Giới thiệu về kiến trúc máy tính

Giới thiệu về Kiến trúc Máy tính

• Kiến trúc máy tính là một lĩnh vực nghiên cứu các thuộc tính của một hệ thống máy tính mà lập trình viên có thể nhìn thấy, ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực thi logic của một chương trình, ví dụ như tập lệnh, số lượng bit của kiểu dữ liệu, cơ chế I/O và địa chỉ hóa.
• Tổ chức máy tính liên quan đến các đơn vị hoạt động và các kết nối của chúng để thực hiện các thông số kỹ thuật của kiến trúc (chi tiết phần cứng, tín hiệu điều khiển, giao diện, công nghệ bộ nhớ). Ví dụ: Cách xây dựng một lệnh nhân.

Cấu trúc và Chức năng

• Máy tính hiện đại chứa hàng triệu thành phần điện tử cơ bản.
• Cấu trúc: Cách mà các thành phần liên quan đến nhau.
• Chức năng: Hoạt động của từng thành phần riêng lẻ như một phần của cấu trúc.

Chức năng chính của máy tính

• Xử lý dữ liệu
• Lưu trữ dữ liệu
• Di chuyển dữ liệu (I/O, thiết bị ngoại vi, giao tiếp)
• Điều khiển

Các thành phần cấu trúc chính

• Đơn vị xử lý trung tâm (CPU)
• Bộ nhớ chính
• I/O (Vào/Ra)
• Liên kết hệ thống

Thông tin thêm về các thành phần cấu trúc chính

• Máy tính có thể có nhiều CPU.
• Kích thước bộ nhớ có thể được thay đổi.
• Cơ chế I/O phụ thuộc vào yêu cầu.
• CPU là thành phần phức tạp nhất, bao gồm:
  • Đơn vị điều khiển (Control Unit)
  • ALU (Đơn vị Số học và Logic)
  • Thanh ghi (Register)
  • Kết nối CPU (CPU Interconnection)

Sơ lược Lịch sử Máy tính

• 4000 BC: Bảng tính
• 3000 BC: Bàn tính

Thế hệ máy tính đầu tiên

• Sử dụng ống chân không cho các phần tử logic kỹ thuật số và bộ nhớ
• ENIAC
• Von Neumann/ Alan Turing

ENIAC

• ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer): Máy tính kỹ thuật số điện tử đa năng đầu tiên trên thế giới.
• Được thiết kế và xây dựng tại Đại học Pennsylvania bởi các Giáo sư John Mauchly và John Eckert, bắt đầu năm 1943, hoàn thành năm 1946 và kết thúc năm 1955.
• ENIAC nặng 30 tấn, chiếm 1500 feet vuông diện tích sàn, chứa 18.000+ ống chân không, tiêu thụ 140kwh, và có khả năng thực hiện 5000 phép cộng mỗi giây.
• ENIAC là máy thập phân chứ không phải máy nhị phân.
• Nhược điểm chính của ENIAC là phải được lập trình thủ công bằng cách đặt công tắc và cắm, rút cáp.

Thế hệ thứ hai

• Transistor
• Multiplexor
• Ngôn ngữ lập trình cấp cao, phần mềm hệ thống

Chuột máy tính

• Chuột máy tính được giới thiệu vào năm 1964.

Thế hệ thứ ba

• Mạch tích hợp
  • SSI, MSI
• Vi điện tử
• IBM/360, PDP-8 (minicomputer đầu tiên, sử dụng bus)
• Định luật Moore: Dự đoán số lượng transistor trên một chip sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 12 tháng (sau này được điều chỉnh thành 24 tháng).

Các thế hệ sau

• LSI, VLSI, ULSI
• Bộ nhớ bán dẫn
• Vi xử lý

Tiến hóa của Vi xử lý Intel

Thiết kế để Tối ưu Hiệu suất

• Tốc độ vi xử lý
  • Dự đoán nhánh
  • Phân tích luồng dữ liệu
  • Thực thi suy đoán
• Cân bằng hiệu suất
• Cải tiến trong Tổ chức Chip và Kiến trúc

Phần cứng Đa năng

• Một tập hợp nhỏ các thành phần logic cơ bản có thể được kết hợp theo nhiều cách khác nhau để lưu trữ dữ liệu nhị phân và thực hiện các phép toán số học và logic trên dữ liệu đó.
• Có thể xây dựng một cấu hình các thành phần logic được thiết kế đặc biệt cho một phép tính.
• Quá trình kết nối các thành phần khác nhau trong cấu hình mong muốn như một hình thức lập trình được gọi lập trình cứng (Hardware).
• Chương trình cứng: sự bất tiện.
• Phần cứng đa năng hoạt động dựa trên các tập hợp tín hiệu điều khiển.

Các Tín hiệu Điều khiển

• Toàn bộ chương trình là một chuỗi nhiều bước.
• Mỗi bước yêu cầu một số phép toán số học và logic.
• Mỗi bước yêu cầu một tập hợp tín hiệu điều khiển tương ứng.
• Một mã lệnh cho mỗi tập hợp tín hiệu được GPC chấp nhận.
• GPC được thiết kế để chấp nhận các tập hợp tín hiệu điều khiển cụ thể.

Tạo Tín hiệu Điều khiển (tiếp)

• Lập trình: không còn được kết nối cứng cho phần cứng nữa, thay vào đó, một chuỗi mã cho các chương trình mới được viết.
• Mỗi mã là một lệnh được chuyển đến trình thông dịch để tạo một tập hợp tín hiệu tương ứng.
• Chuỗi mã là phần mềm.

