Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Transcription

1 1 Nội dung chương 1 Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG Phạm Quang Dũng Bộ môn Khoa học máy tính - Khoa CNTT Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội website: ĐT: (04) DĐ: Máy tính và phân loại 1.2. Kiến trúc máy tính 1.3. Sự tiến hoá của máy tính Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Máy tính và phân loại Mô hình máy tính cơ bản 1. Máy tính Máy tính (Computer) là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau: Nhận thông tin vào, Xử lý thông tin theo dãy các lệnh được nhớ sẵn bên trong, Đưa thông tin ra. Dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện công việc cụ thể được gọi là chương trình (program) Máy tính hoạt động theo chương trình. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.3 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.4

2 2 Mô hình phân lớp của máy tính 2. Phân loại máy tính Người sử dụng (End User) Người lập trình (Programmer) Phân loại truyền thống: Máy vi tính (Microcomputer) Các chương trình ứng dụng (Application Programs) Các phần mềm trung gian (Utilities) Hệ điều hành (Operating System) Người thiết kế HĐH (OS Designer) Máy tính nhỏ (Minicomputer) Máy tính lớn (Mainframe Computer) Siêu máy tính (Supercomputer) Phần cứng (Computer Hardware) Phần cứng: hệ thống vật lý của máy tính Phần mềm: các chương trình và dữ liệu Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.5 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.6 Phân loại máy tính hiện đại Máy tính để bàn (Desktop) Là loại máy tính phổ biến nhất Máy tính để bàn (Desktop Computers) Máy chủ (Servers) Máy tính nhúng (Embedded Computers) Các loại máy tính để bàn Máy tính cá nhân (Personal Computer PC) Máy tính trạm làm việc (Workstation Computer) 1981 IBM giới thiệu máy tính IBM-PC sử dụng bộ xử lý Intel Apple đưa ra máy tính Macintosh sử dụng bộ xử lý Motorola Giá thành: 300USD đến USD Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.7 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.8

3 3 Máy chủ (Server) Máy tính nhúng (Embedded Computer) Thực chất là máy phục vụ Dùng trong mạng theo mô hình Client/Server (Khách hàng/người phục vụ) Tốc độ và hiệu năng tính toán cao Được đặt trong thiết bị khác để điều khiển thiết bị đó làm việc Được thiết kế chuyên dụng Ví dụ: Điện thoại di động Dung lượng bộ nhớ lớn Bộ điều khiển trong máy giặt, điều hoà nhiệt Độ tin cậy cao độ Giá thành: hàng chục nghìn đến hàng chục triệu USD. Router - bộ định tuyến trên mạng Giá thành: Vài USD đến hàng trăm nghìn USD. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.9 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính Kiến trúc tập lệnh Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh: Kiến trúc tập lệnh (Intruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập trình. Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính. Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi rất nhanh. Ví dụ: Các máy tính PC dùng các bộ xử lý Intel 32-bit từ đến Pentium 4: Kiến trúc tập lệnh của máy tính bao gồm: Tập lệnh: tập hợp các chuỗi số nhị phân mã hoá cho các thao tác mà máy tính có thể thực hiện. Các kiểu dữ liệu: các kiểu dữ liệu mà máy tính có thể xử lý. Cùng chung kiến trúc tập lệnh (IA-32) Có tổ chức khác nhau Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.11 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.12

4 4 Cấu trúc cơ bản của máy tính 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. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.13 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Sự tiến hoá của máy tính 1. Máy tính dùng đèn điện tử Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử chân không ( ) Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor ( ) Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI ( ) ENIAC -Máy tính điện tử đầu tiên Electronic Numerical Intergator And Computer Dự án của Bộ Quốc phòng Mỹ Do John Mauchly và John Presper Eckert ở Đại học Pennsylvania thiết kế. Bắt đầu từ năm 1943, hoàn thành năm 1946 Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI, SLSI (1981-nay) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.15 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.16

5 5 ENIAC (tiếp) ENIAC (tiếp) Nặng 30 tấn Kích thước 140 m đèn điện tử và 1500 rơle 5000 phép cộng/giây Xử lý theo số thập phân Bộ nhớ chỉ lưu trữ dữ liệu Lập trình bằng cách thiết lập vị trí của các chuyển mạch và các cáp nối. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.17 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.18 ENIAC (tiếp) Máy tính von Neumann Còn gọi là máy tính IAS: Princeton Institute for Advanced Studies Được bắt đầu từ 1947, hoàn thành 1952 Do John von Neumann thiết kế Được xây dựng theo ý tưởng chương trình được lưu trữ (stored-program concept) của von Neumann/Turing (1945) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.19 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.20

6 6 Đặc điểm chính của máy tính IAS John von Neumann và máy tính IAS Bao gồm các thành phần: đơn vị điều khiển, đơn vị số học và logic (ALU), bộ nhớ chính và các thiết bị vào ra. Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu. Bộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ, không phụ thuộc vào nội dung của nó. ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân. Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã và thực hiện lệnh một cách tuần tự. Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động của các thiết bị vào-ra. Trở thành mô hình cơ bản của máy tính. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.21 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.22 Các máy tính thương mại ra đời John Mauchly và UNIVAC Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer) 1950s - UNIVAC II Nhanh hơn Bộ nhớ lớn hơn Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.23 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.24

7 7 UNIVAC Hãng IBM IBM International Business Machine 1952 IBM 701 Máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên của IBM Sử dụng cho tính toán khoa học 1955 IBM 702 Các ứng dụng thương mại Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.25 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.26 IBM 701 (1952) và IBM 702 (1955) 2. Máy tính dùng transistor IBM 701 Máy tính PDP-1 của DEC (Digital Equipment Corporation) máy tính mini đầu tiên IBM 7000 Hàng trăm nghìn phép cộng trong một giây Các ngôn ngữ lập trình bậc cao ra đời. IBM 702 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.27 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.28

8 8 DEC's PDP-1 (1960) IBM 7030 (1961) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.29 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI Luật Moore Vi mạch (Integrated Circuit IC): nhiều transistor và các phần tử khác được tích hợp trên một chip bán dẫn. SSI (Small Scale Integratinon) Gordon Moore - người đồng sáng lập Intel Số transistors trên chip sẽ gấp đôi sau 18 tháng Giá thành của chip hầu như không thay đổi MSI (Medium Scale Integration) Mật độ cao hơn, do vậy đường dẫn ngắn hơn LSI (Large Scale Integration) VLSI (Very Large Scale Integration) (dùng cho máy tính hệ thứ tư) Kích thước nhỏ hơn dẫn tới độ phức tạp tăng lên Điện năng tiêu thụ ít hơn Siêu máy tính xuất hiện: CRAY-1, VAX Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó Bộ vi xử lý (microprocessor) ra đời tăng độ tin cậy Bộ xử lý đầu tiên Intel 4004 (1971). Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.31 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.32

9 9 Tăng trưởng số transitor trong chip CPU IBM 360 Family ( ) Có từ model 20 minicomputer (bộ nhớ 24 KB) đến model 91 supercomputer được xây dựng cho hệ thống phòng thủ tên lửa Bắc Mỹ. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.33 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.34 IBM 360/40 IBM 360/67 Dùng HĐH DOS/360 Time sharing system Phần cứng hỗ trợ virtual memory Dùng HĐH CP KB RAM Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.35 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.36

10 10 IBM 360/91 PDP-11 (1972) Được thiết kế để xử lý dữ liệu tốc độ cao cho các ứng dụng khoa học như khám phá không gian, vật lý nguyên tử, dự báo thời tiết toàn cầu triệu phép cộng/giây 1000 bài toán với 200 tỷ phép tính/ngày. 2-6 MB main memory, CPU có 5 đơn vị xử lý đồng thời. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.37 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.38 Siêu máy tính CRAY-1 (1976) PC có tích hợp màn hình Saymour Cray HĐH Cray Operating System (COS), triệu phép tính dấu chấm động/giây (megaflops) Xử lý dữ liệu vector 8 MB main memory Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.39 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.40

11 11 VAX 11/780 (1978) - máy tính 32-bit Osborne 1 (1980) - máy tính khả chuyển Máy tính "có thể di chuyển" đầu tiên, kích thước nhỏ, nặng 24 pound (10,9 kg) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.41 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Máy tính dùng vi mạch VLSI Các hệ thống máy tính hiện đại Các sản phẩm chính của công nghệ VLSI: Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên một chip. Vi mạch điều khiển tổng hợp (chipset): một hoặc một vài vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nối ghép. Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory): ROM, RAM Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy tính chuyên dụng được chế tạo trên một chip. Máy tính nhúng Máy tính cá nhân (PC) Máy trạm làm việc Máy chủ (Servers) Mạng máy tính Internet - Mạng máy tính toàn cầu Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.43 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.44

12 12 Một số Hệ thống Máy tính nhúng Siêu máy tính Earth Simulator của NEC (2002) 5200 processor GFlops Earth Simulator tại Cơ quan Khoa học và Công nghệ biển Nhật Bản (JAMSTEC), Yokohama, Japan Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.45 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.46 Siêu máy tính ASC Purple của IBM (2005) Siêu máy tính BlueGene L của IBM (2005) processor GB main memory GFlops processor GB main memory GFlops ASC Purple at Lawrence Livermore National Laboratory Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.47 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 1.48

13 Chương 2 HỆ THỐNG MÁY TÍNH Chương 2: Hệ thống máy tính Nội dung chương Các thành phần của máy tính 2.2. Hoạt động của máy tính 2.3. Liên kết hệ thống Phạm Quang Dũng Bộ môn Khoa học máy tính - Khoa CNTT Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội website: ĐT: (04) DĐ: Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.2 Chương 2: Hệ thống máy tính 2.1. Các thành phần của máy tính Chương 2: Hệ thống máy tính 1. Bộ xử lý trung tâm (CPU) Chức năng Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit) Bộ nhớ (Memory) Hệ thống vào ra (Input/Output System) Liên kết hệ thống (System Interconnection) điều khiển hoạt động của máy tính xử lý dữ liệu Nguyên tắc hoạt động cơ bản: CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.3 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.4

