Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer organization)

Chương 01&02<br /> TỔNG QUAN<br /> 1. SỰ GIỚI THIỆU<br /> 1.1. Kiến trúc máy tính và tổ chức máy tính<br />  Kiến trúc máy tính đề cập đến những thuộc tính của một hệ thống hiển thị cho một lập trình<br /> viên, hoặc nói một cách khác , các thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực hiện hợp lý<br /> của một chương trình.<br />  Ví dụ , bộ Hướng dẫn , số lượng bit được sử dụng cho dữ liệu đại diện , cơ chế I/O , các kỹ<br /> thuật giải quyết .<br />  Một vấn đề thiết kế kiến trúc cho một máy tính sẽ có một hướng dẫn<br />  tổ chức máy tính dùng để chỉ các đơn vị hoạt động và mối liên kết của họ mà nhận ra các chi<br /> tiết kỹ thuật kiến trúc hoặc làm thế nào tính năng này được thực hiện.<br />  Ví dụ thuộc tính tổ chức bao gồm<br />  Các chi tiết về những phần cứng rõ ràng đối với các lập trình viên , chẳng hạn như tín hiệu<br /> điều khiển ; giao diện giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ; và công nghệ bộ nhớ sử dụng.<br />  Trong lịch sử , cho đến hôm nay , sự phân biệt giữa kiến trúc và tổ chức đã được một điều quan<br /> trọng .<br />  Nhiều nhà sản xuất máy tính cung cấp một gia đình của các mô hình máy tính, tất cả đều có<br /> kiến trúc tương tự nhưng với sự khác biệt trong tổ chức .<br />  Do đó , các mô hình khác nhau trong gia đình có đặc điểm giá cả và hiệu suất khác nhau .<br />  Một kiến trúc đặc biệt có thể kéo dài nhiều năm và bao gồm một số mô hình máy tính khác<br /> nhau , tổ chức của nó thay đổi với sự thay đổi công nghệ.<br />  kiến trúc IBM System / 370 . Kiến trúc này lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1970 và<br /> bao gồm một số mô hình .<br />  Trong những năm qua , IBM đã giới thiệu nhiều mẫu mới với công nghệ cải tiến để<br /> thay thế mô hình cũ , cung cấp tốc độ lớn hơn , chi phí thấp hơn , hoặc cả hai.Những<br /> mô hình mới hơn giữ lại kiến trúc giống nhau<br />  Tất cả các gia đình Intel x86 chia sẻ các kiến trúc cơ bản giống nhau .<br /> 1.2. Cấu trúc và Chức năng<br />  Cấu trúc<br />  là cách thức mà các thành phần liên quan đến nhau<br />  Chức năng<br />  là hoạt động của các thành phần cá nhân như là một phần của cấu trúc<br />  Hệ thống máy tính sẽ được mô tả từ trên xuống. Chúng ta bắt đầu với các thành phần chính của<br /> một máy tính , mô tả cấu trúc và chức năng của nó , và tiến tới lớp thấp hơn trong hệ thống<br /> phân cấp .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> hình.1.1 .chức năng của máy tính<br /> Chức năng<br />  Xử lí dữ liệu<br />  lưu trữ dữ liệu<br />  di chuyển dữ liệu<br />  Điều khiển<br /> Xử lí dữ liệu<br />  Các dữ liệu có thể có nhiều hình thức , và một loạt các yêu cầu xử lí rất rộng. Tuy nhiên ,<br /> chúng ta sẽ thấy rằng chỉ có một vài phương pháp cơ bản hoặc các loại xử lý dữ liệu .<br /> lưu trữ dữ liệu<br />  Đó cũng là điều cần thiết mà một cửa hàng máy tính dữ liệu. Ngay cả khi máy tính đang<br /> xử lý dữ liệu nhanh chóng (ví dụ , dữ liệu đi vào và được xử lý , và kết quả đi ra ngoài<br /> ngay lập tức) , máy tính tạm thời phải lưu trữ ít nhất là những mẩu dữ liệu đang được làm<br /> việc tại bất kỳ lúc nào. Như vậy , có ít nhất một chức năng lưu trữ dữ liệu ngắn hạn .