Tập hợp tất cả các câu hỏi kiến trúc máy tính có lời giải chính xác cho học sinh sinh viên,hổ trợ tốt cho ôn thi cuối kì hoặc kết thúc học phần.Giúp cho các bạn sinh viên học sinh nắm vững kiến thức về môn kiến trúc máy tính
Kiến trúc máy tính 1.Máy tính ? Máy tính (Computer) thiết bị điện tử thực công việc sau: Nhận thông tin vào ( Input ) Xử lý thông tin theo chương trình nhớ sẵn bên nhớ máy tính ( Processing ) Đưa thông tin ( Output ) 2.Chương trình gì? - Chương trình (Program): chương trình dãy câu lệnh nằm nhớ, nhằm mục đích hướng dẫn máy tính thực công việc cụ thể Máy tính thực theo lệnh chương trình 3.Kiến trúc máy tính bao gồm phần nào: kiến trúc máy tính thiết kế khái niệm cấu trúc hoạt động hệ thống máy tính • • • • • • • Kiến trúc máy tính bao gồm ba phần: Kiến trúc phần mềm, tổ chức máy tính lắp đặt phần cứng Kiến trúc phần mềm máy tính chủ yếu kiến trúc phần mềm xử lý, bao gồm: tập lệnh, dạng lệnh kiểu định vị Trong đó, tập lệnh tập hợp lệnh mã máy (mã nhị phân) hoàn chỉnh hiểu xử lý bới xử lý trung tâm, thông thường lệnh tập lệnh trình bày dạng hợp ngữ Mỗi lệnh chứa thông tin yêu cầu xử lý thực hiện, bao gồm: mã tác vụ, địa toán hạng nguồn, địa toán hạng kết quả, lệnh (thông thường thông tin ẩn) Kiểu định vị cách thức thâm nhập toán hạng Kiến trúc phần mềm phần mà lập trình viên hệ thống phải nắm vững để việc lập trình hiểu quả, sai sót Phần tổ chức máy tính liên quan đến cấu trúc bên xử lý, cấu trúc bus, cấp nhớ mặt kỹ thuật khác máy tính Phần nói đến chương sau Lắp đặt phần cứng máy tính ám việc lắp ráp máy tính dùng linh kiện điện tử phận phần cứng cần thiết Chúng ta không nói đến phần giáo trình 3.1 Kiến trúc máy tính khái niệm: Kiến trúc máy tính (computer architecture) khái niệm trừu tượng hệ thống tính toán quan điểm người lập trình người viết chương trình dịch Nói cách khác, kiến trúc máy tình xem xét theo khía cạnh mà người kaapj trình can thiệp vào mức đặc quyền, bao gồm ghi, ô nhớ ngắt thâm nhập thông qua lệnh 3.2 Lịch sử hình thành phát triển: - Thế hệ 1:(1945-1955) Máy tính đc xây dựng sở đèn điện tử mà mối đèn tượng trưng cho bit nhị phân Do máy có khối lượng lớn, tốc độ chậm tiêu thụ điện lớn Như máy ENIAC có khối lượng 30 tấn, tiêu thụ công suất 140kw - Thế hệ 2:(1955-1965) Máy tình xây dựng sở đèn bán dẫn (transistor), máy tính hệ có tên TX-0 (transistorized experimental computer 0) - Thế hệ 3:(1965-1980) Máy tính xây dựng tren vi mạch cỡ nhỏ(SSI) cỡ vừa(MSI), điển hình hệ máy System/360 IBM Thế hệ máy tính có bước đột phá sau: + Tính tương thích cao: Các máy tính họ có khả chạy chương trình, phần mềm + Đặc tính đa chương trình: thời điểm có vài chương trình nằm nhớ số cho chạy chương trình khác chờ hoàn thành thao tác vào/ra + Không gian địa lớn - Thế hệ 4:(1980- nay) Máy tính xây dựng vi mạch lớn(LSI) cực lớn(VLSI) Đây