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

+ Chương 2
 Lịch sử phát triển của máy tính
+
 Chương 2. Lịch sử phát triển của máy
 tính
 1. Sơ lược lịch sử phát triển máy tính
 2. Các đặc tính thiết kế máy tính
 3. Chip đa nhân
 4. Kiến trúc x86
 5. Hệ thống nhúng
 6. Đánh giá hiệu suất máy
+
 1. Sơ lược lịch sử phát triển máy tính
+
 1. Sơ lược lịch sử phát triển máy tính
 a. Máy tính thế hệ đầu tiên: Ống chân không
 1. ENIAC:
  Electronic Numerical Integrator And Computer
  Được thiết kế và xây dựng tại trường Đại Học Pennsylvania
  Bắt đầu xây dựng từ năm 1943 – hoàn thành vào năm 1946
  Bởi giáo sư John Mauchly và người học trò John Eckert
  Là máy tính điện tử số đầu tiên trên thế giới
  Phòng thí nghiệm đạn đạo quân đội (BRL) cần thiết bị có thể cung cấp bảng quỹ
 đạo chính xác cho một loại vũ khí mới trong khoảng thời gian cho phép.
  Đã không kịp hoàn thành cho nỗ lực phục vụ chiến tranh. Được tháo rời vào năm
 1955
  Nhiệm vụ đầu tiên của nó là thực hiện một loạt các tính toán giúp xác định
 tính khả thi của bomb hydrogen.
 ENIAC
 Gồm Lập trình
 Có khả
 18000 Bộ nhớ thủ công
 năng
 Chiếm đèn Tính gồm bằng
 thực
 1500 điện Tiêu toán 20 cách
Nặng hiện
 m2 tử, thụ trên thanh thiết lập
 30 5000
 diện 1500 14 số ghi: lưu các công
 tấn phép
 tích công kWh thập trữ số tắc và
 tính
 sàn tắc phân thập phân cắm và
 trên
 điện 10 chữ số rút dây
 1s
 tử cáp
+
 2. Các máy Von Neumann
 EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer)
  Dưới dạng bản thảo: ý tưởng thiết kế được đưa ra vào năm 1945
  Khái niệm chương trình lưu trữ (stored-program)
  Được đưa ra bởi các nhà thiết kế ENIAC, đặc biệt là nhà toán học John von 
 Neumann
  Chương trình được biểu diễn dưới dạng thích hợp để lưu vào bộ nhớ cùng
 với dữ liệu
 IAS computer
  Viện nghiên cứu Princeton (Princeton Institute for Advanced Studies)
  Là nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay.
  Hoàn thiện vào năm 1952
IAS computer
Cấu trúc
+ IAS computer (tiếp)
 Format bộ nhớ của máy IAS
  Cả dữ liệu và lệnh đều được lưu
  Bộ nhớ của máy IAS gồm 1000 trữ trong đây
 ô nhớ (gọi là các từ (word)). Mỗi
 ô chứa 40 bit nhị phân.  Chữ số được biểu diễn dưới dạng
 số nhị phân. Mỗi lệnh là một mã
 nhị phân
+
 Cấu trúc mở 
 rộng
 của
 máy tính
 IAS
+ IAS computer (tiếp)
 Các loại thanh ghi
 Thanh ghi bộ nhớ đệm
 •Chứa từ (word) sắp lưu vào trong bộ nhớ hoặc sắp được gửi ra cac cổng I/O.
 (Memory buffer register - •Hoặc được sử dụng để nhận một từ từ trong bộ nhớ hoặc từ các cổng I/O.
 MBR)
 Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ
 (Memory address register - •Chỉ định địa chỉ bộ nhớ của từ (word) chuẩn bị được đọc hoặc ghi vào MBR.
 MAR)
 Thanh ghi tập lệnh
 •Chứa mã tác vụ 8 bit của lệnh đang được thực thi.
