Câu hỏi 1.1: Kiến trúc máy tính là gì ? Kiến trúc máy tính được cấu thành từ những thành phần nào ?Kn : là một khoa học về lựa chọn và kết nối các thành phần phần cứng của máy tính nhằm đạt được các yêu cầu:Hiệu năng tốc độ (performance): nhanh → tốtChức năng (functionality): nhiều tính năng → tốtGiá thành (cost): rẻ → tốt
KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 ĐỀ CƯƠNG ƠN TẬP CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GIAO DIỆN Câu hỏi 1.1: Kiến trúc máy tính ? Kiến trúc máy tính cấu thành từ thành phần ? K/n : khoa học lựa chọn kết nối thành phần phần cứng máy tính nhằm đạt yêu cầu: Hiệu / tốc độ (performance): nhanh → tốt Chức (functionality): nhiều tính → tốt Giá thành (cost): rẻ → tốt Ba thành phần kiến trúc máy tính: Kiến trúc tập lệnh (Instruction set architecture - ISA) hình ảnh trừu tượng máy tính mức ngôn ngữ máy (hợp ngữ) Kiến trúc tập lệnh gồm: Tập lệnh Các chế độ địa nhớ Các ghi Các khuôn dạng địa liệu Vi kiến trúc (micro-architecture), gọi tổ chức máy tính mơ tả hệ thống mức thấp, liên quan đến vấn đề: Các thành phần phần cứng máy tính kết nối với nhaunhư nào? Các thành phần phần cứng máy tính tương tác với để thực thi tập lệnh? Thiết kế hệ thống (System Design) bao gồm tất thành phần phần cứng khác hệ thống tính tốn, như: Hệ thống kết nối bus chuyển mạch Điều khiển nhớ quản lý phân cấp hệ thống nhớ Các chế giảm tải cho CPU DMA Các vấn đề khác đa xử lý Câu hỏi 1.2: Nêu sơ đồ khối chức hệ thống máy tính STV Page KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 CPU: Nạp lệnh từ nhớ thực thi chúng CPU gồm có: Đơn vị điều khiển (CU) Đơn vị số học lơ gíc (ALU) Các ghi Bộ nhớ Lưu lệnh liệu cho CPU xử lý Cá loại ROM – Bộ nhớ đọc lưu lệnh liệu cho hệ thống RAM – Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên lưu lệnh liệu cho hệ thống người dùng Thiết bị vào: điều khiển nhập liệu Bàn phím Chuột Ổ đĩa Máy quét Thiết bị ra: xuất liệu Màn hình Máy in Máy vẽ Ổ đĩa Buýt hệ thống Tập hợp dây dẫn nối CPU với phận khác máy tính loại: Buýt địa (Buýt A) Buýt liệu (Buýt D) Buýt điều khiển (Buýt C) Câu hỏi 1.3: Thanh ghi vi xử lý gì? Nêu chức đặc điểm ghi tích luỹ A Thanh ghi (registers) nhớ bên CPU: STV Page KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Lưu trữ tạm thời lệnh liệu cho CPU xử lý; Kích thước nhỏ; Tốc độ cao (bằng tốc độ CPU) Các CPU cũ (80x86) có 16-32 ghi; CPU đại Thanh tích luỹ A (Accumulator) Thanh tích luỹ A ghi quan trọng hầu hết CPU: A dùng để chứa toán hạng đầu vào A dùng để chứa kết đầu Kích thước A kích thước từ xử lý CPU: 8, 16, 32 64 bit A sử dụng để trao đổi liệu với thiết bị vào Câu hỏi 1.4: Nêu chức đặc điểm đếm chương trình PC (còn gọi ghi lệnh IP) Bộ đếm chương trình PC Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) trỏ lệnh (IP – Instruction Pointer) chứa địa ô nhớ chứa lệnh thực tiếp theo; PC chứa địa ô nhớ chứa lệnh chương trình kích hoạt nạp vào nhớ; Khi CPU thực xong lệnh, địa ô nhớ chứa lệnh nạp vào PC; Kích thước PC phụ thuộc vào thiết kế CPU Các kích thước thơng dụng 8, 16, 32 64 bit Câu hỏi 1.5: Thanh ghi cờ (hay ghi trạng thái) vi xử lý có chức gì? Nêu ý nghĩa cờ nhớ (C), cờ không (Z), cờ dấu (S) Thanh ghi trạng thái (SR - Status Register) ghi cờ (FR – Flag Register): bít FR lưu trạng thái kết phép tính ALU thực hiện; Hai loại bít cờ: Cờ trạng thái: CF, OF, AF, ZF, PF, SF Cờ điều khiển: IF, TF, DF Các bít cờ thường sử dụng điều kiện lệnh rẽ nhánh để tạo logic chương trình; Kích thước ghi FR phụ thuộc thiết kế CPU Ý nghĩa cờ C, Z, S: ZF: Cờ Zero, ZF=1 kết quả=0 ZF=0 kết quả0 SF: Cờ dấu, SF=1 kết âm SF=0 kết dương CF: Cờ nhớ, CF=1 có nhớ/mượn, CF=0 trường hợp khác Câu hỏi 1.6: Chế độ địa vi xử lý ? Mơ tả chế độ địa tức Cho ví dụ minh hoạ Chế độ địa (Addressing modes) phương thức CPU tổ chức toán hạng lệnh Chế độ địa cho phép CPU kiểm tra dạng tìm tốn hạng lệnh Chế độ địa - Tức Giá trị toán hạng nguồn (source operand) nằm sau mã lệnh; Tốn hạng đích ghi địa nhớ; Ví dụ: LOAD R1, #1000; R1 ←1000 STV Page KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Nạp giá trị 1000 vào ghi R1 LOAD B, #500; M[B] ← 500 Nạp giá trị 500 vào ô nhớ B Câu hỏi 1.7: Chế độ địa vi xử lý ? Mô tả chế độ địa trực tiếp Cho ví dụ minh hoạ Chế độ địa (Addressing modes) phương thức CPU tổ chức toán hạng lệnh Chế độ địa cho phép CPU kiểm tra dạng tìm tốn hạng lệnh Trực tiếp/tuyệt đối Sử dụng để biểu diễn địa nhớ làm tốn hạng; Tốn hạng cịn lại ghi địa nhớ; Ví dụ: LOAD R1, 1000; R1 ←M[1000] Nạp nội dung nhớ có địa 1000 vào ghi R1 Câu hỏi 1.8: Chế độ địa vi xử lý ? Mơ tả chế độ địa gián tiếp qua ghi Cho ví dụ minh hoạ Chế độ địa (Addressing modes) phương thức CPU tổ chức toán hạng lệnh Chế độ địa cho phép CPU kiểm tra dạng tìm tốn hạng lệnh Gián tiếp qua ghi Trong chế độ địa gián tiếp, ghi sử dụng để lưu địa toán hạng Ví dụ: LOAD Rj, (Ri); Rj←M[Ri] Nạp nội dung ô nhớ có địa lưu ghi Ri vào ghi Rj Câu hỏi 1.9: Chế độ địa vi xử lý ? Mơ tả chế độ địa gián tiếp qua ô nhớ Cho ví dụ minh hoạ Chế độ địa (Addressing modes) phương thức CPU tổ chức toán hạng lệnh Chế độ địa cho phép CPU kiểm tra dạng tìm tốn hạng lệnh Gián tiếp qua ô nhớ : Trong chế độ địa gián tiếp, ô nhớ sử dụng để lưu địa tốn hạng Ví dụ LOAD Ri, (1000); Ri ←M[M[1000]] Nạp nội dung nhớ có địa lưu ô nhớ 1000 vào ghi Ri Câu hỏi 1.10: Chế độ địa vi xử lý ? Mô tả chế độ địa chỉ số Cho ví dụ minh hoạ -Chế độ địa (Addressing modes) phương thức CPU tổ chức toán hạng lệnh -Chế độ địa cho phép CPU kiểm tra dạng tìm tốn hạng lệnh Địa chỉ số: Địa toán hạng tạo thành phép cộng ghi số (index register); Ví dụ: LOAD Ri, X(Rind); Ri←M[X+Rind] STV Page KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 X Rind ghi số Câu hỏi 1.11: Chế độ địa vi xử lý ? Mơ tả chế độ địa tương đối Cho ví dụ minh hoạ Chế độ địa (Addressing modes) phương thức CPU tổ chức toán hạng lệnh Chế độ địa cho phép CPU kiểm tra dạng tìm tốn hạng lệnh Dịa tương đối : Địa toán hạng tạo thành phép cộng đếm chương trình PC (Program Counter); Ví dụ: LOAD Ri, X(PC); Ri←M[X+PC] X PC đếm chương trình Câu hỏi 1.12: Nêu phương thức trao đổi liệu CPU, cache nhớ CPU đọc/ghi phần tử liệu đơn lẻ với cache Cache đọc/ghi khố liệu lớn với nhớ Câu hỏi 1.13: Nêu đặc điểm đĩa CD đĩa DVD Các đĩa quang hoạt động dựa nguyên lý quang học: Đĩa chế tạo plastic; Một mặt đĩa tráng lớp nhôm mỏng để phản xạ tia laser; Mặt đĩa “khắc” rãnh mức lõm rãnh sử dụng để biểu diễn bit thông tin; Câu hỏi 1.14: Nêu nguyên lý hoạt động chuột quang Một đi-ốt phát ánh sáng đỏ qua ống kính chiếu xuống mặt phẳng di chuột; ánh sáng phản xạ từ mặt phẳng di chuột quay ngược trở lại chuột; Một camera đặt phía chuột liên tục chụp ảnh bề mặt di chuột nhờ ánh sáng phản xạ Tốc độ chụp khoảng 1500 ảnh/giây; IC điều khiển chuột phân tích so sánh ảnh kề qua phát chuyển động chuột; Tín hiệu biểu diễn chuyển động chuột IC điều khiển chuột sinh chuyển cho máy tính xử lý STV Page KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Câu hỏi 2.1: Nêu sơ đồ khối chức chức thành phần hệ thống máy tính ? Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU): Chức năng: Đọc lệnh từ nhớ Giải mã thực lệnh CPU bao gồm: Bộ điều khiển (Control Unit - CU) Bộ tính tốn số học logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU) Các ghi (Registers) Bộ nhớ (Internal Memory): Chức năng: lưu trữ lệnh (instruction) liệu (data) cho CPU xử lý; Bộ nhớ bao gồm: • ROM (Read Only Memory): Lưu trữ lệnh liệu hệ thống Thông tin ROM tồn nguồn ni • RAM (Random Access Memory) Lưu trữ lệnh liệu hệ thống người dùng Thông tin RAM mất nguồn nuôi Các thiết bị vào (Peripheral devices) Thiết bị vào (Input devices): nhập dự liệu điều khiển Bàn phím (Keyboard) Chuột (Mice) Ổ đĩa (Disk drives) Máy quét (Scanner) Các thiết bị (Output devices): kết xuất liệu Màn hình (Monitor/screen) Máy in (Printer) Máy vẽ (Plotter) Ổ đĩa (Disk drives) Bus hệ thống (system bus): Bus hệ thống tập đường dây kết nối CPU với thành phần khác máy tính Bus hệ thống thường gồm: Bus địa (Address bus) – Bus A Bus liệu (Data bus) – Bus D STV Page KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Bus điều khiển (Control bus) - Bus C Câu hỏi 2.2 : Nêu sơ đồ đặc điểm kiến trúc máy tính von-Neumann Kiến trúc máy tính von-Neumann đại khác kiến trúc máy tính von-Neumann cổ điển điểm ? Kiến trúc von-Neumann dựa khái niệm sở: Lệnh liệu lưu trữ nhớ đọc ghi chia sẻ; Bộ nhớ đánh địa theo vùng, khơng phụ thuộc vào nội dung lưu trữ; Các lệnh chương trình thực Các lệnh thực theo giai đoạn (stages) chính: CPU đọc (fetch) lệnh từ nhớ; CPU giải mã thực lệnh; lệnh yêu cầu liệu, CPU đọc liệu từ nhớ; CPU ghi kết thực lệnh vào nhớ (nếu có) Câu hỏi 2.3 : Nêu sơ đồ đặc điểm kiến trúc máy tính Harvard Kiến trúc máy tính Harvard có ưu điểm so với kiến trúc máy tính von-Neumann Các máy tính đại ngày sử dụng kiến trúc ? Bộ nhớ chia thành phần: Bộ nhớ lưu mã chương trình Bộ nhớ lưu liệu STV Page KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 CPU sử dụng hệ thống bus để giao tiếp với nhớ: Buýt địa chỉ/ liệu cho nhớ liệu Buýt địa chỉ/ liệu cho nhớ chương trình Nhanh nhờ buýt rộng Hỗ trợ truy nhập đọc/ ghi nhớ đồng thời, làm giảm xung đột Kiến trúc Harvard nhanh kiến trúc von-Neumann băng thông bus lớn hơn; Hỗ trợ nhiều thao tác đọc/ghi nhớ thời điểm → giảm xung đột truy nhập nhớ, đặc biệt CPU sử dụng kỹ thuật đường ống (pipeline) Câu hỏi 2.4: Nêu sơ đồ khối tổng quát chu trình xử lý lệnh CPU Chu trình xử lý lệnh CPU Khi chương trình thực hiện, hệ điều hành (OS - Operating System) nạp mã chương trình vào nhớ trong; Địa ô nhớ chứa lệnh chương trình nạp vào đếm chương trình PC; Địa ô nhớ chứa lệnh từ PC chuyển đến bus A thông qua ghi MAR; Bus A chuyển địa ô nhớ đến đơn vị quản lý nhớ (MMU - Memory Management Unit); MMU chọn ô nhớ thực lệnh đọc nội dung ô nhớ; Lệnh (chứa ô nhớ) chuyển bus D chuyển tiếp đến ghi MBR; MBR chuyển lệnh đến ghi lệnh IR; IR chuyển lệnh vào điều khiển CU; CU giải mã lệnh sinh tín hiệu điều khiển cần thiết, yêu cầu phận chức ALU thực lệnh; Giá trị địa đếm PC tăng lên đơn vị trỏ đến địa nhớ chứa lệnh tiếp theo; STV Page KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 10.Các bước từ 3-9 lặp lại với tất lệnh chương trình Câu hỏi 2.5: Nêu sơ đồ khối chức khối điều khiển (CU) khối tính tốn số học logic (ALU) Đơn vị điều khiển CU Đơn vị điều khiển CU (Control Unit) điều khiển toàn hoạt động CPU theo xung nhịp đồng hồ; CU nhận tín hiệu đầu vào: Lệnh từ IR Giá trị cờ trạng thái Xung đồng hồ CU sinh nhóm tín hiệu đầu ra: Nhóm tín hiệu điều khiển phận bên CPU; Nhóm tín hiệu điều khiển phận bên ngồi CPU CU sử dụng nhịp đồng hồ để đồng đơn vị chức CPU CPU với phận bên Đơn vị số học & logic ALU ALU (Arithmetic and Logic Unit) bao gồm loạt đơn vị chức để thực phép toán số học logic: Bộ cộng (ADD), trừ (SUB), nhân (MUL), chia (DIV), Các dịch (SHIFT) quay (ROTATE) Bộ phủ định (NOT), (AND), (OR) loại trừ (XOR) ALU có: cổng vào IN: nhận tốn hạng từ ghi; STV Page KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 cổng OUT: kết nối với bus để chuyển kết đến ghi Câu hỏi 2.6: Lệnh máy tính ? Chu kỳ lệnh ? Nêu pha điển hình chu lệnh Nêu dạng lệnh tổng quát thành phần Lệnh máy tính (computer instruction): Là từ nhị phân (binary word); Mỗi lệnh gán nhiệm vụ cụ thể; Lệnh lưu trữ nhớ Lệnh đọc (fetch) từ nhớ vào CPU để giải mã thực Chu lệnh (Instruction execution cycle): khoảng thời gian mà CPU thực xong lệnh: Một chu lệnh gồm số giai đoạn thực lệnh; Một giai đoạn thực lệnh gồm số chu kỳ máy; Một chu kỳ máy gồm số chu kỳ đồng hồ Việc thực lệnh chia thành pha (phase) hay giai đoạn (stage) Mỗi lệnh thực theo giai đoạn: Đọc lệnh (Instruction fetch - IF): lệnh đọc từ nhớ CPU; Giải mã (Instruction decode - ID): CPU giải mã lệnh; Thực (Instruction execution – EX): CPU thực lệnh; Lưu kết (Write back - WB): kết thực lệnh (nếu có) lưu vào nhớ Dạng tổng quát lệnh gồm thành phần chính: Mã lệnh (Opcode - operation code): lệnh có mã lệnh riêng Địa tốn hạng (Addresses of Operands): lệnh gồm nhiều tốn hạng Có thể có dạng địa toán hạng sau: địa địa địa 1,5 địa địa Câu hỏi 2.7: Nêu dạng địa lệnh Cho ví dụ minh hoạ với dạng địa Tốn hạng địa chỉ: Dạng: • opcode addr1, addr2, addr3 • Mỗi địa addr1, addr2, addr3 tham chiếu đến ô nhớ ghi Ví dụ: ADD R1, R2, R3; R1 ← R2 + R3 R2 cộng với R3, kết gán vào R1 Ri ghi CPU ADD A, B, C; M[A] ← M[B] + M[C] STV Page 10 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 A, B, C địa nhớ Tốn hạng địa chỉ: Dạng: • opcode addr1, addr2 • Mỗi địa addr1, addr2 tham chiếu đến ô nhớ ghi Ví dụ: ADD R1, R2; R1 = R1 + R2 R1 cộng với R2, kết gán vào R1 Ri ghi CPU ADD A, B; M[A] M[B] + M[B] A, B địa nhớ Tốn hạng địa chỉ: Dạng: • opcode addr1 • Địa addr1 tham chiếu đến ô nhớ ghi • Ở dạng địa chỉ, ghi Racc (Accumulator) sử dụng địa addr2 dạng địa Ví dụ: ADD R1; Racc = Racc + R1 R1 cộng với Racc, kết gán vào Racc R1 ghi CPU ADD A; Racc Racc + M[A] A địa nhớ Tốn hạng 1,5 địa chỉ: Dạng: • opcode addr1, addr2 • Một địa tham chiếu đến nhớ địa cịn lại tham chiếu đến ghi • Dạng 1,5 địa dạng hỗn hợp ô nhớ ghi Ví dụ: ADD A, R1; M[A] M[A] + R1 Nội dung ô nhớ A cộng với R1, kết lưu vào ô nhớ A R1 ghi CPU A địa ô nhớ Toán hạng địa chỉ: sử dụng lệnh thao tác với ngăn xếp: PUSH POP Câu hỏi 2.8: Cơ chế xử lý xen kẽ dòng lệnh (ống lệnh – pipeline) ? Nêu đặc điểm chế ống lệnh Cơ chế ống lệnh (pipeline) hay gọi chế thực xen kẽ lệnh chương trình phương pháp thực lệnh tiên tiến, cho phép đồng thời thực nhiều lệnh, giảm thời gian trung bình thực lệnh tăng hiệu xử lý lệnh CPU Không pipeline STV Page 11 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Có pipeline Việc thực lệnh chia thành số giai đoạn giai đoạn thực thi đơn vị chức khác CPU Nhờ CPU tận dụng tối đa lực xử lý đơn vị chức mình, giảm thời gian chờ cho đơn vị chức có nhiều lệnh đồng thời thực gối CPU hầu hết đơn vị chức CPU liên tục tham gia vào trình xử lý lệnh Số lượng lệnh xử lý đồng thời số giai đoạn thực lệnh Câu hỏi 2.9: Nêu cấu trúc phân cấp hệ thống nhớ máy tính Tại cấu trúc phân cấp hệ thống nhớ giúp tăng hiệu giảm giá thành sản xuất máy tính ? CPU registers (các ghi CPU): Dung lượng nhỏ, khoảng từ vài chục bytes đến vài KB Tốc độ truy nhập cao (các ghi hoạt động với tốc độ CPU); thời gian truy nhập khoảng 0,25ns Giá thành đắt Sử dụng để lưu toán hạng đầu vào kết lệnh Cache (bộ nhớ cache): Dung lượng tương đối nhỏ (khoảng 64KB đến 32MB) Tốc độ truy nhập cao; thời gian truy nhập khoảng 1-5ns Giá thành đắt Còn gọi “bộ nhớ thông