Giáo trình Kiến trúc máy tính được chia làm 6 chương: Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Kiến trúc phần mềm bộ xử lý; Chương 3: Tổ chức bộ xử lý; Chương 4: Bộ nhớ; Chương 5: Thiết bị xuất nhập; Chương 6: Ngôn ngữ Assembly. Mời các bạn cùng tham khảo.
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình nhóm tác giả biên soạn nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên tiếp thu tốt kiến thức liên quan đến môn học Đây tài liệu tham khảo dành cho sinh viên Bộ môn Công nghệ thông tin, trường Cao đẳng Nông Lâm Đông Bắc học tập nghiên cứu môn học Cấu trúc máy tính Nội dung phần lý thuyết chia làm Chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Kiến trúc phần mềm xử lý Chương 3: Tổ chức xử lý Chương 4: Bộ nhớ Chương 5: Thiết bị xuất nhập Chương 6: Ngôn ngữ Assembly Phần thực hành chia thành mục theo thứ tự kiến thức học, qua buổi thực hành giúp sinh viên có thao tác logic kinh nghiệm thực tế việc lập trình, từ tích lũy tri thức cần thiết cho môn học công việc tương lai Tác giả xin chân thành cảm ơn bạn đồng nghiệp trao đổi, góp ý cho chúng tơi q trình hồn thiện giáo trình Mặc dù có nhiều cố gắng tham khảo nghiên cứu tài liệu liên quan khơng tránh thiếu sót Mong q bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo trình ngày hồn thiện Xin chân thành cám ơn! Người biên soạn Phạm Xuân Hiệp: Chủ biên MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN Tên môn học/mơ đun: Kiến Trúc máy tính Mã môn học/mô đun: MH07 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Các hệ máy tính: 1.1.1 Thế hệ thứ nhất: (1945-1955) 1.1.2 Thế hệ thứ hai: (1955-1965) 1.1.3 Thế hệ thứ ba: (1965-1980) 1.1.4 Thế hệ thứ tư: (1980- ) 1.2.Phân loại máy tính: 10 1.2.1.các siêu máy tính: 10 1.2.2.các máy tính lớn: 11 1.2.3.Máy tính Mini: 11 1.2.4.Máy vi tính: 12 1.3.Thành máy tính: 12 1.4.Thơng tin mã hóa thơng tin: 13 1.4.1.Thông tin: 13 1.4.2 Mã hóa thơng tin: 13 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 14 Chương II (8 TIẾT): KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ 15 2.1 Thành phần máy tính: 15 2.1.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU) 15 2.1.2 Bộ nhớ máy tính 16 2.1.3 Hệ thống vào – ra: 18 2.1.4 Liên kết hệ thống: 18 2.2 Định nghĩa kiến trúc máy tính: 19 2.3 Tập lệnh: 20 2.4 Kiến trúc tập lệnh RISC 20 2.5 Toán hạng: 22 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 22 Chương III (8 Tiết): TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ 23 3.1.Đường liệu: 23 3.1.1 Các thành phần đường dẫn liệu 23 3.1.2 Nhiệm vụ đường liệu 23 3.2 Bộ điều khiển: 24 3.2.1 Chức điều khiển: 24 3.2.2 Các phương pháp thiết kế điều khiển: 24 3.3 Diễn tiến thi hành lệnh mã máy: 26 3.3.1 Đọc lệnh 26 3.3.2 Giải mã lệnh 27 3.3.3 Thực lệnh 27 3.3.4 Nhận liệu 27 3.3.5 Lưu trữ kết 28 3.4 Ngắt: 29 3.4.1 Các loại ngắt 29 3.4.2 Hoạt động ngắt 29 3.5 Kỹ thuật ống dẫn: 30 3.6 Siêu ống dẫn: 31 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG III 32 Chương IV (9 Tiết): BỘ NHỚ 33 4.1 Các loại nhớ: 33 4.1.1 ROM (Read Only Memory) 33 4.1.2 RAM (Random Access Memory) 33 4.1.3 Thiết kế môdun nhớ bán dẫn: 35 4.2 Các cấp nhớ: 36 4.3 Truy cập liệu nhớ: 37 4.4 Bộ nhớ Cache: 38 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 39 Chương V (7 Tiết): THIẾT BỊ XUẤT NHẬP 40 5.1 Đĩa từ: 40 5.2 Đĩa quang: 42 5.2.1 CD-ROM, CD-R/W: 42 5.2.2 DVD-ROM, DVD-R/W: 43 