Giáo trình Kiến trúc máy tính (Trình độ: Trung cấp)

BỘ LAO ĐỘNG -THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

----- › & ›-----

:

GIÁO TRÌNH

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

NGHỀ: KỸ THUẬT SỬA CHỮA, LẮP RÁP MÁY TÍNH

Hà nội, Năm 2019

BỘ LAO ĐỘNG -THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

----- › & ›-----

:

GIÁO TRÌNH

MÔN HỌC: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

NGHỀ: KỸ THUẬT SỬA CHỮA, LẮP RÁP MÁY TÍNH

TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP

(Ban hành kèm theo Quyết định số: 248b/QĐ-CĐNKTCN ngày 17tháng 09

năm 2019 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ)

Hà nội, Năm 2019

1

LỜI GIỚI THIỆU

Kiến trúc máy tính là một mảng kiến thức không thể thiếu đối với sinh viên chuyên

ngành điện tử viễn thông và công nghệ thông tin. Đây là nền tảng để nghiên cứu chuyên sâu

trong chuyên ngành này. Chúng ta đều biết rằng không có kiến thức cơ sở vững vàng sẽ

không có phát triển ứng dụng vì vậy tài liệu này sẽ giúp cho sinh viên trang bị cho mình

những kiến thức căn bản nhất, thiết thực nhất. Cuốn sách này không chỉ hữu ích đối với

sinh viên ngành viễn thông và công nghệ thông tin, mà còn cần thiết cho cả các cán bộ kỹ

thuật đang theo học các lớp bổ túc hoàn thiện kiến thức của mình.

Môn học Kiến trúc máy tính là một môn học chuyên môn của học viên ngành sửa

chữa máy tính và quản trị mạng. Môn học này nhằm trang bị cho học viên các trường công

nhân kỹ thuật và các trung tâm dạy nghề những kiến thức về Kiến trúc máy tính. Với các

kiến thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như đời sống.

Môn học này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật, các học viên của

các nghành khác quan tâm đến lĩnh vực này.

Mặc dù đã có những cố gắng để hoàn thành giáo trình theo kế hoạch, nhưng do hạn

chế về thời gian và kinh nghiệm soạn thảo giáo trình, nên tài liệu chắc chắn còn những

khiếm khuyết. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong Khoa cũng

như các bạn sinh viên và những ai sử dụng tài liệu này.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 25 tháng 03 năm 2019

BAN CHỦ NHIỆM BIÊN SOẠN GIÁO TRÌNH

NGHỀ: KỸ THUẬT SỬA CHỮA LẮP RÁP MÁY TÍNH

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

Tham gia biên soạn

1. Chủ biên : Phùng Quốc Cảnh

2. Tập thể Giảng viên khoa CNTT

Mọi thông tin đóng góp chia sẻ xin gửi về hòm thư: canhdhtn86@gmail.com, hoặc liên hệ

số điện thoại: 0359300585

3

MỤC LỤC

MỤC LỤC...........................................................................................................................4

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC...................................................................................................7

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN.................................................................................................9

1. Các thế hệ máy tính ......................................................................................................9

1.1 Thế hệ đầu tiên (1946-1957).......................................................................................9

1.2 Thế hệ thứ hai (1958-1964) ...................................................................................... 10

1.3 Thế hệ thứ ba (1965-1971) .......................................................................................10

1.4 Thế hệ thứ tư (1972)................................................................................................. 10

1.5 Khuynh hướng hiện tại ............................................................................................. 10

2. Phân loại máy tính ...................................................................................................... 11

2.1 Các siêu máy tính (Super Computer): ....................................................................... 11

2.2 Các máy tính lớn (Mainframe):................................................................................. 12

2.3 Máy tính mini (Minicomputer): ................................................................................ 12

2.4 Máy vi tính (Microcomputer) ................................................................................... 12

3. Thành quả của máy tính, qui luật Moore về sự phát triển của máy tính ....................... 12

4. Thông tin và sự mã hóa thông tin................................................................................ 14

4.1 Khái niệm thông tin.................................................................................................. 14

4.2 Lượng thông tin và sự mã hoá thông tin.................................................................... 15

4.3 Biểu diễn các số:....................................................................................................... 15

4.4 Số nguyên có dấu ..................................................................................................... 17

4.5 Cách biểu diễn số thập phân ..................................................................................... 19

4.6 Biểu diễn các ký tự................................................................................................... 20

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ ....................................................... 23

1. Thành phần cơ bản của máy tính................................................................................. 23

1.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU)......................................................................................... 23

