Tập bài giảng Kiến trúc máy tính - Nguyễn Thị Thu Hằng
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ cùng với những tiến bộ
vượt bậc trong lĩnh vực Điện – Điện tử, máy tính ngày càng trở nên quen thuộc và trở
thành một thiết bị quan trọng với hầu hết mọi người. Đặc biệt, trong lĩnh vực Công
nghệ thông tin, máy tính là nền tảng và công cụ để phát triển các phần mềm ứng dụng.
Vì vậy, Kiến trúc máy tính là môn học bắt buộc đối với tất cả sinh viên chuyên ngành
Công nghệ thông tin ở các trường Cao đẳng, Đại học.
Tập bài giảng Kiến trúc máy tính được biên soạn cho đối tượng sinh viên Cao
đẳng và Đại học khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam
Định. Tập bài giảng được chia làm 5 chương:
Chương 1: Nhập môn
Chương 2: Kiến trúc phần mềm
Chương 3: Tổ chức bộ xử lý trung tâm CPU
Chương 4: Bộ nhớ và các hệ thống lưu trữ
Chương 5: Hệ thống BUS và tổ chức vào/ ra
Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp khoa Công nghệ thông
tin, cùng các đồng nghiệp trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã giúp
chúng tôi hoàn thành tập bài giảng này.
Trong lần biên soạn đầu tiên, tập bài giảng không tránh khỏi những sai sót, rất
mong người đọc đóng góp ý kiến để tập bài giảng được hoàn thiện hơn. Mọi sự đóng
góp ý kiến xin gửi về Văn phòng Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm
kỹ thuật Nam Định.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!
Nam Định, tháng 11 năm 2015
Nhóm biên soạn
Th.s Nguyễn Thị Thu Hằng
Th.s Hoàng Thị Hồng Hà
Th.s Trần Văn Long
i
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................i
MỤC LỤC......................................................................................................................ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................x
CHƢƠNG 1: NHẬP MÔN ...........................................................................................1
1.1. Khái niệm và phân loại máy tính......................................................................1
1.1.2. Phân loại máy tính.....................................................................................2
1.2. Lịch sử phát triển của máy tính........................................................................3
1.2.1. Thế hệ đầu tiên (1946-1955).....................................................................3
1.2.2. Thế hệ thứ hai (1955-1965).......................................................................4
1.2.3. Thế hệ thứ ba (1966-1980)........................................................................5
1.2.4. Thế hệ thứ tư (1980- đến nay)...................................................................6
1.2.5. Khuynh hướng hiện tại..............................................................................7
1.4. Cấu trúc và chức năng của máy tính..............................................................10
1.4.2. Chức năng của các thành phần................................................................11
1.5. Biểu diễn thông tin trong máy tính.................................................................17
1.5.1. Các hệ đếm..............................................................................................17
1.5.2. Chuyển đồi giữa các hệ đếm ...................................................................20
1.5.3. Biểu diễn số nguyên. ...............................................................................22
1.5.4. Biểu diễn số thực.....................................................................................24
1.5.5. Biểu diễn ký tự ........................................................................................31
1.6. Đại số Boolean...................................................................................................35
1.6.2. Các cổng logic.........................................................................................36
1.6.4. Tối thiểu hóa hàm logic...........................................................................41
1.7. Một số mạch kết hợp........................................................................................45
1.7.1. Mạch logic tổ hợp....................................................................................45
1.7.2. Mạch tuần tự............................................................................................50
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 1 ...............................................................................53
2.1. Các kiểu thi hành một lệnh..............................................................................57
2.2. Kiểu kiến trúc thanh ghi đa dụng...................................................................58
ii
2.3. Tập lệnh.............................................................................................................59
2.3.1. Gán trị......................................................................................................60
2.3.2. Lệnh có điều kiện ....................................................................................63
2.3.3. Vòng lặp ..................................................................................................66
2.3.4. Thâm nhập bộ nhớ ngăn xếp ...................................................................66
2.3.5. Các thủ tục...............................................................................................66
2.4. Các kiểu định vị ................................................................................................68
2.5. Kiểu và chiều dài của toán hạng .....................................................................73
2.6. Kiến trúc RISC .................................................................................................73
2.7. Kiểu định vị trong các bộ xử lý RISC.............................................................76
2.7.1. Kiểu định vị thanh ghi .............................................................................76
2.7.2. Kiểu định vị tức thì..................................................................................76
2.7.3. Kiểu định vị trực tiếp...............................................................................77
2.7.5. Kiểu định vị tự tăng................................................................................78
2.8. Ngôn ngữ cấp cao và ngôn ngữ máy ...............................................................78
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 2 ...............................................................................80
3.1. Cấu trúc và hoạt động của CPU......................................................................82
3.1.1. Cấu trúc của CPU ....................................................................................82
3.1.2. Hoạt động của CPU.................................................................................96
3.2. Kỹ thuật ống dẫn (Pipeline).............................................................................99
3.2.1. Khái niệm ................................................................................................99
3.2.2. Khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn ............................................................99
3.2.3. Siêu ống dẫn ..........................................................................................100
3.3. Siêu vô hƣớng..................................................................................................101
3.4. Máy tính Vec-tơ ..............................................................................................101
