Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 1: Các khái niệm & Công nghệ

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 1: Các khái niệm & Công nghệ

1. Cuộc cách mạng Máy tính  Tiến bộ trong Công nghệ: theo cấp số  Dựa trên định luật Moore  Biến các ứng dụng mơ ước trở thành hiện thực  Lĩnh vực xe hơi  Phone cầm tay  Các dự án về Gen  World Wide Web  Search Engines  Ngày nay, máy tính hiện hữu khắp nơi BK TP.HCM 25 -Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 2
2. Phân loại Máy tính hiện nay  Máy tính để bàn (Desktop Computers)  Đa năng, Đa dạng phần mềm  Cân đối theo giá thành/Hiệu suất  Máy tính Server (Server Computers)  Môi trường mạng  Dung lượng lớn, Hiệu suất cao, Độ tin cậy tốt  Đủ loại cấp độ (từ nhỏ đến lớn theo yêu cầu lắp đặt)  Máy tính nhúng (Embedded computers)  Tích hợp như là một bộ phận trong các hệ thống  Yêu cầu những ràng buộc chặt chẽ về Công suất/Hiệu suất/Giá thành BK TP.HCM 25 -Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 4
3. Thực thi chương trình  Phần mềm ứng dụng  Ngôn ngữ cấp cao  Phần mềm hệ thống  Biên dịch: Ngôn ngữ cấp cao Mã máy  Hệ điều hành: thực thi dịch vụ  Xử lý Xuất/Nhập  Quản trị bộ nhớ chính & lưu trữ  Định thời công việc & tài nguyên chung  Phần cứng  Bộ Xử lý, Bộ nhớ, Điều khiền BK TP.HCM Nhập/Xuất 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 6
4. Thành phần chính của máy tính  Giống nhau cho các loại, bao gồm (5 thành phần):  Để bàn, server, nhúng  Nhập/Xuất bao gồm:  Giao tiếp với người dùng  Màn hình, bàn phím, chuột  Thiết bị lưu trữ  Đĩa cứng, CD/DVD, flash  Giao tiếp mạng  Liên lạc với các máy tính khác BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 8
5. Ví dụ: Laptop BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 10
6. Thể hiện thông tin trên màn hình  Màn hình tinh thể lỏng(LCD): nhiều điểm (pixels)  Hiển thị 1 khung ảnh chứa trong bộ nhớ BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 12
7. AMD Barcelona: 4 lõi (cores) BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 14
8. Mạng  Môi trường liên lạc và chia sẻ tài nguyên  Mạng cục bộ (LAN): Ethernet  Trong cùng văn phòng, tòa nhà, v.v.  Mạng diện rộng (WAN: the Internet)  Mạng không dây: WiFi, Bluetooth BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 16
9. Các khái niệm trìu tượng  Abstractions  Giúp hạn chế độ phức tạp  Ẩn những vấn đề chi tiết cấp thấp  Kiến trúc tập lệnh (ISA = Instruction set architecture)  Phần giao giữa Cứng/Mềm  Giao tiếp ứng dụng  (ISA) + Phần mềm hệ thống  Thực hiện  Cụ thể lớp dưới và phần giao tiếp BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 18
10. Hiệu suất hệ thống  Giải thuật  Xác định số tác vụ thực thi (number of operations)  Ngôn ngữ lập trình, Trình biên dịch, Kiến trúc  Xác định số lệnh máy thực thi cho mỗi tác vụ (operation)  Bộ Xử lý và Hệ thống bộ nhớ  Xác định tốc độ xử lý mỗi lệnh máy  Hệ thống Nhập/Xuất (bao gồm Hệ điều hành)  Xác định tốc độ thực thi của mỗi tác vụ I/O BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 20
11. Hiệu suất: Đại lượng so sánh  ĐN: Hiệu suất = 1/Thời gian thực thi (Performance = 1/Execution Time)  “Máy X nhanh hơn máy Y n lần”, có nghĩa:  Ví dụ: thời gian thực thi 1 chương trình  Mất 10s trên máy A, 15s trên máy B  Execution TimeB / Execution TimeA = 15s / 10s = 1.5  Có nghĩa máy A nhanh hơn máy B 1.5 lần BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 22
12. Xung đồng hồ Bộ xử lý  Các tác vụ mạch số (phần cứng) được thực hiện dưới tác dụng của xung đồng hồ có tần số cố định.  Chu kỳ đồng hồ: Khoảng thời gian cho 1 chu kỳ, ví dụ: 250ps = 0.25ns = 250×10–12s  Tần số (rate): số chu kỳ/mỗi giây, Ví dụ: 4.0GHz = 4000MHz = 4.0×109Hz BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 24
13. Ví dụ: Thời gian Bộ xử lý  Máy tính A: 2GHz clock, thực thi mất 10s CPU time  Thiết kế máy tính B sao cho:  Thời gian thực thi chỉ mất 6s CPU time  Với đồng hồ nhanh hơn, nhưng mất 1.2 lần chu kỳ đồng hồ để thực thi  Vậy đồng hồ máy B phải là bao nhiêu? BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 26
14. Ví dụ: Chu kỳ/lệnh (CPI)  Máy A: T.gian/ck = 250ps, CPI = 2.0  Máy B: T.gian/ck = 500ps, CPI = 1.2  A & B có cùng kiến trúc tập lệnh  Máy nào nhanh hơn, hơn bao nhiêu? BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 28
15. Ví dụ: CPI trung bình  Sau khi biên dịch 1 chương trình với 3 loại lệnh A, B, C cho kết quả:  Kết quả biên dịch 1: IC = 5  Kết quả biên dịch 2: IC = 6  Clock Cycles  Clock Cycles = 2×1 + 1×2 + 2×3 = 4×1 + 1×2 + 1×3 = 10 = 9  Avg. CPI = 10/5 = 2.0  Avg. CPI = 9/6 = 1.5 BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 30
16. Năng lượng tiêu thụ  Trong công nghệ chế tạo CMOS IC BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 32
17. Hiệu suất đơn xử lý BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 34
18. SPEC CPU Benchmark  Tập các chương trình để đo hiệu suất  Có tải đặc thù sát với thực tế  Standard Performance Evaluation Corp (SPEC)  Phát triển các bộ đánh giá (benchmarks) cho CPU, I/O, Web,  SPEC CPU2006  Tổng thời gian thực thi 1 nhóm chương trình được chọn ra để đánh giá  Không tính t.gian I/O, chỉ tập trung vào CPU  Normalize relative to reference machine  Summarize as geometric mean of performance ratios  CINT2006 (integer) and CFP2006 (floating-point) BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 36
19. SPECpower_ssj2008 for X4 BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 38
20. Quy trình chế tạo mạch  Độ lợi (Yield): số chip đạt yêu cầu/mỗi wafer BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 40
21. Giá thành mạch tích hợp  Quan hệ phi tuyến với thiết diện Wafe & tỷ lệ lỗi  Giá thành Wafer & thiết diện cố định  Tỷ lệ lỗi phụ thuộc vào quy trình sản xuất  Thiết diện chip phụ thuộc vào kiến trúc & thiết kế mạch BK TP.HCM 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 42