1.2 Bo mạch chủ (Mainboard) ........................................................................................ 25

1.3 Bộ nhớ trong.............................................................................................................26

1.4 Thiết bị lưu trữ ......................................................................................................... 26

1.5 Thiết bị nhập xuất..................................................................................................... 27

2. Định nghĩa kiến trúc máy tính..................................................................................... 27

3. Tập lệnh...................................................................................................................... 28

3.1 Tập các thanh ghi (của bộ vi xử lý 8086).................................................................. 28

4. Kiến trúc RISC ........................................................................................................... 31

4.1 Giới thiệu ................................................................................................................. 31

4.2 Các kiểu định vị trong các bộ xử lý...........................................................................33

5. Toán hạng................................................................................................................... 34

CHƯƠNG 3: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ ................................................................................37

4

1. Đường đi của dữ liệu .................................................................................................. 37

2. Bộ điều khiển.............................................................................................................. 39

2.1 Bộ điều khiển mạch điện tử. ..................................................................................... 39

2.2 Bộ điều khiển vi chương trình: ................................................................................. 40

3. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy................................................................................... 41

4. Ngắt (INTERRUPT).................................................................................................. 42

5. Kỹ thuật ống dẫn (PIPELINE)........................................................................................ 43

5.1 Ống dẫn.................................................................................................................... 43

5.2 Khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn.............................................................................. 44

6. Siêu ống dẫn ............................................................................................................... 46

CHƯƠNG 4: BỘ NHỚ...................................................................................................... 48

1. Các loại bộ nhớ........................................................................................................... 48

1.1 Bộ nhớ trong.............................................................................................................48

2. Các cấp bộ nhớ ........................................................................................................... 53

3. Truy cập dữ liệu trong bộ nhớ..................................................................................... 55

3.1 Truy nhập bộ nhớ và thiết bị vào/ ra ......................................................................... 56

3.2 Truy nhập bộ nhớ chính............................................................................................ 56

4. Bộ nhớ CACHE.......................................................................................................... 58

CHƯƠNG 5:THIẾT BỊ NHẬP XUẤT............................................................................... 65

1. Đĩa từ.......................................................................................................................... 65

2. Đĩa quang ................................................................................................................... 67

3. Các loại thẻ nhớ.......................................................................................................... 68

4. Băng từ....................................................................................................................... 69

5. Các chuẩn về BUS..................................................................................................... 70

6. An toàn dữ liệu trong lưu trữ....................................................................................... 71

CHƯƠNG 6: NGÔN NGỮ ASSEMBLY .......................................................................... 76

1. Tổng quan................................................................................................................... 76

1.1 Cấu trúc chung của một chương trình ....................................................................... 76

1.2 Biến và khai báo biến ............................................................................................... 81

1.3 Các chế độ địa chỉ..................................................................................................... 83

2. Các Lệnh cơ bản......................................................................................................... 85

2.1 Các lệnh tính toán..................................................................................................... 85

2.2 Lệnh nhập và xuất. ...................................................................................................86

3. Các lệnh điều khiển .................................................................................................... 86

3.1 Các lệnh điều kiện, lặp.............................................................................................. 86

3.3 Lệnh chuyển hướng chương trình ............................................................................. 93

4. Ngăn xếp và thủ tục .................................................................................................... 96

4.1 Ngăn xếp (stack)....................................................................................................... 96

4.2 Chương trình con...................................................................................................... 97

4.3 Truyền tham số cho chương trình con....................................................................... 99

5

4.4 Một số hàm của ngắt 21h........................................................................................ 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 105

6

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC

Tên môn học: Kiến trúc máy tính

Mã môn học: MHSCMT 11

Vị trí, ý nghĩa, vai trò môn học:

- Vị trí:

+ Môn học được bố trí sau khi sinh viên học xong các môn học chung, các môn học

cơ sở chuyên ngành đào tạo chuyên môn nghề.

- Tính chất:

+ Là môn học chuyên ngành.

- Ý nghĩa và vai trò của môn học

+ Là môn học không thể thiếu của nghề Sửa chữa lắp ráp máy tính. Môn Kiến trúc

máy tính cung cấp cho học sinh, sinh viên cấu tạo, nguyên lý hoạt động của toàn bộ

linh kiện máy tính phục vụ chính cho học tập và công việc của học sinh, sinh viên

của nghề này.

Mục tiêu của môn học:

- Về kiến thức :

+ Biết về lịch sử của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính.

+ Hiểu 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.

+ Hiểu 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.

+ Hiểu chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ.

