Giáo trình Cấu trúc máy tính - Nghề: Quản trị mạng - CĐ Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa-Vũng Tàu

Chia sẻ: Ochuong_999 Ochuong_999 | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:135

Thêm vào BST

Báo xấu

74
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Mục tiêu của môn học là cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ sở của cấu trúc máy tính, bao gồm bao gồm cấu trúc máy tính tổng quát, cấu trúc bộ xử lý trung tâm và các thành phần của bộ xử lý trung tâm, cấu trúc tập lệnh máy tính, cơ chế ống lệnh; hệ thống phân cấp của bộ nhớ, bộ nhớ trong, bộ nhớ cache và các loại bộ nhớ ngoài; hệ thống bus và các thiết bị vào ra.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cấu trúc máy tính - Nghề: Quản trị mạng - CĐ Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa-Vũng Tàu

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BR – VT TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CẤU TRÚC MÁY TÍNH NGHỀ : QUẢN TRỊ MẠNG TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG MẠNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐCĐN… ngày…….tháng….năm ......... …………........... của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề tỉnh BR VT Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2015 1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2
LỜI GIỚI THIỆU Cấu trúc máy tính là một trong các lĩnh vực khoa học cơ sở của ngành Khoa học máy tính nói riêng và Công nghệ thông tin nói chung. Cấu trúc máy tính là khoa học về lựa chọn và ghép nối các thành phần phần cứng của máy tính nhằm đạt được các mục tiêu về hiệu năng cao, tính năng đa dạng và giá thành thấp. Môn học Cấu trúc máy tính là môn học cơ sở chuyên ngành trong chương trình đào tạo công nghệ thông tin hệ đại học và cao đẳng. Mục tiêu của môn học là cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ sở của cấu trúc máy tính, bao gồm bao gồm cấu trúc máy tính tổng quát, cấu trúc bộ xử lý trung tâm và các thành phần của bộ xử lý trung tâm, cấu trúc tập lệnh máy tính, cơ chế ống lệnh; hệ thống phân cấp của bộ nhớ, bộ nhớ trong, bộ nhớ cache và các loại bộ nhớ ngoài; hệ thống bus và các thiết bị vào ra. Cấu trúc máy tính là một lĩnh vực đã được phát triển trong một thời gian tương đối dài với lượng kiến thức đồ sộ, nhưng do khuôn khổ của tài liệu có tính chất là bài giảng môn học, tác giả cố gắng trình bày những vấn đề cơ sở nhất phục vụ mục tiêu môn học. Nội dung của tài liệu được biên soạn thành sáu chương: Chương 5 là phần đại cương giới thiệu các khái niệm cơ sở của cấu trúc máy tính, như lịch sử máy tính, cách phân loại, các thành quả của máy tính và khái niệm thông tin , các hệ đếm và cách tổ chức dữ liệu trên máy tính cũng được trình bày trong chương này. Chương 2 giới thiệu về khối xử lý trung tâm, nguyên tắc hoạt động và các thành phần của nó. Khối xử lý trung tâm là thành phần quan trọng và phức tạp nhất trong máy tính, đóng vai trò là bộ não của máy tính. Thông qua việc thực hiện các lệnh của chương trình bởi khối xử lý trung tâm, máy tính có thể thực thi các yêu cầu của người sử dụng. Chương 3 giới thiệu về tập lệnh của máy tính, bao gồm các khái niệm về lệnh, dạng lệnh, các thành phần của lệnh; các dạng địa chỉ và các chế độ địa chỉ. Chương cũng giới thiệu một số dạng lệnh thông dụng kèm ví dụ minh hoạ. 3
