TÀI LIỆU KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN -*** - TÀI LIỆU KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Sinh viên thực Mã sinh viên : Hà Nội – 2019 Đỗ Văn Thắng 1821050728 Chương : Tổng quan  Khái niệm máy tính - Thiết bị điện tử tiếp nhận xử lý liệu đầu vào theo thị đưa kết - Thiết bị mà thị để thực tự động tập phép toán số học logic tùy ý - Được sử dụng hệ thống điều khiển + Thiết bị công nghiệp : robot cơng nghiệp , thiết kế máy tính … + Thiết bị tiêu dùng : lị vi sóng , điều khiển từ xa ,… + Thiết bị đa mục đích ( đa ) : máy tính cá nhân , thiết bị di động  Kiến trúc máy tính ( computer architecture ) - Các thuộc tính hệ thống hữu với lập trình viên , tức có tách động trực tiếp lên thực thi logic chương trình  Tổ chức máy tính ( computer organization ) - Đơn vị hoạt động lien kết nối chúng để tạo nên đặc trung kiến trúc Vd : tập lệnh , số lượng bit biểu diễn liệu , chế vào (I / O ) - Thuộc tính tổ chức bao gồm chi tiết phần cứng mà suốt lập trình viên tín hiệu điều khiển , giao diện , nhớ ,…  Thiết kế máy tính ( computer design ) - Sử dụng kiểu tổ chức máy tính để chuyển đổi đặc tả kiến trúc thành phần     thiết lập cài đặt Lập trình máy tính ( computer programming ) - Biểu diễn vấn đề ngơn ngữ mà máy tính hiểu Máy tính hệ thống phức tạp , chứa hàng triệu thành phần điện tử => phân cấp Mỗi mức hệ thống gồm tập thành phần mối tương quan chúng + Cấu trúc ( structure ) : cách thức liên hệ kết nối thành phần + Chức ( function ) : hoạt động thành phần đơn lẻ Chức - Xử lý liệu ( data processing ) - Lưu trữ liệu ( data storage ) - Truyền liệu ( data movement / communication ) - Điều khiển ( control )  Cấu trúc : + thành phần cấu trúc - Bộ xử lý trung tâm ( CPU ) : điều khiển hoạt động xử lý liệu - Bộ nhớ : lưu trữ liệu - Thiết bị vào ( I / O ) : truyền liệu máy tính mơi trường bên ngồi - Liên kết nối hệ thống : chế truyền thống CPU , nhớ thiết bị vào VD : bus hệ thống  Central processing unit - Bộ điều khiển ( CU ) : điều khiển thao tác CPU , tức máy tính - Bộ số học logic ( ALU ) : xử lý liệu - Thanh ghi ( register ) : lưu trữ bên CPU - Liên kết nối CPU : chế truyền thong CU , ALU ghi  Sơ đồ khối chức  Hardware ,Software , Firmware - Phần cứng : thành phần vật lý hệ thống mà phầm mềm phần sụn chạy - Phần mềm : tập hợp chương trình chạy phần cứng  + Phần mềm hệ thống : trực tiếp vận hành phần cứng máy tính , thực chức làm tảng cho phần mềm ứng dụng + Phần mềm ứng dụng : thực chức cho người dùng Phần sụn ( phần dẻo ) : phần mềm nhúng vào loại thiết bị cụ thể  PHÂN LOẠI MÁY TÍNH  Theo nguyên tắc vận hành -  Máy tính tương tự ( analog ) : dụng tượng vật lý liên tục lượng số điện , thủy lực để mơ hình tốn giải - Máy tính kỹ thuật số ( digital ) : thực phép toán số học logic với số lượng biểu diễn số ( hệ nhị phân ) ( rời rạc ) - Máy tính lại ( hybrid ) : kết hợp hai loại để đầu vào đầu tín hiệu số tương tự Theo lĩnh vực ứng dụng - Máy tính đơn ( special purpose ) + Đáp ứng yêu cầu ứng dụng hay tác vụ cụ thể + Bộ nhớ lưu thị thường trú - Máy tính đa ( general purpose ) - Đáp ứng yêu cầu nhiều ứng dụng khác - Chỉ thị truyền vào nhớ Khi hoàn thành việc , cho việc khác tải