Bài giảng Hệ thống máy tính: Chương 1 - Nguyễn Kim Khánh

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Contact

HỆ THỐNG MÁY TÍNH
Computer System

„

Offices: 322-C1 - DCE, SoICT

„

Mobile: 091-358-5533

„

e-mail:
„
„




Nguyễn Kim Khánh, PhD. in Computer Engineering
Bộ mơn Kỹ thuật máy tính
Viện Cơng nghệ thơng tin và Truyền thông
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

8 September 2009

8 September 2009

NKK-HUT

NKK-HUT

Mục tiêu học phần
„

„

Giới thiệu các kiến thức cơ bản về hệ thống
máy tính bao gồm: kiến trúc bộ nhớ, kiến trúc
vào-ra, kiến trúc CPU và các kiến trúc máy
tính song song, cũng như các vấn đề cơ bản
trong thiết kế một hệ thống máy tính.
Sinh viên có khả năng đánh giá được hiệu
năng của các họ máy tính, khai thác và sử
dụng hiệu quả các loại máy tính và có khả
năng tiếp cận để phát triển các hệ máy tính
nhúng phục vụ các mục đích chuyên dụng.

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

Tài liệu tham khảo chính
1. William Stallings - Computer Organization and

Architecture – Designing for Performance – 2003 (6th
edition)
2. Behrooz Parhami - Computer Architecture: From
Microprocessors to Supercomputers - 2005
3. David A. Patterson & John L. Hennessy Computer Organization and Design: The
Hardware/Software Interface – 2002 (third edition)
4. John L. Hennessy & David A. Patterson Computer Architecture: A Quantitative Approach –
2003 (third edition)
8 September 2009

1


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

Tài liệu tham khảo ...

Tài liệu tham khảo ...

8 September 2009

8 September 2009

NKK-HUT

NKK-HUT

Nội dung học phần

„
„
„
„
„

Chương 1. Giới thiệu chung
Chương 2. Kiến trúc bộ nhớ
Chương 3. Kiến trúc vào-ra
Chương 4. Kiến trúc bộ xử lý
Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến

Hệ thống máy tính

Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG

Nguyễn Kim Khánh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

8 September 2009

2

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

1.1. Sự phát triển của của máy tính

Nội dung

1. Các thế hệ máy tính
„ Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử
chân khơng (1950s)
„ Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor
(1960s)
„ Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI,
MSI và LSI (1970s)
„ Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI
(1980s)
„ Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch
ULSI, SoC (1990s đến nay)

1.1. Sự phát triển của máy tính
1.2. Định nghĩa kiến trúc máy tính
1.3. Hiệu năng máy tính

8 September 2009

8 September 2009

NKK-HUT

NKK-HUT

Luật Moore

Các sản phẩm chính của công nghệ VLSI/ULSI
„

„

„

„

Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế
tạo trên một chip.
Vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset): một
hoặc một vài vi mạch thực hiện được nhiều
chức năng điều khiển và nối ghép.
Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory):
ROM, RAM
Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy
tính chuyên dụng được chế tạo trên 1 chip.

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

„

Gordon Moore – người đồng sáng lập Intel

„

Số transistors trên chip sẽ gấp đôi sau 18 tháng

„

Giá thành của chip hầu như không thay đổi

„

Mật độ cao hơn, do vậy đường dẫn ngắn hơn

„

Kích thước nhỏ hơn dẫn tới độ phức tạp tăng lên

„

Điện năng tiêu thụ ít hơn

„

Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó
tăng độ tin cậy

8 September 2009

3


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

Tăng trưởng số transistor trong chip CPU

2. Sự phát triển của bộ vi xử lý
„
„
„
„
„
„
„

1971: bộ vi xử lý 4-bit Intel 4004
1972-1977: các bộ xử lý 8-bit
1978-1984: các bộ xử lý 16-bit
Khoảng từ 1985: các bộ xử lý 32-bit
Khoảng từ 2000: các bộ xử lý 64-bit
Các bộ xử lý đa lõi (multicores)
Các bộ vi điều khiển (microcontroller)

8 September 2009

8 September 2009

NKK-HUT

NKK-HUT

Sự phát triển của Intel x86
„

4004
„
„

„

8080
„
„
„

„

Bộ vi xử lý đa năng đầu tiên
8-bit
Sử dụng trong PC đầu tiên – Altair

„

„
„

5MHz – 29,000 transistors
16-bit
8088 (bus dữ liệu bên ngoài 8-bit) sử dụng trong IBM PC
đầu tiên

80286
„

Đánh địa chỉ bộ nhớ được16 Mbyte

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

80386
„
„

„

„
„

„

Tăng cường bộ nhớ cache trên chip
Đường ống lệnh

Có bộ đồng xử lý toán trên chip

Pentium
„
„
„

„

32-bit
Hỗ trợ đa nhiệm

80486
„

8086
„

„

Bộ vi xử lý đầu tiên
4-bit

Sự phát triển của Intel x86

Siêu vô hướng
Bus dữ liệu 64-bit
Đa lệnh được thực hiện song song

Pentium Pro

„
„
„
„

Tăng cường tổ chức siêu vơ hướng
Dự đốn rẽ nhánh
Phân tích luồng dữ liệu
Suy đốn đơng

8 September 2009

4


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

Sự phát triển của Intel x86
„
„

Pentium II
Công nghệ MMX
Pentium III
Pentium 4

„
„
„

„

Tăng cường xử lý số dấu phẩy động và
multimedia

„

Duo Core: 2 bộ xử lý trên chip
Core 2: Kiến trúc 64-bit
Core 2 Quad – 3GHz – 820 triệu transistors

