BGKTMT Ch2 tổ chức hệ thống máy tính

Chương 2: Tổ chức hệ thống máy tính

BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH – KHOA ĐiỆN TỬ 2 / 50

NỘI DUNG

I. Biểu diễn dữ liệu trong máy tính

II. Tổ chức hệ thống máy tínhI. Kiến trúc chung của máy tính điện tử

II. Bộ xử lý

III. Bộ nhớ

IV. Tổ chức vào ra


ĐƠN VỊ ĐIỀU KHIỂN (Control Unit)

ĐƠN VỊ XỬ LÝ SỐ HỌC VÀ LOGIC (ALU)

CÁC THANH GHI (Register)

Bus địa chỉ

Bus dữ liệu

Bus điều khiển

Bộ nhớ trong Ngoại vi


... 2.2 Bộ xử lý - Processors


Các thành phần cơ bản của máy tính

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): điều khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu

Bộ nhớ chính (Main Memory): chứa các chương trình và dữ liệu đang được sử dụng

Hệ thống vào ra (Input/Output System): trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài.

Liên kết hệ thống (System Interconnection): kết nối và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau


2.1 Kiến trúc chung của máy tính điện tử


2.1 Kiến trúc chung của máy tính điện tử

• Trước tiên số liệu được đưa vào bộ nhớ trong• Lệnh đầu tiên trong bộ nhớ đưa vào CU• CU giải mã lệnh, nếu cần toán hạng xác

định địa chỉ toán hạng• CU phát tín hiệu tới các thành phần cần thiết

để lấy toán hạng về, đưa vào thanh ghi trong ALU

• CU phát tín hiệu điều khiển ALU thực hiện phép toán. Kết quả đặt tại ALU/Bộ nhớ trong

• Thực hiện lệnh tiếp theo tương tự.


2.2.1 Sự thi hành các chỉ thị

1. Lấy (Fetch) chỉ thị tiếp theo từ trong bộ nhớ đặt vào thanh ghi chỉ thị

(IR).

2. Thay đổi con đếm chương trình (PC) để trỏ tới chỉ thị tiếp theo.

3. Xác định kiểu của chỉ thị vừa lấy về.

4. Nếu chỉ thị sử dụng dữ liệu trong bộ nhớ thì xác định vị trí của dữ liệu.

5. Lấy dữ liệu về nếu có, đặt vào các thanh ghi bên trong CPU.

6. Thi hành chỉ thị.

7. Chứa kết quả vào nơi thích hợp.

8. Trở lại bước 1 để bắt đầu thi hành chỉ thị tiếp theo

Chu kỳ lấy lệnh - giải mã lệnh - thi hành lệnh.


2.2.2 Tổ chức CPU

Đường dữ liệu của một CPU đang thực hiện phép tính cộng 2 toán hạng A và B


... 2.2.2 Tổ chức CPU – phân loại chỉ thị theo toán hạng

Toán hạng: nằm trong tập các thanh ghi đệm hoặc trong bộ nhớ

• Thanh ghi – bộ nhớ: Lấy một toán hạng trong bộ nhớ về, đặt vào

một thanh ghi đệm nhất định, còn toán hạng thứ hai đang nằm trong

một thanh ghi nào đó, sau đó chúng sẽ được ALU sử dụng.

• Thanh ghi – thanh ghi: Các lệnh sẽ nhận 2 toán hạng từ các thanh

ghi đệm, đưa chúng vào các thanh ghi vào của ALU, thực hiện các

thao tác trên các toán hạng này sau đó đưa kết quả trở lại các thanh

ghi đệm.

• Bộ nhớ - bộ nhớ: Các lệnh sẽ nhận các toán hạng từ bộ nhớ vào

trong các thanh ghi vào của ALU, thực hiện các thao tác tính toán

trên các toán hạng này rồi gửi kết quả trở lại bộ nhớ.


Kiến trúc RISC và CISC

• Kiến trúc CISC: (Complex Instructions Set Computer - Máy tính với tập

lệnh phức tạp)

• Tập lệnh có nhiều lệnh

• Dạng lệnh phức: mỗi lệnh có thể thực hiện nhiều thao tác đơn. Lệnh được

thực hiện trong nhiều chu kỳ đồng hồ.

• Độ dài của lệnh thay đổi.