vào nhớ xử lý  Theo số lượng xử lý     + Máy tính ( sequential ) - Thực tác vụ với vi xử lý + Máy tính song song ( parallel ) - Mỗi xử lý thực tác vụ khác độc lập đồng thời Theo độ dài từ - Một số nhị phân bit Một nhóm bít cố định xử lý đồng thời gọi từ ( word ) - Độ dài từ gồm có 32 , 64 bit Theo kích thước lực - Siêu máy tính ( supercomputer ) - Máy tính lớn ( mainframe ) - Máy tính mini ( minicomputer ) - Máy vi tính ( microcomputer ) + máy tính để bàn ( desktop ) : trạm làm việc ( workstation ) + máy tính xách tay : 3-5kg , notebook ( 2-3 kg ) , palmtop ( PDA – personal assistant ) , máy tính đeo tay Theo số lượng người sử dụng - Máy tính người dùng ( single user ) + Mỗi lần có ngườ sử dụng + Máy tính nhúng ( embedded )  Chạy ứng dụng tập ứng dụng có liên quan đến , tích hợp với phần cứng thành hệ thống đơn  Ví dụ: nhúng ô tô , ti vi , - Máy tính đa người dùng ( multi user ) + Chia sẻ cho nhiều người sử dụng lúc - Mạng ( network ) + Nhiều máy tính kết nối để chia sẻ cho nhiều người sử dụng lúc + Server : chạy chương trình lớn cho nhiều người dùng đồng thời thường truy cập qua mạng CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH - Thế hệ – máy tính học ( 1642 – 1945 ) - Thế hệ - ống chân không ( 1945 – 1955 ) - Thế hệ – tranzito ( 1955 -1965 ) - Thế hệ – mạch tích hợp ( 1965 – 1980 ) - Thế hệ – tích hợp quy mô lớn ( 1980 - ? ) - Thế hệ : máy tính tốn lượng vơ hình + 1642, máy tính cộng chia , blaise pascal - Hoàn toàn học , sử dụng bánh rang - Cấp nguồn tay quay + 1672 , máy tính nhân chia học , Leibniz + 1834 , máy phân tích ( analytical engine ) học , charles babbage - thành phần : lưu trữ , động ( tính tốn ) , phần đầu vào ( đầu đọc thẻ đục lỗ ) , phần đầu ( đục lỗ in ) Cha đẻ máy tính kỹ thuật số + 1939 , máy tính kỹ thuật số điện tử anatasoff berry - Số học nhị phân , tụ điện cho nhớ ( tương tự DRAM ) , thành phần chuyển mạch điện tử + 1944 , Mark I , Howard Aiken ; + 1947 , Mark II , Howard Aiken  Thế hệ : - 1946 , ENIAC ( Electronic numerical integrator and computer ) , Mauchley Eckert      + 18,000 ống chân không ( vacuum tube ) 1,5000 rơ le + Nặng 30 ,tốn 140 kw điện + Nền móng cho lịch sử máy tính đại - 1952 , IAS , Von Neumann , + thành phần : nhớ , số học logic , điều khiển , thiết bị vào + Cơ sở cho máy tính kỹ thuật số - 1953 , UNIVAC , Aiken , IBM Thế hệ - 1955 , TX- , máy tính sử dụng tranzito ,16 bit - 1960 , PDP -1 , DEC , máy tính mini ( bán 50 ) + nhớ lõi từ 18-bit , dung lượng 4096 bytes , thực thi 200,000 thị / giây - 1961 , 1401 IBM máy dành cho doanh nghiệp nhỏ - 1962 , 7094 , IBM chiếm lĩnh thị trường máy tính khoa học - 1963 , B5000 , Buroughs , máy tính sử dụng ngôn ngữ bậc cao Thế hệ - 1964 ,360 , IBM , dòng sản phẩm họ + Đa lập trình ( multiprogramming ) cho phép nhiều chương trình , lúc xuất nhớ - 1964 , 6600 , CDC, siêu máy tính khoa học - 1965 , PDP-8 , DEC , máy tính mini sản xuất hàng hóa ( bán đượcc 50000 ) - 1970 , PDP-11, DEC , chiếm lĩnh thị trường máy tính mini - 1974 ,8080 , Intel , chip bit cho máy tính đa - 1974 , Cray -1 , Cray , Siêu máy tính vector - 1977 , VAX , DEC , siêu máy tính mini 32 –bit Thế hệ - 1992 , simon , IBM , điện thoại