Kiến thức cơ bản về kiến trúc một máy tính

Khoa KTMT 1 KI N TRÚC MÁY TÍNHẾ (Computer architecture)  Khoa K thu t máy tínhỹ ậ  GV: Ths. Bùi Thanh Hi uế  Email: hieubt@uit.edu.vn  Th i gian:ờ - Lý Thuy t: 45 ti t (3 ĐVHT)ế ế Khoa KTMT 2 M c đích môn h cụ ọ Nh m trang b cho sinh viên các ki n th cằ ị ế ứ c b n nh t v ki n trúc m t máy tính.ơ ả ấ ề ế ộ  L ch sị ử  Ch c năng và nguyên lý ho t đ ng c a các b ph nứ ạ ộ ủ ộ ậ  Cách bi u di n d li u, tính toán trong máy tínhể ễ ữ ệ  Cách ch t o, thi t k các m ch Logic s c b nế ạ ế ế ạ ố ơ ả  Các ki n trúc b l nh trong các lo i máy tính CISC và RICSế ộ ệ ạ  Các nguyên lý ho t đ ng c a b x lýạ ộ ủ ộ ử Khoa KTMT 3 Ch ng 1 : Gi i thi uươ ớ ệ Ch ng 2 : Các b ph n c b n c a máy tính ươ ộ ậ ơ ả ủ Ch ng 3 : Bi u di n d li u ươ ể ễ ữ ệ Ch ng 4 : M ch Logic s ươ ạ ố Ch ng 5 : M ch tu n tươ ạ ầ ự Ch ng 6 : Ki n trúc b l nhươ ế ộ ệ Ch ng 7 : T Ch c b x lý ươ ổ ứ ộ ử N i dung môn h cộ ọ Khoa KTMT 4 Tài li u h c t p & tham kh oệ ọ ậ ả 1. Nguy n Minh Tu n. Ki n trúc máy tính (Giáo trình l c gi n). Tr ng ễ ấ ế ượ ả ườ ĐH Khoa h c t nhiên, ĐHQG TP.HCM, V3.7ọ ự 2. C u trúc máy tính c b n, t ng h p và biên d ch VN-Guide, nhà xu t ấ ơ ả ổ ợ ị ấ b n th ng kê, 2005.ả ố 3. Võ Văn Chín, Nguy n H ng Vân, Ph m H u Tài. Giáo trình ki n trúc ễ ồ ạ ữ ế máy tính. ĐH C n Th , 2005.ầ ơ 4. M. Abd-El-Barr, H. El-Rewini, Fundamentals of Computer Organization and Architecture, Wiley, 2005 5. Patterson, D. A., and J. L. Hennessy. Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 3rd ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufman, 2004 Khoa KTMT 5 Ch ng I : Gi i thi uươ ớ ệ - L ch s phát tri n c a máy tính qua các th h máy ị ử ể ủ ế ệ tính: - - - - Khuynh h ng hi n t i cho phát tri n ngành máy tínhướ ệ ạ ể - Phân lo i máy tínhạ - Các dòng CPU Intel Mục đích ­ nắm bắt cơ bản về: Khoa KTMT 6 Ki n trúc máy tínhế  Ki n trúc máy tính đ c p đ n nh ng thu c tính h th ng mà l p trình ế ề ậ ế ữ ộ ệ ố ậ viên có th quan sát đ c. Đó là các thu c tính có nh h ng tr c ti p ể ượ ộ ả ưở ự ế đ n vi c th c thi m t ch ng trình, ví d nh t p ch th c a máy ế ệ ự ộ ươ ụ ư ậ ỉ ị ủ tính, s bit đ c s d ng đ bi u di n d li u, c ch nh p/xu t, k ố ượ ử ụ ể ể ễ ữ ệ ơ ế ậ ấ ỹ thu t đ nh đ a ch b nh , v.v... ậ ị ị ỉ ộ ớ Khoa KTMT 7 T ch c máy tínhổ ứ  T ch c máy tính quan tâm đ n các đ n v v n hành và s k t n i gi a ổ ứ ế ơ ị ậ ự ế ố ữ chúng nh m hi n th c hóa nh ng đ c t v ki n trúc, ch ng h n nh ằ ệ ự ữ ặ ả ề ế ẳ ạ ư v tín hi u đi u khi n, giao di n gi a máy tính v i các thi t b ngo i vi, ề ệ ề ể ệ ữ ớ ế ị ạ k thu t b nh đ c s d ng ỹ ậ ộ ớ ượ ử ụ Khoa KTMT 8 H c Ki n trúc máy tính đ làm gì?