›
›

Bài giảng Vi xử lý và cấu trúc máy tính - Chương 1: Tổng quan về vi xử lý Vũ Thị Thu Hương

ppt 68 trang phuongnguyen 6720
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vi xử lý và cấu trúc máy tính - Chương 1: Tổng quan về vi xử lý Vũ Thị Thu Hương", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_vi_xu_ly_va_cau_truc_may_tinh_chuong_1_tong_quan_v.ppt

Nội dung text: Bài giảng Vi xử lý và cấu trúc máy tính - Chương 1: Tổng quan về vi xử lý Vũ Thị Thu Hương

  1. VI XỬ LÝ VÀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH Processing & Computer structure 6/11/2021 1
  2. ◼ Vũ Thị Thu Hương ◼ Bộ môn: ĐTMT ◼ Mail: huongdtmt@gmail.com 6/11/2021 2
  3. Tài liệu tham khảo ◼ Giáo trình vi xử lý và cấu trúc máy tính - Ngô Diên Tập ◼ Vi xử lý – Văn Thế Minh ◼ Vi xử lý và cấu trúc máy tính – Trần Quang Vinh 6/11/2021 3
  4. 1.John L. Hennessy & David A. Patterson - Computer Architecture: A Quantitative Approach – 2003 (3rd edition) 2.David A. Patterson & John L. Hennessy - Computer Organization and Design – 2003 (3rd edition) 3.Behrooz Parhami - Computer Architecture: From Microprocessors to Supercomputers - 2005 4. William Stallings - Computer Organization and Architecture: Designing for Performance – 20036/11/2021 (6th edition) 4
  5. Nội dung giáo trình ◼ Chương 1. Tổng quan về vi xử lý ◼ Chương 2. Bộ vi xử lý 8086-Intel ◼ Chương 3. Lập trình hợp ngữ (Assembly) ◼ Chương 4. Bộ nhớ ◼ Chương 5. Vào ra ◼ Chương 6. Xử lý ngắt 6/11/2021 5
  6. Chương 1 Tæng quan vÒ vi xỬ LÝ 6/11/2021 6
  7. Giíi thiÖu chung 1.1. Máy tính và phân loại 1.2. Sự tiến hoá của máy tính 1.3. Hoạt động của máy tính 6/11/2021 7
  8. 1.1. Máy tính và phân loại 1. Máy tính ◼ Máy tính (Computer) là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau: - Nhận thông tin vào. - Xử lý thông tin theo dãy các lệnh được nhớ sẵn bên trong - Đưa thông tin ra. ◼ Dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện công việc cụ thể gọi là chương trình (program) →Máy tính hoạt động theo chương trình. 6/11/2021 8
  9. 2. Phân loại máy tính ◼ Phân loại truyền thống: - Máy vi tính (Microcomputers) - Máy tính nhỏ (Minicomputers) - Máy tính lớn (Mainframe Computers) - Siêu máy tính (Supercomputers) 6/11/2021 9
  10. 2. Phân loại máy tính ◼ Phân loại máy tính hiện đại - Máy tính để bàn (Desktop & Laptop Computers) - Máy chủ (Servers) - Máy tính nhúng (Embedded Computers) 6/11/2021 10
  11. 6/11/2021 11
  12. 6/11/2021 12
  13. (Electronic Numerical Integrator and Computer) 6/11/2021 13
  14. 6/11/2021 14
  15. 6/11/2021 15
  16. 6/11/2021 16
  17. 6/11/2021 17
  18. 6/11/2021 18
  19. 6/11/2021 19
  20. 6/11/2021 20
  21. 6/11/2021 21
  22. 6/11/2021 22
  23. 6/11/2021 23
  24. 6/11/2021 24
  25. 6/11/2021 25
  26. 6/11/2021 26
  27. 6/11/2021 27
  28. 6/11/2021 28
  29. 1.3. Hệ thống máy tính 6/11/2021 29
  30. 6/11/2021 30
  31. 6/11/2021 31
  32. 6/11/2021 32
  33. Câu hỏi? ◼ Hệ điều hành được cài đặt ở thành phần nào trong hệ thống nhớ??? 6/11/2021 33
  34. Mô hình phân lớp của máy tính Người sử dụng Người lập trình Các ứng dụng Người thiết kế HĐH Các phần mềm trung gian Hệ điều hành Phần cứng 6/11/2021 34
  35. 6/11/2021 35
  36. Cấu trúc cơ bản của CPU §¬n vÞ ®iÒu §¬n vÞ sè TËp c¸c khiÓn häc vµ logic thanh ghi (CU) (ALU) (RF) bus bªn trong Ьn vÞ nèi ghÐp bus (BIU) Bus bªn ngoµi 6/11/2021 36
  37. Các thành phần cơ bản của CPU ◼ Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU): điều khiển hoạt động của máy tính theo chương trình đã định sẵn. ◼ Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU): thực hiện các phép toán số học vàcác phép toán logic trên các dữ liệu cụ thể. ◼ Tập thanh ghi (Register File - RF): lưu giữ các thông tin tạm thời hục vụ cho hoạt động của CPU. ◼ Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU) kết nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong (internal bus) và bus bên ngoài (external bus). 6/11/2021 37
