Khoa Khoa KH & KT KH & KT M M ỏ ỏ y y t t ớ ớ nh nh Bo Bo ọ ọ moõn moõn Kyừ Kyừ thua thua ọ ọ t t Ma Ma ự ự y y t t ớ ớ nh nh Pha Pha ù ù m m T T ử ử ụ ụ ứ ứ ng ng Ha Ha ỷ ỷ i i Nguyeón Nguyeón Quo Quo ỏ ỏ c c Tua Tua ỏ ỏ n n Kiến trúc Máy tính - Chap 01 2 Nội dung tóm tắtmônhọc ) Là môn họccơ sở ngành máy tính, giảng dạychocả chuyên ngành KTMT lẫn KHMT ) Cung cấpcáckiếnthứccơ bảnvề nguyên lý hoạt động và tổ chức ở các máy tính số •Vấn đề đánh giá hiệusuất •Kiếntrúctậplệnh • Tính toán số học • Đường đidữ liệuvàtínhiệu điềukhiển •Hệ thống bộ nhớ •Giaotiếpvới ngoạivi ) Sử dụng kiếntrúccácbộ xử lý PowerPC, MIPS, Intel, v.v… làm minh họa Kiến trúc Máy tính - Chap 01 3 Mục đích môn học ) Đốivới chuyên ngành KTMT •Nắmvững các kiếnthứccơ bảnvề tổ chứcvàhoạt động của máy tính số • Làm nềntảng để tìm hiểucấutrúc(kiếntrúc+ mạch logic) củacácphầntử khác nhau trong một máy tính số •Vậndụng để thiếtkế, cảitạo, sửachữacáchệ thống ứng dụng vi xử lý – vi điềukhiển, hệ thống nhúng ) Đốivới chuyên ngành KHMT •Nắmvững các kiếnthứccơ bảnvề tổ chứcvàhoạt động của máy tính số •Vậndụng vào thiếtkế, cảitạocáchệ thống phầnmềmsao cho hoạt động hiệuquả, phù hợpvớikiếntrúcphầncứng Kiến trúc Máy tính - Chap 01 4 Tài liệu tham khảo ) “Computer Organization and Design: the hardware/software interface”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Second Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 1998 ) “Computer Architecture: a quantitative approach”, John L. Hennessy & David A. Patterson, Third Edition, MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS, INC. 2002 Kiến trúc Máy tính - Chap 01 5 Chương 1. Kiến trúc Máy tính - Chap 01 6 1.1 Dẫnnhập ) Sự ra đời và phát triểncủa máy tính dẫn đếncáigọilà cách mạng thông tin, cuộccáchmạng thứ 3 trong nền vănminhcủaloàingười(trước đólầnlượtlàcách mạng nông nghiệp, cách mạng kỹ nghệ) ) Kếtquả là sứcmạch trí tuệ của nhân loại được nhân lên đáng kể, khoa học–kỹ thuật phát triểnmạnh mẽ và vươn đếnnhững giớihạnmới ) Mộtsố thành tựu đạt được trong thời gian qua giống như chuyệnviễntưởng • Automatic teller machines • Computers in automobiles • Laptop computers • Human genome project • World Wide Web Kiến trúc Máy tính - Chap 01 7 … ) Phầncứng máy tính tiếnbộ cho phép các nhà lậptrình viết nên những phầnmềm ứng dụng kỳ diệu, và làm cho máy tính thâm nhập nhanh chóng vào mọi ngóc ngách của đờisống hiện đại ) Trong tương lai những điềuviễntưởng sẽ là: mộtxãhội không cần đếntiềnmặt, các xa lộ thông minh tựđộng hóa, ubiquitous computing, … ) Các nhà lập trình thành công luôn biết quan tâm tớitốc độ củacácchương trình do mình viếtra ) Trong thậpniên60 và70, hạnchế chủ yếu đốivớihiệu suấtcủa máy tính nằm ở kích thướccủabộ nhớ Ö Tốithiểu hóa mã lệnh để chương trình thực thi nhanh hơn Kiến trúc Máy tính - Chap 01 8 … ) Trong gần20 năm qua, những tiếnbộ trong thiếtkế máy tính và công nghệ bộ nhớđãxóađihạnchế củabộ nhớ kích thướcnhỏ Ö Muốnchương trình thực thi nhanh hơncầnhiểuvàvậndụng đượcbảnchất phân cấp ở bộ nhớ cũng như bảnchất song song ở bộ xử lý ) Những nhà lập trình muốnviết ra các phiên