14 Chương 2: Hệ thống máy tính Cấu trúc cơ bản của CPU Chương 2: Hệ thống máy tính Các thành phần cơ bản của CPU Đơn vị điều khiển (CU) Đơn vị số học và logic (ALU) bus bên trong Đơn vị phối ghép bus (BIU) Tập các thanh ghi (RF) bus điều khiển bus dữ liệu bus địa chỉ Đơn vị điều khiển (Control Unit CU): điều khiển hoạt động của máy tính theo chương trình đã định sẵn. Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit ALU): thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic trên các dữ liệu cụ thể. Tập thanh ghi (Register File - RF): lưu giữ các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU. Đơn vị nối ghép bus (Bus interface Unit - BIU): kết nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong (internal bus) và bus bên ngoài (external bus) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.5 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.6 Chương 2: Hệ thống máy tính Tốc độ của bộ xử lý Chương 2: Hệ thống máy tính Tốc độ của bộ xử lý (tiếp) Tốc độ của bộ xử lý: Dạng xung nhịp: Tính bằng số lệnh được thực hiện trong 1 giây MIPS (Millions of Instructions per Second) Khó đánh giá chính xác T 0 - chu kỳ xung nhịp Tần số xung nhịp của bộ xử lý: Bộ xử lý hoạt động theo một xung nhịp (Clock) có tần số xác định Tốc độ của bộ xử lý được đánh giá gián tiếp thông qua tần số của xung nhịp. Tần số xung nhịp: f 0 = 1/T 0 Mỗi thao tác của bộ xử lý cần kt 0 T 0 càng nhỏ bộ xử lý chạy càng nhanh Ví dụ: Máy tính dùng bộ xử lý Pentium IV 2GHz Ta có f 0 = 2 GHz = 2x10 9 Hz T 0 = 1/f 0 = 1/(2x10 9 ) = 0,5 ns. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.7 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.8

15 Chương 2: Hệ thống máy tính 2. Bộ nhớ máy tính (Memory) Chương 2: Hệ thống máy tính Các thành phần của 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) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.9 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.10 Chương 2: Hệ thống máy tính Bộ nhớ trong (Internal memory) Chương 2: Hệ thống máy tính Bộ nhớ chính (Main memory) 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) 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. Nội dung Địa chỉ Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.11 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.12

16 Chương 2: Hệ thống máy tính Bộ nhớ đệm nhanh (Cache memory) Chương 2: Hệ thống máy tính Bộ nhớ ngoài (External memory) Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa Chức năng và đặc điểm: CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính truy nhập bộ nhớ Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính Được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào-ra Dung lượng lớn Tốc độ nhanh hơn Tốc độ chậm Cache thường được chia thành một số mức Các loại bộ nhớ ngoài: Cache có thể được tích hợp trên chip vi xử lý. Cache có thể có hoặc không. Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.13 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.14 Chương 2: Hệ thống máy tính 3. Hệ thống vào-ra (Input/Output System) Chương 2: Hệ thống máy tính Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra Chức năng: trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài. Các thao tác cơ bản: Vào dữ liệu (Input) Ra dữ liệu (Output) Các thành phần chính: Nối ghép với CPU và bộ nhớ chính Môđun vào-ra Cổng vàora Cổng vàora Thiết bị ngoại vi Thiết bị ngoại vi Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices) Các môđun vào-ra (IO Modules) Cổng vàora Thiết bị ngoại vi Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.15 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.16

17 Chương 2: Hệ thống máy tính Các thiết bị ngoại vi Chương 2: Hệ thống máy tính Môđun vào-ra Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong Chức năng: nối ghép các TBNV với máy tính. và bên ngoài máy tính. Mỗi môđun vào-ra có một hoặc một vài cổng Các loại thiết bị ngoại vi (TBNV) cơ bản: vào-ra (I/O Port). Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác Thiết bị ra: màn hình, máy in định. Thiết bị nhớ: các ổ đĩa Các TBNV được kết nối và trao đổi dữ liệu với Thiết bị truyền thông: MODEM máy tính thông qua các cổng vào-ra. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.17 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.18 Chương 2: Hệ thống máy tính 2.2. Hoạt động của máy tính Chương 2: Hệ thống máy tính Chu trình lệnh 1. Thực hiện chương trình Bắt đầu Là hoạt động cơ bản của máy tính Máy tính lặp đi lặp lại hai bước: Nhận lệnh } chu trình lệnh Thực hiện lệnh Thực hiện chương trình bị dừng nếu thực hiện lệnh bị lỗi hoặc gặp lệnh dừng. Nhận lệnh Thực hiện lệnh Dừng Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.19 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.20

18 Chương 2: Hệ thống máy tính Quá trình nhận lệnh Chương 2: Hệ thống máy tính Minh họa quá trình nhận lệnh Bắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ bộ nhớ chính. Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) của CPU giữ địa chỉ của lệnh sẽ được nhận. CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi PC. Lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh IR (Instruction Register) Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.21 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.22 Chương 2: Hệ thống máy tính Quá trình thực hiện lệnh Chương 2: Hệ thống máy tính 2. Ngắt (Interrupt) Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao tác mà lệnh yêu cầu. Các kiểu thao tác của lệnh: Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính Khái niệm: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là chương trình con phục vụ ngắt. Các loại ngắt: Trao đổi dữ liệu giữa CPU và môđun vào-ra Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học hoặc phép toán logic với các dữ liệu Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho 0 Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi bộ nhớ RAM Điều khiển rẽ nhánh Kết hợp các thao tác trên Ngắt do môđun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.23 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.24

19 Chương 2: Hệ thống máy tính Hoạt động ngắt Chương 2: Hệ thống máy tính Hoạt động ngắt (tiếp) Sau khi hoàn thành một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt. Nếu không có ngắt bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của chương trình hiện tại. Nếu có tín hiệu ngắt: Tạm dừng chương trình đang thực hiện Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt) Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt Chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh và Ngắt ở đây Chương trình đang thực hiện lệnh lệnh lệnh lệnh lệnh i lệnh i+1 lệnh... lệnh Chương trình con phục vụ ngắt lệnh lệnh lệnh... RETURN tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.25 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.26 Chương 2: Hệ thống máy tính Chu trình lệnh với ngắt Chương 2: Hệ thống máy tính Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt Bắt đầu Xử lý ngắt tuần tự Khi một ngắt đang được thực hiện, các ngắt khác sẽ bị cấm Nhận lệnh Bộ xử lý sẽ bỏ qua các ngắt tiếp theo trong khi đang xử lý một ngắt Thực hiện lệnh Dừng Các ngắt vẫn đang đợi và được kiểm tra sau khi ngắt đầu tiên được xử lý xong Các ngắt được thực hiện tuần tự Xử lý ngắt ưu tiên N Kiểm tra có ngắt hay không? Y Chuyển đến chương trình con phục vụ ngắt Các ngắt được định nghĩa mức ưu tiên khác nhau Ngắt có mức ưu tiên thấp hơn có thể bị ngắt bởi ngắt ưu tiên cao hơn xảy ra ngắt lồng nhau Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.27 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.28

20 Chương 2: Hệ thống máy tính 3. Hoạt động vào-ra Chương 2: Hệ thống máy tính 2.3. Liên kết hệ thống Hoạt động vào-ra: là hoạt động trao đổi dữ liệu giữa TBNV với bên trong máy tính. Các kiểu hoạt động vào-ra: CPU trao đổi dữ liệu với môđun vào-ra Môđun vào-ra trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ chính. 1. Khái niệm chung về bus Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin giữa các thành phần của máy tính với nhau. Độ rộng bus: là số đường dây của bus có thể truyền các bit thông tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu) Phân loại cấu trúc bus: Cấu trúc đơn bus Cấu trúc đa bus Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.29 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.30 Chương 2: Hệ thống máy tính Bus đồng bộ và bus không đồng bộ Chương 2: Hệ thống máy tính 2. Cấu trúc đơn bus Bus đồng bộ Bus có đường tín hiệu Clock Các sự kiện trên bus được xác định bởi xung nhịp Clock. Bus không đồng bộ Không có đường tín hiệu Clock Kết thúc một sự kiện này trên bus sẽ kích hoạt cho một sự kiện tiếp theo. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.31 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.32

21 Chương 2: Hệ thống máy tính Bus địa chỉ Chương 2: Hệ thống máy tính Bus dữ liệu Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác định ngăn nhớ hay cổng vào-ra. Chức năng: vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng bộ nhớ cực đại của hệ thống. vận chuyển dữ liệu giữa CPU, các môđun nhớ và môđun vào-ra. Nếu độ rộng bus địa chỉ là N bit: A N-1, A N-2,... A 2, A 1, A 0 Độ rộng bus dữ liệu: xác định số bit dữ liệu có thể được trao đổi đồng thời. dung lượng bộ nhớ cực đại là 2 N byte (còn gọi là không gian địa chỉ bộ nhớ) Ví dụ: Bộ xử lý Intel Pentium có bus địa chỉ 32 bit không gian địa chỉ là 2 32 byte = 4 GB. M bit: D M-1, D M-2, D 2, D 1, D 0 M thường là 8, 16, 32, 64, 128 bit Ví dụ: Các bộ xử lý Pentium có bus dữ liệu là 64 bit. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.33 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.34 Chương 2: Hệ thống máy tính Bus điều khiển Chương 2: Hệ thống máy tính Một số tín hiệu điều khiển điển hình Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển đọc- Các loại tín hiệu điều khiển: Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển môđun nhớ và môđun vào-ra ghi: Memory Read (MEMR): điều khiển đọc dữ liệu từ một ngăn nhớ có địa chỉ xác định lên bus dữ liệu Memory Write (MEMW): điều khiển ghi dữ liệu Các tín hiệu từ môđun nhớ hay môđun vào-ra đến một ngăn nhớ có địa chỉ xác định gửi đến yêu cầu CPU. I/O Read (IOR): điều khiển đọc dữ liệu từ một cổng vào-ra có địa chỉ xác định lên bus dữ liệu I/O Write (IOW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus dữ liệu ra một cổng có địa chỉ xác định. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.35 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.36

22 Chương 2: Hệ thống máy tính Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tiếp) Chương 2: Hệ thống máy tính Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tiếp) Các tín hiệu điều khiển ngắt: Các tín hiệu điều khiển bus: Interrupt Request (INTR): tín hiệu từ bộ điều khiển vào-ra gửi đến yêu cầu ngắt CPU để trao đổi vào-ra. Tín hiệu INTR có thể bị che. Bus Request (BRQ): hay là Hold: tín hiệu từ môđun điều khiển vào-ra gửi đến yêu cầu CPU chuyển nhượng quyền sử dụng bus. Interrupt Acknowledge (INTA): tín hiệu phát ra từ CPU báo cho bộ điều khiển vào-ra biết CPU chấp nhận ngắt để trao đổi vào-ra. Bus Grant (BGT) hay là Hold Acknowledge (HLDA): tín hiệu phát ra từ CPU chấp nhận quyền sử dụng bus. Non Markable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt không che được gửi đến CPU. Lock: tín hiệu khóa không cho xin chuyển nhượng bus. Reset: tín hiệu từ bên ngoài gửi đến CPU và các thành phần khác để khởi động lại máy tính. Unlock: tín hiệu mở khóa cho xin chuyển nhượng bus. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.37 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.38 Chương 2: Hệ thống máy tính Đặc điểm của cấu trúc đơn bus Chương 2: Hệ thống máy tính 3. Phân cấp bus trong máy tính Bus hệ thống chỉ phục vụ được một yêu cầu Phân cấp bus cho các thành phần: trao đổi dữ liệu tại một thời điểm. Bus của bộ xử lý Bus hệ thống phải có tốc độ bằng tốc độ bus Bus của bộ nhớ chính của môđun nhanh nhất trong hệ thống. Các bus vào-ra Bus hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc bus (các tín hiệu) của bộ xử lý các môđun nhớ và các môđun vào-ra cũng phụ thuộc vào bộ xử lý. Vì vậy cần phải phân cấp bus đa bus Phân cấp bus khác nhau về tốc độ Bus bộ nhớ chính và các bus vào-ra không phụ thuộc vào bộ xử lý cụ thể. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.39 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.40

