(NB) Giáo trình Kiến trúc máy tính là một môn học chuyên môn của học viên ngành sửa chữa máy tính và quản trị mạng. Môn học này nhằm trang bị cho học viên các trường công nhân kỹ thuật và các trung tâm dạy nghề những kiến thức về Kiến trúc máy tính.
Tổng quan
Các thế hệ máy tính
- Giới thiệu lịch sử phát triển của máy tính
- Trình bày được các thế hệ máy tính
Sự phát triển của máy tính gắn liền với tiến bộ trong công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản như bộ xử lý, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi Máy tính điện tử số đã trải qua bốn thế hệ, với mỗi thế hệ mới đánh dấu một sự thay đổi công nghệ quan trọng so với thế hệ trước.
Hình 1- 1 Thế hệ đầu tiên (1946-1957)
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính điện tử số đầu tiên, được thiết kế bởi Giáo sư Mauchly và học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania vào năm 1943 và hoàn thành vào năm 1946 Với kích thước khổng lồ dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét, ENIAC bao gồm 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự động, nặng 30 tấn và tiêu thụ 140KW giờ Máy tính này có 20 thanh ghi 10 bit, cho phép thực hiện 5.000 phép toán cộng mỗi giây, và công việc lập trình được thực hiện một cách phức tạp.
Giáo sư toán học John Von Neumann đã phát triển ý tưởng thiết kế máy tính PIAS (Princeton Institute for Advanced Studies), trong đó chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ Bộ điều khiển lấy lệnh và biến đổi giá trị dữ liệu trong bộ nhớ, trong khi bộ làm toán và luận lý (AALU: Arithmetic And Logic Unit) thực hiện các phép tính trên dữ liệu nhị phân và điều khiển hoạt động của các thiết bị vào ra Ý tưởng này đã trở thành nền tảng cho các máy tính hiện đại, được biết đến với tên gọi máy tính Von Neumann.
Vào đầu những năm 50, thị trường máy tính thương mại chứng kiến sự ra mắt của những sản phẩm đầu tiên, bao gồm 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 được bán ra.
Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947, đánh dấu sự chuyển mình của thế hệ thứ hai của máy tính khi thay thế các đèn điện tử bằng transistor lưỡng cực Đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại sử dụng transistor mới bắt đầu xuất hiện trên thị trường, giúp giảm kích thước, hạ giá thành và tiêu tốn năng lượng ít hơn Thời điểm này cũng chứng kiến sự ra đời của mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ.
Ngôn ngữ cấp cao xuất hiện (như FORTRAN năm 1956, COBOL năm
Vào năm 1959, ngôn ngữ lập trình ALGOL ra đời vào năm 1960, cùng với sự phát triển của hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing) Trong hệ điều hành này, chương trình của người dùng thứ nhất sẽ được thực thi trước, sau đó đến chương trình của người dùng thứ hai, và quy trình này tiếp tục lặp lại cho các chương trình khác.
The third generation of technology is characterized by the emergence of integrated circuits (ICs) Low-density integrated circuits (SSI) can accommodate dozens of components, while medium-density integrated circuits (MSI) can contain hundreds of components on a single chip.
Mạch in nhiều lớp đã ra đời, dẫn đến việc bộ nhớ bán dẫn dần thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ Sự phát triển này cho phép máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được sử dụng hiệu quả hơn.
Thế hệ thứ tư của công nghệ vi mạch được đặc trưng bởi các mạch tích hợp có mật độ cao, bao gồm LSI (Large Scale Integration) với khả năng chứa hàng ngàn linh kiện Tiến xa hơn, các mạch tích hợp VLSI (Very Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiện, và hiện nay, các chip VLSI đã đạt đến mức độ tích hợp lên đến hàng triệu linh kiện.
Sự xuất hiện của bộ vi xử lý tích hợp cả phần thực hiện và điều khiển đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ bán dẫn, dẫn đến sự ra đời của các thế hệ máy tính cá nhân Các loại bộ nhớ như bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache và bộ nhớ ảo ngày càng được sử dụng phổ biến Đồng thời, các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý như kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng và xử lý song song mức độ cao cũng đang được phát triển không ngừng.
Việc chuyển đổi từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ năm của máy tính vẫn còn đang trong quá trình phát triển Nhật Bản dẫn đầu trong các nghiên cứu nhằm phát triển thế hệ máy tính thông minh, sử dụng các ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG, cùng với các giao diện người-máy thông minh Đến nay, nhiều sản phẩm thử nghiệm đã được ra mắt, trong đó nổi bật là ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility) - một robot thông minh gần giống con người nhất, được giới thiệu vào năm 2004.
Bảng 1-1 Các thế hệ máy tính
Năm Kỹ thuật Sản phẩm mới Hãng sản xuất và máy tính
1957 Đèn điện tử Máy tính điện tử tung ra thị trường
Transistors Máy tính rẻ tiền Intel,Burroughs 6500, NCR,
Mach IC Máy tính mini 50 hãng mới: DEC PDP-11,
4 1972 LSI - VLSI Máy tính cá nhân và trạm làm việc
Apple II, IBM-PC, Appolo
Máy tính đa xử lý Đa máy tính
Sequent … Thinking Machine Inc Honda, Casio
ASIMO, với hàng trăm nghìn máy móc điện tử hiện đại trong cơ thể, có khả năng lên và xuống cầu thang một cách linh hoạt Nó có thể nhận diện con người, hiểu các cử chỉ và giọng nói, đồng thời đáp ứng một số mệnh lệnh từ con người.
Asimo có khả năng bắt chước cử động, gọi tên người và cung cấp thông tin ngay lập tức, tạo cảm giác gần gũi và thân thiện Hiện nay, nhiều công ty và viện nghiên cứu tại Nhật Bản như Viện Bảo tàng Khoa học Năng lượng và Đổi mới Quốc gia, hãng IBM Nhật Bản và Công ty Điện lực Tokyo đã thuê Asimo để tiếp khách và hướng dẫn tham quan.
Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý chuyển động bằng hai chân Cho tới nay, hãng đã chế tạo được 50 robot ASIMO
Tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSI đã dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của các vi xử lý, từ 8 bit đến 64 bit, với sự ra đời của bộ xử lý RISC vào năm 1986 và bộ xử lý siêu vô hướng vào năm 1990 Những bộ xử lý này đã cho phép xây dựng các máy tính song song, từ vài đến hàng ngàn bộ xử lý Do đó, các chuyên gia về kiến trúc máy tính dự đoán rằng thế hệ thứ 5 sẽ là thế hệ của các máy tính xử lý song song.
Phân loại máy tính
- Trình bày được cách phân loại máy tính
Thông thường máy tính được phân loại theo tính năng kỹ thuật và giá tiền
1.2.1 Các siêu máy tính (Super Computer):
Siêu máy tính là những thiết bị đắt đỏ nhất với tính năng kỹ thuật tiên tiến, có giá bán từ vài triệu USD Chúng thường là máy tính vectơ hoặc máy tính sử dụng kỹ thuật vô hướng, được thiết kế đặc biệt để thực hiện các phép toán khoa học và mô phỏng các hiện tượng phức tạp.
Siêu máy tính được phát triển với công nghệ xử lý song song, bao gồm hàng ngàn đến hàng trăm ngàn bộ xử lý, nhằm tối ưu hóa hiệu suất tính toán.
1.2.2 Các máy tính lớn (Mainframe):
Máy tính đa dụng là thiết bị có khả năng phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả quản lý và các tính toán khoa học Với công nghệ xử lý song song và hệ thống vào ra mạnh mẽ, máy tính này đáp ứng tốt nhu cầu tính toán phức tạp Giá thành của một máy tính lớn có thể dao động từ vài trăm ngàn USD đến hàng triệu USD.
Là loại máy cỡ trung, giá một máy tính mini có thể từ vài chục USD đến vài trăm ngàn USD
Là loại máy tính dùng bộ vi xử lý, giá một máy vi tính có thể từ vài trăm USD đến vài ngàn USD.
Thành quả của máy tính
Thành quả tối đa của máy tính đã tăng trưởng mạnh mẽ theo hàm số mũ, với tỷ lệ tăng trưởng đạt 35% mỗi năm, vượt xa mức 20% của các loại máy khác Sự phát triển này cho thấy tính năng của máy vi tính đã vượt trội hơn hẳn so với các thiết bị khác từ đầu thập niên 90.