• Sự phức tạp của lệnh nằm trong mã vi lệnh (MicroCode). Trình biên dịch ít

làm việc hơn (để chuyển các câu lệnh HLL thành ngôn ngữ Assembly)

• Có thể sử dụng nhiều lệnh để truy cập bộ nhớ

• Có nhiều chế độ địa chỉ

• Tập thanh ghi ít hơn



• Kiến trúc RISC: (Reduced Instructions Set Computer - Máy tính với tập

lệnh đơn giản hóa)

• Tập lệnh có ít lệnh

• Dạng lệnh đơn (tất cả các lệnh): mỗi lệnh chỉ thực hiện được một thao tác

dơn. Và chỉ trong một chu kỳ đồng hồ, có thể thực hiện được nhiều lệnh

trong cùng một chu kỳ đồng hồ.

• Độ dài của lệnh cố định (32bit)

• Sự phức tạp của lệnh nằm trong trình biên dịch

• Các bộ vi xử lý RISC phổ biến là ARM, SuperH, MIPS, SPARC, DEC

Alpha, PA-RISC, PIC, và PowerPC của IBM.



? Trong hai loại kiến trúc RISC và CISC:

• Bộ điều khiển của kiến trúc nào phức tạp hơn?

• Chi phí thiết kế của loại nào đắt hơn?

• Loại nào có tốc độ tính toán cao hơn? Vì sao?

• Chương trình của kiến trúc nào dài hơn? Vì sao?

• Loại nào hỗ trợ cho ngôn ngữ bậc cao tốt hơn?

• Chương trình dịch của loại nào đơn giản hơn?


... 2.2.3 Sự thực hiện song song các lệnh

• Mục đích: Tăng tốc độ thực hiện

• Cách tiếp cận khác: XD máy tính nhiều ALU tốc độ thấp hoặc nhiều

CPU để đạt công suất tính toán cao, giá thấp

Ba nhóm máy tính song song:

1. SISD (Single Instruction stream, Single Data stream): Máy tính có một

dòng chảy của lệnh và một dòng chảy của dữ liệu.

2. SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data stream): Máy tính có một

dòng chảy của lệnh và nhiều dòng chảy của dữ liệu.

3. MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream): Máy tính có

nhiều dòng chảy của lệnh và nhiều dòng chảy của dữ liệu.


2.2.3.1 Máy tính loại SISD – CDC6600

• 2 ALU để thực hiện phép toán cộng, 1 ALU thực hiện phép toán trừ, 1 ALU thực hiện phép toán nhân, 1 ALU thực hiện phép toán chia.

• Hiệu quả cao khi thời gian thực hiện một lệnh lớn hơn nhiều thời gian lấy lệnh về (fetch). VD trong các tính toán số dấu phảy động.


... 2.2.3.1 Máy tính loại SISD – MT đường ống

• Ý tưởng: chia việc thực hiện mỗi lệnh thành nhiều giai đoạn,

CPU bao gồm một số đơn vị chức năng, mỗi đơn vị chức năng

sẽ thực hiện một giai đoạn của quá trình thực hiện một lệnh.

• Tốc độ tăng lên 5 lần.


... 2.2.3.1 Máy tính loại SISD – MT đường ống

• Câu hỏi: Tại sao máy tính pipeline có sử dụng cơ

chế song song bên trong nhưng nó vẫn thuộc loại

SISD


2.2.3.2 Máy tính loại SIMD – máy tính vector

• Thao tác song song trên nhiều tập dữ liệu vd giải các bài toán dự báo thời tiết, chẳng hạn tính toán nhiệt độ trung bình hàng ngày trong suốt 24 giờ của nhiều địa điểm; Đối với mỗi địa điểm công việc tính toán là như nhau, nhưng tập dữ liệu là khác nhau.


2.2.3.3 Máy tính loại MIMD

• Nhiều CPU, mỗi CPU thực hiện một chương trình khác nhau,

các CPU cùng chia sẻ một vùng nhớ chung

• VD hệ thống máy tính phục vụ việc đặt chỗ trong ngành hàng

không.


2.3 Bộ nhớ

2.3.1 Một số đơn vị dung lượng bộ nhớ:

• Đơn vị cơ sở - Bit

• Bộ nhớ bao gồm các ô nhớ có cùng kích thước (tức là

cùng số bit), Mỗi ô nhớ được gán một địa chỉ duy nhất.

• Bộ nhớ có n ô nhớ miền địa chỉ từ 0 tới n-1.

• Hầu hết các máy vi tính có kích thước ô nhớ là 8 bit (1

byte), các byte lại được nhóm lại thành word (từ).

• Mỗi word gồm số byte mà hầu hết các lệnh của bộ xử

lý thao tác như một đơn vị (thao tác làm một lần).


2.3.3 Trật tự byte trong word, big endian và little endian computer

Các byte trong một word được đánh số từ trái phải/ phải

trái.


Bộ nhớ máy tính

� Chức năng: lưu trữ chương trình và dữ liệu.