23 Chương 2: Hệ thống máy tính Các bus điển hình trong PC Chương 2: Hệ thống máy tính Phân cấp bus Bus của bộ xử lý (Front Side Bus - FSB): có tốc độ nhanh nhất. Bus của bộ nhớ chính (nối ghép với các môđun RAM). AGP bus (Accelerated Graphic Port) - Bus đồ họa tăng tốc: nối ghép card màn hình tăng tốc. PCI bus (Peripheral Component Interconnection): nối ghép với các TBNV có tốc độ trao đổi dữ liệu nhanh. USB (Universal Serial Bus): Bus nối tiếp đa năng IDE (Integrated Driver Electronics): Bus kết nối với ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa CD, DVD. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.41 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.42 Chương 2: Hệ thống máy tính Máy tính Pentium IV dùng Chipset 925 Chương 2: Hệ thống máy tính 4. Phân xử bus Có nhiều hơn một môđun điều khiển bus, vd CPU và DMA controller, nhưng tại một thời điểm chỉ duy nhất 1 mođun có thể điều khiển bus cần phânxử bus. Sự phân xử bus có thể là tập trung hoặc phântán Phân xử tập trung: có một thiết bị phần cứng điều khiển sự truy nhập bus: Được gọi là Bộ điều khiển bus (Bus Controller) hay Trọng tài bus (Arbiter) Có thể nằm trêncpu hoặc táchriêng Phân xử phân tán: mỗi môđun có thể điều khiển bus, nhưng có sự điều khiển logic trêntất cả các môđun. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.43 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 2.44

24 Chương 3 BIỂU DIỄN DỮ LIỆU VÀ SỐ HỌC MÁY TÍNH Nội dung chương Các hệ đếm cơ bản 3.2. Mã hoá và lưu trữ dữ liệu trong máy tính 3.3. Biểu diễn số nguyên Phạm Quang Dũng Bộ môn Khoa học máy tính - Khoa CNTT Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội website: ĐT: (04) DĐ: Thực hiện các phép toán số học với số nguyên 3.5. Số dấu chấm động 3.6. Biểu diễn ký tự Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Các hệ đếm cơ bản 1. Hệ thập phân Hệ thập phân (Decimal System) Cơ số 10 Con người sử dụng 10 chữ số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Hệ nhị phân (Binary System) Dùng n chữ số thập phân có thể biểu diễn được Máy tính sử dụng 10 n giá trị khác nhau: Hệ mười sáu (Hexadecimal System) = 0 Dùng để viết gọn số nhị phân = 10 n -1 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.3 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.4

25 Ví dụ số thập phân 2. Hệ nhị phân = 4x x x x x10-2 Các chữ số của phần nguyên: 472 : 10 = 47 dư 2 47 : 10 = 4 dư 7 4 : 10 = 0 dư 4 Các chữ số của phần lẻ: 0.38 x 10 = 3.8 phần nguyên = x 10 = 8.0 phần nguyên = 8 Cơ số 2 2 chữ số nhị phân: 0 và 1 Chữ số nhị phân gọi là bit (binary digit) Bit là đơn vị thông tin nhỏ nhất Dùng n bit có thể biểu diễn được 2 n giá trị khác nhau: = = 2 n -1 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.5 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.6 Dạng tổng quát của số nhị phân Ví dụ số nhị phân Có một số nhị phân A như sau: A = a n a n-1...a 1 a 0.a -1...a -m Giá trị của A được tính như sau: A = a n 2 n + a n-1 2 n a a a -m 2 -m n a i i= m A = 2 i (2) = = = (10) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.7 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.8

26 Chuyển đổi số nguyên thập phân sang nhị phân Phương pháp chia dần cho 2 Phương pháp 1: chia dần cho 2 rồi lấy phần dư Phương pháp 2: phân tích thành tổng của các số 2 i nhanh hơn Ví dụ: chuyển đổi 105 (10) 105:2 = 52 dư 1 52:2 = 26 dư 0 26:2 = 13 dư 0 13:2 = 6 dư 1 6:2 = 3 dư 0 3:2 = 1 dư 1 1:2 = 0 dư 1 Kết quả: 105 (10) = (2) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.9 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.10 Phương pháp phân tích thành tổng của các 2 i Chuyển số lẻ thập phân sang nhị phân Ví dụ 1: chuyển đổi 105 (10) 105 = = Kết quả: 105 (10) = (2) Ví dụ 2: (10) = = Ví dụ 1: chuyển đổi (10) x 2 = phần nguyên = x 2 = 0.75 phần nguyên = x 2 = 1.5 phần nguyên = x 2 = 1.0 phần nguyên = 1 Kết quả: (10) = (2) (10) = (2) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.11 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.12

27 Chuyển đổi số lẻ thập phân sang nhị phân (tiếp) Chuyển đổi số lẻ thập phân sang nhị phân (tiếp) Ví dụ 2: chuyển đổi 0.81 (10) 0.81 x 2 = 1.62 phần nguyên = x 2 = 1.24 phần nguyên = x 2 = 0.48 phần nguyên = x 2 = 0.96 phần nguyên = x 2 = 1.92 phần nguyên = x 2 = 1.84 phần nguyên = x 2 = 1.68 phần nguyên = (10) (2) Ví dụ 3: chuyển đổi 0.2 (10) 0.2 x 2 = 0.4 phần nguyên = x 2 = 0.8 phần nguyên = x 2 = 1.6 phần nguyên = x 2 = 1.2 phần nguyên = x 2 = 0.4 phần nguyên = x 2 = 0.8 phần nguyên = x 2 = 1.6 phần nguyên = x 2 = 1.2 phần nguyên = (10) (2) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.13 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Hệ mười sáu (Hexa) Quan hệ giữa số nhị phân và số Hexa Cơ số chữ số: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9, A,B,C,D,E,F Dùng để viết gọn cho số nhị phân: cứ một nhóm 4 bit sẽ được thay thế bằng 1 chữ số Hexa 4-bit Chữ số Hexa A 1011 B 1100 C 1101 D 1110 E 1111 F Ví dụ chuyển đổi số nhị phân số Hexa: = = B = 2D9A = FFFF 16 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.15 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.16

28 3.2. Mã hoá và lưu trữ dữ liệu trong máy tính Mã hoá dữ liệu nhân tạo 1. Nguyên tắc chung về mã hoá dữ liệu Mọi dữ liệu đưa vào máy tính đều được mã hoá 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 Dữ liệu số nguyên: mã hoá theo một số chuẩn qui ước Dữ liệu số thực: mã hoá bằng số dấu chấm động Dữ liệu ký tự: mã hoá theo bộ mã ký tự Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.17 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.18 Mã hóa và tái tạo tín hiệu vật lý Độ dài từ dữ liệu (word) Độ dài từ dữ liệu là số bit được sử dụng để mã hoá loại dữ liệu tương ứng Thường là bội của 8 bit VD: 8, 16, 32, 64 bit Các dữ liệu vật lý thông dụng: Âm thanh Hình ảnh Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.19 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.20

29 2. Thứ tự lưu trữ các byte của dữ liệu Ví dụ lưu trữ dữ liệu 32-bit Bộ nhớ chính thường được tổ chức theo byte Độ dài từ dữ liệu có thể chiếm từ một đến nhiều byte cần phải biết thứ tự lưu trữ các byte trong bộ nhớ chính với các dữ liệu nhiều byte. Có 2 cách lưu trữ: Lưu trữ đầu nhỏ (Little-endian): Byte thấp được lưu trữ ở ngăn nhớ có địa chỉ nhỏ hơn, byte cao được lưu trữ ở ngăn nhớ có địa chỉ lớn hơn. Lưu trữ đầu to (Big-endian): Byte cao được lưu trữ ở ngăn nhớ có địa chỉ nhỏ hơn, byte thấp được lưu trữ ở ngăn nhớ có địa chỉ lớn hơn. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.21 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.22 Lưu trữ của các bộ xử lý điển hình 3.3. Biểu diễn số nguyên Intel 80x86 và các Pentium: Có hai loại số nguyên: Little-endian Số nguyên không dấu (Unsigned Integer) Motorola 680x0 và các bộ xử lý RISC: Số nguyên có dấu (Signed Integer) Big-endian Power PC và Itanium: cả hai Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.23 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.24

30 1. Biểu diễn số nguyên không dấu Các ví dụ Nguyên tắc tổng quát: Dùng n bit biểu diễn số nguyên không dấu A: Ví dụ 1: Biểu diễn các số nguyên không dấu sau đây bằng 8-bit: A=41 ; B=150 a n-1 a n-2..a 2 a 1 a 0 Giá trị của A được tính như sau: Giải: A = 41 = = = A i= n 1 a i 0 i 2 41 = B = 150 = = Dải biểu diễn của A: từ 0 đến 2 n = Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.25 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.26 Các ví dụ (tiếp) Với n = 8 bit Ví dụ 2: Cho các số nguyên không dấu M, N được biểu diễn bằng 8-bit như sau: M = N = Xác định giá trị của chúng? Giải: M = = = = 18 N = = = = 185 Biểu diễn được các giá trị từ 0 đến = 0 Chú ý: = = = Vậy: = 0? = 255 do tràn nhớ ra ngoài Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.27 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.28

