Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 3: Hệ thống máy tính - Nguyễn Kim Khánh
NKK-HUST
Kiến trúc máy tính
Chương 3
HỆ THỐNG MÁY TÍNH
Nguyễn Kim Khánh
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2017
Kiến trúc máy tính
89
NKK-HUST
Nội dung học phần
Chương 1. Giới thiệu chung
Chương 2. Cơ bản về logic số
Chương 3. Hệ thống máy tính
Chương 4. Số học máy tính
Chương 5. Kiến trúc tập lệnh
Chương 6. Bộ xử lý
Chương 7. Bộ nhớ máy tính
Chương 8. Hệ thống vào-ra
Chương 9. Các kiến trúc song song
2017
Kiến trúc máy tính
90
NKK-HUST
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 máy tính
2017
Kiến trúc máy tính
91
NKK-HUST
3.1. Các thành phần cơ bản của máy tính
n Bộ xử lý trung tâm (Central
Processing Unit – CPU)
n
Điều khiển hoạt động của máy
tính và xử lý dữ liệu
CPU
Bộ nhớ chính
n Bộ nhớ chính (Main Memory)
Bus hệ thống
n
Chứa các chương trình đang
thực hiện
n Hệ thống vào-ra (Input/Output)
Hệ thống vào-ra
n
Trao đổi thông tin giữa máy tính
với bên ngoài
n Bus hệ thống (System bus)
n
Kết nối và vận chuyển thông tin
2017
Kiến trúc máy tính
92
NKK-HUST
1. Bộ xử lý trung tâm (CPU)
n Chức năng:
n
điều khiển hoạt động của máy tính
xử lý dữ liệu
n
n Nguyên tắc hoạt động cơ bản:
n
CPU hoạt động theo chương trình nằm trong
bộ nhớ chính.
n Là thành phần nhanh nhất trong hệ thống
2017
Kiến trúc máy tính
93
NKK-HUST
Các thành phần cơ bản của CPU
n Đơn vị điều khiển
n
Control Unit (CU)
Đơn vị
điều khiển
n
Điều khiển hoạt động của máy tính
theo chương trình đã định sẵn
n Đơn vị số học và logic
Bus
hệ thống
Đơn vị
số học và logic
n
Arithmetic and Logic Unit (ALU)
n
Thực hiện các phép toán số học và
phép toán logic
n Tập thanh ghi
Tập thanh ghi
n
Register File (RF)
n
Gồm các thanh ghi chứa các thông
tin phục vụ cho hoạt động của CPU
2017
Kiến trúc máy tính
94
NKK-HUST
2. Bộ nhớ máy tính
n Chức năng: nhớ chương trình và dữ liệu (dưới dạng
nhị phân)
n Các thao tác cơ bản với bộ nhớ:
n
Thao tác ghi (Write)
n
Thao tác đọc (Read)
n Các thành phần chính:
n
n
n
Bộ nhớ chính (Main memory)
Bộ nhớ đệm (Cache memory)
Thiết bị lưu trữ (Storage Devices)
Các
thiết bị
lưu trữ
Bộ nhớ
đệm
Bộ nhớ
chính
CPU
2017
Kiến trúc máy tính
95
NKK-HUST
Bộ nhớ chính (Main memory)
Nội dung
0100 1101
0101 0101
1010 1111
0000 1110
0111 0100
1011 0010
0010 1000
1110 1111
Địa chỉ
00...0000
00...0001
00...0010
00...0011
00...0100
00...0101
00...0110
00...0111
n Tồn tại trên mọi máy tính
n Chứa các lệnh và dữ liệu của
chương trình đang được thực hiện
n Sử dụng bộ nhớ bán dẫn
n Tổ chức thành các ngăn nhớ
được đánh địa chỉ (thường đánh
địa chỉ cho từng byte nhớ)
.
.
.