hệ máy tính số ngày nay, nhờ công nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc, mà người ta chế tạo mạch tổ hợp mức độ cực lớn Nhờ máy tính ngày nhỏ hơn, nhẹ giá thành rẻ Máy tính cá nhân bắt đầu xuất phát triển thời kì Dựa vào kích thước vật lý, hiệu suất lĩnh vực sử dụng, người ta thường chia máy tính số hệ thứ tư thành loại chính, loại trùm lên phần: Microcomputer, Minicomputer, Supermini, Mainframe, supercomputer 4.Phân loại máy tính dựa vào tính kỹ thuật giá tiền Thông tin gì: Thông tin phản ánh vật, việc, t ượng gi ới khách quan hoạt động ngườ i đời sống xã hội Điều người thông qua việc cảm nhận thông tin làm tăng hiểu biết cho tiến hành hoạt động có ích cho cộng đồng lượ ng thông tin : Lượ ng thông tin số số nhị phân cần thiết để biểu diễn số trạng thái có.Như số nhị phân gọi bit Hệ thống bus bao gồm: bus địa chỉ, bus liệu bus điều khiển Bus địa bus liệu dùng việc chuyển liệu phận máy tính Bus điều khiển làm cho trao đổi thông tin phận đồng Thành phần máy tính gồm : Bộ xử lý trung tâm(CPU:Central Processing Unit),bộ nhớ trong,các phận nhập xuất thông tin Thành phần máy tính bao gồm : -Bộ nhớ trong: Đây tập hợp ô nhớ, ô nhớ có số bit định chức thông tin mã hoá thành số nhị phân mà không quan tâm đến kiểu liệu mà chứa -Bộ xử lý trung tâm (CPU): phận thi hành lệnh CPU lấy lệnh từ nhớ lấy số liệu mà lệnh xử lý Bộ xử lý trung tâm gồm có hai phần: phần thi hành lệnh phần điều khiển -Bộ phận vào - ra: phận xuất nhập thông tin, phận thực giao tiếp máy tính người dùng hay máy tính hệ thống mạng (đối với máy tính kết nối thành hệ thống mạng) Các phận xuất nhập thường gặp là: lưu trữ ngoài, hình, máy in, bàn phím, chuột, máy quét ảnh, giao diện mạng cục hay mạng diện rộng Bộ tạo thích ứng vi mạch tổng hợp (chipset) kết nối hệ thống bus có tốc độ liệu khác II.3 - CÁC KIỂU THI HÀNH MỘT LỆNH Như mô tả, lệnh mã máy bao gồm mã tác vụ toán hạng Ví dụ: lệnh mã máy 01101001010101010000001101100101 Việc chọn số toán hạng cho lệnh mã máy vấn đề then chốt phải có cân đối tốc độ tính toán số mạch tính toán phải dùng Tuỳ theo tần số sử dụng phép mà nhà thiết kế máy tính định số lượng mạch chức cần thiết cho việc tính toán Thông thường số toán hạng thay đổi từ tới Ví dụ: lệnh Y := A + B + C + D lệnh mã máy ta có mạch cộng, thực lệnh mã máy có mạch cộng, việc tính toán xảy ít, người ta cần thiết kế mạch cộng thay phải tốn chi phí lắp đặt mạch cộng Tuy nhiên, với mạch cộng thời gian tính toán hệ thống chậm với hệ thống có ba mạch cộng Vị trí toán hạng xem xét Bảng II.1 chọn vài nhà sản xuất máy tính kiểu vị trí toán hạng lệnh tính toán ALU là: ngăn xếp, ghi tích luỹ, ghi đa dụng Những kiến trúc phần mềm gọi kiến trúc ngăn xếp, kiến trúc ghi tích luỹ kiến trúc ghi đa dụng 10.II.4 - KIỂU KIẾN TRÚC THANH GHI ĐA DỤNG -Do kiểu kiến trúc ghi đa dụng chiếm