giáo trình cấu trúc máy tính ngành công nghệ thông tin trung cấp

Giáo trình cung cÃp cho hãc sinh sinh viên những kiÁn thāc c¢ bÁn và cÃu trúc máy tính, và tá chāc và ho¿t đáng bá vi xā lý, các thành phÅn phÅn trong há tháng máy tính và các bián pháp

BÞ CÔNG TH¯¡NG TR¯âNG CĐ TH¯¡NG M¾I VÀ DU LàCH

GIÁO TRÌNH MÔN HâC: CÂU TRÚC MÁY TÍNH NGÀNH: CÔNG NGHÞ THÔNG TIN (ĀNG DĀNG PHÄN MÀM)

TRÌNH ĐÞ: TRUNG CÂP

(Ban hành kèm theo Quyết định số: 405/QĐ-CĐTM ngày 5 tháng 7 năm 2022

của Tr°ờng Cao đẳng Th°¢ng mại và Du lịch)

Thái Nguyên, năm 2022

(L°u hành nội bộ)

LâI GIàI THIÞU

Chìa khóa để h°ãng tãi mát xã hái thông tin là phát triển công nghá thông tin (CNTT), tuy nhiên để phát triển CNTT lâu dài và bÃn vững, không phÁi chß đào t¿o những kiÁn thāc mãi nhÃt, mà trong nái dung đào t¿o cũng phÁi trang bá hãc sinh sinh viên những kiÁn thāc nÃn tÁng, trên c¢ sç đó t¿o cho hãc sinh sinh viên phát huy tính sáng t¿o, chÿ đáng trong viác tiÁp thu nghiên cāu, āng dụng CNTT Do đó, trong các tr°ång đào t¿o, hãc sinh sinh viên phÁi đ°ợc trang bá các kiÁn thāc nÃn tÁng và CNTT

và trong đó thể thiÁu là môn hãc CÃu trúc máy tính

Hián nay có nhiÃu giáo trình cÃu trúc máy tính, tuy nhiên hÅu hÁt các giáo trình chß đáp āng các đái t°ợng là sinh viên đ¿i hãc Giáo trình này viÁt chÿ yÁu cho đái t°ợng là hãc sinh sinh viên các tr°ång d¿y nghÃ

Giáo trình cung cÃp cho hãc sinh sinh viên những kiÁn thāc c¢ bÁn và cÃu trúc máy tính, và tá chāc và ho¿t đáng bá vi xā lý, các thành phÅn phÅn trong há tháng máy tính và các bián pháp kĩ thuÁt c¢ bÁn CÃu trúc máy tính là môn hãc c¢ sç để hãc sinh sinh viên có thể thực hành bÁo trì há tháng máy tính

Vì thåi gian có h¿n và đây cũng là lÅn đÅu tiên giáo trình đ°ợc so¿n thÁo nên không thể tránh khßi thiÁu sót RÃt mong nhÁn ý kiÁn đóng góp b¿n đãc

Xin chân thành cảm!

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 6 năm 2022

Nhóm tác giÁ tham gia biên so¿n:

1 Chÿ biên Ths Hoàng TiÁn HiÁu

2 Ths Hoàng Văn Tâm

3 Ths Nguyßn Thá Dung

4 Ths Nguyßn Thá Diáp Hßng

MĀC LĀC

TUYÊN Bà BÀN QUYÂN 2

LäI GIâI THIàU 3

GIÁO TRÌNH MÔN HâC 6

CH¯¡NG 1:TàNG QUAN V CÂU TRÚC MÁY TÍNH 11

1 Các mốc lịch sử phát triển công nghệ máy tính 13

2 Thông tin và sự mã hóa thông tin 16

2.1 Khái niám thông tin và l°ợng thông tin 16

2.2 Sự mã hóa thông tin 17

3 Đặc điểm của các thế hệ máy tính điện tử 24

3.1 ThÁ há thā nhÃt: (1945-1955) 24

3.2 ThÁ há thā hai: (1955-1965) 24

3.3 ThÁ há thā ba: (1965-1980) 24

3.4 ThÁ há thā t°: (1980- nay ) 25

4 Kiến trúc và tổ chức máy tính 25

4.1 Khái niám kiÁn trúc máy tính 25

4.2 Khái niám tá chāc máy tính 26

5 Các mô hình kiến trúc máy tính 26

5.1 Mô hình kiÁn trúc Von Neumann 26

5.2 Mô hình kiÁn trúc Havard 27

CÂU HàI VÀ BÀI TÀP 28

CH¯¡NG 2: KIÀN TRÚC PHÄN MÂM Bà XĀ LÝ 30

1 Các thành phần c¢ bản của máy tính 32

1.1 Bá xā lý trung tâm (CPU) 33

1.2 Bá nhã máy tính 34

1.3 Há tháng vào - ra 35

1.4 Liên kÁt há tháng 36

2 Kiến trúc các tÁp lệnh CISC và RISC 37

2.1 KiÁn trúc tÁp lánh CISC 37

2.2 KiÁn trúc tÁp lánh RISC 38

3 Mã lệnh 39

3.1 Khái niám lánh máy, mã lánh 39

3.2 TÁp lánh 40

CÂU HàI VÀ BÀI TÀP 46

CH¯¡NG 3: Tà CHĀC Bà VI XĀ LÝ 47

1 S¢ đồ khối của bộ xử lý 49

2 Đ°ờng d¿n dữ liệu 50

1.1 Các thành phÅn đ°ång d¿n dữ liáu 50

1.2 Nhiám vụ cÿa đ°ång d¿n dữ liáu 50

3 Bộ điều khiển 52

3.1 Chāc năng bá điÃu khiển 52

3.2 Các ph°¢ng pháp thiÁt kÁ bá điÃu khiển 52

4 Tiến trình thực hiện lệnh máy 54

4.1 Đãc lánh 54

4.3 Thi hành lánh 55

4.4 Thâm nhÁp bá nhã trong 55

4.5 L°u trữ kÁt quÁ 56

CÂU HàI VÀ BÀI TÀP 56

CH¯¡NG 4: Hà THàNG NHâ 57

1 Phân loại bộ nhớ 59

1.1 Phân lo¿i bá nhã theo ph°¢ng pháp truy nhÁp 59

1.2 Phân lo¿i theo đãc ghi cÿa bá nhã 59

2 Các loại bộ nhớ bán d¿n 59

2.1 ROM (Read Only Memory) 59

2.2 RAM (Random Access Memory) 60

2.3 ThiÁt kÁ môdun nhã bán d¿n 62

3 Hệ thống nhớ phân cấp 63

4 Kết nối bộ nhớ với bộ xử lý 65

5 Các tổ chức cache 66

5.1 Cache (bá nhã đám nhanh) 66

5.2 Tá chāc cache 66

5.3 Các ph°¢ng pháp ánh x¿ đáa chß 67

CÂU HàI VÀ BÀI TÀP 71

CH¯¡NG 5: THIÀT Bà NHÀP XUÂT 72

1 Các thiết bị nhớ trên vÁt liệu từ 74

1.1 Đĩa tÿ (đĩa cāng, đĩa mÃm) 74

1.2 Băng tÿ 76

2 Thiết bị nhớ quang hßc 77

2.1 CD-ROM, CD-R/W 77

2.2 DVD-ROM, DVD-R/W 77

2.3 Bluray 78

3 Các loại thẻ nhớ 78

4 An toàn dữ liệu trong l°u trữ 79

4.2 Các lo¿i RAID 79

CÂU HàI VÀ BÀI TÀP 83

CH¯¡NG 6: CÁC LO¾I BUS 84

1 Định nghĩa bus, bus hệ thống 86

1.1 Đánh nghĩa bus 86

1.2 Bus há tháng(System bus) 86

2 Bus đồng bộ và không đồng bộ 86

2.1 Bus đßng bá 86

2.2 Bus không đßng bá 86

3 Hệ thống bus phân cấp 87

3.1 Bus nái bá xā lý vãi bá nhã 87

3.2 Bus vào – ra:(BUS nái ngo¿i vi) 87

4 Các loại bus sử dụng trong các hệ thống vi xử lý 89

CÂU HàI VÀ BÀI TÀP CH¯¡NG 6 90

TÀI LIàU THAM KHÀO 91

GIÁO TRÌNH MÔN HâC

1 Tên môn hãc: CÃu trúc máy tính

3 Vá trí, tính chÃt, ý nghĩa và vai trò cÿa môn hãc cÿa môn hãc:

3.1 Vá trí: Môn hãc CÃu trúc máy tính đ°ợc bá trí hãc sau các môn hãc chung 3.2 Tính chÃt: Là môn hãc c¢ sç thuác môn hãc đào t¿o nghà bắt buác

