intTypePromotion=1

Giáo trình Cấu trúc máy tính - Nguyễn Hữu Lộc

Chia sẻ: Bùi Trọng Quốc Viễn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

0
262
lượt xem
82
download

Giáo trình Cấu trúc máy tính - Nguyễn Hữu Lộc

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Cấu trúc máy tính gồm 6 chương, trình bày tổng quan về máy tính, ngôn ngữ và máy ảo, máy tính nhiều cấp, cấu trúc chung của máy tính, lớp vật lý, lớp vi chương trình, lớp máy quy ước và lớp máy hệ điều hành. Mời bạn đọc cùng tham khảo.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cấu trúc máy tính - Nguyễn Hữu Lộc

  1. TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑAØ LAÏT GIAÙO TRÌNH CẤU TRÚC MÁY TÍNH NGUYEÃN HÖÕU LỘC 2000
  2. -2- Caán Truùc Maùy Tính MUÏC LUÏC Chöông 1: GIÔÙI THIEÄU CHUNG..................................................................................... 5 I. NGOÂN NGÖÕ VAØ MAÙY AÛO, MAÙY TÍNH NHIEÀU CAÁP: ......................................... 5 II. PHAÀN CÖÙNG VAØ PHAÀN MEÀM: ............................................................................. 7 III. LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN MAÙY TÍNH: .................................................................... 8 1. Theá heä khoâng: ........................................................................................................ 8 2. Theá heä thöù nhaát: ..................................................................................................... 9 3. Theá heä thöù hai: ..................................................................................................... 10 4. Theá heä thöù ba: ...................................................................................................... 10 5. Theá heä thöù tö: ....................................................................................................... 11 Chöông 2: CAÁU TRUÙC CHUNG MAÙY TÍNH ............................................................... 15 I. CAÙC BOÄ XÖÛ LYÙ....................................................................................................... 15 1. Thöïc hieän leänh ..................................................................................................... 16 2. Toå chöùc CPU ........................................................................................................ 17 3. Thöïc hieän leänh song song: ................................................................................... 18 II- BOÄ NHÔÙ CHÍNH: ................................................................................................... 22 1. Bit.......................................................................................................................... 22 2. Ñòa chæ boä nhôù: ..................................................................................................... 23 3. Traät töï cuûa byte: ................................................................................................... 24 4. Maõ söûa loãi:............................................................................................................ 25 5. Boä nhôù chính trong caùc IBM PC ......................................................................... 26 III- CAÙC THIEÁT BÒ LÖU TRÖÕ (BOÄ NHÔÙ PHUÏ): ...................................................... 28 1. Baêng töø: ................................................................................................................ 28 2. Ñóa töø .................................................................................................................... 29 3. Ñóa meàm ............................................................................................................... 32 4. Ñóa quang.............................................................................................................. 33 IV - CAÙC THIEÁT BÒ VAØO / RA .................................................................................. 35 1. Baøn phím: ............................................................................................................. 38 2. Maøn hình:.............................................................................................................. 38 3. Modem: ................................................................................................................. 41 4. Chuoät: ................................................................................................................... 45 5. Maùy in :................................................................................................................. 48 6. Ngoõ ra noái tieáp chuaån RS–232–C . ...................................................................... 54 Chöông 3: LÔÙP VAÄT LYÙ ................................................................................................. 57 I. CAÙC CHIP VI XÖÛ LYÙ VAØ CAÙC BUS ..................................................................... 57 1. Caùc chip vi xöû lyù: ................................................................................................. 57 2. Caùc bus cuûa maùy tính ........................................................................................... 60 3. Bus ñoàng boä ......................................................................................................... 62 4. Bus khoâng ñoàng boä............................................................................................... 65 5. Phaân xöû bus .......................................................................................................... 67 II. THÍ DUÏ VEÀ CHIP VI XÖÛ LYÙ VAØ BUS ................................................................. 71 Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  3. -3- Caán Truùc Maùy Tính 1. Chip vi xöû lyù 8088 cuûa hoï Intel ........................................................................... 