BÀI GIẢNG MÔN: KHOA HỌC MÁY TÍNH.Phạm Quang Dũng Bộ môn Khoa học máy tính - Khoa CNTT
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.96 MB, 20 trang )
Chương 1: Giới thiệu chung
Nội dung chương 1
Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Máy tính và phân loại
1.2. Kiến trúc máy tính
1.3. Sự tiến hố của máy tính
Phạm Quang Dũng
Bộ mơn Khoa học máy tính - Khoa CNTT
Trường Đại học Nơng nghiệp I – Hà Nội
website: www.hau1.edu.vn/it/pqdung
ĐT: (04) 8766318 DĐ: 0988.149.189
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
1.1. Máy tính và phân loại
Mơ hình máy tính cơ bản
1.2
1. 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 dãy các lệnh được nhớ sẵn bên
trong,
Đưa thông tin ra.
Dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để u cầu máy
tính thực hiện cơng việc cụ thể được gọi là chương
trình (program)
Ỉ Máy tính hoạt động theo chương trình.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.3
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.4
1
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
Mơ hình phân lớp của máy tính
2. Phân loại máy tính
Người sử dụng
(End User)
Người lập trình
(Programmer)
Các chương trình ứng dụng
(Application Programs)
Người thiết kế HĐH
(OS Designer)
Các phần mềm trung gian (Utilities)
Phân loại truyền thống:
Máy vi tính (Microcomputer)
Máy tính nhỏ (Minicomputer)
Máy tính lớn (Mainframe Computer)
Siêu máy tính (Supercomputer)
Hệ điều hành (Operating System)
Phần cứng (Computer Hardware)
Phần cứng: hệ thống vật lý của máy tính
Phần mềm: các chương trình và dữ liệu
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.5
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
Phân loại máy tính hiện đại
Máy tính để bàn (Desktop)
Máy tính để bàn (Desktop Computers)
Máy chủ (Servers)
Là loại máy tính phổ biến nhất
Các loại máy tính để bàn
Máy tính nhúng (Embedded Computers)
1.6
Máy tính cá nhân (Personal Computer – PC)
Máy tính trạm làm việc (Workstation Computer)
1981 Ỉ IBM giới thiệu máy tính IBM-PC sử
dụng bộ xử lý Intel 8088
1984 Ỉ Apple đưa ra máy tính Macintosh sử
dụng bộ xử lý Motorola 68000
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.7
Giá thành: 300USD đến 10.000USD
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.8
2
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
Máy chủ (Server)
Máy tính nhúng (Embedded Computer)
Thực chất là máy phục vụ
Dùng trong mạng theo mơ hình
Client/Server (Khách hàng/Người phục vụ)
Tốc độ và hiệu năng tính tốn cao
Dung lượng bộ nhớ lớn
Độ tin cậy cao
Giá thành: hàng chục nghìn đến hàng chục
Được đặt trong thiết bị khác để điều khiển thiết
bị đó làm việc
Được thiết kế chuyên dụng
Ví dụ:
triệu USD.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.9
Điện thoại di động
Bộ điều khiển trong máy giặt, điều hoà nhiệt
độ
Router - bộ định tuyến trên mạng
Giá thành: Vài USD đến hàng trăm nghìn USD.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
1.2. Kiến trúc máy tính
Kiến trúc tập lệnh
Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh:
Kiến trúc tập lệnh của máy tính bao gồm:
Kiến trúc tập lệnh (Intruction Set Architecture): nghiên cứu
máy tính theo cách nhìn của người lập trình.
Ỉ
1.10
Tập lệnh: tập hợp các chuỗi số nhị phân mã
Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu
hố cho các thao tác mà máy tính có thể thực
trúc phần cứng máy tính.
hiện.
Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi
rất nhanh.
Ví dụ: Các máy tính PC dùng các bộ xử lý Intel 32-bit từ
Các kiểu dữ liệu: các kiểu dữ liệu mà máy tính
có thể xử lý.
80386 đến Pentium 4:
Cùng chung kiến trúc tập lệnh (IA-32)
Có tổ chức khác nhau
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.11
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.12
3
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
Cấu trúc cơ bản của máy tính
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
Liên kết hệ thống (System Interconnection):
đổi thơng tin giữa máy tính với bên ngồi.
