Giáo trình Kiến trúc máy tính - Nguyễn Thu Hiền

MỤC LỤC

DANH M Ụ C HÌNH V Ẽ , B Ả NG BI Ể U ..............................................................................6

DANH M Ụ C CÁC T Ừ VI Ế T T Ắ T...................................................................................1 0

L ỜI NÓI ĐẦ U...................................................................................................................1 1

CHƯƠNG 1: TỔ NG QUA N ............................................................................................1 3

1.1 Máy tính và phân lo ạ i máy tín h ...............................................................................1 3

1.1.1 Máy tính............................................................................................................1 3

1.1.2 Phân lo ạ i máy tín h ............................................................................................1 5

1.2 Ki ế n trúc máy tín h ...................................................................................................1 9

1.2.1 Ki ế n trúc t ậ p l ệ nh .............................................................................................2 0

1.2.2 Mô hình máy tính cơ bả n..................................................................................2 2

1.2.3 Mô hình phân l ớ p máy tính ..............................................................................2 4

1.2.4 Sơ đồ ki ế n trúc máy tính Von Neuman n ..........................................................2 4

1.3 S ự phát tri ể n c ủ a máy tính.......................................................................................2 6

1.3.1 Th ế h ệ đầ u tiên (1946 - 1957) ..........................................................................2 6

1.3.2 Th ế h ệ th ứ hai (1958 - 1964 )............................................................................2 7

1.3.3 Th ế h ệ th ứ ba (1965 - 1971 ).............................................................................2 8

1.3.4 Th ế h ệ th ứ tư (1972 - nay)................................................................................2 9

1.3.5 Khuynh hướ ng hi ệ n t ạ i .....................................................................................3 0

1.4 Hi ệu năng máy tính .................................................................................................3 1

1.4.1 Hi ệu năng máy tính P (Performance) ...............................................................3 1

1.4.2 T ốc độ xung nh ị p c ủ a CPU ..............................................................................3 1

1.4.3 Th ờ i gian th ự c hi ệ n c ủ a CPU ...........................................................................3 2

1.4.4 S ố chu k ỳ c ầ n thi ết để th ự c hi ệ n m ộ t l ệ nh........................................................3 2

1.4.5 S ố l ệ nh và s ố chu k ỳ trên m ộ t l ệ nh ..................................................................3 3

1.4.6 S ố tri ệ u l ệnh đượ c th ự c hi ệ n trong m ộ t giâ y ....................................................3 3

1.5 Các phương pháp vào ra dữ li ệ u máy tính...............................................................3 4

1.5.1 Phương pháp thăm dò trạ ng thái thi ế t b ị ngo ạ i vi ............................................3 4

1.5.2 Phương pháp sử d ụ ng ng ắ t ...............................................................................3 4

1.5.3 Phương pháp truy cậ p b ộ nh ớ tr ự c ti ế p DMA..................................................3 5

1.5.4 Phương pháp sử d ụ ng kênh d ữ li ệ u ..................................................................3 5

1.6 Thi ế t k ế m ộ t s ố m ạch logic đơn giả n ......................................................................3 5

1.6.1 C ổng Logic cơ sở ..............................................................................................3 5

1.6.2 Thi ế t k ế m ạ ch Logi c .........................................................................................3 8

1.7 H ệ t ổ h ợ p và h ệ dã y .................................................................................................4 0

1.7.1 Khái ni ệ m h ệ t ổ h ợ p và h ệ dã y .........................................................................4 0

1.7.2 Xây d ự ng b ộ c ộ ng, b ộ tr ừ .................................................................................4 0

CÂU H Ỏ I ÔN T Ậ P VÀ BÀI T ẬP CHƯƠNG 1 ...............................................................4 5

Chương 2: THIẾ T K Ế H Ệ L Ệ NH .....................................................................................4 9

2.1. Gi ớ i thi ệ u d ạ ng l ệnh, kích thướ c mã l ệ nh. .............................................................4 9

2.2. S ố lượ ng các l ệ nh cho b ộ Vi x ử lý .........................................................................4 9

2.3. Phân lo ạ i l ệ nh .........................................................................................................5 0

2.3.1 Nhóm l ệ nh truy ề n d ữ li ệ u.................................................................................5 0

2.3.2 Nhóm l ệ nh s ố h ọ c .............................................................................................5 3

2.3.3 Nhóm l ệ nh logic. ..............................................................................................5 6

2.3.4 Nhóm l ệ nh so sánh. ..........................................................................................5 9

2.3.5 Nhóm l ệ n h điề u khi ển chương trình.................................................................5 9

2.3.6 Các l ệnh đặ c bi ệ t. .............................................................................................6 2

2.4. Các phương pháp xác định đị a ch ỉ .........................................................................6 2

2.4.1 Định đị a ch ỉ t ứ c th ì ...........................................................................................6 3

2.4.2 Định đị a ch ỉ thanh ghi ......................................................................................6 3

2.4.3 Định đị a ch ỉ tr ự c ti ế p ........................................................................................6 4

2.4.4 Đị nh đị a ch ỉ gián ti ế p qua thanh ghi.................................................................6 4

2.4.5 Định đị a ch ỉ gián ti ếp qua ngăn nhớ .................................................................6 5

2.4.6 Định đị a ch ỉ d ị ch chuy ể n ..................................................................................6 5

2.5. S ố lượ ng các tham s ố trong m ộ t l ệ n h .....................................................................6 7

2.5.1 H ệ l ệ nh không có tham s ố ................................................................................6 7

2.5.2 H ệ l ệ nh m ộ t tham s ố .........................................................................................6 7

2.5.3 H ệ l ệ nh hai tham s ố ..........................................................................................6 8

2.5.4 H ệ l ệ nh ba tham s ố ...........................................................................................6 9

2.6. Quy trình th ự c hi ệ n l ệ n h .........................................................................................7 0

CÂU H Ỏ I ÔN T Ậ P VÀ BÀI T ẬP CHƯƠNG 2 ...............................................................7 2

Chương 3: BỘ X Ử LÝ TRUNG TÂM CPU.....................................................................7 5

3.1 T ổ ch ứ c c ủ a CPU (Central Processing Unit)...........................................................7 5

3.2 Thi ế t k ế đơn vị điề u khi ể n .......................................................................................7 8

3.2.1 Th ự c hi ệ n b ằng vi chương trình .......................................................................7 9

3.2.2 Th ự c hi ệ n b ằ ng k ế t n ố i c ứ n g ............................................................................8 0

3.3. K ỹ thu ật đườ ng ố ng Pipeline..................................................................................8 0

3.3.1 Khái ni ệ m Pipeline ...........................................................................................8 1

3.3.2 Phân lo ạ i Pipelin e .............................................................................................8 4

3.3.3 Các hazards trong k ỹ thu ậ t Pipelin e .................................................................8 4

3.4 K ỹ thu ậ t song song m ứ c l ệ nh ..................................................................................9 4