vị trí hàng đầu nên phần sau, ta đề cập đến kiểu kiến trúc Đối với lệnh tính toán logic điển hình (lệnh ALU), có điểm cần nêu lên -Trước tiên, lệnh ALU phải có toán hạng Nếu lệnh có toán hạng toán hạng chứa kết phép tính hai toán hạng (Ví dụ: add A, B, C) Nếu lệnh có toán hạng hai toán hạng phải vừa toán hạng nguồn, vừa toán hạng đích (Ví dụ: add A, B) Thứ hai, số lượng toán hạng nhớ có lệnh Số toán hạng nhớ thay đổi từ tới -Kiểu ghi - ghi nhiều nhà chế tạo máy tính lưu ý với lý do: việc tạo mã máy đơn giản, chiều dài mã máy cố định số chu kỳ xung nhịp cần thiết cho việc thực lệnh cố định, thâm nhập nhớ Tuy nhiên, kiểu kiến trúc có vài hạn chế như: số lượng ghi bị giới hạn, việc ghi có độ dài dẫn đến không hiệu lệnh xử lý chuối lệnh có cấu trúc Việc lưu phục hồi trạng thái có lời gọi thủ tục hay chuyển đổi ngữ cảnh 11.khác biệt RISC CISC 12 Đặc điểm kiến trúc RISC: - Có số lệnh (thông thường 100 lệnh ) - Có số kiểu định vị (thông thường hai kiểu: định vị tức định vị gián tiếp thông qua ghi) - Có số dạng lệnh (một hai) - Các lệnh có chiều dài - Chỉ có lệnh ghi đọc ô nhớ thâm nhập vào nhớ - Dùng tạo tín hiệu điều khiển mạch điện để tránh chu kỳ giải mã vi lệnh làm cho thời gian thực lệnh kéo dài - Bộ xử lý RISC có nhiều ghi để giảm bớt việc thâm nhập vào nhớ *Ưu điểm: - Diện tích xử lý dùng cho điều khiển giảm từ 60% (cho xử lý CISC) xuống 10% (cho xử lý RISC) Như tích hợp thêm vào bên xử lý ghi, cổng vào nhớ cache - Tốc độ tính toán cao nhờ vào việc giải mã lệnh đơn giản, nhờ có nhiều ghi (ít thâm nhập nhớ), nhờ thực kỹ thuật ống dẫn liên tục có hiệu (các lệnh có thời gian thực giống có dạng) - Thời gian cần thiết để thiết kế điều khiển Điều góp phần làm giảm chi phí thiết kế - Bộ điều khiển trở nên đơn giản gọn làm cho rủi ro mắc phải sai sót mà ta gặp thường điều khiển *Nhược điểm - Các chương trình dài so với chương trình viết cho xử lý CISC Điều nguyên nhân sau : + Cấm thâm nhập nhớ tất lệnh ngoại trừ lệnh đọc ghi vào nhớ Do ta buộc phải dùng nhiều lệnh để làm công việc định + Cần thiết phải tính địa hiệu dụng nhiều cách định vị + Tập lệnh có lệnh nên lệnh sẵn phải thay chuỗi lệnh xử lý RISC -Các chương trình dịch gặp nhiều khó khăn có lệnh làm cho có lựa chọn để diễn dịch cấu trúc chương trình gốc Sự cứng nhắc kỹ thuật ống dẫn gây khó khăn - Có lệnh trợ giúp cho ngôn ngữ cấp cao 13.Các kiểu định vị xử lý RISC - Kiểu định vị ghi Đây kiểu định vị thường dùng cho xử lý RISC, toán hạng nguồn kết nằm ghi mà số thứ tự nêu lệnh - Kiểu định vị tức Trong kiểu này, toán hạng số có dấu, chứa lệnh - Kiểu định vị trực tiếp Trong kiểu địa toán hạng nằm lệnh - Kiểu định vị gián tiếp ghi + độ dời Đây kiểu đặc thù cho kiến trúc RISC II.10.5 - Kiểu định vị tự tăng Một vài xử lý RISC, ví dụ xử lý PowerPC, dùng kiểu định vị 13.Bộ nhớ chính: -Chia thành ô nhớ ,mỗi