cấu trúc máy tính

các thành phần cơ bản của máy tính

CPU

Bộ nhớ chính

Module I/O

System Bus

máy tính có bn thành phần cơ bản

4 thành phần cơ bản

Module I/O có công dụng

giúp CPU, bộ nhớ tiếp xúc với thiết bị ngoại vi

các thành phần trong CPU

Bộ điều khiển

ALU

thanh ghi (bộ nhớ tạm thời)

kết nối bên trong

Máy tính đầu tiên

ENIAC

// 1943-1946, hệ thập phân

có bn giai đoạn trong lịch sử máy tính

4 hoặc 6

các giai đoạn trong lịch sử máy tính

• bóng chân không

• bóng bán dẫn

• mạch tích hợp (vừa và nhỏ, lớn, rất lớn, siêu lớn)

Kiến trúc Von Neumann

• nằm trong giai đoạn 1

• chương trình lưu trong bộ nhớ

• máy tính IAS

• 4 thành phần: MM, ALU (hệ 2) , CU, I/O

giai đoạn 2 trong lịch sử máy tính

• sử dụng bóng bán dẫn

• nhỏ hơn, rẻ hơn, ít tản nhiệt hơn

• có ngôn ngữ chương trình bậc cao

giai đoạn 3 trong lịch sử máy tính

• mạch tích hợp (tích hợp rất nhiều bóng bán dẫn trong 1 con chip)

• dựa vào số lượng bóng bán dẫn để chia mức độ, quy mô

Định luật Moore

• 1965

• số lượng transistors trên 1 con chip tăng gấp đôi mỗi 18 tháng

bộ nhớ bán dẫn

• tạo từ bóng bán dẫn

• 1970

• đọc k phá hủy

• dung lượng tăng, chạy nhanh

• thời đầu thì giá cao

• chip đơn lớn nhất hiện tại 1T

trong các họ vi xử lý thì

mọi thứ đều tăng, chỉ có kích thước của transistor thì được giảm

// clock speeds dậm chân, để tập trung phát triển về bộ nhớ

clock speed

xung nhiệt cao, tốc độ xử lý nhanh nhưng điện cao, giá cả cao

MIPS = (Số lệnh thực thi) / (Thời gian thực thi) \* 10^-6

MIPS = f/ (CPI \*10 mũ 6)

công thức tính MIPS

chuyển đổi từ hệ 10 qua hệ x

chia lấy ngược tới khi thương =0, nhân lấy xuôi tới khi phần thập phân =0

từ hệ X qua hệ 10

ký tự \* trọng số + lại

khi chuyển từ hệ 2 qua hệ 8 hoặc hệ 16

• gom bit để chuyển

• phần nguyên thì gom từ phải

• phần thập phân thì gom từ trái

cộng trừ nhị phân

• 1+1=0 (nhớ 1)

• 0 - 1 =1 (mượn 1)

số nhị phân có dấu - số bù hai

đảo bit cộng 1

số nhị phân có dấu n bit với phương pháp Dấu và độ lớn

• bit đầu thể hiện dấu, 1 là âm, 0 là dương

• n-1 bit còn lại thể hiện giá trị

phạm vi biểu diễn của số nhị phân có dấu n bit

từ - 2 mũ (n-1) đến 2 mũ (n-1) -1 (số bù 2)

từ - 2 mũ (n-1) +1 đến 2 mũ (n-1) -1 (dấu và độ lớn)

tìm giá trị của số âm (dãy bit có bit đầu là 1)

cách 1: khai triển bth, nhưng bit lớn nhất \*(-1)

cách 2: đảo bit+1 được số dương cùng biên độ

cách mở rộng bit đối với số âm mà không thay đổi giá trị

thêm số 1 ở trước

đối với số không dấu

nếu có nhớ ra ngoài thì phép tính sai

đối với số có dấu

* nếu cộng hai số cùng dấu ra khác dấu thì phép tính sai

kí hiệu khoa học

N = ± M \* X mũ E

( 1

số dấu phẩy động kiểu đơn

• 32 bit

• 1 - 8 - 23 s - e - m dấu mũ định trị

• nếu m còn dư bit thì thêm 0 vào sau

• e =E+127

• m là phần thập phân của M

• công thức xác định giá trị số thực

  X= (-1)^S * 1.m * 2^(e-127)

các tiên đề, định lý cơ bản trong đại số BOOLE

• x+(y.z)=(x+y).(x+z)