Ngoài ra, cơ chế ống lệnh – xử lý xen kẽ các lệnh cũng được đề cập. Chương 4 trình bày về bộ nhớ trong: khái quát về hệ thống bộ nhớ và cấu trúc phân cấp của hệ thống nhớ; giới thiệu các loại bộ nhớ ROM và RAM. Một phần rất quan trọng của chương là phần giới thiệu về bộ nhớ cache một bộ nhớ đặc biệt có khả năng giúp tăng tốc hệ thống nhớ nói riêng và cả hệ thống máy tính nói chung. Chương 4 giới thiệu về bộ nhớ ngoài, bao gồm các loại đĩa từ, đĩa quang, các hệ thống RAID, NAS và SAN. Bộ nhớ ngoài là dạng bộ nhớ thường có dung lượng lớn và dùng để lưu trữ thông tin ổn định, không phụ thuộc nguồn điện nuôi. Chương 5 trình bày về hệ thống bus và các thiết bị ngoại vi. Phần trình bày về hệ thống bus đề cập đến các loại bus như ISA, EISA, PCI, AGP và PCIExpress. Tài liệu được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy môn học Cấu trúc máy tính, kết hợp tiếp thu các đóng góp của đồng nghiệp và phản hồi từ sinh viên. Tài liệu có thể được sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên hệ cao đẳng các ngành công nghệ thông tin. Trong quá trình biên soạn, mặc dù tác giả đã rất cố gắng song không thể tránh khỏi có những thiếu sót. Tác giả rất mong muốn nhận được ý kiến phản hồi và các góp ý cho các thiếu sót, cũng như ý kiến về việc cập nhật, hoàn thiện nội dung của tài liệu. 4
MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ................................................................................................. 2 CHƯƠNG 1 : ĐẠI CƯƠNG .............................................................................................. 9 5
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã số của môn học: MH 13 Thời gian của môn học: 75 giờ ; (Lý thuyết: 40 giờ; Thực hành: 35 giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MÔN HỌC: Vị trí:Môn học được bố trí sau khi sinh viên học xong các môn học chung, các môn học cơ sở chuyên ngành đào tạo chuyên môn nghề trước các môn học chuyên môn nghề như lắp ráp; Sửa chữa máy tính… Tính chất: Là môn học chuyên ngành bắt buộc. II. MỤC TIÊU MÔN HỌC: - Trình bày được lịch sử của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính. - Trình bày được các thành phần cơ bản của kiến trúc máy tính, các tập lệnh. Các kiểu kiến trúc máy tính: mô tả kiến trúc, các kiểu định vị. - Trình bày được cấu trúc của bộ xử lý trung tâm: tổ chức, chức năng và nguyên lý hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý. Mô tả diễn tiến thi hành một lệnh mã máy và một số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng. - Nêu được chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ. - Trình bày được phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài. - Vận dụng các kiến thức khi tiếp cận những công nghệ phần cứng mới. III. NỘI DUNG MÔN HỌC: 1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: Thời gian Số Lý Thự Tên chương mục Tổn TT thuyế c g số t hành 6
I Tổng quan 15 7 7 1 Các thế hệ máy tính 4 2 2 2 Phân loại máy tính 2 2 0 3 Thành quả của máy tính 1 1 0 4 Thông tin và sự mã hoá 7 2 5 5 Kiểm tra chương 1 1 II Kiến trúc phần mềm bộ xử lý 15 8 7 1 Thành phần cơ bản của một máy tính 3 2 1 2 Định nghĩa kiến trúc máy tính 1 1 0 3 Kiểu thi hành một lệnh 2 1 1 4 Kiểu kiến trúc thanh ghi đa dụng 0.25 0.25 0 5 Tập lệnh 3 1.5 1.5 6 Toán hạng 0.25 0.25 0 7 Kiến trúc RISC( Reduced Instruction Set Computer) 0.5 0.5 0 8 Kiểu định vị trong các bộ xử lý RISC 3 1.5 1.5 9 Kiểm tra chương 2 2 III Tổ chức bộ xử lý 12 6 4 1 Đường đi dữ liệu 1 1 0 2 Bộ điều khiển 1 1 0 3 Diễn tiến thi hành lệnh mã máy 2 1 1 4 Ngắt 2 1 1 5 Kỹ thuật ống dẫn 2 1 1 6 Ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng 2 1 1 Kiểm tra chương 2 2 IV Bộ nhớ 15 9 5 1 Các loại bộ nhớ 4 4 0 2 Các cấp bộ nhớ 4 2 2 3 Cách truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ 3 1 2 4 Hiểu về bộ nhớ Cache và cách tổ chức bộ nhớ 3 2 1 Cache trong CPU Kiểm tra chương 1 1 V Thiết bị nhập xuất 18 10 6 1 Đĩa từ 3 2 1 2 Đĩa quang 3 2 1 3 RAID (Redundant Array of Independent Disks) 3 1 2 7
4 Băng từ 1 1 0 5 Các chuẩn về BUS 2 2 0 6 An toàn dữ liệu trong lưu trữ 4 2 2 7 Kiểm tra chương 2 2 8
CHƯƠNG 1 : ĐẠI CƯƠNG Giới thiệu Mục tiêu: - Trình bày được lịch sử phát triển của máy tính. - Trình bày được các thành phần cơ bản của một máy vi tính. - Trình bày được các thành tựu của máy tính. - Trình bày đ ượ c khái ni ệ m v ề thông tin. - Trình bày các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự. Nội dung 1. Các thế hệ máy tính. 1.1. Lịch sử máy tính Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các ngoại vi,.. .Ta có thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển từ thế hệ trước sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về công nghệ. Thế hệ đầu tiên (19461957) 9
Hình 1.1: Máy tính ENIAC ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính điện tử số đầu tiên do Giáo sư Mauchly và người học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania thiết kế vào năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946. Đây là một máy tính khổng lồ với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét. ENIAC bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự động, cân nặng 30 tấn, và tiêu thụ 140KW giờ. Nó có 20 thanh ghi 10 bit (tính toán trên số thập phân). Có khả năng thực hiện 5.000 phép toán cộng trong một giây. Công việc lập trình bằng tay bằng cách đấu nối các đầu cắm điện và dùng các ngắt điện. Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính IAS (Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình được lưu trong bộ nhớ, bộ điều khiển sẽ lấy lệnh và biến đổi giá trị của dữ liệu trong phần bộ nhớ, bộ làm toán và luận lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) được điều khiển để tính toán trên dữ liệu nhị phân, điều khiển hoạt động của các thiết bị vào ra. Đây là một ý tưởng nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay. Máy tính này còn được gọi là máy tính Von Neumann. Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiên được đưa ra thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được bán ra. Thế hệ thứ hai (19581964) Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947 và do đó thế hệ thứ hai của máy tính được đặc trưng bằng sự thay thế các đèn điện tử bằng các transistor lưỡng cực. Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor mới xuất hiện trên thị trường. Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn. Vào thời điểm này, mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ được dùng. Ngôn ngữ cấp cao xuất hiện (như FORTRAN năm 1956, 10
COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) và hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing) được dùng. Trong hệ điều hành này, chương trình của người dùng thứ nhất được chạy, xong đến chương trình của người dùng thứ hai và cứ thế tiếp tục. Thế hệ thứ ba (19651971) Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạch kết (mạch tích hợp IC: Integrated Circuit). Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale Integration) có thể chứa vài chục linh kiện và kết độ tích hợp mật độ trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp. Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ. Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng. Thế hệ thứ tư (1972????) Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large Scale Integration) có thể chứa hàng ngàn linh kiện. Các IC mật độ tích hợp rất cao (VLSI: Very Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiện trên mạch. Hiện nay, các chip VLSI chứa hàng triệu linh kiện. Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và phần điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy vi tính đã được chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân. Các bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi. Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý của máy tính không ngừng được phát triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,... Việc chuyển từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ 5 còn chưa rõ ràng. Người Nhật đã và đang đi tiên phong trong các chương trình nghiên cứu để cho ra đời 11
thế hệ thứ 5 của máy tính, thế hệ của những máy tính thông minh, dựa trên các ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG,... và những giao diện người máy thông minh. Đến thời điểm này, các nghiên cứu đã cho ra các sản phẩm bước đầu và gần đây nhất (2004) là sự ra mắt sản phẩm người máy thông minh gần giống với con người nhất: ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: Bước chân tiên tiến của đổi mới và chuyển động). Với hàng trăm nghìn máy móc điện tử tối tân đặt trong cơ thể, ASIMO có thể lên/xuống cầu thang một cách uyển chuyển, nhận diện người, các cử chỉ hành động, giọng nói và đáp ứng một số mệnh lệnh của con người. Thậm chí, nó có thể bắt chước cử động, gọi tên người và cung cấp thông tin ngay sau khi bạn hỏi, rất gần gũi và thân thiện. Hiện nay có nhiều công ty, viện nghiên cứu của Nhật thuê Asimo tiếp khách và hướng dẫn khách tham quan như: Viện Bảo tàng Khoa học năng lượng và Đổi mới quốc gia, hãng IBM Nhật Bản, Công ty điện lực Tokyo. Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý chuyển động bằng hai chân. Cho tới nay, hãng đã chế tạo được 50 robot ASIMO. Các tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSI đã cho phép thực hiện các mạch vi xử lý ngày càng mạnh (8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit với việc xuất hiện các bộ xử lý RISC năm 1986 và các bộ xử lý siêu vô hướng năm 1990). Chính các bộ xử lý này giúp thực hiện các máy tính song song với từ vài bộ xử lý đến vài ngàn bộ xử lý. Điều này làm các chuyên gia về kiến trúc máy tính tiên đoán thế hệ thứ 5 là thế hệ các máy tính xử lý song song. 1.2. Máy tính hiện tại và tương lai Các nhà khoa học về máy tính đều thừa nhận máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ máy tính tương lai. Vậy máy tính lượng tử đang phát triển ở mức độ nào và con người sẽ khai thác năng lượng 12