minh” (smart memory) Sử dụng để lưu lệnh liệu cho CPU xử lý Main memory (bộ nhớ chính): Gồm ROM RAM, có kích thước lớn; với hệ thống 32 bít, dung lượng khoảng 256MB-4GB Tốc độ truy nhập chậm; thời gian truy nhập khoảng 50-70ns Giá thành tương đối rẻ Sử dụng để lưu lệnh liệu hệ thống người dùng Secondary memory (bộ nhớ thứ cấp – nhớ ngoài): STV Page 12 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Có dung lượng lớn, khoảng từ 20GB-1000GB Tốc độ truy nhập chậm; thời gian truy nhập khoảng 5ms Giá thành rẻ Sử dụng để lưu liệu lâu dài dạng tệp (files) Vai tro Tăng hiệu hệ thống Dung hồ CPU có tốc độ cao phần nhớ nhớ ngồi có tốc độ thấp; Thời gian trung bình CPU truy nhập liệu từ hệ thống nhớ tiệm cận thời gian truy nhập cache Giảm giá thành sản xuất Các thành phần đắt tiền (thanh ghi cache) sử dụng với dung lượng nhỏ; Các thành phần rẻ tiền (bộ nhớ nhớ ngồi) sử dụng với dung lượng lớn; →tổng giá thành hệ thống nhớ theo mơ hình phân cấp rẻ so với hệ thống nhớ không phân cấp có tốc độ Câu hỏi 2.10: Phân biệt nhớ RAM tĩnh RAM động Tại nhớ RAM động cần trình làm tươi RAM động thường rẻ RAM tĩnh ? RAM tĩnh (Static RAM – SRAM): • Mỗi bít SRAM dựa mạch lật (flip-flop) • Thơng tin lưu bit SRAM ổn định “làm tươi” định kỳ • SRAM nhanh đắt DRAM RAM động (Dynamic RAM – DRAM): • Mỗi bít DRAM dựa tụ điện • Thơng tin lưu bit DRAM không ổn định phải “làm tươi” định kỳ • DRAM chậm rẻ SRAM RAM động cần trình làm tươi RAM động thường rẻ RAM tĩnh : Do tụ thường tự phóng điện, điện tích tụ có xu hướng bị tổn hao theo thời gian Cần nạp lại thông tin tụ thường xuyên để tránh thông tin Việc nạp lại thơng tin cho tụ q trình làm tươi (refresh), phải theo định kỳ DRAM thường rẻ SRAM do: Cấu trúc đơn giản, dùng transitor Mật độ cấy linh kiện cao Câu hỏi 2.11: Bộ nhớ cache ? Nêu vai trị cache Giải thích hai nguyên lý hoạt động cache Cache thành phần hệ thống nhớ phân cấp máy tính: Cache đóng vai trung gian, trung chuyển liệu từ nhớ CPU ngược lại; Vai trò cache Tăng hiệu hệ thống Dung hồ CPU có tốc độ cao nhớ có tốc độ thấp; STV Page 13 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Thời gian trung bình CPU truy nhập liệu từ hệ thống nhớ tiệm cận thời gian truy nhập cache Giảm giá thành sản xuất Nếu hai hệ thống nhớ có giá thành, hệ thống nhớ có cache có tốc độ truy nhập nhanh hơn; Nếu hai hệ thống nhớ có tốc độ, hệ thống nhớ có cache có giá thành rẻ Các nguyên lý hoạt động cache Cache coi nhớ thơng minh: Cache có khả đoán trước yêu cầu liệu lệnh CPU; Dữ liệu lệnh cần thiết chuyển trước từ nhớ cache → CPU truy nhập cache → giảm thời gian truy nhập hệ thống nhớ Cache hoạt động dựa nguyên lý bản: Nguyên lý lân cận không gian (Spatial locality) Nguyên lý lân cận thời gian (Temporal locality) Nguyên lý lân cận không gian: Nếu ô nhớ truy nhập xác xuất ô nhớ liền kề với truy nhập tương lai gần cao; Áp dụng: Lân cận khơng gian áp dụng cho nhóm lệnh/dữ liệu có tính cao khơng gian chương trình; Giải thích: Do lệnh chương trình thường → cache đọc khối lệnh từ nhớ → phủ nhớ lân cận ô nhớ truy nhập Nguyên lý lân cận thời gian: Nếu ô nhớ truy nhập xác xuất truy nhập lại tương lai gần cao; Áp dụng: Lân cận thời gian áp dụng cho liệu nhóm lệnh vịng lặp; Giải thích: Các phần tử liệu thường cập nhật, sửa đổi thường xuyên; Cache đọc khối lệnh từ nhớ → phủ khối lệnh vòng lặp Câu hỏi 2.12: So sánh chuẩn ghép nối ổ đĩa cứng IDE, SATA SCSI * Giống : Đều giao diện ghép nối ổ đĩa cứng với máy tính * Khác : IDE- SATA- SCSI -1 -ATA/IDE sử dụng cáp dẹt 40 80 sợi để ghép nối ổ cứng với bảng mạch chính; - SATA sử dụng tập lệnh mức thấp ATA SATA sử dụng đường