Giáo trình Cấu trúc máy tính - Phạm Đình Trịnh
BM/QT10/P.ĐTSV/04/04
Ban hành lần: 3
UBND TỈNH BÀ RỊA – VŨNG TÀU
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: CẤU TRÚC MÁY TÍNH
NGHỀ: KỸ THUẬT LẮP RÁP, SỬA CHỮA MÁY TÍNH
TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP
(Ban hành kèm theo Quyết định số:
/QĐ-CĐKTCN ngày…….tháng….năm ...................
của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ BR – VT)
BÀ RỊA – VŨNG TÀU, NĂM 2020
1
LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình Cấu trúc máy tính là môn học chuyên môn. Mục đích của giáo
trình Cấu trúc máy tính này là nhằm chuẩn hóa tài liệu giảng dạy và học tập cho
học sinh trung cấp, đồng thời cũng là tài liệu tham khảo đối với các chuyên
ngành khác trong lĩnh vực công nghệ thông tin, Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy
tính.
Mục được xây dựng và biên soạn trên cơ sở Chương trình khung đào tạo
nghề Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính đã được Hiệu trưởng trường Cao đẳng
kỹ thuật công nghệ Bà Rịa - Vũng Tàu phê duyệt.
Giáo trình Cấu trúc máy tính dùng để giảng dạy ở trình độ trung cấp được
biên soạn theo nguyên tắc quan tâm đến: tính định hướng thị trường lao động,
tính hệ thống và khoa học, tính ổn định và linh hoạt, hướng tới liên thông, chuẩn
đào tạo nghề khu vực và thế giới, tính hiện đại và sát thực với thực tế.
Nội dung giáo trình gồm 5 chương:
Chương I : Bảo hộ lao động
Chương II : Vệ sinh lao động trong sản xuất
Chương III: Kỹ thuật an toàn điện
Chương IV: Kỹ thuật an toàn dữ liệu và điện
Áp dụng việc đổi mới trong phương pháp dạy và học, giáo trình đã biên
soạn cả phần lý thuyết và thực hành. Giáo trình được biên soạn theo hướng mở,
kiến thức rộng và cố gắng chỉ ra tính ứng dụng của nội dung được trình bày.
Trên cơ sở đó tạo điều kiện để các giáo viên và học sinh, sinh viên sử dụng
thuận tiện trong việc giảng dạy cũng như làm tài liệu học tập, tham khảo và
nghiên cứu.
Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi sai sót, ban biên soạn rất
mong được sự góp ý của các thầy cô, học sinh, sinh viên và bạn đọc để giáo
trình được hoàn thiện hơn.
Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày tháng năm ………
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Phạm Đình Trịnh
1
MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU ...............................................................................................1
MỤC LỤC............................................................................................................2
CHƯƠNG 1: MỞ DẦU.......................................................................................6
1.Những khái niệm cơ bản ....................................................................................6
1.2.2. Phân loại máy tính...........................................................................8
1.4. Các mức máy tính.................................................................................13
2. Các thế hệ máy tính.........................................................................................18
2.1. Lịch sử máy tính...................................................................................18
2.2. Máy tính hiện tại và tương lai ..............................................................21
3. Thành quả của máy tính ..................................................................................23
CÂU HỎI ÔN TẬP.............................................................................................27
1. Thành phần cơ bản của một máy tính .............................................................28
2. Định nghĩa kiến trúc máy tính........................................................................31
2.1. Kiến trúc phần mềm .............................................................................31
2.2. Tổ chức máy tính..................................................................................32
2.3. Lắp đặt phần cứng ................................................................................32
2.3.1. Chuẩn bị các dụng cụ cần thiết..................................................................32
Bước 2: Lắp đặt CPU ..............................................................................33
Bước 3: Cài đặt RAM..........................................................................................33
Bước 4: Lắp đặt bo mạch chủ..............................................................................33
Bước 5: Lắp đặt quạt làm mát (nếu có)...............................................................33
3. Tập lệnh...........................................................................................................34
3.2. Các lệnh có điều kiện ...........................................................................35
3.2.1. Ghi nhớ điều kiện .........................................................................35
3.2.2. Nhảy vòng .....................................................................................37
3.3. Các lệnh chuyển hướng........................................................................37
4. Thủ tục.............................................................................................................38
5. Toán hạng........................................................................................................39
1. Đường đi dữ liệu..............................................................................................42
2
2. Bộ điều khiển...................................................................................................44
2.1. Bộ điều khiển điện tử ...........................................................................44
3. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy.......................................................................46
