Bài giảng kiến trúc máy tính trường đại học công nghiệp thực phẩm

Đại học Công nghiệp Thực phẩm Khoa Công nghệ Thông tin  BÀI GIẢNG KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 9/2012 Lưu hành nội bộ Mục Lục Đại học Công nghiệp Thực phẩm 1 Khoa Công nghệ Thông tin 1  1 BÀI GIẢNG KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 1 9/2012 1 Lưu hành nội bộ 1 Chương 1 1 1. Máy tính và phân loại 2 a)Máy tính(Computer): là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau: 2 b)Phân loại máy tính 2 2. Kiến trúc máy tính 5 a)Kiến trúc tập lệnh (Intruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập trình 5 b)Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính. 5 3. Sự tiến hóa của máy tính 6 Chương 2 9 1. Các thành phần của máy tính 10 a)Bộ xử lý trung tâm (CPU) 10 b)Bộ nhớ máy tính (Memory) 12 c)Hệ thống vào-ra (Input-Output) 13 2. Hoạt động của máy tính 17 a)Thực hiện chương trình 17 b)Ngắt 18 c)Hoạt động vào-ra 20 3. Liên kết hệ thống 21 a)Khái niệm chung về bus 21 b)Cấu trúc đơn bus 21 c)Phân cấp bus trong máy tính 23 Chương 3 24 1. Các hệ đếm cơ bản 25 a)Hệ thập phân 25 b)Hệ nhị phân 25 c)Hệ mười sáu (Hexa) 26 2. Mã hóa và lưu trữ dữ liệu trong máy tính 27 a)Nguyên tắc chung về mã hóa dữ liệu 27 b)Thứ tự lưu trữ các byte của dữ liệu 27 3. Biểu diễn số nguyên 27 a)Biểu diễn số nguyên không dấu 28 b)Biểu diễn số nguyên có dấu 28 c)Biểu diễn số nguyên theo mã BCD 29 4. Thực hiện các phép toán số học với số nguyên 30 a)Phép cộng số nguyên không dấu 30 b)Phép đảo dấu 30 c)Cộng số nguyên có dấu 31 d)Nguyên tắc thực hiện phép trừ 32 5. Số dấu phẩy động 32 a)Nguyên tắc chung 32 b)Chuẩn IEEE 754 32 6. Biểu diễn ký tự 33 a)Bộ mã ASCII(American Standard Code for Information Interchange) 33 b)Bộ mã hợp nhất Unicode 35 Chương 4 36 1. Cấu trúc cơ bản của CPU 37 a)Nhiệm vụ và cấu trúc của CPU 37 b)Đơn vị số học và logic 37 c)Đơn vị điều khiển 38 d)Tập thanh ghi 39 2. Tập lệnh 43 a)Giới thiệu chung về tập lệnh 43 b)Các kiểu thao tác 44 c)Các phương pháp định địa chỉ (addressing modes) 46 3. Hoạt động của CPU 50 a)Chu trình lệnh 50 4. Cấu trúc chung của các bộ xử lý tiên tiến 52 a)Các đơn vị xử lý dữ liệu 52 b)Các đơn vị chức năng đặc biệt 52 c)Bộ nhớ cache 52 d)Đơn vị quản lý bộ nhớ 52 5. Kiến trúc Intel 52 a)Kiến trúc 16-bit (IA-16) 52 b)Kiến trúc 32-bit (IA-32) 53 Chương 5 54 1. Tổng quan về hệ thống nhớ 55 a)Các đặc trưng của hệ thống nhớ 55 b)Phân cấp hệ thống nhớ 55 2. Bộ nhớ bán dẫn 56 a)Phân loại 56 b)Tổ chức của chip nhớ 58 3. Bộ nhớ chính 59 a)Các đặc trưng cơ bản 59 b)Tổ chức bộ nhớ đan xen 59 4. Bộ nhớ đệm nhanh (cache memory) 59 a)Nguyên tắc chung 59 b)Các phương pháp ánh xạ địa chỉ từ bộ nhớ chính vào cache 61 c)Các thuật giải thay thế block trong cache 64 d)Phương pháp ghi dữ liệu khi cache hit 65 e)Cache trên các bộ xử lý Intel 65 5. Bộ nhớ ngoài 66 a)Các kiểu bộ nhớ ngoài 66 6. Hệ thống nhớ trên PC hiện nay 67 a)Bộ nhớ cache: tích hợp trên chip vi xử lý 67 b)Bộ nhớ chính: tồn tại dưới dạng các mô-đun nhớ RAM 67 c)ROM BIOS chứa các chương trình sau: 68 d)CMOS RAM: 68 e)Video RAM: quản lý thông tin của màn hình 68 Chương 6 69 1. Tổng quan về hệ thống nhập-xuất 70 a)Giới thiệu chung 70 b)Các thiết bị ngoại vi 70 c)Môđun vào-ra 71 d)Các phương pháp địa chỉ hóa cổng vào-ra 72 2. Các phương pháp điều khiển vào-ra 74 a)Vào-ra bằng chương trình 74 b)Vào-ra điều khiển bằng ngắt 75 c)DMA (Direct Memory Access) 77 d)Bộ xử lý vào-ra 80 3. Nối ghép thiết bị ngoại vi 80 a)Các kiểu nối ghép vào-ra 80 b)Các cấu hình nối ghép 81 4. Các cổng vào-ra thông dụng trên