Giáo trình kiến trúc máy tính

Tài liệu này dành cho sinh viên, giáo viên khối ngành công nghệ thông tin tham khảo và có những bài học bổ ích hơn, bổ trợ cho việc tìm kiếm tài liệu, giáo án, giáo trình, bài giảng các môn học khối ngành công nghệ thông tin

http://www.ebook.edu.vn TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT F 7 G GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 02 PHAN VĂN NGHĨA 1998 http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA PHẦN CỨNG & PHẦN MỀM MÁY TÍNH 4 1.1 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MÁY TÍNH 4 a) Thiết bò nhập (input device) 5 b) Bộ nhớ (memory) 5 c) Bộ logic và số học (Arithmetic and logic unit - ALU) 6 d) Thiết bò ra (output device) 7 e) Bộ điều khiển (control unit - CU) 7 1.2 HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY TÍNH 7 1.3 CẤU TRÚC BUS 10 1.4 PHẦN MỀM (SOFTWARE) 11 1.5 ĐẶC TRƯNG CỦA MÁY TÍNH 13 1.6 ĐÔI NÉT VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH 15 CHƯƠNG 2: BIỂU DIỄN SỐ LIỆU 17 2.1 CÁC LOẠÏI SỐ LIỆU 17 2.2 HỆ THỐNG SỐ THẬP PHÂN (DECIMAL NUMBER SYSTEM) 17 2.3 HỆ THỐNG SỐ NHỊ PHÂN (BINARY NUMBER SYSTEM) 18 2.4 HỆ THỐNG SỐ BÁT PHÂN (OCTAL NUMBER SYSTEM) 19 2.5 HỆ THỐNG SỐ THẬP LỤC PHÂN ( HEXADECIMAL NUMBER SYSTEM)20 2.6 MÃ BCD 21 2.7 MÃ ALPHANUMERIC 22 2.8 HỆ THỐNG SỐ CÓ DẤU CHẤM ĐỘNG (FLOATING-POINT NUMBER SYSTEM) 24 2.9 PHƯƠNG PHÁP CHẲN LẺ ( PARITY METHODE ) 26 CHƯƠNG 3 : CỔNG LOGIC & MẠCH SỐ 27 3.1 ĐẠI SỐ BOOL 27 3.2 BẢNG SỰ THẬT (TRUTH TABLE) 28 3.3 PHÉP CỘNG LOGIC (OR) 29 3.4 PHÉP AND LOGIC 29 3.5 PHÉP BÙ (NOT OPERATION) 30 3.6 MÔ TẢ MẠCH LOGIC BẰNG ĐẠI SỐ BOOL 31 3.7 TÍNH GIÁ TRỊ CỦA MỘT BIỂU THỨC BOOL 32 3.8 THỰC HIỆN MẠCH LOGIC TỪ BIỂU THỨC BOOL 32 3.9 CỔNG NOR, NAND VÀ XOR 33 3.10 CÁC ĐỊNH LÝ BOOL 35 3.11 ĐỊNH LÝ DE MORGAN 36 3.12 THIẾT KẾ MẠCH LOGIC TỔ HP 37 3.13 ĐƠN GIẢN HÀM BOOL BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐẠI SỐ 39 3.14 CÁC MẠCH SỐ 40 Phan Văn Nghóa Khoa Vật Lý http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 3.15 FLIP - FLOP 40 3.16 ĐỒNG HỒ VÀ FF CÓ ĐỒNG HỒ 42 a) Khái niệm đồng hồ 42 b) FF có đồng hồ (Clocked Flip - Flops) 43 c) Các lối vào không đồng bộ 45 3.17 ỨNG DỤNG CỦA FF 45 a)Lưu trữ và truyền số liệu: 45 b) Mạch đếm (counter) 48 CHƯƠNG 4: BỘ LOGIC SỐ HỌC (ALU) 51 4.1 CẤU TRÚC CỦA ALU 51 4.2 BỘ CỘNG NHỊ PHÂN 51 a) Bộ cộng nhò phân một nửa (half-adder) 52 b) Bộ cộng đầy đủ ( Full - adder) 53 4.3 BIỂU DIỄN SỐ CÓ DẤU 54 4.4 BIỂU DIỄN SỐ CÓ DẤU DÙNG HỆ BÙ 2 55 4.5 PHÉP CỘNG TRONG HỆ BÙ 2 57 4.6 PHÉP TRỪ TRONG HỆ BÙ 2 58 4.7 CỘNG VÀ TRỪ BCD 58 a) Cộng BCD 58 b) Trừ BCD 59 4.8 CỘNG VÀ TRỪ HEX 59 a) Cộng hai số HEX 59 b) Trừ hai số hex 60 BÀI TẬP CHƯƠNG 2,3 & 4 61 Phan Văn Nghóa Khoa Vật Lý http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA PHẦN CỨNG & PHẦN MỀM MÁY TÍNH 1.1 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MÁY TÍNH Máy tính số (digital computer) hay máy tính (computer) là thiết bò tính toán điện tử có tốc độ rất cao. Máy tính nhận các thông tin đã được số hóa (digitized), xử lý chúng theo theo một danh sách các lệnh chứa sẵn bên trong máy tính và cho kết