71 2. Thí duï veà bus ........................................................................................................ 74 III. Boä nhôù .................................................................................................................... 76 1. Phaân loaïi boä nhôù baùn daãn .................................................................................... 77 2. Toå chöùc boä nhôù:.................................................................................................... 77 3. Moät soá khaùi nieäm veà boä nhôù khaùc:...................................................................... 79 IV. Giao tieáp ................................................................................................................. 81 1. Caùc chip I/O ......................................................................................................... 81 2. Giaûi maõ ñòa chæ. ................................................................................................... 82 Chöông 4 LÔÙP VI CHÖÔNG TRÌNH ............................................................................ 85 I. NHAÉC LAÏI LÔÙP VAÄT LYÙ: ...................................................................................... 86 1. Caùc thanh ghi: ....................................................................................................... 86 2. Bus noäi: ................................................................................................................. 86 II. MOÄT VÍ DUÏ VEÀ VI CHÖÔNG TRÌNH: ................................................................ 88 Chöông 4: LÔÙP VI CHÖÔNG TRÌNH ........................................................................... 90 I. NHAÉC LAÏI LÔÙP VAÄT LYÙ: ...................................................................................... 91 1. Caùc thanh ghi: ....................................................................................................... 91 2. Bus noäi: ................................................................................................................. 91 II. MOÄT VÍ DUÏ VEÀ VI CHÖÔNG TRÌNH: ................................................................ 93 Chöông 5: LÔÙP MAÙY QUY ÖÔÙC .................................................................................. 95 I. CAÙC THÍ DUÏ VEÀ LÔÙP MAÙY QUI ÖÔÙC: ............................................................... 95 II. CAÙC KHUOÂN DAÏNG LEÄNH ............................................................................... 101 III. KIEÅU ÑÒNH VÒ ÑÒA CHÆ : .................................................................................. 102 1. Ñònh ñòa chæ töùc thôøi: .......................................................................................... 103 2. Ñònh ñòa chæ tröïc tieáp.......................................................................................... 103 3. Ñònh ñòa chæ thanh ghi ........................................................................................ 104 4. Ñònh ñòa chæ giaùn tieáp ......................................................................................... 105 5. Ñònh chæ soá .......................................................................................................... 106 6. Ñònh ñòa chæ ngaên xeáp ........................................................................................ 107 III. LUOÀNG ÑIEÀU KHIEÅN ........................................................................................ 108 1. Luoàng ñieàu khieån tuaàn töï vaø caùc leänh nhaûy. .................................................... 108 2. Thuû tuïc ................................................................................................................ 109 3. Ñoàng thuû tuïc. ...................................................................................................... 109 4. Baãy ...................................................................................................................... 110 5. Ngaét .................................................................................................................... 110 Chöông 6: LÔÙP MAÙY HEÄ ÑIEÀU HAØNH ..................................................................... 112 I. BOÄ NHÔÙ AÛO ........................................................................................................... 113 II. CAÙC LEÄNH VAØO/RA AÛO .................................................................................... 117 1. Caùc taäp tin tuaàn töï .............................................................................................. 117 2. Caùc taäp tin truy xuaát ngaãu nhieân ....................................................................... 119 3. Hieän thöïc caùc leänh vaøo/ra aûo............................................................................. 120 Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  4. -4- Caán Truùc Maùy Tính 4. Caùc leänh quaûn lyù thö muïc .................................................................................. 124 III. CAÙC LEÄNH AÛO DUØNG TRONG XÖÛ LYÙ SONG SONG .................................. 