Kiến trúc máy tính - Chương 1: Giới thiệu chung

KIẾN TRÚC MÁY TÍNHChương 1GIỚI THIỆU CHUNG1Tài liệu tham khảoBài giảng môn học “Kiến trúc máy tính”Nguyễn Phú Bình, Giáo trình Kiến trúc máy tính, Khoa CNTT - Đại học Bách Khoa Hà Nội.Trần Quang Vinh (2005), Cấu trúc máy vi tính, NXB Đại học Quốc gia Hà NộiM.Morris Mano (1993), Computer System Architecture, 3th Edition. Prentice Hall2Mục đích và yêu cầuNghiên cứu kiến trúc tập lệnh và tổ chức cơ bản của máy tính.Tìm hiểu kiến trúc Intel và tổ chức của các máy tính PC dựa trên kiến trúc Intel.Giới thiệu các kiến trúc máy tính tiên tiến.Yêu cầu sinh viên đã có các kiến thức cơ bản về Ngôn ngữ lập trình.3Nội dung môn học▪ Chương 1. Giới thiệu chung ▪ Chương 2. Hệ thống máy tính ▪ Chương 3. Biểu diễn dữ liệu và số học máy tính ▪ Chương 4. Bộ xử lý trung tâm ▪ Chương 5. Bộ nhớ máy tính ▪ Chương 6. Hệ thống vào-ra4Nội dung chương 11.1 Máy tính và phân loại 1.2 Kiến trúc và tổ chức máy tính 1.3 Cấu trúc và chức năng của máy tính 1.4 Các thế hệ máy tính5▪ Máy tính (computer) là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau:  Nhận thông tin vào  Xử lý thông tin theo chương trình được nhớ sẵn bên trong  Đưa thông tin ra ▪ Chương trình (program) là một dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện công việc cụ thể.  Máy tính hoạt động theo chương trình.1.1 Máy tính và phân loại Máy tính6▪ Phân loại truyền thống:  Máy vi tính (Microcomputer)  Máy tính nhỏ (Minicomputer)  Máy tính lớn (Mainframe Computer)  Siêu máy tính (Supercomputer) ▪ Phân loại hiện đại:  Máy tính "để bàn" (Desktop)  Máy chủ (Server)  Máy tính nhúng (Embedded Computer)1.1 Máy tính và phân loại Phân loại71.1 Máy tính và phân loại Máy tính để bàn (Desktop)▪ Là loại máy tính phổ biến nhất ▪ Thiết kế theo hướng tối ưu cả về giá thành và hiệu năng ▪ Một số loại:  Máy tính cá nhân (Personal Computer – PC)  Máy trạm làm việc (Workstation) ▪ 1981: IBM giới thiệu máy tính IBM- PC sử dụng bộ vi xử lý Intel 8088 ▪ 1984: Apple đưa ra Macintosh sử dụng bộ xử lý Motorola 68000 ▪ Giá thành: từ 500$ đến 10,000$ 81.1 Máy tính và phân loại Máy chủ (Server)▪ Thực chất là máy phục vụ ▪ Dùng trong mạng máy tính theo mô hình Client/Server ▪ Tốc độ và hiệu năng tính toán cao ▪ Dung lượng bộ nhớ lớn ▪ Độ tin cậy cao ▪ Giá thành: từ hàng chục nghìn đến hàng triệu USD.91.1 Máy tính và phân loại Máy tính nhúng▪ Được đặt trong thiết bị khác để điều khiển thiết bị đó làm việc ▪ Được thiết kế chuyên dụng ▪ Ví dụ:  Điện thoại di động  Bộ điều khiển trong máy giặt, điều hòa nhiệt độ  Một số thiết bị mạng: Switch, Router, ▪ Giá thành: từ vài USD đến hàng trăm ngàn USD101.2 Kiến trúc và tổ chức máy tính▪ Tổ chức máy tính (Computer Organization):  Nghiên cứu xem các mạch điện và các thành phần kết hợp với nhau như thế nào để tạo nên hệ thống máy tính.  VD: các tín hiệu điều khiển, các loại bộ nhớ,  Trả lời câu hỏi: Máy tính hoạt động như thế nào? ▪ Kiến trúc máy tính (Computer Architecture):  Nghiên cứu cấu trúc và hoạt động của máy tính theo cách nhìn của người lập trình.  