Kết nối và vận chuyển thơng tin giữa các thành
phần với nhau.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.13
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
1.3. Sự tiến hoá của máy tính
1. Máy tính dùng đèn điện tử
Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử
ENIAC - Máy tính điện tử đầu tiên
chân không (1943-1956)
Electronic Numerical Intergator And Computer
Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor
Dự án của Bộ Quốc phòng Mỹ
(1957-1965)
Do John Mauchly và John Presper Eckert ở Đại
học Pennsylvania thiết kế.
Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI,
MSI và LSI (1966-1980)
1.14
Bắt đầu từ năm 1943, hồn thành năm 1946
Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI,
SLSI (1981-nay)
/>
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.15
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.16
4
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
ENIAC (tiếp)
ENIAC (tiếp)
Nặng 30 tấn
Kích thước 140 m2
18000 đèn điện tử và 1500 rơle
5000 phép cộng/giây
Xử lý theo số thập phân
Bộ nhớ chỉ lưu trữ dữ liệu
Lập trình bằng cách thiết lập vị trí của các
chuyển mạch và các cáp nối.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.17
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
ENIAC (tiếp)
Máy tính von Neumann
1.18
Cịn gọi là máy tính IAS:
Princeton Institute for Advanced Studies
Được bắt đầu từ 1947, hoàn thành 1952
Do John von Neumann thiết kế
Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình được
lưu trữ” (stored-program concept) của von
Neumann/Turing (1945)
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.19
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.20
5
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
Đặc điểm chính của máy tính IAS
John von Neumann và máy tính IAS
Bao gồm các thành phần: đơn vị điều khiển, đơn vị số
học và logic (ALU), bộ nhớ chính và các thiết bị vào ra.
Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu.
Bộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ,
khơng phụ thuộc vào nội dung của nó.
ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân.
Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã và thực
Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động của các thiết bị
hiện lệnh một cách tuần tự.
vào-ra.
Trở thành mơ hình cơ bản của máy tính.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.21
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
Các máy tính thương mại ra đời
John Mauchly và UNIVAC
1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation
UNIVAC I (Universal Automatic Computer)
1950s - UNIVAC II
Nhanh hơn
Bộ nhớ lớn hơn
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.23
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.22
1.24
6
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
UNIVAC
Hãng IBM
IBM – International Business Machine
1952 – IBM 701
Máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên của IBM
Sử dụng cho tính tốn khoa học
1955 – IBM 702
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.25
Các ứng dụng thương mại
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
IBM 701 (1952) và IBM 702 (1955)
2. Máy tính dùng transistor
1.26
Máy tính PDP-1 của DEC (Digital Equipment
Corporation) máy tính mini đầu tiên
IBM 701
IBM 7000
Hàng trăm nghìn phép cộng trong một giây
Các ngơn ngữ lập trình bậc cao ra đời.
IBM 702
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.27
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.28
7
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
DEC's PDP-1 (1960)
IBM 7030 (1961)
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.29
Phạm Quang Dũng
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
3. Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI
Luật Moore
Vi mạch (Integrated Circuit – IC): nhiều transistor
và các phần tử khác được tích hợp trên một chip
bán dẫn.
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Gordon Moore - người đồng sáng lập Intel
Số transistors trên chip sẽ gấp đôi sau 18 tháng
1.30
SSI (Small Scale Integratinon)
Giá thành của chip hầu như không thay đổi
MSI (Medium Scale Integration)
Mật độ cao hơn, do vậy đường dẫn ngắn hơn
LSI (Large Scale Integration)
Kích thước nhỏ hơn dẫn tới độ phức tạp tăng lên
VLSI (Very Large Scale Integration) (dùng cho máy
tính hệ thứ tư)
Điện năng tiêu thụ ít hơn
Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó
Siêu máy tính xuất hiện: CRAY-1, VAX
Bộ vi xử lý (microprocessor) ra đời
tăng độ tin cậy
Bộ xử lý đầu tiên Æ Intel 4004 (1971).
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.31
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.32
8
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
Tăng trưởng số transitor trong chip CPU
IBM 360 Family (1964-1968)
Có từ model 20 minicomputer (bộ nhớ 24 KB)
đến model 91 supercomputer được xây dựng
cho hệ thống phòng thủ tên lửa Bắc Mỹ.