31 Trục số học số nguyên không dấu với n = 8 bit Với n = 16 bit, 32 bit, 64 bit Trục số học: n = 16 bit: dải biểu diễn từ 0 đến (2 16-1) = 0 Trục số học máy tính: = = = n= 32 bit: dải biểu diễn từ 0 đến n= 64 bit: dải biểu diễn từ 0 đến Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.29 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Biểu diễn số nguyên có dấu b. Biểu diễn số nguyên có dấu bằng mã bù hai a. Số bù một và Số bù hai: Giả sử A là một số nhị phân, ta có: Số bù một của A nhận được bằng cách đảo giá trị các bit của A (Số bù hai của A) = (Số bù một của A) + 1 Ví dụ: với n= 8 bit Giả sử có A = Số bù một của A = Số bù hai của A = Vì A + (Số bù hai của A) = 0 dùng số bù hai để biểu diễn cho số âm Nguyên tắc tổng quát: Dùng n bit biểu diễn số nguyên có dấu A: a n-1 a n-2 a 2 a 1 a 0 Với A là số dương: bit a n-1 = 0, các bit còn lại biểu diễn độ lớn như số không dấu Với A là số âm: được biểu diễn bằng số bù hai của số dương tương ứng, vì vậy bit a n-1 = 1 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.31 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.32

32 Biểu diễn số dương Biểu diễn số âm Dạng tổng quát của số dương A: 0a n-2 a 2 a 1 a 0 Giá trị của số dương A: = A i= n 2 a i 0 Dải biểu diễn cho số dương: 0 đến 2 n i Dạng tổng quát của số âm A: 1a n-2 a 2 a 1 a 0 Giá trị của số âm A: A = 2 n + = 2 n 1 i 0 a 2 Dải biểu diễn cho số âm: -1 đến -2 n-1 i i Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.33 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.34 Biểu diễn tổng quát cho số nguyên có dấu Các ví dụ Dạng tổng quát của số nguyên A: a n-1 a n-2 a 2 a 1 a 0 Giá trị của A được xác định như sau: n 2 n 1 i 12 + i 2 i= 0 A = a n a Dải biểu diễn: từ -(2 n-1 ) đến +(2 n-1-1) Ví dụ 1. Biểu diễn các số nguyên có dấu sau đây bằng 8 bit: A = +58 ; B = -80 Giải: A = +58 = B = -80 Ta có: +80 = Số bù một = Số bù hai = Vậy: B = -80 = Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.35 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.36

33 Các ví dụ Với n = 8 bit Ví dụ 2: Hãy xác định giá trị của các số nguyên có dấu được biểu diễn dưới đây: P = Q = Giải: P = = = +98 Q = = = -37 Biểu diễn được các giá trị từ -128 đến = = = +2 Chú ý: = = = = +127 do tràn xảy ra = = = = -1 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.37 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.38 Trục số học số nguyên có dấu với n = 8 bit Với n=16 bit, 32 bit, 64 bit Trục số học: Trục số học máy tính: Với n=16 bit: biểu diễn từ đến = = = = = -1 Với n=32 bit: biểu diễn từ đến Với n=64 bit: biểu diễn từ đến Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.39 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.40

34 Chuyển đổi từ byte thành word 3. Biểu diễn số nguyên theo mã BCD Đối với số dương: Binary Coded Decimal Code +19 = (8 bit) +19 = (16 bit) thêm 8 bit 0 bên trái Đối với số âm: Dùng 4 bit để mã hoá cho các chữ số thập phân từ 0 đến = (8 bit) = (16 bit) thêm 8 bit 1 bên trái Có 6 tổ hợp không sử dụng: 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.41 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.42 Ví dụ số BCD Các kiểu lưu trữ số BCD BCD BCD BCD BCD BCD không gói (Unpacked BCD): Mỗi số BCD 4-bit được lưu trữ trong 4-bit thấp của mỗi byte. Ví dụ: Số 35 được lưu trữ như sau: BCD gói (Packed BCD): Hai số BCD được lưu trữ trong 1 byte. Ví dụ: số 35 được lưu trữ như sau: Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.43 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.44

35 3.4. Thực hiện các phép toán số học với số nguyên Nguyên tắc cộng số nguyên không dấu 1. Phép cộng số nguyên không dấu Bộ cộng n-bit Khi cộng hai số nguyên không dấu n-bit, kết quả nhận được là n-bit: Nếu không có nhớ ra khỏi bit cao nhất thì kết quả nhận được luôn luôn đúng (C out = 0). Nếu có nhớ ra khỏi bit cao nhất thì kết quả nhận được là sai, có tràn nhớ ra ngoài (C out = 1). Tràn nhớ ra ngoài (Carry Out) xảy ra khi tổng >2 n -1 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.45 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.46 Ví dụ cộng số nguyên không dấu 2. Phép đảo dấu 57 = = = = 91 đúng 209 = = = = 26 sai có tràn nhớ ra ngoài (C out = 1) Để có kết quả đúng ta thực hiện cộng theo 16-bit: 209 = = = = 282 Ta có: + 37 = bù một = bù hai = = -37 Lấy bù hai của số âm: - 37 = bù một = bù hai = = +37 Kết luận: Phép đảo dấu trong máy tính thực chất là lấy bù 2 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.47 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.48

36 3. Cộng số nguyên có dấu Ví dụ cộng số nguyên có dấu không tràn Khi cộng 2 số nguyên có dấu n-bit không quan tâm đến bit C out và kết quả nhận được là n-bit: Cộng 2 số khác dấu: kết quả luôn luôn đúng. Cộng 2 số cùng dấu: Nếu dấu kết quả cùng dấu với các số hạng thì kết quả là đúng. Nếu kết quả có dấu ngược lại, khi đó cótràn xảy ra (Overflow) và kết quả là sai. Tràn xảy ra khi tổng nằm ngoài dải biểu diễn [-(2 n-1 ),+(2 n-1-1)] (+70) = (+42) = = +112 (+97) = (- 52) = = +45 (- 90) = (+36) = = -54 (- 74) = (- 30) = = -104 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.49 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.50 Ví dụ cộng số nguyên có dấu bị tràn 4. Nguyên tắc thực hiện phép trừ (+75) = (+82) = = = -99 sai Phép trừ 2 số nguyên: X Y = X + (-Y) Nguyên tắc: Lấy bù hai của Y để được Y, rồi cộng với X (- 104) = (- 43) = = = +109 sai Cả 2 ví dụ trên đều tràn vì tổng nằm ngoài dải biểu diễn [-128, +127] Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.51 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.52

37 5. Nhân số nguyên không dấu Ví dụ 1011 x 1101 (11 x 13 = 143) Bắt đầu C 0; A 0 M số bị nhân Q số nhân; BĐ = n N Q 0 = 1 Dịch phải C, A, Q BĐ BĐ -1 N BĐ = 0 Y Dừng Y C, A A + M Các thanh ghi M, Q, A: n bit C: 1 bit 2 thừa số là n-bit tích là số 2n-bit được chứa trong cặp thanh ghi A, Q n = 4 Số bị nhân = 1011 M Số nhân = 1101 Q C A Q / các giá trị khởi đầu / C, A A + M Dịch phải 1 bit n = Dịch phải 1 bit n = C, A A + M Dịch phải 1 bit n = C, A A + M Dịch phải 1 bit n = 0 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.53 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Nhân số nguyên có dấu Nhân số nguyên có dấu (tiếp) Phương pháp 1: 1. Chuyển đổi các thừa số thành số dương 2. Nhân 2 số dương như số nguyên không dấu 3. Hiệu chỉnh dấu của kết quả: Phương pháp 2: Sử dụng thuật toán nhân nhanh Booth Nếu 2 thừa số cùng dấu không cần hiệu chỉnh Nếu 2 thừa số khác dấu đảo dấu kết quả bằng cách lấy bù 2. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.55 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.56

38 Ví dụ (+7) x (-3) = (-21) theo Booth 7. Chia số nguyên không dấu n = 4 Số bị nhân = 0111 M -M = = = 1101 (Số nhân)q Bỏ đi A Q Q / các giá trị khởi đầu / A A - M = A + (-M) Dịch phải, giữ dấu A, n = A A + M Dịch phải, giữ dấu A, n = A A - M Dịch phải, giữ dấu A, n = Dịch phải, giữ dấu A, n = 0 Khôi phục A Thương chứa trong Q, Phần dư chứa trong A Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.57 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.58 Ví dụ 7:3 = 2 dư 1 8. Chia số nguyên có dấu n = 4 A 0000 Q 0111 / các giá trị khởi đầu / Sử dụng thuật giải chia số nguyên không dấu Số bị chia = 0111 Q Dịch trái A A - M = A + (-M) Khôi phục A, n = 3 Đổi số bị chia và số chia dương Chia như số nguyên không dấu thương và Số chia = 3 10 = 0011 M -M = Dịch trái A A - M Khôi phục A, n = 2 Dịch trái A A - M Q 0 1, n = 1 Dịch trái A A - M Khôi phục A, n = 0 phần dư (đều là số dương) Hiệu chỉnh dấu: (+) : (+) không hiệu chỉnh dấu kết quả (+) : (-) đảo dấu thương (-) : (+) đảo dấu thương và phần dư (-) : (-) đảo dấu phần dư Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.59 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.60

39 3.5. Số dấu chấm động 2. Chuẩn IEEE754/85 1. Nguyên tắc chung Floating Point Number biểu diễn cho số thực Tổng quát: một số thực X được biểu diễn theo kiểu số dấu chấm động như sau: X = M * R E M là phần định trị (Mantissa), R là cơ số (Radix), Cơ số R = 2 Các dạng: Dạng 32-bit Dạng 44-bit Dạng 64-bit Dạng 80-bit E là phần mũ (Exponent). Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.61 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.62 Các dạng biểu diễn chính Dạng 32-bit S là bit dấu: S = 0 Số dương S = 1 Số âm e (8 bit) là mã excess-127 của phần mũ E: e = E E = e 127 giá trị 127 được gọi là độ lệch (bias) m (23 bit) là phần lẻ của phần định trị M: M = 1.m Công thức xác định giá trị của số thực: X = (-1) S * 1.m * 2e-127 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.63 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.64

40 Ví dụ 1 Ví dụ 2 Xác định giá trị của số thực được biểu diễn bằng 32-bit như sau: S = 1 Số âm e = = 130 E = = 3 Vậy: X = * 2 3 = = Biểu diễn số thực X = về dạng số dấu chấm động IEEE bit Giải: X = = = x 2 6 Ta có: S = 0 vì đây là số dương =? = +1.0 E = e-127=6 e = 127+6= = Vậy: X = Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.65 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.66 Các quy ước đặc biệt Dải giá trị biểu diễn Các bit của e bằng 0, các bit của m bằng 0, thì X= ± 0 x X= ± đến đến Các bit của e bằng 1, các bit của m bằng 0, thì X= ± x X= ± Các bit của e bằng 1, còn m có ít nhất 1 bit bằng 1, thì nó không biểu diễn cho số nào cả (NaN not a number) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.67 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.68