từ cơ học lượng tử như thế nào? Đó là mối quan tâm của không chỉ người sử dụng máy tính mà còn là mối quan tâm của các nhà nghiên cứu và hãng máy tính. Ý tưởng máy tính lượng tử được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1980 bởi nhà toán học người Đức gốc Nga Yuri Manin bằng cách sử dụng các hiệu ứng chồng chập và vướng víu lượng tử để thực hiện các tính toán trên dữ liệu đưa vào. Khác với máy tính kỹ thuật số dựa trên tranzitor đòi hỏi cần phải mã hóa dữ liệu thành các chữ số nhị phân, mỗi số được gán cho 1 trong 2 trạng thái nhất định là 0 hoặc 1, tính toán lượng tử sử dụng các bit lượng tử ở trong trạng thái chồng chập để tính toán. Điều này có nghĩa là ở cùng một thời điểm, 1 bit lượng tử đơn vị cơ bản của thông tin trong điện toán, viết tắt là qubit có thể có giá trị 0 và 1. Về mặt lý thuyết, một máy tính có nhiều qubit có khả năng xử lý một lượng tác vụ vô cùng lớn như tính toán số học hoặc thực hiện tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu lớn (Big data) trong thời gian nhanh hơn nhiều so với các máy tính thông thường. Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đã chế tạo ra các thiết bị có khả năng thực hiện các phép tính lượng tử trên một số nhỏ qubit. Năm 2007, công ty D Wave tại Canada đã công bố chiếc máy tính lượng tử đầu tiên có khả năng thương mại hóa mang tên DWave One. Tiếp theo, DWave cho ra đời phiên bản thứ 2 của máy tính lượng tử mang tên DWave 2. Tháng 6/2011, Công ty DWave Systems, Inc., đã bán chiếc máy tính lượng tử thương mại đầu tiên cho đối tác là công ty quốc phòng Lockheed Martin (Bethesda,Maryland, Hoa Kỳ). Theo lý thuyết, DWave có khả năng giải quyết được những vấn đề mà các siêu máy tính chưa làm được trên nhiều lĩnh vực, như mật mã, công nghệ nano, trí tuệ nhân tạo... Hãng DWave mô tả đó là một cỗ máy hoạt động theo phương pháp lượng tử và có thể thực hiện tính toán. Tuy nhiên, DWave có rất ít các khách hàng do tính rủi ro. Bên cạnh đó, chưa có ai có thể sử dụng DWave để thực hiện tính toán cụ thể như các máy tính cổ điển. Gần đây, Google cũng đã bắt tay với NASA nhằm thực hiện nghiên 13
cứu điện toán lượng tử bằng cỗ máy DWave. Do đó, cho tới hiện tại, cỗ máy trên chỉ phục vụ cho công tác nghiên cứu nhằm tiếp tục phát triển lý thuyết hơn là được sử dụng thực tiễn. Smelyanskiy, nhà nghiên cứu cho dự án hợp tác nghiên cứu điện toán lượng tử giữa NASA và Google, cho biết rằng dự án vẫn chưa đạt được thành tựu đột phá và vẫn cần ít nhất là từ 15 đến 25 năm nữa để chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của DWave. Vậy khi nào chúng ta có thể sử dụng máy tính lượng tử như với máy tính cá nhân hiện nay? Theo Smelyanskiy, chúng ta sẽ khó có thể sở hữu một máy tính lượng tử trong vài thập kỷ tới. Hơn nữa, chức năng của máy tính lượng tử là giải quyết các vấn đề tính toán lớn và rất phức tạp, chứ không giống như cách chúng ta sử dụng như máy tính cá nhân truyền thống. 2. Phân loại máy tính. 2.1. Theo kích thước, công dụng ( tính năng và giá tiền) Siêu máy tính Một siêu máy tính là một máy tính vượt trội trong khả năng và tốc độ xử lý. Thuật ngữ Siêu Tính Toán được dùng lần đầu trong báo New York World vào năm 1920 để nói đến những bảng tính (tabulators) lớn của IBM làm cho trường Đại học Columbia. Siêu máy tính hiện nay có tốc độ xử lý hàng nghìn teraflop (một teraflop tương đương với hiệu suất một nghìn tỷ phép tính/giây) hay bằng tổng hiệu suất của 6.000 chiếc máy tính hiện đại nhất hiện nay gộp lại (một máy có tốc độ khoảng từ 33,8 gigaflop). Siêu máy tính cỡ nhỏ Siêu máy tính cỡ nhỏ (minisupercomputers) là một dòng máy tính xuất hiện vào giữa thập kỉ 1980. Khi việc tính toán khoa học dùng bộ xử lí vector trở nên phổ biến hơn, nhu cầu sử dụng hệ thống giá thành thấp để dùng ở cấp độ phòng ban thay vì ở cấp độ doanh nghiệp mang đến cơ hội cho các nhà kinh 14