3.5. Máy tính song song.........................................................................................102
3.6. Kiến trúc IA-64...............................................................................................106
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 3 .............................................................................110
4.1. Khái niệm và phân cấp bộ nhớ......................................................................112
4.1.1 Khái niệm ...............................................................................................112
4.1.2. Phân cấp bộ nhớ ....................................................................................112
4.2. Các đặc điểm của bộ nhớ ...............................................................................113
4.3. Bộ nhớ chính ...................................................................................................115
iii
4.3.2. Bộ nhớ ROM.........................................................................................123
4.3.3. Tổ chức bộ nhớ......................................................................................129
4.4. Bộ nhớ cache ...................................................................................................137
4.4.1. Nguyên lý vận hành của cache..............................................................137
4.4.3. Giải thuật thay thế .................................................................................150
4.5. Bộ nhớ ngoài ...................................................................................................151
4.5.1. Phân loại................................................................................................151
4.5.2. Hệ thống đĩa dự phòng RAID ...............................................................163
4.6. Bộ nhớ ảo.........................................................................................................166
4.6.1. Việc phân trang – Paging ......................................................................167
4.6.2. Thực hiện việc phân trang.....................................................................169
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 4 .............................................................................176
5.1. Nguyên tắc giao tiếp với thiết bị ngoại vi .....................................................181
5.2. Hệ thống BUS .................................................................................................185
5.3. Mô-đun vào/ ra. ..............................................................................................187
5.4. Truy cập bộ nhớ trực tiếp..............................................................................188
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 5 .............................................................................207
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................i
iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 3. Đèn điện tử.........................................................................................................................4
Hình 1. 4. Máy tính thế hệ thứ 2........................................................................................................5
Hình 1.5. Mạch tích hợp.....................................................................................................................5
Hình 1. 6. Các máy tính thế hệ thứ 3.................................................................................................5
Hình 1. 7. Các công nghệ sản xuất máytính....................................................................................7
Hình 1. 9. Kiến trúc máytính Von-Neumann.................................................................................9
Hình 1. 10. Sơ đồ máytính Von Neumann.....................................................................................9
Hình 1. 11. Cấu trúc chung của máytính.........................................................................................10
Hình 1. 12. Bộ xử lý trung tâm..........................................................................................................12
Hình 1. 13. Bo mạch chủ....................................................................................................................12
Hình 1. 14. Ổ đĩa cứng........................................................................................................................13
Hình 1. 15. Cổng giao tiếp của Onboard Card trên bo mạch chủ.................................................13
Hình 1. 16. Video Graphics Card......................................................................................................14
Hình 1. 17. Màn hình máy tính..........................................................................................................15
Hình 1. 18. Bộ nguồn máytính..........................................................................................................16
Hình 1. 19. Các đầu cắm của bộ nguồn............................................................................................17
Hình 1. 20. a. Bàn phím; b.Chuột......................................................................................................17
Hình 1. 21. Dạng đơn (single precision): 32 bit...............................................................................25
Hình 1. 22. Dạng kép (double precision): 64 bit.............................................................................26
Hình 1. 23. Dạng kép mở rộng (double-extended precision): 80 bit............................................27
Hình 1. 25. Số hóa âmthanh..............................................................................................................35
Hình 1. 30. Hàm NOT........................................................................................................................38
Hình 1. 31. Hàm XOR........................................................................................................................38
Hình 1. 32. Hàm NOR........................................................................................................................39
Hình 1. 35. Biểu diễn qua lại giữa các cổng.....................................................................................40
Hình 1. 36. Bìa các nô của hàmf(A,B)=A+B.................................................................................40
Hình 1. 37. Sơ đồ mạch logic.............................................................................................................43
Hình 1. 38. Bìa các nô của các hàm3 biến, 4 biến..........................................................................44
Hình 1. 41. Sơ đồ mô phỏng bộ cộng bán tổng ( HA-Half Adder ).............................................45
Hình 1. 42. Sơ đồ mạch logic cộng hai số nhị phân một bít..........................................................46
Hình 1. 43. Sơ đồ mô phỏng mạch ...................................................................................................46
Hình 1. 44. Bìa các nô của bộ cộng toàn phần.................................................................................47
Hình 1. 45. Sơ đồ mạch cộng toàn phần...........................................................................................47
v
Hình 1. 46. Sơ đồ khối mạch mã hóa nhị phân từ 8 sang 3...........................................................47
Hình 1. 47. Mạch logic dùng phần tử OR........................................................................................48