+ Hiểu phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài.

- Về kỹ năng:

+ Lập trình được trên các tập lệnh cơ bản của Assembly.

- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

+ Tự tin khi tiếp cận những công nghệ phần cứng mới.

Nội dung của môn học:

Thời gian

Kiểm

Tra/

Thi kết

thúc

môn

Thực

hành, thí

nghiệm,

thảo luận,

luyện tập

Số

TT

Tên các chương trong môn học

Tổng

số

Lý

thuyết

học

Chương 1: Tổng quan

1. Các thế hệ máy tính

2. Phân loại máy tính

2

8

2

4

0

4

I

3. Thành quả của máy tính.

4. Thông tin và sự mã hóa thông tin

Chương 2: Kiến trúc phần mềm bộ

xử lý

1. Thành phần cơ bản của một máy

0

II

tính

2. Định nghĩa kiến trúc máy tính

7

3. Tập lệnh

4. Kiến trúc RISC

5. Toán hạng

Chương 3: Tổ chức bộ xử lý

1. Đường đi dữ liệu

2. Bộ điều khiển

3. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy

4. Ngắt

5. Kỹ thuật ống dẫn

6. Ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô

hướng

Chương 4: Bộ nhớ

1. Các loại bộ nhớ

2. Các cấp bộ nhớ

3. Cách truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ

4. Hiểu về bộ nhớ Cache và cách tổ

chức

Chương 5: Thiết bị nhập xuất

1. Đĩa từ

2. Đĩa quang

3. Các loại thẻ nhớ

4. Băng từ

5. Các chuẩn về BUS

6. An toàn dữ liệu trong lưu trữ

8

4

5

3

5

1

III

IV

V

10

21

5

Chương 6: Ngôn ngữ Assembly

1. Tổng quan

2. Các lệnh cơ bản

3. Các lệnh điều khiển

4. Ngăn xếp và các thủ tục

Thi kết thúc môn học

Cộng

10

1

VI

1

60

1

3

30

27

8

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN

Mã chương: MHSCMT 11-01.

Giới thiệu:

Giới thiệu lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy

tính. Giới thiệu các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được

dùng để biểu diễn các ký tự.

Mục tiêu:

- Trình bày được lịch sử phát triển của máy tính

- Trình bày được các thành phần cơ bản của một máy vi tính

- Biết được các thành tựu của máy tính

- Trình bày được khái niệm về thông tin

- Nắm được các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng

được dùng để biểu diễn các ký tự

Nội dung chính:

1. Các thế hệ máy tính

Mục tiêu:

- Giới thiệu lịch sử phát triển của máy tính

- Trình bày được các thế hệ 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.

1.1 Thế hệ đầu tiên (1946-1957)

Hình 1- 1. Thế hệ đầu tiên (1946-1957)

9

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính điện tử số đầu

tiên do Giáo sư Mauchly và người học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania thiết kế vào năm

1943 và được hoàn thành vào năm 1946. Đây là một máy tính khổng lồ với thể tích dài 20

mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét. ENIAC bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự

động, cân nặng 30 tấn, và tiêu thụ 140KW giờ. Nó có 20 thanh ghi 10 bit (tính toán trên số

thập phân). Có khả năng thực hiện 5.000 phép toán cộng trong một giây. Công việc lập trình

bằng tay bằng cách đấu nối các đầu cắm điện và dùng các ngắt điện.

Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính IAS

(Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình được lưu trong bộ nhớ, bộ điều

khiển sẽ lấy lệnh và biến đổi giá trị của dữ liệu trong phần bộ nhớ, bộ làm toán và luận lý

(ALU: Arithmetic And Logic Unit) được điều khiển để tính toán trên dữ liệu nhị phân, điều

khiển hoạt động của các thiết bị vào ra. Đây là một ý tưởng nền tảng cho các máy tính hiện

đại ngày nay. Máy tính này còn được gọi là máy tính Von Neumann.

Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiên được đưa

ra thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được bán ra.

1.2 Thế hệ thứ hai (1958-1964)

Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947 và do đó thế hệ thứ hai của

máy tính được đặc trưng bằng sự thay thế các đèn điện tử bằng các transistor lưỡng cực.

Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor mới xuất hiện trên

thị trường. Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn. Vào thời điểm

này, mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ được dùng. Ngôn ngữ cấp cao xuất hiện (như

FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) và hệ điều hành kiểu tuần tự

(Batch Processing) được dùng. Trong hệ điều hành này, chương trình của người dùng thứ

nhất được chạy, xong đến chương trình của người dùng thứ hai và cứ thế tiếp tục.

