Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương: Nhập môn

Kiến trúc máy tính

Nhập môn

NGUYỄN Ngọc Hoá

Bộ môn Hệ thống thông tin, Khoa CNTT

Trường Đại học Công nghệ,

Đại học Quốc gia Hà Nội

7 September 2015

Hoa.Nguyen@vnu.edu.vn

Nhập môn

 Khái niệm chung

 Kiến trúc và tổ chức

 Cấu trúc và chức năng

 Kiến trúc Von Neuman

 Phân loại kiến trúc

 Lịch sử phát triển

 Hiệu năng và luật Moore

 Một số kiến trúc máy tính hiện đại

 Kiến trúc x86 và x86-64

 Kiến trúc UltraSparc

 Tổng kết và bài tập

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

2

Khái niệm chung

 Kiến trúc máy tính

 Kiến trúc : hướng đến mục tiêu xây dựng sản phẩm từ những thành

phần đã có theo một phương thức nào đó

 Ví dụ: kiến trúc chip, kiến trúc mạng Internet, kiến trúc hệ thống email, …

 Wikipedia:

- “computer architecture is the practical art of selecting and interconnecting

hardware components to create computers that meet functional,

performance and cost goals and the formal modelling of those systems”.

- “The coordination of abstract levels of a processor under changing forces,

involving design, measurement and evaluation. It also includes the overall

fundamental working principle of the internal logical structure of a computer

system”…

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

3

Architecture & Organization

Mathematics

Algorithms

 Architecture: thiết kế logic của máy

tính, đặc tả bởi những thuộc tính mà

người lập trình có thể sử dụng được

Applications

 Tập lệnh, cơ chế vào/ra, số bits dùng để

biểu diễn dữ liệu…

Operating Systems

Architecture

Organization

 VD: Có lệnh Nhân hay không?

 Organization: thiết kế vật lý của máy

tính, đặc tả bởi những cách thức cài

đặt các chức năng, thao tác

Digital Logic

VLSI Design

 Tín hiệu điều khiển, giao diện, công nghệ

nhớ.

Semiconductor Manf.

Physics

 VD: Bộ nhân đã được cài đặt trực tiếp hay

thông qua một dãy các phép cộng?

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

4

Kiến trúc và tổ chức …

 Họ Intel x86 chia sẻ cùng một kiến

trúc cơ bản

 Họ Ultrasparc cũng chia sẻ cùng

một kiến trúc cơ bản

 Tuy nhiên, tổ chức của chúng lại

khác nhau giữa các phiên bản

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

5

Vai trò của kiến trúc máy tính

 Computer Architecture cho phép:

 Khai thác những thế mạnh công nghệ

 Sản xuất các thiết bị nhanh hơn, bé hơn, rẻ hơn, xạch hơn (tiêu thụ ít

năng lượng)….

 Cải thiện được hiệu năng của hệ thống (latency, throughput).

 Mang đến những ứng dụng mới, khả năng mới

 Sự phát triển của kiến trúc máy tính được xem là mấu chốt

cho sự phát triển của những lĩnh vực tính toán khác!

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

6

Structure & Function

 Cấu trúc: cách để các thành phần liên kết với nhau

 Chức năng: hoạt động của các thành phần cá nhân trong

một phần của cấu trúc

 Chức năng của mọi máy tính:

 Data processing - Xử lý dữ liệu

 Data Storage - Lưu giữ dữ liệu

 Data Movement - Chuyển dữ liệu

 Control - Điều khiển

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

7

Mối liên hệ giữa các chức năng

Hệ điều hành

(nguồn/đích dữ liệu)

Bộ

chuyển

dữ liệu

Bộ kiểm

soát

Bộ lưu

Bộ xử lý

trữ

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

8

Trao đổi dữ liệu

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

9

Lưu trữ

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

10

Xử lý thông tin

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

11

Xử lý và kết xuất thông tin

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

12

Cấu trúc máy tính – top view

Computer

Peripherals

Central

Processing

Unit

Main

Memory

Computer

Systems

Interconnection

Input

Output

Communication

lines

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

13

Cấu trúc CPU

CPU

Arithmetic

and

Logic Unit

Computer

Registers

I/O

System CPU

Bus

Internal CPU

Interconnection

Memory

Control

Unit

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

14

Cấu trúc Control Unit

Control Unit

CPU

Sequencing

Logic

ALU

Control

Unit

Internal

Bus

Control Unit

Registers and

Decoders

Registers

Control

Memory

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

15

Mô hình máy Von Neuman

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

16

Phân loại kiến trúc máy tính

 Scalar Processor

<> Vector Processor

 Register machine (Turing) <> Stack machine

 Quantum computer

<> Chemical computer

Reaction-diffusion computer

Belousov–Zhabotinsky computer

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

17

Phân loại kiến trúc máy tính…

 Harvard architecture <> von Neumann architecture

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

18

Phân loại kiến trúc máy tính…

 Non-Uniform Memory Access (NUMA) computers

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

19

Phân loại kiến trúc máy tính…

 Cellular architecture

Computer Architecture –DDeeppaarrttmmeennttooffIInnffoorrmmaattioionnSSyysstteemmss@@HNoGáUNYGỄUNYNEgNọc Hoá

20

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương: Nhập môn - Nguyễn Ngọc Hóa