ọ ế ể Khoa KTMT 9 Máy tính là gì? Là máy x lý d li u, th c thi t đ ng d i s đi u khi n ử ữ ệ ự ự ộ ướ ự ề ể c a m t danh sách các câu l nh l u trong b nhủ ộ ệ ư ộ ớ Khoa KTMT 10 Th ph n b vi x lýị ầ ộ ử Khoa KTMT 11 Năm 1642 Pascal phát minh ra máy tính đ u ầ tiên v i 2 phép tínhớ + và - 1.1.L ch s phát tri n máy tínhị ử ể 1.1.1.Thế hệ zero –máy tính cơ  học (1642­1945) Khoa KTMT 12 Năm 1672 Gotfrid vilgelm Leibnits ch t o ra máy ế ạ tính v i 4 phép tính c ớ ơ b n (+ - * /)ả 1.1.1.Thế hệ zero –máy tính cơ học (1642­1945) • 1834 Babbage (Anh) – máy tính có 4 b ph n: b nh , b tính ộ ậ ộ ớ ộ toán, thi t b nh p, thi t b xu tế ị ậ ế ị ấ • 1936 К. Zuse (Đ c) máy trên c ứ ơ s r le (relay)ở ơ • 1944 G. Iken (M ) – Mark Iỹ - n ng 5 t n,ặ ấ - cao 2.4 m, - dài 15 m, - ch a 800 km dây đi nứ ệ Khoa KTMT 13 1.1.1.Thế hệ zero –máy tính cơ học (1642­1945) Khoa KTMT 14 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945­1955) 1. 1943 máy tính COLOSSUS (Anh) Bóng đèn chân không - 2000 đèn chân không - Gi bí m t su t 30 nămữ ậ ố Khoa KTMT 15 COLOSSUS 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945­1955) Khoa KTMT 16 2. D án ch t o máy ự ế ạ ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer) đ c BRL (Ballistics Research Laboratory – ượ Phòng nghiên c u đ n đ o quân đ i M ) b t đ u vào năm ứ ạ ạ ộ ỹ ắ ầ 1943 dùng cho vi c tính toán chính xác và nhanh chóng các ệ b ng s li u đ n đ o cho t ng lo i vũ khí m i. ả ố ệ ạ ạ ừ ạ ớ Các thông s :ố -18000 bóng đèn chân không - n ng h n 30 t n ặ ơ ấ - Tiêu th m t l ng đi n năng vào kho ng 140kW và chi m m t di n ụ ộ ượ ệ ả ế ộ ệ tích x p x 1393 m2 .ấ ỉ - 5000 phép c ng/ 1s ộ - Đ c bi t s d ng h đ m th p phânặ ệ ử ụ ệ ế ậ 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945­1955) Khoa KTMT 17 - 20 "b tích lũy", ộ - M i b có kh năng l u gi m t s th p phân có 10 ch s . ỗ ộ ả ư ữ ộ ố ậ ữ ố -M i ch s đ c th hi n b ng m t vòng g m 10 đèn chân ỗ ữ ố ượ ể ệ ằ ộ ồ không. B nh c a ENIACộ ớ ủ Đi m khác bi t gi a ENIAC & các máy tính khác: ể ệ ữ ENIAC s d ng h đ m th p phân ch không ph i ử ụ ệ ế ậ ứ ả nh phân nh t t c các máy tính khácị ư ở ấ ả • Máy ENIAC b t đ u ho t đ ng vào tháng 11/1945ắ ầ ạ ộ 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945­1955) Khoa KTMT 18 1.1.2.Th h I – bóng đèn đi n (1945-1955)ế ệ ệ Khoa KTMT 19 3. Nhà toán h c John ọ von Neumann(Hungary), m t ộ c v n c a d án ENIAC, đ a ra 1945, trong m t ố ấ ủ ự ư ộ b n đ xu t v m t lo i máy tính m i có tên g i ả ề ấ ề ộ ạ ớ ọ EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) - 2500 đèn đi n tệ ử - Ch ng trình l u trong b nh (không c n ph i ươ ư ộ ớ ầ ả n i dây l i nh máy ENIAC).