quả là thông tin ra. Danh sách các lệnh gọi là chương trình máy tính (computer program). Chương trình máy tính được lưu trữ tại một bộ phận bên trong máy tính gọi là bộ nhớ (memory). Có nhiều loại máy tính. Chúng khác nhau về kích thước, tốc độ và giá thành. Loại máy tính thông dụng nhất là máy tính cá nhân (personal computer - PC). PC được sử dụng rộng rãi ở nhà, trong các cơ quan hay trường học. Máy tính xách tay (notebook computer) có kích thước rất bé có thể đặt gọn trong vali. Trạm làm việc (workstations) là các máy tính trong 1 mạng máy tính. Mainframe và Supercomputer là những máy tính có công suất tính toán cực mạnh. Mainframe dùng để xử lý các bài toán trong thương mại. Super computer dùng trong các ứng dụng mà ở đó số phép toán phải tiến hành trong 1 giây là số rất lớn (cỡ 10 13 phép tính/s) như dự báo thời tiết, điều khiển các chuyến bay vũ trụ, thiết kế máy bay, nghiên cứu hạt nhân Ở dạng đơn giản nhất, một máy tính bao gồm 5 thành phần chính độc lập (hình 1-1): thiết bò nhập (input), thiết bò xuất (output), bộ nhớ (memory), bộ logic số học (ALU) và bộ điều khiển (Control Unit) . Hình 1-1 : Các thành phần của một máy tính CU ALU MEMORY OUTPUT INPUT Thiết bò nhập nhận thông tin đã được mã hoá từ các hoạt động của con người, từ các thiết bò cơ điện (chẳng hạn bàn phím) hay từ một máy tính khác thông qua đường truyền tin kỹ thuật số. Thông tin nhận được hoặc được lưu trữ trong thiết bò nhớ để sử dụng sau này hoặc được xử lý trực tiếp để thu được kết quả như mong muốn. Các bước xử lý thông tin được quy đònh bởi chương trình chứa trong bộ nhớ. Cuối cùng Phan Văn Nghóa Khoa Vật Lý http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 kết quả được gửi trở lại thế giới bên ngoài thông qua thiết bò xuất. Tất cả các hoạt động trên đây được chỉ dẫn bởi bộ điều khiển. ALU và CU được chế tạo trong 1 chip gọi là bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit = CPU) hay đơn giản là Processor. Từ trung tâm xuất hiện vào thời kỳ đầu mới khai sinh máy tính, ở đó các tính toán đều tập trung trong một chip. Các máy tính hiện đại thường chứa nhiều Processor, nhưng thuật ngữ CPU vẫn được dùng rộng rãi. Cũng cần nói thêm rằng, trong PC, Processor được gọi là bộ vi xử lý (Micro Processor Unit =MPU). Các thiết bò dùng để nhập và xuất dữ liệu được gọi chung là thiết bò vào ra (IO unit). Lệnh (Instructions) hay lệnh máy (machine instructions) là chỉ dẫn để: • Truyền thông tin giữa các máy tính hay trong phạm vi một máy tính và các ngoại vi của nó. • Chỉ ra các phép toán logic số học phải thực hiện trên số liệu. Một tập các lệnh để thực hiện một nhiệm vụ gọi là một chương trình (program). Thông thường chương trình được lưu trữ trong trong bộ nhớ. Bộ xử lý lấy (fetches) lệnh từ bộ nhớ. Lệnh phải được giải mã (decoded), sau đó nó được thực hiện. Máy tính thực hiện các lệnh trong chương trình một cách lần lượt, trừ khi nó bò ngắt (interrupt) bởi người điều khiển hoặc bởi các thiết bò ngoại vi nối với máy tính. Dữ liệu (data) là các số hoặc ký tự đã được mã hóa mà nó được dùng như là các toán hạng (operand) của lệnh. Data bao gồm mọi thông tin đã