Tin học văn phòng - Chương 1: Tổng quan về kiến trúc máy tính

Chương 1 Tổng quan về Kiến trúc máy tính Nội dung • Các khái niệm và định nghĩa cơ bản • Nguyên lý họat động • Nội dung môn học • Phân lọai máy tính • Lịch sử phát triển máy tính • Tổ chức tổng quát máy tính Các khái niệm và định nghĩa • Máy tính (Computer) – Máy tính là thiết bị điện tử xử lý dữ liệu, hoạt động một cách tự động dưới sự điều khiển của chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ chính của nó. • Hệ thống máy tính (Computer system) – Một hệ thống máy tính bao gồm một máy tính và các thiết bị ngoại vi. • Thiết bị ngoại vi (Peripherals) – Bao gồm các thiết bị nhập (input devices), thiết bị xuất (output devices) và bộ nhớ thứ cấp (secondary storage). Các khái niệm và định nghĩa • Chương trình (program) – Danh sách các lệnh (command) hoặc chỉ thị (instruction) để bộ xử lý trong máy tính thi hành. • Lệnh và tập lệnh – Bộ xử lý (CPU) trong máy tính đuợc thiết kế để hiểu và thi hành đuợc các lệnh đuợc thiết kế truớc của nhà sản xuất CPU – Tập hợp tất cả các lệnh CPU hiểu đuợc gọi là tập lệnh (instruction set) của CPU đó Các khái niệm và định nghĩa • Lập trình (programming) – Việc viết 1 chương trình cho máy tính chạy gọi là lập trình. Nguời viết chương trình gọi là lập trình viên (programmer) – Máy tính không thể tự nó giải đuợc 1 bài tóan vì cần có chương trình do con nguời viết ra. – Nguời lập trình phải biết cách giải bài toán mới có thể viết chương trình cho máy giải đuợc. • Xử lý dữ liệu (data processing) – Bao gồm các thao tác: Thu thập, nhập, lưu trữ, tìm kiếm, tính tóan, trình bày kết quả. – Hệ thống máy tính cần có con nguời tham gia. Các khái niệm và định nghĩa Ada Lovelace 1815-1852 • Ngôn ngữ lập trình – Ngôn ngữ tự nhiên (natural language): • Do con nguời sử dụng. Lệ thuộc ngữ cảnh, không có tính chính xác và nhất quán cần thiết cho máy tính • Không sử dụng đuợc cho máy tính – Ngôn ngữ máy (machine language) • Là các ký hiệu nhị phân (số 0 và 1) mà các linh kiện điện tử trong máy tính hiểu và xử lý đuợc. • Rất khó khăn khi con nguời sử dụng trực tiếp. – Ngôn ngữ dùng ký hiệu/ Hợp ngữ Symbolic language/ Assembly language dạng ký hiệu/gợi nhớ của tập lệnh CPU – Ngôn ngữ lập trình (programming language) • Là trung gian giữa ngôn ngữ tự nhiên và ngôn ngữ máy. Các khái niệm và định nghĩa Các khái niệm và định nghĩa Con nguời Máy tính Ngôn ngữ Tự nhiên Ngôn ngữ Máy Ngôn ngữ Lập trình HLL High Level Language Ngôn ngữ Cấp thấp Ngôn ngữ Cấp cao LLL Low Level Language • Chương trình dịch (translator) – Máy tính không hiểu đuợc ngôn ngữ lập trình và ngôn ngữ tự nhiên – Cần phải dịch ngôn ngữ lập trình do con nguời viết ra ngôn ngữ máy để máy tính thi hành – Việc dịch có thể thực hiện tự động thông qua 1 chương trình gọi là chương trình dịch – Bao gồm 2 lọai: • Trình Biên dịch (Compiler) • Trình Thông dịch (Interpreter) Các khái niệm và định nghĩa • Thành phần máy tính – Phần cứng (hardware) • Bộ xử lý CPU • Bộ nhớ (Memory) • Thiết bị ngoại vi – Phần mềm (software) • Hệ thống (system software) • Ứng dụng (application software) – Phần dẻo (firmware) • Trung gian giữa phần cứng và phần mềm Các khái niệm và định nghĩa Nguyên lý họat động • Mô hình Turing – Là một mô hình máy tính lý thuyết do nhà toán học nguời Anh Alan Turing đưa ra năm 1936 gọi là máy Turing – Dùng để kiểm tra khả năng giải các lọai bài toán khác nhau bằng các thuật toán trên máy móc – Luận đề Church-Turing khẳng định mọi hàm toán học tính được thì cũng có thể dùng các máy Turing để tính, và do đó cho phép định nghĩa các khái niệm như sự tính được của hàm hay thuật toán. • Máy Turing – Gồm 1 dải băng dài vô hạn có nhiều ô. – 1 đầu đọc/ghi để đọc/ ghi từng ký tự hoặc dịch chuyển trên 1 ô của dải băng. – 1 khối xử lý chứa tập các trạng thái Nguyên lý họat động • Nguyên lý hoạt động máy Turing – Máy làm việc theo từng bước rời rạc. Một lệnh của máy như sau : qiSiSjXqj. – Nghĩa là : trạng thái hiện hành của máy là qi đầu đọc ghi đang ở ô Si thì sẽ ghi đè Sj vào ô hiện tại và dịch chuyển hoặc đứng yên theo chỉ thị là X và trạng thái mới của máy là qj – Dữ liệu của bài toán là 1 chuỗi các ký hiệu thuộc tập các ký hiệu của máy không kể ký hiệu rỗng b – Trạng thái trong ban đầu của máy là q0 .được cất vô băng. Quá trình sẽ dừng lại khi trạng thái trong của máy là trạng thái kết thúc qf. Nguyên lý họat động • Ví dụ máy Turing – Thực hiện phép toán NOT trên chuỗi các bit 0/1 – Chuỗi dữ liệu nhập ban đầu là 10 – Tập các ký hiệu của máy {0,1} – Tập các trạng thái trong {q0, q1} – Tập lệnh gồm 3 lệnh : q001Rq0, q010Rq0, q0bbNq1 Nguyên lý họat động 1 0 b q0 0 0 b q0 q0 0 1 b Ban đầu q1 0 1 b Dừng Kết quả 01 • Mô hình Von Neumann – Là một mô hình máy tính thực tế do nhà toán học người Mỹ gốc Hungary John Von Neumann đưa ra khi tham gia thiết kế máy tính EDVAC năm 1945. Nguyên lý họat động - Máy gồm 3 khối cơ bản : đơn vị xử lý, bộ nhớ và hệ thống xuất nhập. - Hiện đang áp dụng cho các máy tính ngày nay. • Nguyên lý Von Neumann – Chương trình điều khiển xử lý dữ liệu cũng được xem là data và được lưu trữ trong bộ nhớ gọi là chương trình lưu trữ. – Bộ nhớ chia làm nhiều ô, mỗi ô có 1 địa chỉ (đánh số thứ tự) để có thể chọn lựa ô nhớ trong quá trình đọc ghi dữ liệu. (nguyên lý định địa chỉ) – Các lệnh được thực hiện tuần tự nhờ 1 bộ đếm chương trình (thanh ghi lệnh) nằm bên trong đơn vị xử lý. Nguyên lý họat động CPU Đọc lệnh Phân tích lệnh Thực thi lệnh Bộ nhớ chính Lưu trữ thông tin Nơi chứa chương trình để CPU đọc và thực thi Khối xuất nhập  Giao tiếp với môi trường bên ngoài  Xuất nhập dữ liệu, bộ nhớ phụ Nguyên lý họat động • Sơ đồ máy tính Von Neumann Nguyên lý họat động • Kiến trúc Harvard • Được sử dụng trong máy Harvard Mark I (IBM 1944) • Bao gồm 2 khối bộ nhớ riêng biệt: • Bộ nhớ lệnh chương trình • Bộ nhớ dữ liệu • Máy tính Von Neumann ngày nay chỉ sử dụng 1 khối bộ nhớ chung cho cả chương trình và dữ liệu • Tuy nhiên một số loại máy có sử dụng kiến trúc Harvard • Tại sao sử dụng kiến trúc Von Neumann? – Tạo ra các máy tính đa