4. Ngắt .................................................................................................................48
5. Kỹ thuật ống dẫn .............................................................................................50
5.1. Giới thiệu..............................................................................................50
5.3. Khó khăn do cấu trúc............................................................................51
5.4. Khó khăn do số liệu..............................................................................52
5.5. Khó khăn do điều khiển........................................................................53
6. Ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng ............................................................54
6.1. Giới thiệu..............................................................................................55
6.1.1. Siêu ống dẫn..................................................................................55
6.2. Hạn chế.................................................................................................56
1. Các loại bộ nhớ................................................................................................58
1.2. Thiết bị lưu trữ......................................................................................64
2. Các cấp bộ nhớ................................................................................................69
2.1. Giới thiệu..............................................................................................69
2.2. Các cấp bộ nhớ.....................................................................................70
3. Cách truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ................................................................77
4.2. Hoạt động .............................................................................................78
4.2.1. Sắp xếp khối..................................................................................78
4.2.2. Nhận diện khối ..............................................................................79
4.2.3. Thay thế khối.................................................................................82
4.2.4. Chiến thuật ghi ..............................................................................82
4.3. Các mức Cache.....................................................................................84
4.4. Hiệu quả của Cache..............................................................................85
CÂU HỎI ÔN TẬP.............................................................................................87
1. Đĩa từ...............................................................................................................88
1.1. Giới thiệu..............................................................................................88
1.2. Đĩa cứng ...............................................................................................89
1.2.1. Cấu tạo đĩa cứng............................................................................89
1.2.3. Quản lý đĩa cứng ...........................................................................93
2. Đĩa quang ........................................................................................................95
2.1. Giới thiệu và nguyên lý........................................................................95
3
2.2. Các loại đĩa quang................................................................................97
3. Các loại thẻ nhớ.............................................................................................100
3.1. Khái niệm ...........................................................................................100
3.2. Phân loại.............................................................................................101
4. Băng từ ..........................................................................................................107
5. Các chuẩn về BUS.........................................................................................107
6. An toàn dữ liệu trong lưu trữ.........................................................................114
CÂU HỎI ÔN TẬP..........................................................................................116
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................117
4
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC
Tên môn học: Cấu trúc máy tính
Mã môn học: MH12
Vị trí, tính chất và vai trò của môn đun:
- Vị trí: là mô đun môn học cơ sở chuyên ngành được bố trí sau khi sinh viên học
xong môn đun Tin học và học trước môn lắp ráp cài đặt máy tính là môn học cơ sở
chuyên ngành đào tạo chuyên môn nghề.
- Tính chất: Là môn học chuyên ngành bắt buộc.
- Vai trò của môn học: Là cơ sở ngành trang bị nhũng kiến thức về các thành phần
của máy tính như Mainboard, CPU, Ram, Ổ cứng, Ổ CD/DVC, Card mạng, Card màn
hình, Màn hình… và cách thức, cơ chế hoạt động của chúng.
Mục tiêu môn học:
- Về kiến thức:
+ Trình bày được lịch sử của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại
máy tính.
+ Trình bày được các thành phần cơ bản của kiến trúc máy tính, các tập lệnh.
Các kiểu kiến trúc máy tính: mô tả kiến trúc, các kiểu định vị.
+ Trình bày được cấu trúc của bộ xử lý trung tâm: tổ chức, chức năng và
nguyên lý hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý. Mô tả diễn tiến thi hành một
lệnh mã máy và một số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng.
+ Trình bày được chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ.
+ Trình bày được phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài
- Về kỹ năng: Vận dụng các kiến thức đã học chọn được các thiết bị cho một bộ
máy tính bàn hoàn chỉnh đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Có thể làm việc một cách độc lập hay làm
việc theo nhóm.