thông minh - 1993 , Newton , Apple , máy tính palmtop ( PDA ) - 2001 , POWER4 , IBM , đa xử lý chip lõi đôi CHƯƠNG : BIỂU DIỄN DỮ LIỆU SỐ HỌC VÀ LOGIC MÁY TÍNH CÁC HỆ ĐẾM CƠ BẢN - Hệ đếm Biểu diễn giá trị tổng quát số Qb = Trong Qb : số cần biểu diễn giá trị M : số thứ tự chữ số phần lẻ ( phần lẻ số có m chữ số đánh số thứ tự từ -1 đến –m ) n-1 : số thứ tự chữ số phần nguyên ( phần nguyên số có n chữ số đánh số thứ tự từ đến n-1 Xi : giá trị chữ số thứ i Bi : hệ số ( b= 10 ; hệ thập phân b=2 ; hệ nhị phân ,,,)  Hệ thập phân - Bảng chữ số { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 } - Quy tắc biểu diễn : ghép chữ số - Quy tắc tính giá trị     + chữ số x đứng hàng thứ i tính từ bên phải có gias trị x* => đơn vị hàng có giá trị gấp 10 lần đơn vị hàng kế cận bên phải - Giá trị số tổng giá trị chữ số có tính tới vị trí Vd ; 357.123 = 3*+ 5*+ 7* + * + * + 3* Hệ nhị phân - Bảng chữ số { 0,1 } - Quy tắc tính giá trị + chữ số hàng có giá trị gấp lần chữ số hàng kế cận bên phải - Sử dụng nhiều máy tính máy tính sử dụng thành phần vật lý có hai trạng thái để nhớ bit Vd ; 1111110 = 1*+ 1*+ 1* + * + * + 1* + * + 1* - Chấm số gọi chấm nhị phân - Bit bên trái => bit trọng số lớn ( MSB – most significant Bit ) - Bit bên phải => bit trọng số nhỏ ( LSB – least significant bit Hệ bát phân - Bảng chữ số { 0,1,2,3,4,5,6,7} - Quy tắc tính giá trị + Một đơn vị hàng có giá trị gấp lần đơn vị hàng kế cận bên phải Vd : = 1*+ 5*+ 0* + * Hệ thập lục phân - Bảng chữ số {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F } - Quy tắc tính giá trj + Một đơn vị hàng có giá trị gấp 16 lần đơn vị hàng kế cận bên phải - Hệ 16 biểu diễn số ngắn hệ nhị phân nhiều chuyển đổi đơn giản Vd : = = Giá trị tương ứng hệ đếm Chuyển từ thâp phân sang hệ số b  Phần nguyên - Lấy số đo chia cho b lấy phần dư - Tiếp tục chia đến phần nguyên = => dừng - Kết : phần dư xếp ngược từ lên  Phần phân số - Nhân phần phân số với b - Tiếp tục nhân phần phân số đến =0 => dừng - Kết : phần nguyên tích lũy từ xuống Chuyển từ hệ số b sang thập phân Chuyển từ thập phân sang nhị phân Vd : đổi 23 sang nhị phân - - Phần số nguyên : phương thức số dư Dư 23/2 =11 11/2 =5 5/2 =2 2/2 =1 ½=0 = Trường hợp biến đổi số vơ hạn 0.2*2 =0.4 0.4*2 =0.8 LSB MSB Nguyên 0 0.8 *2 = 1.6 0.6 *2 = 1.2 0.2*2 =0.4  Nhóm bít nhị phân - Chuyển đổi từ nhị phân sang hệ số khác ngược lại + Không cần đổi qua hệ thập phân + Số lượng bit để nhóm số lượng bit biểu diễn số lớn chữ số hệ đếm + Ghép giá trị chuyển đổi Vd : = ( ) ( )=  Các phép toán hệ nhị phân - Phép toán số học + Cộng + =0 0+1 =1 1+0 =1 1+ =0 nhớ Nhân phép cộng liên tiếp Trừ 0-0 =0 0- = mượng 1-0 = 1-1 =0 Chia phép trừ liên tiếp - Phép toán Logic + AND : điều kiện kết  Chỉ bit kết trả , trường hợp lại + OR : có 2điều kiện kết  Chỉ cần bit kết trả + XOR : điều kiện mang giá trị – sai khác kết trả  bít khác cho kết ngược lại , bit giống cho kết + NOT : phép đảo bit 0=> 1, 1=> - Phép toán logic : bảng chân lý ( truth table ) Mã hóa lưu trữ liệu  Mã hóa thơng tin  Đơn vị đo lượng thông tin - Bit ( b ) đơn vị nhỏ nhât ; ký hiệu 0,1 Đơn vị Ký hiệu Độ lớn Byte B bit Kilobyte KB 1024 byte Megabyte MB 1024 KB Gigabyte