Đề cương mạng máy tính và mạng Halan

1  Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG MÁY TÍNH 1.1 Lịch sử hệ thống máy tính 1.1.1 Các thế hệ máy tính Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các ngoại vi,…Ta có thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển từ thế hệ trước sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về công nghệ. • Thế hệ 1: Máy tính dùng đèn chân không (Vacumm Tube) 1946-1955 • Thế hệ 2: Máy tính dùng Transitor (1955-1965) • Thế hệ 3: Máy tính dùng mạch tích hợp IC (Intergrated Circuit) 1966 – 1980 • Thế hệ 4: Máy tính dùng mạch tích hợp cực lớn VLSI (Very Large Scale Intergrated )1980 đến nay a. Máy tính thế hệ 1 Máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer): Đề xuất năm 1943 và hoàn thành 1946 được sử dụng đến1955 do thầy trò Eckert và Mauchly Trường đại h ọc Pennsylvania của Mỹ Đặc điểm chính: • Nặng 30 tấn, chiến diện tích 150m2 và sử dụng 140KW. • 5000 nghìn phép cộng trên giây. • Sử dụng hệ thập phân. • Lập trình bằng công tắc. • Sử dụng 18000 bóng đèn điện tử (vacuum tubes) IAS(Institute for Advanced Studies): Xây dựng dựa trên ý tưởng của Turring (Mỹ) và Von Neumann (Anh) Thiết kế 1947 hoàn thành 1952 2  Là mô hình cơ bản của hệ thống máy tính ngày nay Hình 1.1: Cấu trúc ISA Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiên được đưa ra thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được bán ra. Hình 1.2: Micral (Pháp) máy vi tính lắp ráp hoàn toàn đầu tiên: Commercial Computers • 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation • UNIVAC I (Universal Automatic Computer) • US Bureau of Census 1950 calculations • Became part of Sperry-Rand Corporation • Late 1950s - UNIVAC II – Faster – More memory 3  b. Máy tính thế hệ 2 (1957-1964) – Lab Bell phát minh ra transistor vào năm 1947 các đèn điện tử được thay thế bằng các transistor lưỡng cực. – Đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor xuất hiện trên thị trường. – Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn. – Vào thời điểm này, mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ được dùng. – Ngôn ngữ cấp cao xuất hiện (như FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) và hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing) được dùng. c. Thế hệ thứ ba (1965-1971) – Xuất hiện các mạch tích hợp - IC: Integrated Circuit. – Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale Integration) có thể chứa vài chục linh kiện – Mạch tích hợp mật độ trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp. – Mạch in nhiều lớp xuất hiện – Bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ. – Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng. d. Thế hệ thứ tư 1972. – IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large Scale Integration): Chứa hàng ngàn linh kiện. – IC mật độ tích hợp rất cao (VLSI: Very Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiện trên m ạch. (Hiện nay, các chip VLSI chứa hàng triệu linh kiện). – Xuất hiện bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và phần điều khiển của một bộ xử lý – Bắt đầu xuất hiện các thế hệ máy tính cá nhân. – Bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi. – Kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuậ t vô hướng, xử lý song song… 4  Chíp VXL intel 4004 – chip VXL đầu tiên của intel IBM/PC đầu tiên khởi dầu cho dòng máy PC phổ biến ngày nay Tóm tắt : • Vacuum tube - 1946-1957 • Transistor - 1958-1964 • Small scale integration - 1965 : Up to 100 devices on a chip • Medium scale integration – 1971 – 100: 3,000 devices on a chip • Large scale integration - 1971-1977 : 3,000 - 100,000 devices on a chip • Very large scale integration - 1978 -1991: 100,000 - 100,000,000 devices on a chip • Ultra large scale integration – 1991 : Over 100,000,000 devices on a chip Hình 1.3: Sự phát triển về mật độ tích hợp của các chip VXL 5  Hình 1.4 : Lịch sử tiến hóa của các thế hệ vi xử lý Intel: từ năm 1971 tới năm 2003 Phân loại máy tính: Thông thường máy tính được phân loại theo tính năng kỹ thuật và giá tiền. – Các siêu máy tính (Super Computer): là các máy tính đắt tiền nhất và tính năng kỹ thuật cao nhất. Giá bán một siêu máy tính từ vài triệu USD. Các siêu máy tính thường là các máy tính vectơ hay các máy tính dùng kỹ thuật vô hướng và được thiết kế để tính toán khoa học, mô phỏng các hiện tượng. Các siêu máy tính được thiết kế với kỹ thuật xử lý song song với rất nhiều bộ xử lý (hàng ngàn đến hàng trăm ngàn bộ xử lý trong một siêu máy tính). – Các máy tính lớn (Mainframe) là loại máy tính đa dụng. Nó có thể dùng cho các ứng dụng quản lý cũng như các tính toán khoa học. Dùng kỹ thuật xử lý song song và có hệ thống vào ra mạnh. Giá một máy tính lớn có thể từ vài trăm ngàn USD đến hàng triệu USD. – Máy tính mini (Minicomputer) là loại máy cở trung, giá một máy tính mini có thể từ vài ch ục USD đến vài trăm ngàn USD. – Máy vi tính (Microcomputer) là loại máy tính dùng bộ vi xử lý, giá một máy vi tính có thể từ vài trăm USD đến vài ngàn USD. 6  1.1.2 Xu hướng phát triển của các hệ thống máy tính. – Máy tính thông minh, dựa trên các ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG, – Giao diện người - máy thông minh: ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: Bước chân tiên tiến của đổi mới và chuyển động). – Máy tính song song với từ vài bộ xử lý đến vài ngàn bộ xử lý. – Hệ thống nhúng 1.2 Các thuật ngữ và khái niệm cơ bản. 1.2.1 Các khái niệm cơ bản. – Máy tính(computer) là thiết bị đ iện tử thực hiện công việc: • Nhận thông tin vào. • Xử lý thông tin theo chương trình nhớ sẵn bên trong bộ nhớ máy tính. • Đưa thông tin ra. – Chương trình (Program): chương trình là dãy các câu lệnh nằm trong bộ nhớ, nhằm mục đích hướng dẫn máy tính thực hiện một công việc cụ thể nào đấy. Î Máy tính thực hiện theo chương trình. – Phần mềm (Software): Bao gồm chương trình và dữ liệu. – Phần cứng (Hardware): Bao gồm tất cả các thành phần vật lý cấu thành lên hệ thống Máy tính. – Phần dẻo (Firmware): Là thành phần chứa cả hai thành phần trên. – Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) đề cập đến các thuộc tính của hệ thống máy tính dưới cái nhìn của người lập trình. Hay nói cách khác, là những thu ộc tính ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thực hiện logic của chương trình. Bao gồm: tập lệnh, biểu diễn dữ liệu, các cơ chế vào ra, kỹ thuật đánh địa chỉ,… 7  – Cấu trúc máy tính(Computer Structure): là những thành phần của máy tính và những liên kết giữa các thành phần.Ở mức cao nhất máy tính bao gồm 4 thành phần: – Bộ xử lý : điều khiển và xử lý số liệu. – Bộ nhớ : chứa chương trình và dữ liệu. – Hệ thống vào ra : trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài. – Liên kết giữa các hệ thống (BUS): liên kết các thành phần của máy tính l ại với nhau. Hình 1.5: Mô hình phân lớp hệ thống máy tính 1.2.2 Ngôn ngữ máy, cấp máy và máy ảo. o Ngôn ngữ máy: Tập các chỉ thị Æ Khó dùng, nhàm chán o Ngôn ngữ cấp cao: Biểu diễn một tập các chỉ thị mức dưới Æ Xây dựng cấu trúc máy ảo + Ngôn ngữ bậc cao ở các cấp máy khác nhau o Biên dịch (compilation): dịch toàn bộ chương trình sang dạng thấp hơn rồi chạy chương trình o Thông dịch (interpretation): Dịch từng lệnh sang mã máy Các mức ngôn ngữ máy: • Mức 