PC 81 82 Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 1: Giới thiệu chung Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG Mục đích: Giới thiệu lịch sử phát triển của máy tính, Giới thiệu các thế hệ máy tính Cách phân loại máy tính. Yêu cầu: Sinh viên được trang bị kiến thức về lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính. 1 | P a g e Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 1: Giới thiệu chung 1. Máy tính và phân loại a) Máy tính(Computer): là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau: • Nhận thông tin vào • Xử lý thông tin theo dãy các lệnh được nhớ sẵn bên trong: Dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện công việc cụ thể được gọi là chương trình (program) • Đưa thông tin ra. Hình 1.1 Quy trình thực hiện công việc máy tính b) Phân loại máy tính • Phân loại truyền thống: − Microcomputer: Còn gọi là PC (personal computer), là những máy tính nhỏ, có 1 chip vi xử lý và một số thiết bị ngoại vi. Thường dùng cho một người, có thể dùng độc lập hoặc dùng trong mạng máy tính. − Minicomputer: Là những máy tính cỡ trung bình, kích thước thường lớn hơn PC. Nó có thể thực hiện được các ứng dụngmà máy tính cỡ lớn thực hiện. Nó có khả năng hỗ trợ hàng chục đến hàng trăm người làm việc. Minicomputer được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thời gian thực, ví dụ trong điều khiển hàng không, trong tự động hoá sản xuất. 2 | P a g e Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 1: Giới thiệu chung − Supermini: Là những máy Minicomputer có tốc độ xử lý nhanh nhất trong họ Mini ở những thời điểm nhất định. Supermini thường được dùng trong các hệ thống phân chia thời gian, ví dụ các máy quản gia của mạng. − Mainframe: Là những máy tính cỡ lớn, có khả năng hỗ trợ cho hàng trăm đến hàng ngàn người sử dụng. Thường được sử dụng trong chế độ các công việc sắp xếp theo lô lớn (Large-Batch-Job) hoặc xử lý các giao dịch (Transaction Processing), ví dụ trong ngân hàng. − Supercomputer: Đây là những siêu máy tính, được thiết kế đặc biệt để đạt tốc độ thực hiện các phép tính dấu phẩy động cao nhất có thể được. Chúng thường có kiến trúc song song, chỉ hoạt động hiệu quả cao trong một số lĩnh vực. • Phân loại máy tính hiện đại − Máy tính để bàn (Desktop Computers) : Là loại máy tính phổ biến nhất + Các loại máy tính để bàn gồm máy tính cá nhân (Personal Computer – PC) và máy tính trạm làm việc (Workstation Computer) + 1981: IBM giới thiệu máy tính IBM-PC sử dụng bộ xử lý Intel 8088 + 1984: Apple đưa ra máy tính Macintosh sử dụng bộ xử lý Motorola 68000 + Giá thành: 300USD đến 10.000USD − Máy chủ (Servers) : Thực chất là máy phục vụ + Dùng trong mạng theo mô hình Client/Server (Khách hàng/Người phục vụ) + Tốc độ và hiệu năng tính toán cao + Dung lượng bộ nhớ lớn + Độ tin cậy cao + Giá thành: hàng chục nghìn đến hàng chục triệu USD. − Máy tính nhúng (Embedded Computers) : + Được đặt trong thiết bị khác để điều khiển thiết bị đó làm việc + Được thiết kế chuyên dụng 3 | P a g e Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 1: Giới thiệu chung + Ví dụ: . Điện thoại di động, bộ điều khiển trong máy giặt, điều hoà nhiệt độ, Router -bộ định tuyến trên mạng + Giá thành: Vài USD đến hàng trăm nghìn USD. • Phân loại theo kiến trúc Dựa vào kiến trúc của máy tính người ta cũng phân máy tính ra các loại khác nhau như sau: − Kiến trúc SISD (single instruction - single data, đơn dòng lệnh - đơn dòng dữ liệu), sơ đồ như hình 1-2 Hình 1-2: Kiến trúc máy tính SISD. − Kiến trúc CIMD (Single Instruction Multiple Data, đơn dòng lệnh- đa dữ liệu), sơ đồ như hình 1-3. Hình 1-3: Kiến trúc SIMD. − Kiến trúc MIMD (Multiple Instruction Multiple Data, đa dòng lệnh- đa dữ liệu), sơ đồ như hình 1-4. 