ố ạ ư 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945­1955) Khoa KTMT 20 John von Neumann 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945­1955) Khoa KTMT 21 1952 ra đ i ờ IAS (Institute for Advanced Studies) t i h c vi n nghiên ạ ọ ệ c u cao c p Princeton, M . ứ ấ ỹ C u trúc c a máy IAS ấ ủ 1952 máy tính Von Neumann ra đ i – ờ c s cho ki n trúc ơ ở ế máy tính hi n đ i (bit 1,0).ệ ạ 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945­1955) Bộ Logic-số học ALU Bộ điều khiển CU Bộ nhớ chính Thiết bị nhập xuất Khoa KTMT 22 K thu t stored-programỹ ậ Ch ng trình đ c đ a vào b nh chính đã đ c đ a ch ươ ượ ư ộ ớ ượ ị ỉ hóa và máy tính dùng b đ m ch ng trình đ thi hành ộ ế ươ ể tu n t các l nh.ầ ự ệ B nhộ ớ - 1000 v trí l u tr , g i là ị ư ữ ọ word, - 1 word = 40 bit. - M i s đ c bi u di n b ng 1 bit d u và m t giá tr 39 bit. ỗ ố ượ ể ễ ằ ấ ộ ị -M t word có th ch a 2 ch th 20 bit, v i m i ch th g m ộ ể ứ ỉ ị ớ ỗ ỉ ị ồ m t mã thao tác 8 bit (op code) đ c t thao tác s đ c ộ ặ ả ẽ ượ th c hi n và m t đ a ch 12 bit đ nh h ng đ n m t word ự ệ ộ ị ỉ ị ướ ế ộ trong b nh (đ a ch này đi t 0 đ n 999).ộ ớ ị ỉ ừ ế Đ c tính c a IASặ ủ Khoa KTMT 23Các d ng th c b nh c a máy IASạ ứ ộ ớ ủ Khoa KTMT 24 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955­1965) S thay đ i đ u tiên trong lĩnh v c máy tính đi n t xu t hi n khi có s ự ổ ầ ự ệ ử ấ ệ ự thay th đèn chân không b ng ế ằ đèn bán d nẫ . Đèn bán d n nh h n, r ẫ ỏ ơ ẻ h n, t a nhi t ít h n trong khi v n có th đ c s d ng theo cùng cách ơ ỏ ệ ơ ẫ ể ượ ử ụ th c c a đèn chân không đ t o nên máy tính ứ ủ ể ạ Năm 1947 - Bardeen, Brattain và Shockley c a ủ phòng thí nghi m ệ Bell Labs đã phát minh ra transistor và đã đ c gi i Nobel v t lý ượ ả ậ năm 1956. Khoa KTMT 25 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955­1965) Khoa KTMT 26 Trong th h này n i ti ng nh t là 2 máy:ế ệ ổ ế ấ PDP-1 c a DECủ là máy tính nh g n nh t th i b y gi . DEC ỏ ọ ấ ờ ấ ờ (Digital Equipment Corporation) đ c thành l p vào năm 1957 ượ ậ và cũng trong năm đó cho ra đ i s n ph m đ u tiên c a mình là ờ ả ẩ ầ ủ PDP-1. - 4 K word (1 word= 18 bit) - chu kỳ 5 ms - giá 120000$ và IBM 7094. - 32 K word (1 word = 16 bit) - chu kỳ 2 ms - giá 1 tri u USDệ 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955­1965) Khoa KTMT 27 máy IBM 7094 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955­1965) Khoa KTMT 28 An IBM 7094 console 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955­1965) Khoa KTMT 29 M t c u trúc máy IBM 7094ộ ấ 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955­1965) Khoa KTMT 30 