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

+ 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
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.
a. Máy tính thế hệ đầu tiên: Ống chân không
ENIAC
Nặng
30 
tấn
Chiếm
1500
m2
diện
tích
sàn
Gồm
18000
đèn
điện
tử,
1500
công
tắc
điện
tử
Tiêu
thụ
14 
kWh
Có khả
năng
thực
hiện
5000
phép
tính
trên
1s
Tính
toán
trên
số
thập
phân
Bộ nhớ
gồm
20 
thanh
ghi: lưu
trữ số
thập phân
10 chữ số
Lập trình
thủ công
bằng
cách
thiết lập
các công
tắc và
cắm và
rút dây
cáp
+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
2. Các máy Von Neumann
IAS computer
Cấu trúc
+ IAS computer (tiếp)
Format bộ nhớ của máy IAS
 Cả dữ liệu và lệnh đều được lưu
trữ trong đây
 Chữ số được biểu diễn dưới dạng
số nhị phân. Mỗi lệnh là một mã
nhị phân
 Bộ nhớ của máy IAS gồm 1000 
ô nhớ (gọi là các từ (word)). Mỗi
ô chứa 40 bit nhị phân.
+
Cấu trúc mở 
rộng
của
máy tính
IAS
+ IAS computer (tiếp)
Các loại thanh ghi
•Chứa từ (word) sắp lưu vào trong bộ nhớ hoặc sắp được gửi ra cac cổng I/O.
•Hoặc được sử dụng để nhận một từ từ trong bộ nhớ hoặc từ các cổng I/O.
Thanh ghi bộ nhớ đệm
(Memory buffer register -
MBR)
•Chỉ định địa chỉ bộ nhớ của từ (word) chuẩn bị được đọc hoặc ghi vào MBR.
Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ
(Memory address register -
MAR)
•Chứa mã tác vụ 8 bit của lệnh đang được thực thi.
Thanh ghi tập lệnh
(Instruction register - IR)
•Được sử dụng để tạm thời lưu trữ lệnh nằm bên tay phải của 1 từ (word) 
trong bộ nhớ.
Thanh ghi bộ nhớ đệm
chứa tập lệnh (Instruction 
buffer register -IBR)
•Lưu giữ địa chỉ bộ nhớ của cặp lệnh tiếp theo.
Bộ đếm chương trình
(Program counter - PC)
•Được sử dụng để tạm thời giữ các toán hạng và kết quả của các phép tính
trong ALU.
Bộ cộng tích luỹ (AC) và bộ
Nhân chia (MQ)
+Hoạt động
IAS
+Tập lệnh trong
IAS
Bảng 2.1
Table 2.1 The IAS Instruction Set
+Tập lệnh trong
IAS (tiếp)
Bảng 2.1
Table 2.1 The IAS Instruction Set
+
3. Máy tính thương mại
 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
UNIVAC
+ 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
3. Máy tính thương mại (tiếp)
IBM
+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
b. Máy tính thế hệ thứ hai: transistor
1. Sơ lược lịch sử phát triển máy tính
+
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
CPU
Memory
Figure 2.5 An IBM 7094 Configuration
Data
channel
Mag tape
units
Card
punch
Line
printer
Card
reader
Drum
Disk
Disk
Hyper-
tapes
Teleprocessing
equipment
Data
channel
Data
channel
Data
channel
Multi-
plexor
Cấu hình
IBM
7094
c. Máy tính thế hệ thứ ba: Vi mạch – Mạch tích hợp 
(Intergated Circuit – IC)
1. Sơ lược lịch sử phát triển máy tính
 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
Figure 2.8  Growth in Transistor Count on Integrated Circuits
(DRAM memory)
1
1947
Fi
rs
t 
w
or
ki
ng
tr
an
si
st
or
M
oo
re
’s
 la
w
pr
om
ul
ga
te
d
In
ve
nt
io
n 
of
in
te
gr
at
ed
 c
ir
cu
it
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 2000 05 11
10
100
1,000
10.000
100,000
10 m
100 m
1 bn
10 bn
100 bn
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
Tốc độ sau đó
chậm lại thành
gấp đôi sau
mỗi 18 tháng
vào những
năm 1970 và
duy trì cho
đến ngày nay
Hệ quả của quy luật Moore: 
Giá
thành
của mạch
bộ nhớ
và logic 
máy tính
đã giảm
rất mạnh
Chiều
dài
đường
dẫn điện
được rút
ngắn, tốc
độ hoạt
động
tăng
Máy tính
trở nên
nhỏ gọn
hơn và
thuận tiện
cho sử
dụng ở các
môi trường
khác nhau
Giảm
tiêu thụ
điện
năng và
yêu cầu
bộ làm
mát
Kết nối
giữa các
chip ít
hơn
+
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
Figure 2.9 PDP-8 Bus Structure
Console
controller
CPU
Omnibus
Main
memory
I/O
module
I/O
module
+d. Các thế hệ 
tiếp theo
LSI
Large 
Scale 
Integration
VLSI
Very Large 
Scale 
Integration
ULSI
Ultra Large
Scale 
Integration
Bộ nhớ bán dẫn
Bộ vi xử lý
+
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
c. 1990s Processors
d. Recent Processors
Quá trình phát triển của vi xử lý Intel
+ 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?