Hình 1. 48. Sơ đô đồ khối mạch mã hóa thập phân........................................................................48
Hình 1. 49. Sơ đồ mạch mã hóa thập phân dùng OR.....................................................................49
Hình 1. 50. Khối giải mã 3 sang 8.....................................................................................................50
Hình 1. 51. Cấu trúc mạch giải mã 3 sang 8....................................................................................50
Hình 1. 54. Sơ đồ Trigơ R-S dùng phần tử NAND........................................................................52
Hình 1. 55. Sơ đồ Trigơ R-S dùng phần tử NOR...........................................................................52
Hình 1. 56. Trigơ R-S đồng bộ..........................................................................................................52
Hình 2. 1. Giản đồ trạng thái của chu kỳlệnh .................................................................................59
Hình 2. 2. Minh hoạ lệnh dịch chuyển và quayvòng.....................................................................63
Hình 2. 3. Bit trạng thái mà ALU tạo ra...........................................................................................64
Hình 2. 4. Gọi thủ tục và trở về khi thực hiện xong thủ tục...........................................................68
Hình 2. 5. Minh hoạ hai cách sắp xếp địa chỉ trong bộ nhớ..........................................................68
Hình 2. 6. Mode địa chỉ trực tiếp (Direct Addressing)...................................................................70
Hình 2. 7. Mode địa chỉ gián tiếp (Indirect Addressing)................................................................70
Hình 2. 8. Mode địa chỉ thanh ghi (Register Addressing).............................................................71
Hình 2. 9. Mode địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi (Register Indirect Addressing).......................71
Hình 2. 10. Mode địa chỉ dich chuyển (Displacement Addressing)............................................72
Hình 2. 11. Mode địa chỉ Stack (Stack Addressing).......................................................................72
Hình 2. 13. Dạng lệnh trong kiểu định vị thanh ghi - tức thì cho vài CPU RISC ......................76
Hình 2. 14. Dạng lệnh thâm nhập bộ nhớ trong của vài kiến trúc RISC.....................................77
Hình 3. 1. Hình ảnh CPU của hãng Intel và hãng AMD...............................................................82
Hình 3. 2. Lịch sử phát triển của CPU của Intel..............................................................................82
Hình 3. 3. Cấu tạo của CPU...............................................................................................................83
Hình 3. 4. Các cờ trong thanh ghi FR...............................................................................................84
Hình 3. 5. Ví dụ thanh ghi trạng thái của 8086................................................................................85
Hình 3. 6. Ngăn xếp............................................................................................................................85
Hình 3. 7. Thanh ghi IR......................................................................................................................85
Hình 3. 8. Mô hình kết nối CU.........................................................................................................86
Hình 3. 9. Tín hiệu xung nhịp...........................................................................................................86
Hình 3. 10. Sơ đồ khối ALU..............................................................................................................87
Hình 3. 11. Bộ xử lý AMD K6-2......................................................................................................88
Hình 3. 12. Bộ xử lý Intel Core 2 Duo .............................................................................................88
Hình 3. 13. Vị trí FSB trên Mainboard.............................................................................................89
Hình 3. 14. Khe cắm Slot ...................................................................................................................90
Hình 3. 15. Socket 1156.....................................................................................................................91
Hình 3. 16. Socket LGA 2011...........................................................................................................91
Hình 3. 17. Mô tả xử lý HTT.............................................................................................................92
Hình 3. 18. Mô tả xử lý Multi Core..................................................................................................92
Hình 3. 19. Minh họa tính năng Intel Turbo Boost.........................................................................93
vi
Hình 3. 20. Ký hiệu trên CPU............................................................................................................94
Hình 3. 21. Đường đi dữ liệu.............................................................................................................97
Hình 3. 22. Kỹthuật ống dẫn.............................................................................................................99
Hình 3. 23. Siêu ống dẫn bậc 2 so với siêu ống dẫn đơn giản.......................................................100
Hình 3. 24. Siêu vô hướng (a) so với kỹthuật ống dẫn (b)............................................................101
Hình 3. 25. Cấu trúc nền của một bộ nhớ phân tán.........................................................................104
Hình 3. 26. Tổ chức kết nối của máytính song song có bộ nhớ phân tán...................................105
Hình 3. 27. Định dạng lệnh trong kiến trúc IA-64 ..........................................................................107
Hình 4. 1. Các cấp bộ nhớ..................................................................................................................112
Hình 4. 2. Hai mức bộ nhớ.................................................................................................................113
Hình 4. 3. Mạch điện của phần tử SRAM 1 bit...............................................................................117
Hình 4. 4. Mạch điện của phần tử nhớ DRAM 1 bit......................................................................117
Hình 4. 5. Bộ nhớ DDRAM2............................................................................................................119
Hình 4. 6. Hình dáng các loại DDRAM...........................................................................................120
Hình 4. 7. Tốc độ của DDR2, DDR3...............................................................................................121
Hình 4. 8. Điện áp của DDR2, DDR3..............................................................................................122
Hình 4. 9. Thời gian trễ của DDR2, DDR3.....................................................................................123
Hình 4. 10. Số chân nối của DDR, DDR2, DDR3.........................................................................123
Hình 4. 11. Cấu tạo MROM..............................................................................................................124
Hình 4. 13. Bộ nhớ PROM................................................................................................................126