Hình 1- 2 Đánh giá thành quả của máy tính
Máy tính dùng thật nhiều bộ xử lý song song rất thích hợp khi phải làm tính thật nhiều
Sự tăng trưởng theo hàm số mũ của công nghệ chế tạo transistor MOS là nguồn gốc của thành quả các máy tính
Sự tăng trưởng về tần số xung nhịp của các bộ xử lý MOS được thể hiện qua hình 1-4, với tần số xung nhịp tăng gấp đôi sau mỗi thế hệ Đồng thời, độ trì hoãn trên mỗi cổng/xung nhịp cũng giảm 25% hàng năm.
Sự tiến bộ trong công nghệ máy tính, đặc biệt là sự phát triển của bộ vi xử lý, đã giúp máy vi tính đạt được tốc độ vượt trội so với các máy tính lớn hơn.
Bảng 1-2 Sự phát triển của bộ xử lý Intel
Dựa vào số lượng transistor trong một mạch tích hợp theo qui luật Moore
Bộ xử lý Intel Năm sản xuất Số lượng transistor tích hợp
Kể từ năm 1965, Gordon Moore, đồng sáng lập Intel, đã nhận thấy rằng số lượng transistor trong mỗi mạch tích hợp có thể tăng gấp đôi hàng năm Ông đã dự đoán rằng khả năng của máy tính sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng mà không làm tăng chi phí.
Kết quả của quy luật Moore là:
+ Chi phí cho máy tính sẽ giảm
+ Giảm kích thước các linh kiện, máy tính sẽ giảm kích thước
+ Hệ thống kết nối bên trong mạch ngắn: tăng độ tin cậy, tăng tốc độ + Tiết kiệm năng lượng cung cấp, toả nhiệt thấp
+ Các IC thay thế cho các linh kiện rời
Một số khái niệm liên quan:
Mật độ tích hợp là chỉ số quan trọng, thể hiện số lượng linh kiện tích hợp trên một diện tích bề mặt của tấm silicon Thông qua mật độ này, ta có thể đánh giá số lượng nhiệm vụ và mạch mà linh kiện có khả năng thực hiện.
+ Tần số xung nhịp bộ xử lý cho biết tần số thực hiện các nhiệm vụ
Tốc độ xử lý của máy tính trong một giây, hay công suất tính toán của mỗi mạch, được xác định bằng tích của mật độ tích hợp và tần số xung nhịp Công suất này tăng theo hàm mũ theo thời gian.
Hình 1-4 Xung nhịp các bộ xử lý MOS
Thông tin và sự mã hóa thông tin
- Giới thiệu các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự
Hình 1-5 Thông tin về 2 trạng thái có ý nghĩa của hiệu điện thế
Khái niệm về thông tin gắn liền với sự hiểu biết một trạng thái cho sẵn trong nhiều trạng thái có thể có vào một thời điểm cho trước
Trong hình ảnh này, có hai trạng thái quan trọng: trạng thái thấp khi hiệu điện thế dưới VL và trạng thái cao khi hiệu điện thế vượt quá VH Để thu thập thông tin, cần xác định thời điểm quan sát tín hiệu Chẳng hạn, tại thời điểm t1, tín hiệu ở trạng thái thấp, trong khi tại thời điểm t2, tín hiệu chuyển sang trạng thái cao.
1.4.2 Lượng thông tin và sự mã hoá thông tin
Thông tin được đo lường bằng đơn vị thông tin mà ta gọi là bit Lượng thông tin được định nghĩa bởi công thức:
I = Log2(N) Trong đó I: là lượng thông tin tính bằng bit
N: là số trạng thái có thể có
Một bit đại diện cho sự hiểu biết của một trạng thái trong hai trạng thái khả thi Chẳng hạn, sự hiểu biết của một trạng thái trong tổng cộng 8 trạng thái có thể tương ứng với một lượng thông tin nhất định.
Tám trạng thái được ghi nhận nhờ 3 số nhị phân (mỗi số nhị phân có thể có giá trị 0 hoặc 1)
Lượng thông tin cần thiết để biểu diễn số trạng thái có thể có được xác định bởi số lượng bit Một bit là đơn vị cơ bản của thông tin nhị phân Một từ n bit có khả năng đại diện cho 2^n trạng thái khác nhau, do đó, từ n bit tương ứng với một lượng thông tin là n bit.
Bảng 1-3 Tám trạng thái khác nhau ứng với 3 số nhị phân
Hệ thống số là một khái niệm quan trọng, định nghĩa phạm vi các giá trị mà một chữ số có thể mang Chẳng hạn, trong hệ thập phân, các chữ số có thể nhận giá trị từ 0 đến 9, trong khi đó, trong hệ nhị phân, mỗi chữ số (hay còn gọi là một bit) chỉ có hai giá trị là 0 hoặc 1.
Dạng tổng quát để biểu diễn giá trị của một số:
Vk: Số cần biểu diễn giá trị m: số thứ tự của chữ số phần lẻ
(phần lẻ của số có m chữ số được đánh số thứ tự từ -1 đến -m) n-1: số thứ tự của chữ số phần nguyên
(phần nguyên của số có n chữ số được đánh số thứ tự từ 0 đến n-1) bi: giá trị của chữ số thứ i k: hệ số (k: hệ thập phân; k=2: hệ nhị phân; )
Ví dụ: biểu diễn số 541.25 10
Một máy tính được chủ yếu cấu tạo bằng các mạch điện tử có hai trạng thái
Sử dụng hệ số nhị phân để biểu diễn trạng thái của mạch điện và mã hóa ký tự là rất tiện lợi cho hoạt động của máy tính Để chuyển đổi số từ hệ thập phân sang nhị phân, có những phương pháp biến đổi cụ thể.
Phương thức số dư để biến đổi phần nguyên của số thập phân sang nhị phân
Ví dụ: Đổi 23.37510 sang nhị phân Chúng ta sẽ chuyển đổi phần nguyên dùng phương thức số dư:
- Phương thức nhân để biến đổi phần lẻ của số thập phân sang nhị phân
Kết quả cuối cùng nhận được là: 23.37510 = 10111.0112
Trong quá trình chuyển đổi phần lẻ của một số thập phân sang số nhị phân bằng phương pháp nhân, có những trường hợp mà số lặp lại vô hạn xuất hiện, với bit có trọng số lớn nhất và bit có trọng số nhỏ nhất.
Trong quá trình chuyển đổi số nhị phân sang các hệ thống số khác, chúng ta có thể nhóm các số nhị phân lại để biểu diễn cho các số trong hệ thống tương ứng.
Thông thường, người ta nhóm 4 bit trong hệ nhị phân hệ để biểu diễn số dưới dạng thập lục phân (Hexadecimal)
Dựa vào cách biến đổi số trong bảng, chúng ta có thể thấy ví dụ về cách chuyển đổi các số từ các hệ thống số khác nhau sang hệ nhị phân.
Một từ n bit có khả năng biểu diễn tất cả các số dương từ 0 đến 2^n - 1 Nếu di là một số nhị phân thứ i, thì từ n bit tương ứng với một số nguyên thập phân.
Một Byte (gồm 8 bit) có thể biểu diễn các số từ 0 tới 255 và một từ 32 bit cho phép biểu diễn các số từ 0 tới 4294967295
Có nhiều cách để biểu diễn một số n bit có dấu Trong tất cả mọi cách thì bit cao nhất luôn tượng trưng cho dấu
Trong hệ thống biểu diễn số nguyên, bit dấu có giá trị 0 biểu thị số nguyên dương, trong khi bit dấu có giá trị 1 biểu thị số nguyên âm Tuy nhiên, cách biểu diễn này không chính xác khi áp dụng cho số được biểu diễn bằng số thừa K, trong đó bit dấu 1 lại đại diện cho số nguyên dương và bit dấu 0 đại diện cho số nguyên âm.
Số nguyên có bit được biểu diễn với bit dấu là dn-1, trong khi giá trị số được đại diện bởi các bit từ d0 đến dn-2 Cách biểu diễn này sử dụng trị tuyệt đối kết hợp với dấu để thể hiện giá trị của số nguyên.
