Bài giảng 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 Kiến trúc chung của máy tính điện tử Bộ xử lý Bộ nhớ Tổ chức vào ra ĐƠN VỊ ĐIỀU KHIỂN (Control Unit) ĐƠN VỊ XỬ LÝ SỐ HỌC VÀ LOGIC (ALU) CÁC THANH GHI (Register) Bus địa chỉ Bus dữ liệu Bus điều khiển Bộ nhớ trong Ngoại vi ... 2.2 Bộ xử lý - Processors 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 ngoài. Liên kết hệ thống (System Interconnection): kết nối và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau 2.1 Kiến trúc chung của máy tính điện tử 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 toán hạng CU phát tín hiệu tới các thành phần cần thiết để lấy toán hạng về, đưa vào thanh ghi trong ALU CU phát tín hiệu điều khiển ALU thực hiện phép toán. Kết quả đặt tại ALU/Bộ nhớ trong Thực hiện lệnh tiếp theo tương tự. 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. 2.2.2 Tổ chức CPU Đường dữ liệu của một CPU đang thực hiện phép tính cộng 2 toán hạng A và B ... 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, còn toán 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 toán 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 toán trên các toán hạng này rồi gửi kết quả trở lại bộ nhớ. 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 ngôn ngữ Assembly) Có thể sử dụng nhiều lệnh để truy cập bộ nhớ Có nhiều chế độ địa chỉ Tập thanh ghi ít hơn 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. 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 toán cao hơn? Vì sao? Chương trình của kiến trúc nào dài hơn? Vì sao? Loại nào hỗ trợ cho ngôn ngữ bậc cao tốt hơn? Chương trình dịch của loại nào đơn giản hơn? ... 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 công suất tính toán cao, giá thấp Ba nhóm máy tính song song: SISD (Single Instruction stream, Single Data stream): Máy tính có một dòng chảy của lệnh và một dòng chảy của dữ liệu. SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data stream): Máy tính có một dòng chảy của lệnh và nhiều dòng chảy của dữ liệu. MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream): Máy tính có nhiều dòng chảy của lệnh và nhiều dòng chảy của dữ liệu. 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 toán chia. Hiệu quả cao khi thời gian thực hiện một lệnh lớn hơn nhiều thời gian lấy lệnh về (fetch). VD trong các tính toán số dấu phảy động. ... 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 quá trình thực hiện một lệnh. Tốc độ tăng lên 5 lần. ... 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 2.2.3.2 Máy tính loại SIMD – máy tính vector Thao tác song song trên nhiều tập dữ liệu  vd giải các bài toán dự báo thời tiết, chẳng hạn tính toán nhiệt độ trung bình hàng ngày trong suốt 24 giờ của nhiều địa điểm; Đối với mỗi địa điểm công việc tính toán là như nhau, nhưng tập dữ liệu là khác nhau. 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 không. 2.3 Bộ nhớ 2.3.1 Một số đơn vị dung lượng bộ nhớ: Đơn vị cơ sở - Bit Bộ nhớ bao gồm các ô nhớ có cùng kích thước (tức là cùng số bit), Mỗi ô nhớ được gán một địa chỉ duy nhất. Bộ nhớ có n ô nhớ  miền địa chỉ từ 0 tới n-1. Hầu hết các máy vi tính có kích thước ô nhớ là 8 bit (1 byte), các byte lại được nhóm lại thành word (từ). 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). 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 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 ngoài (External Memory) 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 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 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 không. Bộ nhớ ngoài † Chức năng và đặc điểm: „ Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính „ Được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào-ra „ Dung lượng lớn „ Tốc độ chậm † Các loại bộ nhớ ngoài: „ Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm „ Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD „ Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card Mô hình máy tính Bên trong một máy tính Mainboard Mainboard Support Slot 1 CPU CPU CPU – Intel 8086 / 4.77 MHz CPU – Intel 80386DX (16-32Mhz) CPU 32 Bit đầu tiên, không dùng tản nhiệt CPU – Những năm 1989 CPU Những năm 1993 - 1997 CPU Những năm 1998 - 2000  CPU Những năm 1998 - 2001  CPU Những năm 2000 - 2001  CPU Những năm 2001 - 2004  CPU Năm 2004 – Hiện nay CÁC LOẠI RAM Hầu hết các loại Ram đều cần phải cung cấp nguồn điện liên tục. CÁC LOẠI RAM CÁC LOẠI RAM DDRam RDRam SDRam EDORam Slot cắm RAM CÁC LOẠI RAM 800 . . . Mhz . . 66 DDR & DDRII Slot Case BỘ NGUỒN Nguồn không phải là sản phẩm kỹ thuật cao nhưng là thành phần khá quan trọng trong máy tính. Sự hoạt động ổn định của máy tính phụ thuộc nhiều vào hoạt động của thiết bị này. Bộ nguồn biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều DC: ± 12 Volt, ± 5 Volt để nuôi các mạch điện trong máy. BỘ NGUỒN Có hai loại nguồn thường dùng là AT và ATX, công suất từ 230W đến 600W Trong bộ nguồn có tích hợp quạt làm mát cho bộ nguồn. Khi quạt nguồn hư, với các nguồn có công suất lớn rất dễ bị cháy nguồn. BỘ NGUỒN Đối với nguồn AT, công tắc nguồn nằm rời bên ngoài (gồm 4 dây điện) Nguồn ATX, điện nguồn được đưa trực tiếp vào Mainboard. Để kích hoạt máy tính hoạt động ta chỉ cần trập 2 chân Power trên Mainboad. Nguồn ATX khắc phục được tình trạng tắt máy đột ngột do bất cẩn. Bộ nguồn ATX cho Pentium IV có thêm 1 cổng cung cấp điện ngoài cỏng chính. BỘ NGUỒN ATX CABLE CABLE