Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 2: Lịch sử phát triển của máy tính - Nguyễn Hằng Phương

 được Tốc độ nhanh hơn lõi 
 bằng đơn lõi nhớ 
 1974, giá 1 bit của bộ nhớ bán dẫn thấp hơn giá của bộ nhớ lõi 
 Giá bộ nhớ tiếp tục giảm mạnh khi mật độ bộ Sự phát triển công nghệ bộ nhớ và xử lý làm 
 nhớ vật lý tăng nhanh thay đổi bản chất của máy tính gần 1 thập kỉ 
 Kể từ năm 1970 bộ nhớ bán dẫn đã trả qua 13 thế hệ phát triển 
 Mỗi thế hệ sau lại tăng mật độ bộ nhớ lên gấp 4 lần so với thế hệ trước cùng với giảm giá 
 thành và thời gian truy câp. 
+ 
 Vi xử lý 
  Mật độ các thành phần trên chip xử lý tiếp tục tăng 
  Ngày càng nhiều thành phần đặt trên chip dẫn đến càng ít chip cần 
 thiết để xây dựng một bộ xử lý máy tính 
  1971 Intel phát triển dòng 4004 
  Chip đầu tiên chứa được tất cả thành phần của CPU trên 1 chip đơn 
  Sự ra đời của bộ vi xử lý 4 bit 
  1972 Intel phát triển dòng 8008 
  Vi xử lý 8 bit đầu tiên 
  1974 Intel phát triển dòng 8080 
  Vi xử lý đa năng đầu tiên 
  Nhanh hơn, tập lệnh phong phú hơn, khả năng định địa chỉ rộng hơn 
Quá trình phát triển của vi xử lý Intel 
 a. 1970s Processors 
 b. 1980s Processors 
Quá trình phát triển của vi xử lý Intel 
 c. 1990s Processors 
 d. Recent Processors 
2. CÁC ĐẶC TÍNH THIẾT KẾ MÁY TÍNH 
 + 
+ 
 2.1 Tốc độ vi xử lý 
 Kĩ thuật xây dựng bộ vi xử lý hiện đại bao gồm: 
 Kỹ thuật ống dẫn (Pipelining) 
 • Bộ xử lý thi hành cùng một lúc nhiều lệnh 
 Dự đoán nhánh 
 • Bộ xử lý tra mã lệnh tìm được từ bộ nhớ và dự đoán nhánh nào 
 hoặc nhóm lệnh nào được xử lý tiếp theo. 
 Phân tích dòng dữ liệu 
 • Bộ xử lý phân tích lệnh nào phụ thuộc vào kết quả của lệnh khác, 
 hoặc dữ liệu, để đưa ra lịch trình xử lý lệnh tối ưu nhất 
 Thi hành lệnh theo suy đoán 
 • Sử dụng dự đoán nhánh và phân tích dòng dữ liệu, một số bộ xử lý 
 thi hành lệnh trước khi nó xuất hiện, giữ kết quả trong một vùng 
 tạm thời, giữ cho bộ máy luôn hoạt động bận rộn. 
+ 
 2.2 Cân bằng Hiệu suất 
  Điều chỉnh kiến trúc và tổ chức để bù đắp cho sự chênh lệch giữa 
 khả năng khác nhau của các thành phần. 
  Ví dụ về kiến trúc bao gồm: 
  Tăng số lượng bit được lấy ra tại 1 thời điểm bằng cách làm cho 
 DRAMs “rộng hơn” thay vì “sâu hơn” và bằng cách sử dụng đường bus 
 dữ liệu rộng. 
