of 56/56
NGUYỄN Ngọc Hoá Bộ môn Hệ thống thông tin, Khoa CNTT Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Kiến trúc máy tính Nhập môn 7 September 2015 [email protected]

Nhập môn - Tài liệu VNU

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Nhập môn - Tài liệu VNU

Nhp mônTrng i hc Công ngh,
i hc Quc gia Hà Ni
Kin trúc máy tính
Nhp môn
Kin trúc Von Neuman
Phân loi kin trúc
Lch s phát trin
Mt s kin trúc máy tính hin i
Kin trúc x86 và x86-64
Kin trúc UltraSparc
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 3Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 3
Khái nim chung
Kin trúc máy tính
Kin trúc : hng n mc tiêu xây dng sn phm t nhng thành
phn ã có theo mt phng thc nào ó
Ví d: kin trúc chip, kin trúc mng Internet, kin trúc h thng email, …
Wikipedia:
- “computer architecture is the practical art of selecting and interconnecting
hardware components to create computers that meet functional,
performance and cost goals and the formal modelling of those systems”.
- “The coordination of abstract levels of a processor under changing forces,
involving design, measurement and evaluation. It also includes the overall
fundamental working principle of the internal logical structure of a computer
system”…
Architecture & Organization
tính, c t bi nhng thuc tính mà
ngi lp trình có th s dng c
Tp lnh, c ch vào/ra, s bits dùng
biu din d liu…
Organization: thit k vt lý ca máy
tính, c t bi nhng cách thc cài
t các chc nng, thao tác
Tín hiu iu khin, giao din, công ngh
nh.
VD: B nhân ã c cài t trc tip hay
thông qua mt dãy các phép cng?
Mathematics
Algorithms
Applications
Kin trúc và t chc …
H Intel x86 chia s cùng mt kin
trúc c bn
mt kin trúc c bn
Tuy nhiên, t chc ca chúng li
khác nhau gia các phiên bn
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 6Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 6
Vai trò ca kin trúc máy tính
Computer Architecture cho phép:
Khai thác nhng th mnh công ngh
Sn xut các thit b nhanh hn, bé hn, r hn, xch hn (tiêu th ít
nng lng)….
Ci thin c hiu nng ca h thng (latency, throughput).
Mang n nhng ng dng mi, kh nng mi
S phát trin ca kin trúc máy tính c xem là mu cht
cho s phát trin ca nhng lnh vc tính toán khác!
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 7Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 7
Structure & Function
Cu trúc: cách các thành phn liên kt vi nhau
Chc nng: hot ng ca các thành phn cá nhân trong
mt phn ca cu trúc
Chc nng ca mi máy tính:
Data processing - X lý d liu
Data Storage - Lu gi d liu
Data Movement - Chuyn d liu
Control - iu khin
Mi liên h gia các chc nng
B chuyn d liu
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 9Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 9
Trao i d liu
Lu tr
X lý thông tin
X lý và kt xut thông tin
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 13Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 13
Cu trúc máy tính – top view
Computer
Main
Memory
Input
Output
Systems
Interconnection
Peripherals
Communication
lines
Central
Processing
Unit
Computer
Cu trúc CPU
Cu trúc Control Unit
Mô hình máy Von Neuman
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 17Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 17
Phân loi kin trúc máy tính
Scalar Processor <> Vector Processor
Quantum computer <> Chemical computer
Phân loi kin trúc máy tính…
Harvard architecture <> von Neumann architecture
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 19Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 19
Phân loi kin trúc máy tính…
Non-Uniform Memory Access (NUMA) computers
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 20Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 20
Phân loi kin trúc máy tính…
Cellular architecture
Lch s
Hp chi nhc
mt máy tính – calculator
Chn trng thái tính
1946: J. Von Neumann miêu t mt mô hình máy
tính vn nng
c xp vào th h th 5
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 22Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 22
Th h
(operations/s)
2 1958-1964 Transistor 200.000
3 1965-1971 SSI/MSI 1.000.000
4 1972-1977 LSI 10.000.000
5 1978- VLSI 100.000.000
1946-1957
Cng knh, vn hành kém
Công ngh bóng chân không, rle, in tr
Lp trình bng th c l
Tiêu biu: ENIAC – Electronic Numerical Integretor
And Calculator dành nghiên cu v bom H
1943-1946, c s dng n 1955
18.000 èn in t, 1.500 rle, 30 tn, 140KW,
15.000 square feet
5.000 phép cng/s
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 24Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 24
IAS
Binary number
Set of registers (storage in CPU)
Memory Buffer Register
Memory Address Register
1958-1964
ch ra Bell Lab, 1947
Ngôn ng lp trình u tiên : COBOL, FORTRAN, LISP
Tiêu biu: máy tính mini DEC PDP-1 (1957)
4K t 18bit
1965-1971
SSI : 100 devices/chip MSI: 100-3000 devices/chip
106 phn t logics
Tiêu biu: System/360 ca IBM – 1964
DEC PDP-8
1972-1977
107 phn t logics
X lý phân tán
1971 : microprocessor 4004 u tiên ca INTEL
Tt các các thành phn ca CPU c tp trung trên cùng mt chíp
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 28Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 28
1978-
> 108 phn t logics
Multimedia,
X lý d liu không phi dng s (text, images, speech)
Song song,
Mt s siêu máy tính System Vendor Total Cores Rmax (TFlops)
Rpeak
(TFlops)
Power
12C 2.200GHz, TH Express-2, Intel Xeon
Phi 31S1P
0National University of
Defense Technology, CN
US, DOE/SC/Oak Ridge
Custom IBM 1,572,864 17,173.20 20,132.707,890.00
US, DOE/NNSA/LLNL
K computer,
interconnect Fujitsu 705,024 10,510.00 11,280.40
12,659.8
US, DOE/SC/Argonne
National Laboratory
2.700GHz, Infiniband FDR, Intel Xeon Phi
SE10P
Computing Center/Univ. of
Custom Interconnect IBM 458,752 5,008.90 5,872.002,301.00
Germany,
Forschungszentrum
Custom Interconnect IBM 393,216 4,293.30 5,033.201,972.00
US, DOE/NNSA/LLNL
2.70GHz, Infiniband FDR IBM 147,456 2,897.00 3,185.103,422.67Germany, Leibniz
Rechenzentrum
NVIDIA 2050 NUDT 186,368 2,566.00 4,701.004,040.00National Supercomputing
Center in Tianjin
Mt s siêu máy tính…
Sequoia
B nng lng M vi 1,57 triu nhân x lý và t tc 16,32
petaflop (16,32 triu t phép tính mi giây)
IBM sn xut
Hai h thng na ca M trong Top 10 Supercomputer 2012 là
"báo gm" Cray Jaguar (ng th 6) và FERMI (th 7).
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 31Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 31
Mt s siêu máy tính…
Fujitsu K
830 megaflop mi watt
Mt s siêu máy tính…
SuperMUC, c không ch ít tn nng lng hn Tianhe-1a
mà còn ánh bi c máy tính ca Trung Quc v hiu sut
vi tc 2,9 petaflop. Nó phc v cho công vic nghiên
cu và ging dy ti mt s trng i hc Munich. Ngoài
ra, c còn s hu JuQueen (xp th 8) dù h thng do
IBM sn xut.
Mt s siêu máy tính…
2010,Tianhe-1a t 2,57 petaflop, chim ngai vàng mà M
lúc ó nm gi. Tuy nhiên, nó khá ngn nng lng vì ch
thc hin c 635 megaflop mi watt. H thng tip theo
là Nebulae 1,27 petaflop
Mt s siêu máy tính…
Pháp: Curie tc 1,36 petaflop giúp Pháp c nhc n
trong danh sách 10 siêu máy tính.
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 35Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 35
Hiu nng – Performance
ánh giá hiu nng máy tính da ch yu vào 2 tham s Latency (how long to do X)
Còn c gi là thi gian thc thi / thi gian áp ng
Throughput (how often can it do X)
Hiu nng ph thuc vào kin trúc Tn s xung ng h
Vi CPU, hay s dng tham s s lnh thc hin c trong 1 giây MIPS : Millions Instructions Per Second
MFLOPS : Millions FLOating Point Instructions Per Second
Hiu nng toàn h thng c xác nh thông qua nhng chng trình ánh giá chuyên bit benchmarks
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 36Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 36
Hiu nng…
CPI & IPC
NI: Number of instructions
CPI: Cycle per Instruction
TC: Hàm công ngh cho phép xác nh thi gian thi hành các bc c
bn
IPC = 1/CPI : Instructions per Cycle
NMIPS = NI x 10-6 / Texe = F x IPC (F tn s c o bng MHz)
CPI th hin hiu nng ca các kin trúc cng: cho phép so
sánh hiu nng ca các phn cng c thc thi t cùng
mt kin trúc mm,
CPI cho phép so sánh các kin trúc ca b vi x lý (chng
hn RISC và CISC).