Nội dung môn học:
5
CHƯƠNG 1: MỞ DẦU
Mã chương : 12.01
Giới thiệu :
Trong chương này giới thiệu về lịch sử máy tính, cách phân loại máy tính
theo công dụng hay chức năng, khái niệm về thông tin, dữ liệu và các hệ thống
số và cách biểu diễn thông tin.
Mục tiêu :
- Trình bày được khái niệm máy tính
-Trình bày được nguyên lý xây dựng máy tính
- Trình bày được lịch sử phát triển của máy tính
- Trình bày được các thành phần cơ bản của một máy vi tính
- Trình bày được các thành tựu của máy tính.
- Phân biệt được các loại máy tính
Nội dung chính:
1.Những khái niệm cơ bản
1.1 Máy tính
Máy tính là công cụ cho phép xử lý thông tin một cách tự động theo những
chương trình (program) đã được lập sẵn từ trước.
Mục đích làm việc của máy tính là xử lý thông tin, trong đó chương trình đã
được lập sẵn quy định máy tính sẽ tiến hành xử lý thông tin như thế nào.
Chương trình là một dãy các lệnh (tập các lệnh: set of instructions) theo một
trình tự nhất định để thực hiện một công việc nào đó từng bước một theo ý muốn
của người lập trình.
Như vậy, chương trình là một tập các chỉ thị để ra lệnh cho máy tính thực hiện
công việc nhằm đạt đến mục tiêu hay kết quả của việc thực hiện chương trình.
Muốn máy tính thực hiện chương trình tự động thì máy tính phải có chức năng
“nhớ” tập lệnh của chương trình.
6
1.2. Các nguyên lý xây dựng và sự phân loại máy tính
1.2.1. Các nguyên lý xây dựng máy tính điện tử
Máy tính có thể làm việc thông qua sự chuyển động của các bộ phận cơ
biết. Mặc dù máy tính được xây dựng từ nhiều công nghệ khác nhau song gần
như tất cả các máy tính hiện nay đều là máy tính điện tử.
Máy tính có thể trực tiếp mô hình hóa các vấn đề cần được giải quyết,
trong khả năng của nó các vấn đề cần được giải quyết sẽ được mô phỏng gần
giống nhất với những hiện tượng vật lý đang khai thác. Ví dụ, dòng chuyển động
Trong phần lớn các máy tính ngày nay, trước hết, mọi vấn đề sẽ được
chuyển thành các yếu tố toán học bằng cách diễn tả mọi thông tin liên quan
Các mạch điện tử được sử dụng để miêu tả các phép tính Boole. Vì phần
lớn các phép tính toán học có thể chuyển thành các phép tính Bool nên máy tính
điện tử đủ nhanh để xử lý phần lớn các vấn đề toán học (và phần lớn thông tin
thành hiện thực.
đề mà máy tính có thể hay không thể giải quyết.
7
Khi máy tính kết thúc tính toán một vấn đề, kết quả của nó được hiển thị
cho người sử dụng thấy thông qua thiết bị xuất như: bóng đèn, màn hình, máy
in, máy chiếu...
Những người mới sử dụng máy tính, đặc biệt là trẻ em, thường cảm thấy
khó hiểu về ý tưởng cơ bản là máy tính chỉ là một cái máy, nó không thể "suy
nghĩ" hay "hiểu" những gì nó hiển thị. Máy tính chỉ đơn giản thi hành các tìm
kiếm cơ khí trên các bảng màu và đường thẳng đã lập trình trước, rồi sau đó
thông qua các thiết bị đầu ra (màn hình, máy in,...) chuyển đổi chúng thành
những ký hiệu mà con người có thể cảm nhận được thông qua các giác quan
(hình ảnh trên màn hình, chữ trên văn bản được in ra). Chỉ có bộ não của con
người mới nhận thức được những ký hiệu này tạo thành các chữ hay số và gắn ý
nghĩa cho chúng. Trong quan điểm của máy tính thì mọi thứ mà nó "nhận thấy"
(kể cả khi máy tính được coi là có khả năng tự nhận biết) chỉ là các hạt electron
và robot.
