ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP KIẾN TRÚC MÁY TÍNH.

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP KIẾN TRÚC MÁY TÍNH. Câu 1: máy tính là gì. Phân loại máy tính. a) Máy tính là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau: Nhận thông tin vào Xử lý thông tin theo các dãy lệnh được nhớ sẵn bên trong Đưa thông tin ra Dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện công việc cụ thể gọi là chương trình > máy tính hoạt động theo chương trình. b) Nêu các cách phân loại máy tính (Cách truyền thống và cách hiện đại). Phân loại theo truyền thống: • Máy vi tính (Microcomputers) • Máy tính nhỏ (Minicomputers) • Máy tính lớn (Mainframe Computers) • Siêu máy tính (Supercomputers) Phân loại máy tính hiện đại: • Máy tính cá nhân (Personal Computers) • Máy chủ (Server Computers) • Máy tính nhúng (Embedded Computers) Câu 2. Sơ đồ cấu trúc của máy tính. Chức năng của từng thành phần. Sơ đồ cấu trúc cơ bản của máy tính Bộ xử lý trung tâm(Central Processing Unit): 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(InputOutput System): Trao đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài. Bus liên kết hệ thống(System Interconnection Bus): Kết nối và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau.

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP KIẾN TRÚC MÁY TÍNH.

Câu 1: máy tính là gì Phân loại máy tính.

a) Máy tính là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau:

- Nhận thông tin vào

- Xử lý thông tin theo các dãy lệnh được nhớ sẵn bên trong

- Đưa thông tin ra

- Dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện công việc cụ thể

gọi là chương trình -> máy tính hoạt động theo chương trình

b) Nêu các cách phân loại máy tính (Cách truyền thống và cách hiện đại)

- Phân loại theo truyền thống:

 Máy vi tính (Microcomputers)

 Máy tính nhỏ (Minicomputers)

 Máy tính lớn (Mainframe Computers)

 Siêu máy tính (Supercomputers)

- Phân loại máy tính hiện đại:

 Máy tính cá nhân (Personal Computers)

 Máy chủ (Server Computers)

 Máy tính nhúng (Embedded Computers)

Câu 2 Sơ đồ cấu trúc của máy tính Chức năng của từng thành phần.

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của máy tính

- Bộ xử lý trung tâm(Central Processing Unit): Điều khiển hoạt động của máy

tính và xử lý dữ liệu

chương trình và dữ liệu đang được sử dụng

đổi thông tin giữa máy tính với bên ngoài

Bus): Kết nối và vận chuyển thông tin giữa các thành phần với nhau

- Định nghĩa trước đây về kiến trúc máy tính

 Cách nhìn logic của máy tính từ người lập trình ( hardware/ software interface)

 Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture – ISA)

- Là định nghĩa hẹp.

- Định nghĩa của Hennessy/Petterson

Kiến trúc máy tính bao gồm:

 Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập trình (hardware/software interface)

 Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu thiết kế máy tính ở mức cao, chẳng hạn như hệ thống nhớ, cấu trúc bus, thiết kế bên trong CPU

 Phần cứng (Hardware): nghiên cứu thiết kế logic chi tiết và công nghệ đóng gói của máy tính

Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức và phần cứng máy tính thay đổi rất nhanh

Kiến trúc tập lệnh của máy tính bao gồm:

 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

Câu 4 Nêu mô hình của máy tính John von Neumann.

- Đó là máy tính IAS:

 Princeton Institute for Advanced Studies

 Được bắt đầu từ1947, hoàn thành1952

 Do John von Neumann thiết kế

 Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình được lưu trữ”(storedprogram concept) của von Neumann/Turing (1945)

- Bao gồm các thành phần: đơn vị điều khiển, đơn vị số học và logic (ALU), bộ

nhớ chính và các thiết bị vào-ra

- Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu

- Bộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ, không phụ thuộc vào nội

dung của nó

- ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân

- Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã và thực hiện lệnh một cách tuần

tự

- Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động của các thiết bị vào-ra Trở thành mô

hình cơ bản của máy tính

Câu 5 Nhiệm vụ của đơn vị xử lý trung tâm CPU.

- Nhận lệnh (Fetch Intruction): CPU đọc lệnh từ bộ nhớ

- Giải mã lệnh (Decode Intruction): xác định thoa tác mà lênh yêu cầu.

- Nhận dữ liệu (Fetch Data): nhận dữ liệu từ bộ nhớ hoặc cổng vào - ra.