125 Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  5. -5- Caán Truùc Maùy Tính CHÖÔNG 1: GIÔÙI THIEÄU CHUNG Maùy tính soá laø thieát bò coù khaû naêng giaûi caùc baøi toaùn baèng caùch thöïc hieän moät soá leänh höõu haïn. Chöông trình maùy tính goàm moät daõy leänh saép xeáp theo moät trình töï nhaát ñònh ñeå thöïc hieän moät vieäc cho tröôùc. Nhöõng linh kieän ñieän töû trong moãi maùy tính chæ coù theå nhaän bieát vaø thöïc hieän tröïc tieáp moät soá leänh höõu haïn vaø moät chöông trình maùy tính chæ coù theå thöïc hieän treân maùy tính ñoù neáu söû duïng chính soá leänh höõu haïn ñoù. Taäp leänh maø maùy tính thöïc hieän tröïc tieáp taïo ra moät ngoân ngöõ cho pheùp ngöôøi söû duïng trao ñoåi ñöôïc vôùi maùy tính. Ñoù laø ngoân ngöõ maùy. Khi cheá taïo ra moät maùy tính môùi, ngöôøi ta taïo ra caùc leänh, hình thaønh ngoân ngöõ maùy. Thoâng thöôøng ngöôøi ta coù khuynh höôùng choïn caùc leänh naøy caøng ñôn giaûn caøng toát ñeå haïn cheá möùc ñoä phöùc taïp (vaø dó nhieân laø giaù thaønh ) cuûa caùc linh kieän ñieän töû caàn thieát. Khoù khaên laø caùc ngoân ngöõ maùy naøy coøn quaù nguyeân sô neân raát khoù söû duïng. I. NGOÂN NGÖÕ VAØ MAÙY AÛO, MAÙY TÍNH NHIEÀU CAÁP: Coù 2 caùch ñeå giaûi quyeát vaán ñeà naøy. Thöïc teá laø caû hai caùch naøy ñeàu nhaèm ñöa vaøo moät taäp leänh môùi deã söû duïng hôn ngoân ngöõ maùy. Taäp leänh môùi naøy taïo thaønh moät ngoân ngöõ môùi (ngoân ngöõ L2) laø taäp caùc leänh khaùc leänh maùy (ngoân ngöõ L1. ) Caùch thöù nhaát ñeå thöïc hieän chöông trình vieát baèng L2 laø dòch leänh cuûa chöông trình thaønh daõy caùc leänh töông ñöông L1. Maùy tính seõ thöïc hieän chöông trình môùi baèng L1 thay vì L2. Kyõ thuaät naøy goïi laø bieân dòch (compile). Caùch thöù 2 laø töøng leänh cuûa chöông trình vieát baèng L2 seõ ñöôïc thöïc hieän töông öùng vôùi moät daõy caùc leänh L1. Kyõ thuaät naøy khoâng caàn taïo ra toaøn boä moät chöông trình L1 neân goïi laø phieân dòch (interpret). Hai khaùi nieäm bieân dòch vaø phieân dòch môùi ñaàu coù veõ hôi gioáng nhau. Nhìn chung, leänh trong L2 seõ ñöôïc chuyeån thaønh moät daõy leänh trong L1 ñeå thöïc hieän. Song phaûi thaáy raèng trong tröôøng hôïp bieân dòch taát caû chöông trình L2 seõ phaûi dòch sang L1 sau ñoù chöông trình L1 thöïc hieän. Coøn vôùi phieân dòch thì moãi leänh trong chöông trình L2 ñöôïc phaân tích roài thöïc hieän ngay vaø nhö vaäy döôøng nhö khoâng toàn taïi chöông trình dòch. Caû hai caùch ñeàu ñöôïc söû duïng roäng raõi. Vôùi ngoân ngöõ L2 coù theå hình dung ñeán moät maùy tính goïi laø maùy aûo. Ñeå bieân dòch vaø phieân dòch ñöôïc ñôn giaûn, caùc ngoân ngöõ L1 vaø L2 khoâng neân quaù khaùc nhau. Nghóa laø L2, thöôøng hay hôn L1, vaãn khoâng phaûi laø moät ngoân ngöõ laäp trình Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  6. -6- Caán Truùc Maùy Tính lyù töôûng. Ñieàu naøy coù veõ nhö traùi ngöôïc vôùi yù töôûng ban ñaàu khi taïo ra ngoân ngöõ L2: taïo moät ngoân ngöõ ñôn giaûn vaø deã söû duïng cho con ngöôøi hôn L1 laø ngoân ngöõ cuûa maùy. Nhö vaäy ngöôøi ta laïi ñònh nghóa moät taäp leänh môùi gaàn guó vôùi ngöôøi söû duïng hôn vaø ít phuï thuoäc hôn vaøo maùy tính nhö L2. Nhöõng leänh môùi naøy taïo ra moät ngoân ngöõ L3 nhôø vaäy coù theå vieát caùc chöông trình cho maùy tính aûo duøng ngoân ngöõ L3. Nhöõng chöông trình naøy chaéc chaén seõ ñöôïc dòch ra L2. Ngöôøi ta coù theå taïo ra moät chuoãi caùc ngoân ngöõ, loaïi sau deã söû duïng hôn so vôùi loaïi tröôùc. Moãi ngoân ngöõ môùi döïa vaøo ngoân ngöõ ñaõ coù tröôùc ñoù, do vaäy ngöôøi ta xem maùy tính nhö moät choàng caùc lôùp (caáp) nhö trình baøy trong hình 1.1. Ngoân ngöõ ôû lôùp döôùi ñôn giaûn, caøng leân lôùp treân ngoân ngöõ caøng phöùc taïp. Ña soá caùc maùy tính hieän nay coù ít nhaát 2 caáp. Thöôøng chuùng ta thaáy caùc maùy tính coù 6 caáp. Caáp 0: Lôùp vaät lyù. Ñoù laø phaàn cöùng goàm caùc cöûa logic, caùc coång (caûng) v.v… Chuùng ta seõ ñi saâu vaøo caáp 0 trong giaùo trình naøy. Maùy aûo Mn, Caáp n Ngoân ngöõ Ln Maùy aûo M3, Ngoân ngöõ L3 Caáp 3 Maùy aûo M2, Caáp 2 Ngoân ngöõ L2 Maùy thöïc M1, Caáp 1 Ngoân ngöõ maùy L1 Hình 1.1: Kieán truùc maùy tính nhieàu caáp Caáp 1: Lôùp vi chöông trình. Khaùc vôùi caáp 0, trong caáp naøy ta thaáy coù chöông trình goïi laø vi chöông trình duøng ñeå phieân dòch nhöõng leänh ôû caáp 2. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  7. -7- Caán Truùc Maùy Tính Caáp 2: Lôùp maùy qui öôùc. Thöôøng ôû lôùp naøy taát caû caùc maùy tính ñeàu coù nhöõng ñieåm gioáng nhau duø chuùng ñöôïc taïo bôûi nhöõng nhaø saûn xuaát khaùc nhau. Caùc nhaø saûn xuaát ñeàu cung caáp keøm theo maùy "Soå tay ngoân ngöõ maùy" trong ñoù coù taäp leänh rieâng cuûa töøng maùy. Caáp 3: Lôùp heä ñieàu haønh. Coù theå xem ñaây laø moät lôùp lai (hybrid). Ngoaøi moät soá caùc leänh ñaõ bieát (coù trong caáp 2 ) trong lôùp naøy coøn xuaát hieän nhieàu leänh ñaëc bieät nhö toå chöùc quaûn lyù boä nhôù, khaû naêng thöïc hieän nhieàu leänh song song v.v… Caáp 4: Lôùp hôïp ngöõ. Duøng nhöõng töø gôïi nhôù ñeå laäp trình do vaäy thuaän tieän hôn. Caáp 5: Lôùp öùng duïng: Duøng ngoân ngöõ caáp cao ñeå laäp trình. Ngöôøi ta coù theå coù caáp 6 hoaëc caáp cao hôn cho nhöõng öùng duïng cuï theå ñöôïc xem laø coâng cuï cho caùc lónh vöïc chuyeân ngaønh. Coù theå thaáy toàn taïi moät khoaûng caùch raát lôùn giöõa caáp 3 vaø caáp 4. Nhöõng nhaø laäp trình heä thoáng thöôøng chuù yù ñeán caùc caáp thaáp (töø caáp 3 trôû xuoáng), trong khi aáy vôùi nhöõng nhaø laäp trình öùng duïng laïi quan taâm ñeán nhöõng caáp cao hôn (töø caáp 4 leân). Ngoân ngöõ söû duïng ôû caáp 1,2,3 laø ngoân ngöõ soá trong khi aáy töø caáp 4 ngöôøi ta söû duïng nhöõng töø, nhöõng chöõ vieát taét deã hieåu hôn vôùi con ngöôøi. Hôn theá phöông phaùp ñeå hoã trôï caùc caáp treân laø khaùc nhau: Caáp 2 vaø 3 thöôøng ñöôïc phieân dòch, coøn caáp 4 vaø 5 thöôøng laø bieân dòch (ñieàu naøy khoâng phaûi luoân ñuùng). II. PHAÀN CÖÙNG VAØ PHAÀN MEÀM: Nhöõng chöông trình vieát baèng ngoân ngöõ maùy ñeàu coù theå thöïc hieän tröïc tieáp baèng caùc maïch ñieän töû maø khoâng caàn phaûi bieân dòch hay phieân dòch. Caùc maïch ñieän töû naøy keát hôïp vôùi caùc phaàn töû cô khí, caùc daây noái goïi chung laø phaàn cöùng. Nhö vaäy phaàn cöùng laø nhöõng gì coù theå sôø thaáy ñöôïc nhö caùc maïch tích hôïp, caùc baûng maïch, daây noái, nguoàn nuoâi, boä nhôù, maùy