VD: tập lệnh, các kiểu dữ liệu, tập thanh ghi, các chế độ địa chỉ, các phương thức truy cập bộ nhớ chính và các cơ chế vào-ra,  Trả lời câu hỏi: Làm thế nào để thiết kế một máy tính?  Kiến trúc của 1 máy tính cụ thể = các thành phần phần cứng + kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture - ISA) của máy tính đó111.2 Kiến trúc và tổ chức máy tính Nhận xét▪ Kiến trúc và tổ chức của máy tính có quan hệ đan xen nhau. ▪ Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính biến đổi nhanh. ▪ Ví dụ: các máy tính PC sử dụng các bộ xử lý Intel 32-bit từ 80386 đến Pentium 4:  Có cùng kiến trúc cơ sở (IA-32)  Có tổ chức khác nhau121.3 Cấu trúc và chức năng của máy tính ▪ Cấu trúc (Structure): bao gồm các thành phần và liên hệ giữa các thành phần của hệ thống máy tính. ▪ Chức năng (Function): hoạt động của hệ thống và của từng thành phần.131.3 Cấu trúc và chức năng của máy tính Cấu trúc cơ bản141.3 Cấu trúc và chức năng của máy tính Cấu trúc cơ bản▪ Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU): 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 ngoài. ▪ Liên kết hệ thống (System Interconnection): kết nối và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau.151.3 Cấu trúc và chức năng của máy tính Chức năng cơ bản▪ Xử lý dữ liệu ▪ Lưu trữ dữ liệu ▪ Vận chuyển dữ liệu ▪ Điều khiển161.4 Các thế hệ máy tính▪ Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1946 - 1955) ▪ Thế hệ 2: Máy tính dùng transistor (1956 - 1965) ▪ Thế hệ 3: Máy tính dùng mạch tích hợp (1966 - 1980) ▪ Thế hệ 4: Máy tính dùng mạch tích hợp VLSI (1981 - nay)171.4 Các thế hệ máy tính Máy tính dùng đèn điện tử▪ Atanasoff Berry Computer (ABC): máy tính nhị phân đơn giản được xây dựng từ các đèn điện tử. ▪ 1946: John Mauchley và J.Presper Eckert chế tạo ra ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) - máy tính điện tử đa năng đầu tiên:  Gồm gần 18000 đèn điện tử chân không và 1500 rơle điện tử  Nặng 30 tấn, chiếm diện tích 170m2 , tiêu thụ 170KW  Có 20 thanh ghi, mỗi thanh ghi chứa được 1 số thập phân 10 chữ số  Xử lý số ở hệ thập phân  Bộ nhớ chỉ lưu trữ dữ liệu  Hoạt động bằng cách thiết lập vị trí của các công tắc và các cáp nối 181.4 Các thế hệ máy tính Đèn điện tử chân không191.4 Các thế hệ máy tính Máy ENIAC201.4 Các thế hệ máy tính Máy EDVAC211.4 Các thế hệ máy tính Máy Von Neumann/Turing▪ Dựa trên ý tưởng chương trình được lưu trữ (stored-program concept) ▪ Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu ▪ ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân ▪ Đơn vị điều khiển giải mã lệnh từ bộ nhớ và thực hiện ▪ Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động của các thiết bị vào-ra ▪ Trở thành mô hình cơ bản của máy tính221.4 Các thế hệ máy tính Máy IAS (1947-1952)▪ Do John von Neumann (Hungary) thiết kế ▪ Thực hiện ở Princeton Institute for Advanced Studies231.4 Các thế hệ máy tính Kiến trúc Von Neumann241.4 Các thế hệ máy tính Các máy tính khác▪ EDSAC (1949): ở đại học Cambridge, Anh – máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên ▪ ILLIAC (1952): ở đại học Illionis, Mỹ ▪ MANIAC (1952): ở Los Alamos Laboratory, Mỹ ▪ JOHNIAC (1953): ở Rand