- Xử lý dữ liệu (Process Data): thực hiện phép toán số học hay phép toán logic

với các dữ liệu

- Ghi dữ liệu (Write Data) ghi dữ liệu ra bộ nhớ hay cổng vào – ra.

- Ngoài ra trong quá trình thực hiện chương trình còn nhận các yêu cầu từ bên

ngoài và xử lý yêu cầu đó

Câu 6 Cấu trúc của CPU và các chức năng của từng thành phần.

- Sơ đồ cấu trúc cơ bản của CPU

- Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU): Là các vi xử lí có nhiệm vụ thông dịch

các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lí, được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng

để đồng bộ các thao tác xử lí trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không đổi Khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung nhịp Tốc độ theo đó xung nhịp hệ thống tạo ra các xung tín hiệu chuẩn thời gian gọi là tốc

độ xung nhịp - tốc độ đồng hồ tính bằng triệu đơn vị mỗi giây-Mhz

- Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU): Có chức năng thực

hiện các lệnh của đơn vị điều khiển và xử lý tín hiệu Theo tên gọi, đơn vị này dùng để thực hiện các phép tính số học (+, -,*,/ ) hay các phép tính logic (so sánh lớn hơn,nhỏ hơn )

- Tập thanh ghi (Register File - RF): Thanh ghi có nhiệm vụ ghi mã lệnh trước

khi xử lý và ghi kết quả sau khi xử lý

- Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit -BIU)

- Bus bên trong (Internal Bus).

Câu 7 Giới thiệu tóm tắt về đơn vị số học logic ALU Chức năng, mô hình kết nối.

- Chức năng: Thực hiện các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm,

đảo dấu) và phép toán logic ( AND, OR, XOR, NOT, phép dịch bit)

- Mô hình kết nối ALU:

Câu 8: Giới thiệu tóm tắt về tệp thanh ghi của CPU: chức năng, đđiểm, phân loại.

- Chức năng, đặc điểm:

 Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở thời điểm hiện tại của CPU

 Được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ

 Số lượng thanh ghi nhiều -> tăng hiệu năng của CPU

 Có 2 loại tnha ghi: các thanh ghi lập trình được và các thanh ghi không lập trình được

- Phân loại thanh ghi theo chức năng:

 Thanh ghi địa chỉ: quản lý địa chỉ của ngăn nhớ hay cổng vào-ra

 Thanh ghi dữ liệu: chứa tạm thời các dữ liệu

 Thanh ghi đa năng: có thể chứa địa chỉ hoặc dữ liệu

 Thanh ghi điều khiển/ trạng thái: chứa các thông tin điều khiển và trạng thái của CPU

 Thanh ghi lệnh: chứa lệnh đang được thực hiện

Bài 9: Giới thiệu tóm tắt về Ngăn xếp (Stack) và con trỏ ngăn xếp (Stack Pointer).

Ngăn xếp (Stack) là một danh sách mà ta giới hạn việc thêm vào hoặc loại bỏ

một phần tử chỉ thực hiện tại một đầu của danh sách, đầu này gọi là đỉnh (TOP) của ngăn xếp

Ta có thể xem hình ảnh trực quan của ngăn xếp bằng một chồng đĩa đặt trên bàn Muốn thêm vào chồng đó 1 đĩa ta để đĩa mới trên đỉnh chồng, muốn lấy các đĩa ra khỏi chồng ta cũng phải lấy đĩa trên trước Như vậy ngăn xếp là một cấu trúc có tính chất “vào sau - ra trước” hay “vào trước – ra sau”

Con trỏ ngăn xếp (sp) là byte dữ liệu nào ghi vào ngăn xếp cuối cùng thì sẽ

được đọc ra đầu tiên Ngăn xếp có thể là một vùng nào đó của bộ nhớ chính, hay là một mảng thanh ghi riêng biệt Nó làm nhiệm vụ lưu giữ những thông tin phải dung đi dung lại nhiều lần trong quá trình thực hiện chương trình, đặc biệt là có nhiều chương trình con

Bài 10: Giới thiệu tóm tắt về Bus máy tính: Định nghĩa, tính chất, phân loại, chức

năng của từng loại.