� Các thao tác cơ bản với bộ nhớ:� Đọc (Read)� Ghi (Write)

� Các thành phần chính:� Bộ nhớ trong (Internal Memory)� Bộ nhớ ngoài (External Memory)


Bộ nhớ trong

� Chức năng và đặc điểm:� Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi

trực tiếp� Tốc độ rất nhanh� Dung lượng không lớn� Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM, RAM

� Các loại bộ nhớ trong:� Bộ nhớ chính� Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh)


Bộ nhớ chính

� Chứa các chương trình và dữ liệu đang được CPU sử dụng.

� Tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa chỉ.

� Ngăn nhớ thường được tổ chức theo byte.

� Nội dung của ngăn nhớ có thể thay đổi, song địa chỉ vật lý của ngăn nhớ luôn cố định.


Bộ nhớ cache

� Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy nhập bộ nhớ

� Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính � Tốc độ nhanh hơn � Cache thường được chia thành một số

mức � Cache có thể được tích hợp trên chip

VXL. � Cache có thể có hoặc không.


Bộ nhớ ngoài

� Chức năng và đặc điểm:� Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính� Được kết nối với hệ thống dưới dạng các

thiết bị vào-ra� Dung lượng lớn� Tốc độ chậm

� Các loại bộ nhớ ngoài:� Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm� Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD� Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card


Mô hình máy tính


Bên trong một máy tính


Mainboard


Mainboard Support Slot 1

http://www17.tomshardware.com/cpu/20041220/images/board_820_big.jpg


CPU


CPU


CPU – Intel 8086 / 4.77 MHz

http://www17.tomshardware.com/cpu/20041220/images/8086_big.jpg


CPU – Intel 80386DX (16-32Mhz)

CPU 32 Bit đầu tiên, không dùng tản nhiệtCPU 32 Bit đầu tiên, không dùng tản nhiệt


CPU – Những năm 1989

33 MHz

Socket 1

66 MHz

Socket 2

100 MHz

Socket 3

120 MHz

133 MHzSocket 3


CPU Những năm 1993 - 1997

30 MHz1993

Socket 4

Pentium MMX với nhiều cải tiến hơn so

với CPU Pentium cũ



Intel Pentium MMX AMD K6



Pentium !!! Socket 370Coppermine

Pentium !!! Socket 370Tualatin



Pentium 4 mặt trước Pentium 4 mặt sau





CPU Năm 2004 – Hiện nay



CÁC LOẠI RAM

Hầu hết các loại Ram đều cần phải cung cấp nguồn điện liên tục.


CÁC LOẠI RAM


CÁC LOẠI RAM

DDRamRDRam

SDRamEDORam


Slot cắm RAM


CÁC LOẠI RAM

800...

Mhz..66


DDR & DDRII Slot


Case


BỘ NGUỒN

Nguồn không phải là sản phẩm kỹ thuật cao nhưng là thành phần khá quan trọng trong máy tính. Sự hoạt động ổn định của máy tính phụ thuộc nhiều vào hoạt động của thiết bị này. Bộ nguồn biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều DC: ± 12 Volt, ± 5 Volt để nuôi các mạch điện trong máy.


BỘ NGUỒN

Có hai loại nguồn thường dùng là AT và ATX, công suất từ 230W đến 600W

Trong bộ nguồn có tích hợp quạt làm mát cho bộ nguồn. Khi quạt nguồn hư, với các nguồn có công suất lớn rất dễ bị cháy nguồn.


BỘ NGUỒN

Đối với nguồn AT, công tắcnguồn nằm rời bên ngoài(gồm 4 dây điện)

Nguồn ATX, điện nguồn đượcđưa trực tiếp vào Mainboard.Để kích hoạt máy tính hoạtđộng ta chỉ cần trập 2 chânPower trên Mainboad.

Nguồn ATX khắc phục được tình trạng tắt máy đột ngột do bất cẩn.

Bộ nguồn ATX cho Pentium IV có thêm 1 cổng cung cấp điện ngoài cỏng chính.


BỘ NGUỒN ATX

1 +3.3V 11 +3.3V

2 +3.3V 12 -12VDC

3 GND 13 GND

4 +5V 14 PS on

5 GND 15 GND

6 +5V 16 GND

7 GND 17 GND

8 PWR OK 18 NC Reserved

9 5VSB 19 +5V DC

10 +12V 20 +5V DC

1 GND 3 +12V DC

2 GND 4 +12V DC

1 +12V DC

2 GND

3 GND

4 +5V DC


CABLE


CABLE

Technology

BGKTMT Ch2 tổ chức hệ thống máy tính