được số hóa. Đôi khi data cũng được hiểu là một chương trình hoàn chỉnh mà một chương trình khác sử dụng nó. Ví dụ khi biên dòch một chương trình nguồn (source program) ngôn ngữ cấp cao thành chương trình ngôn ngữ máy thì chương trình nguồn được xem là data của trình biên dòch (compiler). Thông tin đưa vào máy tính phải được mã hóa ở dạng thích hợp. Các số, các ký tự hoặc lệnh được mã hóa thành một chuỗi số nhò phân gọi là các bits. Mỗi bit chỉ nhận một trong 2 giá trò khả dó 0 hoặc 1. Các ký tự Alphanumeric cũng được biễu diễn bởi mã nhò phân. Mã ký tự dùng phổ biến trong máy tính là mã ASCII. a) Thiết bò nhập (input device) Máy tính nhận thông tin đã được mã hóa thông qua thiết bò nhập. Quá trình này gọi là đọc số liệu. Thiết bò nhập thường dùng nhất là bàn phím (keyboard). Keyboard được nối sao cho khi một phím được nhấn, ký tự hoặc số tương ứng được tự động chuyển thành mã nhò phân và được gửi trực tiếp tới bộ nhớ hoặc vi xử lý. Có nhiều thiết bò nhập khác như: chuột (mouse), máy quét (scanner), ADC. b) Bộ nhớ (memory) Chức năng của bộ nhớ là lưu giữ chương trình và số liệu. Có 2 loại bộ nhớ: bộ nhớ sơ cấp (bộ nhớ chính – bộ nhớ trong - Primary Memory – Main Memory- Phan Văn Nghóa Khoa Vật Lý http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 Internal Memory) và bộ nhớ thứ cấp (bộ nhớ ngoài - bộ nhớ phụ -Secondary Memory - Auxiliary Memory - External Memory). Bộ nhớ sơ cấp hay bộ nhớ chính (Main memory) là bộ nhớ nhanh. Các chương trình được nạp lên bộ nhớ chính trong khi chúng đang được thực hiện. Bộ nhớ chính bao gồm một số lớn các ô nhớ bán dẫn. Mỗi ô nhớ chứa được một bit thông tin. Việc đọc hoặc viết thông thường được tiến hành với nhiều ô nhớ gọi là từ nhớ (memory word). Bộ nhớ chính được tổ chức sao cho nội dung của một từ (n bit) có thể được truy xuất bằng lệnh đọc hoặc viết bộ nhớù. Số các bit trên một từ nhớ gọi là độ dài từ (word length) của máy tính. Độ dài từ của các máy tính có thể là 8,16, 32 hoặc 64 bit. Tổng số ô nhớ trên bộ nhớ gọi là dung lượng (capacity) của bộ nhớ. Dung lượng bộ nhớ trong của PC có thể là vài MB đến hàng trăm MB. Để có thể truy xuất tới mọi từ nhớ trên bộ nhớ, mỗi từ nhớ được gán một đòa chỉ (Address) riêng biệt. Từ nhớ trong bộ nhớ có thể được truy xuất bằng cách chỉ ra đòa chỉ và lệnh đọc viết tương ứng. Số liệu được xử lý theo một từ, bội của từ hoặc một phần của từ. Khi bộ nhớ được truy xuất, thông thường một từ của số liệu được đọc từ bộ nhớ hoặc được viết vào bộ nhớ. Chương trình phải nằm trên bộ nhớ khi đang thi hành. Lệnh và số liệu có thể được viết vào bộ nhớ hay đọc ra dưới sự điều khiển của vi xử lý. Thời gian cần thiết để truy xuất tới một vò trí nhớ trong bộ nhớ gọi là thời gian truy xuất bộ nhớ (memory access time = Tacc). Các bộ nhớ có Tacc không phụ thuộc vò trí nhớ gọi là bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (Random Access Memories = RAM). Tacc có giá trò vài chục ns (nano second) trong các máy tính hiện đại. Mặc dù bộ nhớ chính rất quan trọng, nhưng giá thành lại quá cao. Vì vậy người ta dùng thêm bộ nhớ phụ (secondary memory) khi muốn lưu giữ một lượng lớn thông