Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước. IOIT, VAST
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY TÍNH ĐIỆN TỬ
1.1.Sự ra đời và phát triển của máy tính
Trước công nguyên đã xuất hiện các công cụ xử lý số để tính toán các vấn đề
số học.
Giữa thế kỷ 17 nhà bác học Pháp B.Pascal (1823-1662) đã có nhiều đóng
góp trong cơ giới hóa tính toán số học. Ông đã làm ra một máy tính mới với nguyên
lý mới “bánh xe răng cưa”. Các bánh xe của Pascal có 10 vị trí (từ 0-9) và xếp đặt
kế tiếp nhau. Các máy này giúp cho việc tính tiền được nhanh chóng.
Tiếp theo đó nhà bác học Đức Leibniz (1646-1716) đã chế ra máy tính cơ
học có thể nhân và khai căn bậc 2.
Thế kỷ 19: Nhà bác học Anh C.Babbage (1791-1871) đã nghĩ đến tự động
hóa các máy tính cơ học, tự động thực hiện liên tiếp các phép tính. Máy của
Babbage cần dùng băng đục lỗ để xác định phép tính thực hiện. Kiểu máy tính này
được gọi là máy tính chương trình ngoài (ngược với máy tính hiện nay là máy tính
chương trình trong) thực hiện luôn một loạt phép tính cố định trong một chương
trình. Máy tính này đã có đủ CPU, bộ nhớ và thiết bị vào/ra.
Trong thế chiến lần thứ 2, nhiều hãng và trương đại học ở Mỹ đã xây dựng
các máy tính bằng rơle dựa trên nguyên lý Babbage.
John Mauchly và học trò J. Presper Eckert ở trường Đại học Pennsylvania
theo yêu cầu thiết kế máy tính để tính đường đạn. Mauchly gặp Atanasoff-1941 và
sử dụng nguyên lý máy ABC (Atanasoff-Berry Computer, máy tính đưa ra 1930) để
phát triển và đưa ra máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator and
Calculator, năm 1943 - 1946). Máy tính ENIAC được xây dựng từ các đèn điện tử.
Máy nặng 30 tấn, trải rộng trên diện tích 170 m2, công suất tiêu thụ 200 kW, thực
hiện được 5000 phép tính/giây. ENIAC được coi là máy tính điện tử đầu tiên.
Nhà toán học Von Neumann là người tư vấn trong chế tạo ENIAC đã nghiên
cứu máy tính ENIAC và đưa ra quan niệm mới.
1) Chương trình được ghi trước vào bộ nhớ: Máy tính có bộ nhớ để lưu trữ một
chương trình trước khi thực hiện và ghi kết quả trung gian. Chương trình
được thực hiện theo trình tự.
2) Ngắt rẽ nhánh: Máy tự động rẽ nhánh nhờ các quyết định logic
13
Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước. IOIT, VAST
Phần lớn các máy tính ngày nay đều làm việc trên nguyên lý Von Neumann.
Từ khi ra đời đến nay, máy tính đã trải qua 5 thế hệ. Các thế hệ của máy tính
điện tử bao gồm:
1) Thế hệ 1 (1951-1958): Ðèn điện tử chân không
2) Thế hệ 2 (1959-1964): Bán dẫn, Assembller, Cobol (59)
3) Thế hệ 3 (1965-1970): Vi điện tử cỡ nhỏ và vừa (SSI, MSI)
4) Thế hệ 4 (1971 đến nay): Vi điện tử cỡ lớn và siêu lớn (LSI, VLSI, MSI, GSI)
5) Thế hệ 5 (1980-1990): Dự án xây dựng máy tính thế hệ 5 với tính năng xử lý
song song trí tuệ nhân tạo và ngôn ngữ tự nhiên. Tuy nhiên dự án này không
thành công như mục tiêu đã đề ra.
1.2.Phân loại các hệ thống máy tính
1.2.1. Phân loại các hệ thống máy tính theo hiệu năng (khả năng tính toán)
Dựa trên khả năng tính toán của MTÐT, người ta chia làm 4 loại: Máy tính
cá nhân (Personal Computer), Máy tính Mini (Minicomputer), Máy tính lớn
(Mainframe) và Máy tính siêu lớn (Supercomputer). Các thông số đặc trưng để đánh
giá hiệu năng của máy tính là:
-Tốc độ (khả năng tính toán)
-Độ dài của từ xử lý
-Dung lượng bộ nhớ trong
-Dung lượng bộ nhớ ngoài
a. Máy tính cá nhân
Máy tính cá nhân thường là máy tính một người sử dụng.
Ví dụ:
Máy vi tính Pentium IV với
-Tốc độ được đặc trưng bằng tần số của đồng hồ 1,4GHz;
1,5GHz;...2,8GHz; 3,1GHz.
- Độ dài từ xử lý 32 bit.
-Dung lượng bộ nhớ trong: 64MB, 128MB, 256MB,...
-Dung lượng đĩa cứng: 20 GB, 40 GB, 80GB...
23
Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước. IOIT, VAST
b. Máy tính cỡ vừa (Mini)
Một máy tính Mini thường có khả năng cho 20 – 100 người đồng thời sử
dụng.
Máy tính Mini có hiệu năng sử dụng thường gấp 10 lần máy tính cá nhân.