truyền tin nối tiếp tốc độ cao qua đôi dây; -SCSI tập chuẩn kết nối vật lý truyền liệu máy tính thiết bị ngoại vi; - Mỗi cáp thường hỗ trợ ghép nối với ổ đĩa -…… - Tất thiết bị SCSI kết nối đến bus SCSI theo kiểu * Ưu điểm : -…… - Truyền liệu nhanh hiệu STV Page 14 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Cắm nóng Sử dụng dây ATA để truyền liệu - SCSI cung cấp tốc độ truyền liệu tính ổn định cao; Cắm nóng * Nhược điểm : - Tốc độ truyền liệu chậm -……… - Các ổ cứng SCSI thường đắt Câu hỏi 2.13: Trình bày nguyên lý đọc thông tin đĩa CD Nguyên lý đọc CD-ROM Tia laser từ điốt phát laser qua tách tia đến gương quay; Gương quay điều khiển tín hiệu đọc, lái tia laser đến vị trí cần đọc mặt đĩa; Tia phản xạ từ mặt đĩa phản ánh mức lồi lõm mặt đĩa quay trở lại gương quay; Gương quay chuyển tia phản xạ tách tia sau đến cảm biến quang điện; Bộ cảm biến quang điện chuyển đổi tia laser phản xạ thành tín hiệu điện đầu Cường độ tia laser biểu diễn thành mức tín hiệu Câu hỏi 2.14: Nêu nguyên lý hoạt động máy in laser Máy in laser hoạt động dựa nguyên tắc chụp ảnh điện tử tia laser Cụ thể: Trống cảm quang nạp lớp điện tích nhờ điện cực; Tia laser từ nguồn sáng laser qua gương quay điều chế tia điều khiển tín hiệu cần in đến mặt trống; Ánh sáng laser làm thay đổi mật độ điện tích mặt trống; Mật độ điện tích mặt trống thay đổi theo tín hiệu cần in; Khi trống cảm quang quay đến hộp mực điện tích trống hút hạt mực tích điện trái dấu Các hạt mực dính trống biểu diễn âm văn bản/thông tin cần in; Giấy từ khay kéo lên điện cực nạp điện tích trái dấu với điện tích mực nên hút hạt mực khỏi trống cảm quang Giấy tiếp tục qua trống sấy nóng làm hạt mực chảy bị ép chặt vào giấy Câu hỏi 2.15: Nêu nguyên lý tạo hình ảnh hình LCD Các tinh thể lỏng tự phát sáng: Chúng có khả điều khiển lượng ánh sáng qua theo nhiệt độ dòng điện; STV Page 15 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Có loại LCD dựa phương pháp điều khiển: LCD ma trận thụ động (Passive matrix): Sử dụng lưới ma trận để định nghĩa điểm ảnh (pixel) hàng cột nó; Một điểm ảnh (giao hàng cột) kích hoạt điện áp đặt vào cột dòng tương ứng nối đất LCD ma trận chủ động (Active matrix): Sử dụng TFT (Thin Film Transistor) để điều khiển phần tử LCD; Các TFT hoạt động tương tự chuyển mạch TFT LCD thiết bị điều khiển tín hiệu điện; Lớp tinh thể lỏng nằm lớp suốt chứa điện cực ITO (Indium Tin Oxide); Các phần tử tinh thể lỏng đặt theo hướng khác theo thay đổi điện áp đặt vào điện cực ITO; Hướng phần tử tinh thể lỏng trực tiếp ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng qua gián tiếp điều khiển mức sáng / tối (cịn gọi mức xám) ảnh thị; Mầu hình ảnh tạo lớp lọc mầu; Mức xám điểm ảnh thiết lập theo mức điện áp tín hiệu video đưa vào Câu hỏi 3.1: Nêu sơ đồ đặc điểm hai dạng kiến trúc cache: Look Aside Look Through Trong hai dạng kiến trúc trên, dạng sử dụng nhiều thực tế nay? Tại sao? cache – Look aside SRAM: RAM lưu liệu cache Tag RAM: RAM lưu địa nhớ Cache nhớ kết nối với bus hệ thống; Cache nhớ “thấy” chu kỳ bus CPU thời điểm; Ưu: Thiết kế đơn giản Miss nhanh Nhược: Hit chậm STV Page 16 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 cache – Look through Cache nằm CPU nhớ chính; Cache “thấy” chu kỳ bus CPU trước, sau chuyển chu kỳ bus cho nhớ chính; Ưu: Hit nhanh Nhược: Thiết kế phức tạp Đắt tiền Miss chậm Câu hỏi 3.2 : So sánh phương pháp ánh xạ cache: ánh xạ trực tiếp, ánh xạ kết hợp đầy đủ ánh xạ tập kết hợp? Phương pháp ánh xạ phương pháp sử dụng nhiều thực tế? Tại sao? *Giống : -Cùng phương pháp ánh xạ cache-mem -Cache chia thành dòng *Khác : Ánh xạ trực