4 | P a g e Khối điều khiển Khối chấp hành Hệ thống nhớ lệnh dữ liệu Các tín hiệu điều khiển dữ liệu Khối điều khiển Khối chấp hành 2 Hệ thống nhớ lệnh Các tín hiệu điều khiển Khối chấp hành 1 Khối chấp hành n Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 1: Giới thiệu chung Hình 1-4: Kiến trúc MIMD. 2. Kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh: a) Kiến trúc tập lệnh (Intruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập trình. • Tập lệnh:Tập hợp các chuỗi số nhị phân mã hoá cho các thao tác mà máy tính có thể thực hiện. • Các kiểu dữ liệu: Các kiểu dữ liệu mà máy tính có thể xử lý. b) Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính. • Bộ xử lý trung tâm (CPU):Điều khiển hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu. • Bộ nhớ chính (Main Memory):Chứa các chương trình và dữ liệu đang được sử dụng. • Hệ thống vào ra (Input/Output System):Trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài. • Liên kết hệ thống (System Interconnection):Kết nối và vận chuyển thông tin giữa các thànhphần với nhau. 5 | P a g e dữ liệu Khối điều khiển 1 Khối điều khiển n Hệ thống nhớ lệnh Các tín hiệu điều khiển Khối chấp hành 1 Khối chấp hành n dữ liệulệnh Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 1: Giới thiệu chung Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc cơ bản Nhận xét: Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi rất nhanh. Ví dụ: Các máy tính PC dùng các bộ xử lý Intel 32-bit từ 80386 đến Pentium 4: có cùng chung kiến trúc tập lệnh (IA-32) nhưng có tổ chức khác nhau 3. Sự tiến hóa của máy tính Chiếc máy tính điện tử đầu tiên là ENIAC được ra đời năm 1946, được chế tạo từ những đèn điện tử, rơle điện tử và các chuyển mạch cơ khí. Lịch sử phát triển của máy tính điện tử có thể chia làm bốn thế hệ như sau: - Thế hệ 1: (1945-1955). Máy tính được xây dựng trên cơ sở đèn điện tử mà mỗi đèn tượng trưng cho 1 bit nhị phân. Do đó máy có khối lượng rất lớn, tốc độ chậm và tiêu thụ điện năng lớn. Như máy ENIAC có khối lượng 30 tấn, tiêu thụ công suất 140KW. 6 | P a g e [...]... P a g e Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 2: Hệ thống máy tính Hình 2.5 Tổ chức ma trận bàn phím Hình 2.6 Ma trận ký tự trên màn hình 15 | P a g e Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 2: Hệ thống máy tính Hình 2.7 Chế độ đồ họa Hình 2.8 Máy in Thiết bị nhớ: các ổ đĩa … 16 | P a g e Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 2: Hệ thống máy tính Hình 2.9 Ổ cứng Thiết bị truyền thông:... thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính, khái niệm về kiến trúc máy tính, tập lệnh Nắm vững các kiến thức về các kiểu kiến trúc máy tính, liên kết các hệ thống 9|Page Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 2: Hệ thống máy tính 1 Các thành phần của máy tính a) Bộ xử lý trung tâm (CPU) • Chức năng − Điều khiển hoạt động của máy tính − Xử lý dữ liệu • Nguyên tắc hoạt động cơ bản: − CPU hoạt động... chia máy tính số thế hệ thứ tư thành 5 loại chính, các loại có thể trùm lên nhau một phần: 8|Page Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 2: Hệ thống máy tính Chương 2 HỆ THỐNG MÁY TÍNH Mục đích: Giới thiệu các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính giới thiệu nguyên tắc họat động của máy tính Yêu cầu: :Sinh viên có kiến thức về các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính, khái niệm về kiến. .. ổ đĩa CD, DVD 23 | P a g e Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 3: Biểu diễn dữ liệu và số học máy tính Chương 3 BIỂU DIỄN DỮ LIỆU VÀ SỐ HỌC MÁY TÍNH Mục đích: Cung cấp kiến thức về các hệ đếm, biểu diễn số nguyên số thực trên máy tính, thực hiện các phép tóan số học Yêu cầu: Sinh viên nắm vững các khái niệm cơ bản liên quan đến các hệ thống số được dùng trong máy tính Thành thạo các thao tác.. .Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 1: Giới thiệu chung Hình 1.6 Máy tính ENIAC - Thế hệ thứ 2: (1955-1965) Máy tính được xây dựng trên cơ sở là các đèn bán dẫn (transistor), máy tính đầu tiên thế hệ này có tênlà TX-0 (transistorized experimental computer 0) - Thế hệ thứ ba: (1965-1980) Máy tính được xây dựng trên các vi mạch cỡ nhỏ (SSI) và cỡ vừa (MSI), điển hình là thế hệ máy System/360... hệ thứ tư: (1980- ) Máy tính được xây dựng trên các vi mạch cỡ lớn (LSI) và cực lớn (VLSI) + Đây là thế hệ máy tính số ngày nay, nhờ công nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc, mà người ta có thể chế tạo các mạch tổ hợp ở mức độ cực lớn Nhờ đó máy tính ngày 7|Page Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 1: Giới thiệu chung càng nhỏ hơn, nhẹ hơn, mạnh hơn và giá thành rẻ hơn Máy tính cá nhân bắt đầu... giữa các hệ thống số 24 | P a g e Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 3: Biểu diễn dữ liệu và số học máy tính 1 Các hệ đếm cơ bản Một máy tính được chủ yếu cấu tạo bằng các mạch điện tử có hai trạng thái Vì vậy, rất tiện lợi khi dùng các số nhị phân để biểu diễn số trạng thái của các mạch điện hoặc để mã hoá các ký tự, các số cần thiết cho vận hành của máy tính Chương này chúng ta nghiên cứu... bị ngọai vi) với bên trong máy tính • Các kiểu hoạt động vào-ra: 20 | P a g e Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 2: Hệ thống máy tính − CPU trao đổi dữ liệu với môđun vào-ra − Môđun vào-ra trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ chính 3 Liên kết hệ thống a) Khái niệm chung về bus • Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin giữa các thành phần của máy tính với nhau • Độ rộng bus:... mềm của máy tính, được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào-ra, dung lượng lớn, tốc độ chậm + Các loại bộ nhớ ngoài: Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card c) Hệ thống vào-ra (Input-Output) • Chức năng: trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài 13 | P a g e Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 2: Hệ thống máy tính. .. năng: nối ghép các TBNV với máy tính Mỗi môđun vào-ra có một hoặc một vài cổng vào-ra (I/O Port) Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác định Các TBNV được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thông qua các cổng vào-ra 2 Hoạt động của máy tính a) Thực hiện chương trình • Thực hiện chương trình là hoạt động cơ bản của máy tính − Máy tính lặp đi lặp lại hai bước: Nhận lệnh và thực hiện lệnh đây là chu . Đại học Công nghiệp Thực phẩm Khoa Công nghệ Thông tin  BÀI GIẢNG KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 9/2012 Lưu hành nội bộ Mục Lục Đại học Công nghiệp Thực phẩm 1 Khoa Công nghệ Thông tin 1  1 BÀI. Khối chấp hành n Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Chương 1: Giới thiệu chung Hình 1-4: Kiến trúc MIMD. 2. Kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh: a) Kiến trúc tập lệnh. loại máy tính. Yêu cầu: Sinh viên được trang bị kiến thức về lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính. 1 | P a g e Trường Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm