TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY TÍNH

Chia sẻ: Tongdaithanh Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:330

Thêm vào BST

Báo xấu

569
lượt xem 158
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

1.1 Lịch sử hệ thống máy tính 1.1.1 Các thế hệ 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....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY TÍNH

TRƯỜNG …………………. KHOA………………………. ----- ----- Chính sách ngôn ngữ ở Việt Nam qua các thời kì lịch sử
Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY TÍNH 1.1 Lịch sử hệ thống máy tính 1.1.1 Các thế hệ 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 1: Máy tính dùng đèn chân không (Vacumm Tube) 1946-1955 • Thế hệ 2: Máy tính dùng Transitor (1955-1965) • Thế hệ 3: Máy tính dùng mạch tích hợp IC (Intergrated Circuit) 1966 – 1980 • Thế hệ 4: Máy tính dùng mạch tích hợp cực lớn VLSI (Very Large Scale Intergrated )1980 đến nay a. Máy tính thế hệ 1 Máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer): Đề xuất năm 1943 và hoàn thành 1946 được sử dụng đến1955 do thầy trò Eckert và Mauchly Trường đại học Pennsylvania của Mỹ Đặc điểm chính: • Nặng 30 tấn, chiến diện tích 150m2 và sử dụng 140KW. • 5000 nghìn phép cộng trên giây. • Sử dụng hệ thập phân. • Lập trình bằng công tắc. • Sử dụng 18000 bóng đèn điện tử (vacuum tubes) IAS(Institute for Advanced Studies): Xây dựng dựa trên ý tưởng của Turring (Mỹ) và Von Neumann (Anh) Thiết kế 1947 hoàn thành 1952 1
Là mô hình cơ bản của hệ thống máy tính ngày nay Hình 1.1: Cấu trúc ISA 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. Hình 1.2: Micral (Pháp) máy vi tính lắp ráp hoàn toàn đầu tiên: Commercial Computers • 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation • UNIVAC I (Universal Automatic Computer) • US Bureau of Census 1950 calculations • Became part of Sperry-Rand Corporation • Late 1950s - UNIVAC II – Faster – More memory 2
b. Máy tính thế hệ 2 (1957-1964) – Lab Bell phát minh ra transistor vào năm 1947 các đèn điện tử được thay thế bằng các transistor lưỡng cực. – Đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor 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, COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) và hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing) được dùng. c. Thế hệ thứ ba (1965-1971) – Xuất hiện các 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 – Mạch 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. d. Thế hệ thứ tư 1972. – IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large Scale Integration): Chứa hàng ngàn linh kiện. – 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). – Xuất hiện bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và phần điều khiển của một bộ xử lý – Bắt đầu xuất hiện các thế hệ máy tính cá nhân. – Bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi. – Kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song… 3
IBM/PC đầu tiên khởi dầu Chíp VXL intel 4004 – cho dòng máy PC phổ biến ngày nay chip VXL đầu tiên của intel Tóm tắt: • Vacuum tube - 1946-1957 • Transistor - 1958-1964 • Small scale integration - 1965 : Up to 100 devices on a chip • Medium scale integration – 1971 – 100: 3,000 devices on a chip • Large scale integration - 1971-1977 : 3,000 - 100,000 devices on a chip • Very large scale integration - 1978 -1991: 100,000 - 100,000,000 devices on a chip • Ultra large scale integration – 1991 : Over 100,000,000 devices on a chip Hình 1.3: Sự phát triển về mật độ tích hợp của các chip VXL 4
Hình 1.4 : Lịch sử tiến hóa của các thế hệ vi xử lý Intel: từ năm 1971 tới năm 2003 Phân loại máy tính: Thông thường máy tính được phân loại theo tính năng kỹ thuật và giá tiền. – Các siêu máy tính (Super Computer): là các máy tính đắt tiền nhất và tính năng kỹ thuật cao nhất. Giá bán một siêu máy tính từ vài triệu USD. Các siêu máy tính thường là các máy tính vectơ hay các máy tính dùng kỹ thuật vô hướng và được thiết kế để tính toán khoa học, mô phỏng các hiện tượng. Các siêu máy tính được thiết kế với kỹ thuật xử lý song song với rất nhiều bộ xử lý (hàng ngàn đến hàng trăm ngàn bộ xử lý trong một siêu máy tính). – Các máy tính lớn (Mainframe) là loại máy tính đa dụng. Nó có thể dùng cho các ứng dụng quản lý cũng như các tính toán khoa học. Dùng kỹ thuật xử lý song song và có hệ thống vào ra mạnh. Giá một máy tính lớn có thể từ vài trăm ngàn USD đến hàng triệu USD. – Máy tính mini (Minicomputer) là loại máy cở trung, giá một máy tính mini có thể từ vài chục USD đến vài trăm ngàn USD. – Máy vi tính (Microcomputer) là loại máy tính dùng bộ vi xử lý, giá một máy vi tính có thể từ vài trăm USD đến vài ngàn USD. 5
1.1.2 Xu hướng phát triển của các hệ thống máy tính. – Máy tính thông minh, dựa trên các ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG,... – Giao diện người - máy thông minh: ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: Bước chân tiên tiến của đổi mới và chuyển động). – Máy tính song song với từ vài bộ xử lý đến vài ngàn bộ xử lý. – Hệ thống nhúng 1.2 Các thuật ngữ và khái niệm cơ bản. 1.2.1 Các khái niệm cơ bản. – Máy tính(computer) là thiết bị điện tử thực hiện công việc: • Nhận thông tin vào. • Xử lý thông tin theo chương trình nhớ sẵn bên trong bộ nhớ máy tính. • Đưa thông tin ra. – Chương trình (Program): chương trình là dãy các câu lệnh nằm trong bộ nhớ, nhằm mục đích hướng dẫn máy tính thực hiện một công việc cụ thể nào đấy. Máy tính thực hiện theo chương trình. – Phần mềm (Software): Bao gồm chương trình và dữ liệu. – Phần cứng (Hardware): Bao gồm tất cả các thành phần vật lý cấu thành lên hệ thống Máy tính. – Phần dẻo (Firmware): Là thành phần chứa cả hai thành phần trên. – Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) đề cập đến các thuộc tính của hệ thống máy tính dưới cái nhìn của người lập trình. Hay nói cách khác, là những thuộc tính ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thực hiện logic của chương trình. Bao gồm: tập lệnh, biểu diễn dữ liệu, các cơ chế vào ra, kỹ thuật đánh địa chỉ,… 6
– Cấu trúc máy tính(Computer Structure): là những thành phần của máy tính và những liên kết giữa các thành phần.