3.4.1 Khái ni ệ m và vai trò c ủ a k ỹ thu ậ t song song m ứ c l ệ nh ...................................9 4

3.4.2 Ph ụ thu ộ c trong song song m ứ c l ệ nh ...............................................................9 5

3.5 B ộ x ử lý đa luồng và đa lõi .....................................................................................9 7

CÂU H Ỏ I ÔN T Ậ P VÀ BÀI T ẬP CHƯƠNG 3 ...............................................................9 9

Chương 4: THIẾ T K Ế B Ộ NH Ớ .....................................................................................1 02

4.1. Mô hình phân c ấ p b ộ nh ớ .....................................................................................1 02

4.1.1 S ự c ầ n thi ế t c ủ a phân c ấ p b ộ nh ớ ...................................................................1 02

4.1.2 Quy t ắ c chung c ủ a h ệ th ố ng phân c ấ p b ộ nh ớ ................................................1 02

4.1.3 Ph ầ n t ử nh ớ và b ộ nh ớ ....................................................................................1 03

4.2. Xây d ự ng b ộ nh ớ ..................................................................................................1 06

4.2.1 Các bướ c ti ế n hành xây d ự ng b ộ nh ớ .............................................................1 06

4.2.2 Ví d ụ minh h ọ a ...............................................................................................1 07

4.3. B ộ nh ớ cache ........................................................................................................1 10

4.3.1 M ộ t s ố khái ni ệ m ............................................................................................1 10

4.3.2 T ổ ch ứ c và ho ạt độ ng c ủ a b ộ nh ớ cache ........................................................1 17

4.3.3 Các phương pháp ánh xạ ................................................................................1 20

4.3.4 Các phương pháp thay thế d ữ li ệ u..................................................................1 27

4.4. B ộ nh ớ ả o và k ỹ thu ậ t phân trang.........................................................................1 28

4.4.1 S ự c ầ n thi ế t c ủ a b ộ nh ớ ả o..............................................................................1 28

4.4.2 B ộ nh ớ ả o và k ỹ thu ậ t phân trang...................................................................1 29

4.4.3 Các ph ương pháp thay thế khung trang..........................................................1 31

4.5. B ộ nh ớ ả o và k ỹ thu ật phân đoạ n .........................................................................1 34

4.5.1 Khái ni ệm phân đoạ n......................................................................................1 34

4.5.2 Các chi ến lược đặt các phân đoạ n vào b ộ nh ớ chính .....................................1 35

4.6. Ng ắ t và lo ạ i tr ừ .....................................................................................................1 35

4.6.1 Hi ện tượ ng Ng ắ t (Interrupt) ...........................................................................1 35

4.6.2 Hi ện tượ ng Lo ạ i tr ừ ........................................................................................1 37

CÂU H Ỏ I ÔN T Ậ P VÀ BÀI T ẬP CHƯƠNG 4 .............................................................1 38

Chương 5: HỆ TH Ố NG VÀO RA ..................................................................................1 41

5.1. T ổ ng quan v ề h ệ th ố ng vào ra ..............................................................................1 41

5.1.1 Gi ớ i thi ệ u chung .............................................................................................1 41

5.1.2 Các thi ế t b ị ngo ạ i vi........................................................................................1 41

5.1.3 Modul vào ra...................................................................................................1 43

5.2 Các phương pháp điề u khi ể n vào ra ......................................................................1 46

5.2.1 Vào ra b ằng chương trìn h ...............................................................................1 46

5.2.2 Vào ra điề u khi ể n b ằ ng ng ắ t ...........................................................................1 48

5.2.3 Vào ra DM A ...................................................................................................1 53

5.2.4 Kênh vào ra hay b ộ x ử lý vào ra.....................................................................1 54

5.3 N ố i ghép thi ế t b ị ngo ạ i vi ......................................................................................1 55

5.3.1 Các ki ể u n ố i ghép vào ra ................................................................................1 55

5.3.2 Các c ấ u hình n ố i ghép ....................................................................................1 57

CÂU H Ỏ I ÔN T Ậ P VÀ BÀI T ẬP CHƯƠNG 5 .............................................................1 58

Chương 6: MỘ T S Ố KI Ế N TRÚC HI ỆN ĐẠ I ...............................................................1 60

6.1 Phân lo ạ i Ki ế n trúc máy tín h .................................................................................1 60

6.1.1 SISD (Single Instruction Stream, Single Data Stream)..................................1 60

6.1.2 SIMD (Single Instruction Stream Multiple Data Stream)..............................1 60

6.1.3 MISD (Multiple Instruction Stream single Data Stream) ..............................1 61

6.1.4 MIMD (Multiple Instruction Stream multiple Data Stream) .........................1 61

6.2 Ki ế n trúc RISC và CISC........................................................................................1 63

6.2.1 Ki ế n trúc RISC ...............................................................................................1 63

6.2.2 Ki ế n trúc CISC ...............................................................................................1 65

6.2.3 S ự khác bi ệ t chính gi ữ a RISC và CISC..........................................................1 66

6.3 Ki ế n trúc song song và m ạ ng liên k ế t tron g ..........................................................1 67

6.3.1 Song song m ứ c l ệ nh và song song m ứ c lu ồ ng ...............................................1 67

6.3.2 M ạ ng liên k ế t trong ........................................................................................1 68

6.4 M ộ t s ố ki ến trúc tương lai .....................................................................................1 72

6.4.1 Ki ế n trúc IA - 64............................................................................................1 72

6.4.2 Ki ế n trúc m ạng nơ -ron ...................................................................................1 74

6.4.3 Ki ế n trúc Nehalem..........................................................................................1 74

6.4.4 Ki ến trúc máy tính lượ ng t ử ...........................................................................1 75

CÂU H Ỏ I ÔN T Ậ P VÀ BÀI T ẬP CHƯƠNG 6 .............................................................1 77

TÀI LI Ệ U THAM KH Ả O ...............................................................................................1 79

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Mô hình máy tính cơ bả n....................................................................................2 3

Hình 1.2 Mô hình phân l ớ p c ủ a máy tính..........................................................................2 4

Hình 1.3 Sơ đồ ki ế n trúc máy tính Von Neuman n ............................................................2 5

Hình 1.4 Máy tính ENIAC (1946).....................................................................................2 7

Hình 1.5 Máy tính DEC PDP-1 .........................................................................................2 8

Hình 1.6 Máy tính DEC PDP-8 (1965) .............................................................................2 8

Hình 1.7 Máy tính MITS Altair (1975 ).............................................................................2 9

Hình 1.8 Máy vi tính để bàn FPT eLead T7100 (2015 )....................................................2 9

Hình 1.9 Máy tính b ả ng iPad Air 2019 .............................................................................3 0

Hình 1.10 Chu k ỳ xung nh ị p c ủ a CP U ..............................................................................3 1

Hình 1.11 C ổng Logic cơ sở ..............................................................................................3 5

