Bài giảng Kiến trúc máy tính (ThS. Nguyễn Hằng Phương) Chương 2

+

Chương 2

Lịch sử phát triển của máy tính


+

NỘI DUNG
1. Lịch sử phát triển của Máy tính
Thế hệ đầu tiên: ống chân không
Thế hệ thứ hai: Transitor
Thế hệ thứ ba: mạch tích hợp
Các thế hệ tiếp theo
2. Thiết kế hiệu suất
Tốc độ vi xử lý
Cân bằng Hiệu suất
Cải tiến trong Tổ chức và Kiến trúc Chip
3. Đa lõi, MICs và GPGPUs
4. Sự phát triển của kiến trúc Intel x86
5. Hệ thống nhúng và ARM
6. Đánh giá hiệu suất
Tốc độ đồng hồ và số lệnh trên giây
Tiêu chuẩn
Luật Amdahl
Luật Little


+

1.1 Thế hệ đầu tiên: Ống chân không
a, ENIAC - Electronic Numerical Integrator And Computer






Được thiết kế và xây dựng tại trường ĐH Pennsylvania


Bắt đầu từ 1943 – hoàn thành năm 1946



Bởi giáo sư John Mauchly và học trò John Eckert

Là máy tính điện tử số đầu tiên trên thế giới


Phịng thí nghiệm đạn đạo qn đội (BRL) cần thiết bị có thể cung cấp
bảng quỹ đạo chính xác cho một loại vũ khí mới trong khoảng thời gian cho
phép



Đã khơng kịp hồn thành phục vụ chiến tranh. Được tháo rời vào năm 1955

Nhiệm vụ đầu tiên của nó là thực hiện một loạt các tính tốn giúp xác
định tính khả thi của bomb hydrogen.

ENIAC
Nặng 30 tấn
Chiếm 1500 m2 diện tích sàn
Gồm 18000 đèn điện tử, 1500 cơng tắc điện tử
Tiêu thụ 140 kWh
Có khả năng thực hiện 5000 phép tính trên 1s
Tính tốn trên số thập phân
Bộ nhớ gồm 20 thanh ghi, mỗi cái có thể giữ 1 số 10 chữ số
Lập trình bằng tay bằng cách đấu nối các đầu cắm điện và dùng
các ngắt điện


+

John von Neumann
b. EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer)





Ý tưởng thiết kế được đưa ra vào năm 1945
Khái niệm chương trình lưu trữ
 Do các nhà thiết kế ENIAC, đặc biệt là nhà tốn học John von
Neumann
 Chương trình được lưu vào trong bộ nhớ cùng với dữ liệu
 ALU điều khiển để tính tốn trên dữ liệu nhị phân
 Bộ điều khiển dịch các tập lệnh trong bộ nhớ và thi hành, điều khiển

hoạt động của các thiết bị vào ra

Máy tính IAS



Hồn thiện vào năm 1952 bởi viện nghiên cứu cao cấp Princeton
Là nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay.


Cấu trúc của Máy von Neumann
Central Processing Unit (CPU)

ArithmeticLogic
Unit (CA)
Main
Memory
(M)

I/O
Equipment
(I, O)
Program
Control
Unit (CC)


+

Format bộ nhớ của máy IAS



Bộ nhớ của IAS gồm 1000
cell nhớ (gọi là 1 từ) x 40 bit.


2x20 bit tập lệnh



lưu trữ cả dữ liệu và lệnh



Chữ số được biểu diễn dưới
dạng số nhị phân. Mỗi lệnh là
một mã nhị phân

0 1

39

(a) Number word

sign bit

left instruction
0

8

opcode

right instruction
20

address

28

opcode
(b) Instruction word

39

address


Arithmetic-logic unit (ALU)

+

AC

Cấu trúc
của
máy tính
IAS

MQ

Inputoutput
equipment

Arithmetic-logic
circuits

MBR

Instructions
and data

IBR

PC

IR

Control
circuits

Main
memory
M

MAR

Control
signals

Program control unit

Addresses


+

Các loại thanh ghi
Thanh ghi đệm dữ liệu
(MDR)
Thanh ghi địa chỉ bộ
nhớ (MAR)

• Chứa word sắp lưu vào bộ nhớ hoặc sắp được gửi ra cổng
I/O
• Có thể nhận một word từ bộ nhớ hoặc từ các cổng I/O

• Chứa địa chỉ bộ nhớ của từ chuẩn bị được đọc
hoặc ghi vào MDR.

Thanh ghi tập lệnh (IR) • Chứa mã lệnh của lệnh sắp được thực thi.
Thanh ghi đệm chứa
tập lệnh (IBR)

• Được sử dụng để tạm thời lưu trữ lệnh nằm bên tay
phải của 1 từ trong bộ nhớ.

Bộ đếm chương trình
(PC)

• Chứa địa chỉ của cặp lệnh tiếp theo cần lấy từ bộ
nhớ

Bộ cộng tích luỹ (AC) • Được sử dụng để tạm thời giữ các toán hạng và kết
và bộ nhân chia (MQ)
quả của các phép tính trong ALU.


+

Tập lệnh
trong
IAS


+

Máy tính thương mại
c. UNIVAC - Universal Automatic Computer
– Thành lập Cơng ty máy tính Eckert-Mauchly để
sản xuất máy tính thương mại

 1947

 UNIVAC




Là máy tính thương mại thành cơng đầu tiên
Được dùng cho cả các ứng dụng khoa học và thương mại
Uỷ quyền bởi Cục điều tra dân số Mỹ để tính tốn vào năm 1950

 UNIVAC


I

II – hồn thành vào cuối những năm 1950

Có dung lượng bộ nhớ lớn hơn, nhanh hơn, hiệu suất cao hơn

 Tương

thích ngược


+


Từng là hãng sản xuất thiết bị
đục lỗ thẻ.



1953 - Máy tính điện tử
chương trình lưu trữ đầu tiên
- 701




1955 - Dịng sản phẩm 702




Dùng cho tính tốn khoa học
Tính năng phần cứng làm
nó phù hợp với các ứng
dụng kinh doanh

Dịng máy tính thế hệ
700/7000 đã giúp IBM là nhà
sản xuất máy tính hàng đầu

d. IBM


+

1. Lịch sử phát triển máy tính
1.2 Thế hệ thứ hai: Transistor
 Nhỏ

gọn hơn

 Giá

thành rẻ

 Toả

nhiệt ít hơn ống chân không

 Là

một thiết bị bán dẫn làm từ silicon

 Được

phát minh bởi Bell Labs vào năm 1947

đến cuối những năm 1950, máy tính bán dẫn hồn
tồn mới chính thức đưa vào thị trường thương mại

 Mãi


+

Máy tính thế hệ thứ hai



Đặc điểm:
 Bộ điều khiển và bộ số học
logic phức tạp hơn
 Sử dụng các ngơn ngữ lập

trình bậc cao
 Có các phần mềm hệ thống
cung cấp khả năng:
 Tải chương trình
 Di chuyển dữ liệu tới thiết
bị ngoại vi và thư viện
 Thực hiện các tính tốn
thơng thường



1957 - Sự xuất hiện của
Tập đồn thiết bị số
(Digital Equipment
Corporation -DEC)



PDP-1 là máy tính đầu tiên
của DEC



Bắt đầu sự xuất hiện của
máy tính mini – dịng máy
thống trị ở thế hệ máy tính
thứ ba.