 (Instruction register - IR)
 Thanh ghi bộ nhớ đệm
 •Được sử dụng để tạm thời lưu trữ lệnh nằm bên tay phải của 1 từ (word) 
 chứa tập lệnh (Instruction trong bộ nhớ.
 buffer register -IBR)
 Bộ đếm chương trình
 •Lưu giữ địa chỉ bộ nhớ của cặp lệnh tiếp theo.
 (Program counter - PC)
 Bộ cộng tích luỹ (AC) và bộ •Được sử dụng để tạm thời giữ các toán hạng và kết quả của các phép tính
 Nhân chia (MQ) trong ALU.
+
 Hoạt động
 IAS
+
 Bảng 2.1
 Tập lệnh trong
 IAS
 Table 2.1 The IAS Instruction Set
+
 Bảng 2.1
 Tập lệnh trong
 IAS (tiếp)
 Table 2.1 The IAS Instruction Set
+
 3. Máy tính thương mại
 UNIVAC
  1947 – Eckert and Mauchly thành lập Công ty máy tính Eckert-
 Mauchly để sản xuất máy tính thương mại
  UNIVAC I (Universal Automatic Computer)
  Là máy tính thương mại thành công đầu tiên
  Được dùng cho cả các ứng dụng khoa học và thương mại
  Uỷ quyền bởi Cục điều tra dân số Mỹ để tính toán vào năm 1950
  UNIVAC II – hoàn thành vào cuối những năm 1950
  Có dung lượng bộ nhớ lớn hơn và hiệu suất cao hơn
  Tương thích ngược: các chương trình viết cho các máy cũ có thể 
 được thực hiện trên máy mới
+
 3. Máy tính thương mại (tiếp)
 IBM
  Từng là hãng sản xuất thiết bị đục lỗ thẻ.
  Chế tạo máy tính điện tử lưu trữ - chương trình đầu tiên (701) vào năm 
 1953: chủ yếu dành cho các ứng dụng khoa học
  Dòng sản phẩm 702 được giới thiệu vào năm 1955: tính năng phần cứng 
 làm nó phù hợp với các ứng dụng kinh doanh
  Loạt máy tính thế hệ 700/7000 đã giúp IBM là nhà sản xuất máy tính 
 thống trị áp đảo
+ 1. Sơ lược lịch sử phát triển máy tính
 b. Máy tính thế hệ thứ hai: transistor
 Sự ra đời của transistor (linh kiện bán dẫn): là một thiết bị rắn làm từ 
 silicon
 Đặc điểm:
  Nhỏ gọn
  Giá thành rẻ
  Tản nhiệt ít hơn ống Vacuum
  Được phát minh bởi Bell Labs vào năm 1947
  Mãi đến cuối những năm 1950, máy tính bán dẫn hoàn toàn mới
 chính thức đưa vào thị trường thương mại
 +
 Đặc điểm máy tính thế hệ thứ hai
  Sử dụng transistor:
  Hiệu năng xử lý tốt hơn, dung lượng bộ nhớ lớn hơn, kích thước nhỏ hơn
 
 Một số thay đổi khác:
  CU và ALU phức tạp hơn
  Sử dụng các ngôn ngữ lập trình bậc cao
  Xuất hiện các phần mềm hệ thống (giống như các hệ điều hành hiện đại như 
 Window hay Linux) cho phép:
  Tải chương trình
  Di chuyển dữ liệu tới các thiết bị ngoại vi và thư viện
  Thực hiện các tính toán thông thường
  Giai đoạn này cũng đánh dấu sự xuất hiện của công ty DEC (Digital 
 Equipment Corporation -DEC) vào năm 1957.
  PDP-1 là máy tính đầu tiên của DEC: máy tính mini đầu tiên – dòng máy 
 thống trị ở máy tính thế hệ thứ ba.