  Thay đổi giao diện DRAM để nó hiệu quả hơn bằng cách thêm vào 1 bộ 
 nhớ cache hoặc 1 cơ chế đệm khác trên chip DRAM 
  Giảm tần suất truy cập bộ nhớ bằng cách kết hợp các cấu trúc bộ nhớ 
 cache phức tạp và hiệu quả hơn giữa bộ xử lý và bộ nhớ chính 
  Tăng băng thông kết nối giữa bộ xử lý và bộ nhớ bằng cách sử dụng 
 các bus tốc độ cao và phân cấp bus để đệm và cơ cấu dòng dữ liệu 
 Tốc độ dữ liệu của các thiết bị I/O điển hình 
Gigabit Ethernet
Graphics display
 Hard disk
 Ethernet
 Optical disk
 Scanner
 Laser printer
 Floppy disk
 Modem
 Mouse
 Keyboard
 101 102 103 104 105 106 107 108 109
 Data Rate (bps)
 Figure 2.10 Typical I/O Device Data Rates
+ 
 2.3 Cải tiến kiến trúc và tổ chức Chip 
  Tăng tốc độ phần cứng của bộ vi xử lý 
  Cơ bản là do thu hẹp kích thước cổng logic 
  Nhiều cổng hơn, đóng gói chặt chẽ hơn, tăng tốc độ đồng hồ 
  Thời gian truyền tín hiệu giảm 
  Tăng kích thước và tốc độ cache 
  Dành một phần của chip vi xử lý 
  Thời gian truy cập cache giảm đáng kể 
  Thay đổi cấu trúc và tổ chức bộ vi xử lý 
  Tốc độ thực hiện lệnh tăng mạnh 
  Xử lý song song 
+ 
 Tốc độ đồng hồ và mật độ Logic 
  Tiêu thụ điện năng 
  Tăng khi mật độ cổng logic và tốc độ đồng hồ tăng 
  Toả nhiệt 
  Trễ RC (Resistance – điện trở & Capacitance – điện dung) 
  Tốc độ dòng electrons chạy trên chip giới hạn bởi điện dung và điện 
 trở (RC) của đường dây kim loại kết nối chúng 
  Trễ tăng khi tích RC tăng 
  Dây kết nối mảnh hơn, điện trở tăng 
  Dây đặt gần nhau hơn, điện dung tăng 
  Trễ bộ nhớ 
  Tốc độ bộ nhớ thường chậm hơn tốc độ bộ xử lý 
  Giải pháp 
  Chú trọng hơn vào phương pháp tổ chức và kiến trúc 
+ 
 Xu hướng phát triển bộ xử lý 
 107
 106
 Transistors (Thousands) 
 105 Frequency (MHz) 
 Power (W) 
 104 Cores 
 103
 102
 10 
 1 
 0.1 
 1970  1975  1980  1985  1990  1995  2000  2005  2010 
 Figure 2.11   Processor Trends  
3. Chip đa lõi 
. Việc sử dụng nhiều bộ xử lý trên một chip cung cấp 
 tiềm năng tăng hiệu suất cho máy mà không làm tăng 
 tốc độ đồng hồ 
 . Tăng gấp đôi số lượng bộ vi xử lý, tăng gấp đôi hiệu 
 suất 
. Chiến lược: sử dụng hai bộ xử lý đơn giản trên 1 chip 
 thay vì một bộ xử lý phức tạp 
. Với 2 bộ xử lý thì sẽ có bộ nhớ cache lớn hơn 
. Bộ nhớ cache lớn hơn sẽ cần phải chia làm hai hoặc 
 ba cấp cache trên một chip 
+ 
 Đa lõi tích hợp (MIC) 
 Đơn vị xử lý đồ hoạ (GPU) 
 Đa lõi tích hợp (MIC) Đơn vị xử lý đồ hoạ (GPU) 
  Sự nhảy vọt về hiệu suất  Lõi được thiết kế để thi hành 
 đặt ra thách thức trong song song các thao tác trên 
 phát triển phần mềm để dữ liệu đồ hoạ 
 khai thác hết tính năng 
  GPU thường nằm trên card 
 của xử lý đa lõi. đồ hoạ rời, nó được sử dụng 
  Chiến lược MIC và đa lõi để mã hoá và giải mã đồ hoạ 
 yêu cầu các bộ xử lý đa 2D và 3D cũng như xử lý 
 năng phải gộp đồng nhất video 
 trên một chip đơn 
  Được sử dụng như bộ xử lý 
 vector cho những ứng dụng 
 yêu cầu tính toán lặp 
 4. Kiến trúc x86 
 Khái quát 
. Là kết quả sau nhiều thập kỉ nghiên cứu máy tính tập lệnh 
 phức tạp (Complex instruction set computers - CISCs) 
. Kết hợp các nguyên tắc thiết kế phức tạp chỉ có ở các siêu 
 máy tính hoặc hệ thống lớn 
. Một cách thiết kê bộ xử lý khác là máy tính tập lệnh rút gọn 
 (Reduced instruction set computer - RISC) 
. Kiến trúc ARM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống 
 nhúng và là một trong những hệ thống RISC mạnh nhất, thiết 
 kết tối ưu nhất trên thị trường 
. Trên thị trường, Intel là nhà sản xuất số một về các vi xử lý cho 
 các hệ thống không phải hệ nhúng. 