Trong hệ thống này, bit dn-1 được sử dụng làm bit dấu, trong khi các bit từ d0 đến dn-2 biểu thị giá trị tuyệt đối Như vậy, một từ n bit sẽ tương ứng với số nguyên thập phân có dấu.
- Một Byte (8 bit) có thể biểu diễn các số có dấu từ -127 tới +127
- Có hai cách biểu diễn số không là 0000 0000 (+0) và 1000 0000 (-0) b Cách biểu diễn hằng số bù 1
Trong phương pháp biểu diễn này, số âm -N được tạo ra bằng cách thay thế các bit nhị phân của số dương N bằng số bù của nó; cụ thể, nếu bit bằng 0 thì sẽ được thay bằng 1, và ngược lại, nếu bit bằng 1 thì sẽ được thay bằng 0.
- Một Byte cho phép biểu diễn tất cả các số có dấu từ -127 (1000 00002) đến 127 (0111 11112)
Có hai cách biểu diễn số 0 trong hệ nhị phân là 0000 0000 (+0) và 1111 1111 (-0) Để tính số bù 2 của một số, ta cần lấy số bù 1 và cộng thêm 1 Như vậy, một từ n bit (dn-1 d0) sẽ có giá trị thập phân tương ứng.
Một từ n bit có khả năng biểu diễn các số có dấu trong khoảng từ -2^(n-1) đến 2^(n-1) - 1 Đặc biệt, số không chỉ có thể được biểu diễn duy nhất khi tất cả các bit đều có giá trị bằng không.
Bảng 1-4 Số 4 bit có dấu theo cách biểu diễn số âm bằng số bù 2 d3 d2 d1 d0 N d3 d2 d1 d0 N
- Dùng 1 Byte (8 bit) để biểu diễn một số có dấu lớn nhất là +127 và số nhỏ nhất là –128
- Chỉ có một giá trị 0: +0 = 000000002, -0 = 000000002 d Cách biểu diễn bằng số thừa K
Kiến trúc phần mềm bộ xử lý
Các thành phần cơ bản của máy tính
- Giới thiệu các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính
Bộ máy tính cơ bản bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ trong và các thiết bị nhập - xuất thông tin Các thành phần này được kết nối qua hệ thống bus, bao gồm bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển Trong đó, bus địa chỉ và bus dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải dữ liệu giữa các bộ phận của máy tính.
2.1.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU)
Hình 2-1 Cấu trúc bộ xử lý trung tâm của một hệ máy tính đơn giản
Một chương trình được sao chép từ đĩa cứng vào bộ nhớ trong cùng với các thông tin cần thiết để hoạt động Bộ xử lý trung tâm sẽ đọc lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, thực hiện các lệnh và lưu kết quả trở lại bộ nhớ trong hoặc xuất ra thiết bị thông tin như màn hình hoặc máy in.
Bộ xử lý trung tâm (CPU) là thành phần chính thực hiện lệnh trong máy tính, lấy lệnh từ bộ nhớ và xử lý dữ liệu liên quan CPU gồm hai phần chính: phần thi hành lệnh, bao gồm bộ làm toán và luận lý (ALU) cùng với các thanh ghi, chịu trách nhiệm thực hiện các phép toán; và phần điều khiển, đảm bảo các lệnh được thực hiện theo thứ tự và điều phối các mạch chức năng để thực hiện lệnh.
- ALU- bộ xử lý số học, thực hiện các phép tính số học, như phép cộng (+) trừ (-), nhân, chia và các phép logic như logic AND, OR, NOT, XOR
Hình 2-2: Hình ảnh một số loại CPU Petium4
Hình 2-3 Bố trí memory kiểu Intel Hình 2-4 Bố trí memory kiểu AMD
Mainboard là trung tâm điều khiển của máy tính, đóng vai trò kết nối giữa CPU và các thiết bị khác Nó chứa các linh kiện quan trọng như CPU, hệ thống BUS, RAM, thiết bị lưu trữ và các card mở rộng như card màn hình, card mạng và card âm thanh.
Form factor là đặc tính quy định kích thước và cách bố trí mainboard trong thân máy Chuẩn ATE (Advanced Technology Extended) 12V, được Intel thiết kế vào năm 1995, hiện đang chiếm ưu thế trong máy tính để bàn, thay thế cho chuẩn AT Chế độ bật máy được kích hoạt qua công tắc bốn điểm tiếp xúc điện, cho phép tắt bật bằng phần mềm hoặc nối mạch hai chân cắm kích nguồn Nguồn ATE chuẩn đi kèm với công tắc tổng để ngắt hoàn toàn dòng điện Ngoài ra, còn có micro ATE với kích thước nhỏ hơn.
Hình 2-5.Hình ảnh một số loại main hiện nay
Vào năm 2004, Intel đã cho ra mắt mainboard BTE (Balanced Technology Extended), đánh dấu bước tiến trong công nghệ máy tính BTE kết hợp với thùng máy mới giúp giảm số lượng quạt cần thiết, từ đó làm cho máy tính hoạt động êm ái hơn và duy trì nhiệt độ thấp hơn so với các hệ thống sử dụng chuẩn ATE (Advanced Technology Extended) hiện tại.
Do vậy, bo mạch BTE có nhiều thay đổi đáng kể trong cách bố trí các thành phần và thiết kế tản nhiệt
Hệ thống máy tính hoạt động hiệu quả nhờ vào việc gắn kết các thành phần lại với nhau, điều khiển tốc độ BUS để phù hợp với từng thành phần khác nhau và quản lý nguồn cấp cho các bộ phận trên Main.
ASUS P5KPL-AM -Intel G31 chipset
BIOSTAR G31D-M7 - Intel G31 chipset (Core 2 Quad) - 2 x DDR2 800
+ Cung cấp xung nhịp chủ (xung Clock) để đồng bộ sự hoạt động của toàn hệ thống
Chính vì những chức năng quan trọng trên mà khi Main có sự cố thì máy tính không thể hoạt động được
Ví dụ: Mainboard: ASUS Intel 915GV P5GL-MX, Socket 775/ s/ p
3.8Ghz/ Bus 800/ Sound& Vga, LAN onboard /PCI Express 16X /Dual 4DDR400/ 3 PCI/ 4 SATA/ 8 USB 2.0 có nghĩa là:
- ASUS Intel 915GV P5GL-MX, đơn giản đây chỉ là tên của loại bo mạch chỉ của hãng Asus
- Socket 775 như đã nói ở trên, là loại khe cắm cho CPU
- S/p 3.8 Ghz đó chính là tốc độ xung đồng hồ tối đa của CPU mà bo mạch chủ hỗ trợ
BUS 800 chỉ ra tần số hoạt động tối đa của đường giao tiếp dữ liệu mà bo mạch chủ hỗ trợ cho CPU Thông thường, bus tốc độ cao sẽ tương thích với các CPU có bus thấp hơn, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
PCI Express 16X là loại khe cắm dành cho card màn hình và mạch chủ, với con số 16 thể hiện băng thông giao tiếp cao hơn đáng kể so với các khe AGP 8X và 4X trên bo mạch cũ.
Mặc dù băng thông lý thuyết có thể cao gấp X lần, nhưng tốc độ thực tế lại bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm dung lượng RAM và loại CPU.
- Sound & VGA, LAN onboard: bo mạch này đã được tích hợp sẵn card âm thanh, card màn hình, và card mạng
Bo mạch chủ này được trang bị 3 khe cắm PCI, cho phép lắp thêm các thiết bị giao tiếp như card âm thanh và modem Ngoài ra, nó còn có 4 khe cắm SATA, chuẩn giao tiếp nhanh và ổn định hơn so với IDE, dành cho ổ cứng Đặc biệt, bo mạch còn hỗ trợ 8 cổng cắm USB 2.0, mang lại sự tiện lợi trong việc kết nối các thiết bị ngoại vi.
Bộ nhớ trong, hay còn gọi là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), là tập hợp các ô nhớ chứa thông tin được mã hóa thành số nhị phân, với mỗi ô nhớ có một địa chỉ riêng và thời gian truy cập đồng nhất Mỗi ô nhớ thường có dung lượng 8 bit (1 Byte), trong khi độ dài của một từ máy tính là 32 bit (4 Byte) Thông tin trong bộ nhớ trong có thể là lệnh hoặc số liệu, không phụ thuộc vào kiểu dữ liệu.
