Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 1: Giới thiệu

Kiến trúc máy tínhComputer architecture 
To improve is to change; to be perfect is to change often. 
Winston Churchill 
February 14, 2024 
SET - HUST 
1 
Nội dung môn học 
Chương 1: Giới thiệu 
Chương 2: Kiến trúc tập lệnh MIPS – 32 bits 
Chương 3: Bộ xử lý MIPS – 32 bits 
Chương 4: Xử lý đường ống 
Chương 5: Bộ nhớ máy tính 
Chương 6: Tổ chức Vào/ra 
February 14, 2024 
SET - HUST 
2 
Tài liệu tham khảo 
 / và 
 / 
Computer Organization and Design, 5th Edition : The Hardware/Software Interface 
February 14, 2024 
SET - HUST 
3 
Lịch sử phát triển của máy tính 
February 14, 2024 
SET - HUST 
4 
Cơ 
Blaise Pascal (1642) 
1642 - 1945 
ENIAC (1946) 
18.000 bóng đèn 
1500 rơle 
30 tấn 
140 kw 
Transistor (1958) 
Burroughs 6500 
NCR, CDC 6600 
IC(Integrated Circuit) 
LSI – VLSI 
Xử lý song song 
1950s : Máy tính số học 
1960s: Có hệ điều hành, quản lý bộ nhớ mức thấp 
1970s to mid 1980s: 
Có thiết kế tập lệnh và trình biên dịch. 
Bộ nhớ chia sẻ đa xử lý. 
1990s: CPU, bộ nhớ , I/O system, Multi-processors, kết nối mạng, Thiết kế mức VLSI 
2000s: 
Kiến trúc đặc trưng, có khả năng cấu hình lại, di động, tiêu thụ ít năng lượng, xử lý song song. 
Máy tính hiện đại 
5 
Personal Mobile Devices 
6 
    Máy tính hiện đại 
7 
    Máy tính hiện đại 
Quan niệm truyền thống về cấu trúc máy tính 
February 14, 2024 
SET - HUST 
8 
Phần 
cứng 
Phần mềm 
hệ thống 
Phần mềm ứng dụng 
Phân loại 
Chức năng 
Máy tính chuyên dụng 
Máy tính nhúng 
Cấu trúc bộ xử lý 
RISC 
ARM, SuperH, MIPS , SPARC, DEC Alpha, PA-RISC-V, PIC, PowerPC IBM. 
CISC 
 PDP-11, VAX, Motorola 68k, x86 intel. 
Cấu tạo 
Von newmann 
Harvard 
Quan niệm truyền thống về cấu trúc máy tính 
9 
I/O system 
Processor 
Compiler 
Operating 
System 
(Mac OSX) 
Application (ex: browser) 
Digital Design 
Circuit Design 
Instruction Set 
 Architecture 
Datapath & Control 
transistors 
Memory 
Hardware 
Software 
Assembler 
Application 
Libraries 
Operating System 
Programming Language 
Assembler Language 
Graphical Interface 
Processor 
IO System 
Logic Design 
Datapath and Control 
Circuit Design 
Semiconductors 
Materials 
Firmware 
Circuits and devices 
Fabrication 
Digital Design 
Computer Design 
ApplicationProgramming 
System Programming 
Microprogramming 
Instruction Set Architecture - “ Machine Language ” 
Cấu trúc máy tính 
February 14, 2024 
SET - HUST 
10 
Kiến trúc máy tính? 
Application Programming 
System Programming 
February 14, 2024 
SET - HUST 
11 
instruction set 
software 
hardware 
Processor Architecture 
Computer Organization 
Computer Architecture = Instruction Set Architecture + Machine Organization 
Bắt đầu từ : Nguyên lý thiết kế và cấu trúc máy tính truyền thống  Hiểu nguyên lý thiết kế Thiết kế máy tính theo yêu cầu  Cấu trúc bộ xử lý MIPS – 32 MIPS = Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages 
February 14, 2024 
SET - HUST 
12 
To change 
February 14, 2024 
SET - HUST 
13 
14 
Gordon MooreIntel CofounderB.S. Cal 1950! 