3.3 Ý nghĩa và vai trò môn hãc: đây là môn c¢ sç, cung cÃp cho sinh viên các kiÁn

thāc và cÃu trúc máy tính cÿa nghà Công nghá thông tin (Āng dụng phÅn mÃm)

A5 Trình bày đ°ợc chāc năng và nguyên lý ho¿t đáng cÿa các lo¿i bá nhã

A6 Trình bày ph°¢ng pháp l°u trữ dữ liáu đái vãi bá nhã ngoài

4.2 VÁ kỹ năng

B1 Phân lo¿i đ°ợc các thÁ há máy tính và các lo¿i máy tính

B2 Phân biát đ°ợc các thành phÅn c¢ bÁn cÿa kiÁn trúc máy tính, các tÁp lánh Các kiểu kiÁn trúc máy tính: mô tÁ kiÁn trúc, các kiểu đánh vá

B3 NhÁn biÁt đ°ợc cÃu trúc cÿa bá xā lý trung tâm: tá chāc, chāc năng và nguyên lý ho¿t đáng cÿa các bá phÁn bên trong bá xā lý

B4 NhÁn biÁt đ°ợc dißn tiÁn thi hành mát lánh mã máy và mát sá kỹ thuÁt xā lý thông tin: áng d¿n, siêu áng d¿n, siêu vô h°ãng

B5 NhÁn biÁt đ°ợc chāc năng và nguyên lý ho¿t đáng cÿa các lo¿i bá nhã

B6 NhÁn biÁt đ°ợc ph°¢ng pháp l°u trữ dữ liáu đái vãi bá nhã ngoài

5 Nßi dung cÿa môn hãc

5.1 Ch°¢ng trình khung nghÁ Công nghß thông tin (Āng dāng phÅn mÁm)

Sß TT Tên ch°¢ng, māc

Thãi gian (giã)

T áng sß Lý thuy¿t Thāc hành, thí nghißm, thÁo

luÁn, bài tÁp KiÃm tra

6.2 Trang thiÁt bá máy móc:

- Máy tính, máy chiÁu

6.3 Hãc liáu, dụng cụ, nguyên vÁt liáu:

- Giáo án, bài giÁng

- Giáo trình nái bá và các tài liáu giÁng d¿y khác hß trợ bài giÁng

6.4 Các điÃu kián khác: Không

7 Nßi dung và ph°¢ng pháp đánh giá:

7.1 Nßi dung:

- KiÁn thāc: Đánh giá tÃt cÁ nái dung đã nêu trong mục tiêu kiÁn thāc

- Kỹ năng: Đánh giá tÃt cÁ nái dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng

- Năng lực tự chÿ và trách nhiám: Trong quá trình hãc tÁp, ng°åi hãc cÅn: + Nghiên cāu bài tr°ãc khi đÁn lãp

+ Tham gia đÅy đÿ thåi l°ợng môn hãc

+ Nghiêm túc trong quá trình hãc tÁp

- Quy chÁ Tá chāc đào t¿o trình đá trung cÃp, trình đá cao đẳng theo ph°¢ng thāc tích lũy mô-đun hoÁc tín chß cÿa Nhà tr°ång ban hành kèm theo QuyÁt đánh sá 246/QĐ-CĐTMDL ngày 1 tháng 6 năm 2022 cÿa Hiáu tr°çng Tr°ång cao đẳng Th°¢ng m¿i và Du lách và h°ãng d¿n cụ thể theo tÿng môn hãc/mô-đun trong ch°¢ng trình đào t¿o

kiÃm tra

Th°ång xuyên nghiám + Trắc

Tự luÁn

Trắc nghiám +

Tự luÁn

A1, A2, B1, B2, C1, C2

1 Sau 8 giå

Tự luÁn

Trắc nghiám +

Tự luÁn

A1, A2, A3, A4, A5, A6 B1, B2, B3, B4, B5, B6 C1, C2

2 Sau 15 giå

KÁt thúc môn hãc nghiám + Trắc

Tự luÁn

Trắc nghiám +

Tự luÁn

A1, A2, A3, A4, A5, A6 B1, B2, B3, B4, B5, B6 C1, C2, C3,

1 Sau 30 giå

7.2.3 Cách tính điÃm

- Điểm đánh giá thành phÅn và điểm thi kÁt thúc môn hãc đ°ợc chÃm theo thang

8.1 Ph¿m vi, đßi t°ÿng áp dāng: Môn hãc đ°ợc sā dụng để giÁng d¿y cho nghÃ

Công nghá thông tin - Āng dụng phÅn mÃm Táng thåi gian thực hián môn hãc là: 30 giå, giáo viên giÁng các giå lý thuyÁt, kÁt hợp vãi các giå bài tÁp đan xen

8.2 Ph°¢ng pháp giÁng d¿y, hãc tÁp môn hãc

8.2.1 Đßi vái ng°ãi d¿y:

* L ý thuy¿t: Áp dụng ph°¢ng pháp d¿y hãc tích cực bao gßm: thuyÁt trình

ngắn, nêu vÃn đÃ, h°ãng d¿n đãc tài liáu, bài tÁp tình huáng, câu hßi thÁo luÁn&

* Bài tÁp: Phân chia nhóm nhß thực hián bài tÁp theo nái dung đà ra

* Thāc hành: Phân chia thực hành theo nái dung đà ra

* H°áng d¿n tā hãc theo nhóm: Nhóm tr°çng phân công các thành viên trong

nhóm tìm hiểu, nghiên cāu theo yêu cÅu nái dung trong bài hãc, cÁ nhóm thÁo luÁn, trình bày nái dung, ghi chép và viÁt báo cáo nhóm

8.2.2 Đßi vái ng°ãi hãc:

- Nghiên cāu kỹ bài hãc t¿i nhà tr°ãc khi đÁn lãp Các tài liáu tham khÁo s¿ đ°ợc cung cÃp ngußn tr°ãc khi ng°åi hãc vào hãc môn hãc này (trang web, th° vián,

tài liáu )

- Tham dự tái thiểu 80% các buái giÁng lý thuyÁt NÁu ng°åi hãc vắng >20%

sá tiÁt lý thuyÁt phÁi hãc l¿i môn hãc mãi đ°ợc tham dự kì thi lÅn sau

- Tự hãc và thÁo luÁn nhóm: là mát ph°¢ng pháp hãc tÁp kÁt hợp giữa làm viác theo nhóm và làm viác cá nhân Mát nhóm gßm 8-10 ng°åi hãc s¿ đ°ợc cung cÃp chÿ

đà thÁo luÁn tr°ãc khi hãc lý thuyÁt, thực hành Mßi ng°åi hãc s¿ cháu trách nhiám

và 1 hoÁc mát sá nái dung trong chÿ đà mà nhóm đã phân công để phát triển và hoàn thián tát nhÃt toàn bá chÿ đà thÁo luÁn cÿa nhóm

