Bài giảng Kỹ nghệ máy tính: Chương 2 - Nguyễn Văn Thọ

ĐẠI HỌC DUY TÂN
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG MÁY TÍNH
& CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG

Nguyễn Văn Thọ
Khoa Điện tử viễn thông
Đại học Duy Tân – 2010

Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

Computer System: HỆ THỐNG MÁY TÍNH
CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG
Ứng dụng

Application Program

Giải thuật

Algorithms

Ngơn ngữ lập trình
Kiến trúc tập lệnh

Software
Hardware

Language
Instruction Set Architecture

(& giao diện nhập/ xuất)

(and I/O Interfaces)

Vi kiến trúc

Microarchitecture

Mạch điện tử

Circuits

Linh kiện

Devices
1-2


Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG
Giải quyết một bài tốn với máy tính như thế nào ?
Một hệ thống các chuyển đổi giữa các mức trừu tượng

Problem
Problem
Software Design:
Lựa chọn giải thuật & cấu trúc dữ liệu
Algorithm

Algorithm
Programming:
Dùng ngơn ngữ lập trình để thiết kế
Program
Program
Compiling/Interpreting:
Chuyển đổi sang ngôn ngữ máy
Instr
InstrSet
Set
Architecture
Architecture

1-3

Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

CÁC LỚP SÂU HƠN
Instr
InstrSet
Set
Architecture
Architecture
Micro
Micro
architecture
architecture

Circuits
Circuits

Devices
Devices

Kiến trúc tập lệnh
Processor Design:
Chọn cấu trúc để thi hành kiến trúc tập lệnh
Logic/Circuit Design:
Cổng logic và các mạch điện cấp thấp để
thực hiện các thành phần
Process Engineering & Fabrication:
Phát triển và sản xuất các thành phần
ở mức thấp nhất
1-4


Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

Algorithms - Giải thuật
Giải thuật là các bước tiến hành cơng việc
• Tính xác định : mỗi bước được trình bày 1 cách chính xác
• Tính hữu hạn : mỗi bước phải bảo đảm đi đến kết thúc

• Tính hiệu quả

Ví dụ :
• Khởi động máy tính
• Tính tổng từ 1 đến n

Mọi vấn đề đều có thể có nhiều giải thuật

khác nhau để giải quyết
1-5

Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

Programs – Chương trình
Bước chuyển đổi giải thuật thành chương trình máy tính
• Ngơn ngữ lập trình thì máy móc hơn ngơn ngữ tự nhiên
• Ngơn ngữ lập trình thì khơng mơ hồ, nhiều nghĩa mà rõ ràng và chính xác
hơn
Hiện nay, Có hơn 1000 ngơn ngữ lập trình

1-6


Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

CÁC CẤP CHƯƠNG TRÌNH (PROGRAM LEVEL)
• Hầu hết các máy tính chạy một chương

trình quản lý gọi là Hệ điều hành-

operating system (OS).
• Chương trình ứng dụng giao tiếp với

kiến trúc máy tính thơng qua hệ điều
hành

Application Program
Operating System

Program (Software)

Ví dụ :
Data

Bài giảng
PowerPoint

Application Program

Windows XP

Operating System
1-7

Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

NGÔN NGỮ BẬC CAO
Độc lập với máy
• Khơng phụ thuộc vào các đặc điểm riêng của cấu trúc máy
• Có thể biên dịch để chạy mọi nơi

Dễ viết , năng suất cao
Thích hợp để mơ tả
• Cấu trúc dữ liệu ( mảng, stacks...)
• Cấu trúc điều khiển ( lặp, chọn )

1-8

Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

NGÔN NGỮ BẬC THẤP
Mang tính đặc thù của máy tính
• Người lập trình hiểu được tổ chức bên trong máy
• Người lập trình có thể truy cập đến những vấn đề gai góc
¾ Các thanh ghi
¾ Các chỉ thị đặc thù của máy
¾ Các cách định địa chỉ bộ nhớ

¾Đặc điểm phần cứng
Năng suất thấp nhưng chương trình thi hành nhanh hơn, tốt

hơn

1-9

Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

Instruction Set Architecture (ISA)
Chuyển chương trình máy tính thành các chỉ thị đặc
trưng của máy tính
ISA định nghĩa đặc thù của CPU
•
•
•
•
•

Kiểu dữ liệu
Tính tốn trên dữ liệu
operations on data
Địa chỉ hóa bộ nhớ
Các chế độ địa chỉ

1-10


Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

Microarchitecture – Vi kiến trúc
Vi kiến trúc thi hành ISA
Nhanh hơn, phúc tạp hơn

• IA-32
ắ386
ắ486
ắPentium
ắPentium-II, III, IV
ắXeon
ã IA-64
ắPentium D (Netburst)
ắDual Core (Core)
ắCore 2 Duo
ắCore 2 Quad

1-11

Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

Circuits - Mạch điện
Bước tiếp theo để thi hành mỗi phần tử của vi kiến trúc với
các mạch logic cơ bản
• Cổng, Bộ cộng, Bộ ghép kênh ..
• Flip flops, phần tử bộ nhớ

1-12


Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

Devices – Linh kiện
Cuối cùng, mỗi mạch logic cơ bản được chế tạo với cơng
nghệ riêng
CMOS
NMOS
Gallium arsenide

1-13

Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

MƠ TẢ CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG
Problem Statement – Mơ tả bài tốn
• Sử dụng ngôn ngữ tự nhiên để mô tả trạng thái
• Có thể nhập nhằng, khơng rõ ràng

Algorithm - Giải thuật
• Các bước xử lý để bảo đảm hồn thành.

• Tính xác định, tính hiệu quả , tính hữu hạn

Program – Chương trình
• Mơ tả giải thuật sử dụng ngơn ngữ máy.
• Ngơn ngữ bậc cao, ngơn ngữ cấp thấp

Instruction Set Architecture (ISA)
• Chỉ định tập hợp các chỉ thị máy tính có thể thực hiện
• Kiểu dữ liệu, kiểu đánh địa chỉ
1-14


Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

MÔ TẢ CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG
Microarchitecture – Vi kiến trúc
• Mơ tả tổ chức của processor implemantation
• Sự khác biệt khi thi thành của các ISA riêng lẻ

Logic Circuits – Các mạch logic
• Tổ hợp các thành phần cơ bản để thi hành vi kiến trúc
• Nhiều con đường khác nhau để thực hiện 1 chức năng

Devices - Thiết bị
• Tính chất phần cứng, tính sản xuất được

1-15

Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

Nhiều lựa chọn cho các lớp trên thế giới
Giải quyết 1 hệ thống tính tốn
Red-black SOR

FORTRAN
Sun SPARC
Pentium II

C

C++

Intel x86

Bipolar

Java
Compaq Alpha

Pentium III

Ripple-carry adder
CMOS

Jacobi
iteration

Gaussian
elimination

AMD Athlon

Multigrid

Tradeoffs:
cost
performance
power
(etc.)

Carry-lookahead adder
GaAs

1-16


Nguyen Van Tho – Duy Tan University.

Computer System: HỆ THỐNG MÁY TÍNH
CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG
Ứng dụng

Application Program

Giải thuật

Algorithms

Ngơn ngữ lập trình
Kiến trúc tập lệnh

Software
Hardware

Language
Instruction Set Architecture

(& giao diện nhập/ xuất)

(and I/O Interfaces)

Vi kiến trúc

Microarchitecture

Mạch điện tử

Circuits

Linh kiện

Devices
1-17