Định nghĩa trước đây về kiến trúc máy
tính:
„

Thêm các lệnh xử lý dấu phẩy động cho đồ họa
3D

„

„

„

Xử lý đồ họa, video & audio

„

„

1.2. Định nghĩa kiến trúc máy tính

„

Cách nhìn logic của máy tính từ người lập
trình (hardware/software interface)
Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture
– ISA)

Là định nghĩa hẹp

4 bộ xử lý trong 1chip

„

8 September 2009

8 September 2009

NKK-HUT

NKK-HUT

Định nghĩa của Hennessy/ Patterson
„

Kiến trúc máy tính bao gồm:
„

„

„

„

Tổ chức cơ bản của máy tính
software

Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture):
nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập
trình (hardware/software interface).

Instruction Set Architecture

Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên
cứu thiết kế máy tính ở mức cao,chẳng hạn như hệ
thống nhớ, cấu trúc bus, thiết kế bên trong CPU.

memory
arithmetic

Phần cứng (Hardware): nghiên cứu thiết kế logic chi
tiết và công nghệ đóng gói của máy tính.

Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức và
phần cứng máy tính thay đổi rất nhanh.

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

input

control

output

CPU

Processor
Architecture

Memory
Architecture

I/O Architecture

8 September 2009

5


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

Kiến trúc bộ xử lý

Kiến trúc bộ nhớ
instruction cycle
• instruction fetch
• instruction decode
• operand fetch
• instruction execution
• write result
• update PC

CPU
Controller
Program Counter（PC)
Instruction Reg（IR)
Control Signal

Status signal

• Phân cấp hệ thống nhớ
• Ngun lý cục bộ hóa tham chiếu bộ nhớ

Main Memory

Register

Program
ALU

Data

Arithmetic Unit

8 September 2009

8 September 2009

NKK-HUT

NKK-HUT

Kiến trỳc vo-ra

Kin trỳc vo-ra


bus
hệ
thống

Mô-đun Cổng
vào-ra
vào-ra

Thiết bị
ngoại vi

Chờnh lch tc giữa thiết bị vào-ra
với CPU và bộ nhớ
Các kỹ thuật thc hin:


nối ghép
với CPU
và
bộ nhớ
chính

Cổng
vào-ra



Mô-đun Cổng
vào-ra
vào-ra

8 September 2009

Nguyn Kim Khỏnh - HBKHN

Thiết bị
ngoại vi

Ngt: rỳt ngn thi gian i ỏp ứng từ
thiết bị vào-ra

DMA: Phần cứng dành riêng để truyền d
liu gia thit b vo-ra vi b nh chớnh

Thiết bị
ngoại vi

8 September 2009

6


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

Kiến trúc máy tính và hệ điều hành

1.3. Hiệu năng máy tính (performance)
1

user

Hiệu năng

＝
Thời gian thực hiện

application program

OS

hardware resource management

multi programming support

1
Hiệu năng

•OS mode / user mode
•process dispatch
•memory protection

memory

I/O device

8 September 2009

8 September 2009

NKK-HUT

NKK-HUT

CPI (Cycles Per Instruction)
CPI là số chu kỳ cần thiết để thực hiện lệnh

Thời gian thực hiện của CPU

Thời gian thực hiện của CPU =
= Số lệnh × (Số chu kỳ của một lệnh) × (Thời
gian của một chu kỳ)
= Số lệnh × CPI / (Tần số xung nhịp)

hardware
processor

＝

MIPS (Million Instruction Per Second)
Số triệu lệnh được thực hiện trong 1 second

Số lệnh được thực hiện × CPI
Thời gian thực hiện ＝

CPI

＝

Tần số xung nhịp

Số lệnh được thực hiện

MIPS ＝
Thời gian thực hiện×106

Thời gian thực hiện × Tần số xung nhịp
Số lệnh được thực hiện

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

8 September 2009

7


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

NKK-HUT

Quan hệ giữa MIPS và CPI

MFLOPS
million of floating point operations per second – triệu
phép toán số dấu phẩy động trên 1s

Với CPI = 4

Số phép toán số dấu phẩy động được thực hiện

exec time of 1 inst. exec time of 1 inst.

n inst. executed

MFLOPS ＝

program execution time（T)
T＝n・CPI・

１

MIPS＝

f

Thời gian thực hiện×106
n

GFLOPS（109 ）

T・106
f

f

MIPS＝
106

・CPI

CPI =

106

TFLOPS（1012）

・MIPS

8 September 2009

8 September 2009

NKK-HUT

NKK-HUT

Ví dụ 1

Ví dụ 2

Tính MIPS của bộ xử lý với:
Tần số xung nhịp = 2GHz và CPI = 4

Tính CPI của bộ xử lý với:
Tần số xung nhịp = 1GHz và 400 MIPS

0.5ns

1ns
2ns

1/(2x10-9)

1 chu kỳ =
= 0,5ns

CPI = 4 Æ 1 lệnh = 4x0,5ns = 2ns
Vậy bộ xử lý thực hiện được 500MIPS
8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

4x108 lệnh thực hiện trong 1s
Ỉ 1 lệnh thực hiện trong 1/(4x108)s = 2,5ns
Ỉ CPI = 2,5
8 September 2009

8


Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Hết chương 1

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

9