- Tham dự đÿ các bài kiểm tra th°ång xuyên, đánh kỳ

- Tham dự thi kÁt thúc môn hãc

- Chÿ đáng tá chāc thực hián giå tự hãc

9 Tài lißu tham khÁo:

(1) Ts Phó Đāc Toàn, Giáo trình CÃu trúc máy tính, Nhà xuÃt bÁn Hà Nái - 2005 (2) Nguyßn Hữu Lác, Giáo trình CÃu trúc máy tính, Đ¿i hãc Đà L¿t

(3) Giáo trình Vi xā lý và CÃu trúc máy tính, Nhà xuÃt bÁn Giáo dục

(4) Giáo trình CÃu trúc máy tính, Tr°ång CĐ Nghà Đà N¿ng

CH¯¡NG 1:TàNG QUAN VÀ CÂU TRÚC MÁY TÍNH

- Giúp sinh viên hiểu lách sā phát triển cÿa máy tính

- BiÁt đ°ợc các thành tựu cÿa máy tính

- Hiểu đ°ợc khái niám và thông tin

- Hiểu các cách biÁn đái c¢ bÁn cÿa há tháng sá, các bÁng mã thông dụng đ°ợc

dùng để biểu dißn các ký tự

➢ Về kỹ năng:

- Phân lo¿i đ°ợc các lo¿i máy tính

- NhÁn biÁt các thành tựu cÿa máy tính

- Thực hián biÁn đái đ°ợc các há tháng sá và các bÁng mã thông dụng

- Đái vãi ng°åi d¿y: sā dụng ph°¢ng pháp giÁng giÁng d¿y tích cực (dißn giÁng, vÃn đáp); yêu cÅu ng°åi hãc thực hián trÁ låi câu hßi và bài tÁp Ch°¢ng 1 (cá nhân hoÁc nhóm)

- Đái vãi ng°åi hãc: chÿ đáng đãc tr°ãc giáo trình (Ch°¢ng 1) tr°ãc buái hãc; hoàn thành đÅy đÿ bài tÁp Ch°¢ng 1 theo cá nhân hoÁc nhóm và náp l¿i cho ng°åi d¿y đúng thåi gian quy đánh

➢ Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng:

- Phòng hãc lý thuyÁt, thực hành đ°ợc trang bá há tháng đèn đÿ ánh sáng

- Bàn ghÁ cho sinh viên

- Bàn ghÁ giáo viên, bÁng, phÃn

➢ Trang thiết bị máy móc:

- Máy tính, máy chiÁu

➢ Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu:

- Giáo án, bài giÁng

- Giáo trình nái bá và các tài liáu giÁng d¿y khác hß trợ bài giÁng

➢ Các điều kiện khác: Không có

- Nßi dung:

✓ KiÁn thāc: Kiểm tra và đánh giá tÃt cÁ nái dung đã nêu trong mục tiêu kiÁn thāc

✓ Kỹ năng: Đánh giá tÃt cÁ nái dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng

✓ Năng lực tự chÿ và trách nhiám: Trong quá trình hãc tÁp, ng°åi hãc cÅn: + Nghiên cāu bài tr°ãc khi đÁn lãp

+ Chuẩn bá đÅy đÿ tài liáu hãc tÁp

+ Tham gia đÅy đÿ thåi l°ợng môn hãc

+ Nghiêm túc trong quá trình hãc tÁp

✓ Điểm kiểm tra th°ång xuyên: Không có

✓ Kiểm tra đánh kỳ: Không có

NÞI DUNG CH¯¡NG 1

1 Các mßc lách sā phát triÃn công nghß máy tính

30 năm tr°ãc, 5150 ra đåi đã phá vỡ mãi quan điểm tr°ãc đó và máy tính LÅn đÅu tiên, máy tính đ°ợc nhìn nhÁn nh° mát thiÁt bá có kích th°ãc vÿa phÁi, hợp túi tiÃn và đ°ợc công chúng chú ý nhiÃu h¢n

1982: Franklin Ace 100

Đây là chiÁc máy tính gây ra vụ kián và bÁn quyÃn phÅn mÃm đÅu tiên trong lách sā Acer bá Apple kián vì vi ph¿m nhãn hiáu hàng hóa khi sao chép phÅn cāng và phÅn mÃm cÿa máy tính Apple II cho Franklin Ace 100 Trong vụ kián này, phÅn thắng thuác và Apple

1982: Commodore 64

Có thể coi Commodore là máy tính dành cho há gia đình nái tiÁng nhÃt Tÿ năm 1982 tãi năm 1993, gÅn 30 triáu máy Commodore 64 đã đ°ợc bán ra trên toàn thÁ giãi

XT là bÁn nâng cÃp máy tính cá nhân 5150 đÅu tiên cÿa IBM XT có á cāng trong 10 MB SÁn phẩm này cÿa IBM sau đó nhanh chóng trç thành máy tính tiêu chuẩn

1983: Apple Lisa Lisa là máy tính tiêu dùng đÅu tiên có giao dián đß hãa Tuy nhiên, cái giá 10.000

USD trç thành rào cÁn đ°a sÁn phẩm đÁn vãi ng°åi tiêu dù

1984: Macintosh Macintosh thu đ°ợc thành công vang dái tãi māc 30 năm đó, các sÁn phẩmmáy tính hián nay cÿa Apple v¿n đ°ợc coi là hÁu duá trực tiÁp cÿa Macintosh Macintosh cũng có giao dián đß hãa nh° Lisa nh°ng māc giá "mÃm" h¢n rÃt nhiÃu giúp sÁn phẩm này dß tiêu thụ h¢n

1990: NeXT Máy tính NeXT đ°ợc sÁn xuÃt bçi công ty riêng cÿa Steve Jobs thành lÁp sau khi ông råi Apple vào năm 1985 Tuy nhiên, chiÁc máy tính này trç nên quan trãng

vì 1 lý do khác: đây là m¿u máy tính đÅu tiên đ°ợc Tim Berners-Lee dùng làm máy chÿ World Wide Web

1996: Deep Blue Năm 1994, máy tính Deep Thought cÿa IBM bá kián t°ãng cå vua Garry Kasparov đánh b¿i mát cách dß dàng Tháng 2 năm 1996, máy tính Deep Blue đánh thắng Garry Kasparov trong hiáp đÃu đÅu tiên Đây là lÅn đÅu tiên mát đ°¢ng kim vô đách thÁ giãi thÃt b¿i trong mát ván cåtr°ãc đái thÿ máy tính.Tuy nhiên, các hiáp sauđó Deepđã bá Garry Kasparov chinh phục Sau lÅn thÃt b¿i này, các kỹ s° IBM ra sāc nghiên cāu nâng cÃp Deep Blue và trç l¿i "phục thù", đánh b¿i kián t°ãng cå vua vào năm 1997, trình dißn khÁ năng xā lý ch°a tÿng thÃy trong lách sā tr°ãc đó

1998: iMac iMac đã xóa đi hình Ánh nhàm chán cÿa những chiÁc máy tính cá nhân màu xám cục mách Apple đã cách m¿ng hóa hình Ánh máy tính vãi những m¿u iMacnhiÃu màu sắc sÁc sỡ

Hián t¿i là iPad?