in, thieát bò ñaàu cuoái v.v… khaùc vôùi nhöõng gì khoâng sôø thaáy ñöôïc nhö caùc yù töôûng tröøu töôïng, caùc thuaät toaùn hoaëc caùc leänh. Nhö vaäy phaàn meàm goàm caùc thuaät toaùn vaø caùch theå hieän chuùng baèng leänh: caùc chöông trình. Nhöõng chöông trình naøy ñöôïc caát giöõ treân nhöõng thieát bò löu tröõ nhö ñóa töø, ñóa quang…. Coù laäp luaän cho raèng phaàn cöùng vaø phaàn meàm töông ñöông vôùi nhau veà maët logic (hardware and software are logically equivalent). Baát kyø moät pheùp toaùn naøo ñoù giaûi ñöôïc baèng phaàn meàm ñeàu coù theå thöïc hieän tröïc tieáp baèng phaàn cöùng vaø baát kyø moät leänh naøo ñoù thi haønh baèng phaàn cöùng ñeàu coù theå moâ phoûng baèng phaàn meàm. Ranh giôùi giöõ phaàn cöùng vaø phaàn meàm thöôøng xuyeân thay ñoåi. Coù nhöõng caùi hoâm nay thöïc hieän baèng phaàn meàm, ngaøy mai laïi thöïc hieän baèng phaàn cöùng vaø ngöôïc laïi. Hôn theá nöõa ngaøy caøng thaáy raèng ranh giôùi giöõ caùc lôùp maùy tính ngaøy caøng khoâng roõ raøng. Song Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  8. -8- Caán Truùc Maùy Tính vieäc phaân ñònh caùc lôùp giuùp cho ngöôøi laøm vieäc vôùi maùy tính taïi 1 lôùp n naøo ñoù seõ khoâng caàn bieát nhieàu ñeán chi tieát caùc lôùp döôùi. Nhö vaäy vieäc öùng duïng maùy tính ngaøy caøng deã daøng maëc daàu chuùng ngaøy caøng phöùc taïp. III. LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN MAÙY TÍNH: 1. Theá heä khoâng: Nhöõng maùy tính cô vaø ñieän töø (1642-1945) Blaise Pascal (1623-1662) laø ngöôøi coù coâng chính trong vieäc taïo ra maùy laøm toaùn ñaàu tieân, chính vì lyù do naøy maø veà sau Niklaus Wirth ñaõ laáy teân Pascal ñaët cho ngoân ngöõ laäp trình maø oâng ñaõ saùng taïo neân. Naêm 1642 luùc aáy Pascal môùi 19 tuoåi ñaõ taïo ra moät maùy hoaøn toaøn baèng cô khí ñieàu khieån baèng tay vaø thöïc hieän ñöôïc pheùp coäng vaø pheùp tröø . 30 naêm sau, Baron Gottfried von Leibniz (1646-1716) theâm vaøo pheùp nhaân vaø pheùp chia vaø ñoù chính laø tieàn thaân cuûa maùy tính boû tuùi (calculator) ngaøy nay cuûa chuùng ta. Maõi ñeán 150 naêm sau ñoùù Charles Babbage (1792-1871), giaùo sö toaùn taïi Ñaïi hoïc Cambridge, ñaõ thieát keá vaø xaây döïng ñöôïc maùy sai phaân (difference engine). Maùy chæ tính toaùn vôùi moät thuaät toaùn ñôn, phöông phaùp sai phaân höõu haïn söû duïng caùc ña thöùc . Maùy naøy hoaït ñoäng toát tuy vaäy Babagge mong thöïc hieän ñöôïc vôùi nhieàu thuaät toaùn khaùc hôn vaø oâng ñaõ ñeå nhieàu thôøi gian nghieân cöùu taïo ra 1 maùy tính môùi, maùy phaân tích (analytical engine). Maùy naøy goàm boán boä phaän: Quaày baùn haøng (Boä nhôù); coái xaây (Boä tính toaùn), ngoõ vaøo (Boä ñoïc bìa ñuïc loã) vaø ngoõ ra (boä xuyeân bìa hay maùy in). Coái xaây nhaän caùc toaùn haïng töø quaày baùn haøng sau ñoù thöïc hieän coäng, tröø, nhaân, chia vaø chuyeån keát quaû veà quaày baùn haøng. Taát caû ñeàu thöïc hieän baèng cô khí. Caùi môùi trong maùy naøy laø noù ñoïc caùc leänh töø bìa ñuïc loã vaø xöû lyù chuùng. Maùy naøy ñöôïc laäp trình nhôø 1 ngoân ngöõ ñôn giaûn goïi laø hôïp ngöõ. Ada Augusta Lovelace, con gaùi cuûa moät nhaø thô Anh teân Lord Byron vaø cuõng laø ngöôøi trôï lyù cuûa Babagge laø ngöôøi ñaàu tieân vieát chöông trình cho maùy tính. Vì vaäy sau naøy Boä quoác phoøng Hoa kyø ñaõ laáy teân Ada ñeå ñaët cho moät ngoân ngöõ laäp trình do nhoùm Bull taïo ra. Tuy nhieân Babbage khoâng theå taïo ra caùi maùy hoaøn toaøn nhö yù vì coâng ngheä theá kyû thöù XIX ñaõ khoâng ñaùp öùng ñöôïc. Tuy vaäy nhöõng yù töôûng cuûa Babagge ñaõ ñaët neàn moùng cho maùy tính ñieän töû ngaøy nay, cuõng chính vì vaäy neân coù theå xem Babbage laø OÂng toå cuûa ngaønh maùy tính hieän nay. Trong nhöõng naêm 1930 moät kyõ sö Ñöùc teân Konrad Zuse ñaõ taïo ra moät soá maùy tính laøm baèng rô le ñieän töø duø chöa bieát ñeán coâng trình cuûa Babagge. Raát tieác laø taát caû caùc maùy naøy ñeàu ñaõ bò phaù huõy trong nhöõng ñôït neùm bom xuoáng Berlin naêm 1944. Song vaãn coù theå xem oâng laø moät trong nhöõng ngöôøi tieân phong cheá taïo ra maùy tính. Taïi Hoa kyø, John Atanassoff thuoäc Iowa State College vaø George Stibbitz thuoäc Bell Labs ñaõ cheá taïo ra caùc maùy tính. Neáu nhö maùy cuûa Atanassoff khoâng chaïy ñöôïc nhö mong muoán thì maùy cuûa Stibbitz vôùi yeâu caàu thaáp hôn ñaõ hoaït ñoäng toát vaø ñöôïc giôùi thieäu naêm 1940 taïi Dartmouth College. Moät trong nhöõng phuï taù cuûa Stibbitz, John Mauchley laø giaùo sö vaät lyù taïi Ñaïi hoïc Pennsylvania maø chuùng ta seõ ñeà caäp sau. Cuøng Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  9. -9- Caán Truùc Maùy Tính luùc aáy Howard Aiken ñeå thöïc hieän luaän aùn taïi Havard ñaõ phaûi laøm moät khoái löôïng lôùn caùc baøi toaùn baèng tay. Chính vì vaäy oâng mong muoán thöïc hieän caùc baøi toaùn moät caùch töï ñoäng, sau ñoù nhôø caùc coâng trình cuûa Babagge maø oâng tìm thaáy trong thö vieän, oâng quyeát ñònh taïo moät maùy baèng rôø le maø tröôùc ñoù Babagge ñaõ khoâng theå thöïc hieän ñöôïc baèng caùc baùnh xe raêng cöa. Maùy tính ñaàu tieân cuûa Aiken laø maùy Mark I, ñöôïc hoaøn taát naêm 1944 ôû Harvard goàm 72 töø, moãi töø 23 soá thaäp phaân vaø coù chu kyø leänh laø 6 sec. Vieäc xuaát nhaäp duøng caùc baêng giaáy ñuïc loã. Sau ñoù Aiken hoaøn taát maùy Mark 2 vaø caùc maùy tính rô le trôû neân loãi thôøi. Kyõ nguyeân ñieän töû ñaõ baét ñaàu. 2. Theá heä thöù nhaát: Nhöõng maùy tính ñeøn ñieän töû (1945-1955) Caùc maùy tính ñieän töû ñöôïc phaùt trieån nhanh trong theá chieán thöù 2 phuïc vuï caùc muïc ñích quaân söï. Tuy vaäy caùc coâng trình naøy ñeàu naèm trong caùc döï aùn bí maät quaân söï. Chæ bieát raèng taïi Ñöùc coù nhöõnng maùy tính cuûa Zuse, taïi Anh coù COLOSSUS maø moät trong nhöõng ngöôøi tham gia thieát keá laø nhaø toaùn hoïc noãi tieáng ngöôøi Anh teân Alan Turing. Taïi Hoa