tin không sử dụng thường xuyên. Bộ nhớ phụ có thể là đóa từ (magnetic disks) hay đóa quang (Compact Disc). c) Bộ logic và số học (Arithmetic and logic unit - ALU) Hầu hết các hoạt động tính toán của máy tính được thực hiện tại bộ logic số học có trong vi xử lý. Giả sử rằng cần phải cộng 2 số trên bộ nhớ chính. Hai số này phải được chuyển vào ALU, ở đây phép cộng được thực hiện. Kết quả của phép cộng có thể lưu trữ trong bộ nhớ hoặc vẫn giữ lại trong vi xử lý để sử dụng ngay lập tức . Mọi phép toán logic và số học, ví dụ: nhân, chia hay so sánh 2 số đều được thực hiện tại ALU. Không phải tất cả các toán hạng cần cho tính toán phải ở trong bộ nhớ chính. Vi xử lý có những phần tử nhớ tốc độ cao, gọi là các thanh ghi (registers). Các thanh ghi được dùng để lưu giữ những toán hạng được dùng thường xuyên trong khi tính toán . Mỗi thanh ghi có thể lưu giữ một từ số liệu. Thời gian truy xuất thanh ghi là từ 5 đến 10 ns (nhanh hơn thời gian truy xuất bộ nhớ chính) ALU và bộ điều khiển thường là các thành phần có tốc độ hoạt động nhanh hơn các thành phần khác nối với hệ máy tính. Điều này cho phép sử dụng chỉ một vi Phan Văn Nghóa Khoa Vật Lý http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 xử lý để điều khiển một số lớn các thiết bò ngoại vi có tốc độ hoạt động khác nhau như bộ nhớ ngoài, màn hình, máy in … d) Thiết bò ra (output device). Thiết bò ra làm việc theo nguyên tắc ngược lại với thiết bò vào. Chức năng của thiết bò ra là gửi các kết quả đã được xử lý ra ngoài. Ví dụ điển hình của thiết bò xuất là máy in (printer). Các kết quả đã được xử lý bởi CPU có thể được gửi ra ngoài thông qua máy in. Máy in có nhiều kiểu: máy in kim ma trận điểm, máy in phun mực, máy in laser Công nghệ ngày nay cho phép in khoảng 15 PPM. Đó là tốc độ rất cao của các hệ thống cơ học tuy nhiên nó vẫn là tốc độ rất chậm đối với vi xử lý. e) Bộ điều khiển (control unit - CU) Bộ nhớ, bộ logic số học và các thiết bò nhập xuất lưu giữ và xử lý thông tin, thực hiện các tác vụ nhập xuất. Hoạt động của các bộ phận này phải được phối hợp nhòp nhàng với nhau. Bộ điều khiển có chức năng thực hiện việc phối hợp này. Bộ điều khiển một mặt gửi các tín hiệu điều khiển đến các bộ phận, mặt khác nó luôn luôn theo dõi trạng thái của các bộ phận đó để cho những tín hiệu điều khiển hợp lý. Ví dụ việc chuyển số liệu giữa bộ nhớ và các ngoại vi phải được điều khiển bởi bộ điều khiển . Bộ điều khiển phải tạo ra tín hiệu thời gian mà nhờ tín hiệu này các hành động của các bộ phận xảy ra đúng vào thời điểm mong đợi. Có thể nói rằng bộ điều khiển là một đơn vò độc lập và liên quan đến tất cả các bộ phận khác trong máy. Trên thực tế, mạch điện của bộ điều khiển được phân bố đến khắp nơi trong máy. Một tập hợp các đường dây điều khiển (control bus) mang các tín hiệu thời gian. Các tín hiệu này dùng để đồng bộ hoạt động của tất cả các bộ phận trong máy. Tóm lại, hoạt động tổng quát của một máy tính có thể tóm tắt như sau: • Máy tính nhận thông tin dưới dạng chương trình và số liệu thông qua thiết bò nhập. Thông tin được lưu giữ trong bộ nhớ máy tính. • Thông tin được lưu giữ trong bộ nhớ được lấy vào ALU dưới sự điều khiển của chương trình. Tại ALU, thông tin được xử lý. • Thông tin đã được xử lý được đưa ra ngoài thông qua thiết bò xuất. • Tất cả các hoạt động bên trong máy tính được chỉ dẫn bởi bộ điều khiển. 