Hình 4. 14. Cấu tạo EPROM.............................................................................................................127
Hình 4. 16. Hình dạng bên ngoài củaEPROM................................................................................128
Hình 4. 17. Cấu tạo EAPROM..........................................................................................................128
Hình 4. 18. Hình dạng và vị trí EEPROM trên bo mạch...............................................................129
Hình 4. 19. Tổ chức ô nhớ..................................................................................................................129
Hình 4. 20. Tổ chức mạch nhớ..........................................................................................................129
Hình 4. 21. Sơ đồ logic chip nhớ 4x3, mỗi hàng là 1 từ nhớ 3 bit ................................................131
Hình 4. 22. Giải mã 1 bước...............................................................................................................132
Hình 4. 23. Bộ nhớ ROM 2048x8 - Giải mã địa chỉ 2 bước.........................................................133
Hình 4. 24. Chip nhớ 16MB DRAM (4Mx4bit)............................................................................134
Hình 4. 25. Hình ảnh các chip nhớ trên bo mạch............................................................................134
Hình 4. 26. Mô-đun nhớ 8Kx8..........................................................................................................135
Hình 4. 27. Mô-đun nhớ 8Kx4..........................................................................................................136
Hình 4. 28. Mô-đun nhớ 16Kx8........................................................................................................137
Hình 4. 29. Trao đổi dữ liệu giữa các thành phần CPU-Cache-Bộ nhớ trong............................137
Hình 4. 30. Trao đổi thông tin giữa bộ nhớ chính và cache...........................................................139
Hình 4. 31. Ánh xạ trực tiếp...............................................................................................................146
Hình 4. 32. Ánh xạ liên kết hoàn toàn...............................................................................................148
Hình 4. 33. Ánh xạ liên kết tập hợp...................................................................................................150
Hình 4. 34. Các thành phần của ổ đĩa cứng......................................................................................152
Hình 4. 35. Cấu trúc dữ liệu của đĩa cứng........................................................................................153
Hình 4. 36. Thông số dung lượng ổ đĩa............................................................................................153
Hình 4. 37. Kích thước ổ đĩa cứng 1,8”, 2,5” và 3,5” (từ trái qua phải).......................................154
Hình 4. 38. Giao diện kết nối phía sau của ổ cứng IDE và SATA...............................................156
vii
Hình 4. 39. Phân biệt 2 loại cáp truyền tải dữ liệu của SATA và EIDE (IDE)...........................156
Hình 4. 40. Các loại kết nối củaUSB, FireWire 400, FireWire 800.............................................157
Hình 4. 41. Ổ cứng SSD.....................................................................................................................158
Hình 4. 42. Bên trong ổ đĩa SSD và HDD.......................................................................................159
Hình 4. 43. Ổ cứng SSHD..................................................................................................................159
Hình 4. 44. Ổ đĩa CD Rom ................................................................................................................160
Hình 4. 45. Đĩa CD Rom....................................................................................................................161
Hình 4. 46. Bề mặt đĩa CD Rom.......................................................................................................161
Hình 4. 47. Nguyên lý ghi dữ liệu lên đĩa CD Rom.......................................................................161
Hình 4. 48. Nguyên lý đọc tín hiệu từ đĩa CD Rom.......................................................................162
Hình 4. 49. RAID 0.............................................................................................................................164
Hình 4. 50. RAID 1.............................................................................................................................164
Hình 4. 51. RAID 2.............................................................................................................................165
Hình 4. 52. RAID 3.............................................................................................................................165
Hình 4. 53. RAID 4.............................................................................................................................166
Hình 4. 54. RAID 5.............................................................................................................................166
Hình 4. 55. Ánh xạ các địa chỉ 4096..8191vào các địa chỉ bộ nhớ chính 0..4095......................168
Hình 4. 56. Một cách chia không gian địa chỉ.................................................................................170
Hình 4. 57. Ví dụ một địa chỉ ảo........................................................................................................171
Hình 4. 58. Ví dụ một bảng phân trang............................................................................................171
Hình 4. 59. Cách tạo ra địa chỉ bộ nhớ chính từ địa chỉ ảo............................................................172
Hình 4. 61. Hàm w (k, t) là kích thước của tập làm việc tại thời điểmt ......................................175
Hình 5. 1. Cấu trúc hệ thống vào/ ra .................................................................................................181
Hình 5. 2. Các thành phần thiết bị ngoại vi......................................................................................182
Hình 5. 3. Vào/ ra cách biệt đối với CPU 8088...............................................................................182
Hình 5. 4. Vào/ ra bằng bảng nhớ đối với CPU 8088....................................................................183
Hình 5. 5. Lưu đồ hoạt động của điều khiển vào/ ra bằng chương trình.....................................183
Hình 5. 6. Hoạt động của điều khiển vào/ ra bằng ngắt.................................................................184
Hình 5. 7. Sơ đồ hoạt động của hệ thống Bus có vi mạch DMA.................................................185
Hình 5. 8. Hệ thống BUS trong bo mạch chủ của một máytính..................................................186
Hình 5. 9. Sơ đồ khối của mô-đun vào/ ra.......................................................................................187
Hình 5. 10. Mô-đun âmthanh............................................................................................................187
Hình 5. 11. Mô-đun Ethernet.............................................................................................................188
Hình 5. 12. Sự tương tác Direct MemoryAccess...........................................................................189