Lut Moore - 1965
S transistors trên mt n v din tích s tng gp ôi sau mi 24 tháng <1970, gp ôi mi nm
David House: hiu nng s tng gp ôi sau mi 18 tháng
Giá thành chip không i
Mt cao hn hiu nng cao hn
Kích thc bé hn mc linh hot cao hn (flexibility)
Gim công sut tiêu th và cn có các thit b làm lnh
Gim h thng liên kt gia các phn t, tng tin cy ca chip
Mt s khuynh hng dn xut:
Processor performance : Twice as fast after ~18 months
Memory capacity : Twice as much in <2 years
http://www.intel.com/research/silicon/mooreslaw.htm
Xu hng tng transistors/CPU
Các yu t tác ng n hiu nng
Tc b vi x lý
Dung lng b nh
Ràng buc: tc b nh luôn i sau tc b vi x lý
Hiu nng truy cp d liu t thit b vào/ra
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 40Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 40
Gii pháp tng hiu nng
Tng hiu nng các thành phn cu thành máy tính
Tng s bits thao tác ti mi thi im (8-16-32-64, …)
To DRAM “rng hn” thay vì “nhanh hn”
Thay i t chc/kin trúc b nh
Phân cp b nh, s dng b nh m cache
Gim tn xut truy cp b nh
Cache phc tp hn và cache ngay trong chip
Tng thông lng liên kt
Bus tc cao
Gii pháp…
Caching
Buffering
Thc t
Cân i nhng yu t quyt nh n hiu nng
Processor components
Main memory
I/O devices
Interconnection structures
Thc t …
Gim kích thc các cng logic
Tng xung nhp ng h
Gim thi gian lan truyn tín hiu gia các cng logic
Tng dung lng và tc caches
a mt phn cache vào bên trong chip gim thi gian truy cp
cache
Phân cp caches : thng có 2-3 mc cache gia b nh và b vi
x lý
Thay i t chc và kin trúc vi x lý
Tng tc thc thi
Xong xong hoá
Tuy nhiên…
Xung ng h
in nng
Tng cùng vi mt các cng logics và tc xung clock
Mt nhit nng
tr tr/dung kháng - RC delay
Tc dòng electrons gii hn bi tr kháng/dung kháng ca vt liu s
dng
Mng liên kt càng bé, tr kháng càng tng
Các cng logics càng gn nhau, dung kháng càng tng
Memory latency
Tc b nh cn tr tc b vi x lý
Gii pháp:
Các cách tip cn mi v t chc và kin trúc máy tính
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 45Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 45
Intel Microprocessor Performance
a lõi - Multiple Cores
Kin trúc a lõi trên cùng mt chip Chia s b nh cache ln
Why ? Nu phn mm có th tn dng a VXL, tng ôi VXL ng ngha vi
kh nng tng ôi hiu nng
Vi nhiu lõi, b nh cache ln phát huy tt u im
Mc tiêu t nng lng ca các phn t nh thp hn các phn t x lý logic
Ví d: IBM POWER4: two cores based on PowerPC
INTEL: DualCore, Core 2 Duo, QuadCore, …
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 47Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 47
POWER4 Chip Organization
UltraSparc T2
Intel Processor Evolution (1)
8-bit Processor 8080
Used in first personal computer – Altair
16-bit processors: origin of x86 8086: much more powerful, instruction cache, prefetch few instructions
8088 (8 bit external bus) used in first IBM PC
80286: 16 Mbyte memory addressable, up from 1Mb
32-bit processors: 80386: Support for multitasking
80486: sophisticated powerful cache and instruction pipelining, built in maths co-processor
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 50Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 50
Intel Processor Evolution(2)
Pentium with MMX technology
Celeron
Pentium II and III Xeon
Pentium M
Celeron M
Intel Core
Xeon
32-bit processors: Intel 32 – Intel Atom
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 51Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 51
Intel Processor Evolution (3)
64-bit processors: IA-64 Itanium 1, 2 : Hardware enhancements to increase speed
64-bit processors: Intel 64 – NetBurst microarchitecture Pentium 4F, Pentium D
Pentium Extreme Edition
Intel Core 2
Celeron, Celeron M
Core i3, i5, i7, Xeon
64-bit processors: Sandy Bridge
PowerPC
Berkeley RISC I processor
Not commercial success
1990, IBM RISC System/6000
68000 in Macintosh)
Superscalar RISC
Apple Macintosh
PowerPC Family (1)
603: Low-end desktop and portable
32-bit
604: Desktop and low-end servers
32-bit machine
Greater performance
PowerPC Family (2)
G4 (7xxx - 1999):
970 - G5 (2003):
64-bit organization
Xenon (Xbox), Cell(PS3), Broadway…
Tng kt
Cu trúc và chc nng
Mô hình máy tính Von Neuman
S lc v quá trình phát trin ca máy tính
Các yu t liên quan n hiu nng và cách thc nâng cao
hiu nng
S lc v các dòng chip thông dng ca Intel và IBM
Chun b cho bài sau: c chng 3 ca [1]
Computer Architecture –Department of Information Systems @ Hoá NGUYEN 56Computer Architecture – Department of Information Systems @ NGUYN Ngc Hoá 56
Câu hi ôn tp
1. Tìm hiu khái nim “h - family” sn phm ?
2. Phân bit khái nim kin trúc và t chc máy tính ?
3. Phân bit khái nim cu trúc và chc nng các thành phn trong máy
tính?
4. Chc nng chính ca máy tính là gì? Mi liên h gia các chc nng
ó?
5. Nguyên lý c bn ch to các máy tính là gì ? Tham s nào thng
c s dng phân loi các th h máy tính? Các kiu máy tính?
6. Hiu nng máy tính ph thuc vào nhng tham s nào? Làm th nào
nâng cao hiu nng máy tính?
7. Mt máy tính có tn s xung nhp chip là 5GHz thi hành 1 chng trình
bao gm 5 t lnh. S lnh này gm 20% lnh r nhánh, 10% lnh
store, 20% lnh load, và 50% lnh s hc+logic (ALU). Ch s trung
bình IPC là 1 i vi lnh r nhánh, 0.5 vi lnh load, 1 vi lnh store,
và 2 vi các lnh ALU. Hãy tính thi gian thc thi chng trình này?
https://tailieuvnu.com/