ô nhớ chia thành địa xác định đucợ đánh địa trực tiếp bới cpu -Dung lượng nhớ phải nhỏ không gian quản lí địa 14.Bộ nhớ cache -Cache nhớ đóng vai trò trung gian,trung chuyển liệu từ nhớ CPU ngược lại.Cache có dung lương tương đối nhỏ,khoảng từ vài chục KB đén vài chục MB.Tốc độ truy cập cache cao giá thành khác đắt.Cache koi nhớ “thông minh” khả đoán trước nhu cầu lệnh liệu CPU.Cache “đoán ” tải trước lệnh liệu CPU cần sử dụng tử nhớ chính,nhờ giúp CPU giảm thwoif gian truy cập hệ thống nhớ,tăng tốc độ xử lý Vai trò: Cache giúp tăng hiệu hệ thống giảm giá thành sản xuất Thao tác cache: -CPU yêu cầu nội dung ngăn nhớ -CPU tìm cache với nội dung -Nếu có, CPU nhận từ cache với nội dung (nhanh) cache hit -Nếu không ó : chuyển block từ nhớ nội dung vào cache chuyển ngăn nhớ đến CPU (cache mis) Tổ chức cache: - Thủ tục quản lí nhớ phân cấp có cache nạp đoạn chương trình liệu từ nhớ vào cache Phưong pháp đơn giản dùng để quy chiếu nhớ có cache phương pháp ánh xạ trực tiếp - Việc quy chiếu đến cache gọi "trúng" truy cập thông tin cache phải đọc từ nhớ - Bộ nhớ cache chứa nhiều khối cache Mỗi khối cache nằm vị trí định cache Mỗi cache chứa thông tin như: số hiệu thẻ, bit cờ thân khối liệu 15.Trình bày nguyên tác hoạt động nhớ ngăn xếp : -Ngăn xếp ( stack) vùng nhớ đặc biệt truy cập theo chế vào trước sau - LIFO -Nó bao gồm nhiều phần tử, phần tử từ -Vị trí ngăn xếp xác định cặp ghi SS SP : SS dùng chứa địa đoạn ngăn xếp, SP dùng chứa địa đỉnh ngăn xếp Khi chưa sử dụng ngăn xếp rỗng địa chứa SP lúc đáy ngăn xếp -Stack có cấu trúc liệu dạng thùng chứa phần liệu có hai phép toán push pop -Push phép toán dùng bổ sung phần tử liệu vào ngăn xếp phần tử chứa ô nhớ đỉnh ngăn xếp -Pop phép toán dùng giải phóng trả phần liệu đứng đỉnh ngăn xếp Trong stack liệu thêm vào stack lúc có phần liệu thêm vào sau cùng, tức vị trí đỉnh ngăn xếp lấy Ngoài có sô thao tác sau đây: -isEmpty( ): dùng kiểm tra xem stack có rỗng hay không ? -Top( ): trả giá trị phần tử nằm đầu mà ko hủy khỏi stack -Tuy nhiên stack rỗng lỗi xảy Loại kiến trúc Ngăn xếp (stack) Lợi điểm Bất lợi - Lệnh ngắn - Ít mã máy - Làm tối thiểu trạng thái bên máy tính - Dễ dàng tạo biên dịch đơn giản cho kiến trúc ngăn xếp - Thâm nhập ngăn xếp không ngẫu nhiên - Mã không hiệu - Khó dùng xử lý song song ống dẫn - Khó tạo biên dịch tối ưu - Lưu giữ ghi tích luỹ tạm thời - Nghẽn ghi tích luỹ - Khó dùng xử lý song song ống dẫn - Trao đổi nhiều với nhớ - Lệnh dài - Số lượng ghi bị giới Thanh ghi tích lũy - Lệnh ngắn - Làm tối thiểu trạng thái bên máy tính (yêu cầu mạch chức năng) - Thiết kế dễ dàng Thanh ghi đa dụng - Tốc độ xử lý nhanh, định vị đơn giản - Ít thâm nhập nhớ - Kiểu tổng quát để tạo mã hữu hiệu hạn 16 Trình bày hệ thống bus máy tính Bus đường truyền tín hiệu điện chung nối thiết bị khác hệ thống máy tính