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

 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
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 2
 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
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 3
 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
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 4
 Thị trường tiêu thụ
 Triệu cái
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 5
 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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 6
 Lộ trình thực hiện lệnh
  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
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 7
 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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 8
 Mổ xẻ bên trong một máy tính
 Thiết bị
 Xuất
 Cáp nối
 Mạng
 Thiết bị Thiết bị
 Nhập Nhập
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 9
 Ví dụ: Laptop
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 10
 Cơ chế hoạt động của chuột
  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
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 11
 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
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 12
 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.
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 13
 AMD Barcelona: 4 lõi (cores)
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 14
 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)
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 15
 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
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 16
 Xu hướng theo công nghệ
  Công nghệ điện tử 
 không ngừng phát 
 triển:
  Tăng dung lượng & 
 Hiệu suất
 DRAM capacity
  Giảm giá thành
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 17
 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
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 18
 Định nghĩa về Hiệu suất
  Hàng không: loại máy bay nào có hiệu suất tốt nhất?
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 19
 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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 20
 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
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 21
 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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 22
 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
 BK
TP.HCM 23
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
 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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 24
 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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 25
 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
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 26
 Số lệnh (inst. Count) và CPI
  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
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 27
 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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 28
 Cách tính CPI tổng quan
  Nếu các loại lệnh khác nhau thực hiện 
 với số chu kỳ khác nhau trên mỗi lệnh
  CPI trung bình trọng số
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 29
 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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 30
 Rút ra những gì về Hiệu suất
  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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 31
 Năng lượng tiêu thụ
  Trong công nghệ chế tạo CMOS IC
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 32
 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
  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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 33
 Hiệu suất đơn xử lý
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 34
 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
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 35
 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
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 36
 CINT2006 for Opteron X4 2356
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 37
 SPECpower_ssj2008 for X4
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 38
 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
  Các chương trình cùng thực hiện trên 1 CPU 
 có thể có CPI khác nhau
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 39
 Quy trình chế tạo mạch
  Độ lợi (Yield): số chip đạt yêu cầu/mỗi 
 wafer
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 40
 AMD Opteron X2 Wafer
  X2: 300mm wafer, 117 chips, 90nm technology
  X4: 45nm technology
 BK
TP.HCM
 4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 41
 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
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 42
 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
BK
TP.HCM
4/5/2019 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 43