1.3 Thế hệ thứ ba (1965-1971)

Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạch kết (mạch tích hợp -

IC: Integrated Circuit). Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale Integration)

có thể chứa vài chục linh kiện và kết độ tích hợp mật độ trung bình (MSI: Medium Scale

Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp.

Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ.

Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng.

1.4 Thế hệ thứ tư (1972)

Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large Scale

Integration) có thể chứa hàng ngàn linh kiện. Các IC mật độ tích hợp rất cao (VLSI: Very

Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiện trên mạch. Hiện nay, các chip

VLSI chứa hàng triệu linh kiện.

Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và phần

điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy vi tính đã được

chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân. Các bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ

nhớ ảo được dùng rộng rãi. Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý của máy tính không ngừng

được phát triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,…

1.5 Khuynh hướng hiện tại

Việc chuyển từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ 5 còn chưa rõ ràng. Người Nhật đã và

đang đi tiên phong trong các chương trình nghiên cứu để cho ra đời thế hệ thứ 5 của máy

tính, thế hệ của những máy tính thông minh, dựa trên các ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như

LISP và PROLOG,... và những giao diện người - máy thông minh. Đến thời điểm này, các

nghiên cứu đã cho ra các sản phẩm bước đầu và gần đây nhất (2004) là sự ra mắt sản phẩm

10

người máy thông minh gần giống với con người nhất: ASIMO (Advanced Step Innovative

Mobility: Bước chân tiên tiến của đổi mới và chuyển động). Với hàng trăm nghìn máy móc

điện tử tối tân đặt trong cơ thể, ASIMO có thể lên/xuống cầu thang một cách uyển chuyển,

nhận diện người, các cử chỉ hành động, giọng nói và đáp ứng một số mệnh lệnh của con

người. Thậm chí, nó có thể bắt chước cử động, gọi tên người và cung cấp thông tin ngay sau

khi bạn hỏi, rất gần gũi và thân thiện. Hiện nay có nhiều công ty, viện nghiên cứu của Nhật

thuê Asimo tiếp khách và hướng dẫn khách tham quan như: Viện Bảo tàng Khoa học năng

lượng và Đổi mới quốc gia, hãng IBM Nhật Bản, Công ty điện lực Tokyo.

Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý chuyển

động bằng hai chân. Cho tới nay, hãng đã chế tạo được 50 robot ASIMO.

Các tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSI đã cho phép thực hiện các mạch vi xử lý

ngày càng mạnh (8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit với việc xuất hiện các bộ xử lý RISC năm

1986 và các bộ xử lý siêu vô hướng năm 1990). Chính các bộ xử lý này giúp thực hiện các

máy tính song song với từ vài bộ xử lý đến vài ngàn bộ xử lý. Điều này làm các chuyên gia

về kiến trúc máy tính tiên đoán thế hệ thứ 5 là thế hệ các máy tính xử lý song song.

Bảng 1-1. Các thế hệ máy tính

Thế

hệ

Năm

Kỹ thuật

Sản phẩm

mới

Hãng sản xuất và máy tính

1

1946-1957 Đèn điện tử Máy tính điện IBM 701. UNIVAC

tử tung ra thị

trường

2

3

4

1958-1964 Transistors

1965-1971 Mach IC

Máy tính rẻ Intel,Burroughs 6500, NCR,

tiền CDC 6600, Honeywell

Máy tính mini 50 hãng mới: DEC PDP-11,

Data general ,Nova

1972

LSI - VLSI Máy tính cá Apple II, IBM-PC, Appolo

nhân và trạm DN 300, Sun 2

làm việc

5

Xử lý song Máy tính đa xử Sequent … Thinking Machine

song

lý. Đa máy Inc. Honda, Casio

tính

2. Phân loại máy tính

Mục đích:

- Trình bày được cách phân loại máy tính.

Thông thường máy tính được phân loại theo tính năng kỹ thuật và giá tiền.

2.1 Các siêu máy tính (Super Computer):

Là các máy tính đắt tiền nhất và tính năng kỹ thuật cao nhất. Giá bán một siêu máy

tính từ vài triệu USD. Các siêu máy tính thường là các máy tính vectơ hay các máy tính

dùng kỹ thuật vô hướng và được thiết kế để tính toán khoa học, mô phỏng các hiện tượng.

Các siêu máy tính được thiết kế với kỹ thuật xử lý song song với rất nhiều bộ xử lý (hàng

ngàn đến hàng trăm ngàn bộ xử lý trong một siêu máy tính).