kyø, John Mauchley ñeà nghò quaân ñoäi taøi trôï cho vieäc xaây döïng maùy tính ñieän töû. Ñeà nghò ñöôïc chaáp thuaän vaøo naêm 1943, Mauchley vaø sinh vieân J. Presper Eckert, tieán haønh xaây döïng moät maùy tính ñieän töû goïi laø ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Maùy naøy goàm 18.000 ñeøn ñieän töû vaø 1500 rôø le, naëng 30 taán vaø tieâu thuï 140KW. Sau naøy ngöôøi ta thöôøng xem ENIAC laø maùy tính ñieän töû ñaàu tieân cuûa nhaân loaïi. Sau chieán tranh, Mauchley vaø Eiker toå chöùc moät khoùa hoïc heø ñeå moâ taû caùc coâng vieäc cuûa hoï cho nhöõng baïn ñoàng nghieäp. Khoùa hoïc laø söï khôûi ñaàu cho söï phaùt trieån oà aït trong vieäc thieát keá caùc maùy tính soá lôùn. Maurice Wilkes thieát keá EDSAC taïi Ñaïi hoïc Cambridge. Caùc maùy khaùc nhö JOHNIAC ôû Rand Corporation, ILLIAC ôû Ñaïi hoïc Illinois, MANIAC ôû Los Alamos Laboratory, WEIZAC ôû Vieän Weizmann nöôùc Israel v.v… Eckert vaø Mauchley laøm ra maùy keá tieáp EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) , döï aùn naøy bò toån haïi sau khi hoï rôøi khoûi Penn ñeå thaønh laäp coâng ty maùy tính ôû Philadelphia sau naøy laø coâng ty Unisys. Trong luùc aáy, moät trong nhöõng ngöôøi tham gia trong döï aùn ENIAC tröôùc ñaây laø nhaø toaùn hoïc noåi tieáng John von Neumann ñeán Princeton vaø thieát keá ra maùy IAS. OÂng ñaõ ñöa ra thieát keá cô baûn goïi laø maùy von Neumann. Maùy tính coù khaû naêng löu tröõ chöông trình ñaàu tieân , vaø ñeán nay vaãn laø cô sôû cho haàu heát caùc maùy tính soá. Vaøo cuøng thôøi gian von Neumann xaây döïng maùy IAS, caùc nhaø nghieân cöùu ôû M.I.T. cuõng xaây döïng moät maùy tính, Whirlwind 1. Döï aùn naøy daãn ñeán phaù minh ra boä nhôù loõi cuûa Jay Forrester vaø daãn ñeán taïo ra caùc maùy tính mini thöông maïi ñaàu tieân. Vôùi coâng vieäc ban ñaàu laø saûn xuaát ra caùc maùy ñuïc loã cho caùc bìa vaø caùc maùy xeáp bìa baèng cô khí, naêm 1953 IBM saûn xuaát ra maùy tính 701, sau ñoù maùy 704 ra ñôøi vaø Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  10. -10- Caán Truùc Maùy Tính naêm 1958 IBM saûn xuaát ra maùy 709 vaø trôû thaønh moät trong nhöõng coâng ty maùy tính haøng ñaàu theá giôùi. 3. Theá heä thöù hai: Nhöõng maùy tính transistor (1955-1965) Transistor ñöôïc phaùt minh ôû Bell Labs naêm 1948 bôûi John Bardeen, Walter Brattain vaø William Shockley (Giaûi thöôûng Nobel Vaät lyù 1956). Trong 10 naêm, transistor ñaõ caùch maïng hoaù maùy tính vaø vaøo cuoái thaäp nieân 50 caùc maùy tính ñeøn ñieän töû bò loaïi boû. Maùy tính transistor ñaàu tieân ñöôïc xaây döïng ôû Lincoln Laboratory cuûa M.I.T. goïi laø TX-0 (Transistorized eXperimental computer 0). Moät trong caùc kyõ sö laøm taïi ñaáy, Kenneth Olsen, thaønh laäp coâng ty DEC naêm 1957 ñeå saûn xuaát maùy tính thöông maïi. Naêm 1961 maùy PDP-1 xuaát hieän vôùi giaù thaønh nhieàu so vôùi caùc maùy tính tröôùc ñoù. Moät trong nhöõng ñoåi môùi cuûa PDP-1 laø boä hieån thò vaø khaû naêng veõ nhieàu ñieåm treân maøn hình 512x512. Coâng nghieäp maùy tính mini ñöôïc khai sinh . Vaøi naêm sau ñoù DEC giôùi thieäu PDP-8, maùy 12 bit nhöng giaù thaønh reû hôn PDP-1 gaàn 10 laàn. PDP-8 coù moät ñoåi môùi chính, ñoù laø bus ñôn goïi laø omnibus. Moät bus laø moät taäp caùc daây noái song song duøng ñeå lieân keát caùc thaønh phaàn khaùc nhau trong 1 maùy tính. Caáu truùc naøy ñöôïc chaáp nhaän vaø thöïc hieän haàu heát caùc maùy tính nho.û Vôùi coâng ty IBM, hoï xaây döïng moät phieân baûn cuûa 709 baèng transistor, maùy 7090 vaø sau ñoù 7094. Vaøo thôøi ñieåm naøy IBM ñaõ trôû thaønh moät coâng ty thieát keá maùy tính chính nhôø baùn caùc maùy höôùng kinh doanh nhoû vôùi maùy 1401. Maùy naøy coù theå ñoïc vaø ghi baêng töø, ñoïc vaø ñuïc loã caùc bìa, in keát quaû nhanh hôn 7094. Naêm 1964, moät coâng ty khôûi ñaàu môùi, CDC giôùi thieäu maùy 6600, moät maùy coù toác ñoä nhanh hôn maùy 7094 vì beân trong CPU coù moät cô cheá song song thaät söï. Coù nhieàu naùy tính khaùc xuaát hieän trong thôøi kyø naøy tuy vaäy chæ coù moät maùy noåi baät vôùi moät lyù do khaù khaùc bieäaø ñaùng ñeà caäp, maùy Bourroughts B5000. Caùc nhaø thieát keá coù chieán thuaät khaùc so vôùi caùc ñoái thuû caïnh tranh laø hoï ñaët bieät xaây döïng moät maùy vôùi yù ñònh laäp trình baèng ngoân ngöõ Algol 60, moät ngoân ngöõ coù tröôùc PASCAL, vaø bao goàm nhieàu ñaëc tröng trong phaàn cöùng taïo deã daøng cho coâng vieäc cuûa trình bieân dòch. 4. Theá heä thöù ba: Nhöõng maùy tính IC (1965-1980) Maïch tích hôïp IC (integrated circuit) hay coøn goïi vi maïch tích hôïp ñöôïc phaùt minh cho pheùp vaøi chuïc transistor ñöôïc ñaët trong moät chip ñôn. Vaøo naêm 1964, IBM , moät coâng ty maùy tính haøng ñaàu giôùi thieäu moät saûn phaåm, System 360 duøng vi maïch. Maùy ñöôïc thieát keá cho caû tính toaùn trong thöông maïi vaø tính toaùn trong khoa hoïc. System 360 coù nhieàu ñoåi môùi, quan trong laø heä naøy vaøi kieåu (model) chaïy cuøng moät loaïi hôïp ngöõ, coù coâng suaát vaø kích thöôùc taêng.Phaàn meàm vieát vieát treân cô sôû duøng ñöôïc treân caùc maùy kieåu khaùc. YÙ töôûng veà caùc hoï maùy ñöôïc öa chuoäng ngay laäp töùc, vaø trong moät vaøi naêm haàu heát caùc nhaø saûn xuaát maùy tính coù moät hoï caùc maùy chung. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  11. -11- Caán Truùc Maùy Tính Ñoåi môùi quan troïng khaùc trong 360 laø ña laäp trình (multi-programming), coù vaøi chöông trình trong boä nhôù ñoàng thôøi ñeå khi moät chöông trình ñang chôø vieäc xuaát/nhaäp hoaøn taát, chöông trình khaùc coù theå tính toaùn 360 cuõng laø maùy tính ñaàu tieân coù theå moâ phoûng caùc maùy tính khaùc. Moät ñaëc tröng khaùc laø khoâng gian ñòa chæ lôùn (luùc baáy giôø) cho 224 byte nhôù (16 megabyte). Theá giôùi maùy tính mini cuõng ñaõ coù moät böôùc tieán lôùn trong theá heä maùy tính vi maïch khi DEC giôùi thieäu maùy PDP-11, moät keá thöøa 16-bit cuûa PDP-8. Treân nhieàu khía caïnh thì coù theå xem PDP-11 nhö ngöôøi em cuûa hoï 360. Chuùng ñeàu coù caùc thanh ghi höôùng töø vaø moät boä nhôù höôùng byte. PDP-11 raát ñöôïc caùc tröôøng Ñaïi hoïc öa chuoäng vaø DEc daãn ñaàu trong vieäc saûn xuaát caùc maùy tính mini so vôùi caùc nhaø saûn xuaát khaùc. 