0: Mức logic số, hoạt động sử dụng các cổng logic AND, OR, XOR, NOT… • Mức 1: Mức vi chương trình; Thực hiện thông dịch các lệnh mức 2; Các lệnh di chuyển dữ liệu, kiểm tra… • Mức 2: Mức máy tính thông thường; chạt trên mức vi chương trình 8  • Mức 3: Mức máy hệ điều hành; chứa thêm tập các chỉ thị điều khiển các chương trình hoạt động một cách đồng thời • Mức ngôn ngữ Assembly: Dùng cho người lập trình, ngôn ngữ gần với ngôn ngữ máy nhất mà người lập trình tiếp cận (Thực hiện biên dịch) • Mức ngôn ngữ bậc cao: Dùng lập trình ứng dụng Mô hình cơ bản hệ th ống máy tính: Kiến trúc hệ thống máy tính: Structure - Top Level Structure - The CPU  1 . 1 . tr đ i t h . 3 Thông t . 3.1 L ư ợn g H ì Tr ạ ạng thái c a i ểm ta nhì n h ấp và tại t h Đơn Lượ n t in và biể u g thông ti n ì nh 1.6:Th ô ạ ng thái c ó a o khi hiệ u n t r ạng th á h ời điểm t 2 vị đo lườn n g thông ti n Stru c u diễn thô n n và sự m ã ô ng tin về h ó ý nghĩa : u điện thế á i của tín h 2 thì tín hi ệ g thông ti n n được đị n c ture - Th e n g tin tro n ã hóa thô n h ai trang th : t r ạng th á lớn hơn V h iệu. Thí d ụ ệ u ở trạng t n là bi t n h nghĩa b ở e Control U n g máy tín n g tin th ái có ý n g á i thấ p khi V H . Để có t ụ , tại thời đ t hái cao. ở i công th ứ I=log 2 (N U ni t h g hĩa của h i hiệu điệ n t hông tin, t đ iểm t 1 thì ứ c: ) i ệu điện th ế n thế thấ p h t a phải xá c tín hiệu ở 9 ế h ơn V L v à c định thờ i ở trạng thá i 9  à i i 10  Trong đó: I là lượng thông tin tính bằng bit N Số trạng thái có thể có Như vậy lượng thông tin là số con số nhị phân cần thiết để biểu diễn số trạng thái có thể có. Do vậy, một con số nhị phân được gọi là một bit. Một từ n bit có thể tượng trưng một trạng thái trong tổng số 2 n trạng thái mà từ đó có thể tượng trưng. Vậy một từ n bit tương ứng với một lượng thông tin n bit. 1.3.2 Biểu diễn thông tin trong máy tính. Nguyên tắc chung: Mọi dữ liệu đưa vào máy tính đều được mã hóa thành số nhị phân Các loại dữ liệu: – Dữ liệu nhân tạo: do con người quy ước – Dữ liệu tự nhiên: Tồn tại khách quan với con người Mã hoá dữ liệu nhân tạo – Dữ liệu số nguyên: mã hoá theo một số chuẩn đa qui ước. – Dữ liệu số thực: mã hoá bằng số dấu chấm động – Dữ liệu phi số (ký tự): mã hoá theo các bộ mã ký tự hiện hành như : ASCII, Unicode,… Hình 1.7: Mô hình mã hóa và tái tạo tín hiệu vật lý: Các tín hiệu thông dụng: Âm thanh Hình ảnh Thứ tự lưu trữ các byte trong máy tính: – Bộ nhớ chính tổ chức lưu trữ dữ liệu theo đơn vị byte [...]... nhập thông tin, bộ phận này thực hiện sự giao tiếp giữa máy tính và người dùng hay giữa các máy tính trong hệ thống mạng (đối với các máy tính được kết nối thành một hệ thống mạng) Các bộ phận xuất nhập thường gặp là: bộ lưu trữ ngoài, màn hình, máy in, bàn phím, chuột, máy quét ảnh, các giao diện mạng cục bộ hay mạng diện rộng Bộ tạo thích ứng là một vi mạch tổng hợp (chipset) kết nối giữa các hệ thống... trao đổi thông tin giữa CPU và bộ nhớ trong (thông qua cache), và một bus vào-ra dùng trao đổi thông tin giữa các bộ phận vào-ra và bộ nhớ trong Bộ xử lý trung tâm (CPU): Hình 2.3: Cấu trúc một hệ máy tính đơn giản 24    Một chương trình sẽ được sao chép từ đĩa cứng vào bộ nhớ trong cùng với các thông tin cần thiết cho chương trình hoạt động, các thông tin này được nạp vào bộ nhớ trong từ các bộ phận... lệnh và phần điều khiển Phần thi hành lệnh bao gồm bộ làm toán và luận lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) và các thanh ghi Nó có nhiệm vụ làm các phép toán trên số liệu Phần điều khiển có nhiệm vụ đảm bảo thi hành các lệnh một cách tuần tự và tác động các mạch chức năng để thi hành các lệnh – Bộ phận vào - ra: đây là bộ phận xuất nhập thông tin, bộ phận này thực hiện sự giao tiếp giữa máy tính và người... phần cơ bản của một máy tính Thành phần cơ bản của một bộ máy tính gồm: bộ xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit), bộ nhớ trong, các bộ phận nhập-xuất thông tin Các bộ phận trên được kết nối với nhau thông qua các hệ thống bus Hệ thống bus bao gồm: bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển Bus địa chỉ và bus dữ liệu dùng trong việc chuyển dữ liệu giữa các bộ phận trong máy tính Bus điều khiển... Dạng tổng quát là: 1an-2an-3…a0 Ví dụ: Biểu diễn số nguyên có dấu sau đây A=+97 và B= -101 theo hai dạng kiểu n=8bit và n=16bit trong máy tính b Biểu diễn số thực Ví dụ: Khối lượng mặt trời: 199000000000000000000000000000000000g Khối lượng điện tử: 0.00000000000000000000000000000910956g 12    Biểu diễn số trên trong máy tính: Sử dụng cách biểu diễn số có dấu phẩy tĩnh rất bất tiện sử dụng số có dấu... một bàn phím hay một đĩa từ) Bộ xử lý trung tâm sẽ đọc các lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, thực hiện các lệnh và lưu các kết quả trở lại bộ nhớ trong hay cho xuất kết quả ra bộ phận xuất thông tin (màn hình hay máy in) Thành phần cơ bản của một máy tính bao gồm : – Bộ nhớ trong: Đây là một tập hợp các ô nhớ, mỗi ô nhớ có một số bit nhất định và chức một thông tin được mã hoá thành số nhị phân mà không quan... 2n-1-1) Giá trị của số nguyên đó được tính theo 2 phần riêng biệt: Phần giá trị dương (0 2n-1-1) Phần giá trị âm (- 2n-1 -1) Trong đó: Bít có trọng số cao nhất (hay bit ngoài cùng bên trái của dãy nhị được máy tính sử dụng để biểu diễn dấu của giá trị) nếu: = 0 : thì số nhị phân cần tính giá trị là số dương Dạng tổng quát là: 0an-2an-3…a0 Nếu: = 1 : thì số nhị phân cần tính giá trị là số âm Dạng tổng quát... BVXL Pentium có thể dự đoán rẽ nhánh (Branch prediction) tức là bộ vi xử lý có thể suy đoán và nhận trước mã lệnh khi có lệnh JMP hoặc 18    lệnh CALL BVXL P Pentium có thể suy đ ó đoán và nhậ trước cá mã lệnh ận ác h P ngay sau lệ JMP) v các lệnh này vẫn được thực ệnh và h c (lệnh JMP và lệnh n hiện tức th Tính c hời chất suy đo rẽ nhán làm bớt một phần tổng thời oán nh t n i gian thực h lệnh hiện... graphic v đồ hoạ Kỹ thuật SIMD nân tốc độ x lý số liệu lên đáng o, và ng xử u g kể (10 - 20% so với Pentiu o um) – Công nghệ MM được bổ sung 57 lệnh mới v rất mạnh chuyên ch thao tác g MX ổ l và h ho c và xử lý các số liệu video, audio, đồ hoạ và hoạt hinh (tứ xử lý Mu ử , ức ultimedia) 19  9   – Trong Pentium MMX có cache là 32 Kb và d đó bớt được đáng kể số lần g 3 do g n mà bộ vi xử lý truy nhập... trong đều có một địa chỉ Thời gian thâm nhập vào một ô nhớ bất kỳ trong bộ nhớ là như nhau Vì vậy, bộ nhớ trong còn được gọi là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM: Random Access Memory) Độ dài của một từ máy tính (Computer Word) là 32 bit (hay 4 byte), tuy nhiên dung lượng một ô nhớ thông thường là 8 bit (1 Byte) – Bộ xử lý trung tâm (CPU): đây là bộ phận thi hành lệnh CPU lấy lệnh từ bộ nhớ trong và lấy . năm 2003 Phân loại máy tính: Thông thường máy tính được phân loại theo tính năng kỹ thuật và giá tiền. – Các siêu máy tính (Super Computer): là các máy tính đắt tiền nhất và tính năng kỹ thuật. giá một máy tính mini có thể từ vài ch ục USD đến vài trăm ngàn USD. – Máy vi tính (Microcomputer) là loại máy tính dùng bộ vi xử lý, giá một máy vi tính có thể từ vài trăm USD đến vài ngàn. cao nhất. Giá bán một siêu máy tính từ vài triệu USD. Các siêu máy tính thường là các máy tính vectơ hay các máy tính dùng kỹ thuật vô hướng và được thiết kế để tính toán khoa học, mô phỏng