  8080 
  Vi xử lý đa năng đầu tiên 
  máy 8-bit với đường dữ liệu tới bộ nhớ 8-bit 
  Được dùng trên máy tính cá nhân đầu tiên 
 (Altair) 
  8086 
  Máy 16-bit 
  Sử dụng cache cho lệnh, hoặc hàng đợi 
Sự phát triển  Hiện diện đầu tiên của kiến trúc x86 
 của x86  8088 
  Sử dụng+ cho máy tính cá nhân IBM đầu tiên 
  80286 
  16 Mb bộ nhớ thay vì chỉ 1Mb 
  80386 
  Máy 32 bit đầu tiên của Intel 
  Bộ xử lý Intel đầu tiên hỗ trợ thao tác đa nhiệm 
  80486 
  Kĩ thuật cache và ống dẫn lệnh (pipeline) 
 phức tạp hơn 
  Tích hợp sẵn bộ xử lý toán học 
Sự phát triển của x86 - Pentium 
 Pentium 4 
 Pentium III • Thêm các 
 lệnh dấu 
 Pentium II • Thêm vào phẩy động 
 các lệnh và những 
 Pentium • Kĩ thuật dấu phẩy cải tiến 
 Pro MMX động để khác cho 
 Pentium • Thiết kế hỗ trỡ các đa 
 • Tăng tính đặc biết 
 • Super- super- phần phương 
 scalar scalar để xử lý mềm đồ tiện 
 • Thực hiện video, hoạ 3D 
 • Đổi tên audio và 
 nhiều lệnh thanh ghi 
 song song tích cực dữ liệu đồ 
 hoạ 
 • Dự đoán 
 nhánh 
 • Phân tích 
 dòng dữ 
 liệu 
 • Thi hành 
 lệnh theo 
 suy đoán 
Sự phát triển của x86 (2) 
  Core 
 x86 thống lĩnh thị trường vi xử lý (trừ  Vi xử lý Intel x86 đầu tiên 
 hệ thống nhúng) 
 có dual core – tức là thực 
 hiện hai bộ xử lý trên một 
 Kiến trúc tập lệnh tương thích với 
 các phiên bản trước chip đơn. 
  Core 2 
 Tổ chức và kỹ thuật thay đổi 
 nhanh  Mở rộng kiến trúc lên 64 bit 
  Gần đây có thể có tới 10 bộ 
 Khoảng 1 lệnh thêm mới mỗi xử lý trên 1 chip 
 tháng 
 500 lệnh có sẵn 
 5. 
 Khái niệm: Hệ thống 
 “Sự kết hợp của phần cứng và phần 
 mềm máy tính, có thể cùng với các 
 thành phần khác, được thiết kế để thi 
 hành một chức năng cụ thể. Trong Nhúng 
 nhiều trường hợp, hệ thống nhúng là 
 một phần của một hệ thống/sản phẩm 
 lớn hơn, ví dụ như một hệ thống 
+ chống bó cứng phanh trong ôtô.” 
 Ví dụ về các hệ thống nhúng 
 Market Embedded Device 
 Ignition system 
 Automotive Engine control 
 Brake system 
 Digital and analog televisions 
 Set-top boxes (DVDs, VCRs, Cable boxes) 
 Personal digital assistants (PDAs) 
 Kitchen appliances (refrigerators, toasters, microwave ovens) 
Consumer electronics Automobiles 
 Toys/games 
 Telephones/cell phones/pagers 
 Cameras 
 Global positioning systems 
 Robotics and controls systems for manufacturing 
Industrial control 
 Sensors 
 Infusion pumps 
 Dialysis machines 
Medical 
 Prosthetic devices 
 Cardiac monitors 
 Fax machine 
 Photocopier 
Office automation Printers 
 Monitors 
 Scanners 
+ Hệ thống nhúng 
 Yêu cầu và ràng buộc 
 Các mô hình tính toán 
 khác nhau từ hệ thống 
 sự kiện rời rạc đến hệ 
 thống kết hợp hybrid 
 Hệ thống từ nhỏ đến 
 lớn, kéo theo nhiểu 
 ràng buộc về giá thành Điều kiện môi trường 
 và nhiều yêu cầu để khác nhau về bức xạ, 
 tối ưu hoá và tái sử độ rung và độ ẩm. 
 dụng khác nhau 
 Không quá nghiêm 
 Đặc tính ứng dụng khác ngặt với các yêu cầu và 
 nhau dẫn đến tải tĩnh sự kết hợp các yêu cầu 
 hay động, tốc độ nhanh chất lượng khác nhau 
 hay chậm, tác vụ về như độ an toàn, tin cậy, 
 tính toán hay giao diện, thời gian thực và độ 
 tổ hợp and hay or linh hoạt. 