Định nghĩa: Bus là lưu thông, vận chuyển tín hiệu, dữ liệu Trong máy tính, người ta

coi bus như kênh, tuyến – đường dẫn nội bộ để truyền tín hiệu từ bộ phận này sang bộ phận khác trong máy tính

Các thành phần bên trong máy tính liên lạc với nhau trong nhiều cách thức khác nhau Hầu hết các thành phần hệ thống bên trong, bao gồm bộ vi xử lý (CPU), bộ nhớ đệm cache, bộ nhớ, các card mở rộng và các thiết bị lưu trữ, giao dịch với nhau qua một hay nhiều bus

Phân loại và chức năng của từng loại

- Bus địa chỉ là các đường dẫn tín hiệu logic một chiều để truyền địa chỉ tham

chiếu tới các khu vực bộ nhớ và chỉ ra dữ liệu được lưu giữ ở đâu trong không gian bộ nhớ Trong qúa trình hoạt động CPU sẽ điều khiển bus địa chỉ để truyền

dữ liệu giữa các khu vực bộ nhớ và CPU Các địa chỉ thông thường tham chiếu tới các khu vực bộ nhớ hoặc các khu vực vào ra, hoặc ngoại vi

- Bus dữ liệu là các kênh truyền tải thông tin theo hai chiều giữa CPU và bộ nhớ

hoặc các thiết bị ngoại vi vào ra Bus dữ liệu được điều khiển bởi CPU để đọc hoặc viết các dữ liệu hoặc mã lệnh thực thi trong quá trình hoạt động của CPU

Độ rộng của bus dữ liệu nói chung sẽ xác định được lượng dữ liệu có thể truyền

và trao đổi trên bus Tốc độ truyền hay trao đổi dữ liệu thường được tính theo đơn vị là [byte/s]

- Bus điều khiển Bus điều khiển phục vụ truyền tải các thông tin dữ liệu để điều

khiển hoạt động của hệ thống Thông thường các dữ liệu điều khiển bao gồm các tín hiệu chu kỳ để đồng bộ các nhịp chuyển động và hoạt động của hệ thống Bus điều khiển thường được điều khiển bởi CPU để đồng bộ hóa nhịp hoạt động và dữ liệu trao đổi trên các bus Trong trường hợp vi xử lý sử dụng dồn kênh bus dữ liệu và bus địa chỉ tức là một phần hoặc toàn bộ bus dữ liệu sẽ được sử dụng chung chia sẻ với bus địa chỉ thì cần một tín hiệu điều khiển để phân nhịp truy nhập cho phép chốt lưu trữ thông tin địa chỉ mỗi khi bắt đầu một chu kỳ truyền

Bài 11: Giới thiệu tóm tắt về thực hiện chương trình của máy tính.

Bài 12: Giới thiệu tóm tắt về lệnh máy: đặc trưng, thành phần.

- Đặc trưng: là một từ nhị phân (binary word), mỗi lệnh được gán một nhiệm vụ

cụ thể, lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ, lệnh được đọc (fetch) từ bộ nhớ vào CPU để giải mã và thực hiện

- Thành phần:

 Đọc lệnh: lệnh được đọc từ bộ nhớ về cpu;

 Giải mã: cpu giải mã lệnh

 Thực hiện: cpu thực hiện lệnh

 Lưu kết quả: kết quả thực hiện lệnh (nếu có) được lưu vào bộ nhớ

Bài 13: Phương pháp định địa chỉ (addressing modes) của lệnh máy là cách thức

địa chỉ hóa trong trường địa chỉ của lệnh để xác định nơi chưa toán hạng

Nêu các phương pháp định địa chỉ thông dụng: Định địa chỉ tức thì, định địa chỉ

thanh ghi, định địa chỉ trực tiếp, định địa chỉ gián tiếp qua thanh ghi, định địa chỉ gián tiếp, định địa chỉ dịch chuyển

Bài 14: RISC là (viết tắt của Reduced Instructions Set Computer - Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa) là một phương pháp thiết kế các bộ vi xử lý (VXL) theo hướng đơn

giản hóa tập lệnh, trong đó thời gian thực thi tất cả các lệnh đều như nhau

Nêu các đặc trưng của RISC.

- Số lượng lệnh ít

- Hầu hết các lệnh truy nhập toán hạng ở các thanh ghi

- Truy nhập bộ nhớ bằng các lệnh LOAD/STORE

- Thơi gian thực hiện lệnh là một chu kỳ máy

- Các lệnh có độ dài cố định (32 bit)

- Đều được thiết kế theo kiểu pipeline

- Hỗ trợ các thao tâc ngôn ngữ bậc cao

- Có ít mode địa chỉ (<=4)

- Cpu có tập thanh ghi lớn

Bài 15: Giới thiệu các thứ tự lưu trữ các Byte trong bộ nhớ chính Cho ví dụ.