Bus thường bao gồm 50 đến 100 dây gắn chặt với mainboard, dây có đầu nối ra, đầu cắm xếp cách khoảng định để cắm vào bảng mạch điều khiển vào nhớ Nói cách khác bus đường truyền tín hiệu song song, bao gồm tập hợp nhiều dây gắn liền với Có hai loại bus bus chiều bus hai chiều, tùy vào việc trao đổi liệu mà người ta sử dụng loại bus thích hợp Và để phân nối với hệ thống bus cần tuân theo tiêu chuẩn chung - Hệ thống bus máy tính chia làm hai bus hệ thống (system bus) bus giao tiếp với thiết bị ngoại vi ( I/O bus) : +Bus hệ thống bus chuyên dùng để liên lạc trao đổi liệu phận bên máy tính như: CPU, main board, ram +Bus giao tiếp với thiết bị ngoại vi ( I/O bus) bus chuyên dùng để trao đổi CPU máy với thiết bị ngoại vi bên -Mỗi loại bus lại bao gồm ba loại bus sau: Bus hệ thống bao gồm có bus địa (address bus), bus liệu ( data bus), bus điều khiển ( control bus) +Bus địa loại bus chuyên sử dụng để truyền địa chỉ, loại bus chiều, chủ yều từ CPU phận khác +Bus liệu chuyên dùng để truyền liệu qua lại phận máy +Bus điều khiển bus cho CPU biết trạng thái thiết bị cần trao đổi hành công việc bận hay rỗi để điều khiển trình làm việc trơn chu không gặp cố Bus liệu bus điều khiển loại bus hai chiều Quá trình làm việc là: add đc phát bus địa chỉ, sau bus điều khiển xác định xem thiết bị ô nhớ có địa đc phát bus địa bận hay dỗi, bận trình ngừng lại thiết bị hay ô nhớ báo dỗi Nếu dỗi bus điều khiển xác định hướng truyền liệu từ đâu đến đâu tiếp liệu phát theo hướng bus liệu 17.Thế I/O (vào ra) ánh xạ vào nhớ I/O sử dụng riêng biệt : I/O nối với máy tính thông qua hệ thống bus giao diện I/O Nhiều máy tính sử dụng chung hệ thống bus cho hai khối nhớ khối giao diện I/O Có hai cách sử dụng chung bus tách riêng hai đường điều khiển cho hai khối chức riêng biệt sử dụng chung hoàn toàn, tức chung đường điều khiển Ngoài có số loại máy tính sử dụng hai đường bus riêng biệt cho hai khối chức Trong đó: Trao đổi thông tin CPU tất khối giao diện qua bus I/O chung Một giao diện nối tới thiết bị ngoai vi có số ghi liệu, ghi liệu ghi trạng thái Một lệnh chuyển tới ngoại vi cách gửi tới ghi giao diện thích hợp Không cần đến đường mã chức đường cảm ứng ( chuyển giao thông tin điều khiển liệu thông tin trạng thái qua bus I/O chung) a.I/O riêng biệt -Là I/O nối với máy tính thông qua hệ thống bus có: + Tách riêng đường điều khiển đọc/ ghi I/O đường điều khiển đọc/ ghi nhớ +Tách riêng không gian địa nhớ không gian địa I/O + Các lệnh vào riêng biệt b.I/O ánh xạ vào nhớ Hệ thống bus nối I/O với máy tính có đặc điểm sau: -Cả hai khối chức sử dụng chung đường đọc/ ghi liệu -Sử dụng chung không gian địa chỉ◊ giảm khoảng địa cho nhớ sử dụng -Lệnh vào/ra không xác định ◊ lệnh tương tự tham chiếu nhớ sử dụng đẻ chuyển giao I/O -PP linh hoạt tác vụ giám sát I/O 18 Trình bày cấu trúc, tham số