IBM 700/7000 Series

Example Members of the IBM 700/7000 Series


Mag tape
units
CPU
Data
channel

Card
punch
Line
printer
Card
reader
Drum

Multiplexor

Data
channel
Disk
Data
channel

Disk
Hypertapes

Memory

Data
channel

Teleprocessing
equipment

Cấu hình
IBM
7094


Lịch sử phát triển máy tính
1.3 Thế hệ thứ ba: Mạch tích hợp


1958 –mạch tích hợp ra đời



Linh kiện rời
 Các transistor đơn lẻ, đóng gói khép kín.
 Được chế tạo rời, đóng gói trong riêng và được hàn hoặc
nối với nhau lên trên bảng mạch.
 Quá trình sản xuất tốn kém và cồng kềnh.



Hai thành viên quan trọng nhất của thế hệ máy tính thứ ba
là IBM System/360 và DEC PDP-8

+

Input

Vi điện tử

Boolean
logic
function

Output

Input

Binary
storage
cell

Read
Write

Activate
signal
(a) Gate

(b) Memory cell

Figure 2.6 Fundamental Computer Elements

Output


+

Mạch tích hợp


Lưu trữ dữ liệu – trên các
cell nhớ



Xử lý dữ liệu –qua các cổng





Di chuyển dữ liệu – Dữ liệu
được di chuyển trên các
đường dẫn giữa các bộ
phận của máy tính đi vào/ra
bộ nhớ và từ bộ nhớ qua
cổng tới bộ nhớ.

Điều khiển – tín hiệu điều
khiển được truyền trên các
đường dẫn giữa các bộ

phận.



Máy tính bao gồm các cổng,
các cell nhớ và đường kết
nối giữa các bộ phận.



Cổng và các cell nhớ được
xây dựng bằng những linh
kiện điện tử kỹ thuật số đơn
giản.



Các linh kiện như điện trở,
transistor và dây dẫn có thể chế
tạo từ chất bán dẫn như silicon.



Nhiều transistor có thể được sản
xuất cùng lúc trên một tấm khuôn
silicon


+

Wafer

Mối quan hệ
giữa
Tấm khuôn,
Chip,
và
Cổng

Chip

Gate
Packaged
chip

Figure 2.7 Relationship Among Wafer, Chip, and Gate


Các thế hệ máy tính

Computer Generations


Sự phát triển của Chip

1947 50

In
in ve
te n

gr tio
at n 
e d of
 c
ir
M
cu
pr o o
it
om re
’
ul s la
ga w
te
d

F
tr irst
an   w
si o
st rk
or in
g

+

55

60

65

70

75

80

85

90

95

2000

05

100 bn
10 bn
1 bn
100 m
10 m
100,000
10.000
1,000
100
10
1
11

Figure 2.8  Growth in Transistor Count on Integrated Circuits
(DRAM memory)


Moore’s Law
1965; Gordon Moore – đồng sáng lập Intel
Số lượng transistor trên mỗi chip tăng gấp đôi
sau mỗi năm với giá thành không đổi
Hệ quả của quy luật Moore:
Tốc độ sau
đó chậm lại
cịn gấp đơi
sau mỗi 18
tháng vào
những năm
1970 và duy
trì cho đến
ngày nay

Giá
mạch
nhớ và
mạch
logic
máy
tính
giảm rất
mạnh

Rút
ngắn
chiều
dài
đường
dẫn
điện,
tăng tốc
độ hoạt
động

Máy
tính nhỏ
gọn
hơn và
thuận
tiện cho
sử
dụng ở
nhiều
mơi
trường

Giảm
u cầu
về điện
năng
tiêu thụ
và bộ
làm mát

Kết nối
giữa
các
chip ít
hơn


+

Đặc tính của họ System/360


+

DEC PDP-8
 1964
 Minicomputer
 Khơng
 Nhỏ

$


– máy tính mini đầu tiên

cần phòng máy lạnh

đủ để đặt trên 1 chiếc ghế phịng thí nghiệm

16.000
$ 100k+ cho IBM 360

 Ứng

dụng nhúng và OEM

 CẤU

TRÚC BUS