<br />  Quan trọng không kém , máy tính thực hiện một chức năng lưu trữ dữ liệu lâu dài . File dữ<br /> liệu được lưu trữ trên máy tính để thu hồi tiếp theo và cập nhật.<br /> di chuyển dữ liệu<br />  Các máy tính phải có khả năng di chuyển dữ liệu giữa bản thân và thế giới bên ngoài .<br />  môi trường hoạt động của máy tính bao gồm các thiết bị phục vụ như là một trong hai<br /> nguồn hoặc đích của dữ liệu.<br />  Khi nhận được dữ liệu hoặc giao cho một thiết bị được kết nối trực tiếp với máy tính , quá<br /> trình này được gọi là đầu vào - đầu ra ( I / O ) , và các thiết bị được gọi là một thiết bị<br /> ngoại vi .<br />  Khi dữ liệu được di chuyển trên một khoảng cách dài hơn, hoặc từ một thiết bị từ xa , quá<br /> trình này được gọi là truyền thông dữ liệu.<br /> Điều khiển<br />  Cuối cùng , phải có kiểm soát của ba chức năng . Lúc đó, kiểm soát này được thực hiện bởi<br /> các cá nhân ( những) người cung cấp máy tính với các hướng dẫn .<br />  Trong máy tính, một đơn vị kiểm soát quản lý các nguồn tài nguyên của máy tính và tổ<br /> chức hợp hiệu suất của các bộ phận chức năng của mình để đáp ứng với những lệnh.<br /> Cấu trúc<br />  Các máy tính tương tác trong một số thời trang với môi trường bên ngoài của nó .<br /> <br />  Nói chung , tất cả các mối liên hệ của nó với môi trường bên ngoài có thể được phân loại<br /> như các thiết bị ngoại vi hoặc đường dây thông tin liên lạc .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> hình 1.2. Máy tính<br />  Cấu trúc bên trong của máy tính riêng của nó , được thể hiện trong hình 1.3. bốn thành<br /> phần cấu trúc chính .<br />  đơn vị xử lý trung tâm (CPU ) : Điều khiển hoạt động của máy tính và thực hiện các<br /> chức năng xử lý dữ liệu của nó ; thường được gọi đơn giản như bộ xử lý .<br />  Bộ nhớ chính : Lưu trữ dữ liệu .<br />  I / O : Di chuyển dữ liệu giữa máy tính và môi trường bên ngoài của nó .<br />  Hệ thống kết nối: Một số cơ chế cung cấp cho truyền thông giữa CPU , bộ nhớ chính ,<br /> và I / O . Một ví dụ phổ biến của hệ thống kết nối là bằng phương tiện của một hệ<br /> thống Bus, bao gồm một số tiến dây mà tất cả các thành phần khác đính kèm .<br /> Có thể có một hoặc nhiều từng thành phần nói trên . Theo truyền thống , chỉ có một bộ xử lý<br /> duy nhất. Trong những năm gần đây , đã có gia tăng sử dụng nhiều bộ xử lý trong một máy tính<br /> duy nhất.<br /> <br /> hình 1.3. máy tính : Cơ cấu Top-Level<br /> Thú vị nhất và trong một số các các thành phần phức tạp nhất là CPU . thành phần cấu trúc<br /> chính của nó là như sau :<br />  Control unit : Điều khiển các hoạt động của CPU .