Ở mức cao nhất máy tính bao gồm 4 thành phần: – Bộ xử lý : điều khiển và xử lý số liệu. – Bộ nhớ : chứa chương trình và dữ liệu. – Hệ thống vào ra : trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài. – Liên kết giữa các hệ thống (BUS): liên kết các thành phần của máy tính lại với nhau. Hình 1.5: Mô hình phân lớp hệ thống máy tính 1.2.2 Ngôn ngữ máy, cấp máy và máy ảo. o Ngôn ngữ máy: Tập các chỉ thị Khó dùng, nhàm chán o Ngôn ngữ cấp cao: Biểu diễn một tập các chỉ thị mức dưới Xây dựng cấu trúc máy ảo + Ngôn ngữ bậc cao ở các cấp máy khác nhau o Biên dịch (compilation): dịch toàn bộ chương trình sang dạng thấp hơn rồi chạy chương trình o Thông dịch (interpretation): Dịch từng lệnh sang mã máy Các mức ngôn ngữ máy: • Mức 0: Mức logic số, hoạt động sử dụng các cổng logic AND, OR, XOR, NOT… • Mức 1: Mức vi chương trình; Thực hiện thông dịch các lệnh mức 2; Các lệnh di chuyển dữ liệu, kiểm tra… • Mức 2: Mức máy tính thông thường; chạt trên mức vi chương trình 7
• Mức 3: Mức máy hệ điều hành; chứa thêm tập các chỉ thị điều khiển các chương trình hoạt động một cách đồng thời • Mức ngôn ngữ Assembly: Dùng cho người lập trình, ngôn ngữ gần với ngôn ngữ máy nhất mà người lập trình tiếp cận (Thực hiện biên dịch) • Mức ngôn ngữ bậc cao: Dùng lập trình ứng dụng Mô hình cơ bản hệ thống máy tính: Kiến trúc hệ thống máy tính: Structure - Top Level Structure - The CPU 8
Structure - The Control Unit 1.3 Thông tin và biểu diễn thông tin trong máy tính 1.3.1 Lượng thông tin và sự mã hóa thông tin Hình 1.6:Thông tin về hai trang thái có ý nghĩa của hiệu điện thế Trạng thái có ý nghĩa: trạng thái thấp khi hiệu điện thế thấp hơn V và L trạng thái cao khi hiệu điện thế lớn hơn V . Để có thông tin, ta phải xác định thời H điểm ta nhìn trạng thái của tín hiệu. Thí dụ, tại thời điểm t thì tín hiệu ở trạng thái 1 thấp và tại thời điểm t thì tín hiệu ở trạng thái cao. 2 Đơn vị đo lường thông tin là bit Lượng thông tin được định nghĩa bởi công thức: I=log2(N) 9
Trong đó: I là lượng thông tin tính bằng bit N Số trạng thái có thể có Như vậy lượng thông tin là số con số nhị phân cần thiết để biểu diễn số trạng thái có thể có. Do vậy, một con số nhị phân được gọi là một bit. Một từ n bit n có thể tượng trưng một trạng thái trong tổng số 2 trạng thái mà từ đó có thể tượng trưng. Vậy một từ n bit tương ứng với một lượng thông tin n bit. 1.3.2 Biểu diễn thông tin trong máy tính. Nguyên tắc chung: Mọi dữ liệu đưa vào máy tính đều được mã hóa thành số nhị phân Các loại dữ liệu: – Dữ liệu nhân tạo: do con người quy ước – Dữ liệu tự nhiên: Tồn tại khách quan với con người Mã hoá dữ liệu nhân tạo – Dữ liệu số nguyên: mã hoá theo một số chuẩn đa qui ước. – Dữ liệu số thực: mã hoá bằng số dấu chấm động – Dữ liệu phi số (ký tự): mã hoá theo các bộ mã ký tự hiện hành như : ASCII, Unicode,… Hình 1.7: Mô hình mã hóa và tái tạo tín hiệu vật lý: Các tín hiệu thông dụng: Âm thanh Hình ảnh Thứ tự lưu trữ các byte trong máy tính: – Bộ nhớ chính tổ chức lưu trữ dữ liệu theo đơn vị byte 10
– Độ dài từ dữ liệu có thể chiếm từ 1 đến 4 byte. Vì vậy cần phải biết thứ tự chúng lưu trữ trong bộ nhớ chính đối với các dữ liệu nhiều byte. – Có hai cách lưu trữ được đưa ra o Little Endian (đầu nhỏ): Byte có ý nghĩa thấp hơn được lưu trữ trong bộ nhớ ở vị trí có địa chỉ nhỏ hơn. o Big Endian (đầu to): Byte có ý nghĩa thấp hơn được lưu trữ trong bộ nhớ ở vị trí có địa chỉ lớn hơn. Ví dụ lưu trữ một từ dữ liệu 32bit 0001 1010 0010 1011 0011 1100 0100 1101B 1A 2B 3C 4D H Biểu diễn trong ngăn nhớ: 300 4D 300 1A 301 3C 301 2B 302 2B 302 3C 303 1A 303 4D Little endian Big endian Lưu trữ của các bộ VXL điển hình: – Loại máy Intel: 80x86, Petium -> little endian – Motorola 680x0 và các bộ xử lý RISC -> big endian – Power PC & Itanium: tích hợp cả hai cách trên a. Biểu diễn số nguyên Máy tính biểu diễn số nguyên chia thành hai loại: - Số nguyên không dấu - Số nguyên có dấu Số nguyên không dấu: Giả sử dùng n bit để biểu diễn số nguyên không dấu dải giá trị biểu diễn: (0 – 2N-1) Ví dụ n=8: dải giá trị từ 0 – 255 n=16 dải giá trị: 0 – 65535 Số nguyên có dấu: Số bù một và số bù hai: Cho một số nhị phân N được biểu diễn bởi n bit. Ta có 11