1.2.2. Phân loại máy tính
1.2.2.1. Theo kích thước, công dụng ( tính năng và giá tiền)
nghìn teraflop (một teraflop tương đương với hiệu suất một nghìn tỷ phép
tính/giây) hay bằng tổng hiệu suất của 6.000 chiếc máy tính hiện đại nhất hiện
nay gộp lại (một máy có tốc độ khoảng từ 3-3,8 gigaflop).
phổ biến hơn, nhu cầu sử dụng hệ thống giá thành thấp để dùng ở cấp độ phòng
8
ban thay vì ở cấp độ doanh nghiệp mang đến cơ hội cho các nhà kinh doanh máy
tính mới bước vào thị trường. Nhìn chung, mục tiêu về giá cả của các máy tính
xoá bỏ nhu cầu của dòng máy tính này.
sử dụng chủ yếu bởi các công ty lớn như các ngân hàng, các hãng bảo hiểm... để
thống kê khách hàng và doanh nghiệp, và xử lý các giao tác thương mại.
(hệ điều hành MVS). Z có nghĩa Zero, Zero downtime, có nghĩa là máy có thể
hoạt động 24/24 giờ mỗi ngày, 7/7 ngày mỗi tuần, và 365/365 ngày không
như 1 chiếc xe tăng: vững chắc, có thể nhận hàng ngàn lệnh cùng 1 lúc. Ví dụ
máy IBM Z9 (2008) có thể được cài 20 processor và đáp ứng 8000.000.000 (8
tỉ) lệnh 1 giây.
định vì ngay cả một sự cố ngắn hạn cũng có thể gây thiệt hại hơn cả việc mua
phút có thể cho thấy việc thay thế toàn bộ hệ thống hiện tại bằng một hệ thống
đáng tin cậy hơn vẫn là giải pháp tốt hơn.
9
Workstation (một số tài liệu gọi là máy trạm) được sử dụng theo các nghĩa:
dành để chạy các ứng dụng kỹ thuật hoặc khoa học.Mục đích chính cho việc tạo
ra máy tính này là để phục vụ cho 1 người tại 1 thời điểm. có thể kết nối với
nhau qua mạng máy tính và phục vụ nhiều User cùng lúc. Một nhóm các máy
kết nối mạng với nhau. Các máy trạm cung cấp hiệu suất cao hơn máy tính để
bàn, đặc biệt là về CPU, đồ họa, bộ nhớ và khả năng xử lý đa nhiệm. Nó được
tối ưu hóa cho việc xử lý các loại dữ liệu phức tạp như các bản vẽ 3D trong cơ
khí, các mô phỏng trong thiết kế, vẽ và tạo ra các hình ảnh động, các logic toán
học. Thông thường các bộ phận giao tiếp với máy trạm bao gồm: màn hình với
độ phân giải cao, bàn phím và chuột. Đôi khi cũng cấp kết nối với nhiều màn
hình, máy tính bảng đồ họa và chuột 3D. Hiện nay, thị trường máy trạm do các
ông lớn trong ngành máy tính như DELL, HP, SONY,... và bán cũng các bản
Windows/ Linux chạy trên CPU Intel Xeon/AMD Opteron.
với giá cả, kích thước và sự tương thích của nó khiến nó hữu dụng cho từng cá
nhân.
+ Máy tính để bàn (Desktop)
+ Máy tính xách tay (Laptop).
+ Máy tính bản
+ Thiết bị kỹ thuật số PDA
1.2.2.2. Theo kiến trúc
- Kiến trúc máy tính von-neumann
Sơ đồ kiến trúc máy tính von-Neumann Kiến trúc máy tính von-Neumann
được nhà toán học John von-Neumann đưa ra vào năm 1945 trong một báo cáo
về máy tính EDVAC như minh hoạ trên Hình 1.1 - Kiến trúc máy tính von-
Neumann nguyên thuỷ.
10
Hình 1.1. Kiến trúc máy tính von-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
trên Hình 1.2.