Dùng để lưu trữ thông tin hay còn gọi là bộ nhớ ngoài, thiết bị lưu trữ điển hình nhất là:
Bộ phận vào – ra là thành phần quan trọng trong việc xuất nhập thông tin, giúp giao tiếp giữa máy tính với người dùng và giữa các máy tính trong hệ thống mạng Các thiết bị xuất nhập phổ biến bao gồm bộ lưu trữ ngoài, màn hình, máy in, bàn phím, chuột, máy quét ảnh, cùng với các giao diện mạng cục bộ và mạng diện rộng.
Bộ tạo thích ứng là một vi mạch tổng hợp (chipset) kết nối giữa các hệ thống bus có các tốc độ dữ liệu khác nhau
Hình 2-6: Sơ đồ mô tả hoạt động điển hình của một máy tính
Định nghĩa kiến trúc máy tính
- Khái niệm về kiến trúc máy tính, tập lệnh
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các kiểu kiến trúc máy tính khác nhau, bao gồm kiến trúc von Neumann và kiến trúc Harvard Bên cạnh đó, chúng tôi sẽ trình bày các kiểu định vị thường được sử dụng trong kiến trúc máy tính, chẳng hạn như định vị trực tiếp và định vị gián tiếp Ngoài ra, chúng ta cũng sẽ tìm hiểu về loại và chiều dài của toán hạng, cùng với các tác vụ mà máy tính có khả năng thực hiện, từ các phép toán cơ bản đến các xử lý phức tạp hơn.
- Kiến trúc máy tính bao gồm ba phần: Kiến trúc phần mềm, tổ chức của máy tính và lắp đặt phần cứng
Kiến trúc phần mềm của máy tính chủ yếu tập trung vào kiến trúc của bộ xử lý, bao gồm các yếu tố quan trọng như tập lệnh, dạng lệnh và các kiểu định vị.
Tập lệnh là tập hợp các lệnh mã máy hoàn chỉnh mà bộ xử lý trung tâm có thể hiểu và xử lý Các lệnh này thường được biểu diễn dưới dạng hợp ngữ, với mỗi lệnh chứa thông tin cần thiết để bộ xử lý thực hiện, bao gồm mã tác vụ, địa chỉ toán hạng nguồn, địa chỉ toán hạng kết quả và lệnh kế tiếp, mặc dù thông tin về lệnh kế tiếp thường không được hiển thị rõ ràng.
+ Kiểu định vị chỉ ra cách thức thâm nhập toán hạng
Kiến trúc phần mềm là phần mà các lập trình viên hệ thống phải nắm vững để việc lập trình hiểu quả, ít sai sót
Phần tổ chức của máy tính đề cập đến cấu trúc bên trong của bộ xử lý, các BUS, các cấp bộ nhớ và các khía cạnh kỹ thuật khác Nội dung chi tiết về phần này sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo.
Lắp đặt phần cứng máy tính là quá trình lắp ráp các linh kiện điện tử và bộ phận cần thiết để tạo thành một hệ thống máy tính hoàn chỉnh Tuy nhiên, phần này không được đề cập trong giáo trình.
Một số máy tính có cùng kiến trúc phần mềm nhưng khác nhau về phần tổ chức, ví dụ như VAX-11/780 và VAX 8600 Trong khi VAX-11/780 và VAX-11/785 có kiến trúc phần mềm tương đồng và cấu trúc phần tổ chức khá giống nhau, việc lắp đặt phần cứng của chúng lại khác biệt Cụ thể, VAX-11/785 sử dụng các mạch kết hiện đại để cải tiến tần số xung nhịp và có một số thay đổi trong tổ chức bộ nhớ trong.
Tập lệnh
- Giới thiệu tổng quát tập lệnh của các kiến trúc máy tính
- Trình bày được các thanh ghi của bộ vi xử lý 8086
2.3.1 Tập các thanh ghi (của bộ vi xử lý 8086) a Các thanh ghi dữ liệu
Mặc dù bộ vi xử lý có khả năng thao tác với dữ liệu trong bộ nhớ, việc thực hiện lệnh sẽ nhanh hơn và tiêu tốn ít chu kỳ đồng hồ hơn khi dữ liệu được lưu trữ trong các thanh ghi Điều này giải thích tại sao xu hướng sản xuất bộ vi xử lý hiện nay là tích hợp nhiều thanh ghi hơn.
Các thanh ghi dữ liệu cho phép truy cập riêng biệt các byte thấp và byte cao, sử dụng từng 8 bit một cách độc lập Byte cao của thanh ghi AX được gọi là AH (Height), trong khi byte thấp được gọi là AL (Lower) Tương tự, các thanh ghi BX, CX, DX cũng có các byte cao và thấp tương ứng là BH, BL, CH, CL, DH, DL.
Chức năng chuyên biệt của từng thanh ghi dữ liệu:
* Thanh ghi AX (thanh ghi chứa – Accumulator register)
AX là thanh ghi phổ biến nhất trong các lệnh số học, logic và chuyển dữ liệu, nhờ vào việc sử dụng nó giúp tạo ra mã máy ngắn gọn và hiệu quả.
Trong các phép toán nhân chia một trong các số hạng tham gia phải được chứa trong thanh ghi AX (nếu là 16 bit) và AL (nếu là 8 bit)
Các thao tác vào ra cũng sử dụng thanh ghi AX hoặc AL
* Thanh ghi BX (thanh ghi cơ sở - Base register)
Thanh ghi này không chỉ thực hiện thao tác dữ liệu mà còn lưu trữ địa chỉ cơ sở của một bảng, được sử dụng trong lệnh XLAT để chuyển đổi giá trị AL thành một giá trị tương ứng trong bảng BX.
* Thanh ghi CX (thanh ghi đếm - Count register)
Việc xây dựng chương trình lặp trở nên đơn giản khi sử dụng thanh ghi CX, vì CX đóng vai trò là bộ đếm cho các vòng lặp (REP, LOOP).
CL được dùng làm bộ đếm trong các lệnh dịch và quay bit
* Thanh ghi DX (thanh ghi dữ liệu - Data register)
DX và AX là hai thanh ghi quan trọng trong phép nhân và chia số 16 bit, với DX còn giữ vai trò chứa địa chỉ cổng trong các lệnh vào/ra dữ liệu trực tiếp (IN/OUT) Bên cạnh đó, các thanh ghi đoạn như SC, DS, ES và SS cũng đóng góp vào việc quản lý dữ liệu trong hệ thống.
Bộ vi xử lý 8088 sử dụng địa chỉ 20 bit trên BUS, cho phép phân biệt 1.048.576 ô nhớ, tương đương với không gian địa chỉ 1 Mbyte Không gian bộ nhớ 1 Mb này cần được chia thành các đoạn khác nhau, bao gồm đoạn chứa chương trình, đoạn chứa dữ liệu và vùng nhớ đặc biệt gọi là ngăn xếp, nơi lưu trữ kết quả trung gian của chương trình.
Bộ vi xử lý 8088 có các thanh ghi 16 bit liên quan đến địa chỉ đầu của các đoạn, được gọi là các thanh ghi đoạn (Segment Register), bao gồm SC, DS, ES và SS.
Các thanh ghi đoạn xác định địa chỉ đầu của 4 đoạn trong bộ nhớ lớn nhất, với dung lượng mỗi đoạn là 64 Kb Các đoạn này có thể nằm cách nhau trong bộ nhớ.
Nội dung của thanh ghi xác định địa chỉ cơ sở của ô nhớ đầu tiên trong đoạn Các địa chỉ của các ô nhớ khác trong đoạn được tính bằng cách cộng thêm giá trị độ lệch (offset) vào địa chỉ cơ sở Địa chỉ vật lý 20 bit của một ô nhớ được tính theo công thức: Địa chỉ vật lý = Địa chỉ đoạn * 10h + thanh ghi lệch (offset).
Địa chỉ logic trong máy tính được biểu diễn theo định dạng Segment: Offset Chỉ những ô nhớ được xác định địa chỉ bởi bốn đoạn này mới có thể được truy cập Các thanh ghi con trỏ và chỉ số bao gồm SI, DI, SP và BP.
