›
›

Kiến trúc máy tính - Chương 3: Tổng quan về hệ thống máy tính

pdf 49 trang vanle 2360
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Kiến trúc máy tính - Chương 3: Tổng quan về hệ thống máy tính", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfkien_truc_may_tinh_chuong_3_tong_quan_ve_he_thong_may_tinh.pdf

Nội dung text: Kiến trúc máy tính - Chương 3: Tổng quan về hệ thống máy tính

  1. NKK-HUT Kiến trúc máy tính Chương 3 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY TÍNH Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 3 May 2012 IT3030 1
  2. NKK-HUT Nội dung học phần  Chương 1. Giới thiệu chung  Chương 2. Cơ bản về logic số  Chương 3. Hệ thống máy tính  Chương 4. Kiến trúc tập lệnh  Chương 5. Số học máy tính  Chương 6. Bộ xử lý  Chương 7. Bộ nhớ  Chương 8. Vào-ra  Chương 9. Kiến trúc máy tính tiên tiến 3 May 2012 IT3030 2
  3. NKK-HUT Nội dung của chương 3 3.1. Các thành phần cơ bản của máy tính 3.2. Hoạt động cơ bản của máy tính 3.3. Bus liên kết hệ thống 3 May 2012 IT3030 3
  4. NKK-HUT 3.1. Các thành phần cơ bản của máy tính  Bộ xử lý trung tâm (CPU)  Bộ nhớ (Memory)  Vào ra (Input/Output )  Bus liên kết hệ thống (System Interconnection Bus) 3 May 2012 IT3030 4
  5. NKK-HUT 1. Bộ xử lý trung tâm (CPU)  Chức năng:  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. 3 May 2012 IT3030 5
  6. NKK-HUT Cấu trúc cơ bản của CPU §¬n vÞ §¬n vÞ TËp c¸c sè häc vµ ®iÒu khiÓn thanh ghi logic (CU) (RF) (ALU) bus bªn trong §¬n vÞ nèi ghÐp bus (BIU) bus bªn ngoµi 3 May 2012 IT3030 6
  7. NKK-HUT Các thành phần cơ bản của CPU  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 phép toán logic.  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). 3 May 2012 IT3030 7
  8. NKK-HUT 2. Bộ nhớ máy tính  Chức năng: lưu trữ chương trình và dữ liệu.  Các thao tác cơ bản với bộ nhớ:  Thao tác ghi (Write)  Thao tác đọc (Read)  Các thành phần chính:  Bộ nhớ trong (Internal Memory)  Bộ nhớ ngoài (External Memory) 3 May 2012 IT3030 8
  9. NKK-HUT Các thành phần của bộ nhớ máy tính Bộ nhớ Bộ nhớ CPU trong ngoài 3 May 2012 IT3030 9
  10. NKK-HUT 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 và RAM  Các loại bộ nhớ trong:  Bộ nhớ chính  Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm) 3 May 2012 IT3030 10
  11. NKK-HUT Bộ nhớ chính (Main Memory) Néi dung §Þa chØ 00101011 0000  Chứa các chương trình và dữ 11010101 0001 liệu đang được CPU sử dụng. 00001010 0010 01011000 0011  Tổ chức thành các ngăn nhớ 11111011 0100 được đánh địa chỉ. 00001000 0101 11101010 0110  Ngăn nhớ thường được tổ 00000000 0111 10011101 1000 chức theo byte. 00101010 1001 11101011 1010  Nội dung của ngăn nhớ có thể 00000010 1011 thay đổi, song địa chỉ vật lý 00101011 1100 00101011 1101 của ngăn nhớ luôn cố định. 11111111 1110 10101010 1111 3 May 2012 IT3030 11
  12. NKK-HUT Bộ nhớ cache  Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy cập 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 cùng chip bộ xử lý.  Cache có thể có hoặc không 3 May 2012 IT3030 12
  13. NKK-HUT Bộ nhớ ngoài (External Memory)  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 3 May 2012 IT3030 13
  14. NKK-HUT 3. Vào-ra (Input-Output)  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:  Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)  Các mô-đun vào-ra (IO Modules) 3 May 2012 IT3030 14
  15. NKK-HUT Cấu trúc cơ bản của vào-ra bus M«-®un Cæng ThiÕt bÞ vµo-ra hÖ vµo-ra ngo¹i vi thèng ThiÕt bÞ nèi ghÐp Cæng vµo-ra ngo¹i vi víi CPU vµ bé nhí chÝnh M«-®un Cæng ThiÕt bÞ vµo-ra vµo-ra ngo¹i vi 3 May 2012 IT3030 15
  16. NKK-HUT Các thiết bị ngoại vi  Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính  Các loại thiết bị ngoại vi cơ bản  Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét  Thiết bị ra: màn hình, máy in  Thiết bị nhớ: các ổ đĩa  Thiết bị truyền thông: MODEM 3 May 2012 IT3030 16
  17. NKK-HUT Mô-đun vào-ra  Chức năng: nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính  Mỗi mô-đun vào-ra có một hoặc một vài cổng vào-ra (I/O Port).  Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác định.  Các thiết bị ngoại vi được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thông qua các cổng vào-ra. 3 May 2012 IT3030 17
  18. NKK-HUT 3.2. Hoạt động cơ bản của máy tính 1. Thực hiện chương trình  Là hoạt động cơ bản của máy tính  Máy tính lặp đi lặp lại hai bước:  Nhận lệnh  Thực hiện lệnh  Thực hiện chương trình bị dừng nếu thực hiện lệnh bị lỗi hoặc gặp lệnh dừng. 3 May 2012 IT3030 18
  19. NKK-HUT 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. 3 May 2012 IT3030 19
  20. NKK-HUT Minh họa quá trình nhận lệnh CPU Lệnh 300 CPU Lệnh 300 Lệnh 301 PC PC Lệnh 301 302 Lệnh i 302 303 Lệnh i 302 Lệnh i+1 303 Lệnh i+1 303 IR IR Lệnh 304 Lệnh i Lệnh 304 Trước khi nhận lệnh i Sau khi nhận Lệnh i 3 May 2012 IT3030 20
  21. NKK-HUT Thực hiện lệnh  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  Trao đổi dữ liệu giữa CPU và mô-đun vào-ra  Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học hoặc phép toán logic với các dữ liệu.  Điều khiển rẽ nhánh  Kết hợp các thao tác trên. 3 May 2012 IT3030 21
  22. NKK-HUT 2. Ngắt (Interrupt)  Khái niệm chung về ngắt: 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:  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.  Ngắt do mô-đun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu.  Ngắt do bộ định thời trong chế độ đa chương trình 3 May 2012 IT3030 22
  23. NKK-HUT Hoạt động ngắt  Sau khi hoàn thành mỗi 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 tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng 3 May 2012 IT3030 23
  24. NKK-HUT Hoạt động ngắt (tiếp) Ch•¬ng tr×nh ®ang thùc hiÖn Ch•¬ng tr×nh con phôc vô ng¾t lÖnh lÖnh lÖnh lÖnh lÖnh lÖnh Ng¾t ë ®©y lÖnh i lÖnh lÖnh i+1 . . . lÖnh RETURN . . . lÖnh 3 May 2012 IT3030 24
  25. NKK-HUT Chu trình lệnh với ngắt 3 May 2012 IT3030 25
  26. NKK-HUT Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt  Xử lý ngắt tuần tự  Khi một ngắt đang được thực hiện, các ngắt khác sẽ bị cấm.  Bộ xử lý sẽ bỏ qua các ngắt tiếp theo trong khi đang xử lý một ngắt  Các yêu cầu ngắt vẫn đang đợi và được kiểm tra sau khi ngắt đầu tiên được xử lý xong  Các ngắt được thực hiện tuần tự 3 May 2012 IT3030 26