1.2 HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY TÍNH Trong phần 1.1 chúng ta đã nói rằng hoạt động của máy tính được điều khiển bởi các lệnh (instructions). Để thực hiện một nhiệm vụ cho trước, một chương trình tương ứng bao gồm một tập các lệnh sẽ được lưu giữ trong bộ nhớ chính. Các lệnh riêng rẽ sẽ được đọc từ bộ nhớ vào vi xử lý. Mỗi lệnh sẽ thực hiện một thao tác đã Phan Văn Nghóa Khoa Vật Lý http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 đònh sẳn . Số liệu lưu giữ trên bộ nhớ được sử dụng như các toán hạng (operands). Ví dụ lệnh: ADD AX, LOCA Lệnh này sẽ cộng toán hạng tại vò trí nhớ (đòa chỉ) LOCA với toán hạng chứa trong thanh ghi AX (trong vi xử lý), kết quả của phép cộng đặt vào AX. Nội dung ban đầu của ô nhớ tại vò trí LOCA vẫn giữ nguyên, trong khi đó nội dung ban đầu của thanh ghi AX bò xoá, thay vào đó là kết quả của phép cộng. Lệnh này phải thực hiện qua vài bước. Trước tiên lệnh được đọc từ bộ nhớ chính vào vi xử lý. Tiếp theo nội dung của ô nhớ tại vò trí LOCA được đọc vào ALU rồi cộng với nội dung của AX. Cuối cùng kết quả của phép cộng được lưu giữ trong thanh ghi AX. Việc chuyển số liệu giữa bộ nhớ chính và vi xử lý được bắt đầu bằng việc vi xử lý gửi đòa chỉ của ô nhớ cần truy xuất và tín hiệu điều khiển hợp lý tới bộ nhớ. Số liệu sau đó sẽ được chuyển giữa bộ nhớ và vi xử lý một cách tương ứng. Hình 1-2 là sơ đồ nối giữa vi xử lý và bộ nhớ chính. Sơ đồ chỉ có ý nghóa trong việc mô tả các chức năng của vi xử lý và bộ nhớ . Cùng với ALU và bộ điều khiển, vi xử lý còn có các thanh ghi dùng cho việc lưu trữ tạm thời số liệu. Thanh ghi lệnh (IR - Instruction Register) giữ lệnh đang được thực hiện. Bộ đếm chương trình (PC - Program Counter) chứa đòa chỉ bộ nhớ của lệnh sẽ được thực hiện. Sau khi thực hiện lệnh, nội dung của PC sẽ được cập nhật tới đòa chỉ của lệnh tiếp theo. Bình thường nội dung của PC sẽ tăng lên 1 nếu chương trình không bò một lệnh nhảy hay lệnh ngắt nào khác. Hình 1-2: Sơ đồ nối giữa CPU và bộ nhớ máy tính Phan Văn Nghóa Khoa Vật Lý http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 Bên cạnh IR và PC còn có n thanh ghi đa chức năng (General Purpose Register): R 0 , R 1 , R N-1 . Các thanh ghi này được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Có hai thanh ghi dùng để giao tiếp với bộ nhớ là: Thanh ghi đòa chỉ bộ nhớ (MAR Memory Address Register) và thanh ghi số liệu bộ nhớ (MDR Memory Data Register). MAR chứa điạ chỉ của ô nhớ cần truy xuất, còn MDR giữ nội dung của số liệu cần chuyển ( giữa Vi xử lý và bộ nhớ). Chúng ta hãy xem xét các bước hoạt động cơ bản khi thực hiện 1 chương trình. Chương trình chứa trong bộ nhớ chính. Việc thực thi chương trình bắt đầu khi PC chỉ tới vò trí nhớ mà lệnh đầu tiên của chương trình được lưu giữ. Nội dung của PC được chuyển tới MAR và một tín hiệu điều khiển đọc được gửi tới bộ nhớ. Sau thời gian cần cho việc