  38. Tốc độ của bộ xử lý ◼ Tốc độ của bộ xử lý: - Số lệnh được thực hiện trong 1 giây - MIPS (Millions of Instructions per Second) - Khó đánh giá chính xác ◼ Tần số xung nhịp của bộ xử lý: - Bộ xử lý hoạt động theo một xung nhịp (Clock) có tần số xác định - Tốc độ của bộ xử lý được đánh giá gián tiếp thông qua tần số của xung nhịp 6/11/2021 38
  39. 2. Bộ nhớ máy tính ◼ Chức năng: lưu trữ chương trình và dữ liệu. ◼ Các thao tác cơ bản với bộ nhớ: - Thao tác đọc (Read) - Thao tác ghi (Write) ◼ Các thành phần chính: - Bộ nhớ trong (Internal Memory) - Bộ nhớ ngoài (External Memory) 6/11/2021 39
  40. Các thành phần của bộ nhớ máy tính Bé Bé nhí CPU nhí trong ngoµi 6/11/2021 40
  41. 6/11/2021 41
  42. Bộ nhớ trong ◼ Chức năng và đặc điểm: - Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp - Tốc độ rất nhanh - Dung lượng không lớn - Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM và RAM ◼ Các loại bộ nhớ trong: - Bộ nhớ chính - Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh) 6/11/2021 42
  43. Bộ nhớ chính (Main Memory) Néi dung §Þa chØ 00100100 0000 ◼ Chứa các chương trình và dữ liệu 10011111 0001 đang được CPU sử dụng. 00001101 0010 01010111 0011 ◼ Tổ chức thành các ngăn nhớ được 01010110 0100 đánh địa chỉ. 11001111 0101 11111111 0110 ◼ Ngăn nhớ thường được tổ chức 00100100 0111 theo byte. 10011111 1000 ◼ Nội dung của ngăn nhớ có thể thay 00001101 1001 01010111 1010 đổi, song địa chỉ vật lý của ngăn 01010110 1011 nhớ luôn cố định. 11001111 1100 11111111 1101 00001101 1110 01010111 1111 6/11/2021 43
  44. Bộ nhớ đệm nhanh (Cache memory) ◼ Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy cập bộ nhớ ◼ Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính ◼ Tốc độ nhanh hơn ◼ Cache thường được chia thành một số mức ◼ Cache có thể được tích hợp trên chip vi xử lý. ◼ 6/11/2021Cache có thể có hoặc không 44
  45. Bộ nhớ ngoài (External Memory)  Chức năng và đặc điểm • Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính • Được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào-ra • Dung lượng lớn • Tốc độ chậm • Các loại bộ nhớ ngoài • Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm • Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD • Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card 6/11/2021 45
  46. 3. Hệ thống vào-ra (Input-Output) ◼ Chức năng: Trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài. ◼ Các thao tác cơ bản: - Vào dữ liệu (Input) - Ra dữ liệu (Output) ◼ Các thành phần chính: - Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices) - Các mô-đun vào-ra (IO Modules) 6/11/2021 46
  47. Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra Cæng vµo- ThiÕt bÞ ra ngo¹i vi Phèi ghÐp Cæng vµo- ThiÕt bÞ víi ra ngo¹i vi CPU vµ Modul bé nhí vµo- ra chÝnh Cæng ThiÕt bÞ vµo- ngo¹i vi ra 6/11/2021 47
  48. Các thiết bị ngoại vi ◼ Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính ◼ Các loại thiết bị ngoại vi cơ bản - Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét - Thiết bị ra: màn hình, máy in - Thiết bị nhớ: các ổ đĩa - Thiết bị truyền thông: MODEM 6/11/2021 48
  49. Câu hỏi ◼ Thiết bị nào sau đây khác với các thiết bị còn lại ◼ Loa ◼ Chuột ◼ Máy quét ◼ Mic 6/11/2021 49
  50. Mô-đun vào-ra ◼ Chức năng: nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính ◼ Mỗi mô-đun vào-ra có một hoặc một vài cổng vào-ra (I/O Port). ◼ Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác định. ◼ Các thiết bị ngoại vi được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thông qua các cổng vào-ra. 6/11/2021 50
  51. 2.3. Liên kết hệ thống 1. Luồng thông tin trong máy tính ◼ Các mô-đun trong máy tính: - CPU - Mô-đun nhớ - Mô-đun vào-ra → cần được kết nối với nhau 6/11/2021 51
  52. Sơ đồ cấu trúc bus cơ bản CPU Modul Modul Modul Modul nhí nhí vµo-ra vµo-ra Bus ®Þa chi Bus d÷ liÖu Bus ®iÒu khiÓn 6/11/2021 52
