Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Computer System Part 1

748 views

Published on

  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Computer System Part 1

  1. 1. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT Contact Offices: Room 503-B1, DCE, SoICT Mobile: 091 358 5533 091-358-5533 HỆ THỐNG MÁY TÍNH e-mail: Computer System khanhnk@soict.hut.edu.vn khanhnk@mail.hut.edu.vn Nguyễn Kim Khánh, PhD. in Computer Engineering Bộ môn Kỹ thuật máy tính Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 22 August 2011 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Mục tiêu học phần Tài liệu tham khảo chính 1. William Stallings - Computer Là học phần tiếp theo của Kiến trúc máy tính, Organization and Architecture – nhằm giới thiệu các kiến thức cơ bản về hệ g ệ ệ Designing for Performance – 2009 g g thống máy tính bao gồm: kiến trúc bộ nhớ, (8th edition) kiến trúc vào-ra, kiến trúc CPU và các kiến 2. David A. Patterson & John L. trúc máy tính song song. Hennessy - Computer Sinh viên có khả năng đánh giá được hiệu Organization and Design: The năng của các họ máy tính, khai thác và sử Hardware/Software Interface – 2009 dụng hiệu quả các loại máy tính và có khả (4th edition) năng tiếp cận để phát triển các hệ máy tính nhúng phục vụ các mục đích chuyên dụng. 3. Behrooz Parhami - Computer Architecture: From Microprocessors to Supercomputers - 2005 22 August 2011 22 August 2011Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 1
  2. 2. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Nội dung học phần Hệ thống máy tính Chương 1. Giới thiệu chung Chương 2. Kiến trúc bộ nhớ ế Chương 1 Chương 3. Kiến trúc vào-ra Chương 4. Kiến trúc bộ xử lý GIỚI THIỆU CHUNG Chương 5. Kiến trúc máy tính tiên tiến Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 22 August 2011 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Nội dung 1.1. Máy tính và phân loại Máy tính (Computer) là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau: 1.1. 1 1 Máy tính và phân loại Nhận thông tin vào, vào Xử lý thông tin theo chương trình được nhớ sẵn bên 1.2. Kiến trúc máy tính trong, 1.3. Sự phát triển của máy tính Đưa thông tin ra. 1.4. Hiệu năng máy tính 22 August 2011 7 22 August 2011 8Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 2
  3. 3. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Phân loại máy tính Phân loại máy tính hiện đại Phân loại truyền thống: Theo Hennessy/Patterson: Máy i tính (Microcomputers) Má vi tí h (Mi t ) Máy tính để bàn (Desktop Computers) Máy tính nhỏ (Minicomputers) Máy chủ (Server Computers) Máy tính lớn (Mainframe Computers) Siêu máy tính (Supercomputers) Máy tính nhúng (Embedded Computers) 22 August 2011 9 22 August 2011 10 NKK-HUT NKK-HUT 1.2. Kiến trúc máy tính Định nghĩa của Hennessy/ Patterson Định nghĩa trước đây về kiến trúc máy Kiến trúc máy tính bao gồm: tính: Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập Cách nhìn logic của máy tính từ người lập trình (hardware/software interface). trình (hardware/software interface) Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture cứu thiết kế máy tính ở mức cao,chẳng hạn như hệ – ISA) thống nhớ, cấu trúc bus, thiết kế bên trong CPU. Phần cứng (Hardware): nghiên cứu thiết kế logic chi Là định nghĩa hẹp tiết và công nghệ đóng gói của máy tính. Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức và phần cứng máy tính thay đổi rất nhanh. 22 August 2011 11 22 August 2011 12Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 3
