Chương 1 Giới thiệu chung về máy tính

1Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY TÍNH Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 2 1.2. SỰ TIẾN HÓA CỦA MÁY TÍNH zThế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1943-1956) zThế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor (1957-1965) zThế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI (1966-1980) zThế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI, SLSI (1981-nay) Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 3 1.2.1. Máy tính dùng đèn điện tử chân không zENIAC - Máy tính điện tử đầu tiên {Electronic Numerical Intergator And Computer {Dự án của Bộ Quốc phòng Mỹ {Do John Mauchly và John Presper Eckert ở Đại học Pennsylvania thiết kế. {Bắt đầu từ năm 1943, hoàn thành năm 1946 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 4 ENIAC zNặng 30 tấn zKích thước 140 m2 z18000 đèn điện tử và 1500 rơle z5000 phép cộng/giây zXử lý theo số thập phân zBộ nhớ chỉ lưu trữ dữ liệu zLập trình bằng cách thiết lập vị trí của các chuyển mạch và các cáp nối. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 5 ENIAC zNặng 30 tấn zKích thước 140 m2 z18000 đèn điện tử và 1500 rơle z5000 phép cộng/giây zXử lý theo số thập phân zBộ nhớ chỉ lưu trữ dữ liệu zLập trình bằng cách thiết lập vị trí của các chuyển mạch và các cáp nối. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 6 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 7 Máy tính Von Neumann zCòn gọi là máy tính IAS: Princeton Institute for Advanced Studies zĐược bắt đầu từ 1947, hoàn thành 1952 zDo John von Neumann thiết kế zĐược xây dựng theo ý tưởng “chương trình được lưu trữ” (stored-program concept) của Von Neumann/Turing (1945) Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 8 Đặc điểm chính của máy tính IAS z 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. z Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu. z Bộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ không phụ thuộc vào nội dung của nó. z ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân. z Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã và thực hiện lệnh một cách tuần tự. z Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động của các thiết bị vào-ra. z Trở thành mô hình cơ bản của máy tính. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 9 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 10 Các máy tính thương mại ra đời z1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation zUNIVAC I (Universal Automatic Computer) z1950s - UNIVAC II zNhanh hơn zBộ nhớ lớn hơn Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 11 Hãng IBM z IBM – International Business Machine z1952 – IBM 701 {Máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên của IBM {Sử dụng cho tính toán khoa học z1955 – IBM 702 {Các ứng dụng thương mại Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 12 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 13 1.2.2. Máy tính dùng transistor zMáy tính PDP-1 của DEC (Digital Equipment Corporation) máy tính mini đầu tiên z IBM 7000 zHàng trăm nghìn phép cộng trong một giây zCác ngôn ngữ lập trình bậc cao ra đời. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 14 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 15 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 16 1.2.3. Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI z Vi mạch (Integrated Circuit – IC): nhiều transistor và các phần tử khác được tích hợp trên một chip bán dẫn. {SSI (Small Scale Integratinon) {MSI (Medium Scale Integration) {LSI (Large Scale Integration) {VLSI (Very Large Scale Integration) (dùng cho máy z tính hệ thứ tư) z Siêu máy tính xuất hiện: CRAY-1, VAX z Bộ vi xử lý (microprocessor) ra đời {Bộ xử lý đầu tiên: Intel 4004 (1971). Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 17 Luật Moore zGordon Moore - người đồng sáng lập Intel z Số transistors trên chip sẽ gấp đôi sau 18 tháng zGiá thành của chip hầu như không thay đổi zMật độ cao hơn, do vậy đường dẫn ngắn hơn z Kích thước nhỏ hơn dẫn tới độ phức tạp tăng lên z Điện năng tiêu thụ ít hơn z Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó tăng độ tin cậy Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 18 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 19 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 20 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 21 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 22 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 23 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 24 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 25 1.2.4. Máy tính dùng vi mạch VLSI Các sản phẩm chính của công nghệ VLSI: z Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên một chip. z Vi mạch điều khiển tổng hợp (chipset): một hoặc một vài vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép. z Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory): ROM, RAM z Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy tính chuyên dụng được chế tạo trên một chip. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 26 Các hệ thống máy tính hiện đại zMáy tính nhúng zMáy tính cá nhân (PC) zMáy trạm làm việc zMáy chủ (Servers) zMạng máy tính z Internet - Mạng máy tính toàn cầu Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 27 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 28 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 29 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 30 Siêu máy tính Roadrunner của IBM (2008) Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 31 Roadrunner z 6 tỷ người trên trái đất dùng máy tính nhỏ thực hiện các phép toán liên tục 24 giờ/ngày, 7 ngày/ tuần ròng rã 46 năm mới bằng Roadrunner làm việc trong 1 ngày. z 6.948 chip vi xử lý lõi kép AMD Opteron trên các phiến IBM LS21 Blades z 12.960 chip Cell trên các phiến IBM QS22 Blades. z Tổng dung lượng bộ nhớ 80-terabyte. z Diện tích: 1,800 mét vuông z 90km cáp quang. z 3,9 megawatt z Hơn 1 triệu tỉ phép tính/s Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 32 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 33 Các thành phần của Máy tính z Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): Điều khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu. z Bộ nhớ chính (Main Memory): Chứa các chương trình và dữ liệu đang được sử dụng. z Hệ thống vào ra (Input/Output System): Trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài. z Liên kết hệ thống (System Interconnection): Kết nối và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 34 Kiến trúc Von Neumann zBao gồm các thành phần: CPU, bộ nhớ chính và các thiết bị vào ra, liên kết hệ thống. zCác lệnh (chương trình) và dữ liệu nằm trong cùng một bộ nhớ đọc ghi. zBộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ không phụ thuộc vào nội dung của nó. zLệnh được thực hiện một cách tuần tự. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 35 1.3. Các thành phần cơ bản của máy tính zBộ xử lý trung tâm zHệ thống nhớ zHệ thống vào ra zBus liên kết hệ thống zPhần mềm Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 36 Mức cao nhất Computer Main Memory Input Output Systems Interconnection Peripherals Communication lines Central Processing Unit Computer Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 37 1.3.1. Bộ xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit) Computer Arithmetic and Login Unit Control Unit Internal CPU Interconnection Registers CPU I/O Memory System Bus CPU Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 38 Chức năng zĐiều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống máy tính. zXử lý dữ liệu. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 39 Nguyên tắc hoạt động cơ bản: zCPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính bằng cách nhận lần lượt từng lệnh từ bộ nhớ chính, sau đó tiến hành giải mã lệnh và phát các tín hiệu điều khiển thực thi lệnh. zTrong quá trình thực thi lệnh, CPU có thể trao đổi dữ liệu với bộ nhớ chính hay hệ thống vào – ra. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 40 Các thành phần cơ bản của CPU: Đơn vị điều khiển (CU) Đơn vị số học và logic(ALU) Bus bên trong Tập các thanh ghi (RF) Đơn vị nối ghép bus (BIU) Bus bên ngoài Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 41 Các thành phần cơ bản của CPU: z Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU): điều khiển hoạt động của máy tính theo chương trình đã định sẵn. z 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 kiệu cụ thể. z Tập thanh ghi (Register File – RF): lưu trữ thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU. z Bus bên trong (Internal Bus): kết nối các thành phần bên trong CPU với nhau. z Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit – BIU): kết nối và trao đổi thông tin với nhau giữa bus bên trong (Internal bus) với bus bên ngoàI (external bus). Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 42 Khái niệm bộ vi xử lý (Microprocessor) zLà CPU được chế tạo trên một vi mạch (chip). zVD: Các hệ vi xử lý của Intel: {4 bit : 4004 ( 1971) {8 bit : 8080 (1972 – 1977) {16 bit : 8086/ 8088 80286(1978 - …) {32 bit : 80386 P4 (1983 - …) {64 bit : Itanium (1992 - …) Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 43 Bộ vi xử lý zTốc độ của bộ vi xử lý: được đánh giá gián tiếp thông qua tần số của xung đồng hồ (clock) cần thiết cung cấp cho bên trong bộ xử lý làm việc. T0 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 44 Bộ vi xử lý z Một thao tác của CPU mất một số nguyên lần chu kỳ T0ÎT0 càng nhỏ thì CPU càng nhanh. zTần số xung đồng hồ: f0 = 1/T0 gọi là tần số làm việc của CPU. zVD: Máy tính dùng bộ xử lý Pentium IV 12GHz. Ta có: f0 = 2GHz = 2 * 109Hz ÎT0 = 1/f0 = 1(2*109) = 0.5 ns Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 45 1.3.2. Bộ nhớ máy tính (Memory System) zChức năng: lưu trữ chương trình và dữ liệu zCác thao tác cơ bản với bộ nhớ: {Thao tác đọc (Read) {Thao tác ghi (Write) zCác thành phần chính: {Bộ nhớ trong (Internal Memory) {Bộ nhớ ngoài (External Memory) Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 46 a. Bộ nhớ trong zChức 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 và RAM zCác loại bộ nhớ trong: {Bộ nhớ chính {Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm thanh) Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 47 Bộ nhớ chính (Main Memory) z Là thành phần nhớ tồn tại trên mọi hệ thống máy tính. z Chứa các chương trình và dữ liệu đang được CPU sử dụng. z Tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa chỉ. z Ngăn nhớ thường được tổ chức theo byte. z Nội dung của ngăn nhớ có thể thay đổi, song địa chỉ vật lý của ngăn nhớ luôn cố định. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 48 Bộ nhớ chính (Main Memory) z Nội dung Địa chỉ 00101011 0000 11010101 0001 01011000 0011 11111011 0100 00001000 0101 11101010 0110 00000000 0111 10011101 1000 00101010 1001 11101011 1010 00000010 1011 00001010 0010 00101011 1100 00101011 1101 11111111 1110 10101010 1111 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 49 Bộ nhớ chính (Main Memory) zThông thường bộ nhớ chính bao gồm 2 phần: {Bộ nhớ RAM {Bộ nhớ ROM Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 50 Bộ nhớ đệm nhanh (Cache Memory) z Là thành phần nhớ tố độ nhanh được đặt đệm gữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ truy cập bộ nhớ của CPU. z Tốc độ của cache nhanh hơn bộ nhớ chính nhưng dung lượng nhỏ hơn. z Cache thường được chia thành một số mức: cache L1, cache L2, … z Hiện nay cache được tích hợp trên các chíp vi xử lý. z Cache có thể có hoặc không. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 51 b. Bộ nhớ ngoài z + Chức năng và đặc điểm: {Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính, bao gồm : hệ điều hành. Các chương trình và dữ liệu. {Bộ nhớ ngoài đựơc kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào – ra. {Dung lượng lớn. {Tốc độ chậm. z Các loại bộ nhớ ngoài: {Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm {Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD {Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 52 3. Hệ thống vào - ra (Input/Output System) zChức năng: Trao đổi thông tin với thế giới bên ngoài. zCác thao tác cơ bản: {Vào dữ liệu(Input) {Ra dữ liệu(Output) zCác thành phần chính: {Các thiết bị ngoại vi {Các mô - đun nối ghép vào – ra Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 53 Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào – ra: Thiết bị ngoại vi Cổng vào ra Thiết bị ngoại vi Thiết bị ngoại vi Cổng vào ra Cổng vào ra Mô - đun vào - ra Nối ghép với CPU va bô nhớ chính Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 54 Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices): zChức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính. zCác loại thiết bị ngoại vi 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 … Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 55 Các mô - đun vào – ra (IO Modules) zChức năng: nối ghép thiết bị ngoại vi với máy tính zKhái niệm cổng vào – ra {Trong mỗi mô đun vào – ra có một hoặc vài cổng vào – ra (IO/Port). Mỗi cổng vào ra cũng được đánh một địa chỉ xác định {Thiết bị ngoại vi đựơc kết nối và trao đổi dữ liệu với bên trong máy tính thông qua các cổng vào - ra Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 56 Truyền dữ liệu giữa thiết bị và máy tính: zPhải có kết nối vật lý zTrên kết nối vật lý đó tồn tại quy tắc về trao đổi dữ liệu (phần mềm) gọi là giao thức. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 57 Mô hình máy tính giả định Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 58 1.4. Các hoạt động cơ bản của máy tính zThực hiện chương trình zNgắt zChuyển nhượng quyền điều khiển hệ thống Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 59 1.4.1. Thực hiện chương trình z Nguyên tắc hoạt động: {Chương trình đang thực hiện phải nằm trong bộ nhớ chính của máy tính. {Thực hiện chương trình là lặp đi lặp lại chu trình lệnh gồm 2 bước: zNhận lệnh zThực thi lệnh z Việc thực hiện chương trình chỉ bị dừng nếu như tắt máy tính, bị lỗi nghiêm trọng khi thực thi lệnh hoặc gặp lệnh dừng chương trình. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 60 1.4.1. Thực hiện chương trình Bắt đầu Nhận lệnh Thực thi lệnhh Dừng Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 61 Nhận lệnh: zBắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chính đưa vào bên trong CPU. zBên trong CPU có 2 thanh ghi liên quan trực tiếp đến quá trình nhận lệnh: {Thanh ghi bộ đếm chương trình (Program Count – PC): chứa địa chỉ của lệnh sẽ được nhận vào. {Thanh ghi lệnh (Instruction Register – IR): lệnh được nhận từ bộ nhớ chính sẽ được nạp vào IR. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 62 Nhận lệnh: zHoạt động nhận lệnh diễn ra như sau: {CPU phát địa chỉ của lệnh cần nhận từ PC đến bộ nhớ chính {CPU phát tín hiệu điều khiển đọc bộ nhớ chính(MEMR – Memory Read) {Lệnh từ bộ nhớ chính được chuyển vào IR {Nội dung của PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp nằm ngay sau lệnh vừa được nhận. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 63 Minh họa quá trình nhận lệnh CPU 302 Lệnh Lệnh Lệnh i Lệnh i+1 Lệnh Lệnh Lệnh CPU PC Lệnh Lệnh Lệnh i Lệnh i+1 Lệnh Lệnh Lệnh 302 PC IR IR 3020 3030 3010 3040 3020 3030 3010 3040 Lệnh i 3 3 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 64 Thực thi lệnh: z Lệnh nằm ở IR sẽ được chuyển sang đơn vị điều khiển (Control Unit). Đơn vị điều khiển sẽ tiến hành giải mã lệnh và phát các tín hiệu điều khiển thực thi thao tác mà lệnh yêu cầu. z Các kiểu thao tác của lệnh: {Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính {Trao đổi dữ liệu giữa CPU và mô - đun vào – ra. {Xử lý dữ liệu thực hiện các phép toán số họchoặc phép toán logic với các dữ liệu {Điều khiển rẽ nhánh {Kết hợp các thao tác trên Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 65 Định dạng lệnh Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 66 Ví dụ Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 67 Sơ đồ chu trình thực hiện lệnh Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 68 1.4.2. Hoạt động ngắt zKhái niệm chung về ngắt (Interrupt): Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện chương trình khác, gọi là chương trình con phục vụ ngắt. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 69 Các loại ngắt: z Ngắt do lỗi thực hiện chương trình, ví dụ : tràn số, chia cho 0 z Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ lỗi kiểm tra phần cứng RAM z Ngắt do tín hiệu yêu cầu từ mô - đun vào – ra gửi đến CPU, yêu cầu CPU ngắt để chuyển sang thực hiện chương trình con ngắt phục vụ vào – ra tương ứng. z Ngắt do bộ TIMER (bộ định thời) ngắt định kỳ CPU để phục vụ cho chế độ hoạt động đa chương trình Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 70 Chu trình xử lý ngắt: z Được thêm vào cuối chu trình lệnh z Sau khi hoàn thành một lệnh, CPU kiểm tra xem có yêu cầu ngắt gửi đến hay không. z Nếu không có tín hiệu yêu cầu ngắt thì CPU nhận lệnh kế tiếp. z Nếu có yêu cầu ngắt và ngắt đó được chấp nhận thì: {CPU cất ngữ cảnh hiện tại của chương trình đang thực hiện (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt) {CPU chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt tương ứng. {Kết thúc chương trình con đó, CPU khôi phục lại ngữ cảnh và trở về tiếp tục thực hiện chương trình đang tạm dừng Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 71 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 72 Chu trình thực hiện lệnh khi với ngắt Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 73 Các chương trình con phục vụ ngắt ISR (Interrupt Service Routine): zLà tập hợp các chương trình con đã có sẵn trong bộ nhớ chính của máy tính: zNằm ở bộ nhớ ROM BIOS zNằm ở bộ nhớ RAM( chương trình phục vụ ngắt của hệ điều hành hay của người lập trình hệ thống, được nạp từ bộ nhớ ngoài vào trong RAM). Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 74 Hoạt động với nhiều ngắt: zNgắt xảy ra tuần tự zNgắt xảy ra lồng nhau Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 75 Ngắt tuần tự Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 76 Ngắt lồng nhau Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 77 Trình tự thời gian khi có nhiều ngắt Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 78 1.4.3. Chuyển nhượng quyền điều khiển hệ thống z Nguyên tắc chung: {Trong hệ thống, ngoài CPU còn có một số thành phần khác có khả năng điều khiển hệ thống. {VD: z1 bộ xử lý khác z1 bộ điều khiển vào – ra zCPU có thể trao quyền điều khiển hệ thống cho một thành phần khác. Khi đó CPU thả nổi bus và tách khỏi hệ thống, còn bộ điều khiển được trao quyền sẽ có toàn quyền sử dụng bus hệ thống để điều khiển các thành phần khác. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 79 Các bộ điều khiển vào – ra có khả năng điều khiển hệ thống: {Bộ điều khiển DMA(Direct Memory Access Controller) {Bộ xử lý vào – ra (IO Processor) Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 80 1.5. Liên kết hệ thống z1.5.1. Luồng thông tin trong máy tính z1.5.2. Cấu trúc bus cơ bản z1.5.3. Phân cấp bus trong máy tính z1.5.4. Các vấn đề liên quan đến thiết kế bus Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 81 1.5.1. Luồng thông tin trong máy tính: zCác module trong máy tính: {CPU {Module nhớ {Module vào – ra z→ Cần được kết nối với nhau Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 82 Kết nối module nhớ: Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 83 Kết nối module vào – ra: Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 84 Kết nối CPU: Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 85 → Có 4 loại thông tin: zĐịa chỉ zDữ liệu zLệnh zThông tin điều khiển Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 86 1.5.2. Cấu trúc bus cơ bản: zKhái niệm chung về bus: {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 thông tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu). Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 87 Sơ đồ bus liên kết cơ bản: Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 88 Bus địa chỉ (Address bus) zChức năng: vận chuyển địa chỉ từ CPU đến mô - đun nhớ hay mô - đun vào – ra để xác định ngăn nhớ hay cổng vào – ra mà CPU cần trao đổi thông tin. zĐộ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng bộ nhớ cực đại của hệ thống. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 89 Bus địa chỉ (Address bus) zNếu độ rộng bus địa chỉ là N bit (gồm N đường dây A0, A1, A2, …AN-1 ) thì: z→ Có khả năng vận chuyển đựơc N bit địa chỉ đồng thời z→ Có khả năng đánh địa chỉ tối đa được 2N ngăn nhớ = 2N byte → gọi là không gian địa chỉ bộ nhớ. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 90 Ví dụ z Độ rộng bus địa chỉ của một số bộ xử lý của Intel z 8088/8086 : N = 20 bit → KGĐCBN = 220 byte = 1MB z 80286 : N = 24 bit → KGĐCBN = 224 byte = 16 MB z 80386, 80486, Pentium : N = 32 bit → KGĐCBN = 232 byte = 4 GB z Pentium II, III, 4 : N = 36 bit → KGĐCBN = 236 byte = 64 GB Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 91 Bus dữ liệu(Data bus) zChức năng : {Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU {Vận chuyển dữ liệu giữa CPU, các mô-đun nhớ và mô-đun vào - ra với nhau zĐộ rộng bus dữ liệu: Xác định số bít dữ liệu có thể được trao đổi đồng thời Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 92 Bus dữ liệu(Data bus) zNếu độ rộng bus dữ liệu là M bit (gồm M đường dây D0, D1, …DM-1) thi: nghĩa là đường bus dữ liệu đó có thể vận chuyển đồng thời được M bit dữ liệu. zM thường là 8, 16, 32, 64 bit. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 93 Ví dụ zĐộ rộng bus dữ liệu của một số bộ xử lý của Intel: {8088 : M = 8 bit {8086, 80286: M = 16 bit {80386, 80486: M = 32 bit {Các Pentium: M = 64 bit Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 94 Bus điều khiển(Control bus) zChức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển zCác loại tín hiệu điều khiển: {Các tín hiệu điều khiển phát ra từ CPU để điều khiển mô - đun nhớ hay mô - đun vào – ra. {Các tín hiệu yêu cầu từ mô đun nhớ hay mô đun vào – ra gửi đến CPU {Tín hiệu Clock Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 95 Một số tín hiệu điều khiển điển hình: z Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển đọc/ghi: {Memory Read (MEMR): điều khiển đọc dữ liệu từ một ngăn nhớ có địa chỉ xác định lện bus dữ liệu. {Memory Write (MEMW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus dữ liệu đến một ngăn nhớ có địa chỉ xác định. { I/O Read (IOR): điều khiển đọc dữ liệu từ một cổng vào – ra có địa chỉ xác định trên bus dữ liệu. { I/O Write (IOW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus dữ liệu ra một cổng có địa chỉ xác định. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 96 Một số tín hiệu điều khiển điển hình: z Các tín hiệu điều khiển ngắt: { Interrupt Request (INTR): Tín hiệu từ bộ điều khiển vào – ra gửi đến yêu cầu ngắt CPU để trao đổi vào – ra. Tín hiệu INTR có thể bị che. { Interrupt Acknowledge (INTA): Tín hiệu phát ra từ CPU báo cho bộ điều khiển vào - ra biết CPU chấp nhận ngắt. {Non Maskable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt không che được gửi đến ngắt CPU. {Reset: Tín hiệu từ bên ngoài gửi đến CPU và các thành phần khác để khởi động lại máy tính. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 97 Một số tín hiệu điều khiển điển hình: zCác tín hiệu điều khiển bus : {Bus Requet (BRQ): Tín hiệu từ bộ điều khiển vào – ra chuyên dụng gửi đến yêu cầu CPU chuyển nhượng quyền sử dụng bus. {Bus Grant (BGT): Tín hiệu phát ra từ CPU chấp nhận chuyển nhượng quyền sử dụng bus. {Lock: tín hiệu khóa không cho xin chuyển nhượng bus. {Unlock: tín hiệu mở khóa cho xin chuyển nhượng bus. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 98 1.5.3. Phân cấp bus trong máy tính: zCấu trúc đơn bus: zCấu trúc đa bus: Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 99 Cấu trúc đơn bus: Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 100 Đặc điểm của cấu trúc đơn bus: z Tất cả các chương trình cùng nối vào một đường bus chung. z Tại một thời điểm, bus chỉ phục vụ được yêu cầu trao đổi dữ liệu. z Bus phải có tốc độ bằng tốc độ của thành phần nhanh nhất trong hệ thống. z Bus phụ thuộc vào cấu trúc bus của bộ xử lý → các mô đun nhớ và mô đun vào – ra cũng phụ thuộc vào bộ xử lý cụ thể. z→ Cần phải thiết kế bus phân cấp hay cấu trúc đa bus Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 101 Cấu trúc đa bus cổ điển Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 102 Cấu trúc hiệu năng cao Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 103 Đặc điểm của cấu trúc đa bus: zPhân cấp thành nhiều bus khác nhau cho các thành phần: {Bus của bộ xử lý {Bus bộ nhớ {Bus vào – ra zPhân cấp bus khác nhau về tốc độ zCác bus nối ghép với mô đun nhớ và mô đun vào – ra không phụ thuộc vào bộ xử lý cụ thể. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 104 Các bus điển hình trong PC z Bus của bộ xử lý (Front Side Bus - FSB): có tốc độ nhanh nhất. z Bus của bộ nhớ chính (nối ghép với các mô đun RAM). z AGP bus (Accelerated Graphic Port) - Bus đồ họa tăng tốc: nối ghép card màn hình tăng tốc. z PCI bus (Peripheral Component Interconnection): nối ghép với các TBNV có tốc độ trao đổi dữ liệu nhanh. z USB (Universal Serial Bus): Bus nối tiếp đa năng z IDE (Integrated Driver Electronics): Bus kết nối với ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa CD, DVD. Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 105 Máy tính Pentium IV dùng Chipset 925 Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 106 1.5.4. Các vấn đề liên quan đến thiết kế bus: zCác kiểu bus: zPhân xử bus: zĐịnh thời bus (Timing) Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 107 Các kiểu bus: z Bus đường riêng (Dedicated): {Các đường địa chỉ và dữ liệu tách rời nhau {Ưu điểm: điều khiển đơn giản {Nhược điểm: Có nhiều đường kết nối z Bus dồn kênh(Multiplexed): {Các đường dùng chung cho địa chỉ và dữ liệu {Có đường điều khiển riêng biệt lhi có địa chỉ hay dữ liệu {Ưu điểm : ít đường dây {Nhược điểm: zĐiều khiển phức tạp hơn zHiệu năng hạn chế Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 108 Phân xử bus: z Nếu có nhiều module có khả năng điều khiển bus (VD : CPU và bộ điều khiển vào – ra ) thì cần phải có cơ chế phân xử bus z Tại một thời điểm chỉ cho phép một module điều khiển bus z Có 2 cơ chế phân xử bus: { Phân xử bus tập trung: z Có một bộ điều khiển bus (Bus Controller) hay còn gọi là bộ phân xử bus(Bus Arbiter) z Có thể là một phần của bộ xử lý hay là mạch tách rời { Phân xử phân tán: z Mỗi module có thể chiếm bus z Có đường điều khiển tới tất cả các module khác Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 109 Định thời bus (Timing): z Phối hợp các sự kiện trên bus z Bus đồng bộ : {Các sự kiện xảy ra trên bus được xác định bởi một tín hiệu xung clock. {Bus điều khiển bao gồm cả đường clock {Tất cả các module có thể đọc đường clock z Bus không đồng bộ: {Không có đường tín hiệu clock {Kết thúc 1 sự kiện này trên bus sẽ kích hoạt 1 sự kiện tiếp theo Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 110 Lược đồ thời gian đồng bộ Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 111 Lược đồ thời gian đọc không đồng bộ Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 112 Lược đồ thời gian ghi không đồng bộ Phan Trung Kiên – ĐH Tây Bắc 113 Bài tập zGiả sử với máy tính giả định, cho các mã lệnh như sau: {0011: Nạp vào AC từ I/O {0111: Lưu AC ra I/O z Hãy chỉ ra các câu lệnh thực hiện chương trình sau: {Nạp vào AC từ thiết bị 5 {Cộng AC với giá trị trong ô nhớ có địa chỉ 940 {Đưa giá trị AC ra thiết bị 6. {(Giả sử giá trị sẽ đọc vào từ thiết bị 5 là 3 và ô nhớ 940 có giá trị là 2)