Hình 5. 13. Vị trí DMAC trong máytính.........................................................................................189
Hình 5. 14. Sơ đồ cấu trúc của DMAC............................................................................................190
Hình 5. 15. Sơ đồ khối và BUS trong bo mạch chủ.......................................................................191
Hình 5. 16. Thành phần chính trên bo mạch chủ............................................................................192
Hình 5. 17. Chipset bắc.......................................................................................................................192
Hình 5. 18. Chipset nam.....................................................................................................................193
Hình 5. 19. ROM BIOS......................................................................................................................193
Hình 5. 20. CMOS ..............................................................................................................................194
Hình 5. 21. IC SIO...............................................................................................................................194
Hình 5. 22. Mạch tạo xung.................................................................................................................194
Hình 5. 23. Mô-đun tạo ổn áp cho CPU...........................................................................................195
viii
Hình 5. 25. Khe PCI............................................................................................................................196
Hình 5. 27. Ba cổng IDE và bốn cổng SATA.................................................................................196
Hình 5. 28. Chân cắmcấp nguồn điện cho Mainboard..................................................................196
Hình 5. 29. Chân cắmcấp nguồn điện cho CPU............................................................................197
Hình 5. 30. Chân cắmquạt của CPU................................................................................................197
Hình 5. 31. Các dây tín hiệu nối với Case........................................................................................197
Hình 5. 32. Giao diện chính của phần mềmCPU-Z.......................................................................198
Hình 5. 33. Thông tin về Cache.........................................................................................................199
Hình 5. 34. Thông tin về Mainboard.................................................................................................200
Hình 5. 35. Thông tin về RAM..........................................................................................................201
Hình 5. 36. Thông tin chi tiết về RAM.............................................................................................201
Hình 5. 37. Thông tin chi tiết về Card đồ họa..................................................................................202
Hình 5. 38. Thông tin về phiên bản phần mềm...............................................................................203
Hình 5. 39. Giao diện chính của phần mềmGPU-Z......................................................................204
Hình 5. 41. Mở tiện ích DirectX Diagnostic....................................................................................205
Hình 5. 42. Giao diện chính của DirectX Diagnostic.....................................................................206
ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Lịch sử phát triển máytính thế hệ thứ 4 (Intel) ............................................................6
Bảng 1. 2. Các thế hệ máytính..........................................................................................................8
Bảng 1. 3. Hệ thập lục phân...............................................................................................................19
Bảng 1. 4. Bảng mã ASCII - Một số ký tự điều khiển...................................................................32
Bảng 1. 5. Bảng mã ASCII - Các ký tự in được .............................................................................32
Bảng 1. 6. Bảng chân lý của hàmf(A,B)=A+B..............................................................................36
Bảng 1. 7. Một số định luật của đại số logic....................................................................................36
Bảng 1. 8. Bảng chân lý và bảng trạng thái của hàm f(A,B)=A+B .............................................40
Bảng 1. 12. Bảng chân lý của bộ cộng bán tổng.............................................................................46
Bảng 1. 13. Bảng trạng thái của bộ cộng toàn phần.......................................................................46
Bảng 1. 14. Bảng sự thật mạch mã hóa nhị phân từ 8 sang 3........................................................48
Bảng 1. 15. Bảng bảng sự thật mạch mã hóa nhị phân từ 10 sang 4............................................49
Bảng 1. 16. Bảng chân lý mạch giải mã 3 sang 8...........................................................................50
Bảng 2. 1. Cách chọn lựa vị trí các toán hạng .................................................................................57
Bảng 2. 2. Chuỗi lệnh dùng thực hiện phép tính C := A + B........................................................57
Bảng 2. 3. Điểmlợi và bất lợi của 3 kiểu kiến trúc phần mềm.....................................................58
Bảng 2. 5. Đặc tính của một vài máyCISC.....................................................................................74
Bảng 2. 6. Đặc tính của ba mẫu đầu tiên máyRISC......................................................................74
Bảng 3. 1. Bảng thông số kỹthuật của CPU core i3, i5, i7...........................................................95
Bảng 3. 3. Bảng mã hoá tập hợp các ánh xạ trong trường mẫu....................................................108
Bảng 4. 1. Bảng chân lý của MROM...............................................................................................125
Bảng 4. 2. Kích thước cache của một số hệ thống..........................................................................144
x
CHƢƠNG 1: NHẬP MÔN
1.1. Khái niệm và phân loại máy tính
1.1.1. Khái niệm máy tính và kiến trúc máy tính
Máy tính (Computer) là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau:
- Nhận dữ liệu vào (Input).
-
Xử lý dữ liệu theo chương trình được nhớ sẵn bên trong bộ nhớ (Processing).
- Đưa dữ liệu ra (Output).
Máy tính thực hiện được các công việc trên thông qua:
- Chương trình (Program): là dãy các câu lệnh nằm trong bộ nhớ, nhằm mục
đích hướng dẫn máy tính thực hiện một công việc cụ thể nào đấy. Máy tính thực hiện
theo lệnh trong chương trình. Máy tính không tự thực hiện được nếu không có
chương trình.
- Phần mềm (Software): bao gồm chương trình và dữ liệu.
- Phần cứng (Hardware): baao gồm tất cả các thành phần vật lý cấu thành lên hệ
thống máy tính.
- Phần dẻo (Firmware): Là thành phần chứa cả hai thành phần trên.
Kiến trúc máy tính đề cập đến những thuộc tính hệ thống mà lập trình viên
có thể quan sát được. Nói cách khác, đó là các thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp
đến việc thực thi một chương trình, ví dụ như tập lệnh của máy tính, số bit được sử
dụng để biểu diễn số liệu, cơ chế nhập/ xuất, kỹ thuật định địa chỉ bộ nhớ…
Kiến trúc máy tính bao gồm ba phần: Kiến trúc phần mềm, tổ chức máy tính và
lắp đặt phần cứng.
- Kiến trúc phần mềm của máy tính: chủ yếu là kiến trúc phần mềm của bộ xử
lý, bao gồm: tập lệnh, dạng các lệnh và các kiểu định vị. Trong đó, tập lệnh là tập hợp
các lệnh mã máy (mã nhị phân) hoàn chỉnh có thể hiểu và được xử lý bởi bộ xử lý trung
tâm. Thông thường các lệnh trong tập lệnh được trình bày dưới dạng hợp ngữ.. Kiến
trúc phần mềm là phần mà các lập trình viên hệ thống phải nắm vững để việc lập trình
hiệu quả.
- Tổ chức của máy tính (Computer Organization): liên quan đến cấu trúc bên
trong của bộ xử lý, cấu trúc các bus, các cấp bộ nhớ và các mặt kỹ thuật khác của máy
tính. Tổ chức máy tính quan tâm đến các đơn vị vận hành và sự kết nối giữa chúng
nhằm thực hiện hóa những đặc tả về kiến trúc, chẳng hạn như về tín hiệu điều khiển,
giao diện giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi, kỹ thuật bộ nhớ được sử dụng…
- Lắp đặt phần cứng của máy tính: chính là việc lắp ráp một máy tính dùng các
linh kiện điện tử và các bộ phận phần cứng cần thiết.
1
Cấu trúc máy tính (Computer Structure): là những thành phần của máy tính
và những liên kết giữa các thành phần.
Kể từ lúc ngành công nghiệp máy tính ra đời cho đến nay, sự phân biệt giữa
kiến trúc và tổ chức máy tính là một yếu tố quan trọng. Nhiều hãng sản xuất máy
tính cho ra đời cả một họ máy chỉ khác nhau về tổ chức còn kiến trúc hoàn toàn
giống nhau. Kết quả là các kiểu máy trong cùng một họ có giá cả và hiệu suất vận
hành khác nhau. Hơn thế nữa, một kiến trúc máy có thể tồn tại qua nhiều năm liền
trong khi tổ chức máy dựa trên đó sẽ thay đổi theo bước tiến của công nghệ.
Tất cả họ Intel*86 đều có kiến trúc cơ bản giống nhau.
IBM System/370 đều có kiến trúc cơ bản giống nhau.
Hình 1. 1. Máy tính
1.1.2. Phân loại máy tính
Máy tính là một khái niệm tương đối rộng, tuỳ theo cấu trúc, chức năng,
hình dáng... mà có thể phân ra nhiều loại khác nhau. Về căn bản máy tính được
phân làm các loại chính sau:
Phân loại theo tín hiệu xử lý:
+ Máy tính tương tự (Analog Computer): xử lý dữ liệu tương tự, dùng trong
nghiên cứu khoa học, y học, đo lường khí tượng thuỷ văn…
+ Máy tính số (Digital Computer): xử lý tín hiệu số, dùng rộng rãi trong việc
lưu trữ dữ liệu, giáo dục, thương mại, giải trí…
Phân loại theo khả năng xử lý:
+ SuperComputer: Siêu máy tính, khả năng tính toán, tốc độ xử lý, khả năng
lưu trữ rất lớn. Dùng để chứa cơ sở dữ liệu trong các mạng an ninh quốc phòng, các
tập đoàn đa quốc gia…
+ MiniComputer: máy tính nhỏ, khả năng lưu trữ, tốc độ … kém hơn siêu
máy tính. Thường dùng để chứa cơ sở dữ liệu trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ.
+ MicroComputer: máy vi tính, khả năng xử lý, lưu trữ… phù hợp với cá nhân, nên
còn được gọi là máy tính cá nhân hay PC (Personal Computer).
Phân loại theo công dụng:
+ Mainframe (máy chính) - Terminate (máy trạm): máy chính dùng để chứa
toàn bộ cơ sở dữ liệu và được cài đặt một hệ điều hành đa xử lý (Multiproccessor
2
Operating System) như MAC OS, Unix… Máy trạm đơn giản chỉ là một thiết bị đầu cuối
(gồm bàn phím để nhập, màn hình hoặc máy in để xuất) nối vào Mainframe dùng làm hệ
thống nhập xuất. Mọi công việc xử lý đều thuộc về máy chính.
+ Server (Máy chủ) – Client (Máy khách): Máy chủ và máy khách được dùng
trong mô hình Client- Server. Máy chủ là máy cung cấp các dịch vụ mạng, cài đặt
một hệ điều hành chạy được trên nền Server (Windows NT, Windows 2000
server…). Máy khách có thể hiểu đơn giản là một PC, cài đặt một hệ điều hành
Client (Win9x, 2000, XP ), sử dụng các dịch vụ do máy chủ cung cấp.
+ Máy tính nhúng (Embedded Computer): được đặt trong thiết bị khác để điều
khiển thiết bị đó làm việc và được thiết kế chuyên dụng. Ví dụ: điện thoại di động,
máy ảnh số, bộ điều khiển trong máy giặt, điều hoà nhiệt độ, router - bộ định tuyến
trên mạng.