11

2.2 Các máy tính lớn (Mainframe):

Là loại máy tính đa dụng. Nó có thể dùng cho các ứng dụng quản lý cũng như các

tính toán khoa học. Dùng kỹ thuật xử lý song song và có hệ thống vào ra mạnh. Giá một

máy tính lớn có thể từ vài trăm ngàn USD đến hàng triệu USD.

2.3 Máy tính mini (Minicomputer):

Là loại máy cỡ trung, giá một máy tính mini có thể từ vài chục USD đến vài trăm

ngàn USD.

2.4 Máy vi tính (Microcomputer)

Là loại máy tính dùng bộ vi xử lý, giá một máy vi tính có thể từ vài trăm USD đến

vài ngàn USD.

3. Thành quả của máy tính, qui luật Moore về sự phát triển của máy tính

Hình 1-2 cho thấy diễn biến của thành quả tối đa của máy tính. Thành quả này tăng

theo hàm số mũ, độ tăng trưởng các máy vi tính là 35% mỗi năm, còn đối với các loại máy

khác, độ tăng trưởng là 20% mỗi năm. Điều này cho thấy tính năng các máy vi tính đã vượt

qua các loại máy tính khác vào đầu thập niên 90.

Hình 1- 2. Đánh giá thành quả của máy tính

Máy tính dùng thật nhiều bộ xử lý song song rất thích hợp khi phải làm tính thật

nhiều.

Sự tăng trưởng theo hàm số mũ của công nghệ chế tạo transistor MOS là nguồn gốc

của thành quả các máy tính.

Hình 1-4 cho thấy sự tăng trưởng về tần số xung nhịp của các bộ xử lý MOS. Độ

tăng trưởng của tần số xung nhịp bộ xử lý tăng gấp đôi sau mỗi thế hệ và độ trì hoãn trên

mỗi cổng / xung nhịp giảm 25% cho mỗi năm .

Sự phát triển của công nghệ máy tính và đặc biệt là sự phát triển của bộ vi xử lý của

các máy vi tính làm cho các máy vi tính có tốc độ vượt qua tốc độ bộ xử lý của các máy tính

lớn hơn.

12

Hình 1-3. Sự phát triển của bộ xử lý Intel

Bảng 1-2 Sự phát triển của bộ xử lý Intel

dựa vào số lượng transistor trong một mạch tích hợp theo qui luật Moore

Bộ xử lý Intel

Năm sản xuất Số lượng transistor tích hợp

4004

8008

8080

8086

80286

1971

1972

1974

1978

1982

1985

1989

1993

1997

1999

2000

2002

2003

2.250

2.500

5.000

29.000

120.000

275.000

Intel 386 ^TMprocessor

Intel 486 ^TMprocessor

1.180.000

3.100.000

7.500.000

24.000.000

42.000.000

220.000.000

410.000.000

Intel ®Pentium ® processor

Intel ®Pentium ® II processor

Intel ®Pentium ® III processor

Intel ®Pentium ® 4 processor

Intel ® Itanium ® processor

Intel ® Itanium ® 2 processor

Từ năm 1965, Gordon Moore (đồng sáng lập công ty Intel) quan sát và nhận thấy số

transistor trong mỗi mạch tích hợp có thể tăng gấp đôi sau mỗi năm, G. Moore đã đưa ra dự

đoán: Khả năng của máy tính sẽ tăng lên gấp đôi sau 18 tháng với giá thành là như

nhau.

Kết quả của quy luật Moore là:

+ Chi phí cho máy tính sẽ giảm.

+ Giảm kích thước các linh kiện, máy tính sẽ giảm kích thước

+ Hệ thống kết nối bên trong mạch ngắn: tăng độ tin cậy, tăng tốc độ .

+ Tiết kiệm năng lượng cung cấp, toả nhiệt thấp.

+ Các IC thay thế cho các linh kiện rời.

13

Hình 1-4. Xung nhịp các bộ xử lý MOS

Một số khái niệm liên quan:

+ Mật độ tích hợp là số linh kiện tích hợp trên một diện tích bề mặt tấm silicon cho

sẵn, cho biết số nhiệm vụ và mạch có thực hiện.

+ Tần số xung nhịp bộ xử lý cho biết tần số thực hiện các nhiệm vụ.

+ Tốc độ xử lý của máy tính trong một giây (hay công suất tính toán của mỗi mạch):

được tính bằng tích của mật độ tích hợp và tần số xung nhịp. Công suất này cũng tăng theo

hàm mũ đối với thời gian.