Trong vi xử lý 8088, có ba thanh ghi con trỏ và hai thanh ghi chỉ số 16 bit Mặc dù tất cả các thanh ghi này (trừ IP) có thể hoạt động như thanh ghi đa năng, nhưng mỗi thanh ghi được sử dụng chủ yếu như thanh ghi lệch cho các đoạn tương ứng.
* Thanh ghi BP: (con trỏ cơ sở - Base Pointer)
BP luôn trỏ vào một dữ liệu nằm trong đoạn ngăn xếp SS Địa chỉ cụ thể SS:BP được xác định như trên
Thanh ghi SP (con trỏ ngăn xếp) kết hợp với SS để truy cập vào đoạn ngăn xếp SP luôn chỉ đến đỉnh hiện tại của ngăn xếp trong đoạn SS, đảm bảo quản lý hiệu quả bộ nhớ và thực hiện các thao tác gọi hàm.
* Thanh ghi SI (chỉ số nguồn – Source Index)
SI trỏ đến dữ liệu trong đoạn dữ liệu DS tại địa chỉ tương ứng với DS:SI Bằng cách tăng giá trị của SI, chúng ta có thể dễ dàng truy cập vào các ô nhớ liên tiếp.
* Thanh ghi DI (chỉ số đích – Destination Index)
DI chỉ vào dữ liệu trong đoạn dữ liệu DS mà địa chỉ cụ thể tương ứng với
Trong lập trình, có một số lệnh thao tác chuỗi sử dụng thanh ghi DI để truy cập các ô nhớ được định địa chỉ bởi thanh ghi ES Thanh ghi con trỏ lệnh IP cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình thực thi lệnh.
Kiến trúc RISC
- Kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer): mô tả kiến trúc, các kiểu định vị
Kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computer) đã được phát triển từ những năm 1960, nhằm giải quyết những khó khăn trong việc sử dụng thanh ghi và tối ưu hóa hiệu suất chương trình Thời điểm đó, các vi lệnh được thực hiện nhanh hơn các lệnh truyền thống, dẫn đến nhu cầu giảm độ dài chương trình Do đó, các kiểu ô nhớ - ô nhớ và ô nhớ - thanh ghi được ưu tiên, với các lệnh phức tạp và nhiều kiểu định vị Sự phát triển này đã tạo ra các lệnh có chiều dài thay đổi, làm cho việc sử dụng bộ điều khiển vi chương trình trở nên hiệu quả hơn.
Bảng 2.1 trình bày các đặc tính nổi bật của một số máy CISC tiêu biểu, cho thấy rằng cả ba máy đều có điểm chung là sở hữu nhiều lệnh với chiều dài khác nhau Hơn nữa, chúng sử dụng nhiều phương pháp thực hiện lệnh và áp dụng nhiều vi chương trình khác nhau.
Tiến bộ trong lĩnh vực mạch kết (IC) và kỹ thuật dịch chương trình đã khiến các nhận định trước đây cần được xem xét lại, đặc biệt là sau khi có khảo sát định lượng về việc sử dụng tập lệnh của các máy CISC.
Bảng 2-1 Đặc tính một vài máy CISC
Vào đầu những năm 1980, khái niệm về máy tính với tập lệnh rút gọn RISC đã được đưa vào, khi các chương trình dịch sử dụng thanh ghi mà không có sự khác biệt đáng kể giữa ô nhớ cho vi chương trình và ô nhớ cho các chương trình.
Máy RISC chủ yếu dựa trên một tập lệnh thiết kế đơn giản với chiều dài cố định, tối ưu cho kỹ thuật ống dẫn Chúng sử dụng kiểu thực hiện lệnh thanh ghi - thanh ghi, cho phép chỉ có các lệnh ghi hoặc đọc ô nhớ mới có thể truy cập vào bộ nhớ.
Bảng 2.2 trình bày ba mẫu máy RISC đầu tiên: IBM 801, RISC1 của Patterson và MIPS của Hennessy Cả ba máy này đều sử dụng bộ điều khiển bằng mạch điện, không có ô nhớ vi chương trình, có độ dài lệnh cố định 32 bits, thực hiện lệnh theo kiểu thanh ghi - thanh ghi và chỉ có một số lượng lệnh hạn chế.
Bảng 2-2 Đặc tính của ba mẫu đầu tiên máy RISC
Bộ xử lý IBM801 RISC1 MIPS
Dung lượng bộ nhớ vi chương trình Độ dài lệnh (tính bằng bít)
Kỹ thuật chế tạo Cách thực hiện
32 ECL MSI Thanhghi- Thanh ghi
32 NMOS VLSI Thanhghi- Thanh ghi
Tóm lại, ta có thể định nghĩa mạch xử lý RISC bởi các tính chất sau:
- Có một số ít lệnh (thông thường dưới 100 lệnh )
- Có một số ít các kiểu định vị (thông thường hai kiểu: định vị tức thì và định vị gián tiếp thông qua một thanh ghi)
- Có một số ít dạng lệnh (một hoặc hai)
- Các lệnh đều có cùng chiều dài
- Chỉ có các lệnh ghi hoặc đọc ô nhớ mới thâm nhập vào bộ nhớ
- Dùng bộ tạo tín hiệu điều khiển bằng mạch điện để tránh chu kỳ giải mã các vi lệnh làm cho thời gian thực hiện lệnh kéo dài
- Bộ xử lý RISC có nhiều thanh ghi để giảm bớt việc thâm nhập vào bộ nhớ trong
Ngoài ra các bộ xử lý RISC đầu tiên thực hiện tất cả các lệnh trong một chu kỳ máy
Bộ xử lý RISC có các lợi điểm sau :
Diện tích của bộ xử lý cho bộ điều khiển đã giảm đáng kể, từ 60% đối với các bộ xử lý CISC xuống còn 10% cho các bộ xử lý RISC Sự giảm diện tích này cho phép tích hợp thêm các thành phần như thanh ghi, cổng vào ra và bộ nhớ cache vào bên trong bộ xử lý.
Tốc độ tính toán cao đạt được nhờ vào việc giải mã lệnh đơn giản, sử dụng nhiều thanh ghi để giảm thiểu việc truy cập bộ nhớ, và áp dụng kỹ thuật ống dẫn hiệu quả, trong đó các lệnh có thời gian thực hiện và cấu trúc giống nhau.
- Thời gian cần thiết để thiết kế bộ điều khiển là ít Điều này góp phần làm giảm chi phí thiết kế
- Bộ điều khiển trở nên đơn giản và gọn làm cho ít rủi ro mắc phải sai sót mà ta gặp thường trong bộ điều khiển
Trước những điều lợi không chối cãi được, kiến trúc RISC có một số bất lợi:
+ Các chương trình dài ra so với chương trình viết cho bộ xử lý CISC Điều này do các nguyên nhân sau :
Cấm thâm nhập bộ nhớ cho tất cả các lệnh ngoại trừ lệnh đọc và ghi, dẫn đến việc cần sử dụng nhiều lệnh để thực hiện một công việc cụ thể.
+ Cần thiết phải tính các địa chỉ hiệu dụng vì không có nhiều cách định vị
+ Tập lệnh có ít lệnh nên các lệnh không có sẵn phải được thay thế bằng một chuỗi lệnh của bộ xử lý RISC
Các chương trình dịch thường gặp khó khăn do số lượng lệnh hạn chế, dẫn đến ít lựa chọn trong việc diễn dịch các cấu trúc của chương trình gốc Bên cạnh đó, sự cứng nhắc của kỹ thuật ống dẫn cũng góp phần làm tăng độ phức tạp trong quá trình dịch.
+ Có ít lệnh trợ giúp cho ngôn ngữ cấp cao
Các bộ xử lý CISC hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình cao cấp nhờ vào tập lệnh phức tạp, với ví dụ điển hình là máy tính do Honeywell sản xuất, sử dụng một lệnh cho mỗi động từ trong ngôn ngữ COBOL Gần đây, những tiến bộ công nghệ đã cho phép tích hợp một bộ xử lý RISC nền và nhiều toán tử chuyên dụng vào một vi mạch.
