Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 3: Chức năng và kết nối máy tính

1

+

Chương 3

Chức năng và kết nối máy tính

2

+

NỘI DUNG

1. Các thành phần máy tính

2. Chức năng máy tính

Chu kỳ Truy xuất và Thực thi

Gián đoạn

Chức năng I/O

3. Cấu trúc kết nối

4. Kết nối bus

Cấu trúc Bus

Đa Bus

Các yếu tố thiết kế bus

5. Kết nối điểm-điểm QPI

6. PCI Express

3

1. Các thành phần máy tính

 Máy tính hiện đại ngày nay được phát triển dựa trên thiết kế của

John von Neumann tại Viện nghiên cứu cao cấp Princeton

 Được gọi là kiến trúc Von Neumann và dựa trên ba khái niệm

chính:

 Dữ liệu và lệnh được lưu trữ trên một bộ nhớ đọc-ghi

 Nội dung của bộ nhớ được đánh địa chỉ theo vị trí mà không

quan tâm đến kiểu dữ liệu.

 Thi hành lệnh một cách tuần tự (trừ khi được thay đổi rõ ràng)

 Chương trình nối cứng (Hardwired program)

 Kết quả của quá trình kết nối các thành phần khác nhau theo

một cấu hình mong muốn

Khái niệm

chương

trình

• Hệ thống mạch

nối cứng không

linh hoạt

• Phần cứng đa

năng có thể

thực hiện nhiều

tác vụ khác

nhau, tạo ra

các tín hiệu

điều khiển

5

+

Phần mềm

 Phần mềm (Software)

 Một chuỗi các mã hoặc câu lệnh

 Một bộ phận phần cứng làm chức năng phiên dịch từng

lệnh và tạo ra tín hiệu điều khiển

 Đưa ra chuỗi mã mới cho mỗi chương trình khác nhau

thay vì đi lại dây nối phần cứng

6

Các thành phần chính

 Bộ xử lý

 Trình biên dịch lệnh

 Module logic và số học đa năng

 Các thành phần xuất nhập I/O

 Module nhập: Bao gồm các thành phần cơ bản cho việc

nhận vào dữ liệu và lệnh; chuyển đổi chúng thành dạng

tín hiệu sử dụng bên trong hệ thống

 Module xuất: Công cụ để hiện thị kết quả

 Bộ nhớ để lưu trữ mã và kết quả tạm thời

7

Bộ nhớ

Thanh ghi địa chỉ

bộ nhớ (MAR)

• Chỉ rõ địa chỉ của lệnh đọc hay ghi

tiếp theo trong bộ nhớ

• Chứa dữ liệu sắp được ghi vào bộ

nhớ hoặc nhận dữ liệu được đọc ra từ

bộ nhớ

Thanh ghi dữ liệu

bộ nhớ (MBR)

Thanh ghi địa chỉ

• Định rõ thiết bị I/O cụ thể

vào ra (I/OAR)

Thanh ghi đệm vào

• Sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các

module I/O và CPU

ra (I/OBR)

8

CPU

Main Memory

0

1

2

System

Bus

PC

IR

MAR

Instruction

MBR

I/O AR

I/O BR

Data

Execution

unit

Cấu tạo

máy tính:

Nhìn từ

trên

I/O Module

n – 2

n – 1

PC

IR

= Program counter

= Instruction register

xuống

Buffers

MAR = Memory address register

MBR = Memory buffer register

I/O AR = Input/output address register

I/O BR = Input/output buffer register

2. Chức năng máy tính

+

Chức năng cơ bản của máy tính là

thực thi một chương trình!

9

10

Chu kỳ lệnh cơ bản

. Thực thi một chương trình là lặp lại quá trình thực

hiện từng chu kì lệnh.

