Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 1: Các khái niệm và công nghệ - Nguyễn Thanh Sơn

BK 
TP.HCM 
Kiến trúc Máy tính 
Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 
Chương 1 
Các khái niệm & Công nghệ 
BK 
TP.HCM 
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 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 2 
BK 
TP.HCM 
Lịch sử phát triển 
 Thế hệ thứ I: 1945 - 1955 
 Đèn chân không, Board mạch 
 Thế hệ thứ II: 1955 - 1965 
 transistors, hệ thống bó (IBM máy tính lớn) 
 Thế hệ thứ III: 1965 – 1980 
 Mạch tổ hợps & Đa lập trình (Mini, Main 
Frame) 
 Thế hệ thứ IV: 1980 – đến nay 
 personal computers 
 Siêu máy tính, Data Center, Tính toán lưới 
 Máy tính bảng với Điện toán đám mây 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 3 
BK 
TP.HCM 
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 
 25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 4 
BK 
TP.HCM 
Thị trường tiêu thụ 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 5 
Triệu cái 
BK 
TP.HCM 
Thực thi chương trình 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 6 
 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 
Nhập/Xuất 
BK 
TP.HCM 
Lộ trình thực hiện lệnh 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 7 
 Ngôn ngữ cấp cao 
 Cấp độ trìu tượng sát thực 
với vấn đề 
 Hiệu quả (productivity) & 
Uyển chuyển (portability) 
 Hợp ngữ (Assembly lang.) 
 Các lệnh mã máy trình bày 
dạng text gợi nhớ 
 Biểu diễn bằng phần cứng 
 Số nhị phân (bits) 
 Mã máy lệnh & Dữ liệu 
BK 
TP.HCM 
Thành phần chính của máy tính 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 8 
 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 
Mổ xẻ bên trong một máy tính 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 9 
Thiết bị 
Xuất 
Thiết bị 
Nhập 
Thiết bị 
Nhập 
Cáp nối 
Mạng 
BK 
TP.HCM 
Ví dụ: Laptop 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 10 
BK 
TP.HCM 
Cơ chế hoạt động của chuột 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 11 
 Chuột quang 
 Bộ phận phát quang 
(LED) 
 Camera nhỏ thu hình 
 Bộ xử lý ảnh đơn giản 
 Thu nhận mỗi chuyển 
động theo trục x, y 
 Nút nhấn & đĩa lỗ 
phân dải 
 Chuột cơ (Supersedes 
roller-ball) 
BK 
TP.HCM 
Thể hiện thông tin trên màn hình 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 12 
 Màn hình tinh thể lỏng(LCD): nhiều điểm 
(pixels) 
 Hiển thị 1 khung ảnh chứa trong bộ nhớ 
BK 
TP.HCM 
Cấu trúc bên trong Bộ xử lý (CPU) 
 Datapath: lộ trình thực hiện các tác vụ 
với dữ liệu 
 Điều khiển: lộ trình thực hiện, bộ nhớ, 
v.v ... 
 Bộ nhớ Cache 
 Một bộ phận bộ nhớ nhỏ nhưng có tốc độ 
truy xuất nhanh (SRAM), dùng lưu trữ 
trung gian các dữ liệu trước khi được truy 
xuất. 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 13 
BK 
TP.HCM 
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 25-Aug-16 14 
AMD Barcelona: 4 lõi (cores) 
BK 
TP.HCM 
Lưu trữ dữ liệu 
 Bộ nhớ chính (volatile) 
 Lưu trữ lệnh và dữ liệu. Thông tin sẽ 
 mất khi tắt nguồn 
 Bộ nhớ thứ cấp (Non-volatile) 
 Đĩa cứng (từ) 
 Bộ nhớ flash 
 Optical disk (CDROM, DVD) 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 15 
BK 
TP.HCM 
Mạng 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 16 
 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 
Xu hướng theo công nghệ 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 17 
DRAM capacity 
 Công nghệ điện tử 
không ngừng phát 
triển: 
 Tăng dung lượng & 
Hiệu suất 
 Giảm giá thành 
BK 
TP.HCM 
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 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 18 
BK 
TP.HCM 
Định nghĩa về Hiệu suất 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 19 
 Hàng không: loại máy bay nào có hiệu suất tốt nhất? 
BK 
TP.HCM 
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 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 20 
BK 
TP.HCM 
Thời gian đáp ứng & hiệu suất đầu ra 
 Thời gian đáp ứng (Response time) 
 Ví dụ: thời gian thực hiện 1 công việc (c.trình) 
 Hiệu suất đầu ra (Throughput) 
 Có bao nhiêu tác vụ được thực hiện hoàn tất trong 
1 đơn vị thời gianTotal work done per unit time 
 Ví dụ: tasks/transactions/ per hour 
 Các thông số trên sẽ bị ảnh hưởng như thế 
nào? Khi: 
 Thay bộ xử lý có tốc độ nhanh hơn? 