 Độ bền ngắn hoặc dài 
+ Tổ chức của hệ thống nhúng 
 Software Auxiliary
 Systems
 FPGA/ Memory (power,
 ASIC cooling)
 Diagnostic
 Human Processor
 interface port
 A/D D/A
 conversion Conversion
 Electromechanical
 backup and safety
 Sensors Actuators
 External
 environment
 Figure 2.12 Possible Organization of an Embedded System
+ 
 Acorn RISC Machine (ARM) 
  Họ vi xử lý và vi điều khiển  Được sử dụng rộng rãi trong 
 RISC. PDA, các thiết bị cầm tay 
  iPod, iPhone 
  Thiết kế vi xử lý và kiến 
  Kiến trúc bộ xử lý được sử dụng 
 trúc đa lõi, cấp phép cho 
 rộng rãi nhất 
 các nhà sản xuất. 
  Acorn đã sản xuất ARM1 & ARM2 
  Chip tốc độ cao, nhỏ gọn năm 1985 và ARM3 năm 1989 
 và tiết kiệm điện.  Acorn, VLSI và Apple Computer 
 thành lập ARM Ltd. 
  Chủ yếu dùng trong hệ 
 thống nhúng 
 Family Notable Features Cache Typical MIPS @ 
 MHz 
ARM1 32-bit RISC None 
ARM2 Multiply and swap None 7 MIPS @ 12 MHz 
 instructions; +
 Integrated memory 
 management unit, 
 graphics and I/O Thông 
 processor 
ARM3 First use of processor 4 KB unified 12 MIPS @ 25 MHz 
 cache số 
ARM6 First to support 32-bit 4 KB unified 28 MIPS @ 33 MHz 
 addresses; floating- ARM 
 point unit 
ARM7 Integrated SoC 8 KB unified 60 MIPS @ 60 MHz 
ARM8 5-stage pipeline; static 8 KB unified 84 MIPS @ 72 MHz 
 branch prediction 
ARM9 16 KB/16 KB 300 MIPS @ 300 
 MHz 
ARM9E Enhanced DSP 16 KB/16 KB 220 MIPS @ 200 
 instructions MHz 
ARM10E 6-stage pipeline 32 KB/32 KB 
ARM11 9-stage pipeline Variable 740 MIPS @ 665 
 MHz 
Cortex 13-stage superscalar Variable 2000 MIPS @ 1 GHz 
 pipeline 
XScale Applications 32 KB/32 KB L1 1000 MIPS @ 1.25 
 processor; 7-stage 512 KB L2 GHz 
 pipeline 
 DSP = digital signal processor SoC = system on a chip 
 Các hạng mục thiết kế ARM 
Thiết kế bộ xử lý ARM cần phải đáp ứng ba hạng mục sau: 
 Bảo mật ứng dụng 
 . Cards thông minh, SIM cards 
 và các thiết bị thanh toán 
 Nhúng thời gian thực Platforms ứng dụng 
 . Thiết bị chạy trên hệ điều 
 . Các hệ thống lưu trữ, bộ 
 hành mở bao gồm Linux, Palm 
 phận tự động và các ứng 
 OS, Symbian OS, và Windows 
 dụng mạng, công nghiệp...
 CE trong các ứng dụng không 
 dây và ảnh số. 