năng, lập trình được • Giải các bài toán khác nhau bằng các chương trình khác nhau. – Các lệnh chương trình được thi hành 1 cách tự động – Máy tính có thể chế tạo từ các linh kiện điện tử cơ bản • Chức năng xử lý dữ liệu thực hiện bằng các cổng logic • Chức năng lưu trữ dữ liệu thực hiện qua các ô nhớ • Chức năng truyền dữ liệu thực hiện qua các đường truyền dẫn điện Nguyên lý họat động Nội dung môn học • Cung cấp các kiến thức cơ bản về nguyên lý hoạt động và tổ chức ở các máy tính số – Vấn đề đánh giá hiệu suất – Kiến trúc tập lệnh – Tính toán số học – Đường đi dữ liệu và tín hiệu điều khiển – Hệ thống bộ nhớ – Giao tiếp với ngoại vi • Mục đích môn học – Nắm vững các kiến thức cơ bản về tổ chức và hoạt động của máy tính số – Làm nền tảng để tìm hiểu cấu trúc của các phần tử khác nhau trong một máy tính số – Vận dụng để thiết kế, cải tạo, sửa chữa các hệ thống ứng dụng vi xử lý–vi điều khiển, vi mạch, hệ thống nhúng – Vận dụng vào thiết kế, cải tạo các hệ thống phần mềm sao cho hoạt động hiệu quả, phù hợp với kiến trúc phần cứng Nội dung môn học • Sự phân cấp máy tính theo Tanenbaum Nội dung môn học Máy ảo Mn với ngôn ngữ máy Ln Máy ảo M4 với ngôn ngữ máy L4 Máy ảo M3 với ngôn ngữ máy L3 Máy ảo M2 với ngôn ngữ máy L2 Máy thật M1 với ngôn ngữ máy L1 Cấp n ... Cấp 4 Cấp 3 Cấp 2 Cấp 1 Chương trình L2 được dịch hay phiên dịch chạy trên M1 Chương trình L1 được thi hành trực tiếp trên phần cứng Chương trình L3 được dịch hay phiên dịch chạy trên M1 hay M2 Chương trình Ln được dịch hay phiên dịch chạy trên máy cấp thấp hơn • Sự phân cấp máy tính theo Tanenbaum (tiếp) Nội dung môn học Cấp ngôn ngữ hướng vấn đề Cấp ngôn ngữ hợp dịch Cấp máy hệ điều hành Cấp máy quy ước (ISA) Cấp vi lập trình Cấp logic số Cấp 5 Cấp 4 Cấp 3 Cấp 2 Cấp 1 Cấp 0 Dịch (compiler) Dịch (assembler) Dịch một phần Phiên dịch (hoặc thực thi trực tiếp) Vi chương trình chạy trên phần cứng • Các quan niệm về máy tính theo thời gian Nội dung môn học Algorithm Gates/Register-Transfer Level (RTL) Application Instruction Set Architecture (ISA) Operating System/Virtual Machines Microarchitecture Devices Programming Language Circuits Physics Original domain of the computer architect (‘50s-’80s) Reliability, power, Parallel computing, security, Reinvigoration of computer architecture, mid-2000s onward. Domain of recent computer architecture (‘90s) • Các thuật ngữ thuờng gặp: – Cấu trúc máy tính (computer structure) – Kiến trúc máy tính (computer architechture) – Tổ chức máy tính (computer organization) • Kiến trúc máy tính liên quan đến các thuộc tính của một hệ thống máy tính có khả năng thấy được đối với người lập trình, hoặc các thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp đến logic thực hiện của chương trình (phần mềm) Nội dung môn học • Tổ chức máy tính liên quan đến các khối chức năng và sự kết nối giữa chúng để thực hiện các đặc tả kiến trúc (nghĩa là làm thế nào hiện thực các tính năng kiến trúc) • Ví dụ: Tín hiệu điều khiển, giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi, công