5. Theá heä thöù tö: Nhöõng maùy tính VLSI vaø PC (1980-?) Vaøo thaäp nieân 80, vi maïch côõ cöïc lôùn (Very Large Scale Integration) coù khaû naêng chöùa vaøi chuïc ngaøn cho ñeán haøng chuïc trieäu transistor treân moät chip ñôn. Söï phaùt trieån naøy daãn ñeán coù theå saûn xuaát caùc maùy tính nhoû hôn vaø nhanh hôn. Ngaøy caøng xuaát hieän caùc maùy tính duøng cho caù nhaân vôùi giaù caû raát thaáp goïi laø maùy vi tính. Caùc maùy vi tính ñöôïc söû duïng theo caùch khaùc vôùi maùy tính lôùn. Chuùng ñöôïc söû duïng cho vieäc xöû lyù vaên baûn (word processing), thöïc hieän baûng tính (spreadsheet) vaø moät soá caùc öùng duïng maø caùc maùy tính lôùn hôn khoâng thöïc hieän toát ñöôïc. Hieän nay caùc maùy tính coù theå chia laøm 5 loaïi: Loaïi M Meg Maùy Thoâng duïng (*) IPS abyte Maùy vi 1 1 IBM Xöû lyù vaên tính PC baûn Maùy tính 2 4 PDP- ÑK thôøi gian mini 11/84 thöïc Sieâu 1 32 SUN-4 Maùy chuû mini 0 maïng Mainfra 3 128 IBM Ngaân haøng me 0 300 Sieâu 1 1024 Cray 2 Döï baùo thôøi maùy tính 25 tieát MIPS: (Million of Instructions Per Second) Trieäu leänh trong 1 giaây. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  12. -12- Caán Truùc Maùy Tính Hoï Intel: Naêm 1968 coâng ty Intel ñöôïc thaønh laäp ñeå cheá taïo caùc chip nhôù. Sau ñoù chuyeån sang saûn xuaát caùc CPU ñôn chip theo yeâu caàu vaø Intel ñaõ thöïc hieän chip 4004 loaïi 4 bit vaø 8008 loaïi 8 bit. Töø söï thaønh coâng baát ngôø töø 2 loaïi chip treân, Intel ñaàu tö chip ña naêng (general purpose) 8080 vaø saûn phaåm naøy ñaõ gaây soùng gioù trong coâng nghieäp vaø trôû thaønh maët haøng coù thò tröôøng lôùn. Intel ñaõ baùn ñöôïc vaøi trieäu saûn phaåm naøy. Naêm 1976 Intel cho ra ñôøi 8085 laø 8080 ñoùng voû chung vôùi vaøi thaønh phaàn vaøo/ra boå sung. Roài keá tieáp Intel cho ra ñôøi 8086, moät CPU ñôn chip 16-bit thaät söï. Sau ñoù laø söï xuaát hieän 8088 coù caáu truùc gioáng 8086 nhöng bus döõ lieäu chæ coù 8 bit neân giaù thaønh reû hôn vaø chaäm hôn. Khi IBM choïn 8088 laøm CPU cho caùc maùy vi tính IBM PC ñaàu tieân, chip naøy trôû thaønh chuaån coâng nghieäp cuûa maùy tính caù nhaân. Vaøi naêm keá tieáp, Intel cho ra ñôøi 80186 vaø 80188 laø caùc phieân baûn môùi cuûa 8086 vaø 8088, chuùng chöùa moät löôïng lôùn caùc maïch xuaát nhaäp nhöng thöïc teá khoâng ñöôïc söû duïng roäng raõi. 8088 vaø 8086 ñeà khoâng theå ñòa chæ hoaù ñöôïc boä nhôù lôùn hôn 1 megabyte. Ñeå khaéc phuïc vaán ñeà naøy Intel ñaõ thieát keá 80286, moät phieân baûn töông thích vaø vöôït troäi 8086. Taäp leänh cô baûn gioáng 8086 vaø 8088 nhöng toå chöùc boä nhôù khaùc vaø raéc roái hôn. 80286 ñöôïc duøng trong IBM PC AT vaø PS/2. Gioáng nhö 8088, ñaây laø moät thaønh coâng lôùn cuûa Intel. Keá tieáp laø moät CPU 32-bit thaät söï treân 1 chip, 80386. Gioáng nhö 80286, chip naøy ít nhieàu töông thích vôùi caùc chip duøng chung vôùi 8088. Sau ñoù laø 80486 töông thích vôùi 80386 vaø vöôït troäi hôn. Söï khaùc nhau cô baûn cuûa 80386 vaø 80486 laø söï hieän dieän cuûa boä ñoàng xöû lyù toaùn hoïc (coprocessor), boä ñieàu khieån boä nhôù vaø 8K boä nhôù ñeäm truy caäp nhanh (cache) treân 1 chip ñôn. Chip 80486 DX ñöôïc giôùi thieäu ñaàu tieân vaøo thaùng 4 naêm 1989. Thaùng 10 naêm 1992, Intel coâng boá chip Pentium, chip naøy baét ñaàu söû duïng vaøo thaùng 03 naêm 1993. Pentium ñaõ ñöôïc söû duïng coâng ngheä sieâu voâ höôùng (superscalar technology), coâng ngheä naøy coù khaû naêng keát hôïp vôùi caùc maùy coù taäp leänh thu nhoû RISC (Reduced Instruction Set Computer). Pentium coù 32 bit ñòa chæ vaø 64 bit döõ lieäu tuy vaãn chæ coù caùc thanh ghi 32 bit beân trong. Pentium coù 2 loaïi boä cache. Pentium theá heä 1 coù toác ñoä 60 /66 MHz, tích hôïp khoaûng 3,1 trieäu transistor. Pentium theá heä 2 coù toác ñoä töø 75 ñeán 200MHz, tích hôïp treân 3,3 trieäu transistor. Caùc chip Pentium MMX (theá heä 3) coâng boá vaøo thaùng 1 naêm 1997 coù toác ñoä leân ñeán 233MHz vôùi treân 4,5 trieäu transistor treân 1 chip. Coäng ngheä MMX ñöôïc Intel phaùt trieån ñeå ñaùp öùng nhu caàu veà truyeàn thoâng ña phöông tieän (multimedia) Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  13. -13- Caán Truùc Maùy Tính Thaùng 5 naêm 1997 Intel coâng boá chip Pentium II vôùi caùc toác ñoä leân ñeán 300MHz tích hôïp treân 7,5 trieäu transistor treân 1 chip. Ñeán naêm 1999 vôùi söï xuaát hieän cuûa Pentium III maùy vi tính coù khaû naêng bieåu dieãn khoâng gian ba chieàu vaø nhaän bieát cuõng nhö toång hôïp tieáng noùi. Taàn soá laøm vieäc toái ña laø 950MHz. Naêm 2001 Intel cho ra ñôøi Pentium IV toác ñoä leân ñeán 1,7GHz duøng coâng ngheä sieâu oáng daãn (hyper pipelined technology) caûi thieän ñaùng keå chaát löôïng hình aûnh soá, aâm thanh soá vaø caùc troø chôi trong khoâng gian ba chieàu…. Söï phaùt trieån caùc CPU cuûa Intel phaûn aùnh toaøn boä söï phaùt trieån trong coâng nghieäp maùy tính. Hoï Motorola: Moät thôøi gian ngaén sau khi Intel giôùi thieäu 8080, Motorola, nhaø cung caáp linh kieän baùn daãn caïnh tranh vôùi Intel ñöa ra 6800. Chip 6800 laø chip 8 bit so saùnh ñöôïc vôùi 8080, ñöôïc thò tröôøng chaáp nhaän vaø ñöôïc söû duïng roäng raõi laøm boä ñieàu khieån cho caùc thieát bò coâng nghieäp trong nhöõng naêm ñaàu cuûa thaäp nieân 70. Tieáp theo laø chip 6809, chip naøy töông thích vôùi 6800 ñoàng thôøi ñöôïc theâm vaøo caùc ñaëc tröng phuï taïo deã daøng cho caùc pheùp tính soá 16-bit. Naêm 1979, Motorola giôùi thieäu 1 chip hoaøn toaøn môùi khoâng töông