n Nội dung của ngăn nhớ có thể
thay đổi, song địa chỉ vật lý của
ngăn nhớ luôn cố định
n CPU muốn đọc/ghi ngăn nhớ cần
0110 0010
0010 0001
11...1110
11...1111
phải biết địa chỉ ngăn nhớ đó
2017
Kiến trúc máy tính
96
NKK-HUST
Bộ nhớ đệm (Cache memory)
n Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa
CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU
truy cập bộ nhớ
n Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính
n Sử dụng bộ nhớ bán dẫn tốc độ nhanh
n Cache thường được chia thành một số mức (L1,
L2, L3)
n Cache thường được tích hợp trên cùng chip bộ
xử lý
n Cache có thể có hoặc không
2017
Kiến trúc máy tính
97
NKK-HUST
Thiết bị lưu trữ (Storage Devices)
n Còn được gọi là bộ nhớ ngoài
n Chức năng và đặc điểm
n
n
n
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
n
Tốc độ chậm
n Các loại thiết bị lưu trữ
n
n
n
Bộ nhớ từ: ổ đĩa cứng HDD
Bộ nhớ bán dẫn: ổ thể rắn SSD, ổ nhớ flash, thẻ nhớ
Bộ nhớ quang: CD, DVD
2017
Kiến trúc máy tính
98
NKK-HUST
3. Hệ thống vào-ra
n Chức năng: Trao đổi
thông tin giữa máy tính
với thế giới bên ngoài
Thiết bị
vào-ra
Bus
hệ
thống
Mô-đun
vào-ra
n Các thao tác cơ bản:
Thiết bị
vào-ra
n
Vào dữ liệu (Input)
Ra dữ liệu (Output)
n
n Các thành phần chính:
n
Các thiết bị vào-ra
(IO devices)
Thiết bị
vào-ra
Mô-đun
vào-ra
n
Các mô-đun vào-ra
(IO modules)
2017
Kiến trúc máy tính
99
NKK-HUST
Các thiết bị vào-ra
n Còn được gọi là thiết bị ngoại vi (Peripherals)
n Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong
và bên ngoài máy tính
n Các loại thiết bị vào-ra:
n
n
n
n
Thiết bị vào (Input Devices)
Thiết bị ra (Output Devices)
Thiết bị lưu trữ (Stotage Devices)
Thiết bị truyền thông (Communication Devives)
2017
Kiến trúc máy tính
100
NKK-HUST
Mô-đun vào-ra
n Chức năng: nối ghép các thiết bị vào-ra với
máy tính
n Mỗi mô-đun vào-ra có một hoặc một vài cổng
vào-ra (I/O Port)
n Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác
định
n Các thiết bị vào-ra được kết nối và trao đổi dữ
liệu với máy tính thông qua các cổng vào-ra
n CPU muốn trao đổi dữ liệu với thiết bị vào-ra,
cần phải biết địa chỉ của cổng vào-ra tương
ứng
2017
Kiến trúc máy tính
101
NKK-HUST
3.2. Hoạt động cơ bản của máy tính
n Thực hiện chương trình
n Hoạt động ngắt
n Hoạt động vào-ra
2017
Kiến trúc máy tính
102
NKK-HUST
1. Thực hiện chương trình
n Là hoạt động cơ bản của máy tính
n Máy tính lặp đi lặp lại chu trình lệnh gồm
hai bước:
n
Nhận lệnh
n
Thực hiện lệnh
n Hoạt động thực hiện chương trình bị dừng
nếu:
n
n
n
Thực hiện lệnh bị lỗi
Gặp lệnh dừng
Tắt máy
2017
Kiến trúc máy tính
103
NKK-HUST
Nhận lệnh
n Bắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ bộ
nhớ chính
n Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) là
thanh ghi của CPU dùng để giữ địa chỉ của lệnh
sẽ được nhận vào
n CPU phát ra địa chỉ từ bộ đếm chương trình PC
tìm ra ngăn nhớ chứa lệnh
n Lệnh được đọc từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi
lệnh IR (Instruction Register)
n Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự
động tăng để trỏ đến lệnh kế tiếp.
2017
Kiến trúc máy tính
104
NKK-HUST
Minh họa quá trình nhận lệnh
CPU
CPU
lệnh
lệnh
300
301
302
303
304
lệnh
lệnh
300
301
302
303
304
PC
PC
303
lệnh i
302
lệnh i
lệnh i+1
lệnh i+2
lệnh i+1
lệnh i+2
IR
IR
lệnh i
Sau khi nhận lệnh i
Trước khi nhận lệnh i
2017
Kiến trúc máy tính
105
NKK-HUST
Thực hiện lệnh
n Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và
phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao
tác mà lệnh yêu cầu
n Các kiểu thao tác cơ bản của lệnh:
n
n
n
Trao đổi dữ liệu giữa CPU với bộ nhớ chính
hoặc CPU với mô-đun vào-ra
Thực hiện các phép toán số học hoặc phép
toán logic với các dữ liệu
Chuyển điều khiển trong chương trình: rẽ
nhánh hoặc nhảy đến vị trí khác
2017
Kiến trúc máy tính
106
NKK-HUST
2. Ngắt (Interrupt)
n 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 con có sẵn trong bộ nhớ.
n
Chương trình con xử lý ngắt (Interrupt handlers)
n Các loại ngắt:
n
Biệt lệ (exception): gây ra do lỗi khi thực hiện
chương trình (VD: tràn số, mã lệnh sai, ...)
n
Ngắt từ bên ngoài (external interrupt): do thiết bị
vào-ra (thông qua mô-đun vào-ra) gửi tín hiệu ngắt
đến CPU để yêu cầu trao đổi dữ liệu
2017
Kiến trúc máy tính
107
NKK-HUST
Hoạt động với ngắt từ bên ngoài
n Sau khi hoàn thành mỗi một lệnh, bộ xử lý kiểm
tra tín hiệu ngắt
n Nếu không có ngắt, bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo
của chương trình hiện tại
n Nếu có tín hiệu ngắt:
n
Tạm dừng (suspend) chương trình đang thực hiện
n
Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình
bị ngắt)
n
Thiết lập bộ đếm chương trình PC trỏ đến chương trình
con xử lý ngắt tương ứng
n
n
Chuyển sang thực hiện chương trình con xử lý ngắt
Khôi phục ngữ cảnh và trở về tiếp tục thực hiện
chương trình đang bị tạm dừng
2017
Kiến trúc máy tính
108
Tải về để xem bản đầy đủ
45 trang
19060
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) - Chương 3: Hệ thống máy tính - Nguyễn Kim Khánh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_kien_truc_may_tinh_computer_architecture_chuong_3.pdf