/>Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.33
Phạm Quang Dũng
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
IBM 360/40
IBM 360/67
Dùng HĐH DOS/360
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.34
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.36
Time sharing
system
Phần cứng hỗ trợ
virtual memory
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.35
Dùng HĐH CP-67
500 KB RAM
Phạm Quang Dũng
9
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
IBM 360/91
PDP-11 (1972)
Được thiết kế để xử lý dữ liệu tốc độ cao cho các ứng dụng khoa học
16.6 triệu phép cộng/giây → 1000 bài tốn với 200 tỷ phép tính/ngày.
2-6 MB main memory, CPU có 5 đơn vị xử lý đồng thời.
như khám phá không gian, vật lý nguyên tử, dự báo thời tiết toàn cầu.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.37
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
Siêu máy tính CRAY-1 (1976)
1977 - PC có tích hợp màn hình
1.38
Saymour Cray
HĐH Cray Operating
System (COS),
100-160 triệu phép tính
dấu chấm động/giây
(megaflops)
Xử lý dữ liệu vector
8 MB main memory
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.39
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.40
10
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
VAX 11/780 (1978) - máy tính 32-bit
Osborne 1 (1980) - máy tính khả chuyển
Máy tính "có thể di chuyển" đầu tiên, kích thước
nhỏ, nặng 24 pound (10,9 kg)
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.41
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
4. Máy tính dùng vi mạch VLSI
Các hệ thống máy tính hiện đại
Các sản phẩm chính của cơng nghệ VLSI:
Máy tính nhúng
Máy tính cá nhân (PC)
Máy trạm làm việc
một vài vi mạch thực hiện được nhiều chức năng
Máy chủ (Servers)
điều khiển và nối ghép.
Mạng máy tính
Internet - Mạng máy tính tồn cầu
Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên
một chip.
Vi mạch điều khiển tổng hợp (chipset): một hoặc
Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory): ROM,
RAM
1.42
Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy tính
chuyên dụng được chế tạo trên một chip.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.43
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.44
11
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
Một số Hệ thống Máy tính nhúng
Siêu máy tính Earth Simulator của NEC (2002)
5200 processor
35860-40960 GFlops
Earth Simulator tại Cơ quan Khoa
học và Công nghệ biển Nhật Bản
(JAMSTEC), Yokohama, Japan
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.45
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.46
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1: Giới thiệu chung
Siêu máy tính ASC Purple của IBM (2005)
Siêu máy tính BlueGene L của IBM (2005)
131702 processor
10240 processor
32768 GB main memory
40960 GB main
memory
280600-367000 GFlops
63390-77824 GFlops
ASC Purple at Lawrence Livermore
National Laboratory
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.47
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
1.48
12
Chương 2: Hệ thống máy tính
Nội dung chương 2
Chương 2
HỆ THỐNG MÁY TÍNH
2.1. Các thành phần của máy tính
2.2. Hoạt động của máy tính
2.3. Liên kết hệ thống
Phạm Quang Dũng
Bộ mơn Khoa học máy tính - Khoa CNTT
Trường Đại học Nông nghiệp I – Hà Nội
website: www.hau1.edu.vn/it/pqdung
ĐT: (04) 8766318 DĐ: 0988.149.189
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
2.1. Các thành phần của máy tính
1. Bộ xử lý trung tâm (CPU)
Chức năng
Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit)
điều khiển hoạt động của máy tính
Bộ nhớ
(Memory)
xử lý dữ liệu
Hệ thống vào ra
(Input/Output System)
Liên kết hệ thống
(System Interconnection)
2.2
Nguyên tắc hoạt động cơ bản:
CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ
nhớ chính.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.3
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.4
1
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Cấu trúc cơ bản của CPU
Các thành phần cơ bản của CPU
Đơn vị
điều khiển
(CU)
Đơn vị số học
và logic
(ALU)
Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU): điều khiển hoạt
động của máy tính theo chương trình đã định sẵn.
Tập các
thanh ghi
(RF)
Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit –
ALU): thực hiện các phép toán số học và các phép toán
logic trên các dữ liệu cụ thể.
bus bên trong
Tập thanh ghi (Register File - RF): lưu giữ các thông tin
tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU.
