Giáo trình Kiến trúc máy tính - Chương 2: Lịch sử phát triển của máy tính

+ 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  Phòng thí nghiệm đạn đạo quân 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 không kịp hoàn thành phục vụ chiến tranh. Được tháo rời vào năm 1955  Nhiệm vụ đầu tiên của nó là thực hiện một loạt các tính toán 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 công tắc điện tử Tiêu thụ 140 kWh Có khả năng thực hiện 5000 phép tính trên 1s Tính toán 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  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 toán học John von Neumann  Chương trình được lưu vào trong bộ nhớ cùng với dữ liệu  ALU điều khiển để tính toán 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  Hoàn thiện vào năm 1952 bởi viện nghiên cứu cao cấp Princeton  Là nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay. b. EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) Cấu trúc của Máy von Neumann Main Memory (M) Central Processing Unit (CPU) Arithmetic- Logic Unit (CA) Program Control Unit (CC) Figure 2.1 Structure of the IAS Computer I/O Equip- ment (I, O) + Format bộ nhớ của máy IAS  lưu trữ cả dữ liệu và lệnh  Chữ số được biểu diễn dưới dạng số nhị phân. Mỗi lệnh là một mã nhị phân  Bộ nhớ của IAS gồm 1000 cell nhớ (gọi là 1 từ) x 40 bit.  2x20 bit tập lệnh (a) Number wordsign bit 0 39 (b) Instruction word Figure 2.2 IAS Memory Formats opcode address left instruction 0 8 20 28 39 1 right instruction opcode address + Cấu trúc của máy tính IAS AC IBR PC IR Control circuits Addresses Control signals Instructions and data MAR MBR MQ Arithmetic-logic circuits Arithmetic-logic unit (ALU) Program control unit Figure 2.3 Expanded Structure of IAS Computer Input- output equipment Main memory M + Các loại thanh ghi • 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 Thanh ghi đệm dữ liệu (MDR) • Chứa địa chỉ bộ nhớ của từ chuẩn bị được đọc hoặc ghi vào MDR. Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (MAR) • Chứa mã lệnh của lệnh sắp được thực thi. Thanh ghi tập lệnh (IR) • Được sử dụng để tạm thời lưu trữ lệnh nằm bên tay phải của 1 từ trong bộ nhớ. Thanh ghi đệm chứa tập lệnh (IBR) • Chứa địa chỉ của cặp lệnh tiếp theo cần lấy từ bộ nhớ Bộ đếm chương trình (PC) • Được sử dụng để tạm thời giữ các toán hạng và kết quả của các phép tính trong ALU. Bộ cộng tích luỹ (AC) và bộ nhân chia (MQ) + Tập lệnh trong IAS + Máy tính thương mại  1947 – Thành lập Công ty máy tính Eckert-Mauchly để sản xuất máy tính thương mại  UNIVAC I  Là máy tính thương mại thành công 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 toán vào năm 1950  UNIVAC II – hoàn thành vào cuối những năm 1950  Có dung lượng bộ nhớ lớn hơn, nhanh hơn, hiệu suất cao hơn  Tương thích ngược c. UNIVAC - Universal Automatic Computer + d. IBM  Từng là hãng sản xuất thiết bị đục lỗ thẻ.  1953 - Máy tính điện tử chương trình lưu trữ đầu tiên - 701  Dùng cho tính toán khoa học  1955 - Dòng sản phẩm 702  Tính năng phần cứng làm nó phù hợp với các ứng dụng kinh doanh  Dòng máy tính thế hệ 700/7000 đã giúp IBM là nhà sản xuất máy tính hàng đầu + 1. Lịch sử phát triển máy tính  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  Mãi đến cuối những năm 1950, máy tính