Thí dụ, bộ xử lý 860 của Intel bao gồm một bộ xử lý RISC, bộ làm tính với các số lẻ và một bộ tạo tín hiệu đồ hoạ
2.4.2 Các kiểu định vị trong các bộ xử lý
Trong bộ xử lý RISC, các lệnh số học và logic được thực hiện theo kiểu thanh ghi và tức thì, trong khi các lệnh đọc và ghi vào bộ nhớ sử dụng các kiểu định vị khác Kiểu định vị thanh ghi thường được áp dụng, với các toán hạng nguồn và kết quả nằm trong thanh ghi, được chỉ định bởi số thứ tự trong lệnh Hình II.5 minh họa một số ví dụ về kiểu thanh ghi và các lệnh tương ứng.
Trong kiểu lệnh tức thì, toán hạng là một số có dấu được nhúng trực tiếp trong lệnh Hình II.6 minh họa một số ví dụ về dạng lệnh này.
Trong kiểu định vị trực tiếp, địa chỉ toán hạng được đưa ngay trong lệnh, thường được sử dụng cho các biến của hệ điều hành mà người sử dụng không thể truy cập Kiểu định vị gián tiếp bằng thanh ghi cộng với độ dời đặc trưng cho các kiến trúc RISC, trong đó địa chỉ toán hạng được tính bằng cách cộng thanh ghi địa chỉ với độ dời Kiểu định vị trực tiếp là một trường hợp đặc biệt của kiểu này khi thanh ghi địa chỉ bằng 0 Trong các bộ xử lý RISC, thanh ghi như R0 hoặc R31 được gán giá trị 0, cho phép sử dụng định vị trực tiếp khi thanh ghi đó được dùng làm thanh ghi địa chỉ Cuối cùng, kiểu định vị tự tăng cũng là một phương pháp quan trọng trong các kiến trúc này.
Một vài bộ xử lý RISC, ví dụ bộ xử lý PowerPC, dùng kiểu định vị này.
Toán hạng
Kiểu của toán hạng thường được đưa vào trong mã tác vụ của lệnh Có bốn kiểu toán hạng được dùng trong các hệ thống:
- Kiểu dạng số: số nguyên, dấu chấm động,
- Kiểu dạng chuỗi ký tự: ASCII, EBIDEC,
- Kiểu dữ liệu logic: các bit, cờ,
Tuy nhiên một số ít máy tính dùng các nhãn để xác định kiểu toán hạng
Thông thường, toán hạng xác định có chiều dài cố định, thường là byte (8 bit), nửa từ (16 bit), từ (32 bit) hoặc đôi từ (64 bit) Đặc biệt, kiến trúc PA của HP (Hewlett Packard) hỗ trợ tính toán với các số thập phân BCD, và một số bộ xử lý có khả năng xử lý chuỗi ký tự.
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2
1 Các thành phần của một hệ máy tính đơn giản
2.Nêu chức năng của các thanh ghi cơ sở và thanh ghi cờ
3 Chỉ ra giá trị của các cờ trạng thái sau khi thực hiện các lệnh sau:
4 Nêu định nghĩa kiến trúc máy tính
5 Mô tả các kiểu thi hành lệnh của một máy tính Tại sao kiểu thi hành lệnh thanh ghi – thanh ghi được dùng nhiều hiện tại?
6 Mô tả mỗi kiểu định vị trong các kiểu định vị mà một CPU có thể có Cho CPU RISC, các kiểu định vị nào thường được dùng nhất?
7 Sự khác biệt giữa CPU RISC và CPU CISC?
Tổ chức bộ xử lý
Đường đi của dữ liệu
Bộ xử lý trung tâm (CPU) có cấu trúc phức tạp, bao gồm nhiều bộ phận với chức năng và nguyên lý hoạt động riêng biệt Tổ chức bên trong CPU cho phép dữ liệu di chuyển hiệu quả, tạo ra tín hiệu vận chuyển để thực hiện các lệnh theo kiến trúc phần mềm đã được xác định Sự phối hợp giữa các thành phần này đảm bảo hiệu suất tối ưu trong việc xử lý thông tin.
Phần đường đi của dữ liệu bao gồm bộ phận thực hiện các phép toán và logic (ALU), các mạch dịch, các thanh ghi và các kết nối giữa các bộ phận Đây là khu vực chứa hầu hết các trạng thái của bộ xử lý, không chỉ có các thanh ghi tổng quát mà còn nhiều thành phần quan trọng khác.
Thanh ghi đếm chương trình (PC: Program Counter),
Thanh ghi trạng thái(SR: Status Register),
Thanh ghi đệm TEMP (temporary),
Các thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (MAR : Memory Address Register),
Thanh ghi số liệu bộ nhớ (MBR: Memory Buffer Register)
Bộ đa hợp (MUX: Multiplexor) là thành phần quan trọng trong hệ thống máy tính, đóng vai trò là điểm cuối của kênh dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ Nhiệm vụ chính của nó là lập thời biểu truy cập bộ nhớ từ CPU, cũng như quản lý các kênh dữ liệu và hệ thống BUS nguồn (S1, S2) cùng BUS kết quả (Dest).
Phần đường đi dữ liệu có nhiệm vụ chính là đọc toán hạng từ các thanh ghi tổng quát, thực hiện phép tính trong ALU và lưu trữ kết quả trở lại các thanh ghi này Tại ngã vào và ngã ra của các thanh ghi tổng quát có các mạch chốt A, B, C Thông thường, số lượng thanh ghi tổng quát là 32.
Phần đường đi của dữ liệu chiếm phân nửa diện tích của bộ xử lý nhưng là phần dễ thiết kế và cài đặt trong bộ xử lý
Hình 3-1 Tổ chức của một bộ xử lý điển hình
( các đường không liên tục là các đường điều khiển ) ALU (Arthmetical and Logical Unit): bộ phận tính toán số học và logic
PC: Program Counter :thanh ghi đếm chương trình
SR: Status Register : thanh ghi trạng thái
Temp: temporary :thanh ghi đệm
MAR: Memory address Register :thanh ghi địa chỉ nhớ
MUX: Multiplexor : Bộ đa hợp
Interrupt Request): yêu cầu ngắt, một đường hoặc môt tín hiệu được kích hoạt bởi thiết bị ngoại vi để phát ra một ngắt cứng tới CPU.
Bộ điều khiển
Bộ xử lý trung tâm (CPU) có cấu trúc phức tạp với tổ chức và chức năng riêng biệt cho từng bộ phận Các bộ phận bên trong CPU hoạt động theo nguyên lý nhất định, trong đó dữ liệu được truyền qua các đường dẫn cụ thể Bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra tín hiệu vận chuyển bên trong CPU, nhằm thực hiện các tập lệnh tương ứng với kiến trúc phần mềm đã được thiết kế.
Bộ điều khiển phát tín hiệu điều khiển di chuyển dữ liệu từ các thanh ghi đến BUS, cũng như tín hiệu ghi và đọc vào các thanh ghi, nhằm điều phối các tác vụ của các bộ phận chức năng như ALU và bộ nhớ trong Ngoài ra, bộ điều khiển còn tạo ra các tín hiệu để đảm bảo lệnh được thực hiện theo thứ tự.
Việc cài đặt bộ điều khiển có thể dùng một trong 2 cách sau: dùng mạch điện tử hoặc dùng vi chương trình (microprogram)
3.2.1 Bộ điều khiển mạch điện tử Để hiểu được vận hành của bộ điều khiển mạch điện tử, chúng ta xét đến mô tả về Automate trạng thái hữu hạn: có nhiều hệ thống hay nhiều thành phần mà ở mỗi thời điểm xem xét đều có một trạng thái (state)
Mục đích của trạng thái trong hệ thống là ghi nhớ thông tin quan trọng, vì không thể lưu trữ toàn bộ lịch sử do số lượng trạng thái hạn chế Hệ thống cần được thiết kế cẩn thận để chỉ ghi nhớ những yếu tố cần thiết Lợi ích của việc sử dụng một số trạng thái hữu hạn là cho phép cài đặt hệ thống với nguồn tài nguyên cố định Ví dụ, Automate trạng thái hữu hạn có thể được cài đặt trong phần cứng máy tính dưới dạng mạch điện hoặc chương trình đơn giản, cho phép quyết định dựa trên dữ liệu giới hạn hoặc vị trí trong mã lệnh.