Số bù một của N bằng (2n-1)-N Số bù hai của N bằng 2n-N Ví dụ: Cho số N = 0001 00012 được biểu diễn bởi n=8bit. Xác định số bù 1 và bù 2 của N. Áp dụng công thức 1111 1111 (2n-1) - 0001 0001 N số bù một của N: 1110 1110 Nhận xét: – Số bù một của một số N được xác định bằng cách đảo các bit trong N – Số bù hai của một số N được xác định bằng cách lấy số bù một của N cộng thêm 1: Số bù 2 của N =(số bù 1 của N)+1 Giả sử dùng n bit để biểu diễn số nguyên có dấu dải mà n bit biểu diễn được từ (- 2n-1 …-1,0... 2n-1-1). Giá trị của số nguyên đó được tính theo 2 phần riêng biệt: 2n-1-1). Phần giá trị dương (0 Phần giá trị âm (- 2n-1 -1). Trong đó: Bít có trọng số cao nhất (hay bit ngoài cùng bên trái của dãy nhị được máy tính sử dụng để biểu diễn dấu của giá trị) nếu: = 0 : thì số nhị phân cần tính giá trị là số dương. Dạng tổng quát là: 0an-2an-3…a0 Nếu: = 1 : thì số nhị phân cần tính giá trị là số âm. Dạng tổng quát là: 1an-2an-3…a0 Ví dụ: Biểu diễn số nguyên có dấu sau đây A=+97 và B= -101 theo hai dạng kiểu n=8bit và n=16bit trong máy tính. b. Biểu diễn số thực. Ví dụ: Khối lượng mặt trời: 199000000000000000000000000000000000g Khối lượng điện tử: 0.00000000000000000000000000000910956g 12
Biểu diễn số trên trong máy tính: Sử dụng cách biểu diễn số có dấu phẩy tĩnh rất bất tiện sử dụng số có dấu phẩy động • Floating Point Number Biểu diễn cho số thực X=M*RE • – X: Số thực – M: Phần định trị – R: Cơ số (2) – E: Phần mũ Chuẩn IEEE754/85: • Số có dấu chấm động chính xác đơn 32 bit • Số có dấu chấm động chính xác kép 64 bit • Số có độ chính xác mở rộng dài 128bit (quadruple) S: Bit dấu e = E + 127 E = e -127 m: Phần lẻ của phần định trị M; M = 1.m X = (− 1) *1.m * 2e −127 S Giá trị số thực: Các phép toán với số dấu phẩy động: • Tăng số mũ của số có số mũ nhỏ hơn bằng với số mũ của số có số mũ lớn • Cộng hoặc trừ phần định trị • Chuẩn hóa lại kết quả 13
c. Biểu diễn ký tự: • BCD (Binary Coded Decimal): Mã hóa các số thập phân bằng các ký hiệu nhị phân Thập phân BCD Thập phân BCD 0 0000 8 1000 1 0001 9 1001 2 0010 1010 3 0011 1011 4 0100 1100 Cấm 5 0101 1101 6 0110 1110 7 0111 1111 Yêu cầu: Phân biệt số thập phân và mã BCD của số đó Mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange): Biểu diễn các ký tự hiển thị được và ký tự điều khiển: 14
Bảng mã ASCII tiêu chuẩn 15
Bảng mã ASCII mở rộng: Bài tập: 1. Chuyển đổi giữa các hệ thống đếm. 2. Chuyển đổi giữa các ký tự trong bảng mã ASCII 1.4 Sơ lược các bộ phận của hệ thống máy tính. (Pending) 16
