Chương 2: Tổ chức hệ thống máy tính

Chia sẻ: Dao Tu | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

240
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): điều khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu Bộ nhớ chính (Main Memory): chứa các chương trình và dữ liệu đang được sử dụng Hệ thống vào ra (Input/Output System): trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài. Liên kết hệ thống (System Interconnection): kết nối và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 2: Tổ chức hệ thống máy tính

Chương 2: Tổ chức hệ thống máy tính
NỘI DUNG Biểu diễn dữ liệu trong máy tính I. Tổ chức hệ thống máy tính II. Kiến trúc chung của máy tính điện t ử I. Bộ xử lý II. Bộ nhớ III. Tổ chức vào ra IV. 2 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
ĐƠN VỊ ĐIỀU KHIỂN Bus địa chỉ (Control Unit) ĐƠN VỊ XỬ LÝ SỐ HỌC VÀ LOGIC Bus dữ liệu (ALU) CÁC THANH GHI Bus điều khiển (Register) Bộ nhớ trong Ngoại vi 3 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
... 2.2 Bộ xử lý - Processors 4 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
Các thành phần cơ bản của máy tính Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): điều  khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu Bộ nhớ chính (Main Memory): chứa các chương trình  và dữ liệu đang được sử dụng Hệ thống vào ra (Input/Output System): trao đổi thông  tin giữa máy tính với bên ngoài. Liên kết hệ thống (System Interconnection): kết nối và  vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau 5 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
2.1 Kiến trúc chung của máy tính điện tử 6 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
2.1 Kiến trúc chung của máy tính điện tử • Trước tiên số liệu được đưa vào bộ nhớ trong • Lệnh đầu tiên trong bộ nhớ đưa vào CU • CU giải mã lệnh, nếu cần toán hạng  xác định địa chỉ toán hạng • CU phát tín hiệu tới các thành phần cần thiết để lấy toán hạng về, đưa vào thanh ghi trong ALU • CU phát tín hiệu điều khiển ALU thực hiện phép toán. Kết quả đặt tại ALU/Bộ nhớ trong • Thực hiện lệnh tiếp theo tương tự. 7 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
2.2.1 Sự thi hành các chỉ thị 1. Lấy (Fetch) chỉ thị tiếp theo từ trong bộ nhớ đặt vào thanh ghi chỉ thị (IR). 2. Thay đổi con đếm chương trình (PC) để trỏ tới chỉ thị tiếp theo. 3. Xác định kiểu của chỉ thị vừa lấy về. 4. Nếu chỉ thị sử dụng dữ liệu trong bộ nhớ thì xác định vị trí của dữ liệu. 5. Lấy dữ liệu về nếu có, đặt vào các thanh ghi bên trong CPU. 6. Thi hành chỉ thị. 7. Chứa kết quả vào nơi thích hợp. 8. Trở lại bước 1 để bắt đầu thi hành chỉ thị tiếp theo Chu kỳ lấy lệnh - giải mã lệnh - thi hành lệnh. 8 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
2.2.2 Tổ chức CPU Đường dữ liệu của một CPU đang thực hiện phép tính cộng 2 toán hạng A và B 9 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
... 2.2.2 Tổ chức CPU – phân loại chỉ thị theo toán hạng Toán hạng: nằm trong tập các thanh ghi đệm hoặc trong bộ nhớ • Thanh ghi – bộ nhớ: Lấy một toán hạng trong bộ nhớ về, đặt vào một thanh ghi đệm nhất định, còn toán hạng thứ hai đang nằm trong một thanh ghi nào đó, sau đó chúng sẽ được ALU sử dụng. • Thanh ghi – thanh ghi: Các lệnh sẽ nhận 2 toán hạng từ các thanh ghi đệm, đưa chúng vào các thanh ghi vào của ALU, thực hiện các thao tác trên các toán hạng này sau đó đưa kết quả trở lại các thanh ghi đệm. • Bộ nhớ - bộ nhớ: Các lệnh sẽ nhận các toán hạng từ bộ nhớ vào trong các thanh ghi vào của ALU, thực hiện các thao tác tính toán trên các toán hạng này rồi gửi kết quả trở lại bộ nhớ. 10 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