doanh máy tính mới bước vào thị trường. Nhìn chung, mục tiêu về giá cả của các máy tính nhỏ hơn này là 1/10 các siêu máy tính lớn hơn. Đặc trưng của các máy tính này là sự kết hợp giữa xử lí vector và đa xử lí cỡ nhỏ (smallscale). Sự xuất hiện của máy trạm khoa học với giá còn thấp hơn nữa dựa trên bộ vi xử lí cùng với đơn vị dấu chấm động (floating point unit, FPU) hiệu năng cao vào thập kỉ 1990 (nhưR8000 của hãng MIPS và POWER2 của hãng IBM) đã xoá bỏ nhu cầu của dòng máy tính này. Mainframe Máy tính lớn (tiếng Anh: Mainframe) là loại máy tính có kích thước lớn được sử dụng chủ yếu bởi các công ty lớn như các ngân hàng, các hãng bảo hiểm... để chạy các ứng dụng lớn xử lý khối lượng lớn dữ liệu như kết quả điều tra dân số, thống kê khách hàng và doanh nghiệp, và xử lý các giao tác thương mại. Hiện nay thị trường máy tính lớn do IBM chiếm 99%, với máy IBM ZSeries (hệ điều hành MVS). Z có nghĩa Zero, Zero downtime, có nghĩa là máy có thể hoạt động 24/24 giờ mỗi ngày, 7/7 ngày mỗi tuần, và 365/365 ngày không ngừng. So với các máy tính loại nhỏ như máy tính cá nhân, máy tính lớn cũng như 1 chiếc xe tăng: vững chắc, có thể nhận hàng ngàn lệnh cùng 1 lúc. Ví dụ máy IBM Z9 (2008) có thể được cài 20 processor và đáp ứng 8000.000.000 (8 tỉ) lệnh 1 giây Máy chủ doanh nghiệp Là một hệ thống máy tính chủ yếu dùng để phục vụ cho một doanh nghiệp lớn. Ví dụ các loại máy chủ như máy chủ web, máy chủ in ấn, và máy chủ cơ sở dữ liệu. Tính chất chủ yếu để phân biệt một máy chủ doanh nghiệp là ở tính ổn định vì ngay cả một sự cố ngắn hạn cũng có thể gây thiệt hại hơn cả việc mua mới và cài đặt mới hệ thống. Lấy ví dụ, một hệ thống máy tính trong thị trường chứng khoán cấp quốc gia có trục trặc, chỉ cần ngưng hoạt động trong vòng vài 15
phút có thể cho thấy việc thay thế toàn bộ hệ thống hiện tại bằng một hệ thống đáng tin cậy hơn vẫn là giải pháp tốt hơn. Máy trạm (workstation) Workstation (một số tài liệu gọi là máy trạm) được sử dụng theo các nghĩa: Workstation là một http://en.wikipedia.org/wiki/Microcomputer được thiết kế dành để chạy các ứng dụng kỹ thuật hoặc khoa học.Mục đích chính cho việc tạo ra máy tính này là để phục vụ cho 1 người tại 1 thời điểm. có thể kết nối với nhau qua mạng máy tính và phục vụ nhiều User cùng lúc. Một nhóm các máy trạm có thể xử lý các công việc của một máy tính lớn Main Frame nếu như được kết nối mạng với nhau. Các máy trạm cung cấp hiệu suất cao hơn máy tính để bàn, đặc biệt là về CPU, đồ họa, bộ nhớ và khả năng xử lý đa nhiệm. Nó được tối ưu hóa cho việc xử lý các loại dữ liệu phức tạp như các bản vẽ 3D trong cơ khí, các mô phỏng trong thiết kế, vẽ và tạo ra các hình ảnh động, các logic toán học. Thông thường các bộ phận giao tiếp với máy trạm bao gồm: màn hình với độ phân giải cao, bàn phím và chuột. Đôi khi cũng cấp kết nối với nhiều màn hình, máy tính bảng đồ họa và chuột 3D. Hiện nay, thị trường máy trạm do các ông lớn trong ngành máy tính như DELL,HP... và bán cũng các bản Windows/ Linux chạy trên CPU Intel Xeon/AMD Opteron. Máy tính cá nhân (PC_ personal computer ) là một loại máy vi tính nhỏ với giá cả, kích thước và sự tương thích của nó khiến nó hữu dụng cho từng cá nhân. + Máy tính để bàn( Desktop) + Máy tính xách tay ( laptop). + Máy tính bản + Thiết bị kỹ thuật số PDA 16