<br />  Số học và logic đơn vị ( ALU ) : Thực hiện các chức năng xử lý dữ liệu của máy tính<br />  Registers : Cung cấp lưu trữ nội bộ của CPU<br />  CPU interconnection(CPU kết nối): Một số cơ chế cung cấp cho truyền thông giữa các<br /> thiết bị điều khiển , ALU , và Registers<br /> <br /> 2.sự phát triển Máy tính<br /> <br /> và Hiệu suất<br /> <br /> 2.1. Tóm tắt lịch sử của máy tính<br />  Tóm tắt lịch sử của máy tính Thế hệ đầu tiên: ống chân không<br />  ENIAC : Các ENIAC (Electronic Numerical Integrator và máy tính ) , được thiết kế và xây<br /> dựng tại Đại học Pennsylvania , là mục đích chung điện tử máy tính kỹ thuật số đầu tiên<br /> trên thế giới .<br />  Dự án này là một phản ứng với nhu cầu của Hoa Kỳ trong Thế chiến II .<br />  John Mauchly và John Eckert<br />  Bắt đầu năm 1943 và hoàn thành năm 1946. Quá muộn cho nỗ lực chiến tranh .<br />  Được sử dụng cho đến năm 1955<br />  Thập phân ( không phải nhị phân )<br />  20 ắc quy của 10 chữ số<br />  Lập trình bằng tay bằng cách<br /> <br /> chuyển mạch và cắm và cáp rút .<br />  18.000 ống chân không<br />  30 tấn<br />  15.000 feet vuông<br />  tiêu thụ điện 140 kW<br />  5000 bổ sung mỗi lần<br /> <br /> thứ hai<br />  von Neumann / Turing<br />  chương trình làm thay đổi cho ENIAC là vô cùng tẻ nhạt<br />  Một máy tính có thể nhận được hướng dẫn của nó bằng cách đọc chúng từ bộ nhớ và một<br /> chương trình có thể được thiết lập hoặc thay đổi bằng cách thiết lập các giá trị của một<br /> phần bộ nhớ .<br />  Ý tưởng này , được biết đến như là khái niệm lưu trữ chương trình .<br />  Ấn phẩm đầu tiên của ý tưởng là trong một đề nghị năm 1945, von Neumann cho một máy<br /> tính mới, EDVAC (Electronic Discrete máy tính biến ) .<br />  Alan Turing phát triển các ý tưởng tại cùng một thời điểm<br />  Năm 1946 , von Neumann và các đồng nghiệp của ông bắt đầu thiết kế một máy tính<br /> chương trình được lưu trữ mới , được gọi là máy tính IAS , tại Viện Princeton nghiên cứu<br /> cao cấp .<br />  Các máy tính IAS , mặc dù không hoàn thành cho đến năm 1952, nhưng là nguyên mẫu<br /> của tất cả các máy tính mục đích chung sau này.<br />  Nó bao gồm<br />  Một bộ nhớ chính , trong đó lưu trữ dữ liệu và hướng dẫn.<br />  Một số học và logic đơn vị ( ALU ) có khả năng hoạt động trên dữ liệu nhị phân<br />  Một đơn vị kiểm soát, trong đó dịch các lệnh trong bộ nhớ và làm cho chúng được<br /> thực thi.<br />  Đầu vào và đầu ra ( I / O ) thiết bị điều hành bởi các đơn vị kiểm soát<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> hình 2.1 Cấu trúc của máy tính IAS<br /> Với trường hợp ngoại lệ hiếm hoi , tất cả các máy tính ngày nay có cấu trúc này chung<br /> giống nhau và chức năng và do đó được gọi là máy von Neumann.<br /> Bộ nhớ của IAS bao gồm 1.000 địa điểm lưu trữ , gọi là từ nhớ, gồm 40 chữ số nhị phân<br /> (bit ).<br /> Cả hai dữ liệu và hướng dẫn được lưu trữ ở đó . Các số được biểu diễn dưới dạng nhị phân ,<br /> và mỗi lệnh là một mã nhị phân .<br /> Mỗi số được đại diện bởi một bit dấu và một giá trị 39 -bit .<br /> Một chữ cũng có thể chứa hai hướng dẫn 20 -bit , với mỗi chỉ dẫn bao gồm một mã hoạt<br /> động 8 - bit ( opcode ) xác định các hoạt động được thực hiện và một địa chỉ(address) 12<br /> -bit chỉ định một trong các từ trong bộ nhớ ( số 0-999 ) .<br /> <br /> hình 2.2 Định dạng thẻ nhớ IAS<br /> <br />