Thứ tự lưu trưc các byte trong bộ nhớ chinh

 Bộ nhớ chính thường đánh địa chỉ theo byte

 Hai cách lưu trữ thông tin kiểu byte

o Đầu nhỏ( little- endian): byte có ý nghĩa thấp được lưu trữ ở ngăn nhớ có

địa chỉ nhỏ, byte có ý nghĩa cao được lưu trữ ở ngăn nhớ có địa chỉ lớn

o Đầu to (big- endian) byte có ý nghĩa cao được lưu trữ ở ngắn nhớ có địa

chỉ nhỏ, byte có ý nghĩa thấp được lưu trữ ở ngăn nhớ có địa chỉ cao

Ví dụ: 0001 1010 0010 1011 0011 1100 0100 1101

3c 301 2b 301

Bài 16:

- Đường ống lệnh (Instruction Pipelining) là kỹ thuật thực hiện lệnh trong đó

các lệnh được thực hiện theo kiểu gối đầu lên nhau( như dây chuyền lắp ráp)

Có 6 công đoạn:

 Nhận lệnh ( fetch instruction- fi)

 Giải mã lệnh ( decode instruction- di)

 Tính đia chỉ toán hạng( calculate operand address- co)

 Nhận toán hang ( fetch operands – fo)

 Thực hiện lệnh ( excute instruction- ei)

 Ghi toán hạng ( write operands- wo)

- Nêu các trở ngại (Hazard) của đường ống lệnh.

 Structural hazards: do nhiều lệnh dung chung một tài nguyên tại 1 thời điểm

 Data hazard: lệnh sau sử dụng dữ liệu kết quả của lệnh trước

 Control hazard: do rẽ nhánh gây ra, lệnh sao phải đợi kết quả rẽ nhánh của lệnh trước.

Bài 17: So sánh (giống/khác) các kiến trúc song song mức lệnh:

- Đường ống (Pipeline)

- Siêu đường ống (Superpipeline)

- Siêu vô hướng (Superscalar)

- Từ lệnh rất dài VLIW (Very Long Instruction Word)

Giống : khái niệm câu 16

Khác : pipeline

Dưới FI ,DI,… có dấu mũi tên 2 chiều

Superpipeline

Từ lệnh rất dài VLIW (Very Long Instruction Word

Từ lệnh thông thường

Opcode operands

Tư lệnh dài

Opcode 1 Opcode 2 Opcode 3 Operands Operands Operands

Bài 18: Giới thiệu tóm tắt về hoạt động ngắt (Interrupt) của máy tính: Khái niệm,

các loại, hoạt động.

- Khái niệm: ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang

thực hiện trong một chương trình khác, gọi là chương trình con phục vụ ngắt

- Các loại:

 Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, vd: tràn số, chia cho 0

 Ngắt do lỗi phần cứng, vd: lỗi bộ nhớ RAM

 Ngắt do mô-đun vào-ra phát tine hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu

- Hoạt động ngắt:

Sau khi hoàn tất mỗi một tập lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt

Nếu không có ngắt -> bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của chương trình hiện tại

Nếu có tín hiệu ngắt:

 Tạm dừng chương trình đang thực hiện

 Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt)

 Thiết lập PC trỏ đến chuwong trình phục vụ ngắt

 Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh và tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng

Bài 19: Giới thiệu tóm tắt về bộ nhớ máy tính: Chức năng, hoạt động, các loại

chính

Chức năng của Bộ nhớ máy tính bao gồm các hình thức, phương thức để lưu trữ được

dữ liệu của máy tính một cách lâu dài (khi kết thúc một phiên làm việc của máy tính thì dữ liệu không bị mất đi), hoặc lưu dữ liệu tạm thời trong quá trình làm việc của máy tính (khi kết thúc một phiên làm việc của máy tính thì bộ nhớ này bị mất hết dữ liệu)

Các loại chính:

Bộ nhớ trong được hiểu là các loại bộ nhớ nằm nội bộ bên trong thùng máy Gồm có

bộ nhớ đệm nhanh ( tốc độ truy xuất nhanh, thường nằm trong cpu, ) và bộ nhớ chính ( RAM, ROM)

Bộ nhớ ngoài được hiểu là bộ nhớ máy tính gắn bên ngoài thùng máy, có thể dùng để mang đi lại được ví dụ như đĩa cứng, đĩa mềm ,cd,…

Bài 20: Nêu các đặc trưng cơ bản của bộ nhớ chính.

 Vị trí:

- Bên trong CPU: tập thanh ghi

- Bộ nhớ trong: bộ nhớ chính, bộ nhớ catche

- Bộ nhớ ngoài: các thiết bị nhớ

 Dung lượng:

- Độ dài từ nhớ (tính bằng bit)

- Số lượng từ nhớ

 Đơn vị truyền;

- Từ nhớ

- Khối nhớ

 Phương pháp truy nhập:

- Truy nhập bằng tuần tự (băng từ)

- Truy nhập trực tiếp (từ các loại đĩa)

- Truy nhập ngẫu nhiên (bộ nhớ bán dẫn)

- Truy nhập liên kết (catche)

 Hiệu năng (performance)

- Thời gian truy nhập

- Chu kỳ nhớ

- Tốc độ truyền

 Kiểu vật lý

- Bộ nhớ bán dẫn

- Bộ nhớ từ

- Bộ nhớ quang

 Các đặc tính vật lý

- Khả biến/không khả biến (volatile/nonvolatine)

- Xóa được/ không xóa được

 Tổ chức

Bài 21: a) Bộ nhớ Cache là kiểu bộ nhớ tốc độ cao có bên trong CPU để tăng tốc độ truy cập cho dữ liệu và các chỉ lệnh được lưu trong bộ nhớ RAM Trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn về cách làm việc củabộ nhớ này theo cách dễ hiểu nhất

b) Cache dựa trên nguyên lý gì? Cho ví dụ.

- Nguyên lý cục bộ hóa tham chiếu bộ nhớ: trong một khoảng thời gian đủ

nhỏ CPU thường chỉ tham chiếu các thông tin trong một khối nhớ cục bộ

- VD: cấu trúc chương trình tuần tự, vòng lặp thân nhỏ, cấu trúc dữ liệu

mảng

Bài 22: a) Ba phương pháp tổ chức bộ nhớ Cache là:?

Nếu các phương pháp ghi dữ liệu khi Cache Hit.

- Ghi xuyên qua (write-throught):

 Ghi cả catche và cả bộ nhớ chính

 Tốc độ chậm

- Ghi trả sau (write-back):

 Chỉ ghi ra catche

 Tốc độ nhanh

 Khi Block trong catche bị thay thế cần phải ghi trả cả Block về bộ nhớ chính

Bài 23: Giới thiệu tóm tắt về bộ nhớ ngoài: Chức năng, đặc điểm, các loại.

- Băng từ

- Đĩa từ

 Đầu từ cố đinh hay đầy từ di động

 Đĩa cố định hay thay đổi

 Một mặt hay hai mặt

 Một đĩa hay nhiều đĩa

 Cơ chế từ đầu: tiếp xúc (đĩa mềm), không tiếp xúc

- Đĩa quang

 CD-ROM (Compact Disk ROM)

 CD-R (Recodable CD)

 CD-RW (Rewriteable CD)

 Dung lượng thông dụng 650MB

 Ổ đĩa CD:

 Ổ đã CD-ROM

 Ổ đĩa CD-Writer: ghi một phiên hặc ghi nhiểu phiên

 Ổ đĩa CD-RW

 Tốc độ đọc cơ sở 150Kbyte/s

 Tốc độ bội, vd: 48x, 52x,…

 Digital Video Disk: chỉ dung trên ổ đĩa xem video

 Digital Versatile Disk: ổ đĩa trên máy tính

 Ghi một hoặc hai mặt

 Một hoặc 2 lớp trên mọt mặt

 Thông dụng: 4,7GB/ lớp

- Flash Disk

 Thường kết nối qua cổng USB

 Không phải dạng đĩa

 Bộ nhớ bán dẫn cực nhanh (flash memory)

 Dung lượng tang nhanh

 Thuận tiện

Bài 24: Giới thiệu tóm tắt về bộ nhớ ảo: Khái niệm, Các kỹ thuật thực hiện.

- k/n: bộ nhớ ảo gồm bộ nhớ chính và bộ nhớ ngoài mà được CPU coi như là

một bộ nhớ duy nhất( bộ nhớ chính)

- các kỹ thuật thực hiện bộ nhớ ảo:

 kỹ thuật phân trang: chia không gian địa chỉ bộ nhớ thành các trang nhớ có kích thước bằng nhau và nằm liền kề nhau Thông dụng: kích thước trang = 4Kbytes

 kỹ thuật phân đoạn: chia không gian nhớ thành các đoạn nhớ có kích thước thay đổi, các đoạn nhớ có thể gối lên nhau