41 Dạng 64-bit Dạng 80-bit S là bit dấu S là bit dấu e (11 bit) là mã excess-1023 của phần mũ E: E = e 1023 m (52 bit) là phần lẻ của phần định trị M: e (15 bit) là mã excess của phần mũ E: E = e m (64 bit) là phần lẻ của phần định trị M: Giá trị của số thực: Giá trị của số thực: X = (-1) S *1.m * 2 e-1023 X = (-1) S *1.m * 2 e Dải giá trị biểu diễn: đến Dải giá trị biểu diễn: đến Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.69 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Biểu diễn ký tự 1. Bộ mã ASCII Do ANSI (American National Standard Bộ mã ASCII (American Standard Code for Institute) thiết kế Information Interchange) Bộ mã 8 bit có thể mã hóa được 2 8 =256 ký Bộ mã Unicode tự, có mã từ: FF 16, trong đó: 128 ký tự chuẩn, có mã từ F ký tự mở rộng, có mã từ FF 16 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.71 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.72

42 ASCII Character Code 128 ký tự chuẩn Các ký tự chuẩn 26 chữ cái hoa A đến Z có mã từ đến 5A 16 (65 đến 90) A = B = Z = 5A chữ cái thường a đến z có mã từ đến 7A 16 (97 đến 122) a = b = z = 7A 16 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.73 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.74 Các ký tự chuẩn (tiếp) Các ký tự chuẩn (tiếp) 10 chữ số thập phân từ 0 đến 9 có mã từ đến (48 đến 57) = = = Các ký hiệu khác: Các dấu câu:., : ;... Các dấu phép toán: + - * / %... một số ký hiệu thông dụng: &, # dấu cách (space) = Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.75 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.76

43 Các mã điều khiển: có mã F 16 và 7F 16 Các ký tự mở rộng: có mã FF 16 Các mã ký tự điều khiển định dạng (điều khiển màn hình, máy in ): BS, HT, LF, VT, FF, CR Các mã ký tự điều khiển truyền tin: SOH, STX, ETX, EOT, ENQ, ACK, NAK, SYN, ETB Các mã ký tự điều khiển phân cách thông tin: Các ký tự mở rộng được định nghĩa bởi: nhà chế tạo máy tính người phát triển phần mềm Ví dụ: Bộ mã ký tự mở rộng của IBM IBM-PC. FS, GS, RS, US Bộ mã ký tự mở rộng của Apple Macintosh. Các mã ký tự điều khiển khác: Có thể thay đổi các ký tự mở rộng để mã hóa NUL, BEL, SO, SI, DLE, DC1+DC4, CAN, EM, SUB, ESC, DEL cho các ký tự riêng của tiếng Việt, ví dụ như bộ mã TCVN3. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.77 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Bộ mã hợp nhất Unicode Do các hãng máy tính hàng đầu thiết kế Bộ mã 16-bit Bộ mã đa ngôn ngữ Có hỗ trợ các ký tự tiếng Việt Unicode Character Code 256 ký tự chuẩn Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.79 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 3.80

44 1 Chương 4 BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM (Central Processing Unit - CPU) Phạm Quang Dũng Bộ môn Khoa học máy tính - Khoa CNTT Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội website: ĐT: (04) DĐ: Nội dung chương Cấu trúc cơ bản của CPU 4.2. Tập lệnh 4.3. Hoạt động của CPU 4.4. Cấu trúc của các bộ xử lý tiên tiến 4.5. Kiến trúc Intel Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Cấu trúc cơ bản của CPU Sơ đồ cấu trúc cơ bản của CPU 1. Nhiệm vụ và cấu trúc của CPU Nhiệm vụ của CPU Nhận lệnh (Fetch Instruction): CPU đọc lệnh từ bộ nhớ Giải mã lệnh (Decode Instruction): Xác định thao tác mà lệnh yêu cầu Nhận dữ liệu (Fetch Data): nhận dữ liệu từ bộ nhớ hoặc các cổng vào-ra Xử lý dữ liệu (Process Data): thực hiện phép toán số học hay phép toán logic với các dữ liệu Ghi dữ liệu (Write Data): ghi dữ liệu ra bộ nhớ hay cổng vào-ra Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.3 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.4

45 2 Các thành phần cơ bản của CPU 2. Đơn vị số học và logic Đơn vị điều khiển (Control Unit CU) Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU) Tập thanh ghi (Register File - RF) Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU) Chức năng: Thực hiện các phép toán số học và phép toán logic: Số học: cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo dấu Logic: AND, OR, XOR, NOT, phép dịch bit. Bus bên trong (Internal Bus) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.5 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.6 Mô hình kết nối ALU 3. Đơn vị điều khiển Chức năng Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi lệnh Tăng nội dung của PC để trỏ sang lệnh kế tiếp Giải mã lệnh đã được nhận để xác định thao tác mà lệnh yêu cầu Phát ra các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh Nhận các tín hiệu yêu cầu từ bus hệ thống và đáp ứng với các yêu cầu đó. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.7 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.8

46 3 Mô hình kết nối đơn vị điều khiển Các tín hiệu đưa đến đơn vị điều khiển Clock: tín hiệu nhịp từ mạch tạo dao động bên ngoài. Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến để giải mã. Các cờ từ thanh ghi cờ cho biết trạng thái của CPU. Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.9 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.10 Các tín hiệu phát ra từ đơn vị điều khiển 4. Tập thanh ghi Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU: Điều khiển các thanh ghi Điều khiển ALU Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU: Điều khiển bộ nhớ Điều khiển các môđun vào-ra Chức năng và đặc điểm: Tập hợp các thanh ghi nằm trong CPU Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tại của CPU Được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ Tuỳ thuộc vào bộ xử lý cụ thể Số lượng thanh ghi nhiều tăng hiệu năng của CPU Có hai loại thanh ghi Các thanh ghi lập trình được Các thanh ghi không lập trình được Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.11 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.12

47 4 Phân loại thanh ghi theo chức năng Một số thanh ghi điển hình Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của ngăn Các thanh ghi địa chỉ nhớ hay cổng vào-ra. Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) Thanh ghi dữ liệu: chứa tạm thời các dữ liệu Con trỏ dữ liệu DP (Data Pointer) Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ hoặc Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer) dữ liệu. Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số Thanh ghi điều khiển/trạng thái: chứa các (Base Register & Index Register) thông tin điều khiển và trạng thái của CPU. Các thanh ghi dữ liệu Thanh ghi lệnh: chứa lệnh đang được thực hiện Thanh ghi trạng thái Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.13 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.14 Bộ đếm chương trình PC Minh họa bộ đếm chương trình Còn được gọi là con trỏ lệnh IP (Instruction Pointer) Giữ địa chỉ của lệnh tiếp theo sẽ được nhận vào. Sau khi một lệnh được nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.15 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.16

48 5 Thanh ghi con trỏ dữ liệu Minh họa thanh ghi con trỏ dữ liệu Chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu mà CPU muốn truy nhập Dữ liệu Dữ liệu Thường có một số thanh ghi con trỏ dữ liệu DP Dữ liệu Dữ liệu cần đọc/ghi Dữ liệu Dữ liệu Dữ liệu Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.17 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.18 Ngăn xếp (Stack) Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer) Ngăn xếp là vùng nhớ có cấu trúc LIFO SP chứa địa chỉ của ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp (Last In First Out) Khi cất một thông tin vào ngăn xếp: Ngăn xếp thường dùng để phục vụ cho chương trình con Nội dung của SP tự động giảm Thông tin được cất vào ngăn nhớ được trỏ bởi SP Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác định Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm ở vị trí trên cùng trong ngăn xếp Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp: Thông tin được đọc từ ngăn nhớ được trỏ bởi SP Nội dung của SP tự động tăng Khi ngăn xếp rỗng, SP trỏ vào đáy Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.19 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.20

49 6 Minh họa con trỏ ngăn xếp SP Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số Thanh ghi cơ sở: chứa địa chỉ của ngăn nhớ cơ sở (địa chỉ cơ sở) SP Đỉnh Stack Thanh ghi chỉ số: chứa độ lệch địa chỉ giữa ngăn nhớ mà CPU cần truy nhập so với ngăn nhớ cơ sở (chỉ số) Địa chỉ của ngăn nhớ cần truy nhập = địa Đáy Stack chỉ cơ sở + chỉ số Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.21 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.22 Minh họa thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số Các thanh ghi dữ liệu Chứa các dữ liệu tạm thời hoặc các kết Thanh ghi cơ sở Ngăn nhớ cơ sở quả trung gian Cần có nhiều thanh ghi dữ liệu Thanh ghi chỉ số Ngăn nhớ cần truy nhập Các thanh ghi số nguyên: 8, 16, 32, 64 bit Các thanh ghi số dấu chấm động Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.23 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.24

50 7 Thanh ghi trạng thái (Status Register) Ví dụ cờ phép toán Còn gọi là thanh ghi cờ (Flag Register) Chứa các thông tin trạng thái của CPU Các cờ phép toán: báo hiệu trạng thái của kết quả phép toán Các cờ điều khiển: biểu thị trạng thái điều khiển của CPU Cờ Zero (cờ rỗng): được thiết lập lên 1 khi kết quả của phép toán bằng 0. Cờ Sign (cờ dấu): được thiết lập lên 1 khi kết quả phép toán nhỏ hơn 0 Cờ Carry (cờ nhớ): được thiết lập lên 1 nếu phép toán có nhớ ra ngoài bit cao nhất cờ báo tràn với số không dấu. Cờ Overflow (cờ tràn): được thiếp lập lên 1 nếu cộng hai số nguyên cùng dấu mà kết quả có dấu ngược lại cờ báo tràn với số có dấu. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.25 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.26 Ví dụ cờ điều khiển 4.2. Tập lệnh Cờ Interrupt (Cờ cho phép ngắt) Nếu IF = 1 CPU ở trạng thái cho phép ngắt với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài gửi tới Nếu IF = 0 CPU ở trạng thái cấm ngắt với tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài gửi tới 1. Giới thiệu chung về tập lệnh Mỗi bộ xử lý có một tập lệnh xác định Tập lệnh thường có hàng chục đến hàng trăm lệnh Mỗi lệnh là một chuỗi số nhị phân mà bộ xử lý hiểu được để thực hiện một thao tác xác định Các lệnh được mô tả bằng các ký hiệu gợi nhớ chính là các lệnh của hợp ngữ Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.27 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.28