  4. 4. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Kiến trúc tập lệnh Cấu trúc cơ bản của máy tính Kiến trúc tập lệnh của máy tính bao gồm: CPU Bé nhí chÝnh Tập lệnh: tập hợp các chuỗi số nhị phân mã hoá cho các thao tác mà máy tính có thể thực hiện Bus liªn kÕt hÖ thèng Các kiểu dữ liệu: các kiểu dữ liệu mà máy tính có thể xử lý y ý Vμo-ra 22 August 2011 13 22 August 2011 14 NKK-HUT NKK-HUT Các thành phần cơ bản của máy tính Mô hình phân lớp của máy tính Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): Điều khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu liệu. Bộ nhớ chính (Main Memory): Chứa các chương trình và dữ liệu đang được sử dụng. Vào ra (Input/Output): Trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài. Bus liên kết hệ thống (System Interconnection Bus): Kết nối và vận chuyển thông tin giữa Phần cứng (Hardware): hệ thống vật lý của máy tính. các thành phần với nhau. Phần mềm (Software): các chương trình và dữ liệu. 22 August 2011 15 22 August 2011 16Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 4
  5. 5. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT 1.3. Sự phát triển của của máy tính Sự phát triển của bộ vi xử lý Các thế hệ máy tính 1971: bộ vi xử lý 4-bit Intel 4004 Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1950s) 1972-1977: các bộ xử lý 8-bit Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor 1978-1984: các bộ xử lý 16-bit (1960s) Khoảng từ 1985: các bộ xử lý 32-bit Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI, Khoảng từ 2000: các bộ xử lý 64-bit MSI và LSI (1970s) Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI Từ 2006: các bộ xử lý đa lõi (multicores): (1980s) Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch ULSI, SoC (1990s) 22 August 2011 17 22 August 2011 18 NKK-HUT NKK-HUT Máy tính ngày nay 1.4. Hiệu năng máy tính Massive Cluster Định nghĩa hiệu năng: Clusters Gigabit Ethernet Performance = 1/Execution Time “Máy tính X nhanh hơn máy Y n lần” Performanc e X Performanc e Y efrigerators = Execution time Y Execution time X = n Ví dụ: Thời gian chạ chương trình d chạy ch ơng trình: Re Sensor Nets 10s trên máy A, 15s trên máy B Cars Execution TimeB / Execution TimeA Robots = 15s / 10s = 1.5 Routers 22 August 2011 19 22 August 2011 Vậy máy A nhanh hơn máy B 1.5 lần 20Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 5
  6. 6. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Xung nhịp của CPU Thời gian CPU Hoạt động của CPU được điều khiển bởi xung CPU Time = CPU Clock Cycles × Clock Cycle Time nhịp có tần số xác định Clock period CPU Clock Cycles = Clock (cycles) Clock Rate Data transfer and computation Update state Hiệu năng được tăng lên bằng cách: Chu kỳ xung nhịp (Clock period): thời gian của Giảm số chu kỳ xung nhịp một chu kỳ ột h kỳ: Tăng tần số xung nhịp (Clock Rate) ầ ố (C ) VD: 250ps = 0.25ns = 250×10–12s Tần số xung nhịp (Clock frequency hay Clock rate): số chu kỳ trong 1 giây: VD: 4.0GHz = 4000MHz = 4.0×109Hz 22 August 2011 21 22 August 2011 22 NKK-HUT NKK-HUT Ví dụ Số lệnh và số chu kỳ trên một lệnh Máy tính A: 2GHz clock, 10s CPU time Clock Cycles = Instruction Count × Cycles per Instruction Máy tính B CPU Time = Instruction Count × CPI × Clock Cycle