Giáo trình kiến trúc máy tính - Ngô Như Khoa

Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình kiến trúc máy tính - Ngô Như Khoa Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh Ng« Nh KhoaCh¬ng I. Giíi thiÖu chung vÒ kiÕn tróc m¸y tÝnh.I. Kh¸i niÖm vÒ kiÕn tróc m¸y tÝnh KiÕn tróc m¸y tÝnh (Computer architecture) lµ mét kh¸i niÖm trõu tîng cñamét hÖ thèng tÝnh to¸n díi quan ®iÓm cña ngêi lËp tr×nh hoÆc ngêi viÕt ch¬ngtr×nh dÞch. Nãi c¸ch kh¸c, kiÕn tróc m¸y tÝnh ®îc xem xÐt theo khÝa c¹nh mµ ngêi lËptr×nh cã thÓ can thiÖp vµo mäi møc ®Æc quyÒn, bao gåm c¸c thanh ghi, « nhí c¸cng¾t ... cã thÓ ®îc th©m nhËp th«ng qua c¸c lÖnh.II. LÞch sö ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh. ChiÕc m¸y tÝnh ®iÖn tö ®Çu tiªn lµ ENIAC ®îc ra ®êi n¨m 1946, ®îc chÕt¹o tõ nh÷ng ®Ìn ®iÖn tö, r¬le ®iÖn tö vµ c¸c chuyÓn m¹ch c¬ khÝ. LÞch sö ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh ®iÖn tö cã thÓ chia lµm bèn thÕ hÖ nh sau:- ThÕ hÖ 1: (1945-1955). M¸y tÝnh ®îc x©y dùng trªn c¬ së ®Ìn ®iÖn tö mµ mçi®Ìn tîng trng cho 1 bit nhÞ ph©n. Do ®ã m¸y cã khèi lîng rÊt lín, tèc ®é chËmvµ tiªu thô ®iÖn n¨ng lín. Nh m¸y ENIAC cã khèi lîng 30 tÊn, tiªu thô c«ng suÊt140KW. - ThÕ hÖ thø 2: (1955-1965). M¸y tÝnh ®îc x©y dùng trªn c ¬ së lµ c¸c ®Ìn b¸ndÉn (transistor), m¸y tÝnh ®Çu tiªn thÕ hÖ nµy cã tªnlµ TX -0 (transistorizedexperimental computer 0). - ThÕ hÖ thø ba: (1965-1980). M¸y tÝnh ®îc x©y dùng trªn c¸c vi m¹ch cì nhá(SSI) vµ cì võa (MSI), ®iÓn h×nh lµ thÕ hÖ m¸y System/ 360 cña IBM. ThÕ hÖ m¸ytÝnh nµy cã nh÷ng bíc ®ét ph¸ míi nh sau: - TÝnh t¬ng thÝch cao: C¸c m¸y tÝnh trong cïng mét hä cã kh¶ n¨ng ch¹yc¸c ch¬ng tr×nh, phÇn mÒm cña nhau. - §Æc tÝnh ®a ch¬ng tr×nh: T¹i mét thêi ®iÓm cã thÓ cã vµi ch¬ng tr×nh n»mtrong bé nhí vµ mét trong sè ®ã ®îc cho ch¹y trong khi c¸c ch¬ng tr×nh kh¸cchê hoµn thµnh c¸c thao t¸c vµo/ra. - Kh«ng gian ®Þa chØ rÊt lín.