›
›

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

Download
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  
„
khanhnk@mail.hut.edu.vn  
khanhnk@it-hut.edu.vn  
„
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  
8 September 2009  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Mục tiêu học phần  
Tài liệu tham khảo chính  
1. William Stallings - Computer Organization and  
Architecture – Designing for Performance – 2003 (6th  
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  
8 September 2009  
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN  
1
Bài giảng Hệ thống máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Tài liệu tham khảo ...  
Tài liệu tham khảo ...  
8 September 2009  
8 September 2009  
NKK-HUT  
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  
8 September 2009  
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN  
2
Bài giảng Hệ thống máy tính  
NKK-HUT  
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  
8 September 2009  
NKK-HUT  
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  
8 September 2009  
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN  
3
Bài giảng Hệ thống máy tính  
NKK-HUT  
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  
8 September 2009  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Sự phát triển của Intel x86  
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  
8 September 2009  
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN  
4
Bài giảng Hệ thống máy tính  
NKK-HUT  
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  
8 September 2009  
NKK-HUT  
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  
8 September 2009  
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN  
5
Bài giảng Hệ thống máy tính  
NKK-HUT  
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  
8 September 2009  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Kiến trúc vào-ra  
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  
8 September 2009  
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN  
6
Bài giảng Hệ thống máy tính  
NKK-HUT  
NKK-HUT  
Kiến trúc máy tính và hệ điều hành  
1.3. Hiệu năng máy tính (performance)  
1
user  
Hiệu năng  
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  
8 September 2009  
NKK-HUT  
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  
8 September 2009  
Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN  
7
Bài giảng Hệ thống máy tính  
NKK-HUT  
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.  
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
f
f
106 ・MIPS  
MIPS＝  
CPI =  
106 ・CPI  
8 September 2009  
8 September 2009  
NKK-HUT  
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  
4x108 lệnh 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  
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
pdf 9 trang yennguyen 13/04/2022 3780
Download
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Hệ thống máy tính - Chương 1: Giới thiệu chung - Nguyễn Kim Khánh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_he_thong_may_tinh_chuong_1_gioi_thieu_chung_nguyen.pdf