4. Thông tin và sự mã hóa thông tin

Mục đích:

- Giới thiệu các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được

dùng để biểu diễn các ký tự.

4.1 Khái niệm thông tin

Hình 1-5. Thông tin về 2 trạng thái có ý nghĩa của hiệu điện thế

Khái niệm về thông tin gắn liền với sự hiểu biết một trạng thái cho sẵn trong nhiều

trạng thái có thể có vào một thời điểm cho trước.

Trong hình này, chúng ta quy ước có hai trạng thái có ý nghĩa: trạng thái thấp khi

hiệu điện thế thấp hơn V_Lvà trạng thái cao khi hiệu điện thế lớn hơn V_H. Để có thông tin, ta

phải xác định thời điểm ta nhìn trạng thái của tín hiệu. Thí dụ, tại thời điểm t₁thì tín hiệu ở

trạng thái thấp và tại thời điểm t₂thì tín hiệu ở trạng thái cao.

14

4.2 Lượng thông tin và sự mã hoá thông tin

Thông tin được đo lường bằng đơn vị thông tin mà ta gọi là bit. Lượng thông tin

được định nghĩa bởi công thức:

I = Log₂(N)

Trong đó I: là lượng thông tin tính bằng bit

N: là số trạng thái có thể có

Vậy một bit ứng với sự hiểu biết của một trạng thái trong hai trạng thái có thể có. Thí

dụ, sự hiểu biết của một trạng thái trong 8 trạng thái có thể ứng với một lượng thông tin là:

I = Log₂(8) = 3 bit

Tám trạng thái được ghi nhận nhờ 3 số nhị phân (mỗi số nhị phân có thể có giá trị 0

hoặc 1).

Như vậy lượng thông tin là số con số nhị phân cần thiết để biểu diễn số trạng thái có

thể có. Do vậy, một con số nhị phân được gọi là một bit. Một từ n bit có thể tượng trưng

một trạng thái trong tổng số 2ⁿtrạng thái mà từ đó có thể tượng trưng. Vậy một từ n bit

tương ứng với một lượng thông tin n bit.

Bảng 1-3. Tám trạng thái khác nhau ứng với 3 số nhị phân

Trạng thái

X2

0

X1

0

1

X0

0

1

0

1

0

1

2

3

4

5

6

7

1

0

1

0

1

0

1

4.3 Biểu diễn các số:

Khái niệm hệ thống số: Cơ sở của một hệ thống số định nghĩa phạm vi các giá trị có

thể có của một chữ số. Ví dụ: trong hệ thập phân, một chữ số có giá trị từ 0-9, trong hệ nhị

phân, một chữ số (một bit) chỉ có hai giá trị là 0 hoặc 1.

Dạng tổng quát để biểu diễn giá trị của một số:

Trong đó:

V_k: Số cần biểu diễn giá trị

m: số thứ tự của chữ số phần lẻ

(phần lẻ của số có m chữ số được đánh số thứ tự từ -1 đến -m)

n-1: số thứ tự của chữ số phần nguyên

(phần nguyên của số có n chữ số được đánh số thứ tự từ 0 đến n-1)

b_i: giá trị của chữ số thứ i

k: hệ số (k=10: hệ thập phân; k=2: hệ nhị phân;...).

15

Ví dụ: biểu diễn số 541.25 ₁₀

541.25₁₀= 5 * 10²+ 4 * 10¹+ 1 * 10⁰+ 2 * 10-1 + 5 * 10^-2

= (500)₁₀+ (40)₁₀+ (1)₁₀+ (2/10)₁₀+ (5/100)₁₀

Một máy tính được chủ yếu cấu tạo bằng các mạch điện tử có hai trạng thái. Vì vậy,

rất tiện lợi khi dùng các số nhị phân để biểu diễn số trạng thái của các mạch điện hoặc để

mã hoá các ký tự, các số cần thiết cho vận hành của máy tính.

Để biến đổi một số hệ thập phân sang nhị phân, ta có hai phương thức biến đổi:

Phương thức số dư để biến đổi phần nguyên của số thập phân sang nhị phân. Ví dụ:

Đổi 23.37510 sang nhị phân. Chúng ta sẽ chuyển đổi phần nguyên dùng phương thức số dư:

- Phương thức nhân để biến đổi phần lẻ của số thập phân sang nhị phân

Kết quả cuối cùng nhận được là: 23.375₁₀= 10111.011₂

Tuy nhiên, trong việc biến đổi phần lẻ của một số thập phân sang số nhị phân theo

phương thức nhân, có một số trường hợp việc biến đổi số lặp lại vô hạn bit có trọng số lớn

nhất bit có trọng số nhỏ nhất

Ví dụ

Trường hợp biến đổi số nhị phân sang các hệ thống số khác nhau, ta có thể nhóm một số các

số nhị phân để biểu diễn cho số trong hệ thống số tương ứng.