ổ đĩa từ Ổ đĩa cứng gọi ổ cứng ( Hard Disk Drive - HDD ) thiết bị dùng để lưu trữ liệu bề mặt đĩa hình tròn có phủ vật liệu từ tính Chính mà chúng gọi ổ đĩa từ Đây loại nhớ ko bị liệu ngừng cung cấp nguồn a.Cấu tạo HDD bao gồm nhiều hay nhiều đĩa cứng đồng trục, đĩa làm kim loại có phủ lớp bột từ bên Disk lưu trữ hai mặt: side side Rãnh ( track ): đường tròn đồng tâm mặt đĩa, nơi lưu trữ thông tin Cung ( sector ) phần rãnh, thông thương cung lưu đc 5/2 byte Mặt trụ ( cylinder ): chồng rãnh vị trí đầu từ Đầu từ ( head ): hệ thống đầu đọc ( t0, t1, t2, t3) mặt trụ, dùng để ghi đọc thông tin lên đĩa b.Các thông số HDD - Chuẩn giao tiếp: có nhiều chuẩn giao tiếp HDD main board Điều xuất phát từ yêu cầu tốc độ đọc ghi liệu khác hệ thống máy tính Các loại chuẩn thông dụng EIDE, SCSI SATA - Dung lượng: tính sau Dung lượng đĩa = số mặt trụ × số đầu từ × số cung rãnh × dung lượng cung Hiện dung lượng máy tính thường dùng GB tương lai TB Dung lượng HDD tính 1GB = 1000MB hệ điều hành lại tính 1GB = 1024MB nên dung lượng hệ điều hành báo cáo thường thấp dung lượng ghi nhãn đĩa -Tốc độ quay: kí hiệu rpm - số vòng quay phút Tốc độ quay cao HDD làm việc nhanh chúng thực việc đọc ghi nhanh thời gian tìm kiếm thấp Tốc độ thông dụng 5.400 rpm 7.2 rpm, máy trạm máy chủ tốc độ lên đến 10.000 rpm 15.000 rpm -Bộ nhớ đệm - cache: nhớ có nhiệm vụ lưu trữ tạm liệu trình làm việc HDD nên độ lớn cache ảnh hưởng tới hiệu suất làm việc HDD việc đọc ghi ko xảy tức thời lí liệu đặt tạm nhớ đệm Hiện dung lượng nhớ cache thường 8MB, nhiên có nhớ cache lên đến 16MB -Tốc độ truyền liệu: đa phần tốc độ truyền liệu HDD thấp so với thiết kế ban đầu có nhiều thông số ảnh hưởng đến việc truyền liệu tốc độ quay đĩa từ, số lượng đĩa từ ổ đĩa cứng, công nghệ chế tạo, dung lượng nhớ đệm -Kích thước: để tiện cho việc lắp ráp thay ổ bị hỏng kích thước ổ đĩa chuẩn hóa thành loại: 5,25 inch dùng máy tính hệ trước 3,5 inch dùng cho máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ 2,5 inch dùng cho máy tính xách tay 1,8 inch nhỏ dùng thiết bị kỹ thuật số cá nhân PC Card 1,0 inch dùng cho thiết bị siêu nhỏ 19 Các phương pháp ánh xạ: -Ánh xạ trực tiếp -Ánh xạ liên kết -Ánh xạ toàn phần ... 3:(1965-1980) Máy tính xây dựng tren vi mạch cỡ nhỏ(SSI) cỡ vừa(MSI), điển hình hệ máy System/360 IBM Thế hệ máy tính có bước đột phá sau: + Tính tương thích cao: Các máy tính họ có khả chạy chương... thước ổ đĩa chuẩn hóa thành loại: 5,25 inch dùng máy tính hệ trước 3,5 inch dùng cho máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ 2,5 inch dùng cho máy tính xách tay 1,8 inch nhỏ dùng thiết bị kỹ thuật... thiết kế máy tính định số lượng mạch chức cần thiết cho việc tính toán Thông thường số toán hạng thay đổi từ tới Ví dụ: lệnh Y := A + B + C + D lệnh mã máy ta có mạch cộng, thực lệnh mã máy có mạch