  Máy tính nổi bật ở thế hệ này là dòng máy IBM 7000 của hãng IBM 
 (slide sau)
 Bảng 2.3
Một số thông số của các dòng máy 
 tính IBM 700/7000 Series
 Table 2.3 Example Members of the IBM 700/7000 Series
 Mag tape
 units
 CPU
 Card
 punch
 Data
 channel Line
 printer Cấu hình
 Card
 reader IBM
 Drum
 Multi- Data 7094
 plexor channel
 Disk
 Data
 Disk
 channel
 Hyper-
 tapes
Memory Data Teleprocessing
 channel equipment
 Figure 2.5 An IBM 7094 Configuration
1. Sơ lược lịch sử phát triển máy tính
 c. Máy tính thế hệ thứ ba: Vi mạch – Mạch tích hợp 
 (Intergated Circuit – IC)
  Từ năm 1950 đến 1960, máy tính được chế tạo từ các linh kiện rời 
 (transistor, điện trở, tụ điện)
  Các linh kiện sản xuất đơn lẻ, độc lập, đóng gói riêng.
  Sau đó được hàn lại hoặc nối với nhau lên trên một bảng mạch masonite.
  Quá trình sản xuất tốn kém và cồng kềnh.
  Các máy tính thế hệ thứ hai gồm khoảng 10000 transistor, sau đó con số 
 này lên tới hàng trăm nghìn
  1958 – phát minh ra mạch tích hợp công nghệ nền tảng cho máy 
 tính thế hệ thứ 3
  Hai thành viên quan trọng nhất của thế hệ máy tính thứ ba là IBM 
 System/360 và DEC PDP-8
+
 Khái niệm mạch tích hợp (IC)
  Các thành phần cơ bản của máy tính số được chia thành 2 loại: gate (cổng logic)
 và memory cell (ô nhớ)
  Các thành phần này thực hiện bốn chức năng cơ bản của máy tính: lưu trữ, 
 truyền dữ liệu, xử lý dữ liệu và điều khiển.
  Trong đó: 
  Gate: là thiết bị thực hiện các hàm logic và Boolean đơn giản
  Memory cell: là thiết bị lưu trữ một giá trị 0 hoặc 1
  Máy tính gồm các gate, memory cell và sự liên kết giữa chúng
  Lưu trữ dữ liệu: sử dụng các memory cell
  Xử lý dữ liệu: sử dụng các gate
  Truyền dữ liệu: Di chuyển dữ liệu – Dữ liệu được di chuyển vào và ra bộ nhớ trên các 
 đường dẫn giữa các bộ phận của máy tính và thông qua các gate.
  Điều khiển: các tín hiệu điểu khiển hoạt động của gate và memory cell
Khái+ niệm mạch tích hợp (IC)
 Sơ đồ gate và memory cell
+
 Khái niệm mạch tích hợp (IC)
  Mạch tích hợp: một tấm wafer silicon 
 mỏng, chia thành ma trận các vùng 
 nhỏ, mỗi vùng chứa một mạch giống 
 hệt nhau được gọi là chip.
  Một chip chứa nhiều gate hoặc 
 memory cell
  Chip được đóng gói (packaged)
  Ban đầu, số lượng gate/memory cell 
 trong một chip còn ít công nghệ 
 này được gọi là SSI - smallscale 
 integration: mạch tích hợp kích 
 thước nhỏ
  Về sau, số lượng G/C trong một chip 
 ngày càng nhiều 
+
 Sự phát triển của Chip
 it
 g u
 n f c
 i  o ir w
 rk n c la d
 o     e
 o r i d ’s t
 w o t e e a
 t  t n t r lg
 s is e ra o u
 ir s v g o
 F n In e M m
 ra t ro
 t in p
 100 bn
 10 bn
 1 bn
 100 m
 10 m
 100,000
 10.000
 1,000
 100
 10
 1
 1947 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 2000 05 11
 Figure 2.8  Growth in Transistor Count on Integrated Circuits
 (DRAM memory)
Moore’s Law
 1965; Gordon Moore – đồng sáng lập Intel
 Số lượng transistor trên mỗi chip sẽ tăng
 lên gấp đôi sau mỗi năm với giá thành
 không đổi
 Hệ quả của quy luật Moore: 
 Tốc độ sau đó
 chậm lại thành
 Chiều
 gấp đôi sau Giá Máy tính
 dài Giảm
 mỗi 18 tháng thành trở nên
 đường tiêu thụ
 vào những của mạch nhỏ gọn Kết nối
 dẫn điện điện
 năm 1970 và bộ nhớ hơn và giữa các
 được rút thuận tiện năng và
 duy trì cho và logic chip ít
 ngắn, tốc cho sử yêu cầu
 đến ngày nay máy tính hơn
 độ hoạt dụng ở các
 đã giảm bộ làm
 động môi trường mát
 rất mạnh khác nhau
 tăng
+
 Table 2.4
 Đặc tính của dòng máy
 System/360
 Table 2.4 Characteristics of the System/360 Family
 Table 2.5
Sự phát triển của dòng máy
 PDP-8
 Table 2.5 Evolution of the PDP-8
+
 Cấu trúc bus của DEC - PDP-8
 Console Main I/O I/O
 CPU
 controller memory module module
 Omnibus
 Figure 2.9 PDP-8 Bus Structure
+ LSI
 Large 
 Scale 
 d. Các thế hệ Integration
 tiếp theo
 VLSI
 Very Large 
 Scale 
 Integration
 ULSI
 Bộ nhớ bán dẫn Ultra Large
 Bộ vi xử lý Scale 
 Integration
+
 d. Các thế hệ tiếp theo
  Các thế hệ sau dựa trên sự phát triển của các công nghệ mạch tích 
 hợp:
  Large-scale integration (LSI) - mạch tích hợp cỡ lớn: hơn 1000 thiết bị 
 tích hợp trong một chip
  Very-large-scale integration (VLSI): 10000 thiết bị/chip
  Hiện nay, Ultra-large-scale integration (ULSI): hơn 1 tỉ thành phần/chip
  Các công nghệ này là nền tảng cho sự phát triển của các thế hệ máy 
 tính và là công nghệ cơ bản cho việc sản xuất và chế tạo các linh kiện 
 cơ bản:
  Bộ nhớ bán dẫn: mạch tích hợp ban đầu được sử dụng để chế tạo Bộ xử lý, 
 tuy nhiên, sau này người ta cũng sử dụng công nghệ đó để chế tạo bộ nhớ 
 máy tính
  Vi xử lý: các bộ xử lý có kích thước nhỏ
+ a. Bộ nhớ bán dẫn
  Vào năm 1970 Fairchild giới thiệu bộ nhớ bán dẫn dung lượng tương đối lớn đầu
 tiên
  Chip đơn nhân
  Có thể chứa 256 bits bộ nhớ
  Không xoá được
  Tốc độ nhanh hơn lõi nhiều
  Vào năm 1974, giá thành trên 1 bit của bộ nhớ bán dẫn thấp hơn giá thành của bộ
 nhớ lõi
  Giá thành bộ nhớ tiếp tục giảm mạnh cùng với sự tăng nhanh của mật độ bộ nhớ vật lý
  Sự phát triển công nghệ bộ nhớ và xử lý đã làm thay đổi bản chất của máy tính trong suốt
 cả 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.
+
 b. 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 các thành phần của CPU trên một chip đơn
  Sự ra đời của bộ vi xử lý
  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, có một tập lệnh phong phú hơn, có khả năng định vị mạnh 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
+ Key terms
  accumulator (AC) (bộ cộng tích lũy): thanh ghi AC
  arithmetic and logic unit (ALU): khối tính toán số học và logic
  Chip
  clock cycle: chu kỳ đồng hồ
  clock rate: tốc độ đồng hồ
  embedded system: hệ thống nhúng
  execute cycle: chu kỳ thực thi
  fetch cycle: chu kỳ truy xuất
  instruction buffer register (IBR): thanh ghi đệm lệnh
+
 Câu hỏi
 1. Khái niệm chương trình lưu trữ là gì?
 2. Bốn thành phần chính của các máy tính đa nhiệm là gì?
 3. Trình bày luật Moore.
 4. Nêu các đặc điểm chính của máy IAS
 5. Với công nghệ mạch tích hợp, các hệ thống máy tính có đặc điểm 
 gì.
 6. Mạch tích hợp được xây dựng dựa trên các thành phần nào?