Hình 3-2 minh họa nguyên tắc hoạt động của bộ điều khiển điện, trong đó các đường điều khiển từ phần đường đi số liệu xuất phát từ một hoặc nhiều Automate trạng thái hữu hạn Các ngã vào của Automate bao gồm thanh ghi lệnh, nơi lưu trữ lệnh cần thi hành và thông tin từ bộ đường đi số liệu Dựa vào cấu hình các đường vào và trạng thái hiện tại, Automate xác định trạng thái tương lai cùng với các đường ra tương ứng Automate có thể được cài đặt dưới dạng một hoặc nhiều mạch mảng logic lập trình được (PLA) hoặc các mạch logic ngẫu nhiên.
Kỹ thuật điều khiển này rất hiệu quả và dễ thực hiện khi các lệnh có độ dài cố định và định dạng đơn giản, thường được áp dụng trong các bộ xử lý RISC.
Hình 3-2 Nguyên tắc vận hành của bộ điều khiển dùng mạch điện
3.2.2 Bộ điều khiển vi chương trình:
Sơ đồ nguyên tắc của bộ điều khiển vi chương trình được minh họa trong hình 3-3, cho thấy các đường dây điều khiển tương ứng với các ngã ra của vi lệnh trong bộ nhớ Việc điều khiển các tác vụ của lệnh mã máy diễn ra thông qua chuỗi vi lệnh, với vi máy tính bên trong bộ điều khiển thực hiện từng lệnh này Vi máy tính đảm bảo việc thực hiện tuần tự các vi lệnh để hoàn thành nhiệm vụ của lệnh mã máy, trong khi các tác vụ này còn phụ thuộc vào trạng thái của phần đường đi dữ liệu.
Bộ điều khiển vi chương trình được sử dụng phổ biến trong các bộ xử lý CISC, nổi bật với tập lệnh phức tạp và chiều dài lệnh đa dạng Các lệnh trong bộ xử lý CISC có định dạng phức tạp, và việc cài đặt lệnh mã máy được thực hiện thông qua việc viết vi chương trình.
Như vậy công việc khá đơn giản và rất hữu hiệu Các sai sót trong thiết kế automat điều khiển cũng dễ sửa đổi
Hình 3-3: Nguyên tắc vận hành của bộ điều khiển vi chương trình
Diễn tiến thi hành lệnh mã máy
Diễn tiến thi hành một lệnh mã máy là yếu tố then chốt giúp hiểu rõ các hoạt động xử lý lệnh trong các kỹ thuật như ống dẫn, siêu ống dẫn và siêu vô hướng Việc nắm bắt quy trình này không chỉ tăng cường khả năng tối ưu hóa hiệu suất xử lý mà còn hỗ trợ việc phát triển các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực máy tính.
Việc thi hành một lệnh mã máy có thể chia thành 5 giai đoạn:
+ Đọc lệnh (IF: Instruction Fetch)
+ Giải mã lệnh (ID: Instruction Decode)
+ Thi hành lệnh (EX: Execute)
+ Thâm nhập bộ nhớ trong hoặc nhảy (MEM: Memory access)
+ Lưu trữ kết quả (RS: Result Storing)
Mỗi giai đoạn được thi hành trong một hoặc nhiều chu kỳ xung nhịp a Đọc lệnh:
Bộ đếm chương trình (PC) được đưa vào thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (MAR), cho phép đọc lệnh từ bộ nhớ trong Các lệnh này được lấy từ các ô nhớ có địa chỉ trong MAR và sau đó được chuyển vào thanh ghi lệnh để thực hiện.
IR b Giải mã lệnh và đọc các thanh ghi nguồn:
Lệnh được giải mã, sau đó các thanh ghi Rs1 và Rs2 được đưa vào A và B Thanh ghi PC được tăng lên để chỉ tới lệnh tiếp theo Để làm rõ giai đoạn này, ta sẽ xem xét dạng thức của một lệnh tiêu biểu.
Các thanh ghi nguồn Rs1 và Rs2 được sử dụng tuỳ theo tác vụ, kết quả được đặt trong thanh ghi đích Rd
Việc giải mã lệnh diễn ra đồng thời với việc đọc các thanh ghi Rs1 và Rs2, do hai thanh ghi này luôn nằm ở vị trí cố định trong lệnh.
Tuỳ theo loại lệnh mà một trong ba nhiệm vụ sau đây được thực hiện:
- Liên hệ tới bộ nhớ
MAR ← Địa chỉ do ALU tính tuỳ theo kiểu định vị (Rs2)
MBR ← Rs1 Địa chỉ hiệu dụng do ALU tính được đưa vào MAR và thanh ghi nguồn Rs1 được đưa vào MBR để được lưu vào bộ nhớ trong
Ngã ra ALU ← Kết quả của phép tính
ALU thực hiện phép tính xác định trong mã lệnh, đưa kết quả ra ngã ra
Ngã ra ALU ← Địa chỉ lệnh tiếp theo do ALU tính
ALU kết hợp địa chỉ của PC với độ dời để tạo ra địa chỉ đích và xuất ra địa chỉ này Đối với phép nhảy có điều kiện, thanh ghi trạng thái sẽ được kiểm tra để quyết định có cộng độ dời vào PC hay không Cuối cùng, quá trình thâm nhập bộ nhớ trong hoặc thực hiện phép nhảy sẽ được thực hiện.
Giai đoạn này thường chỉ được dùng cho các lệnh nạp dữ liệu, lưu giữ dữ liệu và lệnh nhảy
- Tham khảo đến bộ nhớ:
MBR ← M[MAR] hoặc M[MAR] ← MBR
Số liệu được nạp vào MBR hoặc lưu vào địa chỉ mà MAR trỏ đến
If (điều kiện), PC ← ngả ra ALU
Khi các điều kiện được thỏa mãn, giá trị từ ALU sẽ được nạp vào thanh ghi PC Đối với các lệnh nhảy không có điều kiện, giá trị từ ALU sẽ luôn được cập nhật vào thanh ghi PC Cuối cùng, kết quả sẽ được lưu trữ.
Rd ← Ngã ra ALU hoặc Rd ← MBR
Lưu trữ kết quả trong thanh ghi đích.
Ngắt (INTERRUPT)
Mục tiêu: Trình bày được khái niệm ngắt, khi nào thì gọi ngắt
Ngắt quãng là sự kiện ngẫu nhiên trong máy tính, làm gián đoạn tính tuần tự của chương trình bằng cách tạo ra một lệnh nhảy Trong ngành công nghiệp máy tính, nhiều nhà sản xuất như IBM và INTEL thường sử dụng thuật ngữ "ngắt quãng" để mô tả hiện tượng này, trong khi một số nhà sản xuất khác lại gọi nó là "ngoại lệ", "lỗi" hoặc "bẩy".
Bộ điều khiển CPU là phần phức tạp nhất trong hệ thống, với ngắt quãng là yếu tố khó khăn nhất trong quá trình điều khiển Để xác định một ngắt quãng trong khi thực hiện lệnh, cần điều chỉnh chu kỳ xung nhịp, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của máy tính.
Ngắt quãng được phát triển để nhận diện sai sót trong tính toán số học và ứng dụng cho các hiện tượng thời gian thực Hiện nay, ngắt quãng được sử dụng cho nhiều công việc khác nhau, từ phân tích dữ liệu đến xử lý tín hiệu.
+ Ngoại vi đòi hỏi nhập hoặc xuất số liệu
+ Người lập trình muốn dùng dịch vụ của hệ điều hành
+ Cho một chương trình chạy từng lệnh
+ Làm điểm dừng của một chương trình
+ Báo tràn số liệu trong tính toán số học
+ Trang bộ nhớ thực sự không có trong bộ nhớ
+ Báo vi phạm vùng cấm của bộ nhớ
+ Báo dùng một lệnh không có trong tập lệnh
+ Báo phần cứng máy tính bị hư
Mặc dù ngắt quãng không xảy ra thường xuyên, bộ xử lý cần được thiết kế để lưu giữ trạng thái trước khi phục vụ ngắt Sau khi hoàn tất chương trình phục vụ ngắt, bộ xử lý phải khôi phục trạng thái để tiếp tục công việc Để đơn giản hóa thiết kế, một số bộ xử lý chỉ cho phép ngắt sau khi hoàn thành lệnh hiện tại Khi ngắt xảy ra, bộ xử lý sẽ thực hiện các bước cần thiết để xử lý tình huống này.
