Giáo trình môn Kiến trúc máy tính

Kiến trúc máy tính

Mục lục

MỤC LỤC

*****

MỤC LỤC ..........................................................................................................................2

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN.............................................................................................5

GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH .......................................................................5

MỤC ĐÍCH......................................................................................................................5

YÊU CẦU.........................................................................................................................5

NỘI DUNG ......................................................................................................................6

KIẾN THỨC TIÊN QUYẾT..............................................................................................6

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................6

PHƯƠNG PHÁP HỌC TẬP ............................................................................................6

CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG ...............................................................................................7

I.1 CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH.........................................................................................7

a.

Thế hệ đầu tiên (1946-1957)................................................................................7

b. Thế hệ thứ hai (1958-1964) .................................................................................8

c. Thế hệ thứ ba (1965-1971) ..................................................................................8

d. Thế hệ thứ tư (1972-????)...................................................................................8

e. Khuynh hướng hiện tại ........................................................................................8

I.2 PHÂN LOẠI MÁY TÍNH...........................................................................................9

I.3 THÀNH QUẢ CỦA MÁY TÍNH .............................................................................10

QUI LUẬT MOORE VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH ...................................10

I.4- THÔNG TIN VÀ SỰ MÃ HOÁ THÔNG TIN........................................................12

I.4.1 - Khái niệm thông tin.........................................................................................12

I.4.2 - Lượng thông tin và sự mã hoá thông tin.........................................................13

I.4.3 - Biểu diễn các số:.............................................................................................13

I.4.4 Số nguyên có dấu..............................................................................................16

I.4.5 - Cách biểu diễn số với dấu chấm động:...........................................................17

I.4.6 - Biểu diễn các số thập phân .............................................................................19

I.4.7 - Biểu diễn các ký tự ..........................................................................................19

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG I............................................................22

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

II.1 - THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MỘT MÁY TÍNH..............................................23

II.2 - ĐỊNH NGHĨA KIẾN TRÚC MÁY TÍNH.............................................................25

II.3 - CÁC KIỂU THI HÀNH MỘT LỆNH...................................................................25

II.4 - KIỂU KIẾN TRÚC THANH GHI ĐA DỤNG....................................................27

II.5 - TẬP LỆNH............................................................................................................27

II.5.1 - Gán trị............................................................................................................28

II.5.2 - Lệnh có điều kiện...........................................................................................29

II.5.3 - Vòng lặp.........................................................................................................30

II.5.4 - Thâm nhập bộ nhớ ngăn xếp..........................................................................31

II.5.5 - Các thủ tục.....................................................................................................31

II.6 - CÁC KIỂU ĐỊNH VỊ ............................................................................................33

2

Kiến trúc máy tính

Mục lục

II.7 - KIỂU CỦA TOÁN HẠNG VÀ CHIỀU DÀI CỦA TOÁN HẠNG ......................34

II.8 - TÁC VỤ MÀ LỆNH THỰC HIỆN.......................................................................34

II.9 - KIẾN TRÚC RISC ( REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER) ...........................35

II.10 - KIỂU ĐỊNH VỊ TRONG CÁC BỘ XỬ LÝ RISC...............................................37

II.10.1 - Kiểu định vị thanh ghi..................................................................................37

II.10.2 - Kiểu định vị tức thì.......................................................................................37

II.10.3 - Kiểu định vị trực tiếp ...................................................................................38

II.10.4 - Kiểu định vị gián tiếp bằng thanh ghi + độ dời ..........................................38

II.10.5 - Kiểu định vị tự tăng .....................................................................................38

II.11 - NGÔN NGỮ CẤP CAO VÀ NGÔN NGỮ MÁY..............................................39

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG II ..........................................................41

CHƯƠNG III: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ ..........................................................................42

III.1. ĐƯỜNG ĐI CỦA DỮ LIỆU.................................................................................42

III.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN .................................................................................................44

III.2.1. Bộ điều khiển mạch điện tử ...........................................................................44

III.2.2. Bộ điều khiển vi chương trình: ......................................................................45