5.2.3 Bluray: 43 5.3 Các loại thẻ nhớ: 44 5.4 Băng từ: 44 5.5 Các chuẩn BUS: 45 5.5.1 Định nghĩa bus: 45 5.6 An toàn liệu lưu trữ: 45 5.6.1 RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks): 45 5.6.2 Các loại RAID: 46 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 49 Chương VI (8 Tiết): NGÔN NGỮ ASSEMBLY 50 6.1 Tổng quan: 50 6.2 Cấu trúc chương trình: 51 6.2.1 Cấu trúc chương trình hợp ngữ: 51 6.2.2 Cú pháp lệnh hợp ngữ: 52 6.3 Các lệnh điều khiển: 53 6.3.1 Các lệnh bản: 53 6.3.2 Các lệnh chuyển điều khiển: 59 6.4 Ngăn xếp thủ tục 62 6.4.1 Ngăn xếp: 62 6.4.2 Các thủ tục: 63 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN Tên mơn học/mơ đun: Kiến Trúc máy tính Mã mơn học/mơ đun: MH07 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun: - Vị trí:Mơn học Kiến trúc máy tính bố trí học sau mơn học chung, mơn tin học đại cương, tin học văn phòng học với mơ đun lắp ráp cài đặt máy tính - Tính chất:là mơn học kỹ thuật sở thuộc mơn học đào tạo nghề bắt buộc - Ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun:đây mơn sở, cung cấp cho sinh viên kiến thức máy tính nghề Tin học ứng dụng Mục tiêu môn học/mô đun: - Về kiến thức: + Hiểu biết lịch sử máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính + Trình bày thành phần kiến trúc máy tính, tập lệnh Các kiểu kiến trúc máy tính: mơ tả kiến trúc, kiểu định vị + Liệt kê cấu trúc xử lý trung tâm: tổ chức, chức nguyên lý hoạt động phận bên xử lý + Trình bày chức nguyên lý hoạt động cấp nhớ + Nắm phương pháp an toàn liệu thiết bị lưu trữ - Về kỹ năng: + Mô tả diễn tiến thi hành lệnh mã máy số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng + Thao tác thành thạo tập lệnh Assembly - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Có lực chun mơn thích nghi với mơi trường làm việc khác + Tự học tập, tích lũy kiến thức, kinh nghiệm để nâng cao trình độ chuyên môn nghiệp vụ Chương 1(5 tiết): TỔNG QUAN Học xong chương sinh viên có thể: + Trình bày lịch sử phát triển máy tính, thành tựu máy tính + Trình bày khái niệm thông tin + Mô tả kiến trúc máy tính Máy vi tính đời vào 1981 IBM đưa Nó nhanh chóng chiếm thị trường Máy vi tính bao gồm phần sau: CPU, thiết bị vào, thiết bị ra, nhớ nhớ ngồi Xét theo góc độ phần lắp nối thành khối xử lý trung tâm khối thiết bị ngoại vi dàn máy vi tính 1.1 Các hệ máy tính: 1.1.1 Thế hệ thứ nhất: (1945-1955) Máy tính xây dựng sở đèn điện tử mà đèn tượng trưng cho bit nhị phân Do máy có khối lượng lớn, tốc độ chậm tiêu thụ điện lớn Như máy ENIAC bao gồm 18000 đèn điện tử, 1500 rơ-le, nặng 30 tấn, tiêu thụ công suất 140KW Về kiến trúc có 20 ghi, ghi chứa số thập phân 10 chữ số Chiếc máy lập trình cách đặt vị trí (set) 6000 chuyển mạch (switch) - có nhiều vịt trí nối vơ số ổ cắm (socket) với “rừng” đầu cắm (jumper) Hình 1: máy ENIAC Cùng thời kì này, Giáo sư tốn học John Von Neumann đưa ý tưởng thiết kế máy tính IAS (Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình lưu nhớ, điều khiển lấy lệnh biến đổi giá trị liệu phần nhớ, số học logic (ALU: Arithmetic And Logic Unit) điều khiển để tính tốn liệu nhị phân, điều khiển hoạt động thiết bị vào Đây ý tưởng tảng cho máy tính đại ngày Máy tính cịn gọi máy tính Von Neumann Hình 2: máy tính Von Neumann 1.1.2 Thế hệ thứ hai: (1955-1965) Máy tính xây dựng sở đèn bán dẫn (transistor), Công ty Bell phát minh transistor vào năm 1948 hệ thứ hai máy