• x+1=1

• x. x bù =0

• x+x=x

• x*x=x

• x+x.y=x

• x.(x+y)=x

• x + (bù x *y)=x+y

• x nhân (bù x +y)=x nhân y

• x.y +bù x .z +y.z=x.y+bù x .z

định lý de morgan

• bù tổng là tích

• bù tích là tổng

cổng logic

cổng NAND

• = 0 nếu mọi số =1

• =1 nếu tồn tại 1 số =0

cổng XOR

= 1 nếu số đầu vào =1 lẻ

=0 nếu số đầu vào = 1 chẵn

ghép cổng logic

• đối với cổng NAND,

1 NAND →NOT, 2 NAND →AND, 3 NAND→OR

• đối với cổng NOR

1 NOR → NOT, 2 NOR →OR, 3 NOR →AND

bộ nhớ đánh địa chỉ theo từ

• từ dung lượng tìm số bit

lấy dung lượng bộ nhớ chia cho số bit 1 từ →số từ

→ số bit địa chỉ là số mũ của số từ

• từ số địa chỉ từ →dung lượng

2 mũ số địa chỉ từ ra số từ

số từ *số bit mỗi từ →dung lượng

bộ nhớ đánh địa chỉ theo byte

• từ dung lượng ra số địa chỉ từ

  log2(dung lượng)

• từ số địa chỉ từ ra dung lượng

  dung lượng = 2 mũ (số địa chỉ từ)

các thanh ghi trong CPU bao gồm

• thanh ghi đặc biệt (có giá trị sẵn)

  PC: bộ đếm chương trình

  IR

  MAR

  MBR

  I/O AR

  I/O BR

• thanh ghi chung (lưu giá trị tạm thời)

chức năng cơ bản của máy tính:

thực hiện chương trình

4 loại câu lệnh

• đọc, ghi bộ nhớ

• nhập xuất dữ liệu

• xử lý dữ liệu

• điều khiển (nhảy, rẽ nhánh, kiểm tra)

Giản đồ thời gian của một chu kỳ lệnh

b1: tính toán địa chỉ câu lệnh

b2: lấy lệnh

b3: giải mã lệnh

b4: tính toán địa chỉ toán hạng

b5: lấy toán hạng

b6: thực hiện phép toán

b7: tính toán địa chỉ toán hạng kết quả

b8: lưu kq

b9: ktr ngắt

b10: ngắt

ngắt

tạm dừng hoạt động CPU trong một thời gian ngắn để ngắt

các loại ngắt

• ngắt cứng (phần lớn) (do TBNV) (không báo trước)

• ngắt mềm (do chương trình) (không báo trước)

• ngắt khác (báo trước)

mục đích của ngắt

tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên trong môi trường (CPU), tránh CPU nhàn rỗi khi các thiết bị I/O thực hiện

CPU kiểm tra có ngắt hay không khi nào?

CPU sẽ kiểm tra có ngắt hay không tại cuối chu kỳ thực hiện mỗi lệnh

Cơ chế ngắt (2)

• Ngắt tuần tự

• Ngắt ưu tiên

bus interconnection

kết nối các thành phần trong máy tính

các loại bus interconnection

• đọc

• ghi

• nhập dl

• xuất dl

• I/O với bộ nhớ

bus structure

• bus dl: truyền dl →quyết định tốc độ

• bus địa chỉ: truyền địa chỉ →dl bộ nhớ tối đa mà máy tính có thể truy cập

• control lines

type bus

• dedicated: riêng biệt

• multiplexed: dùng chung

method of arbitration

• centralized: tập trung (chỉ 1 bộ abiter)

• distributed: phân tán (mỗi thiết bị 1 abiter)

bus abiter: điều khiển, phân quyền sử dụng bus

các thành phần của lệnh máy

• Opcode (mã hoạt động) (luôn có)

• Địa chỉ toán hạng nguồn

• địa chỉ toán hạng đích

• địa chỉ của câu lệnh tiếp theo mà nó thực hiện (nằm trong nhóm lệnh control)

không phải câu lệnh nào cx chứa đủ

toán hạng nguồn và toán hạng đích có thể nằm ở

• bộ nhớ

• I/O device

• thanh ghi

• immediate

các nhóm lệnh

• xử lý dữ liệu (+-x:, and or xor not…)

• lưu trữ dữ liệu

• di chuyển dl (làm việc với I/O nhập xuất)

• điều khiển

ngôn ngữ assemble

là ngôn ngữ bậc thấp, quan hệ 1:1 với mã máy

move A,B

A=B

mode địa chỉ (7)

• immediate (0 truy cập bộ nhớ, 0 truy cập thanh ghi)

• direct (1 truy cập bộ nhớ, 0 truy cập thanh ghi)