1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965­1980) 1958 Jack Kilby và Robert Noyce đã cho ra đ i m t công ờ ộ ngh m i, công ngh m ch tích h p (ệ ớ ệ ạ ợ Integrated circuit – IC) Khoa KTMT 31 Máy IBM System 360 đ c IBM đ a ra vào năm 1964 là h ượ ư ọ máy tính công nghi p đ u tiên đ c s n xu t m t cách có ệ ầ ượ ả ấ ộ k ho ch. ế ạ Đ c bi t khái ni m h máy tính bao g m các máy tính ặ ệ ệ ọ ồ t ng thích nhau là m t khái ni m m i và h t s c thành ươ ộ ệ ớ ế ứ công. Nh đó mà m t ch ng trình đ c vi t cho máy này ờ ộ ươ ượ ế cũng s dùng đ c trên nh ng máy khác cùng h v i nó. ẽ ượ ữ ọ ớ Khái ni m này đã đ c dùng cho đ n ngày nay.ệ ượ ế 1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965­1980) Khoa KTMT 32 PDP-8 đã s d ng m t c u trúc r t ph d ng hi n nay cho các ử ụ ộ ấ ấ ổ ụ ệ máy mini và vi tính: c u trúc đ ng truy n. Đ ng truy n ấ ườ ề ườ ề PDP-8, đ c g i là Omnibus, g m 96 đ ng tín hi u riêng ượ ọ ồ ườ ệ bi t, đ c s d ng đ mang chuy n tín hi u đi u khi n, đ a ệ ượ ử ụ ể ể ệ ề ể ị ch và d li u. ỉ ữ ệ Máy DEC PDP-8 1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965­1980) C u trúc PDP-8ấ Khoa KTMT 33 1975 máy tính cá nhân đ u tiên (Portable computer) IBM 5100 ra ầ đ i, tuy nhiên máy tính này đã không g t hái đ c thành công nào.ờ ặ ượ - Băng từ - N ng 23 Kgặ - 10000$ - Kh năng l p trình trên ả ậ Basic -Màn hình 16 dòng, 64 ký tự - B nh <=64Kbyteộ ớ -1979 ch ng trình Sendmail ra đ i b i 1 sinh viên ĐHTH ươ ờ ở California, Berkely university cho ra đ i BSD UNIX (Berkely ờ Software Distribution) 1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965­1980) Khoa KTMT 34 1.1.5. Thế hệ IV – máy tính cá nhân (1980­?) S xu t hi n c a công ngh ự ấ ệ ủ ệ VLSI (very large scale integrated) cho phép trên m t b n m ch ộ ả ạ có th s p s p hàng tri u transistor. T đây b t ể ắ ế ệ ừ ắ đ u k nguyên c a máy tính cá nhânầ ỷ ủ Khoa KTMT 35 1981 ra đ i máy IBM PC trên c s CPU Intel 8088 ờ ơ ở và dùng h đi u hành MS-DOS c a Microsoft.ệ ề ủ - 1983 PC/XT (Extended Technology) v i HDD 10 ớ MB ho c 20 MB v i giá ặ ớ ch có 1995$ ỉ 1.1.5. Thế hệ IV – máy tính cá nhân (1980­?) Khoa KTMT 36 -1950 t i tr ng c khí chính xác và quang h c (CNTT bây gi ): ạ ườ ơ ọ ờ máy tính toán đi n c l n đ u tiên ra đ i v i m c đích gi i ệ ỡ ớ ầ ờ ớ ụ ả quy t các bài toán khoa h c và k thu t ph c t p. ế ọ ỹ ậ ứ ạ - 1953 t i đ i h c toán, vi n hàn lâm – máy Strelaạ ạ ọ ệ - 1954 PC – Ural 1-16 Minsk, Kiev… -Nói chung trong th i kỳ đ u tuy có ra sau ờ ầ m t th i gian, nh ng h u h t đ u có máyộ ờ ư ầ ế ề tính t ng đ ng v i xu h ng c a th gi i.