Lo¿i "máy tính di đáng" này v¿n còn gây ra nhiÃu tranh cãi vãimái nghi ngå liáumáy tính bÁng nói chung và iPad nói riêng có phÁi chß là "mát nhÃt thåi" Dù sao hãy thā xem trong vòng 5 năm, máy tính s¿ thay đái nh° thÁ nào nữa vãi iPad

2 Thông tin và sā mã hóa thông tin

2.1 Khái nißm thông tin và l°ÿng thông tin

a) Khái niệm thông tin

Thông tin về 2 trạng thái có ý nghĩa của hiệu điện thế

Khái niám và thông tin gắn liÃn vãi sự hiểu biÁt mát tr¿ng thái cho s¿n trong nhiÃu tr¿ng thái có thể có vào mát thåi điểm cho tr°ãc

Trong hình này, chúng ta quy °ãc có hai tr¿ng thái có ý nghĩa: tr¿ng thái thÃp khi hiáu đián thÁ thÃp h¢n VL và tr¿ng thái cao khi hiáu đián thÁ lãn h¢n VH Để có thông tin, ta phÁi xác đánh thåi điểm ta nhìn tr¿ng thái cÿa tín hiáu Thí dụ, t¿i thåi điểm t1 thì tín hiáu ç tr¿ng thái thÃp và t¿i thåi điểm t2 thì tín hiáu ç tr¿ng thái cao

b) Lượng thông tin

Thông tin đ°ợc đo l°ång bằng đ¢n vá thông tin mà ta gãi là bit L°ợng thông tin đ°ợc đánh nghĩa bçi công thāc:

I = Log2(N) Trong đó: I: là l°ợng thông tin tính bằng bit

N: là sá tr¿ng thái có thể có

có Thí dụ, sự hiểu biÁt cÿa mát tr¿ng thái trong 16 tr¿ng thái có thể āng vãi mát l°ợng thông tin là:

I = Log2(16) = 4 bit Tám tr¿ng thái đ°ợc ghi nhÁn nhå 4 sá nhá phân (mßi sá nhá phân có thể có giá trá 0 hoÁc 1)

Nh° vÁy l°ợng thông tin là sá con sá nhá phân cÅn thiÁt để biểu dißn sá tr¿ng thái có thể có Do vÁy, mát con sá nhá phân đ°ợc gãi là mát bit Mát tÿ n bit có thể t°ợng tr°ng mát tr¿ng thái trong táng sá 2n tr¿ng thái mà tÿ đó có thể t°ợng tr°ng

VÁy mát tÿ n bit t°¢ng āng vãi mát l°ợng thông tin n bit Ví dụ : Tám trạng thái khác nhau ứng với 3 số nhị phân

Ví dụ mát quy tắc mã hóa đ¢n giÁn:

TÃt cÁ các ký tự đÃu bá thay thÁ bằng ký tự thā 4 phía tr°ãc nó trong bÁng chữ cái

BÁng chữ cái gßm: "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVXYZ " VÁy vãi câu:

KY THUAT MA HOA CO BAN

Theo quy tắc trên, K => G, Y => T, " " => V

Sau khi mã hóa s¿ có đ°ợc chußi: GYVPDQXPVIXVDKXVZKVYXJ

Rõ ràng đãc chußi này b¿n s¿ không hiểu đ°ợc nái dung là gì nÁu không có khóa để giÁi mã Khóa đó chính là sá 4 ký tự mà b¿n dách

Khi nhÁn đ°ợc chußi này, b¿n chß cÅn dách ng°ợc trç và bằng cách thay ký tự bằng ký tự thā 4 phía sau nó G => K, T => Y,

Vãi ví dụ trên,

Tắt cÁ các ký tự đÃu bá thay thÁ bằng ký tự thā 4 phía tr°ãc nó trong bÁng chữ cái là mã hóa

thay ký tự bằng ký tự thā 4 phía sau nó là giÁi mã

b) Biểu diễn số trong máy tính

Khái niám há tháng sá: C¢ sç cÿa mát há tháng sá đánh nghĩa ph¿m vi các giá trá có thể có cÿa mát chữ sá Ví dụ: trong há thÁp phân, mát chữ sá có giá trá tÿ 0-9, trong há nhá phân, mát chữ sá (mát bit) chß có hai giá trá là 0 hoÁc 1

V k : Số cần biểu diễn giá trị

Mát máy tính đ°ợc chÿ yÁu cÃu t¿o bằng các m¿ch đián tā có hai tr¿ng thái

Vì vÁy, rÃt tián lợi khi dùng các sá nhá phân để biểu dißn sá tr¿ng thái cÿa các m¿ch đián hoÁc để mã hoá các ký tự, các sá cÅn thiÁt cho vÁn hành cÿa máy tính

* Để biến đổi một số hệ thÁp phân sang nhị phân, ta có hai ph°¢ng thức biến đổi:

- Ph°¢ng thāc sá d° để biÁn đái phÅn nguyên cÿa sá thÁp phân sang nhá phân

Ví dụ: Đái 23.37510 sang nhá phân Chúng ta s¿ chuyển đái phÅn nguyên dùng ph°¢ng thāc sá d°:

0.375 x 2 = 0.75 PhÅn nguyên = 0

0.5 x 2 = 1.0 PhÅn nguyên = 1 KÁt quÁ: (0.375)10 = (0.011)2

Nh° vÁy, dựa vào cách biÁn đái sá trong bÁng nêu trên, chúng ta có ví dụ

và cách biÁn đái các sá trong các há tháng sá khác nhau theo há nhá phân:

- Mát Byte (8 bit) có thể biểu dißn các sá có dÃu tÿ -127 tãi +127

- Có hai cách biểu dißn sá không là 0000 0000 (+0) và 1000 0000 (-0)

b) Cách biểu dißn bằng sá bù 1 và sá bù 2

+ Số bù 1:

Trong cách biểu dißn này, sá âm -N đ°ợc có bằng cách thay các sá nhá phân

di cÿa sá d°¢ng N bằng sá bù cÿa nó (nghĩa là nÁu di= 0 thì ng°åi ta đái nó thành

c) Cách biểu diễn số nguyên bằng mã BCD (Binary Coder Decimal)

- BCD không gói (Unpacked BCD) : mßi sá BCD 4 bit đ°ợc l°u trữ trong 4 bit thÃp cÿa mßi byte Ví dụ : sá 35 đ°ợc l°u trữ nh° sau :

- BCD gói (Packed BCD): hai sá BCD đ°ợc l°u trữ trong 1 byte

Ví dụ : sá 35 đ°ợc l°u trữ nh° sau :

d) Cách biểu diễn số với dấu chấm động

- Táng quát : mát sá thực X đ°ợc biểu dißn theo kiểu sá dÃu chÃm đáng nh° sau :

+ D¿ng 32 bit :

S E M

bit

S là bit dÃu, S = 0 là sá d°¢ng, S = 1 là sá âm

e (8 bit) là mã excess-127 cÿa phÅn mũ E

e = E + 127 ➔ E = e - 127 giá trá 127 đ°ợc gãi là đá lách (bias)

m (23 bit) là phÅn lẻ cÿa phÅn đánh trá M

M = 1.m Công thāc xác đánh giá trá cÿa sá thực :

- Các bit cÿa e bằng 0, các bit cÿa m bằng 0, thì X =  0

- Các bit cÿa e bằng 1, các bit cÿa m bằng 0, thì X =  

- Các bit cÿa e bằng 1, còn m có ít nhÃt mát bit bằng 1, thì nó không biểu dißn cho sá nào cÁ (NaN - Not a number)