Theo kiểu thiết kế họ phần cứng máy tính cá nhân IBM, các đặc tính kỹ thuật
và các chuẩn dành cho PC vào thời gian ban đầu đều do IBM đưa ra. Từ những hệ
thống đời đầu như IBM PC, XT (eXTended) và AT (Advanced Technology) cùng
với nhiều chuẩn mà các hệ thống ngày nay sử dụng đều phải phù hợp với chuẩn mà
IBM đã đưa ra. Bao gồm các nhân tố về bo mạch chủ, cách thiết kế thùng máy và bộ
nguồn, cấu trúc bus, cách thức sử dụng tài nguyên hệ thống, cấu trúc và cách thức
ánh xạ bộ nhớ, các giao tiếp hệ thống, bộ nối, chân cắm...
1.2. Lịch sử phát triển của 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.
1.2.1. Thế hệ đầu tiên (1946-1955)
Hình 1. 2. Máy tính ENIAC
3
Hình 1. 3. Đèn điện tử
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 Von-
Neumann. Đây là một ý tưởng nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay.
Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiên được
đưa ra thị trường như 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được bán ra.
Đặc điểm:
- Tiêu thụ nhiều điện năng, toả nhiều nhiệt và hệ thống ít tin cậy.
- Xuất hiện băng giấy và phiếu đục lỗ. Chỉ có 1 loại máy mainframe.
- Sử dụng ngôn ngữ máy.
- Các máy điển hình: ENIAC, EDVAC, IAS
- Tính toán chậm, kích thức lớn.
- Chế tạo đơn lẻ.
1.2.2. Thế hệ thứ hai (1955-1965)
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
4
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.
Máy PDP-1
IBM 360 -1960s (Transistors)
Hình 1. 4. Máy tính thế hệ thứ 2
1.2.3. Thế hệ thứ ba (1966-1980)
Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạch kết (mạch tích
hợp - IC: Integrated Circuit). Mạch tích hợp hay còn gọi là vi mạch, là các chip bán
dẫn trong đó chứa các transistor và các linh kiện khác.
Hình 1.5. Mạch tích hợp
Micro VAX
Siêu máy tính CRAY-1
Hình 1. 6. Các máy tính thế hệ thứ 3
5
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.
1.2.4. Thế hệ thứ tƣ (1980- đến nay)
Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large
Scale Integration) có thể chứa hàng nghìn 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,…
Vi xử lý 8088 ra đời đánh dấu thời kỳ phát triển máy tính cá nhân PC
(Personal Computer).
Bảng 1. 1. Lịch sử phát triển máy tính thế hệ thứ 4 (Intel)
Năm
1979
1978
1980
1993
1997
1999
2003
Vi xử lý
8088 (Intel)
8086 (Intel)
80286 (Intel)
Pentium (Intel)
Pentium II (Intel), Celeron
Pentium III (Intel), Celeron
Pentium IV (Intel), Celeron
Các công nghệ mạch tích hợp:
- SSI (Small scale integration) – từ 1965
+ Tích hợp tới 100 transistor trên một chip
- MSI (Medium scale integration) – cho đến 1971
+ Tích hợp từ 100 đến 3,000 transistor trên một chip
- LSI (Large scale integration) – từ 1971 đến 1977
+ Tích hợp từ 3,000 đến 100,000 transistor trên một chip
- VLSI (Very large scale integration) – từ 1978 đến nay
+ Tích hợp từ 100,000 đến 100,000,000 transistor trên một chip
- ULSI (Ultra large scale integration)
6
Có hơn 100,000,000 transistor trên một chip
Hình 1. 7. Các công nghệ sản xuất máy tính
1.2.5. Khuynh hƣớng hiện tại
Việc chuyển từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ 5 còn chưa rõ ràng, 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. Là thời kỳ phát triển máy
tính “thông minh”, có thể tự động nhận biết những thay đổi của môi trường xung quanh
như con người. Máy tính Neuron - Neural Network - một kỹ thuật của trí khôn nhân
tạo, bắt chước cách thức tổ chức các tế bào thần kinh nối với bộ não con người. Người
ta cung cấp những thông tin cho mạng thần kinh để huấn luyện cho nó nhận biết được
các sự vật mẫu nhằm có thể đưa ra các dự báo hoặc giải pháp xử lý thích ứng.
Tuy nhiên cũng nên lưu ý là thế hệ này hiện nay đang trong quá trình nghiên
cứu, một số mẫu máy tính thử nghiệm đầu tiên đã xuất hiện trong vài năm trở lại đây
và các khái niệm liên quan đang mới hình thành.
Theo sự phát triển của công nghệ, các máy tính hiện nay được thiết kế, xây
dựng theo một xu hướng chung là:
- Mạnh hơn về tốc độ và khả năng tính toán
- Nhỏ hơn về kích thước
- Tiết kiệm hơn về năng lượng
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. Hiện nay đã có những
bước đột phá sang thế hệ máy tính “thông minh” trong đó ROBOT Asimo của hãng
Honda là một ví dụ.