thích vôùi 6800 hoaëc 6809. Ñaây laø ñieàu ít coù coâng ty naøo daùm laøm tröôùc ñoù. Chip môùi naøy, 68000 ñöa ra moät söï thieát keá hoaøn toaøn môùi thay vì töông thích vôùi caùc chip ñaõ loãi thôøi. Chip 68000 laø moät caáu truùc lai giöõa 16 bit vaø 32 bit. Caùc nhaø saûn xuaát maùy vi tính Macintosh, Atari , Amiga choïn 68000 laøm CPU vì chip naøy hoaøn toaøn caét ñöùt vôùi quaù khöù vaø coù chieàu daøi töø 32 bit. Nhìn chung chip naøy coù söï khôûi ñaàu khaù thaønh coâng vaø taïo ra moät gia ñình 680x0 raát gioáng nhau theo quan ñieåm ngöôøi laäp trình, caùc phieân baûn môùi chæ coù vaøi leänh ñöôïc theâm vaøo caùc phieân baûn cuõ. Chip thöù 2 trong hoï Motorola, 68008, gioáng heät 68000 chæ khaùc ôû choã söû duïng bus döõ lieäu 8 bit nhaèm taïo ra caùc saûn phaåm giaù thaønh thaáp. Khoâng gioáng 8088 cuûa Intel, 68008 khoâng ñöôïc söû duïng roäng raõi. Khoâng bao laâu sau ngöôøi ta muoán thöïc hieän caùc heä ñieàu haønh tinh vi nhö UNIX duøng 68000. Vaán ñeà ôû ñaây laø boä nhôù aûo (virtual memory) , 68000 coù khaû naêng hoã trôï nhöng chöa ñaày ñuû. Motorola giaûi quyeát baèng caùch ñöa ra 68010 coù caùc ñaëc tröng caàn thieát. Sau ñoù laø söï xuaát hieän cuûa 68012, chip naøy veà cô baûn gioáng 68010 nhöng theâm caùc chaân ñòai chæ ñeå coù theå ñòa chæ hoùa boä nhôù 2 gigabyte thay vì 16 megabyte ít oûûi. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  14. -14- Caán Truùc Maùy Tính Moät naêm sau Motorola laïi cho ra ñôøi 68020 laø moät chip 32 bit thaät söï. 68020 laø moät thaønh coâng lôùn vaø laø nhaân cuûa haàu heát caùc traïm laøm vieäc (workstation) cheá taïo bôûi Sun Microsystems, Apollo vaø Hewlett-Packard. Chip tieáp theo laø 68030 maø söï caûi tieán naèm ôû quaûn lyù boä nhôù. 68040 gioáng nhö 80486 chöùa CPU, moät ñoàng xöû lyù toaùn hoïc, ñôn vò quaûn lyù boä nhôù vaø cache treân chip. Sau naøy laïi xuaát hieän chip Power PC. Roõ raøng ta coù theå so saùnh 68030 vôùi 80386, 68040 vôùi 80486, Pentium vôùi Power PC cuûa 2 coâng ty Intel vaø Motorola. Söï caïnh tranh giöõa caùc chip cuûa Intel vaø caùc chip cuûa Motorola seõ tieáp tuïc trong nhieàu naêm nöõa. Hieän nay nhieàu coâng ty trong ñoù chuû yeáu laø AMD (Advanced Micro Designs) vaø Cyrix saûn xuaát caùc boä vi xöû lyù hoaøn toaøn töông thích vôùi caùc boä vi xöû lyù cuûa Intel. Chuùng moâ phoûng toaøn boä caùc leänh vaø thaäm chí phaàn lôùn caùc chip naøy töông thích caû caùc chaân cuûa caùc chip Intel. Baát cöù phaàn cöùng hay phaàn meàm naøo hoaït ñoäng treân caùc maùy vi tính duøng caùc chip cuûa Intel cuõng seõ hoaït ñoäng treân caùc maùy vi tính duøng caùc chip töông thích cuûa AMD vaø Cyrix. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  15. -15- Caán Truùc Maùy Tính CHÖÔNG 2: CAÁU TRUÙC CHUNG MAÙY TÍNH Moät maùy tính bao goàm caùc boä xöû lyù, boä nhôù vaø caùc thieát bò vaøo/ra. Trong chöông naøy seõ giôùi thieäu 3 thaønh phaàn naøy vaø söï phoái gheùp chuùng. Chuùng ta caàn phaûi bieát sô löôïc caáu truùc chung cuûa maùy tính tröôùc khi nghieân cöùu kyõ caùc caáp lôùp khaùc nhau trong caùc chöông sau. Caáu truùc cuûa moät maùy tính ñôn giaûn coù theå ñöôïc hình dung nhö sau: Ñôn vò Ñieàu khieån (CU) Ñôn vò Soá hoïc vaø Logic (ALU) Caùc thanh ghi Boä Nhôù Chính Ñóa Maùy in Thieát bò Vaøo / Ra Bus Hình 2.1 I. CAÙC BOÄ XÖÛ LYÙ Boä xöû lyù trung taâm (CPU) laø ñaàu naõo cuûa maùy tính. Chöùc naêng cuûa noù laø thöïc hieän caùc chöông trình naèm trong boä nhôù chính baèng caùch naïp leänh sau ñoù giaûi maõ roài thöïc hieän tuaàn töï heát leänh naøy ñeán leänh khaùc. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  16. -16- Caán Truùc Maùy Tính Boä xöû lyù trung taâm goàm ñôn vò ñieàu khieån (giöõ nhieäm vuï laáy leänh, giaûi maõ leänh) vaø ñôn vò soá hoïc vaø logic (thöïc hieän caùc pheùp toaùn nhö coäng, tröø, nhaân, chia, VAØ, HOAËC v.v… CPU goàm coù caùc thanh ghi cho pheùp löu giöõ keát quaû taïm thôøi hoaëc thoâng tin ñieàu khieån. Moãi thanh ghi coù moät chöùc naêng rieâng. Thanh ghi quan troïng nhaát laø thanh ñeám chöông trình (Program Counter) chæ ñeán vò trí cuûa leänh tieáp theo seõ thöïc hieän. Ngoaøi ra coù thanh ghi leänh (Instruction register). Haàu heát caùc maùy tính ñeàu coù caùc thanh ghi nhö thanh ghi chöùa (accumulator), thanh ghi chæ soá (index register), thanh ghi traïng thaùi (status register), con troû ngaên xeáp (stack pointer) v.v… 1. Thöïc hieän leänh CPU thöïc hieän leänh tuaàn töï nhö sau: a. Tìm naïp leänh keá tieáp töø boä nhôù vaøo thanh ghi leänh b. Thay ñoåi noäi dung thanh ñeám chöông trình ñeå xaùc ñònh ñòa chæ leänh keá c. Giaûi maõ leänh vöøa naïp d. Xaùc ñònh nôi chöùa döõ lieäu trong boä nhôù e. Tìm naïp döõ lieäu vaøo caùc thanh ghi trong CPU neáu caàn thieát f. Thöïc hieän leänh g. Löu keát quaû vaøo nôi thích hôïp h. Trôû veà böôùc 1 ñeå thöïc hieän leänh keá tieáp Caùc böôùc tuaàn töï treân goïi laø chu kyø tìm naïp-giaûi maõ- thöïc hieän leänh Taäp hôïp taát caû leänh ngöôøi laäp trình coù theå söû duïng ôû moät caáp ñöôïc goïi laø taäp caùc leänh hay goïi ngaén ngoïn laø taäp leänh (instruction set) cuûa caáp ñoù. Ñoái vôùi caáp maùy qui öôùc, soá leänh cuûa moät taäp leänh thöôøng trong khoaûng töø 20 ñeán 300. Moät taäp leänh coù soá leänh lôùn khoâng nhaát thieát toát hôn moät taäp leänh nhoû. Xu höôùng trong thöïc teá seõ ngöôïc laïi, moät taäp leänh nhoû seõ toát hôn. Moät taäp lôùn thöôøng toàn taïi nhieàu leänh khoâng ñöôïc söû duïng roäng raõi. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  17. -17- Caán Truùc Maùy Tính Caùc trình bieân dòch (compiler) cuûa caùc ngoân ngöõ caáp cao nhö Ada, Modula 2, Pascal, C thöôøng hoaït ñoäng toát treân caùc maùy coù taäp leänh nhoû vaø ñöôïc choïn loïc hôn laø treân caùc maùy coù taäp leänh lôùn, coàng keành vaø khoù söû duïng. Maùy tính coù moät taäp leänh raát nhoû goïi laø maùy coù taäp leänh ñöôïc ruùt goïn RISC (Reduced Instruction Set Computer). Maùy tính naøy thao taùc raát nhanh. 