2.2 Theo kiến trúc Kiến trúc máy tính vonneumann Sơ đồ kiến trúc máy tính vonNeumann Kiến trúc máy tính vonNeumann được nhà toán học John vonNeumann đưa ra vào năm 1945 trong một báo cáo về máy tính EDVAC như minh hoạ trên Hình 1.2 Kiến trúc máy tính vonNeumann nguyên thuỷ. Hình 1.2: Kiến trúc máy tính vonNeumann nguyên thuỷ Các máy tính hiện đại ngày nay sử dụng kiến trúc máy tính vonNeumann cải tiến – còn gọi là kiến trúc máy tính vonNeumann hiện đại, như minh hoạ trên Hình 1.3. Hình 1.3: Kiến trúc máy tính vonNeumann hiện đại 17
Các đặc điểm của kiến trúc vonNeumann Kiến trúc vonNeumann dựa trên 3 khái niệm cơ sở: (1) Lệnh và dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ đọc ghi chia sẻ một bộ nhớ duy nhất được sử dụng để lưu trữ cả lệnh và dữ liệu, (2) Bộ nhớ được đánh địa chỉ theo vùng, không phụ thuộc vào nội dung nó lưu trữ và (3) Các lệnh của một chương trình được thực hiện tuần tự. Quá trình thực hiện lệnh được chia thành 3 giai đoạn (stages) chính: (1) CPU đọc (fetch) lệnh từ bộ nhớ, (2) CPU giải mã và thực hiện lệnh; nếu lệnh yêu cầu dữ liệu, CPU đọc dữ liệu từ bộ nhớ; và (3) CPU ghi kết quả thực hiện lệnh vào bộ nhớ (nếu có). Kiến trúc máy tính Harvard: Kiến trúc máy tính Harvard là một kiến trúc tiên tiến như minh hoạ trên Hình 6. Hình 1.4: Kiến trúc máy tính Harvard Kiến trúc máy tính Harvard chia bộ nhớ trong thành hai phần riêng rẽ: Bộ nhớ lưu chương trình (Program Memory) và Bộ nhớ lưu dữ liệu (Data Memory). Hai hệ thống bus riêng được sử dụng để kết nối CPU với bộ nhớ lưu chương trình và bộ nhớ lưu dữ liệu. Mỗi hệ thống bus đều có đầy đủ ba thành phần để truyền dẫn các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển. Máy tính dựa trên kiến trúc Harvard có khả năng đạt được tốc độ xử lý cao hơn máy tính dựa trên kiến trúc vonNeumann do kiến trúc Harvard hỗ trợ hai hệ thống bus độc lập với băng thông lớn hơn. Ngoài ra, nhờ có hai hệ thống bus độc lập, hệ thống nhớ trong kiến trúc Harvard hỗ trợ nhiều lệnh truy nhập bộ nhớ tại một thời điểm, giúp 18
giảm xung đột truy nhập bộ nhớ, đặc biệt khi CPU sử dụng kỹ thuật đường ống (pipeline). 3. Thành quả của máy tính Qui luật Moore về sự phát triển của máy tính Hình 1.5: Đánh giá thành quả của máy tính Hình 1.5 cho thấy diễn biến của thành quả tối đa của máy tính. Thành quả này tăng theo hàm số mũ, độ tăng trưởng các máy vi tính là 35% mỗi năm, còn đối với các loại máy khác, độ tăng trưởng là 20% mỗi năm. Điều này cho thấy tính năng các máy vi tính đã vượt qua các loại máy tính khác vào đầu thập niên 90 . Máy tính dùng thật nhiều bộ xử lý song song rất thích hợp khi phải làm tính thật nhiều. Sự tăng trưởng theo hàm số mũ của công nghệ chế tạo transistor MOS là nguồn gốc của thành quả các máy tính. Hình 1.4 cho thấy sự tăng trưởng về tần số xung nhịp của các bộ xử lý MOS. Độ tăng trưởng của tần số xung nhịp bộ xử lý tăng gấp đôi sau mỗi thế hệ và độ trì hoãn trên mỗi cổng I xung nhịp giảm 25% cho mỗi năm . 19
Sự phát triển của công nghệ máy tính và đặc biệt là sự phát triển của bộ vi xử lý của các máy vi tính làm cho các máy vi tính có tốc độ vượt qua tốc độ bộ xử lý của các máy tính lớn hơn. Hình 1.6: Sự phát triển của bộ xử lý Intel dựa vào số lượng Transistor trong một mạch tích hợp theo quy luật Moore Từ năm 1965, Gordon Moore (đồng sáng lập công ty Intel) quan sát và nhận thấy số transistor trong mỗi mạch tích hợp có thể tăng gấp đôi sau mỗi năm, G. 20