# of transistors on an integrated circuit (IC) 
Year 
Định luật Moore: Moore’s Law 
Predicts: 
2X Transistors / chip every 2 years 
Định luật Moore 
15 
Moore’s Law 
1965-2020? 
Định luật Moore là một bước ngoặt lớn trong ngành công nghệ điện tử, giải thích tại sao nhà sản xuất có thể giảm giá thành trong khi vẫn tiếp tục nâng cao hiệu suất của phần cứng . 
Hiện nay, thời gian để tăng đôi số transistor/inch vuông đã dài hơn vì kích thước transistor không thể giảm nhỏ kích thước phân tử <14nm (Hạn chế về thiết kế vật lý). 
Đánh giá khả năng lưu trữ trên bộ nhớ tương tự của Jim Gray How Far Away is the Data? 
Registers 
On Chip Cache 
On Board Cache 
Memory 
Disk 
1 
2 
10 
100 
Tape /Optical 
 Robot 
10 
9 
10 
6 
Hà Nội 
Đại học BK HN 
TC-406 
My Head 
10 min 
1.5 hr 
2 Years 
1 min 
Sao diêm vương 
2,000 Years 
Chòm tiên nữ 
(ns) 
Jim Gray  Turing Award 
B.S . Cal 1966 
Ph.D. Cal 1969 ! 
 Dung lượng 
 Thời gian lưu trữ /truy cập 
Nguyên lý về định vị và phân cấp bộ nhớ 
2/14/2024 
17 
Xử lý song song 
18 
Quan niệm mới (phức tạp hơn một chút!) 
Parallel Requests 
Assigned to computer 
e.g., Search “Katz” 
Parallel Threads 
Assigned to core 
e.g., Lookup, Ads 
Parallel Instructions 
>1 instruction @ one time 
e.g., 5 pipelined instructions 
Parallel Data 
>1 data item @ one time 
e.g., Add of 4 pairs of words 
Hardware descriptions 
All gates functioning in parallel at same time 
19 
SmartPhone 
Warehouse-Scale Computer 
Software Hardware 
HarnessParallelism & 
Achieve HighPerformance 
Logic Gates 
Core 
Core 
 Memory (Cache) 
Input/Output 
Computer 
Main Memory 
Core 
 Instruction Unit(s) 
 Functional 
Unit(s) 
A 3 +B 3 
A 2 +B 2 
A 1 +B 1 
A 0 +B 0 
2/14/2024 
20 
Luật Amdahl: Amdahl’s Law 
Gene Amdahl 
Computer Pioneer 
Tiến trình tìm hiểu về kiến trúc máy tính 
February 14, 2024 
SET - HUST 
21 
µProc 
60%/yr. 
(2X/1.5yr) 
DRAM 
9%/yr. 
(2X/10 yrs) 
1 
10 
100 
1000 
1980 
1981 
1983 
1984 
1985 
1986 
1987 
1988 
1989 
1990 
1991 
1992 
1993 
1994 
1995 
1996 
1997 
1998 
1999 
2000 
DRAM 
CPU 
1982 
Processor-Memory 
Performance Gap:(grows 50% / year) 
Performance 
Time 
“ Moore ’ s Law ” 
Arithmetic 
Single/multicycle 
Datapaths 
IFetch 
Dcd 
Exec 
Mem 
WB 
IFetch 
Dcd 
Exec 
Mem 
WB 
IFetch 
Dcd 
Exec 
Mem 
WB 
IFetch 
Dcd 
Exec 
Mem 
WB 
Pipelining 
Memory Systems 
I/O 
Cấu tạo của máy tính 
February 14, 2024 
SET - HUST 
22 
Control 
Datapath 
Memory 
Processor 
Input 
Output 
Cấu tạo bộ xử lý 
February 14, 2024 
SET - HUST 
23 
Bộ xử lý cơ bản: Bộ nhớ, Khối điều khiển, Khối tính toán 
February 14, 2024 
SET - HUST 
24 
Các cấp độ diễn tả trừu tượng 
lw	 $t0, 0($2) 
lw	 $t1, 4($2) 
sw	 $t1, 0($2) 
sw	 $t0, 4($2) 
High Level LanguageProgram (e.g., C