 Có hai loại kiến trúc máy tính kỹ thuật số mô tả chức năng và việc thực hiện các hệ thống máy tính. Một là kiến trúc Von Neumann được thiết kế bởi nhà vật lý và toán học nổi tiếng John Von Neumann vào cuối những năm 1940, và một kiến trúc khác là kiến trúc Harvard dựa trên máy tính chuyển tiếp Harvard Mark I ban đầu sử dụng các hệ thống bộ nhớ riêng để lưu trữ dữ liệu và hướng dẫn. Show
Kiến trúc nguyên bản của Harvard được sử dụng để lưu trữ các hướng dẫn về băng đục lỗ và dữ liệu trong các quầy cơ điện. Kiến trúc Von Neumann tạo thành nền tảng của điện toán hiện đại và dễ thực hiện hơn. Bài viết này xem xét hai kiến trúc máy tính riêng biệt và giải thích sự khác biệt giữa hai. Kiến trúc Von Neumann là gì?Đây là một thiết kế lý thuyết dựa trên khái niệm máy tính được lưu trữ trong đó dữ liệu chương trình và dữ liệu hướng dẫn được lưu trữ trong cùng một bộ nhớ. Kiến trúc được thiết kế bởi nhà toán học và vật lý học nổi tiếng John Von Neumann vào năm 1945. Cho đến khi khái niệm thiết kế máy tính của Von Neumann, các máy tính được thiết kế cho một mục đích định trước duy nhất sẽ thiếu tinh tế do việc nối lại mạch bằng tay. Ý tưởng đằng sau các kiến trúc Von Neumann là khả năng lưu trữ các hướng dẫn trong bộ nhớ cùng với dữ liệu mà các hướng dẫn hoạt động. Nói tóm lại, kiến trúc Von Neumann đề cập đến một khung chung mà phần cứng, lập trình và dữ liệu của máy tính phải tuân theo. Kiến trúc Von Neumann bao gồm ba thành phần riêng biệt: một đơn vị xử lý trung tâm (CPU), đơn vị bộ nhớ và giao diện đầu vào / đầu ra (I / O). CPU là trái tim của hệ thống máy tính bao gồm ba thành phần chính: Đơn vị số học và logic (ALU), đơn vị điều khiển (CU) và các thanh ghi. ALU chịu trách nhiệm thực hiện tất cả các hoạt động số học và logic trên dữ liệu, trong khi đơn vị điều khiển xác định thứ tự dòng lệnh cần được thực hiện trong các chương trình bằng cách phát tín hiệu điều khiển đến phần cứng. Các thanh ghi về cơ bản là các vị trí lưu trữ tạm thời lưu trữ các địa chỉ của các hướng dẫn cần được thực thi. Đơn vị bộ nhớ bao gồm RAM, là bộ nhớ chính được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và hướng dẫn chương trình. Giao diện I / O cho phép người dùng giao tiếp với thế giới bên ngoài như thiết bị lưu trữ. Kiến trúc Harvard là gì?Nó là một kiến trúc máy tính với các đường dẫn lưu trữ và tín hiệu riêng biệt cho dữ liệu và hướng dẫn chương trình. Không giống như kiến trúc Von Neumann sử dụng một bus duy nhất để tìm nạp các lệnh từ bộ nhớ và truyền dữ liệu từ một phần của máy tính sang phần khác, kiến trúc Harvard có không gian bộ nhớ riêng cho dữ liệu và hướng dẫn. Cả hai khái niệm đều giống nhau ngoại trừ cách chúng truy cập vào ký ức. Ý tưởng đằng sau kiến trúc Harvard là chia bộ nhớ thành hai phần - một phần dành cho dữ liệu và phần khác dành cho các chương trình. Các điều khoản được dựa trên máy tính chuyển tiếp Harvard Mark I ban đầu sử dụng một hệ thống cho phép cả dữ liệu và chuyển giao và tìm nạp