III.3. DIỄN TIẾN THI HÀNH LỆNH MÃ MÁY ..........................................................46

III.4. NGẮT QUÃNG (INTERRUPT)...........................................................................47

III.5. KỸ THUẬT ỐNG DẪN (PIPELINE)...................................................................48

III.6. KHÓ KHĂN TRONG KỸ THUẬT ỐNG DẪN...................................................49

III.7. SIÊU ỐNG DẪN...................................................................................................51

III.8. SIÊU VÔ HƯỚNG (SUPERSCALAR)................................................................52

III.9. MÁY TÍNH CÓ LỆNH THẬT DÀI VLIW (VERY LONG INSTRUCTION

WORD)..........................................................................................................................53

III.10. MÁY TÍNH VECTƠ...........................................................................................53

III.11. MÁY TÍNH SONG SONG .................................................................................53

III.12 KIẾN TRÚC IA-64 ..............................................................................................59

a) Đặc trưng của kiến trúc IA-64: .........................................................................59

b) Định dạng lệnh trong kiến trúc IA-64 ...............................................................60

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG III.........................................................62

CHƯƠNG IV: CÁC CẤP BỘ NHỚ ...............................................................................63

IV.1. CÁC LOẠI BỘ NHỚ............................................................................................63

IV.2. CÁC CẤP BỘ NHỚ..............................................................................................65

IV.3. XÁC SUẤT TRUY CẬP DỮ LIỆU TRONG BỘ NHỚ TRONG ........................66

IV.4. VẬN HÀNH CỦA CACHE..................................................................................67

IV.5. HIỆU QUẢ CỦA CACHE....................................................................................72

IV.6. CACHE DUY NHẤT HAY CACHE RIÊNG LẺ.................................................73

IV.7. CÁC MỨC CACHE..............................................................................................73

IV.8. BỘ NHỚ TRONG.................................................................................................74

IV.9. BỘ NHỚ ẢO.........................................................................................................75

IV.10. BẢO VỆ CÁC TIẾN TRÌNH BẰNG CÁCH DÙNG BỘ NHỚ ẢO...................79

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG IV .........................................................81

CHƯƠNG V: NHẬP - XUẤT..........................................................................................82

3

Kiến trúc máy tính

Mục lục

V.1. DẪN NHẬP ...........................................................................................................82

V.2. ĐĨA TỪ ..................................................................................................................82

V.3. ĐĨA QUANG .........................................................................................................84

V.4. CÁC LOẠI THẺ NHỚ...........................................................................................86

V.5. BĂNG TỪ..............................................................................................................86

V.6. BUS NỐI NGOẠI VI VÀO BỘ XỬ LÝ VÀ BỘ NHỚ TRONG ...........................87

V.7. CÁC CHUẨN VỀ BUS..........................................................................................89

V.8. GIAO DIỆN GIỮA BỘ XỬ LÝ VỚI CÁC BỘ PHẬN VÀO RA..........................90

V.9. MỘT SỐ BIỆN PHÁP AN TOÀN DỮ LIỆU TRONG VIỆC LƯU TRỮ THÔNG

TIN TRONG ĐĨA TỪ....................................................................................................91

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG V...........................................................95

4

Kiến trúc máy tính

Giới thiệu tổng quan

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

MỤC ĐÍCH

Giáo trình này nhằm trang bị cho người đọc các nội dung chủ yếu sau:

Lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy

tính. Cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu

diễn các ký tự.

Giới thiệu các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính, khái niệm về kiến

trúc máy tính, tập lệnh. Các kiểu kiến trúc máy tính: mô tả kiến trúc, các kiểu định vị.

Giới thiệu 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, máy tính có

lệnh thật dài, máy tính véc-tơ, xử lý song song và kiến trúc IA-64.

Giới thiệu chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ máy tính.

Giới thiệu một số thiết bị lưu trữ ngoài như: đĩa từ, đĩa quang, thẻ nhớ, băng từ.

Hệ thống kết nối cơ bản các bộ phận bên trong máy tính. Cách giao tiếp giữa các ngoại vi

và bộ xử lý.

Phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài.

YÊU CẦU

Sau khi học xong môn học này, người học được trang bị các kiến thức về:

Sinh viên được trang bị kiến thức về lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ

máy tính và cách phân loại máy tính. Nắm vững các khái niệm cơ bản liên quan đến các

hệ thống số được dùng trong máy tính. Thành thạo các thao tác biến đổi số giữa các hệ

thống số.

