Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 1: Giới thiệu chung

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Contact

Offices: 322-C1 - DCE, SoICT

Mobile: 091-358-5533

e-mail:

HỆ THỐNG MÁY TÍNH

Computer System

[email protected].vn

[email protected]n

Nguyễn Kim Khánh, PhD. in Computer Engineering

Bộ môn Kỹ thuật máy tính

Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

8 September 2009

NKK-HUT

Mục tiêu học phần

Tài liệu tham khảo chính

1. William Stallings - Computer Organization and

Architecture – Designing for Performance – 2003 (6^th

edition)

Giới thiệu các kiến thức cơ bản về hệ thống

máy tính bao gồm: kiến trúc bộ nhớ, kiến trúc

vào-ra, kiến trúc CPU và các kiến trúc máy

tính song song, cũng như các vấn đề cơ bản

trong thiết kế một hệ thống máy tính.

2. Behrooz Parhami - Computer Architecture: From

Microprocessors to Supercomputers - 2005

3. David A. Patterson & John L. Hennessy -

Computer Organization and Design: The

Hardware/Software Interface – 2002 (third edition)

Sinh viên có khả năng đánh giá được hiệu

năng của các họ máy tính, khai thác và sử

dụng hiệu quả các loại máy tính và có khả

năng tiếp cận để phát triển các hệ máy tính

nhúng phục vụ các mục đích chuyên dụng.

4. John L. Hennessy & David A. Patterson -

Computer Architecture: A Quantitative Approach –

2003 (third edition)

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

1

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Tài liệu tham khảo ...

8 September 2009

NKK-HUT

Hệ thống máy tính

Nội dung học phần

Chương 1. Giới thiệu chung

Chương 2. Kiến trúc bộ nhớ

Chương 3. Kiến trúc vào-ra

Chương 4. Kiến trúc bộ xử lý

Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG

Nguyễn Kim Khánh

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

2

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Nội dung

1.1. Sự phát triển của của máy tính

1. Các thế hệ máy tính

Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử

1.1. Sự phát triển của máy tính

chân không (1950s)

1.2. Định nghĩa kiến trúc máy tính

1.3. Hiệu năng máy tính

Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor

(1960s)

Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI,

MSI và LSI (1970s)

Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI

(1980s)

Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch

ULSI, SoC (1990s đến nay)

8 September 2009

NKK-HUT

Luật Moore

Các sản phẩm chính của công nghệ VLSI/ULSI

Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế

tạo trên một chip.

Gordon Moore – người đồng sáng lập Intel

Số transistors trên chip sẽ gấp đôi sau 18 tháng

Giá thành của chip hầu như không thay đổi

Mật độ cao hơn, do vậy đường dẫn ngắn hơn

Kích thước nhỏ hơn dẫn tới độ phức tạp tăng lên

Điện năng tiêu thụ ít hơn

Vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset): một

hoặc một vài vi mạch thực hiện được nhiều

chức năng điều khiển và nối ghép.

Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory):

ROM, RAM

Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy

tính chuyên dụng được chế tạo trên 1 chip.

Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó

tăng độ tin cậy

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

3

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Tăng trưởng số transistor trong chip CPU

2. Sự phát triển của bộ vi xử lý

1971: bộ vi xử lý 4-bit Intel 4004

1972-1977: các bộ xử lý 8-bit

1978-1984: các bộ xử lý 16-bit

Khoảng từ 1985: các bộ xử lý 32-bit

Khoảng từ 2000: các bộ xử lý 64-bit

Các bộ xử lý đa lõi (multicores)

Các bộ vi điều khiển (microcontroller)

8 September 2009

NKK-HUT

Sự phát triển của Intel x86

80386

4004

32-bit

Hỗ trợ đa nhiệm

Bộ vi xử lý đầu tiên

4-bit

80486

8080

Tăng cường bộ nhớ cache trên chip

Đường ống lệnh

Có bộ đồng xử lý toán trên chip

Bộ vi xử lý đa năng đầu tiên

8-bit

Sử dụng trong PC đầu tiên – Altair

Pentium

Siêu vô hướng

Bus dữ liệu 64-bit

Đa lệnh được thực hiện song song

8086

5MHz – 29,000 transistors

16-bit

8088 (bus dữ liệu bên ngoài 8-bit) sử dụng trong IBM PC

đầu tiên

Pentium Pro

Tăng cường tổ chức siêu vô hướng

Dự đoán rẽ nhánh

Phân tích luồng dữ liệu

Suy đoán đông

80286

Đánh địa chỉ bộ nhớ được16 Mbyte

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

4

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Sự phát triển của Intel x86

1.2. Định nghĩa kiến trúc máy tính

Pentium II

Công nghệ MMX

Định nghĩa trước đây về kiến trúc máy

Xử lý đồ họa, video & audio

tính:

Pentium III

Cách nhìn logic của máy tính từ người lập

Thêm các lệnh xử lý dấu phẩy động cho đồ họa

3D

trình (hardware/software interface)

Pentium 4

Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture

– ISA)

Tăng cường xử lý số dấu phẩy động và

multimedia

Là định nghĩa hẹp

Duo Core: 2 bộ xử lý trên chip

Core 2: Kiến trúc 64-bit

Core 2 Quad – 3GHz – 820 triệu transistors

4 bộ xử lý trong 1chip

8 September 2009

NKK-HUT

Định nghĩa của Hennessy/ Patterson

Tổ chức cơ bản của máy tính

Kiến trúc máy tính bao gồm:

software

Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture):

nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập

trình (hardware/software interface).