bán dẫn hoàn toàn mới chính thức đưa vào thị trường thương mại 1.2 Thế hệ thứ hai: Transistor + Máy tính thế hệ thứ hai  Đặc điểm:  Bộ điều khiển và bộ số học logic phức tạp hơn  Sử dụng các ngôn 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 toán thông thường  1957 - Sự xuất hiện của Tập đoàn 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 – dòng máy thống trị ở thế hệ máy tính thứ ba. IBM 700/7000 Series Example Members of the IBM 700/7000 Series CPU Memory Figure 2.5 An IBM 7094 Configuration Data channel Mag tape units Card punch Line printer Card reader Drum Disk Disk Hyper- tapes Teleprocessing equipment Data channel Data channel Data channel Multi- plexor Cấu hình IBM 7094 1.3 Thế hệ thứ ba: Mạch tích hợp Lịch sử phát triển máy tính  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 + Vi điện tử Boolean logic function Input Activate signal (a) Gate Figure 2.6 Fundamental Computer Elements Output Binary storage cell Input Read Write (b) Memory cell Output + Mạch tích hợp  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.  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.  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 + Mối quan hệ giữa Tấm khuôn, Chip, và Cổng Wafer Chip Gate Figure 2.7 Relationship Among Wafer, Chip, and Gate Packaged chip Computer Generations Các thế hệ máy tính + Sự phát triển của Chip Figure 2.8  Growth in Transistor Count on Integrated Circuits (DRAM memory) 1 1947 Fi rs t  w or ki ng tr an si st or M oo re ’s  la w pr om ul ga te d In ve nt io n  of in te gr at ed  c ir cu it 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 2000 05 11 10 100 1,000 10.000 100,000 10 m 100 m 1 bn 10 bn 100 bn 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 Tốc độ sau đó chậm lại còn gấp đôi sau mỗi 18 tháng vào những năm 1970 và duy trì cho đến ngày nay Hệ quả của quy luật Moore: 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 môi trường Giảm yêu 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 – máy tính mini đầu tiên  Không cần phòng máy lạnh  Nhỏ đủ để đặt trên 1 chiếc ghế phòng thí nghiệm  $ 16.000  $ 100k+ cho IBM 360  Ứng dụng nhúng và OEM  CẤU TRÚC BUS Sự phát triển của PDP-8 + Cấu trúc bus DEC - PDP-8 Figure 2.9 PDP-8 Bus Structure Console controller CPU Omnibus Main memory I/O module I/O module + 4. Máy tính thế hệ tiếp theo LSI Large Scale Integration VLSI Very Large Scale Integration ULSI Ultra Large Scale Integration Bộ nhớ bán dẫn Bộ vi xử lý + Bộ nhớ bán dẫn Kể từ năm 1970 bộ nhớ bán dẫn đã trả qua 13 thế hệ phát triển Mỗi thế hệ sau lại tăng mật độ bộ nhớ lên gấp 4 lần so với thế hệ trước cùng với giảm giá thành và thời gian truy câp. 1974, giá 1 bit của bộ nhớ bán dẫn thấp hơn giá của bộ nhớ lõi Giá bộ nhớ tiếp tục giảm mạnh khi mật độ bộ nhớ vật lý tăng nhanh Sự phát triển công nghệ bộ nhớ và xử lý làm thay đổi bản chất của máy tính gần 1 thập kỉ 1970, Fairchild ra mắt bộ nhớ bán dẫn dung lượng tương đối lớn đầu tiên Kích thước chip bằng đơn lõi Có thể chứa 256 bits nhớ Không xoá được Tốc độ nhanh hơn lõi + Vi xử lý  Mật độ các thành phần trên chip xử lý tiếp tục tăng  Ngày càng nhiều thành phần đặt trên chip dẫn đến càng ít chip cần thiết để xây dựng một bộ xử lý máy tính  1971 Intel phát triển dòng 4004  