Bài giảng cấu trúc máy tính chương 2 ths nguyễn thị phong dung

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Bài giảng mơn học: CẤU TRÚC MÁY TÍNH Số tín chỉ: Tổng số tiết: 60 tiết (30 LT + 30 TH) GV: ThS Nguyễn Thị Phong Dung Email : ntpdung@ntt.edu.vn Mơn học: CẤU TRÚC MÁY TÍNH Chương • Tổng quan máy tính Chương • Biểu diễn số học máy tính Chương • Hệ thống máy tính Chương • CPU (Central Processing Unit) Chương • Bộ nhớ máy tính (Memory) Chương • Thiết bị giao tiếp – Thiết bị ngoại vi Chương • Cài đặt máy tính Chương • Sao lưu phục hồi -2- Chương – Biểu diễn số học máy tính Kỹ thuật số máy tính Cơ hệ đếm Lưu trữ truyền liệu số Tính tốn số học máy tính Biểu diễn số âm số bù Biểu diễn số dạng BCD -3- Kỹ thuật số máy tính • Khái niệm “kỹ thuật số” (Digital) • Là kỹ thuật lưu trữ / xử lý / truyền, nhận /… liệu dạng chuỗi số trạng thái (gọi bit) • Thơng tin (dữ liệu) dạng Analog “số hóa” thành bít (tín hiệu Digital) đưa vào máy tính • Tín hiệu Digital giải mã thành Analog khỏi máy tính -4- Kỹ thuật số máy tính • Số hóa liệu Text • Chuẩn ASCII: chữ (character) 🡪 bit (~ Byte) • Chuẩn Unicode: chữ (character) 🡪 16 bit (~ Bytes) • Ví dụ: chữ “A” 🡪 0100 0001 chữ “B” 🡪 0100 0010 chữ “a” 🡪 0110 0001 chữ “b” 🡪 0110 0010 • Tham khảo bảng mã ASCII: -5- Kỹ thuật số máy tính • Số hóa liệu Picture • Ảnh chia thành ma trận chiều (A x B) điểm ảnh (gọi Pixel - picture element) • Mỗi pixel mã hóa màu sắc n bit • Ví dụ: Ảnh 1,200 x 1,800 pixel (ảnh Megapixel – triệu điểm ảnh), mã hóa 24 bit màu (tương đương 16 triệu màu) Ảnh số hóa bởi: 1,200 x 1,800 x 24 bit = 51,840,000 bits (≈ 6,480,000 Bytes ≈ 6,4 MegaBytes) -6- Lưu trữ truyền liệu số • Lưu trữ liệu số: • Phương thức ghi bit (0 1) thiết bị lưu trữ: Mã hóa Bit “0” Bit “1” • Ký tự “A” HDD RAM Cực S hạt từ Lỗ thủng 0.3V - 0.7V Cực N hạt từ Phản quang 3.5V - 5.0V Ghi lên HDD Số hóa Ghi lên HDD • Ký tự “B” CD-ROM Số hóa Ghi lên HDD 0 0 S N S S S S S N 0 0 S N S S S S N S Lưu trữ truyền liệu số • Truyền liệu số: • Kiểu truyền nối tiếp (đường truyền Serial bus): • Các bít 0, nối tiếp truyền dây dẫn từ A sang B • Các bit truyền từ B sang A dây dẫn khác 1 0 Thiết bị A 1 Thiết bị B • Truyền song song (đường truyền Parallel bus) • Nhiều bít cần truyền đặt lúc nhiều đường dây nối • Các bít truyền đồng loạt từ A sang B ngược lại • Đường bus n bit đường truyền có n dây nối (n = 4/8/16/32/64…) Thiết bị A 1 Thiết bị B Lưu trữ truyền liệu số • Tần số truyền: • Tần số (Frequency) số lần truyền liệu giây (second) • Đơn vị tính: Hz (Hertz) KHz, MHz, GHz … • Băng