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