- GiÁi giá trá biểu dißn là: 10-308 đÁn 10+308

3 Đặc điÃm cÿa các th¿ hß máy tính đißn tā

3.1 Th¿ hß thā nhÃt: (1945-1955)

Máy tính đ°ợc xây dựng trên c¢ sç đèn đián tā mà mßi đèn t°ợng tr°ng cho

1 bit nhá phân Do đó máy có khái l°ợng rÃt lãn, tác đá chÁm và tiêu thụ đián năng lãn Nh° máy ENIAC bao gßm 18000 đèn đián tā, 1500 r¢-le, nÁng 30 tÃn, tiêu thụ công suÃt 140KW Và kiÁn trúc nó có 20 thanh ghi, mßi thanh ghi chāa 1 sá thÁp phân 10 chữ sá ChiÁc máy đ°ợc lÁp trình bằng cách đÁt vá trí (set) cÿa 6000 chuyển m¿ch (switch) - mßi cái có nhiÃu vát trí và nái vô sá á cắm (socket) vãi mát <rÿng= đÅu cắm (jumper)

Cùng thåi kì này, Giáo s° toán hãc John Von Neumann đã đ°a ra ý t°çng

thiÁt kÁ máy tính IAS (Princeton Institute for Advanced Studies): ch°¢ng trình đ°ợc

l°u trong bá nhã, bá điÃu khiển s¿ lÃy lánh và biÁn đái giá trá cÿa dữ liáu trong phÅn

bá nhã, bá sá hãc và logic (ALU: Arithmetic And Logic Unit) đ°ợc điÃu khiển để tính toán trên dữ liáu nhá phân, điÃu khiển ho¿t đáng cÿa các thiÁt bá vào ra Đây là mát ý t°çng nÃn tÁng cho các máy tính hián đ¿i ngày nay Máy tính này còn đ°ợc gãi là máy tính Von Neumann

3.2 Th¿ hß thā hai: (1955-1965)

Máy tính đ°ợc xây dựng trên c¢ sç là các đèn bán d¿n (transistor), Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1948 và do đó thÁ há thā hai cÿa máy tính đ°ợc đÁc tr°ng bằng sự thay thÁ các đèn đián tā bằng các transistor l°ỡng cực Máy tính đÅu tiên thÁ há này có tên là TX-0 (transistorized experimental computer 0)

3.3 Th¿ hß thā ba: (1965-1980)

Máy tính dùng m¿ch tích hợp (còn gãi là m¿ch vi đián tā - IC) cho phép có thể đÁt hàng chục transistor trong mát vß(chip) , nhå đó ng°åi ta có thể chÁ t¿o các máy tính nhß h¢n, nhanh h¢n và rẻ h¢n các máy tính dùng Transistor ra đåi tr°ãc

nó Điển hình là thÁ há máy System/360 cÿa IBM ThÁ há máy tính này có những b°ãc đát phá mãi nh° sau:

- Tính t°¢ng thích cao: Các máy tính trong cùng mát hã có khÁ năng ch¿y các ch°¢ng trình, phÅn mÃm cÿa nhau

- ĐÁc tính đa ch°¢ng trình: T¿i mát thåi điểm có thể có vài ch°¢ng trình nằm trong bá nhã và mát trong sá đó đ°ợc cho ch¿y trong khi các ch°¢ng trình khác chå hoàn thành các thao tác vào/ra

- Không gian đáa chß rÃt lãn (224 byte = 16Mb)

3.4 Th¿ hß thā t°: (1980- nay )

Máy tính đ°ợc xây dựng trên các vi m¿ch cỡ lãn (LSI) và cực lãn (VLSI)

Đây là thÁ há máy tính sá ngày nay, nhå công nghá bán d¿n phát triển v°ợt bÁc, mà ng°åi ta có thể chÁ t¿o các m¿ch tá hợp ç māc đá cực lãn Nhå đó máy tính ngày càng nhß h¢n, nhẹ h¢n, m¿nh h¢n và giá thành rẻ h¢n Máy tính cá nhân bắt đÅu xuÃt hián và phát triển trong thåi kỳ này

Dựa vào kích th°ãc vÁt lý, hiáu suÃt và lĩnh vực sā dụng, hián nay ng°åi ta th°ång chia máy tính sá thÁ há thā t° thành 5 lo¿i chính, các lo¿i có thể trùm lên nhau mát phÅn:

- Microcomputer: Còn gãi là PC (personal computer), là những máy tính nhß, có 1 chip vi xā lý và mát sá thiÁt bá ngo¿i vi Th°ång dùng cho mát ng°åi, có thể dùng đác lÁp hoÁc dùng trong m¿ng máy tính

- Minicomputer: Là những máy tính cỡ trung bình, kích th°ãc th°ång lãn h¢n PC Nó có thể thực hián đ°ợc các āng dụng mà máy tính cỡ lãn thực hián Nó

có khÁ năng hß trợ hàng chục đÁn hàng trăm ng°åi làm viác Minicomputer đ°ợc

sā dụng ráng rãi trong các āng dụng thåi gian thực, ví dụ trong điÃu khiển hàng không, trong tự đáng hoá sÁn xuÃt

- Supermini: Là những máy Minicomputer có tác đá xā lý nhanh nhÃt trong

hã Mini ç những thåi điểm nhÃt đánh Supermini th°ång đ°ợc dùng trong các há tháng phân chia thåi gian, ví dụ các máy quÁn gia cÿa m¿ng

- Mainframe: Là những máy tính cỡ lãn, có khÁ năng hß trợ cho hàng trăm đÁn hàng ngàn ng°åi sā dụng Th°ång đ°ợc sā dụng trong chÁ đá các công viác sắp xÁp theo lô lãn (Large-Batch-Job) hoÁc xā lý các giao dách (Transaction Processing), ví dụ trong ngân hàng

- Supercomputer: Đây là những siêu máy tính, đ°ợc thiÁt kÁ đÁc biát để đ¿t tác đá thực hián các phép tính dÃu phẩy đáng cao nhÃt có thể đ°ợc Chúng th°ång

có kiÁn trúc song song, chß ho¿t đáng hiáu quÁ cao trong mát sá lĩnh vực

4 Ki¿n trúc và tá chāc máy tính

4.1 Khái nißm ki¿n trúc máy tính

KiÁn trúc máy tính là khoa hãc và viác lựa chãn và kÁt nái các thành phÅn phÅn cāng để t¿o ra các máy tính đ¿t đ°ợc các yêu cÅu và chāc năng

(functionality), hiáu năng (performance) và giá thành (cost)

Yêu cÅu chāc năng đòi hßi máy tính phÁi có thêm nhiÃu tính năng phong phúvà hữu ích; yêu cÅu hiáu năng đòi hßi máy tính phÁi đ¿t tác đá xā lý cao h¢n và yêu cÅu giá thành đòi hßi máy tính phÁi càng ngày càng rẻ h¢n

Để đ¿t đ°ợc cÁ ba yêu cÅu và chāc năng,hiáu năng và giá thành là rÃt khó khăn Tuy nhiên, nhå có sự phát triển rÃt m¿nh m¿ cÿa côngnghá vi xā lý, các máy tính ngày nay có tính năng phong phú, nhanh h¢n và rẻ h¢n so vãimáy tính các thÁ

há tr°ãc

KiÁn trúc máy tính đ°ợc cÃu thành tÿ 3 thành phÅn con: (i)

Kiến trúc tÁp lệnh (Instruction SetArchitecture), (ii)

Vi kiến trúc (Micro Architecture) và Thiết kế hệ thống (System Design)

KiÁn trúc tÁp lánh là hình Ánh cÿa mát há tháng máy tính ç māc ngôn ngữ máy.KiÁn trúctÁp lánh bao gßm các thành phÅn: tÁp lánh, các chÁ đá đáa chß, các thanh ghi, khuôn d¿ngđáa chß và dữ liáu

Vi kiÁn trúc là mô tÁ māc thÃp và các thành phÅn cÿa há tháng máy tính, phái ghép vàviác trao đái thông tin giữa chúng.Vi kiÁn trúc giúp trÁ låi hai câu hßi (1) Các thành phÅn phÅn cāng cÿa máy tính kÁt nái vãi nhau nh° thÁ nào?

và (2) Các thành phÅn phÅn cāngcÿa máy tính t°¢ng tác vãi nhau nh° thÁ nào để thực thi tÁp lánh?