Sinh viên có kiến thức về các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính,

khái niệm về kiến trúc máy tính, tập lệnh. Nắm vững các kiến thức về các kiểu kiến trúc

máy tính, các kiểu định vị được dùng trong kiến trúc, loại và chiều dài của toán hạng, tác

vụ mà máy tính có thể thực hiện. Phân biệt được hai loại kiến trúc: CISC (Complex

Instruction Set Computer), RISC (Reduced Instruction Set Computer). Các kiến thức cơ

bản về kiến trúc RISC, tổng quát tập lệnh của các kiến trúc máy tính.

Sinh viên phải nắm vững cấu trúc của bộ xử lý trung tâm và diễn tiến thi hành

một lệnh mã máy, vì đây là cơ sở để hiểu được các hoạt động xử lý lệnh trong các kỹ

thuật xử lý thông tin trong máy tính.

Sinh viên phải hiểu được các cấp bộ nhớ và cách thức vận hành của các loại bộ

nhớ được giới thiệu để có thể đánh giá được hiệu năng hoạt động của các loại bộ nhớ.

Sinh viên phải nắm vững các kiến thức về hệ thống kết nối cơ bản các bộ phận

bên trong máy tính, cách giao tiếp giữa các ngoại vi và bộ xử lý. Biết được cấu tạo và các

vận hành của các loại thiết bị lưu trữ ngoài và phương pháp an toàn dữ liệu trên đĩa cứng.

5

Kiến trúc máy tính

Giới thiệu tổng quan

NỘI DUNG

Chương I: ĐẠI CƯƠNG

Lịch sử phát triển của máy tính, thông tin và sự mã hoá thông tin.

Chương II: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ

Giới thiệu các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính, kiến trúc máy tính, tập

lệnh và các kiểu định vị cơ bản. Khái niệm về kiến trúc RISC và CISC, ngôn ngữ cấp cao

và ngôn ngữ máy.

Chương III: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ

Giới thiệu 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. Một số kỹ thuật xử lý thông tin.

Chương IV: CÁC CẤP BỘ NHỚ

Giới thiệu chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ máy tính.

Chương V: NHẬP - XUẤT

Thiết bị ngoại vi: các thành phần và hệ thống liên kết. Phương pháp an toàn dữ liệu

trên thiết bị lưu trữ ngoài

KIẾN THỨC TIÊN QUYẾT

- KỸ THUẬT SỐ (TH 313)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Kiến trúc máy tính – Võ Văn Chín, Đại học Cần Thơ, 1997.

2. Computer Architecture: A Quantitative Approach, A. Patterson and J. Hennesy,

Morgan Kaufmann Publishers, 2nd Edition, 1996.

3. Computer Otganization and Architecture: Designing for Performance, Sixth

Edtion, William Stallings, Prentice Hall.

4. Principles of Computer Architecture, Miles Murdocca and Vincent Heuring

(internet- http://iiusaedu.com).

5. Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Patterson

and Hennessy, Second Edition (internet-http://engronline.ee.memphis.edu).

PHƯƠNG PHÁP HỌC TẬP

Do giáo trình chỉ mang tính chất giới thiệu tổng quát nên người đọc cần đọc thêm

các tài liệu giới thiệu về kiến trúc cụ thể của các bộ xử lý. Người đọc cần tìm hiểu thêm

các hình ảnh và ví dụ minh hoạ trong các tài liệu liên quan để thấy được sâu hơn vấn đề

được đặt ra.

6

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

Chương I: ĐẠI CƯƠNG

Mục đích: 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.

Yêu cầu: Sinh viên được trang bị kiến thức về lịch sử phát triển của máy tính, các

thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính. Nắm vững các khái niệm cơ bản liên quan

đến các hệ thống số được dùng trong máy tính. Thành thạo các thao tác biến đổi số giữa

các hệ thống số.

I.1 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.

a. Thế hệ đầu tiên (1946-1957)

Hình 1.1: Máy tính ENIAC

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

7

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

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.

b. 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.

c. 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.

d. 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,…

e. 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

8

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

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 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.

Thế hệ

Năm

Kỹ thuật

Sản phẩm mới

Hãng sản xuất và máy

tính

1

1946-

1957

Đèn điện Máy tính điện tử IBM 701. UNIVAC

tử

tung

ra

thị

trường

2

3

4

1958-

1964

Transistors Máy tính rẻ tiền Burroughs 6500, NCR,

CDC 6600, Honeywell

1965-

1971

Mach IC

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

song lý. Đa máy tính Machine Inc.? Honda, Casio

Bảng 1.1: Các thế hệ máy tính

I.2 PHÂN LOẠI MÁY TÍNH

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

a. 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

9

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

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).

b. 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.

c. Máy tính mini (Minicomputer) là loại máy cở trung, giá một máy tính mini

có thể từ vài chục USD đến vài trăm ngàn USD.

d. 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.

I.3 THÀNH QUẢ CỦA MÁY TÍNH

QUI LUẬT MOORE VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH

Hình I-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 .

Super Computers

Mainframes

Mini Computers

1000

100

10

1

Micro Processor

0.1

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

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 I.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.

10

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

Bộ xử lý Intel

Năm SX

1971

1972

1974

1978

1982

1985

1989

1993

1997

1999

2000

2002

2003

Số lượng transistor tích hợp

4004

2,250

8008

2,500

5,000

8080

8086

29,000

286

120,000

Intel386™ processor

Intel486™ processor

Intel® Pentium® processor

Intel® Pentium® II processor

Intel® Pentium® III processor

Intel® Pentium® 4 processor

Intel® Itanium® processor

Intel® Itanium® 2 processor

275,000

1,180,000

3,100,000

7,500,000

24,000,000

42,000,000

220,000,000

410,000,000

Hình I.3 và Bảng I.2: Sự phát triển của bộ xử lý Intel

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

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.

11

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

Hình I.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.

I.4- THÔNG TIN VÀ SỰ MÃ HOÁ THÔNG TIN

I.4.1 - Khái niệm thông tin

Hiệu thế

Vt₂

V_H

V_L

Vt₁

t₁

t₂

Thời gian

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

12

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

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.

I.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.

Trạng thái

X2

0

1

X1

0

1

0

1

X0

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

2

3

4

5

6

7

Bảng I.3: Tám trạng thái khác nhau ứng với 3 số nhị phân

I.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:

V_k

13

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

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;...).

Ví dụ: biểu diễn số 541.25 ₁₀

541.25₁₀= 5 * 10 + 4 * 10 + 1 * 10 + 2 * 10 + 5 * 10

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

2

1

0

1

2

-

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 23.375 sang nhị phân. Chúng ta sẽ chuyển đổi phần nguyên dùng

10

phương thức số dư:

bit giữ

bit có trọng

số nhỏ nhất

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

bit có trọng

số lớn nhất

bit có trọng

số nhỏ nhất

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

14

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

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.

Binary

(Base 2)

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

Octal

(Base 8)

Decimal

(Base 10)

Hexadecimal

(Base 16)

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.

n −1

i

N =

d 2

i

∑

i =0

15

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

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.

I.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).

d_n-1d_n-2

d_n-3

. . . .

d₂

d₁

d₀

. . . .

bit 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.

n−2

N = ⁽⁻¹⁾^d

d 2ⁱ

i

n−1

∑

i=0

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_i

của 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.

n -2

n −1

i

N = − d

2

+

d 2

i

∑

n −1

i =0

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

16

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

d₃d₂d₁d₀

N

0

1

2

3

4

5

6

7

d₃d₂d₁d₀

N

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

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

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 –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.

I.4.5 - Cách biểu diễn số với dấu chấm động:

Trước khi đi vào cách biểu diễn số với dấu chấm động, chúng ta xét đến cách

biểu diễn một số dưới dạng dấu chấm xác định.

Ví dụ:

-

Trong hệ thập phân, số 254₁₀có thể biểu diễn dưới các dạng sau:

254 * 10⁰; 25.4 * 10¹; 2.54 * 10²; 0.254 * 10³; 0.0254 * 10⁴; …

Trong hệ nhị phân, số (0.00011) (tương đương với số 0.09375 )

-

có

2

10

thể biểu diễn dưới các dạng :

0

1

-

-4

-2

-3

;

0.00011 0.00011 * 2 ; 0.0011 * 2 0.011 * 2 0.11 * 2 1.1 * 2

;

Các cách biểu diễn này gây khó khăn trong một số phép so sánh các số. Để dễ

dàng trong các phép tính, các số được chuẩn hoá về một dạng biểu diễn:

E

1. fff...f x 2

Trong đó: f là phần lẻ; E là phần mũ

17

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

Số chấm động được chuẩn hoá, cho phép biểu diễn gần đúng các số thập phân rất

lớn hay rất nhỏ dưới dạng một số nhị phân theo một dạng qui ước. Thành phần của số

chấm động bao gồm: phần dấu, phần mũ và phần định trị. Như vậy, cách này cho phép

biểu diễn gần đúng các số thực, tất cả các số đều có cùng cách biểu diễn.