nghệ bộ nhớ, (phần cứng) Nội dung môn học • Vị trí KTMT và TCMT Nội dung môn học • So sánh KTMT và TCMT – Ví dụ chức năng “nhân”: • Kiến trúc: có hay không có lệnh nhân. • Tổ chức: một đơn vị thực hiện chức năng “nhân” đặc biệt hay việc dùng nhiều đơn vị “cộng” để thực hiện chức năng “nhân”. • Nhiều nhà sản xuất máy tính đưa ra dòng (họ) các mẫu máy tính, các máy này có cùng kiến trúc nhưng khác nhau về mặt tổ chức – Tất cả máy tính họ x86 của Intel có cùng kiến trúc cơ bản – Họ System/370 của IBM có cùng kiến trúc cơ bản • Điều này dẫn đến – Nhiều máy khác nhau trong cùng họ có giá thành và hiệu suất khác nhau – Tổ chức sẽ thay đổi theo công nghệ • Tương thích về chương trình • Thay đổi tối thiểu đối với các máy thế hệ trước (backward) Nội dung môn học • Tại sao học KTMT ? – Để trở thành chuyên nghiệp trong lĩnh vực máy tính ngày nay, bạn không nên xem máy tính như một hộp đen (black box) thực hiện các chương trình bằng ma thuật. – Bạn nên hiểu các thành phần chức năng của một hệ thống máy tính, đặc tính, hiệu suất và tương tác của chúng. – Bạn cần hiểu rõ kiến trúc máy tính để có thể xây dựng các chương trình chạy hiệu quả trên máy tính. – Khi chọn lựa để dùng một hệ thống, bạn phải có khả năng hiểu được ưu và nhược điểm của các thành phần khác nhau, ví dụ tốc độ xung nhịp CPU so với kích thước bộ nhớ. Nội dung môn học • Cấu trúc và Chức năng – Nhận biết bản chất phân cấp của các hệ thống phức tạp nhất • Hệ thống phân cấp là tập hợp các hệ thống con có quan hệ với nhau, sao cho mỗi hệ thống con này lại có tính phân cấp về cấu trúc như vậy, cho đến khi chúng ta đạt đến hệ thống con nguyên tử thấp nhất – Cấu trúc là cách mà các thành phần quan hệ với các thành phần khác – Chức năng là tác vụ của các thành phần chức năng riêng biệt nằm trong cấu trúc – Theo cách mô tả, có 2 cách tiếp cận • Bottom-up • Top-down Nội dung môn học • Chức năng Máy tính – Xử lý dữ liệu (Data processing) – Lưu trữ dữ liệu (Data storage) – Dịch chuyển dữ liệu (Data movement) – Điều khiển (Control) Nội dung môn học • Các tác vụ Nội dung môn học Dịch chuyển dữ liệu Lưu trữ dữ liệu Xử lý dữ liệu • Cấu trúc - Top Level Nội dung môn học Computer Main Memory Input Output Systems Interconnection Peripherals Communication lines Central Processing Unit Computer • Cấu trúc - CPU Nội dung môn học Computer Arithmetic and Login Unit Control Unit Internal CPU Interconnection Registers CPU I/O Memory System Bus CPU • Cấu trúc – Bộ điều khiển Nội dung môn học Phân lọai máy tính • Theo công nghệ – Máy tính tương tự (analog) – Máy tính số (digital) • Theo mức độ sử dụng – Máy chuyên dụng – Máy đa dụng • Theo nguyên lý họat động • Von Neumann • Phi Von Neumann • Theo khả năng xử lý – Máy vi tính (micro computer) – Máy mini (mini computer) – Máy tính lớn (main frame) – Siêu máy tính (super computer) • Theo thế hệ – Thế hệ 1 – Thế hệ 2 – Thế hệ 3 – Thế hệ 4 • Bài tập phân biệt các lọai máy tính sau: – Workstation – Client – Server – Desktop – Laptop – Palmtop – Terminal – Phân lọai máy tính L ịc h s ử p h á t tr iể n m á y t ín h The zeroth generation The first generation The second generation The third generation The fourth generation • Thế hệ 1 (1945-1955) – Công nghệ chế tạo: Đèn điện tử – Phần cứng: chưa có. Sau này xuất hiện băng giấy và phiếu đục lỗ. Chỉ có 1 lọai máy mainframe. – Ngôn ngữ lập trình: chưa có, sử dụng ngôn ngữ máy – Hệ điều hành: chưa có – Các máy điển hình: ENIAC, EDVAC, IAS – Đặc điểm: tính toán chậm, kích thước lớn, tiêu thụ nhiều năng luợng. Chế tạo đơn lẻ. Lịch sử phát triển máy tính • Thế hệ 2 (1955-1965) – Công nghệ chế tạo: Transistor – Phần cứng: Băng từ, máy in. Xuất hiện máy mini – Ngôn ngữ lập trình: Assembly, Fortran, Cobol – Hệ điều hành: Đơn giản (Control program, Monitor). Xử lý theo lô, xử lý offline. – Các máy điển hình: PDP-1, IBM 7094, CDC 6600 – Đặc điểm: Tốc độ nhanh hơn, kích thước thu hẹp nhưng vẫn còn lớn, tiêu thụ ít năng lượng hơn. Sản xuất hàng lọat theo đơn đặt hàng. Lịch sử phát triển máy tính • Thế hệ 3 (1965-1980) – Công nghệ chế tạo: Mạch tích hợp IC – Phần cứng: Màn hình, đĩa cứng. Xuất hiện siêu máy tính. Xuất hiện họ các máy tính. – Ngôn ngữ lập trình: Phát triển mạnh: Algol , Pascal, C – Hệ điều hành: Xử lý đa chương, chia sẻ thời gian, xuất hiện UNIX – Các máy điển hình: IBM/360, DEC PDP-11, Cray-1 – Đặc điểm: Tốc độ nhanh, kích thức nhỏ, tiêu thụ ít năng luợng, ngày càng dễ sử dụng Lịch sử phát triển máy tính • Thế hệ 4 (1980 - nay) – Công nghệ chế tạo: Mạch tích hợp IC cỡ lớn (VLSI). Độ tích hợp ngày càng cao theo định luật Moore – Phần cứng: Phát triển đa dạng. Xuất hiện máy vi tính. – Ngôn ngữ lập trình: Phát triển mạnh hơn và dễ lập trình hơn: C++, Java, Prolog, Lisp – Hệ điều hành: Đồ họa, mạng, đa xử lý, xử lý phân tán – Các máy điển hình: IBM PC, Mac – Đặc điểm: Tốc độ rất cao, kích thức rất nhỏ, thân thiện với con nguời, hỗ trợ multimedia, Lịch sử phát triển máy tính • Định luật Moore – Do Gordon Moore, người đồng sáng lập công ty Intel đưa ra từ 1965: “Số lượng transistor trong 1 chip tăng gấp đôi sau 18 tháng” Lịch sử phát triển máy tính • Tại sao chưa có thế hệ 5? – Dự án máy tính thế hệ 5 của Nhật bản – Xuất hiện máy vi tính – Xuất hiện mạng Internet tòan cầu – Xuất hiện các siêu máy tính cực mạnh – Máy tính đã xâm nhập vào mọi lãnh vực trong đời sống con nguời Lịch sử phát triển máy tính Tổ chức tổng quát máy tính • Sơ đồ tổ chức tổng quát CPU BỘ NHỚ THIẾT BỊ NGỌAI VI ĐIỀU KHIỂN BUS HỆ THỐNG • CPU – Chức năng: Điều khiển mọi họat động bên trong MT và thực hiện các phép tính – Thành phần: • CU (Control Unit) • ALU (Arithmetic & Logic Unit) • Các thanh ghi (Registers) – Khả năng xử lý : bit • 8, 16, 32, 64 bit – Tốc độ xử lý (tính toán): ??? Tổ chức tổng quát máy tính • CPU (tiếp) – Nhiệm vụ: thi hành chương trình – Chu trình lệnh: Lấy lệnh, thi hành lệnh Tổ chức tổng quát máy tính • Bộ nhớ (memory) – Chức năng: Lưu trữ dữ liệu và chương trình trong máy tính – Tổ chức : Bộ nhớ đuợc chia ra các ô có kích thước bằng nhau. Mỗi ô có thể lưu trữ 1 byte hoặc 1 từ máy (word). 