Chương 2: KIẾN TRÚC BỘ VI XỬ LÝ 2.1 Sự tiến hóa của các bộ vi xử lý Intel Các bộ vi xử lý thời kỳ đầu • 8080 — Là bộ vi xử lý đầu tiên — 8 bit dữ liệu • 8086 — Giống bộ xử lý 8086 nhưng có tốc độ xử lý nhanh hơn — 16 bit — Sử dụng bộ đệm lệnh, lưu các chỉ dẫn lệnh. — 8088 (8 bit external bus) used in first IBM PC • 80286 — 16 Mbyte bộ nhớ • 80386 — 32 bit — Hỗ trợ các hệ điều hành đa nhiệm. Các bộ vi xử lý tiên tiến Intel 80486 o Ra đời năm 1989 o Có chừng1,2 triệu bóng bán dẫn/chip gấp 4 lần 386 o Có 168 chân, đóng vỏ PGA (Pin grid array) o Là bộ vi xử lý 32 bit như 386, tức có cấu trúc bên trong, các thanh ghi cũng như bus số liệu ngoài đều là 32 bit. o Bus dữ liệu chân D0-D31 o Bus địa chỉ chân A0-A31 Một số đặc điểm nâng cao: 1. Thực hiện cách tổ chức đường ống dẫn (pepeline) nhờ vậy mà tốc độ thực hiện của 486 nhanh hơn nhiều lần so với 386. Nhiều lệnh nếu thực hiện ở 386 mất 3 chu kỳ đồng hồ còn ở 486 chỉ mất có 1 chu kỳ 17
2. Sử dụng Cache Internal: 8 kb bên trong CPU loại trừ được độ trễ khi sử dụng cache external. 8 kb cache Internal được dùng để lưu số liệu và lệnh nên tốc độ xử lý được nâng đáng kể. 3. Có đồng xử lý toán học ngay bên trong CPU 4. Có thiết kế 4 chân DP0-DP3 (Data Parity) để kiểm tra tính chẵn lẻ của hệ thống. Mỗi chân cho mỗi byte từ D0-D31. 5. Tần số làm việc của CPU bằng đồng hồ của hệ thống. Pentium (1993) Một số thông số chung: – Mật độ 3,1tr T/chip – 273 chân – PGA (Pin Grid Array) Đặc điểm nâng cao: – Bus dữ liệu ngoài 64 bit: D0-D63 – Có 2 đơn vị thực hiện bên trong CPU – Có 8 chân DP để làm việc với 8 byte số liệu D0-D63. – Có 16 Kb cache trên chip: 8 kb cho mã lệnh, 8 kb cho số liệu còn ở 486 chỉ có cache 8 kb dành cho cả hai. – Hai cache mã lệnh và số liệu của CPU Pentium được truy nhập đồng thời. – Bộ đồng xử lý toán học của Pentium nhanh gấp nhiều lần (10 lần trở lên) so với đồng xử lý toán học của 486. Bộ đồng xử lý toán học được coi là đơn vị dấu phẩy động (FPU), còn đơn vị tương ứng để thực hiện với số nguyên được gọi là đơn vị số nguyên (IU). Phần FPU của Pentium sử dụng pepeline 8 tầng còn đơn vị BIU sử dụng 5 tầng. – Pentium mới có đó là cấu trúc Superscalar (Cấu trúc siêu hướng), có 2 đơn vị thực hiện song song bên trong CPU. Mỗi đơn vị thực hiện lại được tổ chức theo kiến trúc đường ống dẫn gồm nhiều tầng nên tăng được tốc độ xử lý lên nhiều lần. Như vậy khi Pentium thực hiện lệnh, tại mỗi thời điểm có 2 lệnh cùng chuyển đến 2 đơn vị thực hiện khác nhau. – BVXL Pentium có thể dự đoán rẽ nhánh (Branch prediction) tức là bộ vi xử lý có thể suy đoán và nhận trước mã lệnh khi có lệnh JMP hoặc 18
lệnh CALL. BVXL Pentium có thể suy đoán và nhận trước các mã lệnh (lệnh JMP và lệnh ngay sau lệnh JMP) và các lệnh này vẫn được thực hiện tức thời. Tính chất suy đoán rẽ nhánh làm bớt một phần tổng thời gian thực hiện lệnh Hình 2.1: Cấu trúc bộ vi xử lý Pentium Pentium MMX (1997) BVXL PentiumMMX được xuất xưởng đầu tiên vào tháng 1.1997. Từ MMX được viết tắt từ Multimedia Extension tức là bộ vi xử lý mở rộng cho đa phương tiện. BVXL Pentium MMX có 3 nét đặc trưng chính sau đây: – Sử dụng kỹ thuật mới nhất có tên gọi là SIMD (Single Instruction, Multiple Data Technique - hay còn gọi là kỹ thuật lệnh đơn xử lý cho đa sô liệu). Mấu chốt của vấn đề là kỹ thuật SIMD cho phép với cùng một lệnh nhưng thực hiện được cho nhiều dạng dữ liệu đồng thời. Kỹ thuật SIMD cho phép bớt đáng kể số các lệnh khi thực hiện vòng lặp chung cho các số liệu video, audio, graphic và đồ hoạ. Kỹ thuật SIMD nâng tốc độ xử lý số liệu lên đáng kể (10 - 20% so với Pentium). – Công nghệ MMX được bổ sung 57 lệnh mới và rất mạnh chuyên cho thao tác và xử lý các số liệu video, audio, đồ hoạ và hoạt hinh (tức xử lý Multimedia). 19