
Siªu m¸y tÝnh (Supercomputer)
12
Ph©n lo¹i m¸y tÝnh

Ph©n lo¹i m¸y tÝnh theo hiÖn ®¹i:
•
M¸y tÝnh ®Ó bµn (Desktop computer)
•
M¸y chñ (Server)
•
M¸y tÝnh nhóng (Embedded computer)
Embedded
Desktop
Server
13
Máy tính để bàn

Được sử dụng cho nhiều mục đích:

Xử lý văn bản, lướt Web, Multimedia,...

Tính toán, lập trình, ...

Bao gồm:

Bộ vi xử lý

Bộ nhớ

Đĩa cứng, CD-ROM/DVD, ...

Chuột , bàn phím, màn hình, card mạng, ...

Đặc điểm:

Hiệu năng không cao lắm, còn gọi là PC

Dung lượng vừa phải

Giá thành: khoảng từ 500 USD đến 10.000 USD
14
Máy chủ

Được sử dụng trong các dịch vụ cao cấp:

Lưu trữ file

Tính toán lớn

Xử lý tương tác, Web, ...

Bao gồm:

Nhiều bộ xử lý

Nhiều đĩa cứng

Giao tiếp mạng, ...

Đặc điểm:

Hiệu năng cao

Độ tin cậy lớn

Giá thành: khoảng từ hàng chục nghìn đến hàng chục
triệu USD
15
Máy tính nhúng

Là một phần của hệ thống lớn:

Chứa trong các thiết bị gia dụng

Trong thiết bị mạng, truyền thông, ...

Các thiết bị điều khiển tự động, không lưu, ...

Bao gồm:

Các bộ vi ĐK; vi xử lý

Bộ nhớ: RAM, ROM; đĩa

Vào/ra chuyên dụng (kể cả tín hiệu analog)

Đặc điểm:

Có độ tin cậy và an toàn cao

Hiệu năng cao (thời gian thực)

Giá thành: vài chục đến hàng trăm nghìn USD
16
Kiến trúc và tổ chức máy tính

Kiến trúc máy tính (computer architecture): nghiên
cứu các đặc điểm MT theo cách nhìn của các nhà
lập trình:

Các thanh ghi và mô hình bộ nhớ

Các kiểu dữ liệu

Các lệnh

Tổ chức máy tính (computer organization): nghiên
cứu cách cài đặt hệ thống:

Thiết kế BXL: đường dẫn DL, điều khiển, vi kiến trúc, ...

Thiết kế hệ thống: BXL+bộ nhớ, vào/ra, ...
17
Kiến trúc và tổ chức máy tính

Ví dụ: Các máy tính dùng bộ xử lý họ Intel
cùng chung một kiến trúc

M lệnh để lập trình là tương thíchã

Tổ chức là khác nhau giữa các version khác
nhau

Kiến trúc máy tính thay đổi chậm, còn tổ chức
thay đổi rất nhanh
18
Chức năng và cấu trúc của máy tính

Chức năng máy tính: hoạt động của máy tính
và của các thành phần

Cấu trúc máy tính: bao gồm các thành phần
của máy tính và liên kết giữa các thành phần

Phương pháp nghiên cứu: tiếp cận hệ thống
theo kiểu top-down
19
Chức năng cơ bản của máy tính

Xử lý dữ liệu

Lưu trữ dữ liệu

Trao đổi dữ liệu

Điều khiển
20
CÊu tróc tæng qu¸t cña m¸y tÝnh
M¸y tÝnh
Bé nhí
HÖ thèng
vµo/ra
Bus liªn kÕt
hÖ thèng
C¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi
C¸c ®­êng truyÒn th«ng
Bé xö lý
M¸y tÝnh
21
Các thành phần cơ bản của máy tính

Bộ xử lý (processor): điều khiển hoạt động của
máy tính, xử lý dữ liệu.

Hệ thống nhớ (memory system): chứa các chư
ơng trình và dữ liệu đang xử lý.

Hệ thống vào ra (input/output system): trao đổi
thông tin giữa máy tính với bên ngoài.

Bus liên kết hệ thống (system interconnection

bus): kết nối và vận chuyển thông tin giữa ba
thành phần trên.
22
Bộ xử lý

Chức năng:

Điều khiển hoạt động của máy tính

Xử lý dữ liệu

Nguyên tắc hoạt động cơ bản: BXL hoạt động theo
chương trình nằm sẵn trong bộ nhớ, gồm 2 bước cơ
bản:

Nhận lệnh từ bộ nhớ

Giải m và thực hiện lệnhã

Bộ vi xử lý (microprocessor): là bộ xử lý được chế
tạo trên một chip.
23
Các thành phần cơ bản của BXL
ALU
Các
thanh ghi
Bus bên
trong
Khối
điều khiển

Bộ xử lý
24
Các thành phần cơ bản của BXL

Khối điều khiển: (Control Unit): điều khiển hoạt
động của BXL điều khiển hoạt động của
máy tính

Khối số học và logic (Arithmetic - Logic Unit):
thực hiện các phép toán số học và các phép
toán logic

Tập thanh ghi (Registers Sets): lưu giữ các
thông tin tạm thời trong quá trình hoạt động
của máy tính
25
Tèc ®é cña BXL

Sè lÖnh thùc hiÖn ®­îc trong 1 gi©y:
MIPS (Millions of Instructions Per Second)

Trªn thùc tÕ th­êng ®­îc ®¸nh gi¸ gi¸n tiÕp
th«ng qua tÇn sè xung ®ång hå (nhÞp, clock)
cung cÊp cho BXL lµm viÖc.