Hình 1.12 M ạ ch Logic.......................................................................................................4 0

Hình 1.13 M ạ ch c ộ ng bán ph ầ n HA..................................................................................4 1

Hình 1.14 M ạ ch c ộ ng toàn ph ầ n FA .................................................................................4 2

Hình 1.15 M ạ ch tr ừ bán ph ầ n HS......................................................................................4 3

Hình 1.16 M ạ ch tr ừ toàn ph ầ n FS .....................................................................................4 4

Hình 2.1 C ấ u trúc chung c ủ a m ộ t l ệ n h ..............................................................................4 9

Hình 2.2 Phương pháp định đị a ch ỉ t ứ c thì........................................................................6 3

Hình 2.3 Phương pháp định đị a ch ỉ thanh gh i ...................................................................6 3

Hình 2.4 Phương pháp định đị a ch ỉ tr ự c ti ế p ....................................................................6 4

Hình 2.5 Phương pháp định đị a ch ỉ gián ti ế p qua thanh ghi .............................................6 5

Hình 2.6 Phương pháp định đị a ch ỉ gián ti ếp qua ngăn nhớ .............................................6 5

Hình 2.7 Phương pháp định đị a ch ỉ d ị ch chuy ể n ..............................................................6 6

Hình 2.8 Quy trình th ự c hi ệ n l ệ nh.....................................................................................7 0

Hình 2.9 Sơ đồ quy trình th ự c hi ệ n l ệ nh tu ầ n t ự và pipeline ............................................7 1

B ả ng 2.1 Các ví d ụ v ề l ệ nh MOV .....................................................................................5 1

B ả ng 2.2 Các d ạ ng toán h ạ ng trong l ệ nh ADD/SU B ........................................................5 4

Hình 3.1 CPU và bus h ệ th ố ng ..........................................................................................7 5

Hình 3.2 C ấ u trúc bên trong CPU .....................................................................................7 6

Hình 3.3 Mô hình k ế t n ố i ALU .........................................................................................7 7

Hình 3.4 Mô hình k ế t n ối đơn vị điề u khi ể n .....................................................................7 8

Hình 3.5 Đơn vị điề u khi ển vi chương trình .....................................................................7 9

Hình 3.6 Đơn vị điề u khi ể n k ế t n ố i c ứ ng ..........................................................................8 0

Hình 3.7 Công đoạ n trong pipeline ...................................................................................8 0

Hình 3.8 C ấ u trúc pipeline.................................................................................................8 1

Hình 3.9 Mô hình xung độ t d ữ li ệ u ...................................................................................8 8

Hình 3.10 Hình ả nh chèn tr ễ ..............................................................................................8 8

Hình 3.11 Chuy ể n ti ế p d ữ li ệ u...........................................................................................8 9

Hình 3.12 Xung đột điề u khi ể n .........................................................................................9 0

B ảng 3.1 Xung độ t c ấ u trú c ...............................................................................................8 6

B ả ng 3.2 Thêm "Bubble" x ử lý xung độ t c ấ u trúc ............................................................8 6

Hình 4.1 Mô hình phân c ấ p b ộ nh ớ .................................................................................1 02

Hình 4.2 Mô hình b ộ nh ớ hai c ấ p ....................................................................................1 03

Hình 4.3 Mô hình b ộ nh ớ ba c ấ p .....................................................................................1 03

Hình 4.4 C ấ u t ạ o ph ầ n t ử nh ớ ..........................................................................................1 03

Hình 4.5 V ậ n hành c ủ a b ộ nh ớ RAM..............................................................................1 04

Hình 4.6 Xây d ự ng b ộ nh ớ 1MB * 8 bit t ừ IC 256KB * 8 bit ........................................1 08

Hình 4.7 Xây d ự ng b ộ nh ớ 1MB * 32 bit t ừ IC 256KB * 8 bit ......................................1 09

Hình 4.8 Xây d ự ng b ộ nh ớ 512KB * 8 bit t ừ IC nh ớ 256KB * 8 bi t ..............................1 10

Hình 4.9 Hình ả nh v ị trí c ủ a cach e ..................................................................................1 11

Hình 4.10 Hình ả nh v ề dung lượ ng cach e .......................................................................1 12

Hình 4.11 Phân c ấ p b ộ nh ớ cache ...................................................................................1 14

Hình 4.12 Mô hình miêu t ả Cache hit và Cache miss .....................................................1 15

Hình 4.13 Mô t ả Cache page ...........................................................................................1 17

Hình 4.14 Mô hình ho ạt độ ng c ủ a b ộ nh ớ Cache............................................................1 19

Hình 4.15 Sơ đồ thao tác đọ c cache ................................................................................1 19

Hình 4.16 C ấ u t ạ o cache ánh x ạ tr ự c ti ế p........................................................................1 20

Hình 4.17 Phương pháp ánh xạ tr ự c ti ế p.........................................................................1 22

Hình 4.18 Các trường đị a ch ỉ theo phương pháp ánh xạ tr ự c ti ế p ..................................1 22

Hình 4.19 C ấ u t ạ o cache ánh x ạ liên k ế t toàn ph ầ n ........................................................1 23

Hình 4.20 Phương pháp ánh xạ liên k ế t toàn ph ầ n..........................................................1 24

Hình 4.21 Các trường đị a ch ỉ theo phương pháp ánh xạ liên k ế t toàn ph ầ n ...................1 25

Hình 4.22 C ấ u t ạ o cache ánh x ạ liên k ế t t ậ p h ợ p ............................................................1 25

Hình 4.23 Phương pháp ánh xạ liên k ế t t ậ p h ợ p .............................................................1 26

Hình 4.24 Các trường đị a ch ỉ theo phương pháp ánh xạ liên k ế t t ậ p h ợp 4 đườ ng ........1 26

Hình 4.25 Lưu đồ minh h ọ a b ộ nh ớ ả o l ớn hơn bộ nh ớ v ậ t l ý ........................................1 29

Hình 4.26 Gi ả i thu ậ t thay th ế trang FIFO........................................................................1 31

Hình 4.27 Gi ả i thu ậ t thay th ế trang t ối ưu hó a ................................................................1 32

Hình 4.28 Gi ả i thu ậ t thay th ế trang LRU ........................................................................1 33

Hình 4.29 Phân lo ạ i ng ắ t .................................................................................................1 37

B ả ng 4.1 Các ki ể u b ộ nh ớ bán d ẫ n ..................................................................................1 06

Hình 5.1 Mô hình cơ bả n c ủ a h ệ th ố ng vào ra ................................................................1 42

Hình 5.2 Sơ đồ kh ố i c ủ a các thi ế t b ị ngo ạ i vi .................................................................1 43

Hình 5.3 Sơ đồ kh ố i c ủ a Modul vào ra............................................................................1 46

Hình 5.4 Quá trình x ử lý ng ắt đơn giả n...........................................................................1 49