Kiến trúc RISC và CISC • Kiến trúc CISC: (Complex Instructions Set Computer - Máy tính v ới t ập lệnh phức tạp) • Tập lệnh có nhiều lệnh • Dạng lệnh phức: mỗi lệnh có thể thực hiện nhiều thao tác đơn. Lệnh được thực hiện trong nhiều chu kỳ đồng hồ. • Độ dài của lệnh thay đổi. • Sự phức tạp của lệnh nằm trong mã vi lệnh (MicroCode). Trình biên dịch ít làm việc hơn (để chuyển các câu lệnh HLL thành ngôn ng ữ Assembly) • Có thể sử dụng nhiều lệnh để truy cập bộ nhớ • Có nhiều chế độ địa chỉ • Tập thanh ghi ít hơn 11 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
Kiến trúc RISC và CISC • Kiến trúc RISC: (Reduced Instructions Set Computer - Máy tính với t ập lệnh đơn giản hóa) • Tập lệnh có ít lệnh • Dạng lệnh đơn (tất cả các lệnh): mỗi lệnh chỉ thực hiện được một thao tác dơn. Và chỉ trong một chu kỳ đồng hồ, có thể thực hiện được nhiều lệnh trong cùng một chu kỳ đồng hồ. • Độ dài của lệnh cố định (32bit) • Sự phức tạp của lệnh nằm trong trình biên dịch • Các bộ vi xử lý RISC phổ biến là ARM, SuperH, MIPS, SPARC, DEC Alpha, PA-RISC, PIC, và PowerPC của IBM. 12 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
Kiến trúc RISC và CISC ? Trong hai loại kiến trúc RISC và CISC: • Bộ điều khiển của kiến trúc nào phức tạp hơn? • Chi phí thiết kế của loại nào đắt hơn? • Loại nào có tốc độ tính toán cao hơn? Vì sao? • Chương trình của kiến trúc nào dài hơn? Vì sao? • Loại nào hỗ trợ cho ngôn ngữ bậc cao tốt hơn? • Chương trình dịch của loại nào đơn giản hơn? 13 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
... 2.2.3 Sự thực hiện song song các lệnh • Mục đích: Tăng tốc độ thực hiện • Cách tiếp cận khác: XD máy tính nhiều ALU tốc độ thấp hoặc nhiều CPU để đạt công suất tính toán cao, giá thấp Ba nhóm máy tính song song: 1. SISD (Single Instruction stream, Single Data stream): Máy tính có m ột dòng chảy của lệnh và một dòng chảy của dữ liệu. 2. SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data stream): Máy tính có m ột dòng chảy của lệnh và nhiều dòng chảy của dữ liệu. 3. MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream): Máy tính có nhiều dòng chảy của lệnh và nhiều dòng chảy của dữ liệu. 14 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
2.2.3.1 Máy tính loại SISD – CDC6600 • 2 ALU để thực hiện phép toán cộng, 1 ALU thực hiện phép toán trừ, 1 ALU thực hiện phép toán nhân, 1 ALU thực hiện phép toán chia. • Hiệu quả cao khi thời gian thực hiện một lệnh lớn hơn nhiều thời gian lấy lệnh về (fetch). VD trong các tính toán số dấu ph ảy động. 15 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
... 2.2.3.1 Máy tính loại SISD – MT đường ống • Ý tưởng: chia việc thực hiện mỗi lệnh thành nhiều giai đoạn, CPU bao gồm một số đơn vị chức năng, mỗi đơn vị chức năng sẽ thực hiện một giai đoạn của quá trình thực hiện m ột l ệnh. • Tốc độ tăng lên 5 lần. 16 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
... 2.2.3.1 Máy tính loại SISD – MT đường ống • Câu hỏi: Tại sao máy tính pipeline có sử dụng cơ chế song song bên trong nhưng nó vẫn thuộc loại SISD 17 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
2.2.3.2 Máy tính loại SIMD – máy tính vector • Thao tác song song trên nhiều tập dữ liệu  vd giải các bài toán dự báo thời tiết, chẳng hạn tính toán nhi ệt đ ộ trung bình hàng ngày trong suốt 24 giờ của nhiều địa điểm; Đối với m ỗi địa điểm công việc tính toán là như nhau, nhưng t ập dữ li ệu là khác nhau. 18 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
2.2.3.3 Máy tính loại MIMD • Nhiều CPU, mỗi CPU thực hiện một chương trình khác nhau, các CPU cùng chia sẻ một vùng nhớ chung • VD hệ thống máy tính phục vụ việc đặt chỗ trong ngành hàng không. 19 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ
2.3 Bộ nhớ 2.3.1 Một số đơn vị dung lượng bộ nhớ: • Đơn vị cơ sở - Bit • Bộ nhớ bao gồm các ô nhớ có cùng kích thước (tức là cùng số bit), Mỗi ô nhớ được gán một địa chỉ duy nhất. • Bộ nhớ có n ô nhớ  miền địa chỉ từ 0 tới n-1. • Hầu hết các máy vi tính có kích thước ô nhớ là 8 bit (1 byte), các byte lại được nhóm lại thành word (từ). • Mỗi word gồm số byte mà hầu hết các lệnh của bộ xử lý thao tác như một đơn vị (thao tác làm một lần). 20 / 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