1 Thực hiện xong lệnh đang làm
2 Lưu trữ trạng thái hiện tại
3 Nhảy đến chương trình phục vụ ngắt
4 Khi chương trình phục vụ chấm dứt, bộ xử lý khôi phục lại trạng thái cũ của nó và tiếp tục thực hiện chương trình mà nó đang thực hiện khi bị ngắt.
Kỹ thuật ống dẫn (PIPELINE)
- Giới thiệu một số kỹ thuật xử lý thông tin:
- Ống dẫn, siêu ống dẫn lệnh
3.5.1 Ống dẫn Đây là một kỹ thuật làm cho các giai đoạn khác nhau của nhiều lệnh được thi hành cùng một lúc
Chúng ta thực hiện các lệnh đều đặn trong cùng một khoảng thời gian, với mỗi lệnh trải qua 5 giai đoạn, và mỗi giai đoạn được thực hiện trong 1 chu kỳ xung nhịp.
The execution of an instruction involves several key stages: Instruction Fetch (IF), where the command is retrieved; Instruction Decode (ID), which involves interpreting the command; Execute (EX), where the operation is performed; Memory Access (MEM), where data is retrieved from or written to memory; and Result Storing (RS), where the outcomes are saved.
Bảng 3-1 Các giai đoạn khác nhau của nhiều lệnh được thi hành cùng một lúc
Bảng 3-1 cho thấy chỉ trong một chu kỳ xung nhịp, bộ xử lý có thể thực hiện một lệnh (bình thường lệnh này được thực hiện trong 5 chu kỳ)
So sánh với kiểu xử lý tuần tự thông thường, 5 lệnh được thực hiện trong
25 chu kỳ xung nhịp, thì xử lý lệnh theo kỹ thuật ống dẫn thực hiện 5 lậnh chỉ trong 9 chu kỳ xung nhịp
Như vậy kỹ thuật ống dẫn làm tăng tốc độ thực hiện các lệnh Tuy nhiên kỹ thuật ống dẫn có một số ràng buộc:
- Cần phải có một mạch điện để thi hành mỗi giai đoạn của lệnh vì tất cả các giai đoạn của lệnh được thi hành cùng lúc
Trong một bộ xử lý không sử dụng kỹ thuật ống dẫn, bộ làm toán ALU có thể được sử dụng để cập nhật thanh ghi PC và địa chỉ toán hạng bộ nhớ Điều này bao gồm việc xác định địa chỉ ô nhớ mà chương trình cần nhảy tới và thực hiện các phép tính trên các toán hạng, vì các phép tính này có thể diễn ra ở nhiều giai đoạn khác nhau.
Trong quá trình thực hiện các tác vụ đọc và viết, cần có nhiều thanh ghi khác nhau Như được minh họa trong hình 3-4, tại một chu kỳ xung nhịp, có hai tác vụ đọc (ID, MEM) và một tác vụ viết (RS) diễn ra đồng thời.
Trong hệ thống máy tính sử dụng kỹ thuật ống dẫn, kết quả của một tác vụ trước có thể trở thành toán hạng nguồn cho một tác vụ khác, điều này tạo ra những thách thức bổ sung mà chúng ta sẽ thảo luận ở phần tiếp theo.
- Cần phải giải mã các lệnh một cách đơn giản để có thể giải mã và đọc các toán hạng trong một chu kỳ duy nhất của xung nhịp
Để thực hiện các lệnh số học dài nhất với số giữ, cần thiết phải có các bộ làm tính ALU hiệu quả, nhằm hoàn thành trong thời gian ngắn hơn một chu kỳ xung nhịp.
- Cần phải có nhiều thanh ghi lệnh để lưu giữ lệnh mà chúng ta phải xem xét cho mỗi giai đoạn thi hành lệnh
- Cuối cùng phải có nhiều thanh ghi bộ đếm chương trình PC để có thể tái tục các lệnh trong trường hợp có ngắt quãng
3.5.2 Khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn
Khi thực hiện lệnh trong máy tính sử dụng kỹ thuật ống dẫn, có một số trường hợp có thể làm gián đoạn quá trình này, chẳng hạn như thiếu các mạch chức năng, khi một lệnh cần sử dụng kết quả từ lệnh trước đó, hoặc khi có lệnh nhảy.
Có ba loại khó khăn chính trong hệ thống: khó khăn do cấu trúc, khó khăn do số liệu và khó khăn do điều khiển Khó khăn do cấu trúc xuất phát từ việc thiếu các bộ phận chức năng cần thiết, chẳng hạn như trong máy tính sử dụng kỹ thuật ống dẫn, cần có nhiều ALU, PC và thanh ghi lệnh IR Những khó khăn này có thể được khắc phục bằng cách bổ sung các bộ phận chức năng phù hợp và hiệu quả.
Lấy ví dụ trường hợp các lệnh liên tiếp sau:
Lệnh 1: ADD R1, R2, R3 Lệnh 2: SUB R4, R1, R5 Lệnh 3: AND R6, R1, R7 Lệnh 4: OR R8, R1, R9
Hình 3-4 minh họa rằng kết quả R1 từ lệnh 1 chỉ có thể được sử dụng cho lệnh 2 sau giai đoạn MEM của lệnh 1, trong khi R1 lại được áp dụng cho lệnh 2 tại giai đoạn EX của lệnh 1 Ngoài ra, R1 cũng được sử dụng cho các lệnh 3 và 4.
Để giải quyết những khó khăn do số liệu gây ra, một phần cứng đã được sử dụng để chuyển trực tiếp kết quả từ ngã ra ALU vào một trong các thanh ghi ngã vào, như minh họa trong hình 3-5.
Khi bộ phận phần cứng phát hiện rằng kết quả của ALU được sử dụng làm toán hạng cho liệt kê, nó sẽ tác động vào mạch đa hợp để đưa đầu ra của ALU vào.
Hình 3-5 ALU với bộ phận phần cứng đưa kết quả tính toán trở lại ngã vào c Khó khăn do điều khiển:
Các lệnh thay đổi tính thi hành theo cách tuần tự, làm cho bộ đếm chương trình (PC) tăng đều đặn sau mỗi lệnh, gây khó khăn trong việc điều khiển Những lệnh này bao gồm lệnh nhảy đến một địa chỉ tuyệt đối được lưu trong một thanh ghi, hoặc lệnh nhảy đến một địa chỉ xác định tương đối so với địa chỉ hiện tại của PC Các lệnh nhảy này có thể được thực hiện có điều kiện hoặc không có điều kiện.
Trong trường hợp đơn giản nhất, tác vụ nhảy không thể biết trước giai đoạn giải mã (xem hình 3-4)
Khi lệnh nhảy bắt đầu ở chu kỳ C, chương trình sẽ ở giai đoạn giải mã ID Đối với lệnh nhảy tương đối, cần cộng độ dời từ thanh ghi lệnh IR vào thanh ghi PC Việc tính toán địa chỉ này chỉ diễn ra trong giai đoạn ID, yêu cầu có một mạch công việc riêng biệt.
Vậy trong trường hợp lệnh nhảy không điều kiện, lệnh mà chương trình nhảy đến bắt đầu thực hiện ở chu kỳ C+2 nếu lệnh nhảy bắt đầu ở chu kỳ C
Để thực hiện các lệnh nhảy có điều kiện, cần phải tính toán điều kiện tương ứng Trong kiến trúc RISC, kết quả so sánh thường được lưu trữ trong thanh ghi trạng thái hoặc thanh ghi tổng quát Việc đọc điều kiện tương tự như việc đọc từ thanh ghi, và thao tác này có thể được thực hiện trong nửa chu kỳ cuối của giai đoạn ID.
Trong trường hợp lệnh nhảy có điều kiện, điều kiện được đặt ra khi so sánh hai thanh ghi, và lệnh nhảy chỉ được thực hiện khi kết quả so sánh là đúng Tuy nhiên, việc tính toán trên các đại lượng logic không thể hoàn thành trong phân nửa chu kỳ, dẫn đến việc kéo dài thời gian thực hiện lệnh nhảy có điều kiện Do đó, thường thì người ta tránh sử dụng các lệnh này để không làm giảm hiệu suất của máy tính.