bảncạnh tranh về chương trình dịch, hệđiều hành, cơ sở dữ liệu, và cảởcác chương trình ứng dụng cầnphảităng cường hiểubiếtcủamìnhvề nguyên lý hoạt động và tổ chứccủa các máy tính Kiến trúc Máy tính - Chap 01 9 1.2 Bên dướicủachương trình ) Máy tính là bước phát triểnkế tiếpcủacácmạch logic ) Thông tin trên máy tính đượcbiểudiễnbởi các ký số nhị phân hay bit (binary digit) ) Máy tính hoạt động tuân theo các chỉ thị của chúng ta. Thuậtngữ dùng để gọicácchỉ thị riêng lẻ là câu lệnh (instruction) ) Mỗicâulệnh là 1 chuỗixácđịnh các bit, (giống như 1 số nhị phân) mà máy tính có thể hiểu được •TD 1000110010100000 yêu cầu máy tính cộng 2 số nguyên ) Những nhà lậptrìnhđầutiêntruyền đạtchỉ thịđếnmáy tính thông qua các con số nhị phân nói trên • Đây là công việchếtsứctẻ nhạt Kiến trúc Máy tính - Chap 01 10 … ) Công cụ lập trình dùng các số nhị phân để viếtracácchỉ thị cho máy tính đượcgọilàngôn ngữ máy (machine language) ) Con người nhanh chóng thay thế các số nhị phân bởi các ký hiệugợinhớ (mnemonic), chúng là những ký hiệugầnvới cách suy nghĩ của con ngườihơn •TD sử dụng add A, B thay thế cho 1000110010100000 ) Lúc đầu con người dùng tay để dịchcáckýhiệutrênra số nhị phân rồi đem thực thi trên máy tính ) Sau đó, con người phát triểnmộtchương trình trợ giúp việcdịch nói trên: assembler ) Công cụ lập trình dùng các ký hiệugợinhớ nhằmviếtra các chỉ thị cho máy tính đượcgọilàhợpngữ (assemly language) [...]... mềm ứng dụng (applications software) là các phần mềm cung cấp dịch vụ cho các người sử dụng máy tính (users) word, excel, photoshop, … Kiến trúc Máy tính - Chap 01 14 1.3 Bên trong vỏ máy Khảo sát một máy tính để bàn Webcam Thùng máy Màn hình Bàn phím Chuột Kiến trúc Máy tính - Chap 01 15 … Chuột Kiến trúc Máy tính - Chap 01 16 … Màn hình & card điều khiển màn hình • Hình ảnh được thể hiện dưới dạng... gọi là raster refresh buffer hay frame buffer Kiến trúc Máy tính - Chap 01 17 … Thùng máy Bộ xử lý Nguồn Motherboard Võ máy Kiến trúc Máy tính - Chap 01 Bộ nhớ Đĩa cứng 18 … Motherboard Mạch tích hợp ( IC hay chip) Connector Khe cắm ( slot ) Kiến trúc Máy tính - Chap 01 19 … Bộ nhớ (memory) • Chứa chương trình thực thi và các dữ liệu cần thiết trong q trình thực thi • Có 2 loại bộ nhớ: ROM và RAM •... language) • TD A + B thay cho add A, B Sử dụng chương trình để dịch ngơn ngữ cấp cao sang hợp ngữ: chương trình dịch (compiler) Kiến trúc Máy tính - Chap 01 11 … Chương trình viết bằng C Compiler Chương trình dạng hợp ngữ Assembler Ngơn ngữ máy Kiến trúc Máy tính - Chap 01 12 … Ngơn ngữ cấp cao mang lại nhiều lợi ích quan trọng • Cho phép người lập trình suy nghĩ dưới dạng ngơn ngữ tự nhiên (Anh ngữ,... (operating system) Kiến trúc Máy tính - Chap 01 13 … Hệ điều hành là chương trình quản lý các tài ngun của máy tính hỗ trợ tốt nhất cho việc thực thi của các chương trình khác nhau trên máy tính Phần mềm có thể được phân loại theo tính năng sử dụng • Các chương trình cung cấp dịch vụ chung cho các chương trình khác được gọi là phần mềm hệ thống (systems software) hệ điều hành, chương trình dịch, … • Phần... chương trình được