51 8 Các thành phần của lệnh máy 2. Các kiểu thao tác Chuyển dữ liệu Xử lý số học với số nguyên Mã thao tác (operation code opcode): Xử lý logic mã hóa cho thao tác mà bộ xử lý phải thực hiện Địa chỉ toán hạng: chỉ ra nơi chứa các toán hạng mà thao tác sẽ tác động Toán hạng nguồn: dữ liệu vào của thao tác Toán hạng đích: dữ liệu ra của thao tác Điều khiển vào-ra Chuyển điều khiển (rẽ nhánh) Điều khiển hệ thống Xử lý số dấu chấm động Xử lý các dữ liệu chuyên dụng Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.29 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.30 Các lệnh chuyển dữ liệu Các lệnh số học MOVE Copy dữ liệu từ nguồn đến đích LOAD Nạp dữ liệu từ bộ nhớ đến bộ xử lý STORE Cất dữ liệu từ bộ xử lý đến bộ nhớ EXCHANGE Trao đổi nội dung của nguồn và đích CLEAR Chuyển các bit 0 vào toán hạng đích SET Chuyển các bit 1 vào toán hạng đích PUSH Cất nội dung toán hạng nguồn vào ngăn xếp POP Lấy nội dung đỉnh ngăn xếp đưa đến toán hạng đích ADD Cộng hai toán hạng SUBTRACT Trừ hai toán hạng MULTIPLY Nhân hai toán hạng DIVIDE Chia hai toán hạng ABSOLUTE Lấy trị tuyệt đối toán hạng NEGATE Đổi dấu toán hạng (lấy bù 2) INCREMENT Tăng toán hạng thêm 1 DECREMENT Giảm toán hạng đi 1 COMPARE Trừ 2 toán hạng để lập cờ Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.31 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.32

52 9 Các lệnh logic Minh hoạ các lệnh AND, OR, XOR AND Thực hiện phép AND hai toán hạng OR Thực hiện phép OR hai toán hạng XOR Thực hiện phép XOR hai toán hạng NOT Đảo bit của toán hạng (lấy bù 1) TEST Thực hiện phép AND 2 toán hạng để lập cờ SHIFT Dịch trái (phải) toán hạng ROTATE Quay trái (phải) toán hạng Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.33 Giả sử có hai thanh ghi chứa dữ liệu như sau: (R1) = (R2) = R1 (R1) AND (R2) = Phép toán AND dùng để xoá một số bit và giữ nguyên một số bit còn lại của toán hạng. R1 (R1) OR (R2) = Phép toán OR dùng để thiết lập một số bit và giữ nguyên một số bit còn lại của toán hạng. R1 (R1) XOR (R2) = Phép toán XOR dùng để đảo một số bit và giữ nguyên một số bit còn lại của toán hạng. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.34 Các lệnh vào ra chuyên dụng Các lệnh chuyển điều khiển INPUT Copy dữ liệu từ một cổng xác định đến đích OUTPUT Copy dữ liệu từ nguồn đến một cổng xác định JUMP (BRANCH) - Lệnh nhảy không điều kiện: Nạp vào PC một địa chỉ xác định JUMP CONDITIONAL - Lệnh nhảy có điều kiện: Điều kiện đúng nạp PC một địa chỉ xác định Điều kiện sai không làm gì cả CALL - Lệnh gọi chương trình con: Cất nội dung của PC (địa chỉ trở về) ra một vị trí xác định (thường ở Stack) Nạp vào PC địa chỉ của lệnh đầu tiên của chương trình con RETURN - Lệnh trở về từ chương trình con: Khôi phục địa chỉ trở về trả lại cho PC để trở về chương trình chính Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.35 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.36

53 10 Lệnh rẽ nhánh không điều kiện Lệnh rẽ nhánh có điều kiện Trong lệnh có kèm theo điều kiện Chuyển tới thực hiện lệnh Kiểm tra điều kiện trong lệnh: ở vị trí có địa chỉ XXX: PC XXX Nếu điều kiện đúng chuyển tới thực hiện lệnh ở vị trí có địa chỉ XXX PC XXX Nếu điều kiện sai chuyển sang thực hiện lệnh kế tiếp Điều kiện thường được kiểm tra thông qua các cờ Có nhiều lệnh rẽ nhánh có điều kiện Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.37 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.38 Minh họa lệnh rẽ nhánh có điều khiện Lệnh CALL và RETURN XXX Lệnh Lệnh Lệnh rẽ nhánh XXX Lệnh kế tiếp Lệnh Lệnh... Lệnh Lệnh Lệnh gọi chương trình con: lệnh CALL Cất nội dung PC (chứa địa chỉ của lệnh kế tiếp) ra Stack Nạp vào PC địa chỉ của lệnh đầu tiên của chương trình con được gọi Bộ xử lý được chuyển sang thực hiện chương trình con tương ứng Lệnh trở về từ chương trình con: lệnh RETURN Lấy địa chỉ của lệnh kế tiếp được cất ở Stack nạp trả lại cho PC Bộ xử lý được điều khiển quay trở về thực hiện tiếp lệnh nằm sau lệnh CALL Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.39 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.40

54 11 Minh họa lệnh CALL và RETURN Các lệnh điều khiển hệ thống CTcon Lệnh Lệnh CALL CTcon Lệnh kế tiếp Lệnh... Lệnh đầu tiên của CTcon Lệnh... RETURN NO OPERATION Không thực hiện gì cả HALT Dừng thực hiện chương trình WAIT Tạm dừng thực hiện chương trình, lặp kiểm tra điều kiện cho đến khi thoả mãn thì tiếp tục thực hiện LOCK Cấm không cho xin chuyển nhượng bus UNLOCK Cho phép xin chuyển nhượng bus Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.41 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Các phương pháp định địa chỉ (addressing modes) Các phương pháp định địa chỉ thông dụng Khái niệm về định địa chỉ (addressing) Toán hạng của lệnh có thể là: Một giá trị cụ thể Nội dung của thanh ghi Nội dung của ngăn nhớ hoặc cổng vào-ra Phương pháp định địa chỉ là cách thức địa chỉ hoá trong trường địa chỉ của lệnh để xác định toán hạng. Định địa chỉ tức thì Định địa chỉ thanh ghi Định địa chỉ trực tiếp Định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi Định địa chỉ gián tiếp qua ngăn nhớ Định địa chỉ dịch chuyển Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.43 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.44

55 12 Định địa chỉ tức thì Định địa chỉ thanh ghi Toán hạng nằm ngay trong Trường địa chỉ của lệnh Toán hạng được chứa trong thanh ghi có tên trong Chỉ có thể là toán hạng nguồn Trường địa chỉ của lệnh Ví dụ: ADD R1,5 ; R1 R1+5 Không tham chiếu bộ nhớ Truy nhập toán hạng rất nhanh Dải giá trị của toán hạng bị hạn chế Sơ đồ định địa chỉ tức thì: Ví dụ: ADD R1, R2 ; R1 R1+R2 Số lượng thanh ghi ít Trường địa chỉ chỉ cần ít bit Không tham chiếu bộ nhớ Truy nhập toán hạng nhanh Tăng số lượng thanh ghi hiệu quả hơn Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.45 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.46 Sơ đồ định địa chỉ thanh ghi Định địa chỉ trực tiếp Toán hạng là ngăn nhớ có địa chỉ được chỉ ra trực tiếp trong Trường địa chỉ của lệnh Ví dụ: ADD R1, A ; R1 R1+(A) Cộng nội dung thanh ghi R1 với nội dung của ngăn nhớ có địa chỉ là A Tìm toán hạng trong bộ nhớ ở địa chỉ A CPU tham chiếu bộ nhớ một lần để truy nhập dữ liệu Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.47 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.48

56 13 Sơ đồ định địa chỉ trực tiếp Định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi Mã thao tác Địa chỉ Toán hạng là ngăn nhớ có địa chỉ nằm trong thanh ghi Toán hạng Trường địa chỉ của lệnh cho biết tên thanh ghi đó Thanh ghi có thể là ngầm định Thanh ghi này được gọi là thanh ghi con trỏ Bộ nhớ Vùng nhớ có thể được tham chiếu là lớn (2 n ), (với n là độ dài của thanh ghi) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.49 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.50 Sơ đồ định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi Định địa chỉ gián tiếp qua ngăn nhớ Mã thao tác Tên thanh ghi Ngăn nhớ được trỏ bởi Trường địa chỉ của lệnh chứa địa chỉ của toán hạng Có thể gián tiếp nhiều lần Địa chỉ Toán hạng Giống như khái niệm biến con trỏ và biến động trong lập trình Tập thanh ghi CPU phải thực hiện tham chiếu bộ nhớ nhiều lần để tìm toán hạng chậm Bộ nhớ Vùng nhớ có thể được tham chiếu là lớn Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.51 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.52

57 14 Sơ đồ định địa chỉ gián tiếp qua ngăn nhớ Định địa chỉ dịch chuyển Mã thao tác Địa chỉ Để xác định toán hạng Trường địa chỉ của lệnh chứa hai thành phần: Địa chỉ Tên thanh ghi Toán hạng Bộ nhớ Hằng số Địa chỉ của toán hạng = nội dung thanh ghi + hằng số Thanh ghi có thể được ngầm định Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.53 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.54 Sơ đồ định địa chỉ dịch chuyển Các dạng của định địa chỉ dịch chuyển Mã thao tác Tên thanh ghi Hằng số Địa chỉ hoá tương đối với PC Thanh ghi là Bộ đếm chương trình PC Toán hạng có địa chỉ cách ngăn nhớ được trỏ bởi PC một độ lệch xác định + Toán hạng Định địa chỉ cơ sở Thanh ghi chứa địa chỉ cơ sở Hằng số là chỉ số Tập thanh ghi Định địa chỉ chỉ số Hằng số là địa chỉ cơ sở Bộ nhớ Thanh ghi chứa chỉ số Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.55 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.56

58 Hoạt động của CPU Nhận lệnh 1. Chu trình lệnh Nhận lệnh Giải mã lệnh Nhận toán hạng Thực hiện lệnh Cất toán hạng Ngắt CPU đưa địa chỉ của lệnh cần nhận từ bộ đếm chương trình PC ra bus địa chỉ CPU phát tín hiệu điều khiển đọc bộ nhớ Lệnh từ bộ nhớ được đặt lên bus dữ liệu và được CPU copy vào thanh ghi lệnh IR CPU tăng nội dung PC để trỏ sang lệnh kế tiếp Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.57 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.58 Sơ đồ mô tả quá trình nhận lệnh Giải mã lệnh Lệnh từ thanh ghi lệnh IR được đưa đến đơn vị điều khiển Đơn vị điều khiển tiến hành giải mã lệnh để xác định thao tác phải thực hiện Giải mã lệnh xảy ra bên trong CPU Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.59 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.60