truy xuất bộ nhớ (Tacc), nội dung của từ nhớ (lệnh đầu tiên của chương trình) được đọc vào MDR. Tiếp theo, nội dung của MDR được chuyển đến IR . Tại thời điểm này lệnh đã sẳn sàng cho việc giải mã và thực hiện . Nếu lệnh là một phép toán mà ALU phải tính thì cần phải lấy các toán hạng cần thiết. Nếu toán hạng đã có sẵn bên trong bộ nhớ (các toán hạng cũng có thể được chứa trong các thanh ghi dùng chung) thì nó phải được đọc vào ALU bằng cách gửi đòa chỉ toán hạng tới MAR và khởi tạo chu trình đọc (read cycle). Toán hạng sau đó được đọc từ bộ nhớ vào MDR rồi chuyển tới ALU. Sau khi một hoặc nhiều toán hạng được đọc theo cách này, ALU có thể thực hiện phép toán. Nếu kết quả phép toán được lưu trữ trong bộ nhớ thì nó được gửi tới MDR. Đòa chỉ ô nhớ tại đó kết quả được lưu trữ sẽ được gửi tới MAR và chu trình viết (write cycle) sẽ được bắt đầu. Trong khi một lệnh đang được thực hiện, nội dung của PC sẽ tăng lên sao cho nó chỉ tới đòa chỉ của lệnh kế tiếp. Ngay sau khi lệnh hiện hành được hoàn tất, lệnh mới sẽ được lấy vào vi xử lý để giải mã và thực hiện. Cùng với việc chuyển số liệu giữa bộ nhớ chính và vi xử lý, máy tính truy xuất số liệu từ các thiết bò vào và gửi kết quả đến thiết bò ra. Do đó có một số lệnh máy cho phép chuyển số liệu vào ra. Việc thực hiện một chương trình có thể bò ngắt nếu một hoặc nhiều thiết bò ngoại vi yêu cầu được phục vụ. Tín hiệu ngắt được tạo ra bởi các ngoại vi để yêu cầu vi xử lý phải phục vụ chúng. Ngắt cũng được tạo ra bởi lệnh INT trong các chương trình. Vi xử lý sẽ cung cấp một dòch vụ theo yêu cầu bằng cách thi hành một chương trình con phục vụ ngắt (interrupt service routine). Trước khi phục vụ ngắt, trạng thái bên trong của vi xử lý phải được cất giữ vào bộ nhớ. Bình thường, nội dung của PC, các thanh ghi đa chức năng và một số thông tin điều khiển phải được cất giữ. Khi chương trình con phục vụ ngắt kết thúc, trạng thái của chương trình chính sẽ được phục hồi sao cho chương trình chính đã bò ngắt có thể tiếp tục. Bộ vi xử lý trên hình 1-2 có thể thực hiện theo vài cách. Trong các máy tính cở nhỏ và cở trung, tất cả các thành phần của vi xử lý được chế tạo trên một chip VLSI (Very Large Scale Intergrated ). Phan Văn Nghóa Khoa Vật Lý http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 1.3 CẤU TRÚC BUS Chúng ta đã phân tích các thành phần riêng biệt của máy tính. Để toàn bộ hệ thống có thể hoạt động được cần phải nối các thành phần ấy lại với nhau. Có nhiều cách để làm điều này. Chúng ta sẽ xem xét ở đây cách làm đơn giản nhất và cũng thường dùng nhất. Để đạt được tốc độ hoạt động cao, máy tính phải được tổ chức sao cho tất cả các đơn vò được nối song song với nhau thông qua một bus chung của toàn hệ thống (system bus). Bus là một tập hợp các đường dây dùng để nối các thiết bò với nhau. Trong kiến trúc máy tính 1 bus, tại một thời điểm chỉ có một thiết bò chiếm quyền điều khiển bus mà thôi. Khi một từ số liệu được chuyển giữa các đơn vò, tất cả các bit được chuyển song song (mỗi bit được truyền đồng thời với các bit khác trên những đường dây riêng). Các đường dây dùng để truyền số liệu gọi là bus số liệu (data bus). Cùng với bus số liệu còn có các đường dây dùng cho đòa chỉ và điều khiển. Chúng được gọi tương ứng là bus đòa chỉ (address bus) và bus điều khiển (control bus). Hình 1-3 là sơ đồ nối các bộ phận của máy tính bằng một bus duy nhất. Bởi vì bus được dùng chung nên tại một thời điểm chỉ có 2 thiết bò được phép dùng bus . Ưu điểm chủ yếu của cấu trúc 1 bus là giá thành thấp và nó cho phép nối hệ vi xử lý máy tính với các ngoại vi một cách mềm dẻo (có thể thêm hoặc bớt dễ dàng). Hình 1-3: Cấu trúc một bus của máy tính Các thiết bò ngoại vi nối với bus có thể có tốc độ làm việc rất khác nhau: bàn phím và máy in tương đối chậm còn các ổ đóa thì nhanh hơn. Vi xử lý và bộ nhớ chính làm việc với tốc độ rất cao. Vì tất cả các thiết bò liên lạc với nhau thông qua bus, nên cơ chế truyền thông tin một cách hiệu quả là không cưỡng bức các thiết bò chậm làm việc nhanh lên mà cần có biện pháp dung hòa sự khác biệt về tốc độ của các thiết bò. Giải pháp chung là dùng các thanh ghi đệm (buffer registers) để giữ thông tin trong khi truyền. Để mô tả kỹ thuật này chúng ta hãy xem xét việc truyền các ký tự giữa vi xử lý và máy in. Vi xử lý gửi các ký tự dọc theo bus tới bộ đệm của máy in. Do thanh ghi đệm trên máy in có tốc độ rất nhanh nên việc truyền các ký tự giữa vi xử lý và bộ đệm chiếm rất ít thời gian. Khi bộ đệm máy in đã có số liệu, máy in bắt đầu in. Trong khi máy in tiến hành in, bus và vi xử lý hoàn toàn rãnh rỗi, lúc này trên bus có thể Phan Văn Nghóa Khoa Vật Lý [...]... nguyên máy tính một cách có hiệu quả khi một vài chương trình ứng dụng được thực hiện 1.5 ĐẶC TRƯNG CỦA MÁY TÍNH Máy tính có nhiều đặc trưng như số đường số liệu và đòa chỉ, dung lượng bộ nhớ, tốc độ đồng hồ, tổng thời gian thi hành 1 chương trình …Trong đó tổng thời gian cần thiết để thi hành một chương trình ứng dụng là một trong những đặc trưng quan trọng nhất của máy tính Bởi vì các chương trình. .. PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH Máy tính đã ra đời cách đây hơn 50 năm Trong một thời gian dài trước đó, người ta sử dụng các thiết bò tính toán cơ học Vào 300 năm trước, một loạt các thiết bò cơ học phức tạp đã được sử dụng để chế tạo nên máy tính Máy tính hồi ấy chỉ thực hiện được các phép toán cộng trừ, nhân và chia Giấy đục lỗ là một trong những phương pháp được dùng để đưa chương trình vào máy tính Các lỗ... máy tính cụ thể mà chương trình đó sẽ chạy Lập trình viên dùng các chương trình ngôn ngữ cấp cao không cần biết chi tiết tập lệnh máy Một chương trình hệ thống gọi là compiler sẽ dòch chương trình ngôn ngữ cấp cao thành chương trình ngôn ngữ máy thích hợp Một thành phần rất quan trọng của phần mềm hệ thống là hệ điều hành (operating system = OS) OS là một chương trình lớn hoặc tập hợp các chương trình. .. và đóng góp to lớn cho sự phát triển của công nghệ vi xử lý Vào thời kỳ này máy tính có kích thước nhỏ nhưng có khả năng tính toán mạnh mà chúng ta gọi là máy vi tính (micro computer hay personal coputer - PC) đã ra đời • Sau thế hệ thứ tư là các máy tính hiện tại Xu hướng chung của công nghệ máy tính ngày nay là làm cho máy tính ngày càng