Chip đầu tiên chứa được tất cả thành phần của CPU trên 1 chip đơn  Sự ra đời của bộ vi xử lý 4 bit  1972 Intel phát triển dòng 8008  Vi xử lý 8 bit đầu tiên  1974 Intel phát triển dòng 8080  Vi xử lý đa năng đầu tiên  Nhanh hơn, tập lệnh phong phú hơn, khả năng định địa chỉ rộng hơn Quá trình phát triển của vi xử lý Intel a. 1970s Processors b. 1980s Processors c. 1990s Processors d. Recent Processors Quá trình phát triển của vi xử lý Intel + 2. CÁC ĐẶC TÍNH THIẾT KẾ MÁY TÍNH + 2.1 Tốc độ vi xử lý • Bộ xử lý thi hành cùng một lúc nhiều lệnh Kỹ thuật ống dẫn (Pipelining) • Bộ xử lý tra mã lệnh tìm được từ bộ nhớ và dự đoán nhánh nào hoặc nhóm lệnh nào được xử lý tiếp theo. Dự đoán nhánh • Bộ xử lý phân tích lệnh nào phụ thuộc vào kết quả của lệnh khác, hoặc dữ liệu, để đưa ra lịch trình xử lý lệnh tối ưu nhất Phân tích dòng dữ liệu • Sử dụng dự đoán nhánh và phân tích dòng dữ liệu, một số bộ xử lý thi hành lệnh trước khi nó xuất hiện, giữ kết quả trong một vùng tạm thời, giữ cho bộ máy luôn hoạt động bận rộn. Thi hành lệnh theo suy đoán Kĩ thuật xây dựng bộ vi xử lý hiện đại bao gồm: + 2.2 Cân bằng Hiệu suất  Điều chỉnh kiến trúc và tổ chức để bù đắp cho sự chênh lệch giữa khả năng khác nhau của các thành phần.  Ví dụ về kiến trúc bao gồm:  Tăng số lượng bit được lấy ra tại 1 thời điểm bằng cách làm cho DRAMs “rộng hơn” thay vì “sâu hơn” và bằng cách sử dụng đường bus dữ liệu rộng.  Thay đổi giao diện DRAM để nó hiệu quả hơn bằng cách thêm vào 1 bộ nhớ cache hoặc 1 cơ chế đệm khác trên chip DRAM  Giảm tần suất truy cập bộ nhớ bằng cách kết hợp các cấu trúc bộ nhớ cache phức tạp và hiệu quả hơn giữa bộ xử lý và bộ nhớ chính  Tăng băng thông kết nối giữa bộ xử lý và bộ nhớ bằng cách sử dụng các bus tốc độ cao và phân cấp bus để đệm và cơ cấu dòng dữ liệu Tốc độ dữ liệu của các thiết bị I/O điển hình Keyboard 101 102 103 104 105 Data Rate (bps) 106 107 108 109 Mouse Modem Ethernet Hard disk Graphics display Gigabit Ethernet Floppy disk Laser printer Scanner Optical disk Figure 2.10 Typical I/O Device Data Rates + 2.3 Cải tiến kiến trúc và tổ chức Chip  Tăng tốc độ phần cứng của bộ vi xử lý  Cơ bản là do thu hẹp kích thước cổng logic  Nhiều cổng hơn, đóng gói chặt chẽ hơn, tăng tốc độ đồng hồ  Thời gian truyền tín hiệu giảm  Tăng kích thước và tốc độ cache  Dành một phần của chip vi xử lý  Thời gian truy cập cache giảm đáng kể  Thay đổi cấu trúc và tổ chức bộ vi xử lý  Tốc độ thực hiện lệnh tăng mạnh  Xử lý song song + Tốc độ đồng hồ và mật độ Logic  Tiêu thụ điện năng  Tăng khi mật độ cổng logic và tốc độ đồng hồ tăng  Toả nhiệt  Trễ RC (Resistance – điện trở & Capacitance – điện dung)  Tốc độ dòng electrons chạy trên chip giới hạn bởi điện dung và điện trở (RC) của đường dây kim loại kết nối chúng  Trễ tăng khi tích RC tăng  Dây kết nối mảnh hơn, điện trở tăng  Dây đặt gần nhau hơn, điện dung tăng  Trễ bộ nhớ  Tốc độ bộ nhớ thường chậm hơn tốc độ bộ xử lý  Giải pháp  Chú trọng hơn vào phương pháp tổ chức và kiến trúc + Xu hướng phát triển bộ xử lý Figure 2.11   Processor Trends   0.1  1  10  1970  1975  1980  1985  1990  1995  2000  2005  2010  Transistors (Thousands)  Frequency (MHz)  Power (W)  Cores  102 103 104 105 106 107 3. Chip đa lõi  Việc sử dụng nhiều bộ xử lý trên một chip cung cấp tiềm