Cấu hình của một máy tính mini có thể được thể hiện như trên hình 1.1.
c. Máy tính lớn
Máy tính lớn là máy tính đa người sử dụng. Thường một máy tính lớn có thể
nối với hơn 100 thiết bị đầu cuối.
Thông thường máy tính lớn có cụm xử lý:
-Bộ tiền xử lý (The-Front end-Processor) làm nhiệm vụ thu thập và xử lý số
bộ dữ liệu tới từ các thiết bị đầu cuối trước khi đưa vào cho bộ xử lý chủ.
-Bộ xử lý chủ (Host processor) làm nhiệm vụ xử lý chính và điều khiển toàn
bộ hệ thống.
-Bộ xử lý phụ trợ (The-back end-Processor) làm nhiệm vụ quản lý tệp, cơ sở
dữ liệu và máy in.
Máy tính lớn có khả năng tính toán gấp 10 lần máy Mini.
Ví dụ: Máy tính IBM 4381, IBM RS/400.
Cấu hình của một máy tính lớn được thể hiện như trên hình 1.2.
33
ThiÕt bÞ ®Çu cuèi
M¸y tÝnh mini
ThiÕt bÞ ®Çu cuèi
ThiÕt bÞ ®Çu cuèi
ThiÕt bÞ ®Çu cuèi
ThiÕt bÞ ®Çu cuèi
H×nh 1.1: CÊu h×nh tiªu biÓu cña m¸y
tÝnh mini
Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước. IOIT, VAST
d. Máy tính siêu lớn
Máy tính siêu lớn các cấu trúc hướng vào tăng tốc độ xử lý bằng cách:
- Dùng linh kiện nhanh hơn.
- Rút ngắn khoảng cách giữa các linh kiện.
- Kiến trúc máy này khác với các loại máy mini.
- Máy tính siêu lớn phải làm việc trong phòng lạnh.
Ví dụ: Máy tính Cray 5,5 triệu USD; Compag 200 triệu USD – hàng ngàn bộ
xử lý.
Máy tính siêu lớn có khả năng tính toán lớn hơn 10 lần máy tính lớn.
Ứng dụng:
- Phân tích số liệu động đất
- Mô phỏng dòng khí của máy bay.
- Nghiên cứu sức nổ của phản ứng hạt nhân.
- Nghiên cứu mô phỏng, tạo dạng cơn bão trong dự báo thời tiết.
- Kiến tạo những mô hình chuyển động trong vũ trụ.
43
Kiến trúc Máy tính NV Tam, HT Cước. IOIT, VAST
1.2.2. Phân loại các hệ thống máy tính theo kiến trúc
Ngoài nguyên lý máy trình tự (theo Von Neumann), trong giai đoạn gần đây
còn phát triển các máy tính theo nguyên lý song song. Theo Michael Flymn có thể
phân loại máy tính như sau:
a) Các kiểu nguyên lí xử lí
Cơ sơ để phân loại dựa trên tính đơn xâu hay đa xâu của lệnh và dữ liệu do Michael
Flynn đề xuất. Trong đó xâu lệnh (instruction stream) là một tập tuần tự các lệnh
(instruction) được thực hiện bởi một CPU và xâu dữ liệu (data stream) là chuỗi các
dữ liệu mà xâu lệnh cần có. Có bốn loại kiến trúc như sau:
SISD (single instrucction stream, single data stream).
Theo nguyên lý Von Neumann – máy tính tuần tự.
Một thời điểm chỉ có một lệnh được thực hiện, tương tự như khi sản
xuất ô tô, một người làm tất cả các công việc.
Đây là mô hình máy tính von Neumann, còn gọi là thiết kế kiểu máy tính nối tiếp,
trong đó chỉ một lệnh thực hiện ở một thời điểm. SISD qui chiếu loại máy serial
scalar computer. Tất cả các máy SISD sử dụng một bộ đếm chương trình, PC
(Program Counter), để tạo ra quá trình thực hiện liên tiấp các lệnh. Sau mỗi lần lệnh
lấy được từ bộ nhớ, PC tự động cập nhật giá trị mới để có địa chỉ lệnh tiếp theo.
(Tức thực hiện theo thứ tự liên tiếp (serial order)).
MISD (multiple instruction stream, single data stream).
Nhiều lệnh cùng thao tác trên một mảng dữ liệu.
Trong thực tế là kiến trúc mà số liệu được đưa qua một chuỗi các đơn
vị xử lý.
Ví dụ tương tự dây chuyền sản xuất mỗi người công nhân thực hiện
một nhiệm vụ hoặc một tập hợp nhiệm vụ dựa trên kết quả của
người trước đó.
Các kiến trúc đường ống như systolic array và vector processor thuộc
loại MISD
Là loại kiến trúc với khả năng thực hiện vài lệnh thao tác trên một xâu dữ liệu. Cách
tổ chức kiểu máy này như thế nào: có hai cách diễn đạt.
- Xem xét một lớp các máy tính, trong đó các đơn vị xử lí riêng biệt nhận các
lệnh riêng biệt thao tác trên cùng một dữ liệu. Đây là loại máy thách thức các nhà
kiến trúc máy tính, và chưa có máy nào loại này trong thực tế.
53