lệnh được thực hiện cùng một lúc. Các thiết kế máy tính trong thế giới thực thực sự dựa trên kiến trúc Harvard đã được sửa đổi và thường được sử dụng trong vi điều khiển và DSP (Xử lý tín hiệu số). Sự khác biệt giữa Von Neumann và Harvard ArchitectureKhái niệm cơ bản về kiến trúc Von Neumann và HarvardKiến trúc Von Neumann là một thiết kế máy tính lý thuyết dựa trên khái niệm chương trình được lưu trữ trong đó các chương trình và dữ liệu được lưu trữ trong cùng một bộ nhớ. Khái niệm này được thiết kế bởi một nhà toán học John Von Neumann vào năm 1945 và hiện đang là cơ sở của hầu hết các máy tính hiện đại. Kiến trúc Harvard dựa trên mô hình máy tính dựa trên rơle Harvard Mark I ban đầu sử dụng các xe buýt riêng để lấy dữ liệu và hướng dẫn. Hệ thống bộ nhớ của Von Neumann và Harvard ArchitectureKiến trúc Von Neumann chỉ có một bus được sử dụng cho cả tìm nạp lệnh và truyền dữ liệu, và các hoạt động phải được lên lịch vì chúng không thể được thực hiện cùng một lúc. Mặt khác, kiến trúc Harvard có không gian bộ nhớ riêng cho các hướng dẫn và dữ liệu, giúp tách riêng các tín hiệu và lưu trữ vật lý cho mã và bộ nhớ dữ liệu, từ đó cho phép truy cập đồng thời từng hệ thống bộ nhớ. Hướng dẫn xử lý kiến trúc Von Neumann và HarvardTrong kiến trúc Von Neumann, đơn vị xử lý sẽ cần hai chu kỳ đồng hồ để hoàn thành một hướng dẫn. Bộ xử lý lấy lệnh từ bộ nhớ trong chu kỳ đầu tiên và giải mã nó, sau đó dữ liệu được lấy từ bộ nhớ trong chu kỳ thứ hai. Trong kiến trúc Harvard, đơn vị xử lý có thể hoàn thành một hướng dẫn trong một chu kỳ nếu có các chiến lược đường ống phù hợp. Chi phí của Von Neumann và Harvard ArchitectureVì các hướng dẫn và dữ liệu sử dụng cùng một hệ thống xe buýt trong kiến trúc Von Neumann, nó đơn giản hóa việc thiết kế và phát triển bộ điều khiển, cuối cùng sẽ giảm chi phí sản xuất xuống mức tối thiểu. Phát triển đơn vị điều khiển trong kiến trúc Harvard đắt hơn trước vì kiến trúc phức tạp sử dụng hai xe buýt để được hướng dẫn và dữ liệu. Sử dụng kiến trúc Von Neumann và HarvardKiến trúc Von Neumann chủ yếu được sử dụng trong mọi máy bạn nhìn thấy từ máy tính để bàn và máy tính xách tay đến máy tính và máy trạm hiệu suất cao. Kiến trúc Harvard là một khái niệm khá mới được sử dụng chủ yếu trong vi điều khiển và xử lý tín hiệu số (DSP). Von Neumann vs Harvard Architecture: Biểu đồ so sánhTóm tắt về Von Neumann so với Kiến trúc HarvardKiến trúc Von Neumann tương tự như kiến trúc Harvard ngoại trừ nó sử dụng một chiếc xe buýt duy nhất để thực hiện cả việc tìm nạp lệnh và truyền dữ liệu, do đó các hoạt động phải được lên lịch. Mặt khác, kiến trúc Harvard sử dụng hai địa chỉ bộ nhớ riêng cho dữ liệu và hướng dẫn, cho phép cung cấp dữ liệu vào cả hai bus cùng một lúc. Tuy nhiên, kiến trúc phức tạp chỉ làm tăng thêm chi phí phát triển của đơn vị điều khiển so với chi phí phát triển thấp hơn của kiến trúc Von Neumann ít phức tạp hơn, sử dụng một bộ đệm thống nhất duy nhất. 5. Các mô hình kiến trúc máy tínhMục tiêu:Hiểu được các mô hình kiến trúc Von Neuman và Havard 5.1. Mô hình kiến trúc Von NeumannKiến trúc máy tính von-Neumann được nhà toán học John von-Neumann đưa ra vào năm1945 trong một báo cáo vềmáy tính EDVAC như minh hoạ trên Hình 1.8: Kiến trúc máy tínhvon-Neumann nguyên thuỷ. Các máy tính hiện đại ngày nay sử dụng kiến trúc máy tính von-Neumann cải tiến –còn gọi là kiến trúc máy tính von-Neumann hiện đại,như minh hoạ trênhình bên dưới. Kiến trúcmáy tính von-Neumann hiện đại Các đặc điểm của kiến trúc von-Neumann Kiến trúc von-Neumann dựa trên 3 khái niệm cơ sở: (1) Lệnh và dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ đọc ghi chia sẻ-một bộ nhớ duy nhất được sử dụng để lưu trữ cả lệnh và dữ liệu. (2) Bộ nhớ được đánh địa chỉ theo vùng, không phụ thuộc vào nội dung nó lưu trữ. (3) Các lệnh của một chương trình được thực hiện tuần tự. Quá trìnhthực hiện lệnh được chia thành3 giai đoạn (stages) chính: (1) CPU đọc (fetch) lệnh từ bộ nhớ, (2) CPU giải mã và thực hiện lệnh;nếu lệnh yêu cầu dữ liệu, CPU đọc dữ liệu từ bộ nhớ (3) CPU ghi kết quả thực hiện lệnh vào bộ nhớ (nếu có).
5.2. Mô hình kiến trúc HavardKiến trúc máy tính Harvard là một kiến trúc tiên tiến như minh hoạ trên hình.
Hình 1.9: Kiến trúc máy tính Harvard Kiến trúc máy tính Harvard chia bộ nhớ trong thành hai phần riêng rẽ: Bộ nhớ lưu chươngtrình (Program Memory) và Bộ nhớ lưu dữ liệu (Data Memory). Hai hệ thống bus riêng được sử dụng để kết nối CPU với bộ nhớ lưu chương trình và bộ nhớ lưu dữ liệu. Mỗi hệ thống bus đều có đầy đủ ba thành phần để truyền dẫn các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển.
Máy tính dựa trên kiến trúc Harvard có khả năng đạt được tốc độ xử lý cao hơn máy tính dựa trên kiến trúc von-Neumann do kiến trúc Harvard hỗ trợ hai hệ thống bus độc lập với băng thông lớn hơn. Ngoài ra, nhờ có hai hệ thống bus độc lập, hệ thống nhớ trong kiến trúc Harvard hỗ trợ nhiều lệnh truy nhập bộ nhớ tại một thời điểm, giúp giảm xung đột truy nhậpbộ nhớ, đặc biệt khi CPU sử dụng kỹ thuật đường ống (pipeline). CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP1. Dựa vào tiêu chuẩn nào người ta phân chia máy tính thành các thế hệ? 2. Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ nhất? 3. Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ hai? 4. Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ ba? 5. Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ tư? 6. Khuynh hướng phát triển của máy tính điện tử ngày nay là gì? 7. Việc phân loại máy tính dựa vào tiêu chuẩn nào? 8. Khái niệm thông tin trong máy tính được hiểu như thế nào? 9. Lượng thông tin là gì ? 10. Sự hiểu biết về một trạng thái trong 4096 trạng thái có thể có ứng với lượng thông tin là bao nhiêu? 12. Số nhị phân 8 bit (11001100)2, số này tương ứng với số nguyên thập phân có dấu là bao nhiêu nếu số đang được biểu diễn trong cách biểu diễn: b. Số bù 1. c. Số bù 2. 13. Đổi các số sau đây: a. (011011)2 ra số thập phân.
14. Biểu diễn số thực (31.75)10 dưới dạng số có dấu chấm động chính xác đơn 32 bit. CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC TẬP LỆNH CỦA MÁY TÍNHMã chương: MH09-02
1. Thành phần cơ bản của một máy tínhMục tiêu: Hiểu được các thành phần cơ bản của một máy vi tính Thành phần cơ bản của một bộ máy tính gồm: bộ xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit), bộ nhớ, các bộ phận nhập-xuất thông tin. Các bộ phận trên được kết nối với nhau thông qua các hệ thống bus. Hệ thống bus bao gồm: bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Bus địa chỉ và bus dữ liệu dùng trong việc chuyển dữ liệu giữa các bộ phận trong máy tính. Bus điều khiển làm cho sự trao đổi thông tin giữa các bộ phận được đồng bộ. Thông thường người ta phân biệt một bus hệ thống dùng trao đổi thông tin giữa CPU và bộ nhớ trong (thông qua cache), và một bus vào - ra dùng trao đổi thông tin giữa các bộ phận vào-ra và bộ nhớ trong. Bộ xử lý trung tâm (CPU) Hình 2.1: Cấu trúc của một hệ máy tính đơn giản Một chương trình sẽ được sao chép từ đĩa cứng vào bộ nhớ trong cùng với các thông tin cần thiết cho chương trình hoạt động, các thông tin này được nạp vào bộ nhớ trong từ các bộ phận cung cấp thông tin (ví dụ như một bàn phím hay một đĩa từ). Bộ xử lý trung tâm sẽ đọc các lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, thực hiện các lệnh và lưu các kết quả trở lại bộ nhớ trong hay cho xuất kết quả ra bộ phận xuất thông tin (màn hình hay máy in). Thành phần cơ bản của một máy tính bao gồm :
1.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU)+ Chức năng: - Điều khiển hoạt động của máy tính . - Xử lý dữ liệu . + Nguyên tắc hoạt động cơ bản: CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính. Cấu trúc cơ bản của CPU:
Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của CPU Các thành phần cơ bản của CPU - Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU): điều khiển hoạt động của máy tính theo chương trình đã định sẵn. - Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit – ALU): thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic trên các dữ liệu cụ thể. - Tập thanh ghi (Register File - RF): lưu giữ các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU. - Đơn vị nối ghép bus (Bus interface Unit - BIU): kết nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong (internal bus) và bus bên ngoài (external bus). 1.2 Bộ nhớ máy tính
- Đọc (Read) - Ghi (Write)
- Bộ nhớ trong (Internal Memory) - Bộ nhớ ngoài (External Memory) Hình 2.3: Bộ nhớ máy tính
- Chức năng và đặc điểm: + Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp. + Tốc độ rất nhanh. + Dung lượng không lớn. + Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM, RAM. - Các loại bộ nhớ trong: Bộ nhớ chính, Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh).
Hình 2.4: Bộ nhớ đệm Cache
+ Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính. + Được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào-ra. + Dung lượng lớn. + Tốc độ chậm.
+ Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm. + Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD. + Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card.
1.3 Hệ thống vào - ra- Chức năng: Trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài. - Các thao tác cơ bản: + Vào dữ liệu (Input) + Ra dữ liệu (Output) - Các thành phần chính: + Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices): chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính. Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét ... Thiết bị ra: màn hình, máy in ... + Các mô-đun vào ra (IO Modules): nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính. 1.4 Liên kết hệ thốngLuồng thông tin trong máy tính trong đó có các mô đun trong máy tính như CPU, mô đun nhớ, mô đun vào ra cần được kết nối với nhau. Hình 2.5 Kết nối mô đun nhớ Hình 2.6 Kết nối mô đun vào ra Hình 2.7 Kết nối CPU Kết nối và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau.Để thực hiện được điều đó chúng ta có khái niệm bus.Bus là đường truyền tín hiệu điện chung nối các thiết bị khác nhau trong một hệ thống máy tính. Bus thường bao gồm 50 đến 100 dây dẫn được gắn chặt với mainboard, trên các dây này có các đường nối đưa ra, các đầu này được sắp xếp và cách nhau một khoảng quy định để có thể cắm vào đó các bảng mạch điều khiển vào ra hoặc bộ nhớ. Chúng ta sẽ tìm hiểu kĩ hơn hệ thống bus ở chương 6 trong giáo trình. Каталог: mydata -> giaoan tải về 1.99 Mb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