Hình 1.2. Kiến trúc máy 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 và (3)
Các lệnh của một chương trình được thực hiện tuần tự. Quá trình thực hiện lệnh
được chia thành 3 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; và (3) CPU ghi kết quả thực hiện lệnh vào bộ nhớ (nếu có).
- Kiến trúc máy tính Harvard:
11
Kiến trúc máy tính Harvard là một kiến trúc tiên tiến như minh hoạ trên
Hình 6.
Hình 1.3. Kiến trúc máy tính Harvard
Kiến trúc máy tính Harvard chia bộ nhớ trong thành hai phần riêng rẽ: Bộ
nhớ lưu chương trình (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 nhập bộ nhớ, đặc biệt khi CPU sử dụng kỹ thuật đường
ống (pipeline).
1.3. Ngôn ngữ máy, mức, máy ảo.
Giữa ngôn ngữ và máy ảo có một mối liên hệ quan trọng. Mỗi một máy có
một ngôn ngữ máy bao gồm tất cả các chỉ thị mà máy có thể thực thi. Một máy
xác định một ngôn ngữ. Tương tự một ngôn ngữ xác định một máy, máy thực thi
được tất cả các chương trình viết bằng ngôn ngữ nàỷ. Dĩ nhiên máy được xác
định bởi một ngôn ngữ nào đó có thể quá phức tạp và quá đắt để xây dựng trực
tiếp bằng các mạch điện tử, tuy vậy ta có thể tưởng tượng được. Một máy với C,
Pascal hoặc Cobol là ngôn ngữ máy sẽ thật sự phức tạp nhưng chắc chắn có thể
nhận biết được và có lẽ trong tương lai một máy như vậy sẽ được khảo sát để
dàng đế thiết kế.
12
Một máy tính có n cấp được xem như n máy ảo khác nhau, mỗi máy ảo có
một ngôn ngữ máy riêng. Các thuật ngữ “cấp” và “máy ảo” có thể dùng thay thế
cho nhau. Chỉ có các chương trình viết bằng ngôn ngữ L1 mới được thực hiện
trực tiếp bởi các mạch điện tử mà không cần sự can thiệp của dịch hoặc phiên
dịch. Các chương trình viết bằng L2, L3, ... , Ln hoặc phải được phiên dịch bởi
một trình phiên dịch chạy trên cấp thấp hơn hoặc phải được dịch sang ngôn ngữ
khác tương ứng với cấp thấp hơn.
Một người viết các chương trình cho máy ảo cấp n không cần biết các trình
phiên dịch và dịch này cấu trúc máy đảm bảo các chương trình này sẽ được thực
thi bằng cách này hoặc bằng cách khác. Hoặc chúng được thực thi từng chỉ thị
một bởi một trình phiên dịch, rồi đến lượt trình phiên dịch này được thực thi bởi
một trình phiên dịch khác, hoặc chứng được thực thi trực tiếp bới các mạch đỉện
tử. Kết quả là trong cả 2 trường hợp, các chương trình đều dược thực thi.
Hầu hết các lập trình viên sử dụng máy n cấp chỉ quan tấm đến cấp cao nhất,
ít người quan tâm đến ngôn ngữ ở cấp thấp nhất. Tuy nhiên, những ai cần tìm
hiểu cách thức một máy tính làm việc thực sự đều phải nghiên cứu tất cả các
cấp. Những người quan tâm đến việc thiết kế các máy tính mới hoặc các cấp
mới cũng phải làm quen với các cấp máy khác ngoài cấp cao nhất. Các khái
niệm và kỹ thuật xây dựng các máy như là một chuỗi các cấp và chi tiết của một
số cấp quan trọng tạo thành chủ đề chính của giáo trình này.
Máy tính được xem xét như là một hệ thống các cấp có thứ bậc cho ta một cấu
trúc hoặc một cơ cấu tổ chức tốt nhằm tìm hiểu cách tổ chức các máy tính. Hơn
nữa, việc thiết kế một hệ thống máy tính như là một chuỗi các cấp giúp ta đảm
bảo được thành quả sẽ có câu trúc tôt.
1.4. Các mức máy tính
Hầu hết các máy tính hiện nay bao gồm 2 hay nhiều cấp. Thông thường các
máy, có 6 cấp hay hơn như trong hình 1.2.