2. Toå chöùc CPU Ñöôøng döõ lieäu (data path) cuûa moät maùy von Neumann kinh ñieån A+B A B A B ALU A+B Hình 2.2 Ñöôøng döõ lieäu bao goàm caùc thanh ghi vaø ñôn vò soá hoïc vaø logic, caùc thanh ghi naøy coù theå ñöa giaù trò vaøo 2 thanh ghi nhaäp vaøo teân A, B. Hai thanh ghi naøy choát caùc ngoõ nhaäp vaøo cuûa ñôn vò soá hoïc vaø logic trong luùc ALU tính toaùn. ALU thöïc hieän pheùp toaùn coäng, tröø vaø caùc thao taùc (operation) ñôn giaûn khaùc treân caùc toaùn haïng (operand) chöùa trong A vaø B, ñöa ra keát quaû treân thanh ghi xuaát ra. Döõ lieäu trong thanh ghi xuaát coù theå ñöôïc caát giöõ trôû laïi moät thanh ghi cuûa CPU hoaëc ñöa trôû laïi boä nhôù neáu muoán. Trong hình treân pheùp coäng ñöôïc söû duïng ñeå minh hoaï. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  18. -18- Caán Truùc Maùy Tính 3. Thöïc hieän leänh song song: Töø nhöõng ngaøy ñaàu khai sinh ra maùy tính, nhöõng nhaø thieát keá ñaõ coá gaéng taïo ra nhöõng maùy tính xöû lyù nhanh. Ñeå laøm ñöôïc ñieàu aáy, ngöôøi ta ñaõ tìm nhieàu bieän phaùp ñeå hoaøn thieän phaàn cöùng. Tuy nhieân, nhieáu giôùi haïn vaät lyù khaùc nhau baét ñaàu xuaát hieän khi taêng toác ñoä phaàn cöùng. Ví duï: Khoâng coù moät tín hieäu naøo coù theå di chuyeån vöôït ñöôïc vaän toác cuûa aùnh saùng trong chaân khoâng, khoaûng 30cm/ngiaây vaø trong caùp ñoàng laø 20cm/ngiaây. Ñieàu naøy coù nghóa laø ñeå xaây döïng moät maùy tính coù thôøi gian leänh laø 1 ngiaây, toaøn boä khoaûng caùch maø tín hieäu coù theå di chuyeån töø CPU ñeán boä nhôù vaø ngöôïc laïi seõ khoâng theå lôùn hôn 20 cm. Vì theá caùc maùy tính coù toác ñoä caøng nhanh phaûi coù kích thöôùc caøng nhoû. Vôùi caùc maùy tính coù toác ñoä cao, khaû naêng sinh nhieät lôùn vaø neáu laép maùy tính vaøo 1 theå tích nhoû thì seõ khoù tieâu taùn nhieät. Ñoâi khi caùc sieâu maùy tính ñöôïc ñaët chìm trong chaát loûng freon, moät chaát duøng laøm nguoäi nhanh. Ñeå giaûi quyeát vaán ñeà naøy, thay vì taïo ra moät CPU toác ñoä cao, ngöôøi ta thieát keá maùy tính goàm nhieàu CPU toác ñoä chaäm hôn nhöng hoaït ñoäng song song. Nhieàu coâng trình nghieân cöùu ñaõ ñöôïc tieán haønh ñeå xaây döïng nhöõng maùy tính song song nhö vaäy. Maùy tính song song ñöôïc chia thaønh 3 loaïi (theo Flynn, 1971) döïa vaøo soá luoàng leänh (instruction stream) vaø soá luoàng döõ lieäu (data stream) cuûa maùy tính ñoù: SISD: maùy loaïi ñôn leänh, ñôn döõ lieäu - (Single Instruction stream, Single Data stream) - SIMD: maùy loaïi ñôn leänh, ña döõ lieäu (Single Instruction stream, Multiple Data stream) MIMD: maùy loaïi ña leänh, ña döõ lieäu - (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream) Maùy von Neumann truyeàn thoáng thuoäc loaïi SISD, coù moät luoàng leänh (nghóa laø moät chöông trình) ñöôïc thöïc hieän bôûi 1 CPU vaø coù moät boä nhôù chöùa döõ lieäu. Leänh ñaàu tieân ñöôïc tìm-naïp töø boä nhôù vaø thöïc hieän. Leänh thöù hai ñöôïc tìm-naïp vaø thöïc hieän v.v… Ngay caû trong moâ hình tuaàn töï naøy, coù theå nghó ñeán 1 quaù trình song song nhö tìm-naïp leänh keá tieáp tröôùc khi leänh ñang thöïc hieän hoaøn taát. Vôùi maùy tính CDC6600 coù nhieàu ñôn vò chöùc naêng (caùc ALU) Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  19. -19- Caán Truùc Maùy Tính Hình 2.3: Moät CPU vôùi 5 ñôn vò chöùc naêng hoaït ñoäng song song YÙ töôûng cuûa phöông phaùp thieát keá naøy laø ñôn vò ñieàu khieån tìm-naïp moät leänh vaø sau ñoù ñöa ñeán moät ñôn vò chöùc naêng thích hôïp ñeå thöïc hieän. Trong luùc ñoù, ñôn vò ñieàu khieån tìm-naïp chæ thò keá tieáp vaø ñöa ñeán moät ñôn vò chöùc naêng khaùc. Quaù trình naøy tieáp tuïc cho ñeán khi khoâng theå tieáp tuïc ñöôïc nöõa, hoaëc vì taát caû caùc ñôn vò chöùc naêng cuøng loaïi ñang baän hoaëc moät toaùn haïng vaãn coøn ñang ñöôïc tính toaùn. Moät bieán thaùi cuûa yù töôûng naøy laø taùch vieäc thöïc hieän moät leänh ra thaønh nhieàu phaàn. Trong hình sau ta thaáy moät CPU coù 5 ñôn vò xöû lyù Hình 2.4: Moät maùy ñöôøng oáng coù 5 ñôn vò xöû lyù Caùch toå chöùc nhö trong hình ñöôïc goïi laø maùy ñöôøng oáng (Pipeline machine). Neáu thôøi gian daønh cho moãi ñôn vò xöû lyù laø m ngiaây thì phaûi maát 5m ngiaây ñeå thöïc hieän moät leänh. Tuy nhieân vôùi caùc toå chöùc treân coù theå xem moãi leänh thöïc hieän chæ trong m ngiaây do vaäy taêng toác ñoä xöû lyù leänh cuûa maùy leân gaáp 5 laàn. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
  20. -20- Caán Truùc Maùy Tính Chuù yù raèng maëc duø maùy söû duïng cô cheá song song beân trong, moät maùy ñöôøng oáng daãn vaãn laø maùy SISD do chæ coù moät chöông trình vaø moät taäp döõ lieäu. Ngöôïc laïi, caùc maùy SIMD thao taùc treân nhieàu taäp döõ lieäu song song. ÖÙng duïng ñieån hình cuûa loaïi maùy SIMD laø döï baùo thôøi tieát. Thí duï nhö tính nhieät ñoä trung bình haøng ngaøy cho nhieàu vuøng, phöông phaùp tính ñeàu gioáng nhau nhöng vôùi caùc döõ lieäu khaùc. Moät caáu truùc khaù thích hôïp cho coâng vieäc naøy laø maùy vector (vector machine) döôïc trính baøy trong hình 2.5 Ñöôøng döõ lieäu ôû ñaây töông töï nhö trong hình 2.2 , chæ khaùc ôû choã thay vì coù moät bieán ñôn cho töøng ngoõ nhaäp cuûa ALU, ta coù moät vector vôùi n ngoõ nhaäp. Töông töï ALU thöïc söï laø moät ALU vector, coù khaû naêng thöïc hieän moät thao taùc nhö pheùp coâng vector (hình 2.5 b) treân 2 vector nhaäp vaø keát quûa ñöôïc laáy ra ôû vector xuaát. Moät soá sieâu maùy tính coù caáu truùc töông töï vôùi caáu truùc naøy. Hình 2.5 Moät maùy khaùc gaàn gioáng vôùi SIMD laø boä xöû lyù daõy (array processor, moät thieát keá khôûi ñaàu töø Ñaïi hoïc Illinois. Ñoù laø maùy tính ILLIAC IV nhö minh hoïa trong hình 2.6 sau: Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2