thực thi trên 1 CPU) Kiến trúc Máy tính - Chap 02 7 • Trước tiên chúng ta đánh giá hiệu suất thơng qua thời gian thực thi Cực đại hóa hiệu suất đồng nghĩa với tối thiểu hóa thời gian thực thi Quan hệ giữa hiệu suất và thời gian thực thi ở máy tính X sẽ là 1 Performance = X Execution time X • Ta nói máy tính X có hiệu suất cao hơn máy tính Y n lần đồng nghĩa với máy tính X nhanh hơn máy. .. Douglas DC-8-50 146 8720 644 thử xác định máy bay có hiệu suất cao nhất trong trường hợp: Máy bay có tốc độ cao nhất ? Máy bay có dung lượng lớn nhất ? Máy bay chun chở nhanh nhất ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 6 • Khi chúng ta chạy cùng 1 chương trình trên 2 máy trạm (workstation) khác nhau, ta kết luận máy nhanh hơn là máy có thể kết thúc thực thi chương trình sớm hơn thời gian đáp ứng (response... năng lập trình: chương trình ngắn hơn, sáng sủa và dễ hiểu hơn • Ngơn ngữ cấp cao độc lập đối với máy tính Khả năng tái sử dụng chương trình mang lại hiệu quả cao hơn là viết tồn bộ chương trình từ đầu trình con, thư viện, thư việc các trình con xuất/nhập Người ta nhận thấy việc thực thi các chương trình trên máy tính sẽ hiệu quả hơn nếu có 1 chương trình đặc biệt giám sát thực thi cho các chương trình. .. hơn máy tính Y n lần đồng nghĩa với máy tính X nhanh hơn máy tính Y n lần Performance X =n Performance Y • Thí dụ: nếu máy tính A thực thi chương trình mất 10s và máy tính B thực thi cùng chương trình mất 15s, A nhanh hơn B bao nhiêu lần ? Kiến trúc Máy tính - Chap 02 8 2.2 Đo đạc hiệu suất Thời gian được sử dụng làm thước đo cho hiệu suất máy tính Tuy nhiên thời gian ở đây được định nghĩa theo nhiều... kế máy tính (phần cứng/phần mềm), chúng ta cần nắm rõ • Các vấn đề liên quan đến việc đánh giá hiệu suất máy tính • Hoạt động của các thành phần khác nhau (phần cứng/phần mềm) và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất • Trong mỗi ứng dụng cụ thể, xác định phương pháp đánh giá hiệu suất phù hợp Kiến trúc Máy tính - Chap 02 5 Định nghĩa về hiệu suất • Khi ta nói máy tính này có hiệu suất cao hơn máy tính. .. các phép tính • Khối điều khiển ra lệnh cho khối dữ liệu, bộ nhớ, các thiết bị xuất/nhập, thực hiện cái mà câu lệnh của chương trình u cầu Kiến trúc Máy tính - Chap 01 21 … Đĩa cứng Kiến trúc Máy tính - Chap 01 22 1.4 Mạch tích hợp Các cơng nghệ sử dụng trong chế tạo máy tính Năm Cơng nghệ sử dụng Hiệu quả/Giá thành 1951 Đèn điện tử (Vacuum tube) 1 1965 Đèn bán dẫn (Transistor) 35 1975 Mạch tích hợp . dụng máy tính (users) Ö word, excel, photoshop, … Kiến trúc Máy tính - Chap 01 15 1.3 Bên trong vỏ máy ) Khảosátmột máy tính để bàn Bàn phím Màn hình Chuột Webcam Thùng máy Kiến trúc Máy tính. (assemly language) Kiến trúc Máy tính - Chap 01 11 … ) Mỗi dòng trong hợpngữ là 1 câu lệnh để máy tính thực thi. Lậptrìnhbằng hợpngữ buộcngườilậptrìnhphải suy nghĩ hành động như mộtmáytính •Cấp hành động như máy. hoạt động và tổ chứccủa các máy tính Kiến trúc Máy tính - Chap 01 9 1.2 Bên dướicủachương trình ) Máy tính là bước phát triểnkế tiếpcủacácmạch logic ) Thông tin trên máy tính đượcbiểudiễnbởi các