thơng đường truyền: • Băng thông (Bandwidth) số cho biết số lượng bits (hoặc bytes) truyền thời gian giây (second) • Đơn vị tính: bps (Bits per second) Kbps, Mbps, Gbps … B/s (Bytes/second) KB/s, MB/s, GB/s … • Cơng thức tính BW Parallel bus: Băng thông = độ rộng bus x tần số truyền / (Bytes/s) • Cơng thức tính BW Serial bus: Băng thông = tần số truyền/10 (Bytes/s) Cơ hệ đếm • Hệ đếm: • Là phương pháp dùng ký hiệu để biểu diễn dãy số tự nhiên • Tên hệ đếm số lượng ký hiệu sử dụng • Các hệ đếm thơng dụng: Decimal Binary 10 11 100 101 110 111 Hexa Decimal 10 11 12 13 Binary 100 100 101 101 110 110 Hexa A B C D - 10 - Cơ hệ đếm • Các hệ đếm thơng dụng: • Tính chất: Cơ số (b) Khi dùng ký số để biểu diễn số nguyên, giá trị - max là: Khi dùng (n) ký số để biểu diễn số nguyên, giá trị - max là: Biễu diễn hệ đếm số: hoặc: Decimal Binary Hexa 10 16 00 – 99 (0 🡪 99) 00 – 11 00 – FF (0 🡪 3) (0 🡪 255) – bn – 10n – bn – 2n – bn – 16n 101D 10110 101B 1012 101H 10116 - 11 - Cơ hệ đếm • Tính giá trị cho số: • Một số A có n ký số (a), biểu diễn theo số b: • Ví dụ: 102810 (số vị trí i =0, số vị trí i=1,…) • Giá trị A số tính theo cơng thức: • A = an-1bn-1 + … + a1b1 + a0b0 • Ví dụ: tính giá trị số biểu diễn theo hệ đếm: 120810 = 1*103 + 2*102 + 0*101 + 8*100 = 1*1000 + 2*100 + 0*10 + 8*1 = 1000 + 200 + + = 120810 - 12 - Cơ hệ đếm • Tính giá trị cho số: • Ví dụ: tính giá trị số biểu diễn theo hệ đếm: 101102 = 1*24 + 0*23 + 1*22 + 1*21 + 0*20 = 1*16 + 0*8 + 1*4 + 1*2 + 0*1 = 16 + + + + = 2210 4B816 = 4*162 + B*161 + 8*160 = 4*256 + 11*16 + 8*1 = 1024 + 176 + = 120810 1100 10012 = 27 + 26 + 23 + 20 = 128 + 64 + + = 20110 - 13 - Cơ hệ đếm • Chuyển đổi hệ Thập phân 🡪 hệ Nhị phân: • Ví dụ: Chuyển số 11810 sang hệ Nhị phân: • Dùng phương pháp: chia – lấy dư số • Lược trình số dư theo thứ tự từ lên, ta có số nhị phân 0111 01102 - 14 - Cơ hệ đếm • Chuyển đổi hệ Thập phân 🡪 hệ Nhị phân: • Một cách chuyển đổi khác: • Phân chia số hệ 10 thành tổng số 2n: • Số 11810 = 64 + 32 +16 + + (tương đương: 26 + 25 + 24 + 22 + 21) • Viết thành số Nhị phân: với vị trí thứ i, có = 1, khơng có =0) 11810 = 0111 01102 • Ví dụ: số 13110 = 128 + + (tương đương: 27 + 21 + 20) = 1000 00112 • Ví dụ: số 21510 = 128 + 64 + 16 + + + (tương đương: 27 + 26 + 24 + 22 + 21 + 20) 21510 = 1101 01112 - 15 - Tính tốn số học máy tính • Tính tốn số học máy tính • Máy tính thực tính tốn số nhị phân (bit) • Tốc độ tính tốn phụ thuộc vào tốc độ CPU (bộ xử lý) chiều dài ghi (Register) • Cơ ghi (Register) CPU: • Vai trị ghi: • CPU nạp thơng tin