tiếp- Ánh xạ kết hợp đầy đủ- Ánh xạ tập kết hợp - Bộ nhớ : m trang- trang- m trang - Ánh xạ : +Ánh xạ dòng trang đến dòng đường (ánh xạ cố định) + Một dòng nhớ ánh xạ vào dòng cache; +Ánh xạ trang đến đường (ánh xạ mềm dẻo): Một trang nhớ ánh xạ đến đường cache Ánh xạ dòng trang đến dòng đường (ánh xạ cố định): * Ưu : - Thiết kế đơn giản Nhanh ánh xạ cố định: biết đị nhớ tìm vị trí cache nhanh chóng - Giảm xung đột ánh xạ không cố định Hệ số Hit cao ánh xạ trực tiếp - Nhanh ánh xạ trực tiếp sử dụng cho ánh xạ dòng (chiếm số lớn ánh xạ); Giảm xung đột ánh xạ từ trang nhớ đến đường cache mềm dẻo Hệ số Hit cao STV Page 17 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 * Nhược : - Do ánh xạ cố định nên dễ gây xung đột Hệ số hit không cao - Chậm cần phải tìm địa nhớ cache Phức tạp cần có n so sánh địa nhớ cache Thường sử dụng với cache có dung lượng nhỏ - Phức tạp thiết kế điều khiển cache chia thành số đường Câu hỏi 3.3: Nêu phương pháp đọc ghi sách thay dòng cache Tại thay dòng cache sử dụng phương pháp LRU có khả cho hệ số đốn trúng (hit) cao ? Đọc thông tin: +Trường hợp hit (mẩu tin cần đọc có cache) • Mẩu tin đọc từ cache vào CPU; • Bộ nhớ khơng tham gia +Trường hợp miss (mẩu tin cần đọc khơng có cache) • Mẩu tin trước hết đọc từ nhớ vào cache; • Sau chuyển từ cache vào CPU →đây trường hợp miss penalty: thời gian truy nhập mẩu tin tổng thời gian truy nhập cache nhớ Ghi thơng tin: +Trường hợp hit (mẩu tin cần ghi có cache) • Ghi thẳng (write through): mẩu tin ghi đồng thời cache nhớ chính; • Ghi trễ (write back): mẩu tin trước hết ghi cache dòng chứa mẩu tin ghi nhớ dịng bị thay +Trường hợp miss (mẩu tin cần ghi khơng có cache) • Ghi có đọc lại (write allocate / fetch on write): mẩu tin trước hết ghi nhớ sau dịng chứa mẩu tin đọc vào cache; • Ghi khơng đọc lại (write non-allocate): mẩu tin ghi nhớ (dịng chứa mẩu tin khơng đọc vào cache) Chính sách thay (replacement policies) xác định dòng cache chọn để thay dòng khác từ nhớ Các sách thay thế: -Ngẫu nhiên (Random) -Vào trước trước (FIFO) -Thay dòng sử dụng gần (LRU) Thay dịng sử dụng gần (LRULeast Recently Used): Các dịng cache sử dụng gần lựa chọn để thay Ưu: • Có hệ số miss thấp so với thay ngẫu nhiên thay FIFO • Do thay LRU có xem xét đến dịng sử dụng Câu hỏi 3.4: RAID gì? Tại RAID nâng cao tính tin cậy tốc độ truy nhập hệ thống lưu trữ? Cấu hình RAID phù hợp với máy chủ sở liệu ba loại RAID 0, RAID RAID 10? STV Page 18 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 RAID (Redundant Array of Independent Disks) công nghệ tạo thiết bị lưu trữ tiên tiến sở đĩa cứng, nhằm đạt mục đích: Tốc độ cao (High performance / speed) Tính tin cậy cao (High reliability) Dung lượng lớn (Large volume) RAID: Một mảng đĩa cứng; Các đĩa cứng theo chuẩn SATA SCSI hỗ trợ tạo RAID Hai kỹ thuật sử dụng RAID: Tạo lát đĩa (Disk Stripping): Ghi: Dữ liệu chia thành khối, khối ghi đồng thời vào đĩa độc lập; Đọc: Các khối liệu đọc đồng thời đĩa độc lập, ghép lại tạo liệu hoàn chỉnh →tốc độ truy nhập cải thiện Soi gương đĩa (Disk Mirroring): Ghi: Dữ liệu chia thành khối, khối ghi đồng thời vào nhiều đĩa độc lập; Tại thời điểm ta ln có nhiều vật lý liệu →Tính tin cậy cải thiện RAID 10 Ưu điểm: An toàn cao: thời điểm RAID chứa nhiều copy liệu đĩa vật lý khác Nhanh: tốc độ truy nhập tỷ lệ với số đĩa RAID Câu hỏi 3.5: Nêu đặc điểm kiến trúc bus PCI PCI-Express Tại bus PCIExpress có khả hỗ trợ nhiều cặp thiết bị truyền liệu đồng thời với tốc độ cao? Bus PCI Express – Kiến trúc PCI Express cấu trúc từ liên kết nối tiếp điểm đến điểm; Một cặp liên kết nối tiếp (theo chiều ngược