Instruction Set Architecture

input

Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên

cứu thiết kế máy tính ở mức cao,chẳng hạn như hệ

thống nhớ, cấu trúc bus, thiết kế bên trong CPU.

control

memory

arithmetic

CPU

output

Phần cứng (Hardware): nghiên cứu thiết kế logic chi

tiết và công nghệ đóng gói của máy tính.

Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức và

phần cứng máy tính thay đổi rất nhanh.

Processor

Architecture

Memory

Architecture

I/O Architecture

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

5

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Kiến trúc bộ xử lý

Kiến trúc bộ nhớ

instruction cycle

• instruction fetch

• instruction decode

• operand fetch

• instruction execution

• write result

• Phân cấp hệ thống nhớ

• Nguyên lý cục bộ hóa tham chiếu bộ nhớ

CPU

Controller

Program Counter（PC)

Instruction Reg（IR)

• update PC

Control Signal

Register

Status signal

Main Memory

Program

Data

ALU

Arithmetic Unit

8 September 2009

NKK-HUT

Kiến trúc vào-ra

Chênh lệch tốc độ giữa thiết bị vào-ra

với CPU và bộ nhớ

ThiÕt bÞ

ngo¹i vi

Cæng

vµo-ra

bus

hÖ

M«-®un

vµo-ra

thèng

Các kỹ thuật thực hiện:

Ngắt: rút ngắn thời gian đợi đáp ứng từ

thiết bị vào-ra

ThiÕt bÞ

ngo¹i vi

Cæng

vµo-ra

nèi ghÐp

víi CPU

vµ

DMA: Phần cứng dành riêng để truyền dữ

liệu giữa thiết bị vào-ra với bộ nhớ chính

bé nhí

chÝnh

ThiÕt bÞ

ngo¹i vi

Cæng

vµo-ra

M«-®un

vµo-ra

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

6

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Kiến trúc máy tính và hệ điều hành

1.3. Hiệu năng máy tính (performance)

1

user

Hiệu năng

＝

Thời gian thực hiện

multi programming support

1

application program

＝

OS

hardware resource management

Thời gian thực hiện của CPU

•OS mode / user mode

•process dispatch

•memory protection

Thời gian thực hiện của CPU =

= Số lệnh × (Số chu kỳ của một lệnh) × (Thời

gian của một chu kỳ)

hardware

processor memory I/O device

= Số lệnh × CPI / (Tần số xung nhịp)

8 September 2009

NKK-HUT

CPI (Cycles Per Instruction)

MIPS (Million Instruction Per Second)

CPI là số chu kỳ cần thiết để thực hiện lệnh

Số triệu lệnh được thực hiện trong 1 second

Số lệnh được thực hiện

Số lệnh được thực hiện × CPI

Thời gian thực hiện

＝

Tần số xung nhịp

MIPS ＝

Thời gian thực hiện×10⁶

Thời gian thực hiện × Tần số xung nhịp

Số lệnh được thực hiện

CPI

＝

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

7

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Quan hệ giữa MIPS và CPI

MFLOPS

million of floating point operations per second – triệu

phép toán số dấu phẩy động trên 1s

Với CPI = 4

Số phép toán số dấu phẩy động được thực hiện

exec time of 1 inst.

n inst. executed

MFLOPS ＝

program execution time（T)

Thời gian thực hiện×10⁶

１

n

T・10⁶

T＝n・CPI・

MIPS＝

GFLOPS（10⁹）

TFLOPS（10¹²）

f

10⁶・MIPS

MIPS＝

CPI =

10⁶・CPI

8 September 2009

NKK-HUT

Ví dụ 1

Tính MIPS của bộ xử lý với:

Ví dụ 2

Tính CPI của bộ xử lý với:

Tần số xung nhịp = 1GHz và 400 MIPS

Tần số xung nhịp = 2GHz và CPI = 4

0.5ns

2ns

1ns

4x10⁸lệnh thực hiện trong 1s

Æ 1 lệnh thực hiện trong 1/(4x10⁸)s = 2,5ns

Æ CPI = 2,5

1 chu kỳ = 1/(2x10^-9) = 0,5ns

CPI = 4 Æ 1 lệnh = 4x0,5ns = 2ns

Vậy bộ xử lý thực hiện được 500MIPS

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

8

Bài giảng Hệ thống máy tính

NKK-HUT

Hết chương 1

8 September 2009

Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN

9

Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 1: Giới thiệu chung - Nguyễn Kim Khánh