- ThÕ hÖ thø t: (1980- ). M¸y tÝnh ®îc x©y dùng trªn c¸c vi m¹ch cì lín (LSI)vµ cùc lín (VLSI). §©y lµ thÕ hÖ m¸y tÝnh sè ngµy nay, nhê c«ng nghÖ b¸n dÉn ph¸t triÓn vîtbËc, mµ ngêi ta cã thÓ chÕ t¹o c¸c m¹ch tæ hîp ë møc ®é cùc lín. Nhê ®ã m¸ytÝnh ngµy cµng nhá h¬n, nhÑ h¬n, m¹nh h¬n vµ gi¸ thµnh rÎ h¬n. M¸y tÝnh c¸ nh©nb¾t ®Çu xuÊt hiÖn vµ ph¸t triÓn tro ng thêi kú nµy. Dùa vµo kÝch thíc vËt lý, hiÖu suÊt vµ lÜnh vùc sö dông, hiÖn nay ngêi tathêng chia m¸y tÝnh sè thÕ hÖ thø t thµnh 5 lo¹i chÝnh, c¸c lo¹i cã thÓ trïm lªnnhau mét phÇn: Photocopyable 1 Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh Ng« Nh Khoa - Microcomputer: Cßn gäi lµ PC (personal computer), lµ nh÷ng m¸y tÝnhnhá, cã 1 chip vi xö lý vµ mét sè thiÕt bÞ ngo¹i vi. Thêng dïng cho mét ngêi, cãthÓ dïng ®éc lËp hoÆc dïng trong m¹ng m¸y tÝnh. - Minicomputer: Lµ nh÷ng m¸y tÝnh cì trung b×nh, kÝch thíc thêng lính¬n PC. Nã cã thÓ thùc hiÖn ®îc c¸c øng dôngm µ m¸y tÝnh cì lín thùc hiÖn. Nãcã kh¶ n¨ng hç trî hµng chôc ®Õn hµng tr¨m ngêi lµm viÖc. Minicomputer ®îcsö dông réng r·i trong c¸c øng dông thêi gian thùc, vÝ dô trong ®iÒu khiÓn hµngkh«ng, trong tù ®éng ho¸ s¶n xuÊt. - Supermini: Lµ nh÷ng m¸y Minicomputer cã tèc ®é xö lý nhanh nhÊt tronghä Mini ë nh÷ng thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh. Supermini thêng ®îc dïng trong c¸c hÖthèng ph©n chia thêi gian, vÝ dô c¸c m¸y qu¶n gia cña m¹ng. - Mainframe: Lµ nh÷ng m¸y tÝnh cì lín, cã kh¶ n¨ng hç trî cho hµng tr¨m®Õn hµng ngµn ngêi sö dông. Thêng ®îc sö dông trong chÕ ®é c¸c c«ng viÖc s¾pxÕp theo l« lín (Large-Batch-Job) hoÆc xö lý c¸c giao dÞch (TransactionProcessing), vÝ dô trong ng©n hµng. - Supercomputer: §©y lµ nh÷ng siªu m¸y tÝnh, ®îc thiÕt kÕ ®Æc biÖt ®Ó ® ¹ttèc ®é thùc hiÖn c¸c phÐp tÝnh dÊu phÈy ®éng cao nhÊt cã thÓ ®îc. Chóng thêngcã kiÕn tróc song song, chØ ho¹t ®éng hiÖu qu¶ cao trong mét sè lÜnh vùc. Dùa vµo kiÕn tróc cña m¸y tÝnh ngêi ta còng ph©n m¸y tÝnh ra c¸c lo¹i kh¸cnhau nh sau: - KiÕn tróc SISD (single instruction - single data, ®¬n dßng lÖnh - ®¬n dßngd÷ liÖu), s¬ ®å nh h×nh 1-1. C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn lÖnh Khèi ®iÒu khiÓn Khèi chÊp hµnh lÖnh d÷ liÖu HÖ thèng nhí H×nh 1-1: KiÕn tróc m¸y tÝnh SISD. - KiÕn tróc CIMD (Single Instruction Multiple Data, ®¬n dßng lÖnh - ®a d÷liÖu), s¬ ®å nh h×nh 1-2. Photocopyable 2 Gi¸o tr×nh KiÕn tróc m¸y tÝnh Ng« Nh Khoa C¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn Khèi ®iÒu khiÓn Khèi chÊp hµnh 1 Khèi chÊp hµnh 2 ...