Bài giảng Kiến trúc máy tính: Chương 9 - GV. Nguyễn Kim Khánh

Kiến trúc máy tính là nền tảng cốt lõi định hình hiệu suất và khả năng của mọi hệ thống điện toán hiện đại. Trong bối cảnh công nghệ phát triển không ngừng, với nhu cầu xử lý dữ liệu khổng lồ và thực hiện các tác vụ phức tạp, việc nắm vững các nguyên tắc cơ bản của kiến trúc máy tính trở nên cấp thiết. Đặc biệt, sự ra đời và phát triển của các kiến trúc song song đã mở ra những chân trời mới về sức mạnh tính toán. Tài liệu này sẽ cung cấp một cái nhìn toàn diện về lĩnh vực kiến trúc máy tính, từ các khái niệm cơ bản đến việc phân loại chi tiết các mô hình kiến trúc, tập trung vào tầm quan trọng của xử lý song song trong việc tối ưu hóa hiệu năng hệ thống.

Sinh viên, kỹ sư công nghệ thông tin và những người nghiên cứu về kiến trúc máy tính, hệ thống song song.

Tài liệu này trình bày một cái nhìn tổng thể về kiến trúc máy tính, từ các thành phần cơ bản đến các mô hình xử lý nâng cao. Bắt đầu với giới thiệu chung về các khái niệm cơ bản như logic số, hệ thống máy tính, số học, kiến trúc tập lệnh, bộ xử lý, bộ nhớ và hệ thống vào-ra, tài liệu sau đó tập trung sâu vào chủ đề kiến trúc song song. Phần này đi sâu vào phân loại các kiến trúc máy tính dựa trên phân loại Flynn (1966), bao gồm bốn mô hình chính: SISD (Single Instruction, Single Data), SIMD (Single Instruction, Multiple Data), MISD (Multiple Instruction, Single Data), và MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data). Mỗi loại kiến trúc được mô tả chi tiết: SISD đại diện cho kiến trúc Von Neumann tuần tự truyền thống với một bộ xử lý duy nhất xử lý một luồng lệnh và dữ liệu. SIMD được đặc trưng bởi một luồng lệnh điều khiển nhiều đơn vị xử lý đồng thời trên nhiều luồng dữ liệu riêng biệt, thường thấy trong các máy tính vector và bộ xử lý mảng, rất hữu ích cho các tác vụ xử lý dữ liệu lớn như đồ họa. MISD, mặc dù được phân loại, nhưng thực tế chưa tồn tại. Cuối cùng, MIMD là mô hình mạnh mẽ nhất, với nhiều bộ xử lý độc lập thực hiện các luồng lệnh khác nhau trên các bộ dữ liệu khác nhau, được chia thành đa xử lý bộ nhớ dùng chung (Multiprocessors) và đa máy tính bộ nhớ phân tán (Multicomputers). Việc khám phá những mô hình này không chỉ làm rõ cách các hệ thống hiện đại đạt được hiệu suất tối ưu mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về thiết kế và phát triển các ứng dụng đòi hỏi tính toán cao, góp phần vào sự phát triển của lĩnh vực điện toán hiệu năng cao.