 Thêm bộ xử lý vào hệ thống 
 Tập trung vào Thời gian đáp ứng 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 21 
BK 
TP.HCM 
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 25-Aug-16 22 
 ĐN: Hiệu suất = 1/Thời gian thực thi 
(Performance = 1/Execution Time) 
 “Máy X nhanh hơn máy Y n lần”, có nghĩa: 
Hiệu suất: Đại lượng so sánh 
 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 
Đo thời gian thực thi 
 Thời gian tổng thể (Elapsed time) 
 Thời gian thực thi chương trình, bao gồm:Thời gian 
xử lý (CPU), Xuất/Nhập, phí tổn HĐH, thời gian chết 
 Thông số xác định hiệu xuất hệ thống 
 Thời gian Bộ xử lý (CPU time) 
 Thời gian của CPU xử lý chương trình 
 Không kể thời gian I/O, thời gian do chia sẻ  
 Bao gồm thời gian CPU dành cho chương 
trình người dùng + chương trình hệ thống 
 Các chương trình khác nhau sẽ bị ảnh hưởng 
khác nhau bởi hiệu suất CPU và hệ thống 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 
23 
BK 
TP.HCM 
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. 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 24 
 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 
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 25-Aug-16 25 
Thời gian Bộ Xử lý (CPU Time) 
 Hiệu suất sẽ được cải thiện bằng cách 
 Giảm số chu kỳ CPU 
 Tăng tần số đồng hồ 
 Người thiết kế phần cứng luôn phải hài hòa 
giữa tần số đồng hồ với số chu kỳ thực hiện 
BK 
TP.HCM 
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? 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 26 
BK 
TP.HCM 
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 
 Số lệnh của 1 chương trình được xác định 
bởi: Bản thân chương trình, ISA & Biên dịch 
 Số chu kỳ trung bình cho 1 lệnh: 
 Xác định bởi phần cứng CPU 
 Nếu lệnh có giá trị CPI khác nhau: CPI trung bình 
tổng thể 
25-Aug-16 27 
Số lệnh (inst. Count) và CPI 
BK 
TP.HCM 
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? 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 28 
BK 
TP.HCM 
Cách tính CPI tổng quan 
 Nếu các loại lệnh khác nhau thực hiện 
với số chu kỳ khác nhau trên mỗi lệnh 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 29 
 CPI trung bình trọng số 
BK 
TP.HCM 
Ví dụ: CPI trung bình 
 Sau khi biên dịch 1 chương trình với 3 loại 
lệnh A, B, C cho kết quả: 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 30 
 Kết quả biên dịch 1: IC = 5 
 Clock Cycles 
= 2×1 + 1×2 + 2×3 
= 10 
 Avg. CPI = 10/5 = 2.0 
 Kết quả biên dịch 2: IC = 6 
 Clock Cycles 
= 4×1 + 1×2 + 1×3 
= 9 
 Avg. CPI = 9/6 = 1.5 
BK 
TP.HCM 
Rút ra những gì về Hiệu suất 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 31 
 Công thức tổng quan 
 Phụ thuộc vào các yếu tố: 
 Giải thuật: IC, có thể cả CPI 
 Ngôn ngữ lập trình: IC, CPI 
 Biên dịch: IC, CPI 
 Kiến trúc tập lệnh: IC, CPI, Tc 
BK 
TP.HCM 
Năng lượng tiêu thụ 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 32 
 Trong công nghệ chế tạo CMOS IC 
BK 
TP.HCM 
Giảm năng lượng tiêu thụ 
 Giả sử 1 CPU mới so với 1 CPU cũ 
 85% tải 
 Giảm 15% nguồn (V) và 15% tần số 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 33 
 Ngưỡng về năng lượng tiêu thụ 
 Không thể tiếp tục giảm nguồn (v) 
 Không thể làm hạn chế nhiệt sinh ra càng tăng 
 Vậy cải thiện hiệu suất bằng cách nào? 
BK 
TP.HCM 
Hiệu suất đơn xử lý 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 34 
BK 
TP.HCM 
Nhiều bộ xử lý kết hợp 
 Bộ xử lý đa lõi 
 Nhiều bộ xử lý trên cùng 1 chip 
 Yêu cầu lập trình song song tường minh 
 Compare with instruction level parallelism 
 Nhiều lệnh phần cứng thực hiện đồng thời 
 Hidden from the programmer 
 Khó khăn 
 Làm sao lập trình với hiệu suất cao 
 Cân bằng tải 
 Tối ưu trao đổi dữ liệu và đống bộ 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 35 
BK 
TP.HCM 
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) 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 36 
BK 
TP.HCM 
CINT2006 for Opteron X4 2356 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 37 
BK 
TP.HCM 
SPECpower_ssj2008 for X4 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 38 
BK 
TP.HCM 
MIPS đại lượng đo hiệu suất 
 MIPS = Millions of Instructions Per Second 
 Không dùng vào mục đích so sánh 
 Sự khác nhau về Kiến trúc tập lệnh của máy tính 
 Sự khác nhau vế độ phức tạp của lệnh 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 39 
 Các chương trình cùng thực hiện trên 1 CPU 
có thể có CPI khác nhau 
BK 
TP.HCM 
Quy trình chế tạo mạch 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 40 
 Độ lợi (Yield): số chip đạt yêu cầu/mỗi 
wafer 
BK 
TP.HCM 
AMD Opteron X2 Wafer 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 41 
 X2: 300mm wafer, 117 chips, 90nm technology 
 X4: 45nm technology 
BK 
TP.HCM 
Giá thành mạch tích hợp 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 42 
 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 
Kết luận 
 Giá thành/Hiệu suất ngày càng cải thiện 
 Công nghệ phát triển 
 Cấu trúc tổ chức phân tầng ý niệm 
 Cả phần cứng lẫn mềm 
 Kiến trúc tập lệnh 
 Phần giao Phần cứng/Mềm 
 Thời gian thực thi: cách tốt nhất đo hiệu 
suất 
 Năng lượng (Power): yếu tố cản trở nhất 
 Song song hóa cải thiện hiệu suất 
25-Aug-16 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 43