1 word có thể chứa 2, 4, 8, 16, byte tùy theo nhà sản xuất máy tính. – Cần địa chỉ (address) để gán cho các ô nhớ. Mục đích để phân biệt các ô nhớ với nhau khi truy cập dữ liệu – Phân lọai bộ nhớ: • RAM (Random Access Memory) • ROM (Read Only Memory) • Cache Tổ chức tổng quát máy tính • Bộ nhớ (tiếp) – Phân cấp bộ nhớ – Khác biệt: Dung lượng, tốc độ truy cập, giá thành Tổ chức tổng quát máy tính <1 KB 1 – 16 MB 4 – 64 GB 1 – 8 TB 1 – 2 TB • Bộ nhớ (tiếp) – Đặc điểm các loại bộ nhớ Tổ chức tổng quát máy tính • Bộ nhớ (tiếp) – Các mức cache Tổ chức tổng quát máy tính • Thiết bị ngọai vi (peripherals) – Chức năng: giao tiếp giữa máy tính với thế giới bên ngoài (con người) – Nhiệm vụ: chuyển đổi dạng dữ liệu giữa con người và máy tính – Phân loại: • Thiết bị nhập (input devices) • Thiết bị xuất (output devices) • Thiết bị truyền thông (communication devices) • Thiết bị lưu trữ (storage devices) Tổ chức tổng quát máy tính Tổ chức tổng quát máy tính • Thiết bị ngọai vi (tiếp) – Các lọai thiết bị lưu trữ • Giấy – Băng giấy đục lỗ, Phiếu đục lỗ, • Từ tính – Xuyến từ, Trống từ, Băng từ – Đĩa từ (Đĩa mềm, Đĩa cứng) • Quang học – CD/ DVD – Blue-ray, HD-DVD • Quang từ – MO disk • Bán dẫn – USB Flash, SSD, thẻ nhớ, • Khác – Bubble, Hologram, ... • Thiết bị ngọai vi (tiếp) – Tốc độ truy cập 1 số thiết bị ngoại vi thông dụng Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống – Mục đích: Tổ chức dạng bus được dùng để đơn giản hóa việc tổ chức và phân luồng dữ liệu trong hệ thống máy tính – Chức năng: Liên kết & truyền tín hiệu giữa các thành phần trong MT – Cần cơ chế sao cho tại một thời điểm, chỉ có 1 thanh ghi có thể đặt dữ liệu lên bus để tránh tranh chấp bus – Phân lọai: • Data bus • Address bus – Không gian địa chỉ • Control bus Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống (tiếp) – Mô hình hệ thống máy tính 3 bus Tổ chức tổng quát máy tính Address Data Memory Instruction Instruction : Data : Address Data CPU ALUCU Registers Data bus Address bus Control bus • Bus hệ thống (tiếp) – Ví dụ về Control bus Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống (tiếp) – Đồng bộ bus: Các thành phần trong máy tính phải hoạt động đồng bộ. • Mỗi họat động cơ bản được chia ra nhiều buớc nhỏ • Cần 1 trọng tài đánh nhịp để điều khiển từng buớc hoạt động • Ví dụ: thao tác đọc bộ nhớ được chia ra: – CPU gửi yêu cầu đọc cho BN (bus điều khiển) – CPU gửi địa chỉ cần đọc cho BN (bus địa chỉ) – BN giải mã địa chỉ – BN xuất dữ liệu cho CPU (bus dữ liệu) • Một chu kỳ lệnh gồm nhiều chu kỳ máy (4 như VD trên) • Đơn vị đo tốc độ xung nhịp: Hertz (Hz) – 2 chế độ tốc độ họat động trong CPU máy tính – Sự tồn tại BN cache Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống (tiếp) – Ví dụ minh hoạ về sự đồng bộ bus Tổ chức tổng quát máy tính • Bus hệ thống (tiếp) – Trong thực tế người ta phân bus hệ thống ra nhiều mức tốc độ do có sự chênh lệch của các thành phần trong máy tính Tổ chức tổng quát máy tính Câu hỏi