 + 
6. ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MÁY 
+ 
 6.1 Đồng hồ hệ thống 
6.2 Chuẩn so sánh (Benchmark) 
 Ví dụ: xét 1 câu lệnh ngôn ngữ lập trình bậc cao như sau: 
 A = B + C /* giả sử tất cả giá trị nằm trong bộ nhớ chính*/ 
 Với kiến trúc tập lệnh truyền thống, theo kiến trúc CISC (Complex 
 instruction set computer -CISC), lệnh này có thể được biên 
 dịch thành 1 lệnh sau trong bộ xử lý 
 add mem(B), mem(C), mem (A) 
 Trên một máy RISC điển hình, phần biên dịch sẽ như sau: 
 load mem(B), reg(1); 
 load mem(C), reg(2); 
 add reg(1), reg(2), reg(3); 
 store reg(3), mem (A) 
+ Đặc tính mong muốn của chuẩn so sánh 
 Viết bằng ngôn ngữ bậc cao, có thể 
 chạy trên các thiết bị khác nhau 
 Đại diện cho một kiểu lập trình riêng, 
 ví dụ lập trình hệ thống, lập trình số 
 học hoặc lập trình thương mại 
 Có thể so sánh dễ dàng 
 Được sử dụng rộng rãi 
+ 
 System Performance Evaluation 
 Corporation (SPEC) 
  Bộ tiêu chuẩn 
  Một tập hợp các chương trình, được định nghĩa trong một 
 ngôn ngữ bậc cao 
  Kiểm thử một máy tính trong một ứng dụng cụ thể hoặc khu 
 vực lập trình hệ thống 
  SPEC 
  Một tập đoàn công nghiệp 
  Xác định và duy trì các bộ tiêu chuẩn nổi tiếng 
  Các phép đo hiệu suất được sử dụng rộng rãi cho mục đích 
 so sánh và nghiên cứu 
+  Bộ tiêu chuẩn SPEC nổi tiếng nhất 
  Bộ tiêu chuẩn công nghiệp cho các 
 SPEC ứng dụng chuyên dụng bộ xử lý 
  Thích hợp để đo hiệu suất cho các 
 ứng dụng dành phần nhiều thời 
 gian để tính toán hơn là I/O 
 CPU2006  Bao gồm 17 chương trình dấu 
 phẩy động được viết bằng C, C ++, 
 và Fortran; 12 chương trình số 
 nguyên viết bằng C và C ++ 
  Chứa hơn 3 triệu dòng mã 
  Thế hệ bộ vi xử lý thứ năm của 
 SPEC 
+  Gene Amdahl [AMDA67] 
  Giải quyết sự tăng tốc của 
 chương trình sử dụng nhiều bộ 
 6.3 Luật xử lý so với sử dụng 1 bộ xử lý 
  Mô tả các vấn đề mà nền công 
 Amdahl nghiệp phải đối mặt khi phát 
 triển bộ xử lý đa lõi 
  Phần mềm phải thích hợp với 
 môi trường thi hành lệnh song 
 song để tận dụng sức mạnh 
 của xử lý song song. 
  Có thể khái quát hoá để đánh 
 giá và thiết kế các nâng cấp về 
 kĩ thuật trong hệ thống máy tính 
+ 
 6.4 Luật Little 
  Có mối liên hệ cơ bản và đơn giản với nhiều ứng dụng 
  Có thể áp dụng tới hầu hết các hệ thống thoả mãn điều kiện ổn 
 định và không có rò rỉ 
  Hệ thống hàng đợi 
  Nếu máy chủ (server) đang rỗi, mọi đối tượng được xử lý ngay lập 
 tức, nếu không thì các đối tượng đươc chuyển đến hàng đợi 
  Có thể có một hàng đợi cho một server hoặc nhiều server, hay 
 cũng có thể có nhiều hàng đợi với mỗi hàng đợi cung cấp cho 
 nhiều server 
  Số đối tượng trung bình trong một hàng đợi bằng tốc độ đến trung 
 bình nhân với thời gian mà một đối tượng ở trong hệ thống. 
  Mối quan hệ yêu cầu rất ít giả thiết 
  Với tính đơn giản và tổng quát, hàng đợi là cực kì hữu dụng 
+ 
 Tổng kết Lịch sử phát triển và 
 hiệu suất máy tính 
 Chương 2 
  Đa lõi 
  Máy tính thế hệ thứ nhất  MICs 
  Ống chân không  GPGPUs 
  Máy tính thế hệ thứ hai  Sự phát triển của Intel x86 
  Transistor  Hệ thống nhúng 
  Máy tính thế hệ thứ ba  Sự phát triển của ARM 
  Mạch tích hợp  Đánh giá hiệu suất máy 
  Tốc độ đồng hồ và số lệnh trên 
  Thiết kế hiệu suất 
 giây 
  Tốc độ vi xử lý 
  Tiêu chuẩn đánh giá 
  Cân bằng hiệu năng 
  Luật Amdahl 
  Kiến trúc và tổ chức chip 
  Luật Little 
+ 
 Câu hỏi chương 2 
 1. Máy tính chương trình lưu trữ là gì? 
 2. Bốn thành phần chính của máy tính đa năng? 
 3. Ba yếu tố chính khi thiết kế hiệu suất của hệ thống máy 
 tính là gì? 
 4. Giải thích luật Moore.