Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Hệ thống máy tính & các lớp trừu tượng

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Hệ thống máy tính & các lớp trừu tượng

1. ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG MÁY TÍNH & CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG Nguyễn Văn Thọ Khoa Điện tử viễn thông Đại học Duy Tân – 2010 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Computer System: HỆ THỐNG MÁY TÍNH CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG Ứng dụng Application Program Giải thuật Algorithms Ngôn ngữ lập trình Software Language Hardware Kiến trúc tập lệnh Instruction Set Architecture (& giao diện nhập/ xuất) (and I/O Interfaces) Vi kiến trúc Microarchitecture Mạch điện tử Circuits Linh kiện Devices 1-2
2. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG Giải quyết một bài toán với máy tính như thế nào ? Một hệ thống các chuyển đổi giữa các mức trừu tượng ProblemProblem Software Design: Lựa chọn giải thuật & cấu trúc dữ liệu AlgorithmAlgorithm Programming: Dùng ngôn ngữ lập trình để thiết kế ProgramProgram Compiling/Interpreting: Chuyển đổi sang ngôn ngữ máy InstrInstr Set Set ArchitectureArchitecture 1-3 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. CÁC LỚP SÂU HƠN InstrInstr Set Set Kiến trúc tập lệnh ArchitectureArchitecture Processor Design: Chọn cấu trúc để thi hành kiến trúc tập lệnh MicroMicro architecture architecture Logic/Circuit Design: Cổng logic và các mạch điện cấp thấp để thực hiện các thành phần CircuitsCircuits Process Engineering & Fabrication: Phát triển và sản xuất các thành phần DevicesDevices ở mức thấp nhất 1-4
3. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Algorithms - Giải thuật Giải thuật là các bước tiến hành công việc • Tính xác định : mỗi bước được trình bày 1 cách chính xác • Tính hữu hạn : mỗi bước phải bảo đảm đi đến kết thúc • Tính hiệu quả Vídụ : • Khởi động máy tính • Tính tổng từ 1 đến n Mọi vấn đề đều có thể có nhiều giải thuật khác nhau để giải quyết 1-5 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Programs – Chương trình Bước chuyển đổi giải thuật thành chương trình máy tính • Ngôn ngữ lập trình thì máy móc hơn ngôn ngữ tự nhiên • Ngôn ngữ lập trình thì không mơ hồ, nhiều nghĩa mà rõ ràng và chính xác hơn Hiện nay, Có hơn 1000 ngôn ngữ lập trình 1-6
4. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. CÁC CẤP CHƯƠNG TRÌNH (PROGRAM LEVEL) • Hầu hết các máy tính chạy một chương trình quản lý gọi là Hệ điều hành- Application Program operating system (OS). • Chương trình ứng dụng giao tiếp với Operating System kiến trúc máy tính thông qua hệ điều hành Program (Software) Ví dụ : Bài giảng Data PowerPoint Application Program Windows XP Operating System 1-7 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. NGÔN NGỮ BẬC CAO Độc lập với máy • Không phụ thuộc vào các đặc điểm riêng của cấu trúc máy • Có thể biên dịch để chạy mọi nơi Dễ viết , năng suất cao Thích hợp để mô tả • Cấu trúc dữ liệu ( mảng, stacks ) • Cấu trúc điều khiển ( lặp, chọn ) 1-8
5. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. NGÔN NGỮ BẬC THẤP Mang tính đặc thù của máy tính • Người lập trình hiểu được tổ chức bên trong máy • Người lập trình có thể truy cập đến những vấn đề gai góc ¾ Các thanh ghi ¾ Các chỉ thị đặc thù của máy ¾ Các cách định địa chỉ bộ nhớ ¾Đặc điểm phần cứng Năng suất thấp nhưng chương trình thi hành nhanh hơn, tốt hơn 1-9 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Instruction Set Architecture (ISA) Chuyển chương trình máy tính thành các chỉ thị đặc trưng của máy tính ISA định nghĩa đặc thù của CPU • Kiểu dữ liệu • Tính toán trên dữ liệu • operations on data • Địa chỉ hóa bộ nhớ • Các chế độ địa chỉ 1-10
6. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Microarchitecture – Vi kiến trúc Vi kiến trúc thi hành ISA • IA-32 ¾386 Nhanh h ¾486 ¾Pentium ơ ¾Pentium-II, III, IV n,t phúc ¾Xeon • IA-64 ạ ¾Pentium D (Netburst) p h ơ ¾Dual Core (Core) n ¾Core 2 Duo ¾Core 2 Quad 1-11 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Circuits - Mạch điện Bước tiếp theo để thi hành mỗi phần tử của vi kiến trúc với các mạch logic cơ bản • Cổng, Bộ cộng, Bộ ghép kênh • Flip flops, phần tử bộ nhớ 1-12
7. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Devices – Linh kiện Cuối cùng, mỗi mạch logic cơ bản được chế tạo với công nghệ riêng CMOS NMOS Gallium arsenide 1-13 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. MÔ TẢ CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG Problem Statement – Mô tả bài toán • Sử dụng ngôn ngữ tự nhiên để mô tả trạng thái • Có thể nhập nhằng, không rõ ràng Algorithm - Giải thuật • Các bước xử lý để bảo đảm hoàn thành. • Tính xác định, tính hiệu quả , tính hữu hạn Program – Chương trình • Mô tả giải thuật sử dụng ngôn ngữ máy. • Ngôn ngữ bậc cao, ngôn ngữ cấp thấp Instruction Set Architecture (ISA) • Chỉ định tập hợp các chỉ thị máy tính có thể thực hiện • Kiểu dữ liệu, kiểu đánh địa chỉ 1-14
8. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. MÔ TẢ CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG Microarchitecture – Vi kiến trúc • Mô tả tổ chức của processor implemantation • Sự khác biệt khi thi thành của các ISA riêng lẻ Logic Circuits – Các mạch logic • Tổ hợp các thành phần cơ bản để thi hành vi kiến trúc • Nhiều con đường khác nhau để thực hiện 1 chức năng Devices - Thiết bị • Tính chất phần cứng, tính sản xuất được 1-15 Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Nhiều lựa chọn cho các lớp trên thế giới Giải quyết 1 hệ thống tính toán Gaussian Jacobi Red-black SOR Multigrid elimination iteration FORTRAN C C++ Java Tradeoffs: cost Sun SPARCIntel x86 Compaq Alpha performance power Pentium II Pentium III AMD Athlon (etc.) Ripple-carry adder Carry-lookahead adder CMOS Bipolar GaAs 1-16
9. Nguyen Van Tho – Duy Tan University. Computer System: HỆ THỐNG MÁY TÍNH CÁC LỚP TRỪU TƯỢNG Ứng dụng Application Program Giải thuật Algorithms Ngôn ngữ lập trình Software Language Hardware Kiến trúc tập lệnh Instruction Set Architecture (& giao diện nhập/ xuất) (and I/O Interfaces) Vi kiến trúc Microarchitecture Mạch điện tử Circuits Linh kiện Devices 1-17