• indirect (2 truy cập bộ nhớ, 0 truy cập thanh ghi)

• mode thanh ghi (0 truy cập bộ nhớ, 1 truy cập thanh ghi)

• mode thanh ghi gián tiếp (1 truy cập bộ nhớ, 1 truy cập thanh ghi)

• displacement (hằng số + nội dung thanh ghi) (1 truy cập bộ nhớ)

• implicit (0 truy cập bộ nhớ)

thứ tự nhanh chậm của các cách đánh mode địa chỉ

• immediate

• thanh ghi

• direct

• thanh ghi gián tiếp

• indirect

displacement

\[BX\]15

\[BX +15\]

MOV AL, OxAB

MOV AH, OxCD

CDAB

thanh ghi

có 2 loại

thanh ghi cờ trạng thái

• lưu trạng thái kết quả của CPU sau khi thực hiện mỗi lệnh

• mỗi cờ 1 bit, tập trung tất cả vào 1 thanh ghi

• các loại cờ:

  • Sign: 1 nếu là số âm

  • Zero: 1 nếu kết quả là 0

  • Carry: 1 nếu có nhớ ra ngoài

  • Equal: nếu ss hai số = nhau thì 1

  • overflow: 1 nếu + số bù 2 k đủ bit

  • Harry- carry

pipelining (kỹ thuật ống dẫn)

• tăng tốc độ xử lý mà không đụng đến phần cứng

• có n câu lệnh, pp p bước thì tổng có p+n-1 bước

• có n câu lệnh, p bước, k pp thì có p*n bước

• trường hợp ss pp và k pp mà k thay đổi CPI, f thì sẽ là (p*n)/(p+n-1) và khi n rất lớn thì đáp án tới p

• trường hợp có thay đổi: (CPI_KPL x fPL / CLP_PL x f_KPL).

rủi ro pipeline (3 loại)

• rủi ro về tài nguyên: có 2 hay nhiều lệnh truy cập vào tài nguyên phần cứng (CPU, bộ nhớ, I/O, bus) cùng một lúc →giải quyết: dời

• rủi ro về dữ liệu: xảy ra khi câu lệnh sau cần dùng kết quả của câu lệnh trước nhưng khi cần dùng thì câu lệnh trước chưa có kết quả → giải quyết : dời

• rủi ro về điều khiển: là rủi ro khi trong CT có lệnh nhảy hoặc lệnh rẽ nhánh (gọi CT con, vòng lặp) → do thực hiện pp nên sẽ có 1 số câu lệnh k mong muốn đc thực hiện → giải quyết: sau kiểm tra mới pp

bộ nhớ máy tính

• địa điểm: trong - ngoài

• dung lượng: word - byte

• đơn vị truy cập: từ - block

phương thức truy cập bộ nhớ (4)

1. truy cập tuần tự (băng cát sét)

2. truy cập trực tiếp (theo từng file, từng thư mục) (phần cứng)

3. truy cập random: truy cập ngẫu nhiên theo từng byte, từng từ (bộ nhớ trong)

4. Associative: truy cập kết hợp (cache)

performance của bộ nhớ

• thời gian truy cập: từ lúc gửi yêu cầu cho đến lúc nhận lại được dl

• khoảng thời gian giữa hai lần truy cập lt lớn hơn rất nhiều tgian truy cập vì còn đợi bộ nhớ reset

• tốc độ dữ liệu truyền bit/s, byte/s

các loại bộ nhớ

1. bộ nhớ bán dẫn (SSD, RAM,ROM, thẻ nhớ)

2. bộ nhớ từ

3. bộ nhớ quang

4. bộ nhớ quang - từ

đặc tính vật lý của hệ thống bộ nhớ

• volatile: khi mất nguồn là mất dữ liệu (RAM)

• non volatile: khi mất nguồn k mất dữ liệu (ổ chứng, CD, DVD)

• erasable: có thể ghi nội dung mới vào (RAM, ổ cứng, thẻ nhớ)

• nonerasable: không thể ghi nội dung mới vào (RAM)

thứ bậc của các bộ nhớ

• thanh ghi

• cache (chia thành 2)

• bộ nhớ chính

• đĩa từ

• magnetic type

càng xuống dưới càng xa CPU, tốc độ giảm dần, dung lượng tăng dần

tốc độ truy cập nhanh, giá cao hơn

dung lượng lớn hơn, giá thành nhỏ hơn (cost per bit)

dung lượng càng lớn, thời gian truy cập càng chậm

• Tăng công suất • Tăng thời gian truy cập • Giảm chi phí trên mỗi bit • Giảm tần suất truy cập của bộ nhớ của bộ xử lý

cache memory

• tốc độ truy cập cao, nằm giữa CPU và bộ nhớ chính

• không cần qua ht bus

• CPU truy cập cache theo hình thức ngẫu nhiên

• cache hit: khi CPU cần và từ đó có trong cache

• cache miss: khi CPU cần và từ đó không có trong cache thì cache ra bộ nhớ chính lấy, mỗi lần lấy 1 block (truy cập kết hợp)