Đơn vị phối ghép bus (BIU)
Đơn vị nối ghép bus (Bus interface Unit - BIU): kết nối
và trao đổi thông tin giữa bus bên trong (internal bus)
bus điều khiển
Phạm Quang Dũng
bus dữ liệu
và bus bên ngoài (external bus)
bus địa chỉ
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.5
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Tốc độ của bộ xử lý
Tốc độ của bộ xử lý (tiếp)
Tốc độ của bộ xử lý:
Tính bằng số lệnh được thực hiện trong 1 giây
MIPS (Millions of Instructions per Second)
Khó đánh giá chính xác
Tần số xung nhịp của bộ xử lý:
Bộ xử lý hoạt động theo một xung nhịp (Clock)
có tần số xác định
Tốc độ của bộ xử lý được đánh giá gián tiếp
thông qua tần số của xung nhịp.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Dạng xung nhịp:
T0 - chu kỳ xung nhịp
Tần số xung nhịp: f0 = 1/T0
Mỗi thao tác của bộ xử lý cần kT0
T0 càng nhỏ Ỉ bộ xử lý chạy càng nhanh
Ví dụ: Máy tính dùng bộ xử lý Pentium IV 2GHz
2.6
Ta có f0 = 2 GHz = 2x109 Hz
Ỉ T0 = 1/f0 = 1/(2x109) = 0,5 ns.
2.7
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.8
2
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
2. Bộ nhớ máy tính (Memory)
Các thành phần của 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)
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.9
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Bộ nhớ trong (Internal memory)
Bộ nhớ chính (Main memory)
Chức năng và đặc điểm:
liệu đang được CPU sử dụng.
Chứa các thơng 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
Chứa các chương trình và dữ
Tổ chức thành các ngăn nhớ
được đánh địa chỉ.
Ngăn nhớ thường được tổ chức
theo byte.
Các loại bộ nhớ trong:
Nội dung của ngăn nhớ có thể
Bộ nhớ chính
thay đổi, song địa chỉ vật lý của
Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh)
ngăn nhớ ln cố định.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.11
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.10
Nội dung
Địa chỉ
00101011
11010101
00001010
01011000
11111011
00001000
11101010
00000000
10011101
00101011
11101011
00101000
11111111
10101010
00101011
01010101
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
2.12
3
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Bộ nhớ đệm nhanh (Cache memory)
Bộ nhớ ngồi (External memory)
Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa
Chức năng và đặc điểm:
CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU
Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính
truy nhập bộ nhớ
Được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị
vào-ra
Dung lượng lớn
Tốc độ chậm
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 vi xử lý.
Cache có thể có hoặc khơng.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.13
Các loại bộ nhớ ngồi:
Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm
Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD
Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.14
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
3. Hệ thống vào-ra (Input/Output System)
Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra
Chức năng: trao đổi thông tin giữa máy tính
với thế giới bên ngồi.
Các thao tác cơ bản:
Vào dữ liệu (Input)
Ra dữ liệu (Output)
Nối ghép với
CPU và bộ
nhớ chính
Các thành phần chính:
Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)
Các môđun vào-ra (IO Modules)
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.15
Phạm Quang Dũng
Cổng
vàora
Thiết bị
ngoại vi
Cổng
vàora
Thiết bị
ngoại vi
Cổng
vàora
Thiết bị
ngoại vi
Mơđun
vào-ra
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.16
4
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Các thiết bị ngoại vi
Mơđun vào-ra
Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong
Chức năng: nối ghép các TBNV với máy tính.
và bên ngồi máy tính.
Mỗi mơđun vào-ra có một hoặc một vài cổng
Các loại thiết bị ngoại vi (TBNV) cơ bản:
Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét …
Thiết bị ra: màn hình, máy in …
Thiết bị nhớ: các ổ đĩa …
Thiết bị truyền thông: MODEM …
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
vào-ra (I/O Port).
Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác
định.
Các TBNV được kết nối và trao đổi dữ liệu với
máy tính thơng qua các cổng vào-ra.
2.17
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
2.2. Hoạt động của máy tính
Chu trình lệnh
1. Thực hiện chương trình
Là hoạt động cơ bản của máy tính
Máy tính lặp đi lặp lại hai bước:
Nhận lệnh
Thực hiện lệnh
2.18
Bắt đầu
Nhận lệnh
} chu trình lệnh
Thực hiện lệnh
Thực hiện chương trình bị dừng nếu thực hiện
lệnh bị lỗi hoặc gặp lệnh dừng.
Dừng
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.19
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.20
5
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Q trình nhận lệnh
Minh họa q trình nhận lệnh
Bắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ
bộ nhớ chính.
Bộ đếm chương trình PC (Program Counter)
của CPU giữ địa chỉ của lệnh sẽ được nhận.
CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi PC.
Lệnh
được
nạp
vào
thanh
ghi
lệnh
IR
(Instruction Register)
Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự
động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.21
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Q trình thực hiện lệnh
2. Ngắt (Interrupt)
Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và phát tín
hiệu điều khiển thực hiện thao tác mà lệnh yêu
cầu.
Các kiểu thao tác của lệnh:
2.22
Khái niệm: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm
dừng chương trình đang thực hiện để chuyển
sang thực hiện một chương trình khác, gọi là
chương trình con phục vụ ngắt.
Các loại ngắt:
Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính
Trao đổi dữ liệu giữa CPU và môđun vào-ra
Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học
hoặc phép toán logic với các dữ liệu
Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ:
tràn số, chia cho 0 …
Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi bộ nhớ RAM
Điều khiển rẽ nhánh
Kết hợp các thao tác trên
Ngắt do mơđun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến
CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.23
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.24
6
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Hoạt động ngắt
Hoạt động ngắt (tiếp)
Sau khi hồn thành một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu
ngắt.
Nếu khơng có ngắt Ỉ bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của
chương trình hiện tại.
Chương trình
đang thực hiện
Chương trình con
phục vụ ngắt
lệnh
lệnh
Nếu có tín hiệu ngắt:
Ngắt ở đây
lệnh
lệnh
lệnh
lệnh
lệnh
Tạm dừng chương trình đang thực hiện
Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị
lệnh i
lệnh i+1
ngắt)
lệnh
.
.
.
Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt
Chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt
Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khơi phục ngữ cảnh và
tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.25
.
.
.
RETURN
lệnh
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.26
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chu trình lệnh với ngắt
Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt
Bắt đầu
Nhận lệnh
Thực hiện
lệnh
Phạm Quang Dũng
Kiểm tra
có ngắt hay
khơng?
Khi một ngắt đang được thực hiện, các ngắt khác sẽ
bị cấm
Bộ xử lý sẽ bỏ qua các ngắt tiếp theo trong khi đang
xử lý một ngắt
Các ngắt vẫn đang đợi và được kiểm tra sau khi ngắt
đầu tiên được xử lý xong
Các ngắt được thực hiện tuần tự
Dừng
N
Xử lý ngắt tuần tự
Y
Chuyển đến
chương trình con
phục vụ ngắt
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.27
Xử lý ngắt ưu tiên
Các ngắt được định nghĩa mức ưu tiên khác nhau
Ngắt có mức ưu tiên thấp hơn có thể bị ngắt bởi ngắt
ưu tiên cao hơn Ỉ xảy ra ngắt lồng nhau
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.28
7
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
3. Hoạt động vào-ra
2.3. Liên kết hệ thống
Hoạt động vào-ra: là hoạt động trao đổi dữ liệu
1. Khái niệm chung về bus
giữa TBNV với bên trong máy tính.
Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vận
chuyển thông tin giữa các thành phần của máy
tính với nhau.
Độ rộng bus: là số đường dây của bus có thể
truyền các bit thơng tin đồng thời (chỉ dùng
cho bus địa chỉ và bus dữ liệu)
Phân loại cấu trúc bus:
Các kiểu hoạt động vào-ra:
CPU trao đổi dữ liệu với môđun vào-ra
Môđun vào-ra trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ
nhớ chính.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.29
Cấu trúc đơn bus
Cấu trúc đa bus
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Chương 2: Hệ thống máy tính
Bus đồng bộ và bus không đồng bộ
2. Cấu trúc đơn bus
2.30
Bus đồng bộ
Bus có đường tín hiệu Clock
Các sự kiện trên bus được xác định bởi xung
nhịp Clock.
Bus khơng đồng bộ
Khơng có đường tín hiệu Clock
Kết thúc một sự kiện này trên bus sẽ kích hoạt
cho một sự kiện tiếp theo.
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.31
Phạm Quang Dũng
Bài giảng Kiến trúc máy tính
2.32
8