Khái niệm Chương trình Lưu trữ

• ENIAC: Nhiệm vụ nhập và thay đổi chương trình cực kỳ tẻ nhạt.
• Ý tưởng: Quá trình lập trình có thể được tạo điều kiện nếu chương trình có thể được biểu diễn dưới dạng thích hợp để lưu trữ trong bộ nhớ cùng với dữ liệu.
  • Sau đó, máy tính có thể nhận được các lệnh của nó bằng cách đọc chúng từ bộ nhớ và chương trình có thể được đặt hoặc thay đổi bằng cách đặt các giá trị của một phần bộ nhớ.
• Dữ liệu và lệnh được lưu trữ trong cùng một bộ nhớ có thể đọc và ghi.
• Nội dung được lưu trữ trong bộ nhớ được xác định bởi vị trí lưu trữ, bất kể loại dữ liệu là gì.
• Chương trình được thực thi tuần tự, từ lệnh này đến lệnh tiếp theo theo logic của chương trình.

Kiến trúc John von Neumann

• ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính đa năng đầu tiên.
• Nhiệm vụ nhập và thay đổi chương trình cho ENIAC rất tẻ nhạt.
• Dựa trên ý tưởng về khái niệm chương trình được lưu trữ, năm 1946, John von Neumann bắt đầu thiết kế một máy tính chương trình được lưu trữ mới, được gọi là máy tính IAS (tại Viện Nghiên cứu Cao cấp Princeton), hoàn thành vào năm 1952.
• IAS là nguyên mẫu của tất cả các máy tính đa năng sau này.

Cấu trúc của máy tính IAS

• Bộ nhớ chính, lưu trữ cả dữ liệu và lệnh
• Đơn vị số học và logic (ALU) có khả năng hoạt động trên dữ liệu nhị phân
• Đơn vị điều khiển, giải thích các lệnh trong bộ nhớ và làm cho chúng được thực thi
• Thiết bị đầu vào và đầu ra (I/O) do đơn vị điều khiển vận hành

Kiến trúc của máy tính IAS

• Bộ nhớ của IAS bao gồm 1000 vị trí lưu trữ, được gọi là từ, mỗi vị trí có 40 chữ số nhị phân (bit).
• Các số được biểu diễn ở dạng nhị phân và mỗi lệnh là một mã nhị phân.
• Mỗi số được biểu diễn bằng một bit dấu và một giá trị 39 bit.
• Một từ cũng có thể chứa hai lệnh 20 bit.
• Một lệnh bao gồm một mã hoạt động 8 bit (mã lệnh) xác định thao tác cần thực hiện và một địa chỉ 12 bit chỉ định một trong các từ trong bộ nhớ (được đánh số từ 0 đến 999).
• Đơn vị điều khiển vận hành IAS bằng cách tìm nạp các lệnh từ bộ nhớ và thực hiện chúng từng cái một.
• Cả đơn vị điều khiển và ALU đều chứa các vị trí lưu trữ, được gọi là thanh ghi, được định nghĩa như sau:
  • MBR (Memory Buffer Register): Thanh ghi đệm bộ nhớ.
  • MAR (Memory Address Register): Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ.
  • IR (Instruction Register): Thanh ghi lệnh.
  • IBR (Instruction Buffer Register): Thanh ghi đệm lệnh
  • PC (Program Counter): Bộ đếm chương trình
  • AC&MQ (Accumulation & Multiplier-Quotient): Thanh ghi tích lũy và thương số nhân.

Nguyên tắc thực hiện chương trình tự động

• Điều gì là cốt lõi của việc thực hiện chương trình?
• Một chương trình được tải vào một không gian bộ nhớ trước khi chạy
• Mỗi mã lệnh chiếm một vị trí bộ nhớ có một địa chỉ cụ thể
• PC được lấp đầy với địa chỉ của mã lệnh đầu tiên
• Tự động chạy

Kiến trúc Harvard

• Kiến trúc Harvard bao gồm Đơn vị Số học Logic, Đơn vị Điều khiển, Bộ nhớ dữ liệu, Bộ nhớ lệnh và Đầu vào/Đầu ra.
• Nó áp dụng khái niệm chương trình được lưu trữ
• Nó có bộ nhớ riêng và các bus riêng (đường dẫn tín hiệu) cho dữ liệu và lệnh.
• Các lệnh được sử dụng trong bộ nhớ chỉ đọc và dữ liệu được sử dụng trong bộ nhớ đọc-ghi.
• CPU có thể truy cập đồng thời các lệnh và đọc/ghi dữ liệu.
• Độ rộng bus lệnh có thể được thay đổi linh hoạt để tối ưu hóa cho một thiết bị cụ thể. Bus dữ liệu thường rộng 8 bit hoặc 16 bit.

Ưu và Nhược điểm

• Một lệnh từ dài chỉ chiếm một vị trí lưu trữ.
• Các lệnh từ đơn có thể tăng tốc độ thực thi do mã lệnh và dữ liệu liên quan có trong một từ.
• DSP (Digital Signal Processor) sử dụng kiến trúc Harvard.
• Nhiều CPU sử dụng sự kết hợp của hai kiến trúc, bên trong lõi sử dụng kiến trúc Harvard.
• Lõi đã được lưu vào bộ nhớ cache từ một bus bên ngoài bằng một bộ nhớ cache tốc độ cao và một bộ điều khiển bộ nhớ cache.
• Để cải thiện hiệu suất, bên trong lõi có một bus riêng cho dữ liệu và lệnh cũng như một bộ nhớ cache riêng cho mỗi bus.
• Không có mã tự sửa đổi.