Hình 5.5 K ỹ thu ật thăm dò phầ n m ề m ............................................................................1 51

Hình 5.6 K ỹ thu ậ t chu ỗ i Dais y ........................................................................................1 52

Hình 5.7 K ỹ thu ậ t nhi ều đườ ng ng ắ t ...............................................................................1 52

Hình 5.8 Sơ đồ kh ố i DMA ..............................................................................................1 53

Hình 5.9 Giao ti ế p song song ..........................................................................................1 56

Hình 5.10 Giao ti ế p n ố i ti ế p ............................................................................................1 56

Hình 6.1 Mô hình máy tính SISD....................................................................................1 60

Hình 6.2 Mô hình máy tính SIMD ..................................................................................1 61

Hình 6.3 Mô hình máy tính MISD ..................................................................................1 61

Hình 6.4 Mô hình máy tính MIM D .................................................................................1 62

Hình 6.5 M ạ ng liên k ế t tuy ế n tính c ủ a 6 b ộ x ử lý...........................................................1 69

Hình 6.6 M ạ ng liên k ế t vòng v ớ i 6 b ộ x ử lý ...................................................................1 70

Hình 6.7 M ạ ng liên k ế t phi tuy ế n v ớ i N=8 .....................................................................1 70

Hình 6.8 Cách bi ể u di ễ n khác c ủ a m ạ ng liên k ế t phi tuy ế n ............................................1 71

Hình 6.9 Lướ i hai chi ề u không có k ế t n ố i bao quanh và có k ế t n ố i bao quan h ..............1 71

Hình 6.10 M ạ ng liên k ế t siêu kh ố i v ớ i 8 b ộ x ử lý...........................................................1 72

Hình 6.11 Đị nh d ạ ng l ệ nh trong ki ế n trúc IA - 64 ..........................................................1 73

Hình 6.12 D ạ ng t ổ ng quát c ủ a m ộ t l ệ nh trong gói l ệ nh ..................................................1 73

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT

Từ viết tắt

Diễn giải

Electronic Numerical Integrator and Computer

Princeton Institute for Advanced Studies

Arithmetic And Logic Unit

Integrated Circuit

ENIAC

IAS

ALU

SSI

Small Scale Integration

MSI

Medium Scale Integration

Large Scale Integration

LSI

VLSI

ASIMO

Very Large Scale Integration

Advanced Step Innovative Mobility

Reduced Instructions Set Computer

Complex Instruction Set Computer

Memory Address Register

Memory Buffer Register

10 RISC

11 CISC

12 MAR

13 MBR

14 PCU

15 IA

Power Control Unit

Intel Itanium

LỜI NÓI ĐẦU

Kiến trúc máy tính là học phần chuyên môn trong chương trình đào tạo của ngành

Công nghệ thông tin. Mục đích của môn học: trang bị cho sinh viên các kiến thức cơ bản

về kiến trúc máy tính, kiến trúc tập lệnh, nguyên lý hoạt động và tổ chức của máy tính cũng

như những vấn đề cơ bản trong thiết kế một hệ thống máy tính. Trên cơ sở đó có thể đánh

giá được hiệu năng của máy tính, khai thác và sử dụng hiệu quả các loại máy tính hiện

hành. Với những kiến thức thu được, sinh viên có thể giải quyết được các bài toán về thiết

kế mạch Logic, các hệ lệnh, xây dựng bộ nhớ, thay thế khung trang,… và sau này làm tiền

đề giúp sinh viên có thể đi sâu tìm hiểu những môn học chuyên ngành khác như Hệ điều

hành, Mạng máy tính, An toàn thông tin...

Học phần Kiến trúc máy tính được học trước môn Hệ điều hành, để cung cấp các

kiến thức về tập lệnh, bộ nhớ, hệ thống vào ra.. cho sinh viên trước khi tiếp cận phần kiến

thức của môn học hệ điều hành. Ngoài ra Kiến trúc máy tính giúp sinh viên hiểu rõ cấu

trúc, chức năng, mối liên kết và quy trình vận hành của hệ thống máy tính nên là kiến thức

nền cho các môn học chuyên ngành như Lập trình hướng đối tượng, Kỹ thuật mô phỏng...

và trợ giúp sinh viên có kỹ năng tốt trong việc vận hành, sử dụng máy tính khi học các môn

chuyên ngành về thiết kế , lập trình trên máy tính.

Để đáp ứng nhu cầu học tập của sinh viên chuyên ngành Công nghệ thông tin; Mạng

máy tính và truyền thông dữ liệu, trường Đại học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp - Khoa

Công Nghệ Thông Tin tổ chức biên soạn tài liệu học tập “Kiến Trúc Máy Tính”. Tài liệu

này được biên soạn theo đề cương chi tiết môn học Kiến trúc máy tính, nhằm giúp sinh

viên khoa Công nghệ thông tin có một tài liệu cô đọng, sát với chương trình đào tạo, làm

tài liệu học tập bổ ích và cần thiết. Ngoài ra tài liệu Kiến trúc máy tính còn là kiến thức

nền tảng trợ giúp các em tiếp thu những kiến thức trong các môn học khác của chương

trình đào tạo.

Nội dung của tài liệu bao gồm sáu chương, trong mỗi chương bao gồm các phần nội

dung chủ yếu:

- Mục đích của chương

- Yêu cầu đối với sinh viên

- Nội dung bài giảng lý thuyết

- Câu hỏi hướng dẫn ôn tập, thảo luận

- Câu hỏi trắc nghiệm, bài tập áp dụng,.

Chương 1 - TỔNG QUAN: trình bày những kiến thức, những khái niệm chung về kiến trúc

máy tính, hiệu năng máy tính và toán logic đại số boolen.

Chương 2 - THIẾT KẾ HỆ LỆNH: trình bày kiến thức về các dạng lệnh, kích thước mã

lệnh, các phương pháp xác định địa chỉ và số lượng tham số trong một lệnh.

Chương 3 - BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM CPU: trình bày kiến thức về cách tổ chức, vận

hành, chức năng của bộ xử lý trung tâm CPU.

Chương 4 - THIẾT KẾ BỘ NHỚ: trình bày kiến thức về cách tổ chức, xây dựng bộ nhớ,

bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo và các kỹ thuật phân trang, phân đoạn.

Chương 5 - HỆ THỐNG VÀO RA: trình bày các kiến thức về cách tổ chức, vận hành hệ

thống vào ra.

Chương 6 - MỘT SỐ KIẾN TRÚC HIỆN ĐẠI: trình bày các kiến thức về một số kiến trúc

máy tính hiện đại và trong tương lai.

Do thời gian và trình độ có hạn nên tài liệu học tập khó có thể tránh khỏi những

thiếu sót nhất định. Chúng tôi luôn mong nhận được sự góp ý của bạn đọc để tài liệu học

tập được tái bản hoàn thiện hơn trong những lần sau.