. 2 bước:

 Truy xuất

 Thi hành

Fetch Cycle

Execute Cycle

Fetch Next

Instruction

Execute

Instruction

HALT

START

11

Chu kỳ truy xuất

 Vào đầu mỗi chu kỳ lệnh, bộ xử lý truy xuất một lệnh từ

bộ nhớ

 Thanh ghi bộ đếm chương trình (PC) chứa địa chỉ của

lệnh được truy xuất tiếp theo

 Bộ xử lý sau mỗi lần truy xuất 1 lệnh sẽ tăng bộ đếm lên

do đó nó sẽ truy xuất được lệnh tiếp theo vào lần sau.

 Lệnh vừa được truy xuất được tải vào thanh ghi lệnh

 Bộ xử lý biên dịch lệnh và thi hành những hành động cần

thiết

12

Chu kỳ thi hành

Phân loại các hành động:

. Bộ xử lý – bộ nhớ

. Dữ liệu truyền từ bộ xử lý đến bộ nhớ hoặc ngược lại

. Bộ xử lý – I/O

. Dữ liệu truyền đến/đi từ thiết bị ngoại vi bằng cách

truyền thông tin giữa bộ xử lý và module I/O

. Xử lý dữ liệu

. Bộ xử lý có thể thực hiện một số phép toán số học hoặc

logic trên dữ liệu

. Điều khiển

. Đưa ra lệnh chỉ rõ thứ tự thực hiện các lệnh bị thay đổi

13

Đặc tính của

Máy giả thiết

+

Ví dụ

thi hành

chương

trình

15

Sơ đồ trạng thái chu kỳ lệnh

16

Phân loại các gián đoạn

. Gián đoạn chương trình: Gây ra bởi lỗi thi hành lệnh, ví dụ

như tràn số học, lỗi chia cho 0, cố tình thực hiện các lệnh máy

không hợp lệ, hoặc tham chiếu ngoài phạm vi bộ nhớ mà người sử

dụng được phép

. Gián đoạn định thời: Gây ra bởi đồng hồ nằm trong bộ xử

lý. Nó cho phép hệ điều hành thực hiện các chức năng cơ bản

nhất định.

. Gián đoạn I/O: Gây ra bởi bộ điều khiển I/O, để báo hiệu

hoàn thành một thao tác, yêu cầu dịch vụ từ bộ xử lý, hoặc báo

hiệu các trường hợp lỗi

. Gián đoạn lỗi phần cứng: Gây ra bởi một số lỗi như lỗi

nguồn hay lỗi bộ nhớ

17

Điều khiển dòng chương trình

User

Program

I/O

Program

User

Program

I/O

Program

User

Program

I/O

Program

4

1

I/O

Command

I/O

Command

I/O

Command

WRITE

5

2a

END

2

Interrupt

Handler

Interrupt

Handler

2b

5

WRITE

END

3a

3

3b

WRITE

(a) No interrupts

(b) Interrupts; short I/O wait

(c) Interrupts; long I/O wait

= interrupt occurs during course of execution of user program

18

Chu kỳ gián đoạn

. Thêm vào chu kỳ lệnh

. bộ vi xử lý kiểm tra để ngắt

. Được chỉ thị bằng tín hiệu gián đoạn

. Nếu không có gián đoạn, truy xuất lệnh tiếp theo

. Nếu gián đoạn đang chờ xử lý:

. Tạm ngưng thực hiện chương trình hiện tại

. Lưu ngữ cảnh

. Đặt PC về địa chỉ bắt đầu của trình xử lý gián đoạn

. Ngắt quá trình

. Khôi phục ngữ cảnh và tiếp tục chương trình gián đoạn

19

Truyền điều khiển qua các gián đoạn

Bộ xử lý và hệ điều hành có

trách nhiệm dừng chương trình

người dùng và sau đó nối lại tại

cùng một điểm

20

Chu kỳ lệnh có gián đoạn

Fetch Cycle

Execute Cycle

Interrupt Cycle

Interrupts

Disabled

Check for

Interrupt;

Process Interrupt

Fetch Next

Instruction

Execute

Instruction

START

Interrupts

Enabled

HALT

Bộ xử lý được sử dụng hiệu quả hơn khi có hỗ trợ gián đoạn

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 3: Chức năng và kết nối máy tính - Nguyễn Hằng Phương