16

(Base 2)

Octal

Decimal

Hexadecimal

(Base 8)

(Base 10)

(Base 16)

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

0

1

2

3

4

5

6

7

10

11

12

13

14

15

16

17

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

A

B

C

D

E

F

Thông thường, người ta nhóm 4 bit trong hệ nhị phân hệ để biểu diễn số dưới dạng thập lục

phân (Hexadecimal).

Như vậy, dựa vào cách biến đổi số trong bảng nêu trên, chúng ta có ví dụ về cách biến đổi

các số trong các hệ thống số khác nhau theo hệ nhị phân:

• 1011₂= (10₂)(11₂) = 23₄

• 23₄= (2₄)(3₄) = (10₂)(11₂) = 1011₂

• 101010₂= (101₂)(010₂) = 52₈

• 01101101₂= (0110₂)(1101₂) = 6D₁₆

Một từ n bit có thể biểu diễn tất cả các số dương từ 0 tới 2ⁿ-1. Nếu d_ilà một số nhị phân thứ

i, một từ n bit tương ứng với một số nguyên thập phân.

Một Byte (gồm 8 bit) có thể biểu diễn các số từ 0 tới 255 và một từ 32 bit cho phép biểu

diễn các số từ 0 tới 4294967295.

4.4 Số nguyên có dấu

Có nhiều cách để biểu diễn một số n bit có dấu. Trong tất cả mọi cách thì bit cao nhất

luôn tượng trưng cho dấu.

Khi đó, bit dấu có giá trị là 0 thì số nguyên dương, bit dấu có giá trị là 1 thì số

nguyên âm. Tuy nhiên, cách biểu diễn dấu này không đúng trong trường hợp số được biểu

diễn bằng số thừa K mà ta sẽ xét ở phần sau trong chương này (bit dấu có giá trị là 1 thì số

nguyên dương, bit dấu có giá trị là 0 thì số nguyên âm).

17

d_n-1d_n-2d_n-3

…

d₂

d₁

d0

Bít dấu

Số nguyên có bit d_n-1là bit dấu và có trị số tượng trưng bởi các bit từ d₀tới d_n-2.

a. Cách biểu diễn bằng trị tuyệt đối và dấu

Trong cách này, bit d_n-1là bit dấu và các bit từ d₀tới d_n-2cho giá trị tuyệt đối. Một từ n bit

tương ứng với số nguyên thập phân có dấu.

Ví dụ: +25₁₀= 00011001₂

-25₁₀= 10011001₂

- Một Byte (8 bit) có thể biểu diễn các số có dấu từ -127 tới +127.

- Có hai cách biểu diễn số không là 0000 0000 (+0) và 1000 0000 (-0).

b. Cách biểu diễn hằng số bù 1

Trong cách biểu diễn này, số âm -N được có bằng cách thay các số nhị phân d_icủa số đương

N bằng số bù của nó (nghĩa là nếu d_i= 0 thì người ta đổi nó thành 1 và ngược lại).

Ví dụ: +25₁₀= 00011001₂-25₁₀= 11100110₂

- Một Byte cho phép biểu diễn tất cả các số có dấu từ -127 (1000 0000₂) đến 127 (0111

1111₂)

- Có hai cách biểu diễn cho 0 là 0000 0000 (+0) và 1111 1111 (-0).

c. Cách biểu diễn bằng số bù 2

Để có số bù 2 của một số nào đó, người ta lấy số bù 1 rồi cộng thêm 1. Vậy một

từ n bit (d_n-1....... d₀) có trị thập phân.

Một từ n bit có thể biểu diễn các số có dấu từ - 2^n-1đến 2^n-1- 1. Chỉ có một cách duy nhất để

biểu diễn cho số không là tất cả các bit của số đó đều bằng không.

Ví dụ: +25₁₀= 00011001₂-25₁₀= 11100111₂

- Dùng 1 Byte (8 bit) để biểu diễn một số có dấu lớn nhất là +127 và số nhỏ nhất

là –128.