năng tăng hiệu suất cho máy mà không làm tăng tốc độ đồng hồ  Tăng gấp đôi số lượng bộ vi xử lý, tăng gấp đôi hiệu suất  Chiến lược: sử dụng hai bộ xử lý đơn giản trên 1 chip thay vì một bộ xử lý phức tạp  Với 2 bộ xử lý thì sẽ có bộ nhớ cache lớn hơn  Bộ nhớ cache lớn hơn sẽ cần phải chia làm hai hoặc ba cấp cache trên một chip + Đa lõi tích hợp (MIC) Đơn vị xử lý đồ hoạ (GPU)  Sự nhảy vọt về hiệu suất đặt ra thách thức trong phát triển phần mềm để khai thác hết tính năng của xử lý đa lõi.  Chiến lược MIC và đa lõi yêu cầu các bộ xử lý đa năng phải gộp đồng nhất trên một chip đơn  Lõi được thiết kế để thi hành song song các thao tác trên dữ liệu đồ hoạ  GPU thường nằm trên card đồ hoạ rời, nó được sử dụng để mã hoá và giải mã đồ hoạ 2D và 3D cũng như xử lý video  Được sử dụng như bộ xử lý vector cho những ứng dụng yêu cầu tính toán lặp Đa lõi tích hợp (MIC) Đơn vị xử lý đồ hoạ (GPU)  Là kết quả sau nhiều thập kỉ nghiên cứu máy tính tập lệnh phức tạp (Complex instruction set computers - CISCs)  Kết hợp các nguyên tắc thiết kế phức tạp chỉ có ở các siêu máy tính hoặc hệ thống lớn  Một cách thiết kê bộ xử lý khác là máy tính tập lệnh rút gọn (Reduced instruction set computer - RISC)  Kiến trúc ARM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống nhúng và là một trong những hệ thống RISC mạnh nhất, thiết kết tối ưu nhất trên thị trường  Trên thị trường, Intel là nhà sản xuất số một về các vi xử lý cho các hệ thống không phải hệ nhúng. 4. Kiến trúc x86 Khái quát + Sự phát triển của x86  8080  Vi xử lý đa năng đầu tiên  máy 8-bit với đường dữ liệu tới bộ nhớ 8-bit  Được dùng trên máy tính cá nhân đầu tiên (Altair)  8086  Máy 16-bit  Sử dụng cache cho lệnh, hoặc hàng đợi  Hiện diện đầu tiên của kiến trúc x86  8088  Sử dụng cho máy tính cá nhân IBM đầu tiên  80286  16 Mb bộ nhớ thay vì chỉ 1Mb  80386  Máy 32 bit đầu tiên của Intel  Bộ xử lý Intel đầu tiên hỗ trợ thao tác đa nhiệm  80486  Kĩ thuật cache và ống dẫn lệnh (pipeline) phức tạp hơn  Tích hợp sẵn bộ xử lý toán học Sự phát triển của x86 - Pentium Pentium • Super- scalar • Thực hiện nhiều lệnh song song Pentium Pro • Tăng tính super- scalar • Đổi tên thanh ghi tích cực • Dự đoán nhánh • Phân tích dòng dữ liệu • Thi hành lệnh theo suy đoán Pentium II • Kĩ thuật MMX • Thiết kế đặc biết để xử lý video, audio và dữ liệu đồ hoạ Pentium III • Thêm vào các lệnh dấu phẩy động để hỗ trỡ các phần mềm đồ hoạ 3D Pentium 4 • Thêm các lệnh dấu phẩy động và những cải tiến khác cho đa phương tiện Sự phát triển của x86 (2)  Core  Vi xử lý Intel x86 đầu tiên có dual core – tức là thực hiện hai bộ xử lý trên một chip đơn.  Core 2  Mở rộng kiến trúc lên 64 bit  Gần đây có thể có tới 10 bộ xử lý trên 1 chip x86 thống lĩnh thị trường vi xử lý (trừ hệ thống nhúng) Kiến trúc tập lệnh tương thích với các phiên bản trước Tổ chức và kỹ thuật thay đổi nhanh Khoảng 1 lệnh thêm mới mỗi tháng 500 lệnh có sẵn + Khái niệm: “Sự kết hợp của phần cứng và phần mềm máy tính, có thể cùng với các thành phần khác, được thiết kế để thi hành một chức năng cụ thể. Trong nhiều trường hợp, hệ thống nhúng là một phần của một hệ thống/sản phẩm lớn hơn, ví dụ như một hệ thống chống bó cứng phanh trong ôtô.” 5. Hệ thống Nhúng Ví dụ về các hệ thống nhúng Market Embedded Device Automotive