Có nhiều cách biểu diễn dấu chấm động, trong đó cách biểu diễn theo chuẩn

IEEE 754 được dùng rộng rãi trong khoa học máy tính hiện nay. Trong cách biểu diễn

này, phần định trị có dạng 1,f với số 1 ẩn tăng và f là phần số lẽ.

Chuẩn IEEE 754 định nghĩa hai dạng biểu diễn số chấm động:

-

Số chấm động chính xác đơn với định dạng được định nghĩa: chiều dài

số: 32 bit được chia thành các trường: dấu S (Sign bit - 1 bit), mũ E (Exponent - 8

bit), phần lẻ F (Fraction - 23 bit).

Số này tương ứng với số thực (-1)^S* (1,f₁f₂..... f₂₃) * 2^{(E - 127)}

bit 31 30

23 22

bit 1 bit 0

S

E

f₁

f₂

...........

f₂₂f₂₃

Hình I.7: Biểu diễn số có dấu chấm động chính xác đơn với 32 bit

Số chấm động chính xác kép với định dạng được định nghĩa: chiều dài

-

số: 64 bit được chia thành các trường: dấu S (Sign bit - 1 bit), mũ E (Exponent - 11

bit), phần lẻ F (Fraction - 52 bit)

Số này tương ứng với số thực (-1)^S* (1,f₁f₂..... f₅₂) * 2^{(E - 1023)}

bit 63 62

52 51

bit 1 bit 0

S

E

f₁

f₂

...........

f₅₁f₅₂

Hình I.8: Biểu diễn số có dấu chấm động chính xác kép với 64 bit

Để thuận lợi trong một số phép tính toán, IEEE định nghĩa một số dạng mở

rộng của chuẩn IEEE 754:

Tham số

Chính

Mở rộng

Chính

Mở rộng

xác đơn

xác kép

chính xác đơn

chính xác kép

Chiều dài (bit)

32

8

64

11

43

11

79

15

Chiều dài trường mũ (E)

Số thừa

127

-126

23

-

1023

-1022

52

-

Giá trị mũ tối đa

Giá trị mũ tối thiểu

Chiều dài trường lẻ F (bit)

1023

- 1022

31

16383

-16382

63

Chuẩn IEEE 754 cho phép biểu diễn các số chuẩn hoá (các bit của E không

cùng lúc bằng 0 hoặc bằng 1), các số không chuẩn hoá (các bit của E không cùng lúc

bằng 0 và phần số lẻ f1 f2 ... khác không), trị số 0 (các bit của E không cùng lúc bằng

0 và phần số lẻ bằng không), và các ký tự đặc biệt (các bit của E không cùng lúc bằng

1 và phần lẻ khác không).

Ví dụ các bước biến đổi số thập phân -12.625₁₀sang số chấm động chuẩn IEEE

754 chính xác đơn (32 bit):

18

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

Bước 1: Đổi số -12.625 sang nhị phân: -12.625 = -1100.101

2

.

10

Bước 2: Chuẩn hoá: -1100.101₂= -1.100101₂x 2³

Bước 3: Điền các bit vào các trường theo chuẩn:

Số âm: bit dấu S có giá trị 1.

Số 1.100101₂dạng 1.f)

(

Phần mũ E với số thừa K=127, ta có: E-127=3

⇒ E = 3 + 127 = 130 (1000 0010₂).

32 bit

Kết quả nhận được: 1 1000 0010 1001 0100 0000 0000 0000 000

S

E

F

I.4.6 - Biểu diễn các 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).

Số thập d₃d₂d₁d₀

Số thập

d₃d₂d₁d₀

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

Bảng I.5: Số thập phân mã bằng nhị phân

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:

Bù 9

0000 0111 1001

1001 0010 0000

+1

Bù 10

1001 0010 0001

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

I.4.7 - 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

19

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

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

Bảng mã

EBCDIC

20

Kiến trúc máy tính

Chương I: Đại cương

Bảng mã UNICODE

21