Time 6s CPU time Số chu kỳ xung nhịp của B = 1.2 x Số chu kỳ xung nhịp của A Instruction Count × CPI = Xác định tần số xung nhịp của máy B? Clock Rate Clock CyclesB 1.2 × Clock CyclesA Số lệnh của chương trình: IC (Instruction Count): Clock RateB = = CPU Time B 6s Được xác định bởi chương trình, kiến trúc tập lệnh và chương trình dịch Cl k C l A = CPU Ti A × Cl k R t A Clock Cycles Time Clock Rate Số chu kỳ trên một lệnh: CPI (Cycles per Instruction) = 10s × 2GHz = 20 × 10 9 CPI trung bình: Được xác định bởi phần cứng CPU 1.2 × 20 × 10 9 24 × 10 9 Các lệnh khác nhau có CPI khác nhau Clock RateB = = = 4GHz 6s 6s 22 August 2011 23 22 August 2011 24Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 6
  7. 7. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT Ví dụ Chi tiết hơn về CPI Máy tính A: Cycle Time = 250ps, CPI = 2.0 Nếu loại lệnh khác nhau có số chu kỳ khác Máy tính B: Cycle Time = 500ps, CPI = 1.2 nhau Cùng kiến trúc tập lệnh (ISA) n Máy nào nhanh hơn và nhanh hơn bao nhiêu ? Clock Cycles = ∑ (CPIi × Instruction Count i ) i=1 CPU Time = Instruction Count × CPI × Cycle Time A A A = I × 2.0 × 250ps = I × 500ps CPI trung bình: A nhanh hơn… CPU Time = Instruction Count × CPI × Cycle Time Clock Cycles n ⎛ Instruction Count i ⎞ B B B CPI = = ∑ ⎜ CPIi × ⎟ = I × 1.2 × 500ps = I × 600ps Instruction Count i=1 ⎝ Instructio n Count ⎠ CPU Time B = I × 600ps = 1.2 …lần CPU Time I × 500ps A 22 August 2011 25 22 August 2011 26 NKK-HUT NKK-HUT Ví dụ Tóm tắt về Hiệu năng Cho bảng chỉ ra các dãy lệnh sử dụng các lệnh Instructio ns Clock cycles Seconds thuộc các loại A, B, C CPU Time = × × Program Instructio n Clock cycle Loại lệnh A B C CPI theo loại lệnh 1 2 3 IC trong dãy lệnh 1 2 1 2 Hiệu năng phụ thuộc vào: IC trong dãy lệnh 2 4 1 1 Thuật toán: ảnh hưởng tới IC, có thể cả CPI Ngôn ngữ lập trình: ảnh hưởng tới IC, CPI Dãy lệnh 1: IC = 5 Dãy lệnh 2: IC = 6 Clock Cycles Clock Cycles Chương t ì h dịch: ảnh h ở tới IC CPI Ch trình dị h ả h hưởng IC, = 2×1 + 1×2 + 2×3 = 4×1 + 1×2 + 1×3 Kiến trúc tập lệnh: ảnh hưởng tới IC, CPI, Tc = 10 =9 Avg. CPI = 10/5 = 2.0 Avg. CPI = 9/6 = 1.5 22 August 2011 27 22 August 2011 28Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 7
  8. 8. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT NKK-HUT MIPS như là thước đo hiệu năng Ví dụ MIPS: Millions of Instructions Per Second Tính MIPS của bộ xử lý với: (Số triệu lệnh trên 1 giây) clock rate = 2GHz và CPI = 4 Instruction count MIPS = Execution time × 10 6 Instruction count Clock rate = = 0.5ns Instruction count × CPI CPI × 10 6 × 10 6 Clock rate 2ns 1 chu kỳ = 1/(2x109) = 0,5ns Clock rate CPI = CPI = 4 1 lệnh = 4x0,5ns = 2ns MIPS × 10 6 Vậy bộ xử lý thực hiện được 500MIPS 22 August 2011 29 22 August 2011 30 NKK-HUT NKK-HUT Ví dụ MFLOPS Tính CPI của bộ xử lý với: Millions of Floating Point Operations per Second clock rate = 1GHz và 400 MIPS? (Số triệu phép toán số dấu phẩy động trên một giây) Executed floating point operations MFLOPS = Execution time × 10 6 1ns GFLOPS(109 ) 4x10 lệnh thực hiệ t 4 108 lệ h th hiện trong 1s1 1 lệnh thực hiện trong 1/(4x108)s = 2,5ns TFLOPS(1012) CPI = 2,5 22 August 2011 31 22 August 2011 32Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 8
  9. 9. Bài giảng Hệ thống máy tính 22 August 2011 NKK-HUT Hết chương 1 22 August 2011 33Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 9

×