13
Hình 1.5. Sáu cấp trên các máy tính hiện nay. Phương pháp hỗ trợ cho mỗi cấp chỉ ra
ở phía dưới cấp, cùng với tên của chương trình hỗ trợ trong dấu ngoặc đơn.
Cấp 0, ở đáy của hình vẽ, thật sự là phần cứng của máy. Các mạch điện tử
của cấp này thực thi các chương trình ngôn ngữ máy cửa cấp 1. Để được hoàn
chỉnh, ta cũng cần bàn đến một cấp khác dưới cấp 0. Cấp này không được vẽ
trong hình 1.5 do bởi thuộc lĩnh vực kỹ thuật điện không nằm trong phạm vi
quyến sách này. Ta gọi cấp này là cấp linh kiện ( device level ). Các nhà thiết kế
tìm thấy ở cấp này các transistor riêng rẽ, chúng là các thành phần có cấp thấp
nhất đối với các nhà thiết kế máy tính ( dĩ nhiên có người sẽ hỏi các transistor
làm việc ra sao, nhưng điều này thuộc lĩnh vực vật lý chất rắn ). ở cấp thấp nhất
chúng ta khảo sát, cấp logic số ( digital logic level ), đối tượng được quan tâm là
cổng logic ( logic gat^ ). Mặc dù được xây dựng từ các thành phần tương đồng (
analog component ) như là các transistor, các cổng mô hình hóa một cách chính
xác các linh kiện sô' ( digital device ■). Mỗi một cổng có một hoặc nhiều ngõ
vào sô' ( các tín hiệu biểu diến bởi 0 hoặc 1 1 và ngõ ra là hàm đơn giản của các
ngõ vào này. Các cổng được xây dựng tô'i đa từ một nhóm nhỏ các transistor.
Cấp logic số được khảo sát chi tiết ở chương 3. Dù rằng kiến thức về cấp linh
14
kiện là kiến thức mang tính chuyên sâu, nhưng với sự ra đời của các bộ vi xử lý
và các máy vi tính, ngày càng có nhiều người tiếp xúc với cấp logic số. Từ lý do
này, ta dành trọn một chương để đề cập đến chúng.
Cấp trên kế tiếp là cấp 1, cấp ngôn ngữ máy thật sự. Trái ngược với cấp 0, ở đó
không có khái niệm một chương trình là một chuỗi các chỉ thị được thực thi, ở
cấp 1 có một chương trình gọi là vi chương trình ( microprogram ) làm nhiệm vụ
phiên dịch cẩc chỉ thị của cấp 2. Chúng ta gọi cấp 1 là cấp vi lập trình ( micro
programming level ). Mặc dù không có 2 máy tính có các cấp vi lập trình hoàn
toàn như nhau, sự tương đồng của chúng đủ cho phép ta rút ra các đặc trưng cần
thiết và thảo luận về cấp này như thể đây là cấp được định nghĩa đầy đủ. Một vài
máy có nhiều hơn 20 chỉ thị ở câp này và hầu hết là các chỉ thị di chuyên dữ liệu
từ phần này đến phần khác của máy, hoặc thực hiện một sô' việc kiểm tra đơn
giản.
Mỗi một máy cấp 1 có một hoặc nhiều vi chương trình chạy trên chúng.
Mỗi một vi chương trình xác định hoàn toàn một ngôn ngữ cấp 2 (hoặc một máy
ảo với ngôn ngữ máy là ngôn ngữ cấp 2 này ). Các máy cấp 2 cũng có nhiều
điểm chung, thậm chí các máy cấp 2 của các hãng khác nhau cũng có nhiều
điểm tương đồng hơn là khác biệt. Trong quyển sách này chúng ta gọi cấp này là
cấp máy qui ước ( conventional machine level 1 do không có một tên gọi tổng
quát.
Các nhà sản xuất máy tính đều cho xuất bản các quyển số tay kèm theo
các máy tính họ bán ra. Các quyển sổ tay này thường có tựa đề “ sổ tay tham
khảo ngôn ngữ máy ” ( machine language reference manual ) hoặc “ các nguyên
tắc hoạt động của máy tính Western Wombat kiểu 100X “ ( principles of
operation of the Western Wombat model 100X ) hoặc các tựa đề tương tự. Các
quyên sổ tay này nói về máy ảo cấp 2, không phải máy thực cấp 1. Tập các chỉ
thị của máy được mô tả là các chỉ thị được thực thi bằng cách phiên dịch bởi vi
chương trình, không phải các chỉ thị được thực thi trực tiếp bởi phần cứng. Nếu
một nhà sản xuất máy tính cung câp 2 trình phiên dịch cho một máy nhằm phiên
15
dịch 2 ngón ngữ máy cấp 2 khác nhau, nhà sản xuất này cần cúng cấp 2 loại số
tay tham khảo ngôn ngữ máy ứng với 2 trình phiên dịch.
Cũng cần lưu ý, một sô' máy tính không có cấp vi lập trình.
Trên các máy này, các chỉ thị cửa cạp máy qui ước được thực thi trực tiếp
bởi các mạch điện tử ( cấp 0 ), không có trình phiên dịch của máy cấp 1, kết quả
cấp 1 ( không phải cấp 2 ) là cấp máy qui ước. Tuy nhiên ta vẫn gọi cấp 2 là cấp
máy qui ước bất chấp các ngoại lệ này.
Cấp thứ ba thường là cấp hỗn hợp ( hybrid level ). Hầu hết các chỉ thị trong
ngôn ngữ của cấp máy nàỵ cũng ở trong ngôn ngữ câp 2 ( không có lý do tại sao
một chỉ thị xuất hiện ở một cấp này lại không thể hiện diện ở các cấp khác ).
Thêm vào đó lại có một tập các chỉ thị mới, một tổ chức bộ nhớ khác, khả năng
chạy 2 hay nhiều chương trình song song và nhiều đặc trưng khác. Sự thay đổi
hiện hữu nhiều giữa các máy cấp 3 hơn là giữa các máy cấp 1 hay cấp 2.
Các tiện nghi mới thêm vào ở cấp 3 được thực thi bởi một trình phiên dịch
chạy trên cấp 2, gọi là hệ điều hành (operating system).
Nhiều chỉ thị cấp 3 khác, giống như các chỉ thị cấp 2 được thực thi trực
tiếp bởi vi chương trình, không phải bởi hệ điều hành. Nói cách khác, một số chỉ
thị cấp 3 được phiên dịch bởi hệ điều hành và một sô chỉ thị cấp 3 được phiên
dịch trực tiếp bởi vi chương trình, do vậy ta gọi là cấp hỗn hợp. Chúng ta gọi
cấp này là cấp máy hệ điều hành ( operating system machine level ).
Có một bước ngoặt cơ bản giữa cấp 3 và câp 4. Ba câp thâ’p nhất không
được thiết kế đẻ 'sư dụng trực tiếp bới những ngưòi lập trình thông thường mà
được dự định chu yếu để chạy các trinh dịch và trình phiên dịch cần hỗ trợ cho
các cấp cao hơn. Các trình dịch và trình phiên dịch được viết bởi các lập trình
viên hệ thống ( system programmer ), những người chuyên thiết kê và hiện thực
các máy ảo mới. Câ'p 4 và các cấp trên nữa được dự định dành cho những người
lập trình ứng dụng ( applications programmer ) nhằm giải quyết một ván đề nào
đó.
16
Một thay đổi khác xuất hiện ở cấp 4, đó là phương pháp hỗ trợ cho các
cấp cao hơn. Các cấp 2 và 3 luôn luôn được phiên dịch. Các cấp 4, 5 và cao hơn
thông thường, nhưng không phải luôn luôn, được hỗ trợ bởi dịch.
Sự khác nhau khác nữa giữa các cap 1, 2 và 3 trên mặt này và các cấp 4, 5 và
cao hơn trên mặt khác là bản chất của ngôn ngữ được cung cấp. Các ngôn ngữ
máy ớ các cấp 1, 2 và 3 có dạng số.
Chương trình trong các ngôn ngữ này bao gồm những chuỗi dài các số,
chúng tốt với máy nhưng xấu đối với người. Bắt đầu từ cấp 4, ngôn ngữ chứa
các từ và các chữ viết tắt mang ý nghĩa đối với con người.
Cấp 4, cấp ngôn ngữ hợp dịch hay cấp hợp ngữ ( assembly language level
) thật sự là dạng tượng trưng cho một trong các ngôn ngữ. Cấp này cung cấp một
phương pháp viết các chương trình cho các cấp 1, 2 và 3 dưới dạng không gây
khó chịu như chính các ngôn ngữ máy của chúng. Các chương trình viết bằng
hợp ngữ trước tiên được dịch sang ngôn ngữ của cấp 1, 2 hoặc 3, sau đó được
phiên dịch' bởi máy ảo hoặc thực tương ứng. Chương trình thực hiện việc dịch
gọi là trình dịch hợp ngữ ( assembler ).
Cấp 5 bao gồm các ngồn ngữ được thiết kế dành cho những người lập
trình ứng đụng nhằm giải quyêt các vấn đề nào đó. Các ngôn ngữ này gọi là các
ngón ngữ cấp cao ( high level language ).
Theo nghĩa đen có vài trăm ngôn ngữ khác nhau. Một vài ngôn ngữ nổi
tiếng là BASIC, c, COBOL, FORTRAN, LISP, Mođula 2 và PASCAL và các
ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng ( object- oriented programming language )
sau này như C++, J++, v.v... .
Các chương trình được viết bằng các ngôn ngữ này thường được dịch
sang cấp 3 hoặc cấp 4 bằng các trình dịch gọi là trình biên dịch ( compiler ) dù
rằng đôi khi chúng cũng được phiên dịch.
Cấp 6 và các cấp trên nữa bao gồm những tập hợp các chương trình được
thiết kế đê tạo ra các máy dành riêng cho các ứng dụng đặc biệt, Chúng chứa
một lượng-lớn thông tin về các ứng dụng đó.
17
Có thế tưởng tượng ra các máy ảo dành cho các ứng dụng trong quản lý,
giáo dục, thiết kê' máy tính, v.v.... Các cấp này là lĩnh vực đang được nghiên
cứu.
Tóm lại, vấn đề chính cần nhớ là các máy tính được thiết kế thành một
chuồi các cấp, mỗi một câ'p được xây dựng trên cấp trước đó. Mỗi cấp biểu thị
một quan điểm trừu tượng riêng, với các đôi tượng và các thao tác khác nhau.
Bằng cách thiết kế và phân tích máy tính theo cách này, chúng ta tạm thời bỏ
qua các chi tiết không thích hợp và do vậy làm cho một vấn đề phức tạp được
hiểu dễ dàng hơn.
Tập các loại dữ liệu, các thao tác và các đặc trứng của một cấp được gọi là
cấu trúc ( architecture ) của câ'p đó. Cấu trúc xử lý các khía cạnh nhìn thấy được
đốì với người sử dụng cấp đó. Các đặc trưng người lập trình thấy được như có
bao nhiêu bộ nhớ có giá trị là một phạn của cấu trúc. Các khía cạnh thực hiện (
implemen tation aspect ) như loại công nghệ chip nào được sử dụng để thực hiện
bộ nhớ không phải là một phần của cấu trúc. việc nghiên cứu cách thiết kế các
phần của một hệ thống máy tính mà người lập trình nhìn thấy được gọi là cấu
trúc máy tính.
Trong thực tế, cấu trúc máy tính ( computer architecture ) và tố chức máy
tính ( computer organisation ) về bản chất muốn nói đến cùng một sự việc.
2. Các thế hệ máy tính
2.1. Lịch sử máy tính
Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ
chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các ngoại vi,..
.Ta có thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển từ
thế hệ trước sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về
công nghệ.
Thế hệ đầu tiên (1946-1957)
18
Tải về để xem bản đầy đủ
129 trang
10/05/2022
7080
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Cấu trúc máy tính - Phạm Đình Trịnh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_cau_truc_may_tinh_pham_dinh_trinh.doc
