Bài giảng môn học Kiến trúc máy tính - Kiến trúc một máy tính đơn giản

1.2. Ki n trúc m t máy tính đ n gi nế ộ ơ ả 1. Gi i thi u s l c c u trúc c a máy vi tínhớ ệ ơ ượ ấ ủ B x ộ ử lý trung tâm (CPU) B nh trongộ ớ (Memory) ROM-RAM B nh ngoàiộ ớ (Mass store Unit) Ph i ghépố vào/ra (I/O) Thi t b vàoế ị (Input Unit) Thi t b raế ị (Output Unit) Data Bus Control Bus Adrress Bus 1. Gi i thi u s l c c u trúc c a máy vi tínhớ ệ ơ ượ ấ ủ  Cac khôi chưc năng chinh cua hê vi xư ly Khôi xư ly trung tâm (Central processing unit, CPU) Bô nhơ (memory) Hê thông vao ra (Input/Output system) Cac bus truyên thông tin. Bô xư ly trung tâm (CPU) Chưc năng: • Điêu khiên hoat đông cua may tinh • Xư ly dư liêu • Nguyên tăc hoat đông cơ ban: • CPU hoat đông theo chương trinh năm trong bô nhơ chinh • Giai ma lênh • Thưc hiên lênh tuân tư Câu truc cơ ban cua CPU Khôi điêu khiên (CU – Control Unit) Điều khiển hoạt động của CPU và các thành phần khác • Đọc lệnh từ chương trình trong bộ nhớ chính(instruction fetch) • Giải mã lệnh (instruction decode) • Thực thi lệnh đã giải mã một cách tuần tự (instruction excution) Khối tính toán (ALU - Arithmetic Logic Unit) Thực hiện các phép toán số học và logic  Các phép toán số học: +,-,*,/  Các phép toán logic: NOT, AND, OR,  Các phép so sánh   Dữ liệu  Số nguyên (integer)  Số dấu phảy tĩnh (fixed point number)  Số dấu phảy động (floating point number) Tập thanh ghi (Registers)  Lưu trữ toán hạng, kết quả và các thông số khác trong quá trình tính toán của CPU Bao gồm  Con trỏ chương trình (PC - Program Counter)  Các thanh ghi đa chức năng  Thanh ghi chỉ số (index register)  Thanh ghi cờ (flag register)  Thanh ghi lênh IR (instruction register). Bus Interface Unit Đơn vi ghep nôi Bus (Bus interface unit) kêt nôi va trao đôi thông tin giưa bus bên trong (internal bus) va bus bên ngoai (external bus) 2. Lịch sử phát triển của máy tính và bộ vi xử lý Lịch sử phát triển của máy tính Lịch sử phát triển của bộ vi xử lý (CPU) 2.1. L ch s phát tri n c a máy tínhị ử ể ủ Thế hệ -1: Thời xa xưa (-1642) Thế hệ 0: Máy tính cơ khí (1642-1945) Thế hệ 1: Đèn điện tử-Vacuum tubes (1945-1955). Thế hệ 2: Transistor rời rạc-Discrete transistors (1955-1973) Thế hệ 3: Mạch tích hợp-Integrated circuits (1974- 1979) Thế hệ 4: Mạch tích hợp cỡ lớn-VLSI (1980-?) Thê hê -1 thơi xa xưa Bàn tính, abaci, đã được sử dụng để tính toán. Khái niệm về giá trị theo vị trí đã được sử dụng Thê hê -1 thơi xa xưa  Th k 12: ế ỷ Muhammad ibn Musa Al'Khowarizmi đ a ra ư khái ni m v gi i thu t ệ ề ả ậ algorithm  M t danh sách các ch d n mô ộ ỉ ẫ t m t cách chính xác các ả ộ b c c a m t quá trình mà ướ ủ ộ đ m b o là quá trình này s ả ả ẽ ph i k t thúc sau m t s b c ả ế ộ ố ướ nh t đ nh v i câu tr l i đúng ấ ị ớ ả ờ cho t ng tr ng h p c th ừ ườ ợ ụ ể c a m t v n đ c n gi i quy tủ ộ ấ ề ầ ả ế Thê hê -1 thơi xa xưa  Codex Madrid - Leonardo Da Vinci (1500)  Vẽ một cái máy tính cơ khí Thê hê 0 Mechanical (1942-1945)  Blaise Pascal, con trai của một người thu thuế, đã chế tạo một máy cộng có nhớ vào năm 1642 Thê hê 0 Mechanical (1942-1945)  Babbage đã thiết kế một cái máy vi phân Difference Engine để thay thế toàn bộ bảng tính: máy thực hiện một ứng dụng cụ thể đầu tiên (application specific hard-coded machine) Thê hê 0 Mechanical (1942-1945)  Ada Augusta King, tr thành l p trình viên đ u tiên vào năm 1842 ở ậ ầ khi cô vi t ch ng trình cho Analytical Engine, thi t b th 2 c a ế ươ ế ị ứ ủ Babbage Thê hê 0 Mechanical (1942-1945)  Herman