nhau) tạo thành luồng (lane); Các luồng định tuyến qua chuyển mạch (crossbar switch) bảng mạch chính; STV Page 19 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Các khe cắm PCI Express vật lý chứa từ đến 32 PCI Express sử dụng giao thức truyền nối tiếp tránh vấn đề timing skew (lệch thời gian) – yếu tố làm giảm tốc độ: Các loại bus song song (ISA, PCI, AGP) đòi hỏi tất bit đơn vị liệu phải đến đích thời điểm; Do vấn đề timing skew, bít đơn vị liệu khơng đến đích đồng thời gây khó khăn cho việc khơi phục đơn vị liệu; Phương thức truyền nối tiếp không gặp phải vấn đề timing skew giao thức không đòi hỏi tất bit đơn vị liệu phải đến đích thời điểm Câu hỏi 3.8: Cho đoạn chương trình sau (R1, R2 ghi): 1.LOAD R2, #400 LOAD R1, #1200 STORE (R1), R2 SUBSTRACT R2, #20 ADD 1200, #10 ADD R2, (R1) a.Xác định chế độ địa ý nghĩa lệnh; b.Xác định giá trị ghi R2 sau thực xong lệnh số (6) Chế độ địa tức thời Lưu giá trị 400 vào ghi R2 R2=400 Chế độ địa tức thời Lưu giá trị 1200 vào ghi R1 R1=1200 Chế độ địa gián tiếp qua ghi Lưu giá trị ghi R2 vào nhớ có địa giá trị ghi R1 Tức M[R1]=R2 hay M[1200]=400; Chế độ địa tức thời Trừ giá trị ghi R2 20 đơn vị R2=R2-20= 400-20=380 Chế độ địa tức thời Cộng them 10 đơn vị vào giá trị ô nhớ 1200 M[1200]=M[1200]+10= 400 + 10 = 410 Chế độ địa gián tiếp qua ghi Cộng giá trị nhớ có địa giá trị ghi R1 vào R2 Tức R2= R2+M[R1] = 380 + 410 = 790 Câu hỏi 3.9: Cho đoạn chương trình sau (R1, R2 ghi): 1.LOAD R2, #500 2.LOAD R1, #2000 3.STORE (R1), R2 4.ADD 2000, #30 5.SUBSTRACT R2, #15 STV Page 20 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 6.ADD R2, (R1) a.Xác định chế độ địa ý nghĩa lệnh; b.Xác định giá trị ghi R2 sau thực xong lệnh số (6) Chế độ địa tức thời Lưu giá trị 500 vào ghi R2 R2=500 Chế độ địa tức thời Lưu giá trị 2000 vào ghi R1 R1=2000 Chế độ địa gián tiếp qua ghi Lưu giá trị ghi R2 vào nhớ có địa giá trị ghi R1 Tức M[R1]=R2 hay M[2000]=500; Chế độ địa tức thời Cộng them 30 đơn vị vào giá trị ô nhớ 2000 M[2000]=M[2000]+30= 500 + 30 = 530 Chế độ địa tức thời Trừ giá trị ghi R2 15 đơn vị R2=R2-5= 500-15=485 Chế độ địa gián tiếp qua ghi Cộng giá trị nhớ có địa giá trị ghi R1 vào R2 Tức R2= R2+M[R1] = 485 + 530 = 1015 Câu (3 điểm): Cho đoạn chương trình sau (R1, R2 ghi): (1) LOAD #1500, R1 (2) LOAD #300, R2 (3) STORE R2, (R1) (4) SUBSTRACT #5, R2 (5) ADD #10, 1500 (6) ADD (R1), R2 a Xác định chế độ địa ý nghĩa lệnh; b Xác định giá trị ghi R2 sau thực xong lệnh số (6) Giải: Chế độ địa tức thời Lưu giá trị 1500 vào ghi R1 R1=1500 Chế độ địa tức thời Lưu giá trị 300 vào ghi R2 R2=300 Chế độ địa gián tiếp qua ghi Lưu giá trị ghi R2 vào nhớ có địa giá trị ghi R1 Tức M[R1]=R2 hay M[1500]=300; Chế độ địa tức thời Trừ giá trị ghi R2 đơn vị R2=R2-5= 300-5=295 STV Page 21 KIEN TRUC MAY TINH & GIAO DIEN 201 Chế độ địa tức thời Cộng them 10 đơn vị vào giá trị ô nhớ 1500 M[1500]=M[1500]+10= 300 + 10 = 310 Chế độ địa gián tiếp qua ghi Cộng giá trị ô nhớ có địa giá trị ghi R1 vào R2 Tức R2= R2+M[R1] = 295 + 310 = 605 STV Page 22 ... lệnh vào nhớ (nếu có) Câu hỏi 2.3 : Nêu sơ đồ đặc điểm kiến trúc máy tính Harvard Kiến trúc máy tính Harvard có ưu điểm so với kiến trúc máy tính von-Neumann Các máy tính đại ngày sử dụng kiến trúc. .. Câu hỏi 2.2 : Nêu sơ đồ đặc điểm kiến trúc máy tính von-Neumann Kiến trúc máy tính von-Neumann đại khác kiến trúc máy tính von-Neumann cổ điển điểm ? Kiến trúc von-Neumann dựa khái niệm sở: Lệnh... bị vào: điều khiển nhập liệu Bàn phím Chuột Ổ đĩa Máy quét Thiết bị ra: xuất liệu Màn hình Máy in Máy vẽ Ổ đĩa Buýt hệ thống Tập hợp dây dẫn nối CPU với phận khác máy tính