Chương 2: Tổ chức hệ thống máy tính

Chương 2: Tổ chức hệ thống
máy tính


NỘI DUNG
Biểu diễn dữ liệu trong máy tính
Tổ chức hệ thống máy tính

I.
II.
I.
II.
III.

IV.

Kiến trúc chung của máy tính điện tử
Bộ xử lý
Bộ nhớ
Tổ chức vào ra

BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

2 / 50


ĐƠN VỊ ĐIỀU KHIỂN
(Control Unit)

Bus địa chỉ

ĐƠN VỊ XỬ LÝ SỐ HỌC VÀ LOGIC

(ALU)
CÁC THANH GHI
(Register)

Bus dữ liệu
Bus điều khiển

Bộ nhớ trong

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

Ngoại vi

3 / 50


... 2.2 Bộ xử lý - Processors

BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

4 / 50


Các thành phần cơ bản của máy tính





Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): điều
khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu
Bộ nhớ chính (Main Memory): chứa các chương trình
và dữ liệu đang được sử dụng
Hệ thống vào ra (Input/Output System): trao đổi
thông tin giữa máy tính với bên ngồi.
Liên kết hệ thống (System Interconnection): kết nối
và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với
nhau

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

5 / 50


2.1 Kiến trúc chung của máy tính điện tử

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

6 / 50


2.1 Kiến trúc chung của máy tính điện tử

• Trước tiên số liệu được đưa vào bộ nhớ trong
• Lệnh đầu tiên trong bộ nhớ đưa vào CU
• CU giải mã lệnh, nếu cần toán hạng  xác
định địa chỉ tốn hạng
• CU phát tín hiệu tới các thành phần cần thiết

•
•

để lấy tốn hạng về, đưa vào thanh ghi trong
ALU
CU phát tín hiệu điều khiển ALU thực hiện
phép tốn. Kết quả đặt tại ALU/Bộ nhớ trong
Thực hiện lệnh tiếp theo tương tự.
BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

7 / 50


2.2.1 Sự thi hành các chỉ thị
1. Lấy (Fetch) chỉ thị tiếp theo từ trong bộ nhớ đặt vào thanh ghi chỉ thị
(IR).
2. Thay đổi con đếm chương trình (PC) để trỏ tới chỉ thị tiếp theo.
3. Xác định kiểu của chỉ thị vừa lấy về.
4. Nếu chỉ thị sử dụng dữ liệu trong bộ nhớ thì xác định vị trí của dữ liệu.
5. Lấy dữ liệu về nếu có, đặt vào các thanh ghi bên trong CPU.
6. Thi hành chỉ thị.
7. Chứa kết quả vào nơi thích hợp.
8. Trở lại bước 1 để bắt đầu thi hành chỉ thị tiếp theo

Chu kỳ lấy lệnh - giải mã lệnh - thi hành lệnh.
BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

8 / 50

2.2.2 Tổ chức CPU

Đường dữ liệu của một CPU đang thực hiện phép tính cộng 2
tốn hạng A và B
BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

9 / 50


... 2.2.2 Tổ chức CPU – phân loại chỉ thị theo toán hạng
Toán hạng: nằm trong tập các thanh ghi đệm hoặc trong bộ nhớ

•

Thanh ghi – bộ nhớ: Lấy một toán hạng trong bộ nhớ về, đặt vào
một thanh ghi đệm nhất định, cịn tốn hạng thứ hai đang nằm trong
một thanh ghi nào đó, sau đó chúng sẽ được ALU sử dụng.

•

Thanh ghi – thanh ghi: Các lệnh sẽ nhận 2 toán hạng từ các thanh
ghi đệm, đưa chúng vào các thanh ghi vào của ALU, thực hiện các
thao tác trên các tốn hạng này sau đó đưa kết quả trở lại các thanh
ghi đệm.

•

Bộ nhớ - bộ nhớ: Các lệnh sẽ nhận các toán hạng từ bộ nhớ vào
trong các thanh ghi vào của ALU, thực hiện các thao tác tính tốn
trên các tốn hạng này rồi gửi kết quả trở lại bộ nhớ.

BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

10 / 50


Kiến trúc RISC và CISC

•

Kiến trúc CISC: (Complex Instructions Set Computer - Máy tính với tập
lệnh phức tạp)

•
•

Tập lệnh có nhiều lệnh
Dạng lệnh phức: mỗi lệnh có thể thực hiện nhiều thao tác đơn. Lệnh được
thực hiện trong nhiều chu kỳ đồng hồ.

•
•

Độ dài của lệnh thay đổi.
Sự phức tạp của lệnh nằm trong mã vi lệnh (MicroCode). Trình biên dịch ít
làm việc hơn (để chuyển các câu lệnh HLL thành ngơn ngữ Assembly)

•
•
•

Có thể sử dụng nhiều lệnh để truy cập bộ nhớ
Có nhiều chế độ địa chỉ
Tập thanh ghi ít hơn

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

11 / 50


Kiến trúc RISC và CISC
•

Kiến trúc RISC: (Reduced Instructions Set Computer - Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa)

•
•

Tập lệnh có ít lệnh
Dạng lệnh đơn (tất cả các lệnh): mỗi lệnh chỉ thực hiện được một thao tác dơn. Và chỉ trong
một chu kỳ đồng hồ, có thể thực hiện được nhiều lệnh trong cùng một chu kỳ đồng hồ.

•
•
•

Độ dài của lệnh cố định (32bit)
Sự phức tạp của lệnh nằm trong trình biên dịch
Các bộ vi xử lý RISC phổ biến là ARM, SuperH, MIPS, SPARC, DEC Alpha, PA-RISC, PIC,
và PowerPC của IBM.