ThiÁt kÁ há tháng: bao gßm tÃt cÁ các thành phÅn phÅn cāng cÿa há tháng máy tính, bao gßm: Há tháng phái ghép (các bus và các chuyển m¿ch), Há tháng bá nhã , Các c¢ chÁ giÁm tÁi cho CPU (nh° truy nhÁp trực tiÁp bá nhã ) và Các vÃn đà khác(nh°

đa xā lý và xā lý song song)

4.2 Khái nißm tá chāc máy tính

Tá chāc máy tính hay cÃu trúc máy tính là khoa hãc nghiên cāu và các bá phÁn cÿa máy tínhvà ph°¢ng thāc làm viác cÿa chúng.Vãi đánh nghĩa nh° vÁy, tá chāc máy tính khá gÅn gũi vãi vi kiÁn trúc – mát thành phÅn cÿa kiÁn trúc máy tính Nh° vÁy, có thể thÃy rằng, kiÁn trúc máy tính và khái niám ráng h¢n, nó bao hàm cÁ tá chāc hay cÃu trúc máy tính

5 Các mô hình ki¿n trúc máy tính

5.1 Mô hình ki¿n trúc Von Neumann

KiÁn trúc máy tính von-Neumann đ°ợc nhà toán hãc John von-Neumann đ°a ra vào năm1945 trong mát báo cáo vÃmáy tính EDVACnh° minh ho¿ trên

KiÁn trúc máy tínhvon- Neumann nguyên thuỷ

Các máy tính hián đ¿i ngày nay sā dụng kiÁn trúc máy tính von-Neumann cÁi tiÁn – còn gãi là kiÁn trúc máy tính von-Neumann hián đ¿i,nh° minh ho¿ trên hình bên d°ãi

KiÁn trúcmáy tính von-Neumann hián đ¿i

Các đặc điểm của kiến trúc von-Neumann

KiÁn trúc von- Neumann dựa trên 3 khái niám c¢ sç:(1)Lánh và dữ liáu đ°ợc l°u trữ trong bánhã đãc ghi chia sẻ-mát bá nhã duy nhÃt đ°ợc sā dụng để lưu trữ

cÁ lánh và dữ liáu, (2)Bánhã đ°ợc đánh đáa chß theo vùng, không phụ thuác vào nái dung nó l°u trữ và (3)Các lánh cÿa mát ch°¢ng trình đ°ợc thực hián tuÅn tự Quá trìnhthực hián lánh đ°ợc chia thành3 giai đo¿n (stages) chính:(1)

CPU đãc (fetch) lánh tÿ bá nhã , (2)CPU giÁi mã và thực hián lánh;nÁu lánh yêu cÅu dữ liáu, CPU đãc dữ liáu tÿ bá nhã;và (3)CPU ghi kÁt quÁ thực hián lánh vào

bá nhã (nÁu có)

5.2 Mô hình ki¿n trúc Havard

KiÁn trúc máy tính Harvard là mát kiÁn trúc tiên tiÁn nh° minh ho¿ trên hình

KiÁn trúc máy tính HarvardKiÁn trúc máy tính Harvard chia bá nhã trong thành hai phÅn riêng r¿: Bá nhã l°u ch°¢ngtrình (Program Memory) và Bá nhã l°u dữ liáu (Data Memory) Hai há tháng bus riêng đ°ợc sā dụng để kÁt nái CPU vãi bá nhã l°u ch°¢ng trình

và bá nhã l°u dữ liáu Mßi há tháng bus đÃu có đÅy đÿ ba thành phÅn để truyÃn d¿n các tín hiáu đáa chß, dữ liáu và điÃu khiển

Máy tính dựa trên kiÁn trúc Harvard có khÁ năng đ¿t đ°ợc tác đá xā lý cao h¢n máy tính dựa trên kiÁn trúc von-Neumann do kiÁn trúc Harvard hß trợ hai há tháng bus đác lÁp vãi băngthông lãn h¢n Ngoài ra, nhå có hai há tháng bus đác lÁp, há tháng nhã trong kiÁn trúc Harvard hß trợ nhiÃu lánh truy nhÁp bá nhã t¿i mát thåi điểm, giúp giÁm xung đát truy nhÁp bá nhã, đÁc biát khi CPU sā dụng kỹ thuÁt đ°ång áng (pipeline)

CÂU HäI VÀ BÀI TÀP

1 Dựa vào tiêu chuẩn nào ng°åi ta phân chia máy tính thành các thÁ há?

2 ĐÁc tr°ng c¢ bÁn cÿa các máy tính thÁ há thā nhÃt?

3 ĐÁc tr°ng c¢ bÁn cÿa các máy tính thÁ há thā hai?

4 ĐÁc tr°ng c¢ bÁn cÿa các máy tính thÁ há thā ba?

5 ĐÁc tr°ng c¢ bÁn cÿa các máy tính thÁ há thā t°?

6 Khuynh h°ãng phát triển cÿa máy tính đián tā ngày nay là gì?

7 Viác phân lo¿i máy tính dựa vào tiêu chuẩn nào?

8 Khái niám thông tin trong máy tính đ°ợc hiểu nh° thÁ nào?

9 L°ợng thông tin là gì ?

10 Sự hiểu biÁt và mát tr¿ng thái trong 4096 tr¿ng thái có thể có āng vãi

l°ợng thông tin là bao nhiêu?

12 Sá nhá phân 8 bit (11001100)2, sá này t°¢ng āng vãi sá nguyên thÁp phân

có dÃu là bao nhiêu nÁu sá đang đ°ợc biểu dißn trong cách biểu dißn:

b Sá bù 1

c Sá bù 2

13 Đái các sá sau đây:

a (011011)2 ra sá thÁp phân

b (55.875)10 ra sá nhá phân

14 Biểu dißn sá thực (31.75)10 d°ãi d¿ng sá có dÃu chÃm đáng chính xác đ¢n 32 bit

- Giúp sinh viên biÁt táng quát tÁp lánh cÿa các kiÁn trúc máy tính

- BiÁt đ°ợc các kiểu đánh vá đ°ợc dùng trong kiÁn trúc

- Hiểu đ°ợc đ°ợc kiÁn trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer)

➢ Về kỹ năng:

- Phân lo¿i đ°ợc các lo¿i toán h¿ng

- NhÁn biÁt đ°ợc tÁp lánh cÿa các kiÁn trúc máy tính

➢ Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- Ý thāc đ°ợc tÅm quan trãng và ý nghĩa thực tißn cÿa kiÁn trúc phÅn mÃm bá

xā lý trong nghiên cāu máy tính

- Tích cực, chÿ đáng và hợp tác trong hãc tÁp Thể hián sự nhiát tình, trách nhiám, tác phong nhanh nhẹn trong công viác

- Đái vãi ng°åi d¿y: sā dụng ph°¢ng pháp giÁng giÁng d¿y tích cực (dißn giÁng, vÃn đáp); yêu cÅu ng°åi hãc thực hián trÁ låi câu hßi và bài tÁp Ch°¢ng 2 (cá nhân hoÁc nhóm)

- Đái vãi ng°åi hãc: chÿ đáng đãc tr°ãc giáo trình (Ch°¢ng 2) tr°ãc buái hãc; hoàn thành đÅy đÿ bài tÁp Ch°¢ng 2 theo cá nhân hoÁc nhóm và náp l¿i cho ng°åi d¿y đúng thåi gian quy đánh

➢ Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng:

