c3 tổ chức hệ thống máy tính

c3 tổ chức hệ thống máy tính

Đây là tóm tắt nội dung của tài liệu "chuong3 tổ chức hệ thống máy tính.pdf"

Tài liệu này trình bày chi tiết về tổ chức của hệ thống máy tính, bao gồm Đơn vị xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ, và các công nghệ lưu trữ.

1. Tổ chức Hệ thống Máy tính & CPU

Các thành phần chính: Một máy tính đơn giản bao gồm CPU, Bộ nhớ chính (Main memory), các thiết bị I/O (Disk, Printer), và Bus kết nối.
Các thành phần của CPU: Bao gồm Đơn vị số học và logic (ALU), Đơn vị điều khiển (Control Unit), và các Thanh ghi (Registers).
Các bước thực thi lệnh:
1. Lấy lệnh tiếp theo từ bộ nhớ vào thanh ghi lệnh (instr. register).
2. Thay đổi bộ đếm chương trình (program counter) để trỏ đến lệnh tiếp theo.
3. Xác định loại lệnh vừa được lấy.
4. Nếu lệnh sử dụng từ trong bộ nhớ, xác định vị trí và lấy từ đó vào thanh ghi CPU.
5. Thực thi lệnh.
6. Quay lại bước 1 để bắt đầu thực thi lệnh tiếp theo.

2. RISC và CISC

RISC (Reduced Instruction Set Computing): Tập lệnh đơn giản, cho phép thực thi lệnh nhanh hơn (1 chu kỳ/lệnh), nhưng chương trình sẽ dài hơn.
CISC (Complex Instruction Set Computing): Tập lệnh phức tạp hơn, thực hiện nhiều việc hơn, chương trình ngắn hơn (ít lệnh được nạp từ bộ nhớ), nhưng cần nhiều thời gian hơn để thực thi mỗi lệnh (> 1 chu kỳ).
Nguyên tắc thiết kế máy tính hiện đại: Lệnh được thực thi trực tiếp bằng phần cứng, tối đa hóa tốc độ phát lệnh, lệnh dễ giải mã, chỉ các lệnh load và store mới tham chiếu bộ nhớ, và cung cấp nhiều thanh ghi.

3. Song song hóa (Parallelism)

Song song hóa cấp lệnh (Instruction-Level Parallelism - ILP):
- Pipeline (Đường ống): Chia quá trình thực thi lệnh thành nhiều giai đoạn (ví dụ: 5 giai đoạn: Fetch, Decode, Operand Fetch, Execution, Write Back).
- Superscalar Architecture: Sử dụng nhiều đường ống song song và nhiều đơn vị chức năng (như ALU, LOAD, STORE, Floating point).
Song song hóa cấp bộ xử lý (Processor-Level Parallelism): Đề cập đến Hệ thống đa bộ xử lý (Multiprocessors), Hệ thống đa máy tính (Multicomputers) và Bộ xử lý mảng (Array processor).

4. Bộ nhớ Chính (Primary Memory)

Sắp xếp Byte (Byte Ordering): Giải thích sự khác biệt giữa Big endian và Little endian trong việc sắp xếp byte của một từ 32-bit trong bộ nhớ.
Mã sửa lỗi (Error Correcting Codes - ECC): Đề cập đến việc sử dụng mã để sửa lỗi đơn, công thức xác định số bit kiểm tra ($m+r+1 \le 2^r$) và bảng thống kê, cùng với ví dụ về mã Hamming.
Bộ nhớ Cache: Về mặt logic, Cache nằm giữa CPU và Bộ nhớ chính.

5. Bộ nhớ Phụ (Secondary Memory) và RAID

Phân cấp Bộ nhớ (Memory Hierarchies): Sắp xếp từ nhanh nhất đến chậm nhất (Registers, Cache, Main memory, Magnetic disk, Optical disk, Tape).
Đĩa Từ (Magnetic disks): Mô tả các thành phần (sector, track, zone), vật liệu nền (chuyển từ nhôm sang thủy tinh để tăng độ đồng đều và độ tin cậy), và cơ chế ghi/đọc (sử dụng cuộn dây dẫn và cảm biến từ điện trở MR).
RAID (Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks):
- Là một tập hợp các đĩa vật lý được hệ điều hành coi là một ổ đĩa logic duy nhất, dữ liệu được phân tán.
- RAID 0: Không có dự phòng, tăng tốc độ đọc/ghi do striping, nhưng lỗi trên 1 đĩa làm hỏng toàn bộ dữ liệu.
- RAID 1: Sao chép dữ liệu (Mirrored disks), đắt tiền nhưng phục hồi đơn giản và không có thời gian chết.
- RAID 3: Dùng XOR để phục hồi dữ liệu, có đĩa parity chuyên dụng. Ưu điểm là tốc độ truyền đọc/ghi cao, nhưng tốc độ giao dịch chậm do đĩa Parity.
- RAID 4: Parity cấp block không phân tán, tốc độ đọc rất cao (cho Web Servers), nhưng tốc độ ghi rất chậm.
- RAID 5: Parity cấp block được phân tán.
- RAID 6: Dự phòng kép, sử dụng hai thuật toán parity độc lập để bảo vệ chống lại lỗi đĩa kép.

6. Các loại đĩa Quang

CD-ROM: Sử dụng laser hồng ngoại để tạo rãnh xoắn ốc (Pit, Land) trên đĩa master, sau đó định khuôn bằng polycarbonate.
CD-Recordable: Dùng laser công suất cao để đốt tạo các đốm tối trên lớp nhuộm (dye layer) để ghi dữ liệu.
CD-ReWritable: Sử dụng hợp kim với hai trạng thái ổn định (tinh thể - crystalline và vô định hình - amorphous) và ba công suất laser khác nhau để ghi, xóa và đọc dữ liệu.
DVD: Có pits nhỏ hơn, bước xoắn ốc chặt hơn, và sử dụng laser đỏ (so với CD). Có nhiều loại dung lượng khác nhau (4.7GB, 8.5GB, 9.4GB, 17GB).
Blu-Ray: Kế thừa DVD, sử dụng laser xanh (bước sóng ngắn hơn) cho phép focus chính xác hơn và hỗ trợ pits, lands nhỏ hơn. Dung lượng: 25GB (một mặt), 50GB (hai mặt).

7. I/O