  53. 2. Cấu trúc bus cơ bản • Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin giữa các mô-đun của máy tính với nhau. • Các bus chức năng: • Bus địa chỉ • Bus dữ liệu • Bus điều khiển • Độ rộng bus: là số đường dây của bus có thể truyền các bit thông tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu) 6/11/2021 53
  54. Bus địa chỉ ◼ Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác định ngăn nhớ hay cổng vào-ra ◼ Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng bộ nhớ cực đại của hệ thống. Nếu độ rộng bus địa chỉ là N bit : AN-1, A N-2, A2, A1, A0 → có thể đánh địa chỉ tối đa cho 2N ngăn nhớ ◼ Ví dụ: Bộ xử lý Pentium có bus địa chỉ 32 bit không gian địa chỉ là 232 byte = 4GBytes (đánh địa chỉ theo byte) 6/11/2021 54
  55. Bus dữ liệu 6/11/2021 55
  56. Bus điều khiển ◼ Chức năng: Vận chuyển các tín hiệu điều khiển ◼ Các loại tín hiệu điều khiển: ◼ Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển modul nhớ và modul vào ra ◼ Các tín hiệu từ modul nhớ và modul vào-ra gửi yêu cầu đến CPU 6/11/2021 56
  57. 3. Phân cấp bus trong máy tính ◼ Phân cấp bus cho các thành phần ◼ Bus của vi xử lý ◼ Bus của bộ nhớ chính ◼ Các bus vào-ra ◼ Phân cấp bus khác nhau về tốc độ ◼ Bus bộ nhớ chính và các bus vào-ra không phụ thuộc vào bộ xử lý 6/11/2021 57
  58. Các bus điển hình trong PC 6/11/2021 58
  59. Máy tính Pentium 4 dùng Chipset 845 6/11/2021 59
  60. Chipset 975 6/11/2021 60
  61. 1.3. Hoạt động của máy tính 1. Thực hiện chương trình ◼ Là hoạt động cơ bản của máy tính ◼ Máy tính lặp đi lặp lại hai bước: - Nhận lệnh chu trình lệnh - Thực hiện lệnh ◼ Thực hiện chương trình bị dừng nếu thực hiện lệnh bị lỗi hoặc gặp lệnh dừng. 6/11/2021 61
  62. Chu trình lệnh B¾t ®Çu NhËn lÖnh Thùc hiÖn lÖnh Dõng 6/11/2021 62
  63. Nhận lệnh ◼ Bắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ bộ nhớ chính. ◼ Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) của CPU giữ địa chỉ của lệnh sẽ được nhận. ◼ CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi PC. ◼ Lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh IR (Instruction Register). ◼ Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp. 6/11/2021 63
  64. Thực hiện lệnh ◼ Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao tác mà lệnh yêu cầu. ◼ Các kiểu thao tác của lệnh: ◼ Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính ◼ Trao đổi dữ liệu giữa CPU và mô-đun vào-ra ◼ Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học hoặc phép toán logic với các dữ liệu. ◼ Điều khiển rẽ nhánh ◼ Kết hợp các thao tác trên. 6/11/2021 64
  65. 2. Ngắt (Interrupt) ◼ Khái niệm chung về ngắt: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là chương trình con phục vụ ngắt. ◼ Các loại ngắt: - Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho 0. - Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ lỗi bộ nhớ RAM. - Ngắt do mô-đun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu. 6/11/2021 65
  66. Hoạt động ngắt ◼ Sau khi hoàn thành mỗi một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt ◼ Nếu không có ngắt →bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của chương trình hiện tại ◼ Nếu có tín hiệu ngắt: - Tạm dừng chương trình đang thực hiện - Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt) - Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt - Chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt - Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh và tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng 6/11/2021 66
  67. Hoạt động ngắt (tiếp) Ch¬ng tr×nh ®ang thùc hiÖn lÖnh Ch¬ng tr×nh con phôc vô ng¾t LÖnh LÖnh LÖnh LÖnh LÖnh Ng¾t ë ®©y LÖnh LÖnh i LÖnh LÖnh i + 1 . . . LÖnh RETURN . . . LÖnh 6/11/2021 67
  68. Chu trình lệnh với ngắt B¾t ®Çu NhËn lÖnh Thùc hiÖn Dõng lÖnh N KiÓm tra cã Y ChuyÓn ®Õn ch- ng¾t hay ¬ng tr×nh con kh«ng? phôc vô ng¾t 6/11/2021 68