Hollerith, ngừời Mỹ, thiết kế một máy tính để xử lý dữ liệu về dân số Mỹ 1890  Ông thành lập công ty, Hollerith Tabulating Company, sau đấy là Calculating-Tabulating-Recording (C-T-R) company vào năm 1914 và sau này được đổi tên là IBM vào năm 1924. Thê hê 1 đen điên tư (1945 – 1955)  Năm 1943, John Mauchly và J. Presper Eckert b t đ u ắ ầ nghiên c u v ENIACứ ề Thê hê 1 đen điên tư (1945 – 1955)  18000 đèn đi n t , 1500 r le, 30 t n, 140 kW, 20 thanh ghi 10 ch s th p ệ ử ơ ấ ữ ố ậ phân, 100 nghìn phép tính/ giây  “Trong t ng lai máy tính s n ng t i đa là 1.5 t n” (Popular Mechanics, ươ ẽ ặ ố ấ 1949) Thê hê 1 đen điên tư (1945 – 1955)  L p trình thông qua 6000 công t c nhi u n c và n ng hàng t nậ ắ ề ấ ặ ấ Thê hê 1 đen điên tư (1945 – 1955)  Năm 1946, John von Neumann phát minh ra máy tính có chương trình lưu trong bộ nhớ  Máy tính của ông gồm có một đơn vị điều khiển, một đơn vị xử lý số học và logic (ALU), một bộ nhớ chương trình và dữ liệu và sử dụng số nhị phân thay vì số thập phân.  Máy tính ngày nay đều có cấu trúc von Neumann  ông đặt nền móng cho hiện tượng “von Neumann bottleneck”, sự không tương thích giữa tốc độ của bộ nhớ với đơn vị xử lý Thê hê 1 đen điên tư (1945 – 1955)  Năm 1948, máy tính có chương trình lưu trữ trong bộ nhớ đầu tiên được vận hành tại trường đại học Manchester: Manchester Mark I Thê hê 1 đen điên tư (1945 – 1955)  Năm 1951, máy tính Whirlwind lần đầu tiên sử dụng bộ nhớ lõi từ (magnetic core memories). Gần đây nguyên lý này đã được sử dụng lại để chế tạo MRAM ở dạng tích hợp. Thê hê 1 đen điên tư (1945 – 1955)  Một magnetic core lưu trữ 256 bits Thê hê 1 đen điên tư (1945 – 1955)  John von Neumann năm 1952 với chiếc máy tính mới của ông Thê hê 1 đen điên tư (1945 – 1955)  Năm 1954, John Backus, IBM phát minh ra FORTRAN Thê hê 2 Transistor rơi rac (1955-1973)  Năm 1947, William Shockley, John Bardeen, and Walter Brattain phát minh ra transistor Thê hê 2 Transistor rơi rac (1955-1973)  Năm 1955, IBM công bố IBM704, máy tính mainframe sử dụng tranzistor  Đây là máy tính với phép toán dấu phấy động đầu tiên (5 kFlops, clock: 300 kHz Thê hê 3 mach tich hơp (74-79)  Sư dung vi mach tô hơp IC (Integrated circuit), môt mach ban dân đươc thiêt lâp băng cach cây transistor lên môt chât nên silic va nôi kêt cac transistor không dây. Thê hê 4 VLSI (1980 - ?)  Năm 1981, IBM bắt đầu với IBM "PC" sử dụng hệ điều hành DOS Thê hê 4 VLSI (1980 - ?)  Năm 1984, Xerox PARC (Palo Alto Research Center) đưa ra máy tính để bàn Alto với giao diện người và máy hoàn toàn mới: windows, biểu tượng, mouse Thê hê 4 VLSI (1980 - ?)  Năm 1986, siêu máy tính Cray-XMP với 4 bộ xử lý đã đạt tốc độ tính toán là 840 MFlops. Nó được làm mát bằng nước Thê hê 4 VLSI (1980 - ?)  Tốc độ tính toán này đã đạt được với máy tính cá nhân 1 vi xử lý, Pentium III, vào quý 1 năm 2000 Thê hê 4 VLSI (1980 - ?) Thê hê 4 VLSI (1980 - ?) Thê hê 4 VLSI (1980 - ?) 2.2 L ch s phát tri n c a CPUị ử ể ủ  BXL 4 bit: 4004 Intel (11-1971)  BXL 8 bit: 8088 (1972)  BXL 16 bit: 80186 (1982) còn gọi là IAPX  BXL 32 bit vi kiến trúc Netburst (Netburst micro- architecture)  BXL Pentium Pro  BXL Pentium II  BXL Pentium III  BXL Pentium 4  BXL Celeron 2.2. L ch s phát tri n c a CPU (ti p)ị ử ể ủ ế BXL Pentium 4 Extreme Edition BXL 64 bit, vi kiến trúc Netburst (Pentium 4 Prescott năm 2004) Pentium D năm 2005 Pentium Extreme Edition năm 2005 BXL 64 bit, kiến trúc Core  Intel Core 2 Duo Core 2 Extremme 3. Ch t li u và công ngh ch t o CPUấ ệ ệ ế ạ