• CPU tới cache: nhanh

• cache tới MM: theo từng block, chậm

Thuật toán ánh xạ trong địa chỉ cache

* ánh xạ block nào với line nào
* ánh xạ trực tiếp: tag/line/word

tính số block trong 1 line →số bit tag

block j qua line i: i=j mod n (với n là số line)
* ánh xạ kết hợp toàn phần: tag/word
* ánh xạ từng phần: tag/set/word

block j →set i: i=j mod n (n là số set)

block K - way SA: 1 set có K line

replacement policy

• thường xuyên ít được sử dụng: LFU →cache hit tương đối cao

• LRU: ít được sử dụng →cache hit cao nhất

• FIFO

• random →cache hit thấp nhất

write policy

• write through: mỗi lần CPU ghi dl vào cache đều cập nhật ra bộ nhớ chính

• write back: CPU ghi 2 lần liên tiếp vào 1 line thì dl cũ được lưu vào MM →được dùng nhiều hơn

  cờ Dirty: line đó đang lưu dl chưa được lưu vào MM

bộ nhớ trong

là bộ nhớ bán dẫn

semiconductor MM

• thành phần cơ bản: tế bào nhớ (lưu trữ 1 bit)

• địa chỉ cần đọc, tín hiệu đọc : đọc

• địa chỉ cần ghi, tín hiệu ghi, dl cần ghi: ghi

phân biệt RAM, ROM

RAM ROM

mất nguồn → mất dl mất nguồn →vẫn còn dl

đọc, ghi chỉ đọc

các loại ROM

1. PROM: lập trình được 1 lần = công cụ của nsx

2. EPROM: ghi dl vào đc, xóa đc và xóa = tia cực tím. Muốn ghi 1 byte/1 từ thì cx phải xóa hết con chip

3. EEPROM: đắt nhất, chứa hệ điều hành trong đth thông minh, xóa = xung điện. Muốn xóa 1 byte/ 1 từ thì xóa cái đó thôi

4. Flash Memory: nằm trong thẻ nhớ, xóa = xung điện, xóa theo từng khối

5. ROM

giống và khác nhau của DRAM (Ram động), SRAM (ram tĩnh)

giống: DRAM, SRAM mất nguồn →mất dl

DRAM:

• 1 tế bào nhớ gồm 1 bóng bán dẫn và 1 tụ điện (bit 0, bit 1)

• vẫn có khả năng bị mất dl dù đang có nguồn (do tụ điện)

• cơ chế làm tươi dl

• dl của DRAM lớn hơn

SRAM

• 1 tế bào nhớ gồm 4,6 bóng bán dẫn

• tốc độ truy cập nhanh hơn

• giá cao hơn

dung lượng bộ nhớ và tổ chức bộ nhớ

DRAM

DRAM dùng chung bit địa chỉ hàng và cột →giảm được số chân đia chỉ nhưng kết nối phức tạp

Nhược điểm: tốn thêm chu kỳ để lấy cột sau khi lấy hàng mà chu kỳ rất nhỏ nên ưu >nhược

MM organization

cơ chế sửa lỗi

• hamming error correcting code: chỉ dùng được trong trường hợp 1 lỗi

  C = log2D +1

  C: check bits

  D: data bits

• C= log2D+2

  tổng số bit 1 là chẵn

• DED: có lỗi mà bit tổng không đổi → có 2 lỗi

tổ chức DRAM nâng cao

DDR DRAM có thể gửi 2 đơn vị dữ liệu trong 1 chu kỳ

magnetic disk

• ổ từ: HDD: lớp tráng là lớp từ

• ổ cứng: hình tròn, 1 chồng ổ đĩa chồng lên nhau

• quay mới hoạt động được

• đàu đọc/ghi: đi đường thẳng, di chuyển giữa các track thì bk là đường đi lớn nhất

• sectors: đơn vị đọc/ghi của ổ cứng

disk performance parameters

• thời gian tìm: tgian để đầu ghi tới đúng track

• rotational delay: tgian để ổ đĩa quay để tới đúng sectors

• accesstime = tgian tìm +rotational delay

• transfer time: thời gian để đọc/ghi

đặc tính vật lý của ổ HDD (ổ đĩa cứng)

• head motion

  • fixed head: mỗi track 1 đầu đọc riêng

  • movable head

• Disk portability

  • không thể tháo trời trong khi đang hoạt động

  • có thể……………….