compact hơn về cấu tạo, tốc độ cao, giá thành hạ, khả năng trí... chúng ta sẽ xem xét một hệ thống có một vi xử lý, một ổ đóa và một máy in Trước hết chúng ta hãy xem xét các bước khi chạy một chương trình ứng dụng Giả sử rằng chương trình ứng dụng đã Phan Văn Nghóa Khoa Vật Lý Kiến trúc máy tính 02 http://www.ebook.edu.vn được biên dòch từ một chương trình ngôn ngữ cấp cao thành chương trình ngôn ngữ máy và được lưu giữ trong đóa Đầu tiên tập tin này được chuyển vào... cơ học đọc vào máy tính Chúng được dùng để điều khiển một cách lần lượt các thao tác tính toán Các máy tính thời đó có thể tính các bảng lượng giác và logarit Kết quả được in ra giấy hoặc thể hiện bằng phiếu đục lỗ Trong thời gian chiến tranh thế giới thứ 2, các thiết bò relay cơ điện đã được sử dụng để thực hiện các chức năng điều khiển logic trên máy tính Cũng vào thời gian này, máy tính điện tử đầu... tử đã được dùng trong các thiết bò vô tuyến và radar Trong máy tính điện tử đầu tiên, chúng được dùng để thực hiện các chức năng logic và lưu trữ số liệu Công nghệ này đã mở ra một thời kỳ mới trong lòch sử phát triển của máy tính: máy tính điện tử số (digital computer) Dựa vào công nghệ được sử dụng để chế tạo máy tính, người ta chia máy tính thành 4 thế hệ: Thế hệ thứ nhất từ 1945 đến 1955 Thế hệ... chương trình ngôn ngữ máy • Liên kết và chạy các chương trình ứng dụng được viết bởi người dùng bằng cách sử dụng các chương trình con thư viện chuẩn Phần mềm hệ thống có chức năng kết hợp tất cả các hoạt động trên hệ thống máy tính Các chương trình ứng dụng thường được viết bởi ngôn ngữ lập trình cấp cao như C, Pascal trong đó các lập trình viên biểu diễn các bài toán dưới dạng không phụ thuộc vào máy. .. 2 kỹ thuật sau đây: ♦ Trên máy tính dùng một chương trình con dấu chấm động (Floating-point routines) để scaling các số nhằm đạt được độ chính xác mong muốn Chương trình con này chỉ sử dụng trên các máy tính chỉ có các phép toán dấu chấm cố đònh (fixed-point operations) ♦ Thêm các phép toán dấu chấm động (floating-point operations) vào phần cứng máy tính Mạch logic của máy tính sẽ thực hiện scaling... hiện scaling tự động và theo dõi số mũ khi tính toán Để làm được việc này người ta dùng hệ thống số dấu chấm động (floating-point system) Số có dấu chấm động trên máy tính dùng hệ số mũ như đã mô tả trên đây Trong khi tính toán, máy tính theo dõi cả phần mũ lẫn phần đònh trò Một ví dụ điển hình cho các máy tính có mạch thực hiện các phép toán dấu chấm động là máy tính IBM Một số dấu chấm động theo IBM . http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA PHẦN CỨNG & PHẦN MỀM MÁY TÍNH 1.1 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MÁY TÍNH Máy tính số (digital computer) hay máy tính (computer). 7 G GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 02 PHAN VĂN NGHĨA 1998 http://www.ebook.edu.vn Kiến trúc máy tính 02 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA PHẦN. các lệnh gọi là chương trình máy tính (computer program). Chương trình máy tính được lưu trữ tại một bộ phận bên trong máy tính gọi là bộ nhớ (memory). Có nhiều loại máy tính. Chúng khác nhau