ươ ươ ớ ướ ủ ế ớ Kh i các n c XHCNố ướ EC-1840 Khoa KTMT 37 Kh i các n c XHCNố ướ  EC-1840,41- t ng đ ng v i 8086ươ ươ ớ  EC-1842,1843-t ng đ ng 80286ươ ươ  T 1849 tr đi các máy tính dùng CPU c a Intel.ừ ở ủ PC Năm b t đ u SXắ ầ Năm k t thúc SXế S l ngố ượ ЕС-1840 1986 1989 7461 ЕС-1841 1987 1995 83937 ЕС-1842 1988 1996 10193 ЕС-1843 1990 1993 3012 ЕС-1849 1990 1997 4966 ЕС-1851 1991 1997 3142 ЕС-1863 1991 1997 3069 ВМ2001 1994 - 1074 Khoa KTMT 38 - Tăng t n s xung đ ng hầ ố ồ ồ - X lý song songử - Đa lõi CPU - Máy tính thông minh, trí tu nhân t o: ệ ạ LISP và PROLOG - ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility) 1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai Khoa KTMT 39 Các b s lý đa lõiộ ử - 1999 – CPU 2 lõi kép đ u tiên ra đ i (IBM Power4 cho máy ầ ờ ch )ủ - 2001 – b t đ u bán ra th tr ng Power4ắ ầ ị ườ - 2002 – AMD và Intel cùng thông báo v vi c thành l p CPU ề ệ ậ đa lõi c a mình.ủ - 2004 – CPU lõi kép c a Sun ra đ i UltraSPARS IVủ ờ - 2005 – Power5 - 03/2005 – CPU Intel lõi kép x86 ra đ i, AMD – Opteron, ờ Athlon 64X2 - 20-25/05/2005 – AMD b t đ u bán Opteron 2xx, 26/05 Intel ắ ầ Pentium D, 31/05 AMD – bán Athlon 64X2 1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai Khoa KTMT 40 Presler 65nm 1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai Khoa KTMT 41 Yonah Dual Core Khoa KTMT 42 CPU Power5 Khoa KTMT 43 M t trong nh ng siêu máy tính hàng đ u c a th gi iộ ữ ầ ủ ế ớ (8192 CPU, 7,3 Tfops) 26/06/2007: supercomputer Blue Gene/L v i 128 dãy, 130 ngàn ớ CPU, 360 Tfops, 267 tri u USD. (ệ MDGRAPE-3: 1PFlops) 1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai Khoa KTMT 44 -a) Các siêu máy tính (Super Computer): - b) Các máy tính l n (Mainframe)ớ - c) Máy tính mini (Minicomputer) - d) Máy vi tính (Microcomputer) 1.3. Phân loại máy tính Khoa KTMT 45 -1970 b CPU 4004 (4 bit) c a Intel ộ ủ trên 1 chip đ u tiên ra đ iầ ờ - 1972 CPU Intel 8008 (8 bit) - 1974 CPU 8080, 1978 CPU 8086 (16 bit) - 1979 CPU 8088 (8 bit) - 1981 máy tính IBM PC đ u tiên ra đ i trên c s CPU Intel 8088 ầ ờ ơ ở và h đi u hành MS DOSệ ề - 1982 CPU 80286 (16 bit) -1985 CPU 80386 (32 bit), 89-486, 93-Pentium… 1.4. Các dòng Intel Khoa KTMT 46 1.4. Các dòng CPU Intel Khoa KTMT 47 1.4. Các dòng CPU Intel (tt) Corei7 • 45nm • 4 nhân • Turbo Boost • Intel® Quickpath • Cache L3 8MB • Intel® Desktop Board DX58SO Extreme Series • chipset Intel® X58 Express • Gia 330$ Pentium D, Core 2 Duo, Intel® Core™2 Quad processor , Intel® Core™2 Extreme processor Intel® Core™ i7 processor Intel® Core™ i7 processor Extreme Edition Khoa KTMT 48 Câu h i và bài t pỏ ậ  N m b t các khái ni m c b nắ ắ ệ ơ ả  L ch s phát tri n c a máy tínhị ử ề ủ  Các xu h ngướ  Phân lo i máy tínhạ