KTMT lecture 2

TRƯỜNG CAO ĐẲNG VIỄN ĐÔNG
Communications and Computer Networks

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
GV: Th.S Nguyễn Đặng Thế Vinh
Email:
Tp.HCM, tháng 09 năm 2018


Cấu trúc của hệ thống máy tính
2

1. Định nghĩa máy tính?
▪ Máy tính là công cụ thực hiện, giải quyết
các công việc tính toán với tốc độ cao.
▪ Máy tính hoạt động theo nguyên tắc,
thực hiện liên tục các lệnh. Các lệnh này
do con người cung cấp (số hệ 2, hợp
ngữ, các ngôn ngữ lập trình, các ngôn
ngữ cấp cao) với mục đích giảm nhẹ việc
lập trình bằng mã máy.


Cấu trúc của hệ thống máy tính
3

▪ Máy tính chia ra hai phần:
o Phần cứng: là phần vật chất cụ thể tạo
nên máy tính (nguồn, mạch chính máy
tính, các thiết bị ngoại vi...)
o Phần mềm: là phần trừu tượng như các

giải thuật, các chương trình...


Mô hình Von Neumann
4

2. Mô hình Von Neumann


Mô hình Von Neumann
5

▪ CPU (Central Processing Unit) là khối xử
lý trung tâm, điều khiển mọi hoạt động

của hệ thống.
▪ Khối Bộ nhớ: lưu giữ các thông tin.

▪ Khối Xuất/Nhập: điều khiển các thiết bị
ngoại vi (màn hình, chuột, bàn phím...)


Mô hình Von Neumann
6

▪ Khối CPU điều khiển khối Bộ nhớ và khối
Xuất/Nhập thông qua tập các đường dây
để truyền tín hiệu, gọi là bus hệ thống.
Bus hệ thống bao gồm 3 bus thành phần:
o Address Bus: tín hiệu xác lập địa chỉ từ

CPU đến các đơn vị thành phần.


Mô hình Von Neumann
7

o Data Bus: truyền thông tin giữa các khối.
o Control Bus: các tín hiệu điều khiển bao
gồm các lệnh, các đáp ứng, các trạng
thái của các khối.


CPU
8

3. CPU: Lấy lệnh và thi hành lệnh.


CPU - Khối điều khiển (CU)
9

▪ Lệnh CPU thi hành được nạp vào bộ
nhớ. Các lệnh nằm liên tục trong bộ nhớ
tạo thành chương trình.
3.1. Khối điều khiển (Control unit)
▪ Chu kỳ thực hiện lệnh gồm 3 giai đoạn:
o Lấy lệnh: lệnh lưu ở ô nhớ sẽ được lấy
vào thanh ghi lệnh.
o Giải mã và thực hiện lệnh: lệnh được giải
mã, thực hiện theo mô tả trong tập lệnh.

CPU - Khối điều khiển (CU)
10

o Xác định địa chỉ của lệnh tiếp theo: trong
khi lệnh được thực hiện, giá trị của bộ
đếm chương trình sẽ tự động tăng lên
chỉ đến ô nhớ chứa lệnh sẽ được thực
hiện tiếp theo.
▪ Chu kỳ lệnh được xây dựng từ những
đơn vị cơ bản là chu kỳ máy.
▪ Clock: xung làm nhiệm vụ định thì
(Timing Unit) cho mạch tuần tự.


CPU - Bộ thanh ghi
11

3.2. Bộ thanh ghi (Registers)
▪ Thanh ghi là một dạng bộ nhớ hoạt động
ở tốc độ cao.
▪ Bộ thanh ghi là bộ nhớ trong của CPU.
▪ CPU dùng các thanh ghi: Thanh ghi PC
(Program Counter), bộ tích lũy ACC
(Accummulator), đa dụng, chỉ số, SP
(Stack Pointer - con trỏ ngăn xếp), cờ
trạng thái…

CPU - Bộ ALU
12

3.3. Bộ số học luận lý ALU (Arithmetic Logic
Unit)


CPU - Bộ ALU
13

▪ ALU giữ vai trò tính toán trong CPU.
▪ ALU sử dụng hai thanh ghi toán hạng
OP1 và OP2 để giữ các toán hạng và kết
quả.
▪ ALU có thể thực hiện được các phép số
học như cộng, trừ, tăng, giảm, nhân,
chia, so sánh, các phép luận lý NOT,
AND, OR, XOR, phép dịch (shift), quay
(rotate).


CPU
CPU (Central Processing Unit) được gọi là microprocessor hay
processor – là một đơn vị xử lý trung tâm, được xem như não bộ, một
trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi tính.

CPU là một mạch tích hợp được tạo thành từ nhiều
bóng bán dẫn (transistor).
Chip vi xử lý đầu tiên là chip 4004 của hãng Intel (năm
1971).

