Giáo trình Kiến trúc máy tính và Quản lý hệ thống máy tính

TRƢỜNG ĐẠI HỌC THÁI BÌNH KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN ============== GIÁO TRÌNH MƠN HỌC KIẾN TRÚC MÁY TÍNH & QUẢN LÝ HỆ THỐNG MÁY TÍNH THÁI BÌNH, NĂM 2016 Khoa CNTT - Trường Đại học Thái Bình Giáo trình KTMT & QLHTMT LỜI NĨI ĐẦU Máy tính ngày trở thành công cụ thiếu thay đời sống thường nhật Ứng dụng công nghệ thông tin sinh hoạt hàng ngày, sản xuất cải vật chất công việc điều hành, quản lý ngày phổ biến Có thể nói người, khơng phân biệt giới tính hay tuổi tác, tìm công cụ sắc bén niềm hứng khởi, say mê kể giải công việc học hỏi, nghiên cứu sáng tạo hay giải trí Cấu tạo máy tính ngày đại, tinh vi, phức tạp, bao gồm nhiều thành phần chức đòi hỏi liên kết, hợp tác nhiều ngành khoa học, công nghệ mũi nhọn tạo nên Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) ngành khoa học nghiên cứu nguyên lý hoạt động, tổ chức (organization) máy tính từ thành phần chức – cấu trúc tổ chức phần cứng, tập lệnh – mà qua đó, lập trình viên nhận thấy, sử dụng, khai thác sáng tạo để đáp ứng tốt hơn, đầy đủ yêu cầu người dùng Một máy tính khơng bao gồm thành phần vật lý, khổi chức – thường gọi phần cứng (hardware) – mà bao gồm khối lượng đồ sộ chương trình điều hành, quản lý, tiện ích ứng dụng, gọi phần mềm (software) Nội dung giáo trình trình bày 11 chương Chương I: Nhắc lại kiến thức mạch điện tử số, cổng logic, mạch flip-flop, v.v…, phần tử cấu thành mạch chức máy tính Các kiến thức mạch tổ hợp, mạch tuần tự, mạch cộng liệu nhị phân, ghi dịch, …, trình bày Những kiến thức cần thiết để sinh viên dễ dàng nắm bắt nguyên lý làm việc khối chức máy tính Chương II: Giới thiệu kiến thức tổng quan kiến trúc máy tính, nguyên lý kiến trúc, chức năng, nhiệm vụ thành phần tạo nên máy tính theo nguyên lý Von Neumann Nội dung chương phân biệt hai khái niệm kiến trúc, tổ chức máy tính với cấu trúc máy tính để dễ dàng nắm bắt yêu cầu hiểu biết CPU, nhớ, thiết bị ngoại vi liên kết hệ thống đơn vị chức Nguyên lý phương thức biểu diễn thông tin số, thông tin không số trình bày chương Chương III: Trình bày kiến trúc bước thiết kế kiến trúc đơn vị xử lý trung tâm CPU, đơn vị điều khiển CU thơng qua việc phân tích hoạt động chức thực thi lệnh, thực thi chương trình Chương IV: Phân tích kiến trúc tập lệnh phương thức CPU thực lệnh, chu kỳ lệnh thực chương trình, thơng qua củng cố sâu thêm hiểu biết nguyên lý kiến trúc, chuẩn bị kiến thức sở cho lập trình hệ thống Thơng qua truy xuất nhớ để lấy lệnh, lấy liệu, phân tích phương pháp định vị ô nhớ cấu trúc lệnh Chương V: Trình bày khái niệm BUS chức kênh truyền dẫn Khoa CNTT - Trường Đại học Thái Bình Giáo trình KTMT & QLHTMT thơng tin, liệu liên kết thành phần chức máy tính Nội dung chương đề cập mối liên kết thông qua hệ thống BUS CPU với nhớ, CPU với thiết bị ngoại vi yêu cầu định thời cho hoạt động trao đổi thông tin, liệu Chức truy cập trực tiếp nhớ (Direct Memory Access), chức quản lý điều khiển trình ngắt phân tích chương Trên sở phân tích nội dung trên, đưa yêu cầu thiết kế, xây dựng hệ thống BUS nhằm đảm bảo cho hệ thống máy tính hoạt động ổn định Chương VI: Trình bày tổ chức quản lý nhớ Các khái niệm phần tử nhớ, tạo từ nhớ từ chip nhớ đề cập cụ thể Nội dung đề cập phương thức quản lý nhớ theo phân đoạn, phân trang, quản lý nhớ chế độ bảo vệ, quản lý theo đặc quyền truy xuất Các phương pháp tổ chức quản lý nhớ cache, thành phần nâng cao đáng kể hiệu suất hoạt động CPU, khảo sát kỹ chương Chương VII: Phân tích yêu cầu vài thiết bị ngoại vi chủ yếu thiết bị nhập liệu, thiết bị hiển thị kết xử lý Chương VIII: Giới thiệu tổng quan bo mạch chủ, kiểu mainboard chính, chuẩn mainboard, thành phần mainboard, giới thiệu cơng nghệ tích hợp, chuẩn đốn xử lý cố mainboard Chương IX: Hướng dẫn lắp ráp máy tính cá nhân, cách lựa chọn cấu hình máy chuẩn bị cho việc lắp ráp, sử dụng kỹ thuật lắp ráp máy tính, cách bảo trì phần cứng, cách cấu hình CMOS Setup Ultility Chương X: Hướng dẫn cài đặt bảo trì hệ thống, lựa