Ignition system Engine control Brake system Consumer electronics Digital and analog televisions Set-top boxes (DVDs, VCRs, Cable boxes) Personal digital assistants (PDAs) Kitchen appliances (refrigerators, toasters, microwave ovens) Automobiles Toys/games Telephones/cell phones/pagers Cameras Global positioning systems Industrial control Robotics and controls systems for manufacturing Sensors Medical Infusion pumps Dialysis machines Prosthetic devices Cardiac monitors Office automation Fax machine Photocopier Printers Monitors Scanners + Hệ thống nhúng Hệ thống từ nhỏ đến lớn, kéo theo nhiểu ràng buộc về giá thành và nhiều yêu cầu để tối ưu hoá và tái sử dụng khác nhau Độ bền ngắn hoặc dài Không quá nghiêm ngặt với các yêu cầu và sự kết hợp các yêu cầu chất lượng khác nhau như độ an toàn, tin cậy, thời gian thực và độ linh hoạt. Điều kiện môi trường khác nhau về bức xạ, độ rung và độ ẩm. Đặc tính ứng dụng khác nhau dẫn đến tải tĩnh hay động, tốc độ nhanh hay chậm, tác vụ về tính toán hay giao diện, tổ hợp and hay or Các mô hình tính toán khác nhau từ hệ thống sự kiện rời rạc đến hệ thống kết hợp hybrid Yêu cầu và ràng buộc + Tổ chức của hệ thống nhúng Auxiliary Systems (power, cooling) MemoryFPGA/ ASIC Human interface Diagnostic port D/A Conversion A/D conversion Electromechanical backup and safety Sensors Actuators Processor Software External environment Figure 2.12 Possible Organization of an Embedded System + Acorn RISC Machine (ARM)  Họ vi xử lý và vi điều khiển RISC.  Thiết kế vi xử lý và kiến trúc đa lõi, cấp phép cho các nhà sản xuất.  Chip tốc độ cao, nhỏ gọn và tiết kiệm điện.  Chủ yếu dùng trong hệ thống nhúng  Được sử dụng rộng rãi trong PDA, các thiết bị cầm tay  iPod, iPhone  Kiến trúc bộ xử lý được sử dụng rộng rãi nhất  Acorn đã sản xuất ARM1 & ARM2 năm 1985 và ARM3 năm 1989  Acorn, VLSI và Apple Computer thành lập ARM Ltd. + Family Notable Features Cache Typical MIPS @ MHz ARM1 32-bit RISC None ARM2 Multiply and swap instructions; Integrated memory management unit, graphics and I/O processor None 7 MIPS @ 12 MHz ARM3 First use of processor cache 4 KB unified 12 MIPS @ 25 MHz ARM6 First to support 32-bit addresses; floating- point unit 4 KB unified 28 MIPS @ 33 MHz ARM7 Integrated SoC 8 KB unified 60 MIPS @ 60 MHz ARM8 5-stage pipeline; static branch prediction 8 KB unified 84 MIPS @ 72 MHz ARM9 16 KB/16 KB 300 MIPS @ 300 MHz ARM9E Enhanced DSP instructions 16 KB/16 KB 220 MIPS @ 200 MHz ARM10E 6-stage pipeline 32 KB/32 KB ARM11 9-stage pipeline Variable 740 MIPS @ 665 MHz Cortex 13-stage superscalar pipeline Variable 2000 MIPS @ 1 GHz XScale Applications processor; 7-stage pipeline 32 KB/32 KB L1 512 KB L2 1000 MIPS @ 1.25 GHz DSP = digital signal processor SoC = system on a chip Thông số ARM Các hạng mục thiết kế ARM Thiết kế bộ xử lý ARM cần phải đáp ứng ba hạng mục sau: Platforms ứng dụng  Thiết bị chạy trên hệ điều hành mở bao gồm Linux, Palm OS, Symbian OS, và Windows CE trong các ứng dụng không dây và ảnh số. Nhúng thời gian thực  Các hệ thống lưu trữ, bộ phận tự động và các ứng dụng mạng, công nghiệp... Bảo mật ứng dụng  Cards thông minh, SIM cards và các thiết bị thanh toán + 6. ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MÁY + 6.1 Đồng hồ hệ thống 6.2 Chuẩn so sánh (Benchmark) Ví dụ: xét 1 câu lệnh ngôn ngữ lập trình bậc cao như sau: A = B + C /* giả sử tất cả giá trị nằm trong bộ nhớ chính*/ Với kiến trúc tập lệnh truyền thống, theo kiến trúc CISC (Complex instruction set computer -CISC), lệnh này có thể được biên dịch thành 1 lệnh sau trong bộ xử lý add mem(B), mem(C), mem (A) Trên một máy RISC điển hình, phần biên dịch sẽ như sau: load mem(B), reg(1); load mem(C), reg(2); add reg(1), reg(2), reg(3); store reg(3), mem (A) + Đặc tính mong muốn của chuẩn so sánh Viết bằng ngôn ngữ bậc cao, có thể chạy trên các thiết bị khác nhau Đại diện cho một kiểu lập trình riêng, ví dụ lập trình hệ thống, lập trình số học hoặc lập trình thương mại Có thể so sánh dễ dàng Được sử dụng rộng rãi + System Performance Evaluation Corporation (SPEC)  Bộ tiêu chuẩn  Một tập hợp các chương trình, được định nghĩa trong một ngôn ngữ bậc cao  Kiểm thử một máy tính trong một ứng dụng cụ thể hoặc khu vực lập trình hệ thống  SPEC  Một tập đoàn công nghiệp  Xác định và duy trì các bộ tiêu chuẩn nổi tiếng  Các phép đo hiệu suất được sử dụng rộng rãi cho mục đích so sánh và nghiên cứu + SPEC CPU2006  Bộ tiêu chuẩn SPEC nổi tiếng nhất  Bộ tiêu chuẩn công nghiệp cho các ứng dụng chuyên dụng bộ xử lý  Thích hợp để đo hiệu suất cho các ứng dụng dành phần nhiều thời gian để tính toán hơn là I/O  Bao gồm 17 chương trình dấu phẩy động được viết bằng C, C ++, và Fortran; 12 chương trình số nguyên viết bằng C và C ++  Chứa hơn 3 triệu dòng mã  Thế hệ bộ vi xử lý thứ năm của SPEC + 6.3 Luật Amdahl  Gene Amdahl [AMDA67]  Giải quyết sự tăng tốc của chương trình sử dụng nhiều bộ xử lý so với sử dụng 1 bộ xử lý  Mô tả các vấn đề mà nền công nghiệp phải đối mặt khi phát triển bộ xử lý đa lõi  Phần mềm phải thích hợp với môi trường thi hành lệnh song song để tận dụng sức mạnh của xử lý song song.  Có thể khái quát hoá để đánh giá và thiết kế các nâng cấp về kĩ thuật trong hệ thống máy tính + 6.4 Luật Little  Có mối liên hệ cơ bản và đơn giản với nhiều ứng dụng  Có thể áp dụng tới hầu hết các hệ thống thoả mãn điều kiện ổn định và không có rò rỉ  Hệ thống hàng đợi  Nếu máy chủ (server) đang rỗi, mọi đối tượng được xử lý ngay lập tức, nếu không thì các đối tượng đươc chuyển đến hàng đợi  Có thể có một hàng đợi cho một server hoặc nhiều server, hay cũng có thể có nhiều hàng đợi với mỗi hàng đợi cung cấp cho nhiều server  Số đối tượng trung bình trong một hàng đợi bằng tốc độ đến trung bình nhân với thời gian mà một đối tượng ở trong hệ thống.  Mối quan hệ yêu cầu rất ít giả thiết  Với tính đơn giản và tổng quát, hàng đợi là cực kì hữu dụng + Tổng kết  Máy tính thế hệ thứ nhất  Ống chân không  Máy tính thế hệ thứ hai  Transistor  Máy tính thế hệ thứ ba  Mạch tích hợp  Thiết kế hiệu suất  Tốc độ vi xử lý  Cân bằng hiệu năng  Kiến trúc và tổ chức chip  Đa lõi  MICs  GPGPUs  Sự phát triển của Intel x86  Hệ thống nhúng  Sự phát triển của ARM  Đánh giá hiệu suất máy  Tốc độ đồng hồ và số lệnh trên giây  Tiêu chuẩn đánh giá  Luật Amdahl  Luật Little Chương 2 Lịch sử phát triển và hiệu suất máy tính + Câu hỏi chương 2 1. Máy tính chương trình lưu trữ là gì? 2. Bốn thành phần chính của máy tính đa năng? 3. Ba yếu tố chính khi thiết kế hiệu suất của hệ thống máy tính là gì? 4. Giải thích luật Moore.