GB 1024 MB Terabyte TB 1024GB Petabyte PB 1024TB Exabyte EB 1024PB Zettabyte ZB 1024EB  Mã hóa thơng tin - Số : Quy đổi - + Số nguyên : dương, âm + Số thực : dấu phẩy tĩnh , dấu phẩy động Phi số + văn : báo cáo , sách +âm : tiếng nói , nhạc ,,, + hình ảnh : tranh vẽ , ảnh chụp ,,, -  Mã hóa thơng tin : để máy tính xử lý , thơng tin cần phải biến đổi thành dãy bít Lưu trữ liệu - Khái niệm : link kiện máy tính , thiết bị phương tiện ghi / chứa liệu cho phép lưu trữ liệu số sử dụng máy tính tốn khoảng thời gian định - Mục đích + Xử lý ( data processing ) + Dự phòng ( data backup ) - Lưu trữ sơ cấp ( primary storage ) + Bộ nhớ ( main memory ) , nhớ ( internal memory ) truy cập trực tiếp CPU + Lưu lệnh liệu xử lý thường xuyên + Tốc độ nhanh + Rom , Ram - Lưu trữ thứ cấp ( secondary storage ) + CPU không đọc trực tiếp , sử dụng kênh vào / ( I /O ) để truy xuất + Chuyển liệu lên đệm nhớ sơ cấp xử lý + Chi phí rẻ nhớ sơ cấp + Tốc độ chậm triệu lần nhớ sơ cấp - - - - + Đĩa cứng ( HDD ) , nhớ truy cập nhanh ( USB flash momory ) , ổ đĩa quang ( optical disk ) , thẻ nhớ ( momory card )… Lưu trữ cấp ba ( tertiary storage ) + Cơ chế tay máy làm nhiệm vụ “ lắp “ gỡ phương tiện lưu trữ tháo rời ( removable storage media ) + Sao chép vào lưu trữ thứ cấp trước sử dụng + Tốc độ chậm nhiều so với luu trữ sơ cấp + Kho liệu lớn đòi hỏi truy cập mà không cần can thiệp người vận hành + Thư viện từ ( tape library ) tủ đĩa quang ( optical jukebox ) Lưu trữ ngoại tuyến ( offline storage ) + Không thuộc khả điều khiển CPU + Là phương tiện lưu trữ thứ cấp cấp ba tháo + Người vận hành phải lắp phương tiện tay muốn truy cập liệu Lưu trữ cục ( local storage ) + Ổ cứng ( external HDD ) + Ổ cứng thể rắn ( SSD – solid satate disk ) + Bộ nhớ truy cập nhanh ( USB thumb drive / flash drive ) + Ổ đĩa quang ( optical drive – CD / DVD ) Lưu trữ từ xa ( remote storage ) + Lưu trữ đám mây ( cloud storage ) Lưu trữ cục + Ổ cứng để bàn : sử dụng máy tính để bàn , 3.5 inch    Ổ cứng di động : tương tự cứng laptop , 2.5 inch , đắt + Dung lượng : 320 GB -3 TB + Kết nối : USB 2.0 /3.0 , SATA ,eSATA + Ưu điểm : dự phịng cục lượng dự liệu lớn Tính chi phí GB rẻ Đáng tin cậy sử dụng cẩn thận + Nhược điểm : dễ vỡ , bị hư hại đánh rơi sốc điện Ổ cứng thể rắn ( SSD – solid state disk ) + Hồn tồn khơng sử dụng thành phần chuyển động hay đĩa quay + loại : SSD SSD + Dung lượng : 128 GB – TB + Kết nối : USB 2.0 / 3.0 , SATA + Ưu điểm : hiệu suât đọc ghi nhanh , đáng tin cậy ổ cứng từ truyền thống Tính di động cao , dễ dàng dự phịng ngoai vi + Nhược điểm : chi phí cao Dung lượng lưu trữ HDD Ổ cứng trữ mạng ( NAS – network attached storage ) - Một hay nhiều ổ cứng lưu trữ gắn mạng - Ưu điểm : phù hợp cho dự phòng cục mạng doanh nghiệp nhỏ Khả lưu trữ giữ lượng liệu lớn ( cắm them thiết bị lưu trữ ) Khả áp dụng công nghệ tăng khả đọc ghi liệu nhiều ổ cứng Phù hợp cho thiết lập dự phòng tự động định kỳ - Nhược điểm : chi phí cao Dự phịng ngoại vi khó khăn 8:46 ... phần điện tử => phân cấp Mỗi mức hệ thống gồm tập thành phần mối tương quan chúng + Cấu trúc ( structure ) : cách thức liên hệ kết nối thành phần + Chức ( function ) : hoạt động thành phần đơn