  27. NKK-HUT Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt  Xử lý ngắt ưu tiên  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  Xẩy ra ngắt lồng nhau 3 May 2012 IT3030 27
  28. NKK-HUT 3. Hoạt động vào-ra  Hoạt động vào-ra: là hoạt động trao đổi dữ liệu giữa mô-đun vào-ra với bên trong máy tính.  Các kiểu hoạt động vào-ra:  CPU trao đổi dữ liệu với mô-đun vào-ra  Mô-đun vào-ra trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ chính (DMA- Direct Memory Access). 3 May 2012 IT3030 28
  29. NKK-HUT 3.3. Bus liên kết hệ thống 1. Luồng thông tin trong máy tính  Các mô-đun trong máy tính:  CPU  Mô-đun nhớ  Mô-đun vào-ra cần được kết nối với nhau 3 May 2012 IT3030 29
  30. NKK-HUT Kết nối mô-đun nhớ ®Þa chØ M«-®un d÷ liÖu d÷ liÖu hoÆc lÖnh nhí TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®äc TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ghi 3 May 2012 IT3030 30
  31. NKK-HUT Kết nối mô-đun nhớ (tiếp)  Địa chỉ đưa đến để xác định ngăn nhớ  Dữ liệu được đưa đến khi ghi  Dữ liệu hoặc lệnh được đưa ra khi đọc (lưu ý: bộ nhớ không phân biệt lệnh và dữ liệu)  Nhận các tín hiệu điều khiển:  Điều khiển đọc (Read)  Điều khiển ghi (Write) 3 May 2012 IT3030 31
  32. NKK-HUT Kết nối mô-đun vào-ra d÷ liÖu tõ bªn trong d÷ liÖu ®Õn TBNV d÷ liÖu tõ TBNV d÷ liÖu ®Õn bªn trong M«-®un vµo-ra ®Þa chØ C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn TBNV TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®äc C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ng¾t TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ghi 3 May 2012 IT3030 32
  33. NKK-HUT Kết nối mô-đun vào-ra (tiếp)  Địa chỉ đưa đến để xác định cổng vào-ra  Ra dữ liệu (Output)  Nhận dữ liệu từ CPU hoặc bộ nhớ chính  Đưa dữ liệu ra thiết bị ngoại vi  Vào dữ liệu (Input)  Nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi  Đưa dữ liệu vào CPU hoặc bộ nhớ chính  Nhận các tín hiệu điều khiển từ CPU  Phát các tín hiệu điều khiển đến thiết bị ngoại vi  Phát các tín hiệu ngắt đến CPU 3 May 2012 IT3030 33
  34. NKK-HUT Kết nối CPU lÖnh ®Þa chØ d÷ liÖu CPU d÷ liÖu C¸c tÝn hiÖu C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®iÒu khiÓn ng¾t bé nhí vµ vµo-ra 3 May 2012 IT3030 34
  35. NKK-HUT Kết nối CPU (tiếp)  Phát địa chỉ đến các mô-đun nhớ hay các mô-đun vào-ra  Đọc lệnh và dữ liệu  Đưa dữ liệu ra (sau khi xử lý)  Phát tín hiệu điều khiển đến các mô-đun nhớ và các mô-đun vào-ra  Nhận các tín hiệu ngắt 3 May 2012 IT3030 35
  36. NKK-HUT 2. Cấu trúc bus cơ bản  Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin giữa các mô-đun của máy tính với nhau.  Các bus chức năng:  Bus địa chỉ  Bus dữ liệu  Bus điều khiển  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) 3 May 2012 IT3030 36
  37. NKK-HUT Sơ đồ cấu trúc bus cơ bản M«-®un M«-®un M«-®un M«-®un CPU nhí nhí vµo-ra vµo-ra bus ®Þa chØ bus d÷ liÖu bus ®iÒu khiÓn 3 May 2012 IT3030 37
  38. NKK-HUT Bus địa chỉ  Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác định ngăn nhớ hay cổng vào-ra  Độ rộng bus địa chỉ: cho biết số lượng ngăn nhớ tối đa được đánh địa chỉ.  N bit: AN-1, AN-2, A2, A1, A0 có thể đánh địa chỉ tối đa cho 2N ngăn nhớ (không gian địa chỉ bộ nhớ)  Ví dụ:  Bộ xử lý Pentium có bus địa chỉ 32 bit có khả năng đánh địa chỉ cho 232 bytes nhớ (4GBytes) (ngăn nhớ tổ chức theo byte) 3 May 2012 IT3030 38