từ Bộ nhớ vào Thanh ghi • CPU tiến hành xử lý thơng tin ghi • Ghi kết xử lý vào ghi khác • CPU xuất kết từ ghi vào Bộ nhớ • Độ dài ghi: • Tùy cơng nghệ chế tạo CPU => ghi bit / 16 bit / 32 bit / 64 bit • Thanh ghi tiêu chuẩn: bit - 16 - Tính tốn số học máy tính • Biểu diễn số học ghi tiêu chuẩn bit • Nếu lưu trữ số dương: 0000 0000 🡪 1111 1111 (từ đến 255) • Nếu dùng cho số âm dương: • Bit cực trái “0”: bit lại biểu diễn giá trị dương • Bit cực trái “1”: bit cịn lại biểu diễn giá trị âm • Giá trị số biểu diễn ghi bit: từ -127 đến +127 (chỉ bit biểu diễn số) • Ví dụ 0001 00112 🡪 +1910 1001 00012 🡪 -1710 - 17 - Tính tốn số học máy tính • Phép cộng nhị phân: • Ngun tắc: Ví dụ: • Phép trừ nhị phân: • Ngun tắc: Ví dụ: - 18 - Tính tốn số học máy tính • Các phép dịch bít ghi bits: • Phép dịch trái - Bits shift left • Ký hiệu: > • Mã lệnh: SHR - 19 - Tính tốn số học máy tính • Các phép tốn logic: • Phép AND (Ký hiệu: &) A 0 1 B 1 A&B 0 A 0 1 B 1 A|B 1 • Phép XOR (Ký hiệu: ^) A 0 1 • Giống = B 1 • Khác = A^B 1 • A&B A B • Phép OR (Ký hiệu: |) • A|B A B • Phép NOT (Ký hiệu: ! Hoặc: ~): phép đảo bit - 20 - Biểu diễn số âm số bù • Lỗi tính tốn có phần tử số âm • Xét ví dụ: +1910 – 1710 ≈ (0001 00112 + 1001 00012) • Tính: 0001 00112 1001 0001 1010 0100 +1910 -17 -36 - 21 - Biểu diễn số âm số bù • Quy tắc tính bù cho số nhị phân: • Bước 1: đảo tất bit số nhị phân (gọi phép tính bù 1) • Bước 2: cộng thêm vào kết bước • Ví dụ: bù số 0001 00102 Số nhị phân: 0001 00102 Bước (bù 1): 1110 1101 Bước (bù 2): 1110 1110 • Cách tính khác: • Nhìn từ bên phải sang: giữ nguyên bit gặp bít • Đảo tất bit cịn lại phía sau bít • Ví dụ: bù số 0001 00102 • Nhìn từ bên phải sang, giữ nguyên bit màu đỏ: 0001 0010 • Đảo tất bit cịn lại, ta có: 1110 1110 - 22 - Biểu diễn số âm số bù • Số bù sửa lỗi tính tốn có phần tử số âm • Xét ví dụ: +1910 – 1710 (tương đương 0001 00112 + 1001 00012) • Số – 1710 lưu trữ dạng bù là: 1110 1111) • Tính: 0001 0011 +1910 1110 1111 -17 0000 +2 0010 (bit bìa trái bị tràn khỏi ghi bit => bỏ bít này) • Tính giá trị cho số bù (số âm) • Tính bù lần cho số âm cho (trừ bit dấu) • Ví dụ: tính giá trị số âm (bù 2): 1100 1000 • Tính bù cho: 100 1000 => 011 1000 => giá trị: 57 => -57 - 23 - Biểu diễn số dạng BCD • Số BCD • Biểu diễn số hệ Decimal dạng Binary (BCD – Binary Coded Decimal) • Mỗi số BCD dùng bit để biểu diễn 10 ký số (từ đến 9) hệ Decimal • Ví dụ: • Biểu diễn số 83 dạng BCD là: 1000 0011 (số 10002 = 810, số 00112 = 310) • Biểu diễn số 567 dạng BCD là: 0101 0110 0111 - 24 - Thảo Luận 25