- Phòng hãc lý thuyÁt, thực hành đ°ợc trang bá há tháng đèn đÿ ánh sáng

- Bàn ghÁ cho sinh viên

- Bàn ghÁ giáo viên, bÁng, phÃn

➢ Trang thiết bị máy móc:

- Máy tính, máy chiÁu

➢ Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu:

- Giáo án, bài giÁng

➢ Các điều kiện khác: Không có

- Nßi dung:

✓ KiÁn thāc: Kiểm tra và đánh giá tÃt cÁ nái dung đã nêu trong mục tiêu kiÁn thāc

✓ Kỹ năng: Đánh giá tÃt cÁ nái dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng

✓ Năng lực tự chÿ và trách nhiám: Trong quá trình hãc tÁp, ng°åi hãc cÅn: + Nghiên cāu bài tr°ãc khi đÁn lãp

+ Chuẩn bá đÅy đÿ tài liáu hãc tÁp

+ Tham gia đÅy đÿ thåi l°ợng môn hãc

+ Nghiêm túc trong quá trình hãc tÁp

✓ Điểm kiểm tra th°ång xuyên: 01 bài kiểm tra (Trắc nghiám + Tự luÁn)

✓ Kiểm tra đánh kỳ: Không có

NÞI DUNG CH¯¡NG 2

1 Các thành phÅn c¢ bÁn cÿa máy tính

Mục tiêu: Hiểu đ°ợc các thành phần c¢ bản của một máy vi tính

Thành phÅn c¢ bÁn cÿa mát bá máy tính gßm: bá xā lý trung tâm (CPU:

Central Processing Unit), bá nhã, các bá phÁn nhÁp-xuÃt thông tin Các bộ phÁn trên đ°ợc kết nối với nhau thông qua các hệ thống bus Há tháng bus bao gßm: bus

đáa chß, bus dữ liáu và bus điÃu khiển Bus đáa chß và bus dữ liáu dùng trong viác chuyển dữ liáu giữa các bá phÁn trong máy tính Bus điÃu khiển làm cho sự trao đái thông tin giữa các bá phÁn đ°ợc đßng bá Thông th°ång ng°åi ta phân biát mát bus

há tháng dùng trao đái thông tin giữa CPU và bá nhã trong (thông qua cache), và mát bus vào - ra dùng trao đái thông tin giữa các bá phÁn vào-ra và bá nhã trong

Bá xā lý trung tâm (CPU)

Đ¢n vá điÃu khiển

(CU) Đ¢n vá sá hãc và

logic (ALU)

TÁp thanh ghi (Registers)

Hình 2.1: Cấu trúc của một hệ máy tính đ¢n giản

Bus đáa chß Bus dÿ lißu

Bus điÁu khiÃn

Há tháng vào ra

Bá nhã

Đ¢n vá sß hãc và logic (ALU)

Thành phÅn c¢ bÁn cÿa mát máy tính bao gßm :

1.1 Bß xā lý trung tâm (CPU)

+ Chāc năng:

- ĐiÃu khiển ho¿t đáng cÿa máy tính

- Xā lý dữ liáu + Nguyên tắc ho¿t đáng c¢ bÁn: CPU ho¿t đáng theo ch°¢ng trình nằm trong bá nhã chính

CÃu trúc c¢ bÁn cÿa CPU:

Bus bên ngoài

Hình 2.2: Cấu trúc c¢ bản của CPU

Đ¢n vá ghép nßi bus (BIU)

Bus bên trong

- Bá nhã trong (Internal Memory)

- Bá nhã ngoài (External Memory)

- Ngăn nhã th°ång đ°ợc tá chāc theo byte

- Nái dung cÿa ngăn nhã có thể thay đái, song đáa chß vÁt lý cÿa ngăn nhã luôn cá đánh

¯ Bá nhã đám nhanh (Cache memory)

- Bá nhã có tác đá nhanh đ°ợc đÁt đám giữa CPU và bá nhã chính nhằm tăng tác đá CPU truy nhÁp bá nhã

- Cache có thể có hoÁc không

Hình 2.4: Bộ nhớ đệm Cache

- Chāc năng và đÁc điểm:

+ L°u giữ tài nguyên phÅn mÃm cÿa máy tính

+ Đ°ợc kÁt nái vãi há tháng d°ãi d¿ng các thiÁt bá vào-ra

- Chāc năng: Trao đái thông tin giữa máy tính vãi thÁ giãi bên ngoài

- Các thao tác c¢ bÁn: + Vào dữ liáu (Input)

+ Ra dữ liáu (Output)

- Các thành phÅn chính:

+ Các thiÁt bá ngo¿i vi (Peripheral Devices): chuyển đái dữ liáu giữa bên trong và bên ngoài máy tính

ThiÁt bá vào: bàn phím, chuát, máy quét

ThiÁt bá ra: màn hình, máy in

+ Các mô-đun vào ra (IO Modules): nái ghép các thiÁt bá ngo¿i vi vãi máy tính

1.4 Liên k¿t hß thßng

Lußng thông tin trong máy tính trong đó có các mô đun trong máy tính nh° CPU, mô đun nhã, mô đun vào ra cÅn đ°ợc kÁt nái vãi nhau

Hình 2.5 KÁt nái mô đun nhã

Hình 2.6 KÁt nái mô đun vào ra

Hình 2.7 KÁt nái CPU

KÁt nái và vÁn chuyển thông tin giữa các thành phÅn vãi nhau.Để thực hián đ°ợc điÃu đó chúng ta có khái niám bus.Bus là đ°ång truyÃn tín hiáu đián chung nái các thiÁt bá khác nhau trong mát há tháng máy tính Bus th°ång bao gßm 50 đÁn 100 dây d¿n đ°ợc gắn chÁt vãi mainboard, trên các dây này có các đ°ång nái đ°a ra, các đÅu này đ°ợc sắp xÁp và cách nhau mát khoÁng quy đánh để có thể cắm vào đó các bÁng m¿ch điÃu khiển vào ra hoÁc bá nhã Chúng ta s¿ tìm hiểu kĩ h¢n há tháng bus ç ch°¢ng 6 trong giáo trình

2 Ki¿n trúc các tÁp lßnh CISC và RISC

Mục tiêu:Hiểu đ°ợc kiến trúc tÁp lệnh Cisc và Risc

2.1 Ki¿n trúc tÁp lßnh CISC

Các kiÁn trúc vãi tÁp lánh phāc t¿p CISC (Complex Instruction Set Computer) đ°ợc nghĩ ra tÿ những năm 1960 Vào thåi kỳ này, ng°åi ta nhÁn thÃy các ch°¢ng trình dách khó dùng các thanh ghi, rằng các vi lánh đ°ợc thực hián nhanh h¢n các lánh và cÅn thiÁt phÁi làm giÁm đá dài các ch°¢ng trình Các đÁc tính này khiÁn ng°åi ta °u tiên chãn các kiểu ô nhã - ô nhã và ô nhã - thanh ghi, vãi những lánh phāc t¿p và dùng nhiÃu kiểu đánh vá ĐiÃu này d¿n tãi viác các lánh

có chiÃu dài thay đái và nh° thÁ thì dùng bá điÃu khiển vi ch°¢ng trình là hiáu quÁ nhÃt

BÁng 2.1 cho các đÁc tính cÿa vài máy CISC tiêu biểu Ta nhÁn thÃy cÁ

ba máy đÃu có điểm chung là có nhiÃu lánh, các lánh có chiÃu dài thay đái NhiÃu cách thực hián lánh và nhiÃu vi ch°¢ng trình đ°ợc dùng

TiÁn bá trong lãnh vực m¿ch kÁt (IC) và kỹ thuÁt dách ch°¢ng trình làm cho các nhÁn đánh tr°ãc đây phÁi đ°ợc xem xét l¿i, nhÃt là khi đã có mát khÁo sát đánh l°ợng và viác dùng tÁp lánh các máy CISC