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm biên soạn

Th.s Nguyễn Thu Hiền

Th.s Trần Thanh Đại

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Mục đích: Giới thiệu cách phân loại máy tính. Phân tích các thông số đo khả năng xử lý

của máy tính, làm quen với toán logic - đại số boolean, tìm hiểu một số mạch logic đơn

giản, tìm hiểu kiến trúc tuần tự Vonneuman và nguyên lý hoạt động của kiến trúc này.

Yêu cầu: Sinh viên biết cách phân loại máy tính, biết rõ đặc điểm của từng loại. Nắm vững

các thông số đo khả năng xử lý của máy tính. Biết cách thiết kế một số mạch logic cơ bản.

Áp dụng vào làm bài tập.

1.1 Máy tính và phân loại máy tính

1.1.1 Máy tính

1.1.1.1 Khái niệm

Máy tính là thiết bị điện tử thực hiện các công việc: nhận dữ liệu vào, xử lý dữ liệu

theo dãy các lệnh được nhớ sẵn bên trong và đưa dữ liệu (thông tin) ra. Thông tin lưu trữ

trên máy tính là thông tin số hoặc biểu diễn dưới dạng quy luật logic. Hoạt động của máy

tính được điều khiển bằng một phần mềm gọi là hệ điều hành. Máy tính được lắp ghép bởi

các thành phần có thể thực hiện các chức năng đơn giản đã định nghĩa trước. Quá trình tác

động tương hỗ phức tạp của các thành phần này tạo cho máy tính một khả năng xử lý thông

tin. Nếu được thiết lập chính xác (thông thường bởi các chương trình máy tính) máy tính

có thể mô phỏng lại một số khía cạnh của một vấn đề hay của một hệ thống. Trong trường

hợp này, khi được cung cấp một bộ dữ liệu thích hợp nó có thể tự động giải quyết vấn đề

hay dự đoán trước sự thay đổi của hệ thống. [1]

Từ “máy tính” (computers), đầu tiên được dùng cho những người tính toán số học,

có hoặc không có sự trợ giúp của máy móc, nhưng hiện nay nó hoàn toàn có nghĩa là một

loại máy móc. Đầu tiên máy tính chỉ giải các bài toán số học, nhưng máy tính hiện đại làm

được nhiều hơn thế. Đến những năm 1990, khái niệm máy tính đã thực sự tách rời khỏi

khái niệm điện toán và trở thành một ngành khoa học riêng biệt với nhiều lĩnh vực đa dạng

và khái niệm hơn hẳn ngành điện toán thông thường và được gọi là công nghệ thông tin.

1.1.1.2 Các nguyên lý cơ bản của máy tính

Máy tính có thể làm việc thông qua sự chuyển động của các bộ phận cơ khí, điện tử

(electron), photon, hạt lượng tử hay các hiện tượng vật lý khác đã 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 của các điện tử

có thể được sử dụng để mô hình hóa sự chuyển động của nước trong đập… 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 thành các số theo hệ nhị phân (hệ thống đếm dựa

trên các số 0 và 1 hay còn gọi là hệ đếm cơ số hai). Sau đó, mọi tính toán trên các thông

tin này được tính toán bằng đại số Boole (Boolean algebra). 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 Boole nên máy tính điện tử đủ nhanh để xử lý phần lớn các vấn đề toán

học.

Máy tính không thể giải quyết tất cả mọi vấn đề của toán học. Alan Turing đã sáng

tạo ra khoa học lý thuyết máy tính trong đó đề cập tới những vấn đề mà máy tính có thể

hay không thể giải quyết. 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: màn hình, máy in… 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.

Máy tính số (Digital computer) giải quyết các vấn đề bằng cách thực hiện các chỉ

thị do con người cung cấp. Chuỗi các chỉ thị này gọi là chương trình (program). Các mạch

điện tử trong một máy tính số sẽ thực hiện một số giới hạn các chỉ thị đơn giản cho trước.

Tập hợp các chỉ thị này gọi là tập lệnh của máy tính. Tất cả các chương trình muốn thực

thi đều phải được biến đổi sang tập lệnh trước khi được thi hành.

Tập lệnh của máy tính tạo thành một ngôn ngữ giúp con người có thể tác động lên

máy tính, gọi là ngôn ngữ máy (machine language). Tuy nhiên, hầu hết các ngôn ngữ máy

đều đơn giản nên để thực hiện một yêu cầu nào đó, người thiết kế phải thực hiện một công

việc phức tạp. Đó là chuyển các yêu cầu thành các chỉ thị có chứa trong tập lệnh của máy.

Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách thiết kế một tập lệnh mới thích hợp cho con người

hơn tập lệnh đã cài đặt sẵn trong máy (built-in). Ngôn ngữ máy sẽ được gọi là ngôn ngữ

cấp một (L1) và ngôn ngữ vừa được hình thành gọi là ngôn ngữ cấp hai (L2).

Một phương pháp thực thi chương trình L2 là chuyển một lệnh trong L2 bằng một

chuỗi các lệnh tương đương trong L1. Kết quả là sẽ tạo thành một chương trình L1 và máy

tính sẽ thực hiện chương trình tương đương L1 thay vì thực hiện chương trình L2. Kỹ thuật

này gọi là biên dịch (compile). Cách khác là một lệnh trong chương trình L2 sẽ được xem

như dữ liệu ngõ vào của chương trình L1 và toàn bộ chương trình L2 sẽ được thực thi tuần

tự. Kỹ thuật này gọi là thông dịch (interprete), nó không yêu cầu tạo ra một chương trình

mới trong L1.

Biên dịch và thông dịch đều thực hiện chương trình L2 thông qua tập lệnh trong chương

trình L1. Chúng khác nhau ở chỗ là khi biên dịch thì toàn bộ chương trình L2 sẽ được

chuyển thành chuỗi lệnh L1 rồi sau đó mới được thực thi còn đối với phương pháp thông

dịch thì sẽ thực thi từng lệnh trong L2. [4]

1.1.2 Phân loại máy tính

1.1.2.1 Theo mục đích sử dụng

Siêu máy tính

Một siêu máy tính là một máy tính vượt trội trong khả năng và tốc độ xử lý. Thuật

ngữ Siêu Tính Toán được dùng lần đầu trong báo New York World vào năm 1920 để nói

đến những bảng tính (tabulators) lớn của IBM làm cho trường Đạ i h ọ c Columbia. Siêu máy

tính hiện nay có tốc độ xử lý hàng 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). Có thể hiểu siêu máy

tính là hệ thống những máy tính làm việc song song.

Siêu máy tính cỡ nhỏ

Siêu máy tính cỡ nhỏ (minisupercomputers) là một dòng máy tính xuất hiện vào

giữa thập kỉ 1980. Khi việc tính toán khoa h ọ c dùng b ộ x ử lý vector trở nên phổ biến hơn,

nhu cầu sử dụng hệ thống giá thành thấp để dùng ở cấp độ phòng 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 nhỏ hơn này là một phần mười các siêu

máy tính lớn hơn. Đặc trưng của các máy tính này là sự kết hợp giữa x ử lý vector và đa xử

lý cỡ nhỏ (small-scale).

Máy tính lớn

Máy tính lớn (Mainframe) là loại máy tính có kích thước lớn được sử dụng chủ yếu

bởi các công ty lớn như các ngân hàng, các hãng bảo hiểm,... để chạy các ứng dụng xử lý

khối lượng lớn dữ liệu. Ví dụ: kết quả điề u tra dân s ố , thống kê khách hàng, doanh nghiệp,

và xử lý các giao tác thương mại. So với các máy tính loại nhỏ như máy tính cá nhân, máy

tính lớn có thể nhận hàng ngàn lệnh cùng một lúc.

Máy chủ doanh nghiệp

Máy chủ doanh nghiệp là hệ thống máy tính chủ yếu phục vụ cho một doanh nghiệp

lớn. Ví dụ các loại máy chủ như máy ch ủ web, máy chủ in ấ n, và máy chủ cơ sở d ữ li ệ u.

Tính chất chủ yếu để phân biệt một máy chủ doanh nghiệp là tính ổn định vì ngay cả một

sự cố ngắn hạn cũng có thể gây thiệt hại hơn cả việc mua mới và cài đặt mới hệ thống. Lấy

ví dụ, một hệ thống máy tính trong th ị trườ ng ch ứ ng khoán cấp quốc gia có trục trặc, chỉ

cần ngưng hoạt động trong vòng vài 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.

Máy tính mini

Thuật ngữ máy tính mini được phát triển vào những năm 1960 để mô tả các máy

tính nhỏ hơn sử dụng các bóng bán dẫn và công nghệ b ộ nh ớ lõi. Máy tính mini còn được

gọi là máy tính tầm trung. Chúng được sử dụng trong kiểm soát quá trình sản xuất, chuyển

mạch điện thoại và kiểm soát thiết bị phòng thí nghi ệ m. Trong những năm 1970, chúng là

phần cứng được sử dụng để khởi động ngành công nghiệp thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD)

và các ngành công nghiệp tương tự khác mà cần có một hệ thống dành riêng nhỏ hơn.

Máy trạm

Workstation là một Microcomputer được thiết kế 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 một

người tại một thời điểm, có thể kết nối với nhau qua mạng máy tính và phục vụ nhiều người

cùng lúc. Một nhóm các máy trạm có thể xử lý các công việc của một máy tính lớn Main

Frame nếu như được 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.

Máy tính cá nhân

Máy tính cá nhân (personal computer) là một loại máy tính mà giá cả, kích thước

và sự tương thích của nó hữu dụng cho từng đối tượng cá nhân. Máy tính cá nhân bao gồm

các loại như:

Máy tính để bàn (Desktop): máy vi tính để bàn hay máy tính cố định là một máy

tính cá nhân được thiết kế để sử dụng thường xuyên tại một vị trí duy nhất trên bàn do kích

thước và yêu cầu về điện năng tiêu thụ. Cấu hình thường gặp là v ỏ máy chứa ngu ồ n máy, bo

m ạ ch ch ủ (một m ạ ch in với một bộ vi x ử lý làm chức năng đơn vị x ử lý trung tâm(CPU),

bộ nhớ, bus, và các linh kiện điện tử khác); đĩa lưu trữ; bàn phím, chu ộ t làm đầ u vào; và

màn hình máy tính, loa, máy in làm đầu ra.

Máy tính xách tay: (laptop computer hay laptop PC) là máy tính cá nhân nhỏ gọn

có thể mang xách được. Nó thường có tr ọng lượ ng nhẹ, tùy thuộc vào hãng sản xuất và

kiểu máy dành cho mỗi đối tượng có mục đích sử dụng khác nhau.

Laptop thường có một màn hình LCD hoặc LED mỏng gắn bên trong nắp trên vỏ

máy và bàn phím chữ kết hợp số ở bên trong nắp dưới vỏ máy. Laptop khi không dùng đến

sẽ được gấp lại, và do đó nó thích hợp cho việc sử dụng khi di chuyển. Một Laptop tiêu

chuẩn kết hợp các thành phần, đầu vào (Input), đầu ra (Output) và các thành phần cơ bản

của máy tính để bàn, bao gồm màn hình máy tính, loa nhỏ, một bàn phím, thiết bị chuột. Ổ

đĩa cứng, ổ đĩa quang, một b ộ x ử lý, và bộ nhớ máy tính được kết hợp thành một khối. Hầu

hết các laptop đều có webcam và microphone sẵn, một số máy tính laptop khác có màn

hình c ả m ứ ng. Laptop có thể lấy nguồn từ pin có sẵn bên trong và được sạc lại hay cấp

nguồn trực tiếp từ nguồn điện bên ngoài thông qua AC adapter. Các chi tiết phần cứng,

chẳng hạn như tốc độ xử lý và dung lượng bộ nhớ, khác nhau theo từng cấu hình Laptop,

dòng máy tính, nhà sản xuất và mức giá. [1]

Máy tính bảng: (Tablet computer/tablet PC) có khả năng thực hiện các công việc

như máy tính cá nhân (hỗ trợ đầu vào đầu ra hạn chế hơn máy tính cá nhân). Máy tính bảng

phần lớn giống với điện thoại thông minh, điểm khác biệt duy nhất là máy tính bảng tương

đối lớn hơn điện thoại thông minh, và có thể không hỗ trợ truy cập đến một mạng di động.

Màn hình cảm ứng được vận hành bằng cử chỉ được thực hiện bằng ngón tay hoặc

bút kỹ thuật số (bút stylus), thay vì chuột, bàn di chuột và bàn phím của các máy tính lớn

hơn. Năm 2010, Apple đã phát hành iPad, máy tính bảng đại chúng đầu tiên đạt được sự

phổ biến rộng rãi. Sau đó, máy tính bảng nhanh chóng tăng lên ở khắp mọi nơi và sớm trở

thành một loại sản phẩm lớn được sử dụng cho các ứng dụng cá nhân, giáo dục và nơi làm

việc...

1.1.2.2 Theo mức cải tiến công nghệ

Một cách phân loại máy tính khác: theo mức độ hoàn thiện của công nghệ. Những

chiếc máy tính có mặt sớm nhất thuần túy là máy cơ khí. Trong thập niên 1930, các thành

phần rơ - le cơ điện đã được giới thiệu vào máy tính từ ngành công nghiệp liên lạc viễn

thông. Trong thập niên 1940, những chiếc máy tính thuần túy điện tử đã được chế tạo từ

những đèn điện tử chân không. Trong hai thập niên 1950 và thập niên 1960, bóng điện tử

dần được thay thế bởi transistor, và từ cuối thập niên 1960 đầu thập niên 1970 là bởi mạch

tích hợp bán dẫn (chíp bán dẫn, hay IC) cho đến hiện nay.

Một hướng nghiên cứu phát triển gần đây là máy tính quang (optical computer)

trong đó máy tính hoạt động theo nguyên lý của ánh sáng hơn là theo nguyên lý của các

dòng điện; đồng thời, khả năng sử dụng DNA trong công nghệ máy tính cũng đang được

thử nghiệm. Một nhánh khác của việc nghiên cứu có thể dẫn công nghiệp máy tính tới

những khả năng mới như tính toán lượng tử, tuy rằng nó vẫn còn ở giai đoạn đầu của việc

nghiên cứu.

1.1.2.3 Theo đặc trưng thiết kế

Kỹ thuật số và kỹ thuật tương tự

Một quyết định nền tảng trong việc thiết kế máy tính là hoặc sử dụng kỹ thuật

số (digital) hoặc sử dụng kỹ thuật tương tự (analog). Các máy tính kỹ thuật số (digital

computer) tính toán trên các giá trị số rời rạc (discreet value) hoặc giá trị tượng trưng

(symbolic value), trong khi đó máy tính tương tự (analog computer) tính toán trên các tín

hiệu dữ liệu liên tục (continuous data signal). Bắt đầu từ thập niên 1940, máy tính kỹ thuật

số đã trở nên phổ biến hơn mặc dù máy tính tương tự vẫn được sử dụng cho một số mục

đích đặc biệt như trong kỹ thuật robot. Các thiết kế khác dùng tính toán xung lượng và tính

toán lượng tử cũng hiện hữu nhưng chúng hoặc được sử dụng cho các mục đích đặc biệt

hoặc vẫn đang trong vòng thử nghiệm.

Nhị phân và Thập phân

Một phát triển quan trọng trong thiết kế tính toán kỹ thuật số là việc sử dụng hệ nhị

phân như là hệ thống số đếm nội tại. Điều này đã bãi bỏ những yêu cầu cần thiết trong các

cơ cấu kỹ thuật phức tạp của các máy tính sử dụng hệ số đếm khác, chẳng hạn như hệ thập

phân. Việc áp dụng hệ nhị phân đã làm cho việc thiết kế trở lên đơn giản hơn để thực hiện

các phép tính số học và các phép tính logic.

Khả năng lập trình

Khả năng lập trình của máy tính (programmability), cung cấp một tập hợp các chỉ

thị để thực hiện mà không có sự điều khiển vật lý, là một đặc trưng thiết kế nền tảng của

phần lớn các máy tính. Đặc trưng này là sự mở rộng đáng kể khi các máy tính đã được phát

triển đến mức nó có thể kiểm soát việc thực hiện của chương trình. Điều này cho phép máy

tính kiểm soát được thứ tự trong sự thực thi các lệnh trong chương trình dựa trên các dữ

liệu đã được tính ra.

Điểm nổi bật chính trong thiết kế này đó là nó đã được đơn giản hóa một cách đáng

kể với việc áp dụng các phép tính số học theo hệ đếm nhị phân để có thể mô tả hàng loạt

các phép tính logic.

Khả năng lưu trữ

Trong quá trình tính toán, máy tính thông thường cần phải lưu trữ các giá trị trung

gian để có thể sử dụng trong các tính toán sau đó. Khả năng thực hiện của máy tính phần

lớn phụ thuộc vào tốc độ đọc các giá trị từ bộ nhớ và tốc độ ghi vào bộ nhớ, cũng như dung

lượng bộ nhớ. Ban đầu bộ nhớ chỉ được sử dụng cho các giá trị trung gian, nhưng từ thập

niên 1940 chương trình có thể được lưu trữ theo cách này.

1.1.2.4 Theo năng lực sử dụng

Máy tính để bàn

Máy tính để bàn hay máy tính cố định là một máy tính cá nhân được thiết kế để sử

dụng thường xuyên tại một vị trí duy nhất trên bàn do kích thước và yêu cầu về điện năng

tiêu thụ. Máy tính để bàn có từ hệ thống thấp nhất với giá dưới 1000$ đến cao nhất là những

trạm làm việc cấu hình lớn giá trên 1000$. Kết hợp hiệu năng (hiệu năng tính toán, hiệu

năng đồ hoạ) với giá cả của một hệ thống là vấn đề lớn nhất đối với khách hàng cũng như

đối với nhà thiết kế máy tính. Một hệ thống máy để bàn hiệu quả là ở bộ vi xử lý hiệu năng

cao nhất, mới nhất cũng như bộ vi xử lý giá hạ gần nhất và hệ thống xuất hiện đầu tiên.

Server

Nhiệm vụ của server là cung cấp sự phát triển của các dịch vụ tính toán và sắp xếp

đáng tin cậy với quy mô lớn. Sự phát triển chóng mặt của W.W.W tạo xu hướng tăng

trưởng rất lớn nhu cầu về server web và độ tinh vi của các dịch vụ trên cơ sở web. Servers

trở thành xương sống trong các xí nghiệp quy mô lớn thay cho máy tính lớn truyền thống.

Đối với server, các đặc tính khác nhau là rất quan trọng. Đầu tiên là tính sẵn dùng, hệ thống

này có thể cung cấp dịch vụ một cách đáng tin cậy và hiệu quả. Một phần nào đó của các

hệ thống quy mô lớn không thể tránh khỏi hỏng hóc; thách thức đối với một server là duy

trì tính sẵn dùng dù cho các thành phần có thiếu khả năng bằng cách sử dụng cấu hình dư.

Đặc trưng chìa khoá thứ hai là khả năng co dãn. Khả năng dãn rộng của dung lượng

tính toán, bộ nhớ, lưu trữ, băng thông vào ra của một dịch vụ là cốt yếu. Sau cùng, các

server được thiết kế sao cho thông lượng có hiệu quả. Hiệu năng tổng thể của một server

trong điều kiện số tương tác/phút hoặc số trang web/giây - là cốt yếu. Đáp ứng yêu cầu của

một cá nhân vẫn là quan trọng, nhưng hiệu quả tổng thể và giá trị hiệu quả - xác định bởi

bao nhiêu yêu cầu được xử lý trong một đơn vị thời gian - là thước đo chìa khoá cho hầu

hết mọi server.

Các máy tính nhúng

Để chỉ những máy tính được đặt vào trong các thiết bị khác nơi mà sự hiện diện của

máy tính này không rõ ràng một cách trực tiếp, là phần phát triển nhanh nhất của thị trường

máy tính. Vùng ứng dụng của các thiết bị đó tạo từ các vi xử lý nhúng đơn xuất hiện trong

các máy móc thường ngày (phần lớn là các lò viba, máy giặt, máy in, chuyển mạch mạng,

ôtô..)