Chức năng của vi xử lý
▪

Chức năng cơ bản của máy tính là thực thi chương trình. Chương
trình được thực thi gồm một dãy các chỉ thị được lưu trữ trong bộ
nhớ. Đơn vị xử lý trung tâm(CPU) đảm nhận việc thực thi này. Quá
trình thực thi chương trình gồm hai bước: CPU đọc chỉ thị từ bộ nhớ
và thực thi chỉ thị đó. Việc thực thi chương trình là sự lặp đi lặp lại
quá trình lấy chỉ thị và thực thi chỉ thị.


Phân loại vi xử lý
▪

Phân loại theo mục đích sử dụng
o Dùng cho các máy tính di động (Laptop, PDA…): thiết kế nhỏ gọn,
hoạt động ở mức điện áp và xung clock thấp.
o Dùng cho máy tính để bàn (Desktop Computer): thiết kế lớn, tốc độ
xung clock cao, hệ thống tản nhiệt lớn.
o Dùng cho máy trạm và máy chủ (Workstation, Server): có yêu cầu
kỹ thuật khắc khe do phải vận hành liên tục trong thời gian dài với
cường độ lớn.


Phân loại vi xử lý
▪

Phân loại theo kiến trúc thiết kế

o Netburst:
Willamette, Northwood, Prescott, Presscott-2M,
Smithfield, Cedar Mill, Presler
o P6M/Banias: Banias, Dothan, Dothan533, Yonah
o Core/Penryn: Conroe, Wolfdale, Kentsfield, Yorkfield
o Nehalem/ Westmere, Gesher
o Sandy Bridge


Phân loại vi xử lý
▪

Phân loại theo công nghệ chế tạo
o Nhờ vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật mà vi xử lý ngày càng
được cải tiến và thu nhỏ kích thước.
o Ví dụ: công nghệ 130nm/ 90nm/ 65nm/ 45nm/ 32nm/ 22nm…


Cấu tạo vi xử lý
Vi xử lý được cấu tạo từ nhiều thành phần với các chức năng chuyên
biệt, phụ thuộc vào từng nhà sản xuất. Tuy mỗi vi xử lý có thiết kế
riêng nhưng tất cả đều có cùng chung một nguyên lý hoạt động.


Cấu tạo của vi xử lý
▪
▪
▪
▪
▪

▪
▪
▪

Control Unit (CU)
Arithmetic Logic Unit (ALU)
Floating Point Unit (FPU)
Register
Cache L1
Cache L2
Bộ giải mã
IO – BUS Unit


Nguyên lý hoạt động
▪ Khi chạy một chương trình thì các chỉ lệnh của đó sẽ được nạp lên
bộ nhớ RAM
▪ CPU sẽ đọc và làm theo các chỉ lệnh này một cách lần lượt
▪ Trong quá trình đọc và làm theo các chỉ lệnh, bộ giải mã sẽ giải mã
các chỉ lệnh này thành các tín hiệu điều khiển


Đặc trưng của vi xử lý
Mỗi vi xử lý đều có những đặc trưng và các thông số kỹ thuật khác
nhau. Tuy nhiên khi đề cập đến vi xử lý chúng ta thường quan tâm
đến một số yếu tố sau đây:
▪

Tốc độ làm việc

▪

BUS (FSB)

▪

Bộ nhớ đệm (Cache)

▪

Tập lệnh (Intructions Set)

▪

Độ rộng Bus

▪

Điện áp hoạt động

▪

Socket/ slot

▪

…


Clock Frequency

▪

▪

CPU quy định trong thời gian nhất định bao nhiêu chu kì lệnh ( bao
nhiêu xung nhịp clock ) sẽ thực hiện một phép tính nào đó
Clock được tạo từ một tinh thể thạch anh. Tần số xung clock được
tính bằng Megahezt (MHz) hoặc Gigahezt (GHz).


Bộ nhớ Cache
▪

▪

▪

Là loại bộ nhớ có dung lượng rất nhỏ, có tốc độ xấp xỉ bằng tốc độ
làm việc của CPU.
Bộ nhớ Cache là giải pháp làm cho CPU có điều kiện hoạt động
thường xuyên mà không phải ngắt quãng chờ dữ liệu, vì vậy nhờ có
bộ nhớ Cache mà hiệu quả xử lý tăng lên rất nhiều, tuy nhiên bộ nhớ
Cache được làm bằng Ram tĩnh do vậy giá thành của chúng rất cao
Có tất cả 3 loại cache là L1, L2 và L3. Trong quá trình CPU xử lý, L1
cache sẽ kiểm tra xem L2 cache có những gì mình cần hay không,
có lệnh gì từ người dùng đang chờ xử lý hay không. Sau đó L2
cache sẽ tiếp tục lấy thông tin từ L3 cache (một số dòng Laptop có
hỗ trợ thêm L3 cache), những thông tin này sẽ được lấy từ RAM, ổ
cứng của Laptop…

Bộ nhớ Cache