  39. NKK-HUT Bus dữ liệu  Chức năng:  vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU  vận chuyển dữ liệu giữa CPU, mô đun nhớ, mô đun vào-ra với nhau  Độ rộng bus dữ liệu: Xác định số bit dữ liệu có thể được trao đổi đồng thời.  M bit: DM-1, DM-2, D2, D1, D0  M thường là 8, 16, 32, 64,128 bit.  Ví dụ: Các bộ xử lý Pentium có bus dữ liệu 64 bit 3 May 2012 IT3030 39
  40. NKK-HUT Bus điều khiển  Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển  Các loại tín hiệu điều khiển:  Các tín hiệu điều khiển đọc/ghi  Các tín hiệu điều khiển ngắt  Các tín hiệu điều khiển bus 3 May 2012 IT3030 40
  41. NKK-HUT Một số tín hiệu điều khiển điển hình  Các tín hiệu (phát ra từ CPU) điều khiển đọc-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 có sẵn trên bus dữ liệu đến một ngăn nhớ có địa chỉ xác định.  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. 3 May 2012 IT3030 41
  42. NKK-HUT Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tiếp)  Các tín hiệu điều khiển ngắt:  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.  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.  Non Maskable Interrupt (NMI): tín hiệu ngắt không che được gửi đến ngắt CPU.  Reset: Tín hiệu từ bên ngoài gửi đến CPU và các thành phần khác để khởi động lại máy tính. 3 May 2012 IT3030 42
  43. NKK-HUT Một số tín hiệu điều khiển điển hình (tiếp)  Các tín hiệu điều khiển bus:  Bus Request (BRQ) hay là Hold: Tín hiệu từ mô-đun điều khiển vào-ra gửi đến yêu cầu CPU chuyển nhượng quyền sử dụng bus.  Bus Grant (BGT) hay là Hold Acknowledge (HLDA): Tín hiệu phát ra từ CPU chấp nhận chuyển nhượng quyền sử dụng bus.  Lock/ Unlock: Tín hiệu cấm/cho-phép xin chuyển nhượng bus 3 May 2012 IT3030 43
  44. NKK-HUT Đặc điểm của cấu trúc đơn bus  Bus hệ thống chỉ phục vụ được một yêu cầu trao đổi dữ liệu tại một thời điểm  Bus hệ thống phải có tốc độ bằng tốc độ bus của mô-đun nhanh nhất trong hệ thống  Bus hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc bus (các tín hiệu) của bộ xử lý các mô-đun nhớ và các mô-đun vào-ra cũng phụ thuộc vào bộ xử lý.  Khắc phục: phân cấp bus cấu trúc đa bus 3 May 2012 IT3030 44
  45. NKK-HUT 3. Phân cấp bus trong máy tính  Tổ chức thành nhiều bus trong hệ thống máy tính  Cho các thành phần khác nhau:  Bus của bộ xử lý  Bus của bộ nhớ chính  Các bus vào-ra  Các bus khác nhau về tốc độ  Bus bộ nhớ chính và các bus vào-ra không phụ thuộc vào bộ xử lý cụ thể. 3 May 2012 IT3030 45
  46. NKK-HUT Một số bus điển hình trong PC  Bus của bộ xử lý (Front Side Bus - FSB): có tốc độ nhanh nhất  Bus của bộ nhớ chính (nối ghép với các mô-đun RAM)  PCI bus(Peripheral Component Interconnect): nối ghép với các thiết bị ngoại vi có tốc độ trao đổi dữ liệu nhanh.  IDE (Integrated Device Electronics): Bus kết nối với ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa CD, DVD  USB (Universal Serial Bus): Bus nối tiếp đa năng 3 May 2012 IT3030 46
  47. NKK-HUT Chipset 3 May 2012 IT3030 47
  48. NKK-HUT Ví dụ về bo mạch chính 3 May 2012 IT3030 48
  49. NKK-HUT Hết chương 3 3 May 2012 IT3030 49