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

12 / 50


Kiến trúc RISC và CISC
? Trong hai loại kiến trúc RISC và CISC:

•
•
•
•
•
•

Bộ điều khiển của kiến trúc nào phức tạp hơn?
Chi phí thiết kế của loại nào đắt hơn?
Loại nào có tốc độ tính tốn cao hơn? Vì sao?
Chương trình của kiến trúc nào dài hơn? Vì sao?
Loại nào hỗ trợ cho ngơn ngữ bậc cao tốt hơn?
Chương trình dịch của loại nào đơn giản hơn?

BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

13 / 50


... 2.2.3 Sự thực hiện song song các lệnh

•
•

Mục đích: Tăng tốc độ thực hiện
Cách tiếp cận khác: XD máy tính nhiều ALU tốc độ thấp hoặc nhiều
CPU để đạt cơng suất tính tốn cao, giá thấp

Ba nhóm máy tính song song:

1.

SISD (Single Instruction stream, Single Data stream): Máy tính có một
dịng chảy của lệnh và một dịng chảy của dữ liệu.

2.

SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data stream): Máy tính có một
dịng chảy của lệnh và nhiều dịng chảy của dữ liệu.

3.

MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream): Máy tính có
nhiều dịng chảy của lệnh và nhiều dịng chảy của dữ liệu.
BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

14 / 50


2.2.3.1 Máy tính loại SISD – CDC6600

•

2 ALU để thực hiện phép toán cộng, 1 ALU thực hiện phép toán trừ, 1
ALU thực hiện phép toán nhân, 1 ALU thực hiện phép tốn chia.

•

Hiệu quả cao khi thời gian thực hiện một lệnh lớn hơn nhiều thời gian
lấy lệnh về (fetch). VD trong các tính tốn số dấu phảy động.

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

15 / 50


... 2.2.3.1 Máy tính loại SISD – MT đường ống

• Ý tưởng: chia việc thực hiện mỗi lệnh thành nhiều giai đoạn,
CPU bao gồm một số đơn vị chức năng, mỗi đơn vị chức năng
sẽ thực hiện một giai đoạn của q trình thực hiện một lệnh.

• Tốc độ tăng lên 5 lần.

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

16 / 50


... 2.2.3.1 Máy tính loại SISD – MT đường ống

• Câu hỏi: Tại sao máy tính pipeline có sử dụng cơ
chế song song bên trong nhưng nó vẫn thuộc loại
SISD

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

17 / 50


2.2.3.2 Máy tính loại SIMD – máy tính vector

•

Thao tác song song trên nhiều tập dữ liệu  vd giải các bài tốn
dự báo thời tiết, chẳng hạn tính tốn nhiệt độ trung bình hàng
ngày trong suốt 24 giờ của nhiều địa điểm; Đối với mỗi địa điểm
cơng việc tính toán là như nhau, nhưng tập dữ liệu là khác nhau.

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

18 / 50


2.2.3.3 Máy tính loại MIMD

•

Nhiều CPU, mỗi CPU thực hiện một chương trình khác nhau,
các CPU cùng chia sẻ một vùng nhớ chung

•

VD hệ thống máy tính phục vụ việc đặt chỗ trong ngành hàng
khơng.

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

19 / 50


2.3 Bộ nhớ
2.3.1 Một số đơn vị dung lượng bộ nhớ:

•
•

Đơn vị cơ sở - Bit

•
•

Bộ nhớ có n ơ nhớ  miền địa chỉ từ 0 tới n-1.

•

Mỗi word gồm số byte mà hầu hết các lệnh của bộ xử
lý thao tác như một đơn vị (thao tác làm một lần).

Bộ nhớ bao gồm các ơ nhớ có cùng kích thước (tức là
cùng số bit), Mỗi ơ nhớ được gán một địa chỉ duy nhất.

Hầu hết các máy vi tính có kích thước ơ nhớ là 8 bit (1
byte), các byte lại được nhóm lại thành word (từ).

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

20 / 50


2.3.3 Trật tự byte trong word, big endian và
little endian computer


Các byte trong một word được đánh số từ trái  phải/ phải 
trái.

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

21 / 50


Bộ nhớ máy tính
† Chức năng: lưu trữ chương trình và dữ
liệu.
 † Các thao tác cơ bản với bộ nhớ:


†

Đọc (Read)
 † Ghi (Write)



† Các thành phần chính:
†

Bộ nhớ trong (Internal Memory)
 † Bộ nhớ ngồi (External Memory)

BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

22 / 50


Bộ nhớ trong


† Chức năng và đặc điểm:
†

Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi
trực tiếp
 † Tốc độ rất nhanh
 † Dung lượng không lớn
 † Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM, RAM


† Các loại bộ nhớ trong:
†

Bộ nhớ chính

 † Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh)
BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

23 / 50


Bộ nhớ chính
† Chứa các chương trình và
dữ liệu đang được CPU sử
dụng.
 † Tổ chức thành các ngăn nhớ
được đánh địa chỉ.
 † Ngăn nhớ thường được tổ
chức theo byte.
 † Nội dung của ngăn nhớ có
thể thay đổi, song địa chỉ vật lý
của ngăn nhớ luôn cố định.


BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

24 / 50


Bộ nhớ cache
† Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm
giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ
CPU truy nhập bộ nhớ
 † Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính
 † Tốc độ nhanh hơn

 † Cache thường được chia thành một số
mức
 † Cache có thể được tích hợp trên chip VXL.
 † Cache có thể có hoặc khơng.


BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ

25 / 50