59 16 Nhận dữ liệu Nhận dữ liệu gián tiếp CPU đưa địa chỉ của toán hạng ra bus địa chỉ CPU phát tín hiệu điều khiển đọc Toán hạng được đọc vào CPU Tương tự như nhận lệnh CPU đưa địa chỉ ra bus địa chỉ CPU phát tín hiệu điều khiển đọc Nội dung ngăn nhớ được đọc vào CPU, đó chính là địa chỉ của toán hạng Địa chỉ này được CPU phát ra bus địa chỉ để tìm ra toán hạng CPU phát tín hiệu điều khiển đọc Toán hạng được đọc vào CPU Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.61 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.62 Sơ đồ nhận toán hạng gián tiếp Thực hiện lệnh Có nhiều dạng tuỳ thuộc vào lệnh Có thể là: Đọc/Ghi bộ nhớ Vào/Ra Chuyển giữa các thanh ghi Thao tác số học/logic Chuyển điều khiển (rẽ nhánh) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.63 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.64

60 17 Ghi toán hạng Sơ đồ mô tả quá trình ghi toán hạng CPU đưa địa chỉ ra bus địa chỉ CPU đưa dữ liệu cần ghi ra bus dữ liệu CPU phát tín hiệu điều khiển ghi Dữ liệu trên bus dữ liệu được copy đến vị trí xác định Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.65 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.66 Ngắt Sơ đồ mô tả chu trình ngắt Nội dung của bộ đếm chương trình PC (địa chỉ trở về sau khi ngắt) được đưa ra bus dữ liệu CPU đưa địa chỉ (thường được lấy từ con trỏ ngăn xếp SP) ra bus địa chỉ CPU phát tín hiệu điều khiển ghi bộ nhớ Địa chỉ trở về trên bus dữ liệu được ghi ra vị trí xác định (ở ngăn xếp) Địa chỉ lệnh đầu tiên của chương trình con điều khiển ngắt được nạp vào PC Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.67 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.68

61 18 2. Đường ống lệnh (Instruction Pipelining) Biểu đồ thời gian của đường ống lệnh Chia chu trình lệnh thành các công đoạn và cho phép thực hiện gối lên nhau (như dây chuyền lắp ráp) Chẳng hạn có 6 công đoạn: Nhận lệnh (Fetch Instruction FI) Giải mã lệnh (Decode Instruction DI) Tính địa chỉ toán hạng (Calculate Operand Address CO) Nhận toán hạng (Fetch Operands FO) Thực hiện lệnh (Execute Instruction EI) Ghi toán hạng (Write Operands WO) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.69 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.70 Các xung đột của đường ống lệnh 4.4. Cấu trúc chung của các bộ xử lý tiên tiến Xung đột cấu trúc: do nhiều công đoạn dùng chung một tài nguyên Xung đột dữ liệu: lệnh sau sử dụng dữ liệu kết quả của lệnh trước Xung đột điều khiển: do rẽ nhánh gây ra Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.71 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.72

62 19 Các đơn vị xử lý dữ liệu Bộ nhớ cache Các đơn vị số nguyên Được tích hợp trên chip vi xử lý Các đơn vị số dấu chấm động Bao gồm hai mức cache Các đơn vị chức năng đặc biệt Cache L1 gồm hai phần tách rời: Đơn vị xử lý dữ liệu âm thanh Đơn vị xử lý dữ liệu hình ảnh Đơn vị xử lý dữ liệu vector Cache lệnh Cache dữ liệu Giải quyết xung đột khi nhận lệnh và dữ liệu Cache L2 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.73 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.74 Đơn vị quản lý bộ nhớ 4.5. Kiến trúc Intel Chuyển đổi địa chỉ ảo thành địa chỉ vật lý Cung cấp cơ chế phân trang/phân đoạn Cung cấp chế độ bảo vệ bộ nhớ Kiến trúc 4-bit: 4004 Kiến trúc 8-bit: 8008, 8080, 8085 Kiến trúc 16-bit: 8086/8088, 80186, Kiến trúc 32-bit: 80386, 80486, Pentium, Pentium II Celeron, Pentium III, Pentium IV Kiến trúc 64-bit: Itanium 128 bit? Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.75 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.76

63 20 1. Kiến trúc 16-bit (IA-16) 2. Kiến trúc 32-bit (IA-32) Các thanh ghi bên trong: 16-bit Xử lý các phép toán số nguyên với 16-bit Các thanh ghi bên trong: 32 bit Xử lý các phép toán số nguyên với 32-bit Có 3 chế độ làm việc Quản lý bộ nhớ theo đoạn 64 KBytes Mở đầu cho dòng máy tính IBM-PC Chế độ 8086 thực (Real 8086 mode): làm việc như một bộ xử lý 8086 Chế độ 8086 ảo (Virtual 8086 mode): làm việc như nhiều bộ xử lý 8086 (đa nhiệm 16-bit) Chế độ bảo vệ (Protected mode) Đa nhiệm 32-bit Quản lý bộ nhớ ảo Xử lý các phép toán số dấu chấm động (từ 80486) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.77 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Kiến trúc 64-bit (IA-64) Các thanh ghi bên trong: 64 bit Xử lý các phép toán số nguyên với 64-bit Xử lý các phép toán số dấu chấm động Không tương thích phần cứng với các bộ xử lý trước đó Tương thích phần mềm bằng cách giả lập môi trường Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 4.79

64 1 Nội dung chương 5 Chương 5 BỘ NHỚ MÁY TÍNH Phạm Quang Dũng Bộ môn Khoa học máy tính - Khoa CNTT Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội website: ĐT: (04) DĐ: Tổng quan về hệ thống nhớ 5.2. Bộ nhớ bán dẫn 5.3. Bộ nhớ chính 5.4. Bộ nhớ cache 5.5. Bộ nhớ ngoài 5.6. Hệ thống nhớ trên máy tính cá nhân Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Tổng quan về hệ thống nhớ Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp) 1. Các đặc trưng của hệ thống nhớ Vị trí Bên trong CPU: tập thanh ghi Bộ nhớ trong bộ nhớ chính bộ nhớ cache Bộ nhớ ngoài: các thiết bị nhớ Dung lượng Độ dài từ nhớ (tính bằng bit: 16, 32 bit) Số lượng từ nhớ Đơn vị truyền Từ nhớ (word) Khối nhớ (block) Phương pháp truy nhập Truy nhập tuần tự (băng từ) Truy nhập trực tiếp (các loại đĩa) Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn) Truy nhập liên kết (cache) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.3 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.4

65 2 Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp) Các đặc trưng của hệ thống nhớ (tiếp) Hiệu năng Các đặc tính vật lý Thời gian truy nhập Khả biến/không khả biến Chu kỳ nhớ (volatile/nonvolatile) Tốc độ truyền Xóa được/không xóa được Kiểu vật lý Tổ chức Bộ nhớ bán dẫn Bộ nhớ từ Bộ nhớ quang Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.5 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Phân cấp hệ thống nhớ 5.2. Bộ nhớ bán dẫn 1. Phân loại Kiểu bộ nhớ Tiêu chuẩn Khả năng xóa Cơ chế ghi Tính khả biến Read Only Memory (ROM) Programmable ROM (PROM) Bộ nhớ chỉ đọc Không xóa được Mặt nạ Từ trái sang phải: dung lượng tăng dần tốc độ giảm dần giá thành/1 bit giảm dần Erasable PROM (EPROM) Electrically Erasable PROM (EEPROM) Flash Memory Random Access Memory (RAM) Bộ nhớ hầu như chỉ đọc Bộ nhớ đọc-ghi Bằng tia cực tím, cả chip Bằng điện, mức từng byte Bằng điện, mức từng khối Bằng điện, mức từng byte Bằng điện Không khả biến Khả biến Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.7 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.8

66 3 ROM (Read Only Memory) Các kiểu ROM Bộ nhớ không khả biến Lưu trữ các thông tin sau: Thư viện các chương trình con Các chương trình điều khiển hệ thống (BIOS) Các bảng chức năng Vi chương trình ROM mặt nạ: thông tin được ghi khi sản xuất rất đắt PROM (Programmable ROM) Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình chỉ ghi được 1 lần EPROM (Erasable PROM) Cần thiết bị chuyên dụng để ghi bằng chương trình ghi được nhiều lần Trước khi ghi lại, xóa bằng tia cực tím Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.9 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.10 Các kiểu ROM (tiếp) RAM (Random Access Memory) EEPROM (Electrically Erasable PROM) Bộ nhớ đọc-ghi (Read/Write Memory) Có thể ghi theo từng byte Xóa bằng điện Flash Memory (Bộ nhớ cực nhanh) Ghi theo khối Khả biến Lưu trữ thông tin tạm thời Có 2 loại: SRAM và DRAM Xóa bằng điện Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.11 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.12

67 4 SRAM (Static RAM) - RAM tĩnh DRAM (Dynamic RAM) - RAM động Các bit được lưu trữ bằng các Flip-Flop Các bit được lưu trữ trên tụ điện thông tin ổn định cần phải có mạch làm tươi Cấu trúc phức tạp Cấu trúc đơn giản Dung lượng chip nhỏ Dung lượng lớn Tốc độ nhanh Tốc độ chậm hơn Đắt tiền Rẻ tiền hơn Dùng làm bộ nhớ cache Dùng làm bộ nhớ chính Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.13 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.14 Các DRAM tiên tiến 2. Tổ chức của chip nhớ Enhanced DRAM Sơ đồ cơ bản của chip nhớ Cache DRAM Synchronous DRAM (SDRAM): làm việc được đồng bộ bởi xung đồng hồ DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) Rambus DRAM (RDRAM) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.15 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.16

68 5 Các tín hiệu của chip nhớ Tổ chức của DRAM Các đường địa chỉ: A n-1 A 0 có 2 n từ nhớ Các đường dữ liệu: D m-1 D 0 độ dài từ nhớ = m bit Dung lượng chip nhớ = 2 n x m bit Các đường điều khiển: Tín hiệu chọn chip CS (Chip Select) Tín hiệu điều khiển đọc OE (Output Enable) Tín hiệu điều khiển ghi WE (Write Enable) Các tín hiệu điều khiển tích cực với mức 0 Dùng n đường địa chỉ dồn kênh cho phép truyền 2n bit địa chỉ Tín hiệu chọn địa chỉ hàng RAS (Row Address Select) Tín hiệu chọn địa chỉ cột CAS (Column Address Select) Dung lượng của DRAM = 2 2n x m bit Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.17 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.18 Chip nhớ 3. Thiết kế mô-đun nhớ bán dẫn Dung lượng chip nhớ = 2 n x m bit Cần thiết kế để tăng dung lượng: Thiết kế tăng độ dài từ nhớ Thiết kế tăng số lượng từ nhớ Thiết kế kết hợp Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.19 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.20