tính đặc trưng thay đèn điện tử transistor lưỡng cực Máy tính hệ có tên TX-0 (transistorized experimental computer 0) Hình 3: Dòng máy DEC PDP – 1(1960) 1.1.3 Thế hệ thứ ba: (1965-1980) Máy tính dùng mạch tích hợp (cịn gọi mạch vi điện tử - IC) cho phép đặt hàng chục transistor vỏ(chip) , nhờ người ta chế tạo máy tính nhỏ hơn, nhanh rẻ máy tính dùng Transistor đời trước Điển hình hệ máy System/360 IBM Thế hệ máy tính có bước đột phá sau: - Tính tương thích cao: Các máy tính họ có khả chạy chương trình, phần mềm - Đặc tính đa chương trình: Tại thời điểm có vài chương trình nằm nhớ số cho chạy chương trình khác chờ hồn thành thao tác vào/ra - Không gian địa lớn (224byte = 16Mb) Hình 4: Dịng máy IBM System 360 (1964) 1.1.4 Thế hệ thứ tư: (1980- ) Máy tính xây dựng vi mạch cỡ lớn (LSI) cực lớn (VLSI) Đây hệ máy tính số ngày nay, nhờ cơng nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc, mà người ta chế tạo mạch tổ hợp mức độ cực lớn Nhờ máy tính ngày nhỏ hơn, nhẹ hơn, mạnh giá thành rẻ Máy tính cá nhân bắt đầu xuất phát triển thời kỳ Dựa vào kích thước vật lý, hiệu suất lĩnh vực sử dụng, người ta thường chia máy tính số hệ thứ tư thành loại chính, loại phủ lên phần: - Microcomputer: Còn gọi PC (personal computer), máy tính nhỏ, có chip vi xử lý số thiết bị ngoại vi Thường dùng cho người, dùng độc lập dùng mạng máy tính Hình 5: PC (personal computer) - Minicomputer: Là máy tính cỡ trung bình, kích thước thường lớn PC Nó thực ứng dụng mà máy tính cỡ lớn thực Nó có khả hỗ trợ hàng chục đến hàng trăm người làm việc Minicomputer sử dụng rộng rãi ứng dụng thời gian thực, ví dụ điều khiển hàng khơng, tự động hố sản xuất Hình 6: Minicomputer - Supermini: Là máy Minicomputer có tốc độ xử lý nhanh họ Mini thời điểm định Supermini thường dùng hệ thống phân chia thời gian, ví dụ máy chủ mạng Hình 7: Supermini - Mainframe: Là máy tính cỡ lớn, có khả hỗ trợ cho hàng trăm đến hàng ngàn người sử dụng Thường sử dụng chế độ công việc xếp theo lô lớn (Large-Batch-Job) xử lý giao dịch (Transaction Processing), ví dụ ngân hàng Hình 8: Mainframe - Supercomputer: Đây siêu máy tính, thiết kế đặc biệt để đạt tốc độ thực phép tính dấu phẩy động cao Chúng thường có kiến trúc song song, hoạt động hiệu cao số lĩnh vực Hình 9: Supercomputer 1.2.Phân loại máy tính: 1.2.1.các siêu máy tính: Là thiết bị vượt trội khả tốc độ xử lý ; siêu máy tính có tốc độ xử lý hàng nghìn teraflop (một teraflop tương đương với hiệu suất nghìn tỷ phép tính/giây) hay tổng hiệu suất 6.000 máy tính đại gộp lại (một máy có tốc độ khoảng từ 3-3,8 gigaflop).Đó loại máy tính lại khác xa với desktop, laptop thông thường mà bạn hay sử dụng ngày Bên cạnh việc có kích thước khổng lồ, cịn mang sức mạnh vượt trội nhiều lần so với máy tính cá nhân 10 ... học/mô đun: - Về kiến thức: + Hiểu biết lịch sử máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính + Trình bày thành phần kiến trúc máy tính, tập lệnh Các kiểu kiến trúc máy tính: mơ tả kiến trúc, kiểu... doanh nghiệp, xử lý giao tác thương mại Hình 11 Máy tính lớn 1.2.3 .Máy tính Mini: Máy tính Mini loại máy tính cỡ trung, giá máy tính Mini từ vài chục đến vài trăm ngàn USD 11 Hình 12 Máy tính Mini... hệ máy System/360 IBM Thế hệ máy tính có bước đột phá sau: - Tính tương thích cao: Các máy tính họ có khả chạy chương trình, phần mềm - Đặc tính đa chương trình: Tại thời điểm có vài chương trình