- Chỉ có một giá trị 0: +0 = 00000000₂, -0 = 00000000₂

Bảng 1-4. Số 4 bit có dấu theo cách biểu diễn số âm bằng số bù 2

d₃d₂d₁d₀

N

0

1

d₃d₂d₁d₀

N

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

-8

-7

-6

2

18

0

1

0

1

0

1

0

1

3

4

5

6

7

1

0

1

0

1

0

1

0

1

-5

-4

-3

-2

-1

d. Cách biểu diễn bằng số thừa K

Trong cách này, số dương của một số N có được bằng cách “cộng thêm vào” số thừa

K được chọn sao cho tổng của K và một số âm bất kỳ luôn luôn dương. Số âm -N của số N

có được bằng cáck lấy K-N (hay lấy bù hai của số vừa xác định).

Ví dụ: (số thừa K=128, số “cộng thêm vào” 128 là một số nguyên dương. Số âm là số

lấy bù hai số vừa tính, bỏ qua số giữ của bit cao nhất) :

+25₁₀= 10011001₂-25₁₀= 01100111₂

- Dùng 1 Byte (8 bit) để biểu diễn một số có dấu lớn nhất là +127 và số nhỏ nhất là

(âm) –128.

- Chỉ có một giá trị 0: +0 = 10000000₂, -0 = 10000000₂

Cách biểu diễn số nguyên có dấu bằng số bù 2 được dùng rộng rãi cho các phép tính

số nguyên. Nó có lợi là không cần thuật toán đặc biệt nào cho các phép tính cộng và tính

trừ, và giúp phát hiện dễ dàng các trường hợp bị tràn.

Các cách biểu diễn bằng "dấu , trị tuyệt đối" hoặc bằng "số bù 1" dẫn đến việc dùng

các thuật toán phức tạp và bất lợi vì luôn có hai cách biểu diễn của số không. Cách biểu diễn

bằng "dấu , trị tuyệt đối" được dùng cho phép nhân của số có dấu chấm động.

Cách biểu diễn bằng số thừa K được dùng cho số mũ của các số có dấu chấm động.

Cách này làm cho việc so sánh các số mũ có dấu khác nhau trở thành việc so sánh các số

nguyên dương.

4.5 Cách biểu diễn số thập phân

Một vài ứng dụng, đặc biệt ứng dụng quản lý, bắt buộc các phép tính thập phân phải

chính xác, không làm tròn số. Với một số bit cố định, ta không thể đổi một cách chính xác

số nhị phân thành số thập phân và ngược lại. Vì vậy, khi cần phải dùng số thập phân, ta

dùng cách biểu diễn số thập phân mã bằng nhị phân (BCD: Binary Coded Decimal) theo đó

mỗi số thập phân được mã với 4 số nhị phân (bảng I.6).

Bảng 1-5. Số thập phân mã bằng nhị phân

Số thập

d₃

d₂

d₁

d₀

Số thập

d₃

d₂

d₁

d₀

phân

0

1

2

3

4

0

1

0

1

0

1

0

1

0

5

6

7

8

9

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

Để biểu diễn số BCD có dấu, người ta thêm số 0 trước một số dương cần tính, ta có

số âm của số BCD bằng cách lấy bù 10 số cần tính.

Ví dụ: biểu diễn số +079₁₀bằng số BCD: 0000 0111 1001

19

Bù 9

1001 0010 0000

+1

1001 0010 0001

Bù 10

Vây, ta có: Số - 079₁₀trong cách biểu diễn số BCD: 1001 0010 0001_BCD

.

Cách tính toán trên tương đương với cách sau:

o Trước hết ta lấy số bù 9 của số 079 bằng cách: 999 - 079 = 920.

o Cộng 1 vào số bù 9 ta được số bù 10: 920 + 1 = 921.

o Biểu diễn số 921 dưới dạng số BCD, ta có: 1001 0010 0001_BCD

4.6 Biểu diễn các ký tự

Tuỳ theo các hệ thống khác nhau, có thể sử dụng các bảng mã khác nhau: ASCII,

EBCDIC, UNICODE,....Các hệ thống trước đây thường dùng bảng mã ASCII (American

Standard Codes for Information Interchange) để biểu diễn các chữ, số và một số dấu thường

dùng mà ta gọi chung là ký tự. Mỗi ký tự được biểu diễn bởi 7 bit trong một Byte. Hiện nay,

một trong các bảng mã thông dụng được dùng là Unicode, trong bảng mã này, mỗi ký tự

được mã hoá bởi 2 Byte.

Bảng mã ASCII

20

Giáo trình Kiến trúc máy tính (Trình độ: Trung cấp) - Phùng Quốc Cảnh