69 6 Tăng độ dài từ nhớ Ví dụ tăng độ dài từ nhớ VD1: Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit A 11 A 0 Thiết kế mô-đun nhớ 4K x 8 bit Giải: A 11 A 0 A 11 A 0 Dung lượng chip nhớ = 2 12 x 4 bit chip nhớ có: 12 chân địa chỉ 4 chân dữ liệu D 3 D 0 CS WE OE D 3 D 0 D 3 D 0 D 7 D 4 CS WE OE mô-đun nhớ cần có: 12 chân địa chỉ 8 chân dữ liệu CS WE OE Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.21 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.22 Bài toán tăng độ dài từ nhớ tổng quát Tăng số lượng từ nhớ Cho chip nhớ 2 n x m bit Thiết kế mô-đun nhớ 2 n x (k.m) bit Dùng k chip nhớ VD2: Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit Thiết kế mô-đun nhớ 8K x 8 bit Giải: Dung lượng chip nhớ = 2 12 x 8 bit chip nhớ có: 12 chân địa chỉ 8 chân dữ liệu Dung lượng mô-đun nhớ = 2 13 x 8 bit: 13 chân địa chỉ 8 chân dữ liệu Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.23 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.24

70 7 Ví dụ tăng số lượng từ nhớ Bộ giải mã 2 4 G A Y0 Y x 1 1 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.25 G B A Y0 Y1 Y2 Y x x Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.26 Bài tập 1. Tăng số lượng từ nhớ gấp 4 lần: Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit Thiết kế mô-đun nhớ 16K x 8 bit 2. Tăng số lượng từ nhớ gấp 8 lần: Cho chip nhớ SRAM 4K x 8 bit Thiết kế mô-đun nhớ 32K x 8 bit 3. Thiết kế kết hợp: Cho chip nhớ SRAM 4K x 4 bit Thiết kế mô-đun nhớ 8K x 8 bit 5.3. Bộ nhớ chính 1. Các đặc trưng cơ bản Chứa các chương trình đang được thực hiện và các dữ liệu đang được sử dụng Tồn tại trên mọi hệ thống máy tính Bao gồm các ngăn nhớ được đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPU Dung lượng của bộ nhớ chính nhỏ hơn không gian địa chỉ bộ nhớ mà CPU quản lý Việc quản lý logic bộ nhớ chính tùy thuộc vào hệ điều hành Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.27 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.28

71 8 2. Tổ chức bộ nhớ đan xen m=8 bit một băng nhớ tuyến tính Độ rộng của bus dữ liệu để trao đổi với bộ nhớ: m = 8, 16, 32, 64, 128 bit Các ngăn nhớ được tổ chức theo byte tổ chức bộ nhớ vật lý khác nhau Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.29 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.30 m=16 bit hai băng nhớ đan xen m=32 bit bốn băng nhớ đan xen A0 B W Các tín hiệu chọn byte: BE1 BE0 Chọn byte Bộ tạo tín hiệu chọn byte BE0 BE1 AN-1 A1 Băng i+1 Băng i A0 AN-1 A2 BE0 Băng i+3 Băng i+2 Băng i+1 Băng i 0 0 Chọn cả 2 byte 0 1 Chọn byte cao 1 0 Chọn byte thấp 1 1 Không chọn D15 D8 BE1 D7 D0 BE0 A1 B W DW Bộ tạo tín hiệu chọn byte BE1 BE2 BE3 D31 D24 BE3 D23 D16 BE2 D15 D8 BE1 D7 D0 BE0 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.31 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.32

72 9 m=64 bit tám băng nhớ đan xen 5.4. Bộ nhớ đệm nhanh (cache memory) 1. Nguyên tắc chung Cache có tốc độ nhanh hơn bộ nhớ chính Cache được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ truy nhập bộ nhớ của CPU Cache có thể được đặt trên chip của CPU Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.33 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.34 Ví dụ về thao tác của cache Cấu trúc chung của cache/bộ nhớ chính CPU yêu cầu nội dung của ngăn nhớ CPU kiểm tra trên cache với dữ liệu này Nếu có, CPU nhận dữ liệu từ cache (nhanh) Nếu không có, đọc block nhớ chứa dữ liệu từ bộ nhớ chính vào cache Tiếp đó chuyển dữ liệu từ cache vào CPU CPU Tag Cache L 0 L 1 L 2 L 3... L i... Bộ nhớ chính B 0 B 1 B 2 B 3 B 4 B 5... B i... L m-1 B p-1 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.35 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.36

73 10 Cấu trúc chung của cache/bộ nhớ chính 2. Các phương pháp ánh xạ địa chỉ Một số Block của bộ nhớ chính được nạp vào các Line của cache. Nội dung Tag (thẻ nhớ) cho biết block nào của bộ nhớ chính hiện đang được chứa ở line đó. Khi CPU truy nhập (đọc/ghi) một từ nhớ, có 2 khả năng xảy ra: Từ nhớ đó có trong cache (cache hit) Từ nhớ đó không có trong cache (cache miss) Vì số line của cache ít hơn số block của bộ nhớ chính, cần có một thuật giải ánh xạ thông tin trong bộ nhớ chính vào cache. a) Ánh xạ trực tiếp (Direct mapping) Mỗi block của bộ nhớ chính chỉ có thể được nạp vào 1 line duy nhất của cache. Quy ước nạp: B 0 L 0 B 1 L 1... B m-1 L m-1 B m L 0 B m+1 L 1 L 0 : B 0, B m, B 2m... L 1 : B 1, B m+1, B 2m+1.. B j chỉ có thể được nạp vào L j mod m Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.37 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.38 Ánh xạ trực tiếp (tiếp) Ánh xạ trực tiếp (tiếp) N bit Tag Line Byte n3 n2 n1 (1) (2) So sánh = cache hit cache miss (3.1) (3.2) Cache L 0 L 1 L 2 L 3... Li... L m-1 Bộ nhớ chính B 0 B 1 B 2 B 3 B 4 B 5... B i... B p-1 Địa chỉ CPU phát ra có N bit, được chia thành 3 trường: Trường Byte (có n 1 bit) để xác định byte nhớ trong Line (Block) 2 n1 = kích thước 1 Line Trường Line (có n 2 bit) để xác định Line trong Cache 2 n2 = số Line trong Cache Dung lượng Cache = 2 n1 * 2 n2 = 2 n1+n2 Trường Tag (có n 3 bit): số bit còn lại n 3 = N - (n 1 + n 2 ) > 0 vì 2 N >> 2 n1+n2 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.39 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.40

74 11 b) Ánh xạ liên kết toàn phần Ánh xạ liên kết toàn phần (tiếp) Fully Associative Mapping Mỗi block có thể được nạp vào bất kỳ line nào của cache. Địa chỉ bộ nhớ do CPU phát ra được chia thành 2 phần: tag và byte. Để kiểm tra xem một block có trong cache hay không, phải đồng thời kiểm tra tất cả tag của các line trong cache. Cần các mạch phức tạp để kiểm tra. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.41 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.42 c) Ánh xạ liên kết tập hợp Ánh xạ liên kết tập hợp (tiếp) Set Associative Mapping Là phương pháp dung hòa của 2 phương pháp trên Chia cache thành các tập: S 0, S 1, S 2... Mỗi Set có một số Line (2, 4, 8, 16 Line) vd mỗi Set có 2 line: 2-way Set Associative Mapping Mỗi block được nạp vào 1 line nào đó trong Set nhất định: B 0 S 0 B 1 S 1... B k-1 S k-1 B k S 0 Địa chỉ do CPU phát ra có 3 trường: Tag, Set, Byte Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.43 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.44

75 12 Ví dụ Hệ thống có: bộ nhớ chính = 256 MB Cache Line = 128 KB = 16 Byte Xác định số bit của các trường địa chỉ khi Ánh xạ trực tiếp Ánh xạ liên kết tập hợp 4 Line/Set Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.45 Ví dụ (tiếp) 1) 2 N = = 2 28 N = 28 bit Tính cho trường Byte: Kích thước line = 16 = 2 4 Byte n 1 = 4 bit Tính cho trường Line: Số line trong Cache: /16 = 2 13 n 2 = 13 bit Tính cho trường Tag: n 3 = N - (n 1 + n 2 ) = 28 - (4 + 13) = 11 bit 2) - Trường Byte: n 1 = 4 bit - Trường Set: Số Set = Số line/4 = 2 13 /4 = 2 11 n 2 = 11 bit - Trường Tag: n 3 = N - (n 1 + n 2 ) = 28 - (4 + 11) = 13 bit Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính Các thuật giải thay thế block trong cache Các thuật giải thay thế block trong cache (tiếp) Khi CPU truy nhập một thông tin mà không có trong cache (cache miss) thì nạp block chứa thông tin đó vào trong cache để thay thế block cũ trong cache. Ánh xạ trực tiếp chỉ có 1 cách nạp không cần thuật giải để nạp. 2 phương pháp ánh xạ liên kết cần có thuật giải để lựa chọn thay thế. 1. Random: thay block một cách ngẫu nhiên. 2. FIFO (First In, First Out): thay thế block đã tồn tại lâu nhất trong toàn cache đối với ánh xạ liên kết toàn phần, trong set đối với ánh xạ liên kết tập hợp. 3. LFU (Least Frequently Used): thay block có số lần truy nhập ít nhất. 4. LRU (Least Recently Used): thay block có khoảng thời gian dài nhất không được truy nhập được đánh giálàhiệu quả nhất. Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.47 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.48

76 13 4. Phương pháp ghi dữ liệu khi cache hit 5. Cache trên các bộ xử lý Intel Ghi xuyên qua (Write through) ghi cả cache và bộ nhớ chính tốc độ chậm Ghi trả sau (Write back) chỉ ghi ra cache tốc độ nhanh khi block trong cache bị thay thế cần phải ghi trả cả block về bộ nhớ chính 80386: không có cache trên chip 80486: 8KB Pentium: có 2 cache L1 trên chip cache lệnh = 8KB cache dữ liệu = 8KB Pentium 4: hai mức cache L1 và L2 trên chip Cache L1: 2 cache L1, mỗi cache 8KB kích thước Line = 64 byte Cache L2: 256 KB - 2 MB kích thước Line = 128 byte Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.49 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.50 Sơ đồ Pentium Bộ nhớ ngoài 1. Các kiểu bộ nhớ ngoài Đĩa từ (Magnetic Disk) Đĩa quang (Optical Disk) Flash Disk Băng từ (Magnetic Tape) Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.51 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.52

77 14 2. Đĩa từ (Platter) Các đặc tính đĩa từ Đầu từ cố định hay đầu từ di động Đĩa cố định hay thay đổi Một mặt hay hai mặt Một đĩa hay nhiều đĩa Cơ chế đầu từ Tiếp xúc (đĩa mềm) Không tiếp xúc Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.53 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.54 Nhiều đĩa (Multiple Platters) Cylinders Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.55 Phạm Quang Dũng Bài giảng Kiến trúc máy tính 5.56