7
Bảng 1. 2. Các thế hệ máy tính
Hãng sản xuất và máy
tính
Thế hệ
Năm
1946-
Kỹ thuật
Sản phẩm mới
1
Đèn điện tử Máy tính điện tử
tung ra thị trường
IBM 701. UNIVAC
1957
2
3
4
5
1958-
1964
Transistors Máy tính rẻ tiền
Burroughs 6500, NCR,
CDC6600, Neywell
1965-
1971
Mach IC
Máy tính mini
50 hãng mới: DEC PDP-
11, Data general , Nova
1980-
Đến nay
LSI - VLSI Máy tính cá nhân và Apple II, IBM-PC,
trạm làm việc Apolo DN 300, Sun 2
Khuynh Xử lý song Máy tính đa xử lý. Sequent, Thinking
hướng
song
Đa máy tính
Machine Inc, Honda,
Casio
hiện tại
1.3. Máy tính Von-Neumann
Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính IAS
(Princeton Institute for Advanced Studies) hay còn gọi là máy tính Von-Neumann gồm
có các đặc điểm:
- Được bắt đầu nghiên cứu từ năm 1947, hoàn thành năm 1952.
- Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình được lưu trữ” (Stored-program
concept) của Von- Neumann/Turing (1945). Sử dụng một bộ nhớ lưu trữ dữ liệu. Bộ
nhớ chia làm nhiều ô, mỗi ô có 1 địa chỉ (đánh số thứ tự) để có thể chọn lựa ô nhớ
trong quá trình đọc ghi dữ liệu (nguyên lý định địa chỉ).
- Chương trình được mã hóa để máy tính hiểu được.
- Dữ liệu là những thông tin đơn giản được sử dụng bởi chương trình.
- CPU nhận lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, giải mã và thực hiện tuần tự.
- Tổ chức của máy tính Von-Neumann hiện đang áp dụng cho các máy tính ngày nay.
Hình 1. 8. John von Neumann và máy tính IAS
8
Hình 1. 9. Kiến trúc máy tính Von-Neumann
Máy tính của Von-Neumann bao gồm 4 thành phần cơ bản:
- Main Memory (bộ nhớ chính): chứa chương trình và dữ liệu. Bộ nhớ chính
gồm 4096 từ, mỗi từ chứa được 40 bit.
Hình 1. 10. Sơ đồ máy tính Von Neumann
- CPU gồm hai khối:
+ Khối logic và toán học (CA) hoạt động trên dữ liệu nhị phân, thực hiện các
phép toán số học và logic.
+ Khối điều khiển (CC): giải mã các lệnh từ bộ nhớ và thực hiện chúng tuần tự
- Thiết bị vào/ra (I.O) hoạt động do khối CC điều khiển.
- Đường truyền dữ liệu BUS: trao đổi dữ liệu giữa các khối trong máy tính
Nguyên lý :
- Nguyên lý điều khiển bằng chương trình: máy tính thực hiện một công việc
theo chương trình được đưa vào bộ nhớ. Nguyên lý này đảm bảo khả năng thực hiện tự
động để giải quyết một bài toán của máy tính điện tử
- Nguyên lý truy cập qua địa chỉ: dữ liệu trong chương trình không chỉ định
bằng giá trị mà thông qua địa chỉ trong bộ nhớ. Nguyên lý đảm bảo tính mềm dẻo của
chương trình, có thể thể hiện thuật toán không phụ thuộc vào các giá trị phát sinh trong
chương trình.
9
1.4. Cấu trúc và chức năng của máy tính
Máy tính là một hệ thống phức tạp với hàng triệu thành phần điện tử cơ sở. Ở
đây, có hai yếu tố được quan tâm đến là cấu trúc và chức năng.
Cấu trúc là cách thức các thành phần hệ thống liên hệ với nhau.
Chức năng là hoạt động của mỗi thành phần riêng lẻ với tư cách là một phần
của cấu trúc.
1.4.1. Các thành phần cơ bản trong máy tính
Cấu trúc chung của máy tính điện tử
Máy tính điện tử từ khi ra đời cho tới nay mặc dù đã trải qua 4 thế hệ, liên tục
được cải tiến, nhưng nhìn chung vẫn bao gồm 5 đơn vị chức năng chính sau:
- Bộ nhớ trong (Central Memory hoặc Main memory): có nhiệm vụ chứa các
chương trình và dữ liệu trước khi chương trình được thi hành.
- Đơn vị điều khiển (Control Unit, thường được viết tắt là CU): có nhiệm vụ
điều khiển sự hoạt động của tất cả các thành phần hệ thống máy tính mà chương trình
nó được giao thi hành.
- Đơn vị số học và logic (Arthmetic and Logical Unit, thường được viết tắt là
bộ ALU): có nhiệm vụ thực hiện các thao tác tính toán theo sự điều khiển của CU.
- Thiết bị vào (Input Device): có nhiệm vụ nhận thông tin từ thế giới bên ngoài
biến đổi sang dạng thích hợp rồi đưa vào bộ nhớ trong.
- Thiết bị ra (Output Device): có nhiệm vụ đưa thông tin từ bộ nhớ trong ra
ngoài dưới dạng mà con người yêu cầu.
Hình 1. 11. Cấu trúc chung của máy tính
Tuy nhiên, theo quan điểm lắp ráp máy tính, thì máy tính gồm các thành phần
chính sau:
10
Tải về để xem bản đầy đủ
227 trang
25200
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tập bài giảng Kiến trúc máy tính - Nguyễn Thị Thu Hằng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_kien_truc_may_tinh_nguyen_thi_thu_hang.pdf