RAID

• dùng nhiều ổ đĩa cùng 1 lúc →tăng dl, tăng tốc độ truy cập, sửa lỗi, back up dl

• có 7 bậc RAID

  • striping: lưu dl trải dài, level O, yêu cầu N đĩa, không cso back up

  • mirroring: đắt nhắt, an toàn nhất, level 1, yêu cầu 2N đĩa, có back up

  • parallel access: level 2,3; 1 ứng dụng có thể truy cập nhiều ổ. Level 2 yêu cầu N+m, m=log2N +1 để sửa lỗi, level 3 yêu cầu N+1 đĩa

  • independent access: nhiều ứng dụng có thể truy cập cùng 1 lúc nhưng mỗi ứng dụng 1 đĩa, level 4,5,6. Level 4,5 yêu cầu N+1 đĩa. Level 6 yêu cầu N+2 đĩa. Level 5,6 không lưu tập trung 1 ổ mà dàn trãi trên tất cả

SSD (ổ bán dẫn)

flash- memory based SSD

• NOR flash memory

  • đọc, ghi theo byte

• NAND flash memory

  • đọc ghi theo từng block nhỏ, dùng trong usb, memory card, ssds

so sánh SSD và HDD

SSD HDD

nhanh hơn dl lớn hơn

bền hơn

k có ồn

đắt hơn

optical memory: ổ quang (bộ nhớ ngoài)

• làm bằng nhựa, tráng lớp bảo vệ

• dùng tia sáng để ghi dl

• DL DVD cao hơn CD

• dùng bước sóng khác nhau để ghi → DL khác nhau → giá khác nhau

các hệ thống nhớ máy tính có thể có ở

• các thanh ghi

• bộ nhớ trong

• bộ nhớ ngoài

vì sao cần dùng module I/O?

vì đơn vị dl khác nhau, tốc độ giữ lý khác nhau giữa máy tính và TBNV

chúc năng của I/O module function

• giao tiếp với bộ xử lý

• giao tiếp với TBNV

• đệm dl

• control and timing

• kiểm tra, phát hiện lỗi trong quá trình giao tiếp của hai bên

có hỗ trợ DMA, ngoài giao tiếp với CPU, module I/O còn giao tiếp với bộ nhớ

I/O commands

• lệnh ktra

• lệnh đk

• lệnh đọc

• lệnh ghi

I/O mapping

• bản đồ bộ nhớ: I/O như 1 ô nhớ trong bộ nhớ để đánh địa chỉ

• Isolated I/O: I/O tách biệt

  dùng 1 vùng nhớ riêng biệt (đánh địa chỉ cho I/O riêng biệt, k liên quan đến bộ nhớ)

  cần có lệnh đọc ghi bộ nhớ và đọc ghi I/O riêng biệt

Cơ chế thực hiện I/O (3 loại)

1. programmed I/O: dùng trong các máy không có ngắt

   1. CPU phải giám sát hoàn toàn các hoạt động của TBNV

   2. gây lãng phí việc sử dụng CPU

2. Interrupt -driven I/O: sử dụng trong những ht có ngắt, TBNV làm xong thì báo về = 1 cái ngắt, CPU không cần chờ, có thể làm những tác vụ khác

3. DMA: cho phép module I/O truy cập trực tiếp bộ nhớ, không cần thông qua CPU nhưng vẫn có 1 module hỗ trợ riêng DMA control

sự phát triển của I/O function

1. không có module I/O

2. programmed I/O

3. ngắt I/O

4. DMA

5. module I/O mạnh như 1 bộ xử lý

6. module I/O mạnh như 1 máy tính

parallel orgainizations

* 4 loại:
* SISD: xử lý đơn câu lệnh trên đơn dl
* SIMD: xử lý đơn câu lệnh trên đa dl (mảng, vecto)
* MISD: xử lý nhiều câu lệnh trên dl đơn
* MIMD: xử lý nhiều câu lệnh trên dl đa →xử lý ss
* nhiều core chung bộ nhớ
* ***SMP***
* NUMA
* nhiều core khác bộ nhớ

SMP (symmetric multiprocessor)

• nhiều bộ xử lý

• ht đa bộ xử lý đối xứng

• các bộ xử lý có cấu hình, chức năng giống hệt nhau

• các bộ xử lý dùng chung bộ nhớ và các TBNV

• có thể có bộ nhớ đệm tiêng