Các máy nhúng có phạm vi rất rộng về khả năng xử lý và giá cả. Từ mức thấp là bộ

xử lý 8bit và 16bit có giá dưới 1$ tới mức cao nhất là bộ xử lý 32bit có khả năng thực hiện

50 triệu lệnh 1 giây có giá dưới 10$ và mức cao nhất có thể thực hiện một tỷ lệnh một giây

có giá hàng trăm $. Thông thường, hiệu năng yêu cầu trong một ứng dụng nhúng là đòi hỏi

trong thời gian thực. Một đòi hỏi hiệu năng thời gian thực là cho phép một đoạn của ứng

dụng có thời gian thực hiện chính xác tuyệt đối. Hiệu năng thời gian thực phục vụ các ứng

dụng phụ thuộc cao cùng với sự phát triển trong việc sử dụng các bộ vi xử lý nhúng, có đòi

hỏi cho phép đo lường tiêu chuẩn có phạm vi rộng, từ khả năng chạy những đoạn mã giới

hạn nhỏ đến khả năng thực hiện tốt các ứng dụng gồm hàng chục đến hàng trăm ngàn dòng

mã.

Xu hướng quan trọng khác trong hệ thống nhúng là việc sử dụng bộ sử lý hạt nhân

cùng với máy ứng dụng đặc biệt. Trong nhiều trường hợp các chức năng của ứng dụng và

các yêu cầu về hiệu năng được thoả mãn bởi việc kết họp một giải pháp phần cứng đặt

hàng với phần mềm chạy trên bộ xử lý (lõi) nhúng được tiêu chuẩn hoá, được thiết kế giao

diện với phần cứng có hiệu quả đặc biệt. Trong thực tế, vấn đề nhúng thường được giải

quyết bằng 3 phương pháp:

1. Sử dụng kết hợp giải pháp phần cứng/phần mềm gồm một vài phần cứng đặt hàng

và bộ xử lý nhúng tiêu chuẩn.

2. Sử dụng phần mềm đặt hàng chạy trên một bộ xử lý nhúng sẵn dùng

3. Sử dụng một bộ xử lý tín hiệu số và phần mềm đặt hàng. (Bộ xử lý tín hiệu số là

bộ xử lý đặc biệt dành cho các ứng dụng xử lý tín hiệu)

1.2 Kiến trúc máy tính

Kiến trúc máy tính (Computer architecture) là một khái niệm trừu tượng của một

hệ thống tính toán dưới quan điểm của người lập trình hoặc người viết chương trình dịch.

Nói cách khác, kiến trúc máy tính được xem xét theo khía cạnh mà người lập trình có thể

can thiệp vào mọi mức đặc quyền, bao gồm các thanh ghi, ô nhớ, các ngắt ... có thể được

thâm nhập thông qua các lệnh. Kiến trúc máy tính là những thuộc tính ảnh hưởng trực tiếp

đến quá trình thực hiện logic của chương trình. Bao gồm: tập lệnh, biểu diễn dữ liệu, các

cơ chế vào ra, kỹ thuật đánh địa chỉ,…

Tổ chức máy tính có thể hiểu là các khối chức năng trong máy tính và sự kết nối

giữa chúng để thực hiện các đặc tính của kiến trúc. Ví dụ, các thuộc tính của kiến trúc bao

gồm tập lệnh, số bit để biểu diễn các kiểu dữ liệu khác nhau (ví dụ: ký tự, số,…), cơ chế

vào/ra (I/O) và cách kỹ thuật định địa chỉ bộ nhớ. Các thuộc tính của tổ chức bao gồm các

đặc điểm phần cứng như: các tín hiệu điều khiển, giao diện giữa máy tính và các thiết bị

ngoại vi và các công nghệ bộ nhớ được sử dụng. Ví dụ, về mặt thiết kế kiến trúc máy tính:

ta muốn thực hiện lệnh Nhân. Vậy, về mặt tổ chức sẽ như sau: lệnh này sẽ được thực hiện

bởi một đơn vị phần cứng đặc biệt hoặc một cơ chế cho phép thực hiện lặp đi lặp lại phép

cộng. Việc lựa chọn một trong hai phương án trên phụ thuộc vào tần suất dự kiến lệnh nhân

được sử dụng, tương quan tốc độ tính toán của hai phương pháp, chi phí và kích thước vật

lý mỗi một phương án tổ chức.

Hiện nay, sự khác nhau giữa kiến trúc và tổ chức vẫn còn khá rõ nét. Nhiều nhà sản

xuất máy tính đưa ra một họ các model máy tính, tất cả chúng đều có kiến trúc tương tự

nhau nhưng lại khác nhau về tổ chức. Các model có giá cả và hiệu suất khác nhau. Một

kiến trúc đặc biệt có thể tồn tại trong nhiều năm và với nhiều model máy tính khác nhau

nhưng tổ chức của nó thay đổi theo sự thay đổi của công nghệ.

Với một lớp máy tính khác gọi là máy vi tính, mối quan hệ giữa kiến trúc và tổ chức

rất chặt chẽ. Những thay đổi trong công nghệ không chỉ ảnh hưởng đến tổ chức mà còn

dẫn đến việc các kiến trúc máy tính mạnh hơn và phức tạp hơn. Tuy nhiên, yêu cầu tương

thích giữa các thế hệ máy tính này khá thấp vì vậy việc thiết kế tổ chức và kiến trúc máy

tính có nhiều tương tác hơn. [1]

1.2.1 Kiến trúc tập lệnh

Thuật ngữ kiến trúc tập lệnh dùng để chỉ tập lệnh mà người lập trình có thể nhìn

thấy thực sự. Kiến trúc tập lệnh là cấu trúc của một máy tính mà người lập trình ngôn ngữ

máy phải hiểu để viết một chương trình chuẩn cho máy đó. Ngôn ngữ duy nhất mà một

máy tính nhận dạng được khi chạy là ngôn ngữ máy của nó hoặc kiến trúc tập lệnh. Kiến

trúc tập lệnh cũng mô tả máy mà một người thiết kế phần cứng cần phải hiểu để thiết kế ra

được một sản phẩm máy tính chuẩn.

Kiến trúc tập lệnh phục vụ như một giao dịch giữa phần cứng và phần mềm. Việc

thực hiện trong máy tính gồm có hai phần: tổ chức và phần cứng. Thuật ngữ tổ chức gồm

các bộ phận mức cao của một thiết kế máy tính như: hệ thống bộ nhớ, cấu trúc bus và thiết

kế CPU (bộ xử lý trung tâm nơi thực hiện các phép tính số học, logic, rẽ nhánh và truyền

dự liệu). Phần cứng dùng để chỉ những đặc trưng của máy tính bao gồm thiết kế logic chi

tiết và công nghệ đóng gói máy. Thông thường một dòng máy tính gồm các máy có cùng

kiến trúc tập lệnh và tổ chức gần giống nhau nhưng chúng khác nhau về thực hiện phần

Tải về để xem bản đầy đủ

179 trang baolam 11/05/2022 4480

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kiến trúc máy tính - Nguyễn Thu Hiền", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

giao_trinh_kien_truc_may_tinh_nguyen_thu_hien.pdf