Corporation, Mỹ ▪ WEIZAC (1954): ở học viện Weizmann, Israel251.4 Các thế hệ máy tính Các máy thương mại ▪ 1947: Eckert-Mauchly Computer Corporation  UNIVAC I (Universal Automatic Computer) ▪ Máy tính thương mại thành công đầu tiên  UNIVAC II: những năm cuối của thập kỷ 50 ▪ Nhanh hơn ▪ Nhiều bộ nhớ hơn261.4 Các thế hệ máy tính UNIVAC I271.4 Các thế hệ máy tính UNIVAC II281.4 Các thế hệ máy tính Công ty IBM▪ International Business Machine ▪ Ban đầu là công ty chuyên sản xuất phiếu đục lỗ ▪ 1953: chế tạo 701  Máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên của IBM  Dùng để thực hiện các tính toán khoa học ▪ 1955: chế tạo 702  Thích hợp cho các ứng dụng thương mại ▪ 1958: chế tạo 709  Máy tính dùng đèn điện tử chân không cuối cùng ▪ Các thế hệ 700/7000 tiếp theo đã làm cho IBM trở thành công ty sản xuất máy tính hàng đầu thế giới291.4 Các thế hệ máy tính Máy tính dùng transistor▪ 1947: John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley phát minh ra Transistor ở Bell Labs. ▪ 1957: công ty DEC (Digital Equitment Corporation)  PDP-1: ▪ Máy tính mini đầu tiên ▪ Thời gian chu trình lệnh 5µs (=½ IBM 7090 – nhanh nhất lúc đó) ▪ Trị giá 120000$ (IBM 7090 trị giá hàng triệu $) ▪ Có màn hình hiển thị CRT  PDP-8: ▪ Sử dụng bus đơn (Omnibus) – kế thừa từ IAS, được hầu hết các máy tính mini sử dụng ▪ Bán được 50000 chiếc301.4 Các thế hệ máy tính Máy PDP-1 và CDC 6600311.4 Các thế hệ máy tính Máy tính dùng transistor▪ IBM:  7090: ▪ Phiên bản 709 dùng transistor  7094: ▪ Chu trình lệnh 2µs ▪ Chuyên dùng cho các tính toán khoa học  1401: ▪ Rẻ tiền, nhanh gần bằng 7094 ▪ Thích hợp với các ứng dụng doanh nghiệp321.4 Các thế hệ máy tính Máy tính dùng transistor▪ CDC (Control Data Corporation):  1964: chế tạo CDC 6600▪ Siêu máy tính đầu tiên, nhanh hơn IBM 7094 ▪ CPU gồm các đơn vị chức năng có khả năng chạy song song ▪ Gồm cả một số minicomputer chuyên xử lý vào-ra ▪ Thực hiện được 10 triệu lệnh/s ▪ Trị giá 10 triệu USD ▪ Các ngôn ngữ lập trình bậc cao ra đời331.4 Các thế hệ máy tính Máy tính dùng mạch tích hợp▪ Mạch tích hợp (Integrated Circuit – IC) hay còn gọi là vi mạch, là các chip bán dẫn trong đó chứa các transistor và các linh kiện khác.341.4 Các thế hệ máy tính Các công nghệ SX máy tính351.4 Các thế hệ máy tính Máy tính dùng mạch tích hợp▪ So với thế hệ trước, các máy tính thế hệ này:  Nhỏ gọn hơn  Nhanh hơn  Tiêu thụ ít năng lượng hơn  Rẻ tiền hơn361.4 Các thế hệ máy tính Máy tính dùng mạch tích hợp▪ IBM System/360  Dựa trên mạch tích hợp  Thiết kế cho cả tính toán khoa học và thương mại  Khả năng multiprogramming (nhiều chương trình cùng chạy trong bộ nhớ)  Gồm nhiều Model tạo thành họ 360 ▪ DEC PDP-11371.4 Các thế hệ máy tính Máy tính dùng mạch tích hợp▪ Công nghệ IC cho phép xây dựng các siêu máy tính mạnh hơn  1976: CRAY-1 do Cray Research Corporation thiết kế ▪ Thực hiện được 160 triệu lệnh/s ▪ Có đến 8MB bộ nhớ ▪ Bộ vi xử lý (microprocessor) – CPU được chế tạo trên 1 chip ra đời (1971: Intel 4004) 381.4 Các thế hệ máy tính Siêu máy tính CRAY-1391.4 Các thế hệ máy tính Máy tính dùng vi mạch VLSI▪ Các công nghệ mạch tích hợp:  SSI (Small scale integration) – từ 1965 ▪ Tích hợp tới 100 transistor trên một chip  MSI (Medium scale integration) – cho đến 1971 ▪ Tích hợp từ 100 đến 3,000 transistor trên một chip  LSI (Large scale integration) – từ 1971 đến 1977 ▪ Tích hợp từ 3,000 đến 100,000 transistor trên một chip  VLSI (Very large scale integration) – từ 1978 đến nay ▪ Tích hợp từ 100,000 đến 100,000,000 transistor trên một chip  ULSI (Ultra large scale integration) ▪ Có hơn 100,000,000 transistor trên một chip401.4 Các thế hệ máy tính Máy tính dùng vi mạch VLSI▪ Các sản phẩm của công nghệ VLSI:  Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên một chip.  Các vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset): các vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép.  Bộ nhớ bán dẫn, gồm hai loại: ROM, RAM  Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy tính chuyên dụng được chế tạo trên một chip. 411.4 Các thế hệ máy tính Công ty Intel▪ Intel Corporation thành lập năm 1968 với định hướng ban đầu là chế tạo bộ nhớ bán dẫn. ▪ Cty Busicom (Nhật) thuê Intel thiết kế một tập hợp chip cho máy tính có thể lập trình. Sau đó Intel mua lại bản quyền sản phẩm. ▪ 1971: 4004  Bộ vi xử lý đầu tiên (4 bit)  Gồm 2300 transistor, nhỏ hơn 1 chiếc móng tay  Thực hiện được 60000 lệnh/s  Giá tiền 200$421.4 Các thế hệ máy tính Các bộ vi xử lý của Intel▪ 1972: 8008 (bộ vi xử lý 8 bit đầu tiên) ▪ 1974: 8080 (CPU đa năng đầu tiên) ▪ 1974: 8085 (8080 được đóng vỏ lại) ▪ 1978: 8086 (bộ vi xử lý 16 bit đầu tiên) ▪ 1980: 8088 (bộ vi xử lý 16 bit dùng cho IBM PC) ▪ 1982: 80186 (8086 + hỗ trợ vào-ra) ▪ 1982: 80188 (8088 + hỗ trợ vào-ra) ▪ 1982: 80286 (KGĐCBN tăng lên 16MB) ▪ 1985: 80386 (bộ vi xử lý 32 bit đầu tiên) ▪ 1989: 80486 (1.2 triệu transistor, hơn 4004 50 lần) ▪ 1993: Pentium (3.2 triệu transistor, 90 MIPS, hơn 4004 1500 lần) ▪ 1995: Pentium Pro (5.5 triệu transistor, 300 MIPS) ▪ 1997: Pentium MMX (bổ sung thêm tập lệnh hỗ trợ đa phương tiện) ▪ 1997: Pentium II (7.5 triệu transistor) – Celeron và Xeon ▪ 1998: Pentium III ▪ 2002: Pentium IV .431.4 Các thế hệ máy tính Intel 4004 - bộ vi xử lý 4 bit441.4 Các thế hệ máy tính Intel 8080 - bộ vi xử lý 8 bit451.4 Các thế hệ máy tính Intel 80286 - bộ vi xử lý 16 bit461.4 Các thế hệ máy tính Intel 80386 - bộ vi xử lý 32 bit471.4 Các thế hệ máy tính Intel Pentium (32-bit)481.4 Các thế hệ máy tính Intel Pentium III & IV (32-bit)491.4 Các thế hệ máy tính Intel Itanium (64-bit)501.4 Các thế hệ máy tính Định luật Moore▪ Gordon Moore – người đồng sáng lập ra Intel ▪ Số transistor 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, hiệu năng cao hơn ▪ Kích thước nhỏ hơn dẫn tới độ phức tạp tăng lên ▪ Điện năng tiêu thụ ít hơn, cần làm mát nhiều hơn ▪ Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó tăng độ tin cậy511.4 Các thế hệ máy tính Số transistor trong CPU521.4 Các thế hệ máy tính Các hệ thống máy tính hiện đại▪ Máy tính nhúng (Embedded Computer) ▪ Máy tính cá nhân (PC) ▪ Máy trạm làm việc (Workstation) ▪ Máy chủ (Server) ▪ Mạng máy tính ▪ Internet – mạng máy tính toàn cầu53