Bá nhã- bá nhã

0

Bảng 2.1: Đặc tính của một vài máy CISC

2.2 Ki¿n trúc tÁp lßnh RISC

Ví dụ, ch°¢ng trình dách đã biÁt sā dụng các thanh ghi và không có sự khác biát đáng kể nào khi sā dụng ô nhã cho các vi ch°¢ng trình hay ô nhã cho các ch°¢ng trình ĐiÃu này d¿n tãi viác đ°a vào khái niám và mát máy tính vãi tÁp lánh rút gãn RISC vào đÅu những năm 1980 Các máy RISC dựa chÿ yÁu trên mát tÁp lánh cho phép thực hián kỹ thuÁt áng d¿n mát cách thích hợp nhÃt bằng cách thiÁt kÁ các lánh có chiÃu dài cá đánh, có d¿ng đ¢n giÁn, dß giÁi mã Máy RISC dùng kiểu thực hián lánh thanh ghi - thanh ghi Chß có các lánh ghi hoÁc đãc ô nhã mãi cho phép thâm nhÁp vào ô nhã BÁng 2.2 dißn tÁ ba m¿u máy RISC đÅu tiên: m¿u máy cÿa IBM (IBM 801) cÿa Berkeley (RISC1 cÿa Patterson) và cÿa Stanford (MIPS cÿa Hennessy) Ta nhÁn thÃy cÁ ba máy đó đÃu có bá điÃu khiển bằng m¿ch đián (không có ô nhã vi ch°¢ng trình), có chiÃu dài các lánh cá đánh (32 bits), có mát kiểu thi hành lánh (kiểu thanh ghi - thanh ghi) và chß có mát sá ít lánh

ghi

Bảng 2.2 : Đặc tính của ba m¿u đầu tiên máy RISC

Tóm l¿i, ta có thể đánh nghĩa m¿ch xā lý RISC bçi các tính chÃt sau:

- Có mát sá ít lánh (thông th°ång d°ãi 100 lánh )

- Có mát sá ít các kiểu đánh vá (thông th°ång hai kiểu: đánh vá tāc thì và đánh

vá gián tiÁp thông qua mát thanh ghi)

- Có mát sá ít d¿ng lánh (mát hoÁc hai)

- Các lánh đÃu có cùng chiÃu dài

- Chß có các lánh ghi hoÁc đãc ô nhã mãi thâm nhÁp vào bá nhã

- Dùng bá t¿o tín hiáu điÃu khiển bằng m¿ch đián để tránh chu kỳ giÁi mã các

vi lánh làm cho thåi gian thực hián lánh kéo dài

- Bá xā lý RISC có nhiÃu thanh ghi để giÁm bãt viác thâm nhÁp vào bá nhã trong

Ngoài ra các bá xā lý RISC đÅu tiên thực hián tÃt cÁ các lánh trong mát chu kỳ máy

Bá xā lý RISC có các lợi điểm sau :

- Dián tích cÿa bá xā lý dùng cho bá điÃu khiển giÁm tÿ 60% (cho các bá xā lý CISC) xuáng còn 10% (cho các bá xā lý RISC) Nh° vÁy có thể tích hợp thêm vào bên trong bá xā lý các thanh ghi, các cáng vào ra và bá nhã cache

- Tác đá tính toán cao nhå vào viác giÁi mã lánh đ¢n giÁn, nhå có nhiÃu thanh ghi (ít thâm nhÁp bá nhã), và nhå thực hián kỹ thuÁt áng d¿n liên tục và

có hiáu quÁ (các lánh đÃu có thåi gian thực hián giáng nhau và có cùng d¿ng)

- Thåi gian cÅn thiÁt để thiÁt kÁ bá điÃu khiển là ít ĐiÃu này góp phÅn làm giÁm chi phí thiÁt kÁ

- Bá điÃu khiển trç nên đ¢n giÁn và gãn làm cho ít rÿi ro mắc phÁi sai sót

mà ta gÁp th°ång trong bá điÃu khiển

Tr°ãc những điÃu lợi không chái cãi đ°ợc, kiÁn trúc RISC có mát sá bÃt lợi:

➢ Các ch°¢ng trình dài ra so vãi ch°¢ng trình viÁt cho bá xā lý CISC ĐiÃu

này do các nguyên nhân sau : + CÃm thâm nhÁp bá nhã đái vãi tÃt cÁ các lánh ngo¿i trÿ các lánh đãc và ghi vào bá nhã Do đó ta buác phÁi dùng nhiÃu lánh để làm mát công viác nhÃt đánh

+ CÅn thiÁt phÁi tính các đáa chß hiáu dụng vì không có nhiÃu cách đánh vá + TÁp lánh có ít lánh nên các lánh không có s¿n phÁi đ°ợc thay thÁ bằng mát chußi lánh cÿa bá xā lý RISC

➢ Các ch°¢ng trình dách gÁp nhiÃu khó khăn vì có ít lánh làm cho có ít lựa chãn để dißn dách các cÃu trúc cÿa ch°¢ng trình gác Sự cāng nhắc cÿa kỹ thuÁt áng d¿n cũng gây khó khăn

➢ Có ít lánh trợ giúp cho ngôn ngữ cÃp cao

Các bá xā lý CISC trợ giúp m¿nh h¢n các ngôn ngữ cao cÃp nhå có tÁp lánh phāc t¿p Hãng Honeywell đã chÁ t¿o mát máy có mát lánh cho mßi đáng tÿ cÿa ngôn ngữ COBOL

Các tiÁn bá gÅn đây cho phép xÁp đÁt trong mát vi m¿ch, mát bá xā lý RISC nÃn và nhiÃu toán tā chuyên dùng

Thí dụ, bá xā lý 860 cÿa Intel bao gßm mát bá xā lý RISC, bá làm tính vãi các

sá lẻ và mát bá t¿o tín hiáu đß ho¿

3 Mã lßnh

Mục tiêu:nắm đ°ợc lệnh máy,hiểu đ°ợc mã lệnh

3.1 Khái nißm lßnh máy, mã lßnh

Mát lánh mô tÁ bằng mã nhá phân có thể dài tÿ 1 đÁn 6 byte CÃu trúc chung cÿa mát lánh bao gßm:

Mã lánh Toán h¿ng

Mã lánh nhằm xác đánh t°¢ng āng vãi lánh là ho¿t đáng hay thao tác nào cÅn đ°ợc thực hián

Các toán h¿ng là đái t°ợng đ°ợc xā lý bçi lánh

Ví dụ: Trong lánh MOV AX,BX thì MOV là mã lánh, xác đánh đây là lánh chuyển dữ liáu AX,BX xác đánh toán h¿ng đ°ợc xā lý bçi lánh

Tùy theo tÿng lánh mà đá dài cÿa nó có sự khác nhau

3.2 TÁp lßnh

Mßi bá xā lý có mát tÁp lánh xác đánh TÁp lánh th°ång có hàng chục đÁn hàng trăm lánh Mßi lánh là mát chußi nhá phân mà bá xā lý hiểu đ°ợc để thực hián mát thao tác xác đánh

Các lánh đ°ợc mô tÁ bằng kí hiáu gợi nhã

LOAD Ri, M (đáa chß) ; M[đáa chß] ← Ri : n¿p dữ liáu

STORE Ri, M(đáa chß); Ri ← M[đáa chß] : CÃt dữ liáu

Đáa chß đ°ợc tính tuỳ theo kiểu đánh vá đ°ợc dùng

- Lánh tính toán sá hãc: tính toán sá nguyên trên nái dung cÿa hai thanh ghi Ri, Rj và xÁp kÁt quÁ vào trong Rk: