ĐH Sưphạm Kỹthuật Vinh 5 August 2010
L.T.Vinh 1
5 August 2010 1
Kiến trúc máy tính
Computer Organization And Architecture
TS. Lê ThếVinh
Bài giảng
TRƯỜNG ĐH SƯPHẠM KỸTHUẬT VINH
KHOA ĐIỆN TỬ
5 August 2010 2
N
ộ
i
dung
1. Giới thiệu
2. Bộvi xửlý
3. Ghép nối máy tính với các T.Bị
Tài liệu tham khảo:
[1]. NguyễnĐình Việt, Kiến trúc máy tính, NXB Giáo dục, 2000
[2]. Võ Văn Chín, BG Kiến trúc máy tính, ĐH Cần thơ, 1997
[3]. Trần ThịKim Huệ, BG Kiến trúc máy tính, ĐH Sưphạm Hà Nội, 2008
[4]. Trần Quang Vinh, Cấu trúc máy tính, NXB Giáo dục, 2003
[5]. M. Morris Mano (Atmiya Infotech), Computer Organization & Architecture, E-book
[6]. MIT, Computer System Architecture, 2005, OpenCourseWare
5 August 2010 3
1. Giới thiệu
+ Kiến trúc máy tính nói vềthiết kế, các khái niệm, cấu trúc hoạt
động căn bản của một hệthống máy tính (wiki)
+ "Computer Systems and Architecture" is a study of the
evolution of computer architecture and the factors
influencing the design of hardware and software elements of
computer systems. Topics may include: instruction set
design; processor micro-architecture and pipelining; cache
and virtual memory organizations; protection and sharing;
I/O and interrupts; in-order and out-of-order superscalar
architectures; VLIW machines; vector supercomputers;
multithreaded architectures; symmetric multiprocessors; and
parallel computers. (MIT)
1.1. Kiến trúc máy tính
5 August 2010 4
1. Giới thiệu
1.1. Máy tính
Personal Computer -PC
5 August 2010 5
1. Giới thiệu
1.1. Máy tính
Vector supercomputers
5 August 2010 6
1. Giới thiệu
1.1. Máy tính
Symmetric multiprocessors
ĐH Sưphạm Kỹthuật Vinh 5 August 2010
L.T.Vinh 2
5 August 2010 7
1. Giới thiệu
1.1. Máy tính
Parallel computers
5 August 2010 8
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính
Computer
Computer
CPU Main
memory
I/O
unit
System
interconnection
CPU
Registers ALU
CU
Internal CPU
Interconnection
CU
Sequencing
logic CU register &
decoders
Control
memory
Sơ đồkhối
5 August 2010 9
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính
7 lớp chức năng
5 August 2010 10
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Mức transistor và dây
nối
+Là mức thấp nhất của
kiến trúc chức năng của
máy tính.
+Các ống bán dẫn là
thành phần tích cực
chính cùng với mạch
nối dây tạo nên các
mạch logic số ở mức
trên
5 August 2010 11
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Mức mạch logic số
+Các mạch logic sốthực
hiện các hàm logic cơbản
củađại sốBoolean
+Là các mạch cổng:
AND,OR, XOR, NOT…
+Mạch chốt, mạch mã
(Coder), mạch giải mã
(Decoder).
+Mạch phần tửnhớ
(Flip_Flop)
5 August 2010 12
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Mức mạch logic số:Ví dụ
Collector
Base
EmitterSwitch
Base High (+5v hay 1): Tạo kết nối
Base Low (0v hay 0): Ngắt kết nối
50 tỉtransistor trên một chip 1cm2
ĐH Sưphạm Kỹthuật Vinh 5 August 2010
L.T.Vinh 3
5 August 2010 13
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Mức mạch logic số:Ví dụ
Input High (+5v or 1) Output Low (0v or 0)
Input Low (0v or 0) Output High (+5v or 1)
Output ngược lại với Input
+5
v
Input
Ground
Output
Cổng NOT
A
_
A
5 August 2010 14
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Mức mạch logic số:Ví dụ
Mạch tổhợp
1. Đểthiết kếcác IC: Ta dùng các thành phần logic
gọi là cổng (gate)
2. Cổng được chếtạo từmột hoặc nhiều transistor tùy
theo công nghệchếtạo
3. Ta có các cổng AND, OR, NOT, NAND, NOR,
XOR, Mạch giải mã, mạch mã hóa, mạch ưu tiên,
mạch dồn, mạch phân, mạch cộng toàn phần, mạch
lật SR
5 August 2010 15
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Mức kiến trúc vi mô
+Bao gồm các khối chức
năng như đơn vịsốhọc
logic
+Ví dụ: ALU, thanh ghi (khối
thanh ghi), tệp thanh ghi
(Register file).
+Các bộnhớ: Cache (Bộnhớ
đệm), Main (ROM, RAM).
+Các đường dẫn thông tin
(Bus bên trong)
+Đơn vịđiều khiển CU
5 August 2010 16
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Mức kiến trúc tập lệnh
+Xác định giao tiếp phần
mềm_phần cứng mà người lập
trình nhìn nhậnđượcởmức
ngôn ngữmáy
+ISA bao gồm:
©Tập lệnh máy (Instructions
Set)
©Kiểu lấyđịa chỉ(Addressing
Models)
©Khuôn dạng dữliệu (Format)
©Các nguyên tắc vận hành
(Operation prescripts)
5 August 2010 17
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Mức kiến trúc tập lệnh: Ví dụ
CHẲNG HẠN TẬP LỆNH GỒM:
1 - Gán trị
2 - Lệnh có điều kiện
3 - Vòng lặp
4 - Thâm nhập bộnhớngăn xếp
5 - Các thủtục
VD: Bậtđèn LED
ORG 2000h
MOV SP,#50h
MOV PSW,#0 ; Bank 0
CLR P1.3 ; Led on
END
5 August 2010 18
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Hệđiều hành
+Bộnhớ ảo (Virtual
Memory)
+BIOS: Hệthống vào ra cơ
bản
+Các lệnh ảo, máy tính ảo
mô phỏng quá trình xửlý
+Quản lý các các quá trình
(Process)
+Tập lệnh ảođểkết nối
mạng hay xửlý song song
ĐH Sưphạm Kỹthuật Vinh 5 August 2010
L.T.Vinh 4
5 August 2010 19
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Hợp ngữ
+Là ngôn ngữmáy phụthuộc
vào phần cứng
+Dạng ký tựtượng trưng của
ngôn ngữmáy dùng với một số
vi lệnh (Micro Instruction) và
các thủtục (Procedure)
+Các chương trình viếtởdạng
hợp ngữcó thểcan thiệp vào
phần cứng của máy tính
5 August 2010 20
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Hợp ngữ:Ví dụ
Ngôn ngữ
lập trình
Ví dụ:
ORG 2000H
MOV SP,#50H
MOV PSW,#00H
CLR P1,00H ; LED on
; SETB P1,0FH ;LED off
END
5 August 2010 21
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Ngôn ngữhướng đối tượng,
hướng bài toán ứng dụng
+Là các ngôn ngữbậc cao C,
C++,Pascal...
+Các ngôn ngữmô tả: HTML,
XML…
+Các ngôn ngữthủtục (scripts):
Java scripts, Visual Basic, C#...
5 August 2010 22
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính 7 lớp chức năng
Ngôn ngữhướng đối tượng: Ví dụ
1. §èi t- îng (Object)
2. Sù kiÖn (Event)
3. Thuéc tÝnh (Properties)
4. Ph- ¬ng thøc (Method)
5. Líp (Class)
5 August 2010 23
1. Giới thiệu
Trao đổi
5 August 2010 24
1. Giới thiệu
1.1. Kiến trúc máy tính Mô hình kiến trúc
máy tính
Các máy tính điện tửsố
thường có 2 loại kiến
trúc
Von Neumann
Harvard
ĐH Sưphạm Kỹthuật Vinh 5 August 2010
L.T.Vinh 5
5 August 2010 25
1. Giới thiệu
1.2. Các thếhệmáy tính
Sựphát triển của máy tính chia ra 4 thếhệ:Sựtiến bộcủa
các công nghệchếtạo các linh kiện cơbản của máy tính như:
bộxửlý, bộnhớ, các ngoại vi,…- đặc trưng bằng một sựthay
đổi cơbản vềcông nghệ
• Thếhệ1: (1946-1955) Máy tính dùng đèn chân không
(Vacumm Tube)
• Thếhệ2: (1955-1965) Máy tính dùng Transitor
• Thếhệ3: (1966 – 1980) Máy tính dùng mạch tích hợp IC
(Intergrated Circuit)
• Thếhệ4: (1980 - nay) Máy tính dùng mạch tích hợp cực lớn
VLSI (Very Large Scale Intergrated )
5 August 2010 26
1. Giới thiệu
1.2. Các thếhệmáy tính
Máy tính ENIAC
(Electronic Numerical Integrator and
Computer)
Tg xây dựng: 1943-1946,
được sửdụng đến 1955 (thầy
trò Eckert và Mauchly, ĐH
Pennsylvania, USA)
Đặcđiểm chính:
- Nặng 30 tấn, V~160m3
(20x2x2m) và P= 140kW.
- 5000 nghìn phép cộng/s.
- Sửdụng hệthập phân.
- Lập trình bằng công tắc.
- Sửdụng 18000 bóng đèn
điện tử(vacuum tubes)
=> Sau đó: GS toán học John Von Neumann đã
đưa ra ý tưởng thiết kếmáy tính IAS (Princeton
Institute for Advanced Studies)
5 August 2010 27
1. Giới thiệu
1.2. Các thếhệmáy tính
Máy tính Von Neumann
• Máy tính IAS
• Máy có mô hình cơbản là máy tính này nay
• Thếkế1947 hoàn thành 1952
5 August 2010 28
1. Giới thiệu
1.2. Các thếhệmáy tính
Máy tính Harvard
Tách bộnhớdữliệu và bộnhớ
chương trình=> CPU có thểvừađọc
một lệnh, vừa truy cập dữliệu từbộ
nhớcùng lúc.
Bus riêng đểtruy cập vào bộnhớ
dữliệu và bộnhớchương trình.
Các bus điều hành độc lập
Chạy nhanh hơn, bởi vì nó có thể
thực hiện ngay lệnh tiếp theo khi
vừa kết thúc lệnh trướcđó.
5 August 2010 29
1. Giới thiệu
1.2. Các thếhệmáy tính
So sánh:
Mô hình kiến trúc
Harvard
và Von Neumann?
5 August 2010 30
1. Giới thiệu
1.2. Các thếhệmáy tính
Máy tính thếhệ4 (1980- nay):
• Các sản phẩm của công nghệVLSI(Very Large Scale
Integrated)
• Bộvi xửlý được chếtạo trên một con chip
• Vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset)
• Bộnhớbán dẫnđộc lập( ROM, RAM) thiết kếthành Module
• Các bộvi điều khiển chuyên dụng.
• Bộvi xửlý đầu tiên của Intel 4004 năm1971
• Bộxửlý được coi hoàn thiện nhất là 8088/8086 năm
1978,1979 đây được coi là ngày sinh nhật của các máy tính sau
này