chọn hệ điều hành, cách phân vùng định dạng đĩa cứng, cách cài đặt hệ điều hành, cách cài đặt trình điều khiển, cách cài đặt phần mềm thông dụng, cách lưu phục hồi hệ điều hành, giới thiệu số tiện ích thơng dụng, cách cài đặt nhiều hệ điều hành máy tính Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn bạn đồng nghiệp trao đổi, góp ý cho chúng tơi q trình hồn thiện giáo trình Mặc dù có nhiều cố gắng tham khảo nghiên cứu tài liệu liên quan, khơng tránh thiếu sót Mong quý bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo trình ngày hồn thiện Xin chân thành cám ơn! Thái Bình, tháng 01 năm 2016 Khoa Cơng nghệ thông tin Khoa CNTT - Trường Đại học Thái Bình Giáo trình KTMT & QLHTMT CHƢƠNG I NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ Một số phần tử Logic Các mạch logic tạo từ liên kết phần tử điện tử thông dụng transistor, diode, điện trở, tụ điện,… Tuỳ theo công nghệ chế tạo phần tử mà chúng có tên gọi khác logic TTL, logic CMOS, logic HMOS, logic MOSFET v.v…Hình I.1 cho ta thấy cấu trúc mạch nguyên lý phần tử TTL thực chức đảo tích logic hai giá trị đầu vào (NAND) Hình I.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo phần tử NAND Phần tử logic thực hàm đại số Boole NOT, AND, NAND, OR, XOR, v.v…Từ phần tử này, người ta xây dựng mạch tổ hợp (Combinational Circuits) mạch lật (FlipFlop) với đặc tính chuyển đổi trạng thái khác R-S FlipFlop, D-FlipFlop, T- FlipFlop, J-K FlipFlop mà nhờ chúng, ta xây dựng mạch (Sequencial Circuits) máy hữu hạn (Finite State Machine), mạch tích hợp tạo nên đơn vị chức máy tính Hình I.2 Một số phần tử logic Khoa CNTT - Trường Đại học Thái Bình Giáo trình KTMT & QLHTMT Hình I.3 Các phần tử mạch lật (FlipFlop) thơng dụng Đặc biệt, mạch logic trạng thái (Three-State Logic Circuit) mạch có ứng dụng quan trọng việc liên kết phần tử chức máy tính Mạch logic trạng thái minh hoạ theo mơ hình bảng chân thực sau (Hình I.4), trạng thái có ký hiệu "HZ" trạng thái thứ mạch, trạng thái trở kháng cao (High Impedance), mà lối vào coi tách khỏi lối mạch (khơng kết nối) Có hai loại mạch trạng thái:, loại mạch có tín hiệu EN tích cực cao, ứng với EN = "1" (Active High), loại thứ hai mạch có tín hiệu EN tích cực thấp ứng với EN = "0" (Active Low) Khoa CNTT - Trường Đại học Thái Bình Giáo trình KTMT & QLHTMT Hình I.4 Phần tử trạng thái (Three-State component) bảng chân lý Một số khái niệm sở 2.1 Mạch logic tổ hợp (Combinational Circuit) Mạch logic tổ hợp mạch điện tử số mà giá trị biến đầu phụ thuộc vào tổ hợp giá trị biến đầu vào (Hình I.5) Hình I.5 Mạch logic tổ hợp Các biến vào i0, i1, …, in nhận giá trị "1" "0" tương ứng với giá trị biến nhị phân, mạch điện, chúng thể trạng thái "có điện áp" "khơng có điện áp" Các giá trị đầu hàm trực tiếp biến đầu vào, thay đổi gần tức thời có thay đổi giá trị biến đầu vào (chỉ trễ khoảng thời gian nhỏ - hàng nano giây - trễ linh kiện tạo nên mạch điện) Có thể nói tập giá trị đầu vào i0 ÷ in áp vào lối vào mạch tổ hợp logic gây nên biến đổi trạng thái (giá trị) biến đầu F0 ÷ Fm Các mạch tổ hợp thơng dụng thường thấy mạch mã hoá, mạch giải mã, mạch dồn kênh, v.v… Khoa CNTT - Trường Đại học Thái Bình Giáo trình KTMT & QLHTMT 2.2 Mạch (Sequencial Circuit) Mạch gọi mạch dãy Giá trị biến phụ thuộc vào giá trị biến số đầu vào thời điểm xét, mà phụ thuộc vào trạng thái trước mạch Để trì trạng thái biến số vào trước đó, mạch cần thêm phần tử nhớ Mơ hình mạch sau: Zi = Fi (x1, x2, …, xn , y1 , y2 , …, yp); Yj = Gj (x1, x2, …, xn , Y1 , Y2 , …, Yp) Trong đó: Fi hàm truyền đạt mạch Gj hàm truyền đạt trạng thái; xi (i = 1, 2, …,n), Zi (i = 1, 2, …, m) tín hiệu vào tín hiệu mạch; y1 , y2 , …, yp : trạng thái mạch trước biến đổi; Y1 , Y2 , …, Yp: trạng thái mạch sau biến đổi Các phần tử nhớ phần tử logic có hai trạng thái ổn định ứng với giá trị biến nhị phân "0" "1", thường mạch FlipFlop loại RS, JK D Z1 Z2 Zm x1 Mạch xn tổ hợp y1 Hình I.6 Mạch logic yp Y1 Các phần tử nhớ Yp Khoa CNTT - Trường Đại học Thái Bình Giáo trình KTMT & QLHTMT 2.3 Máy hữu hạn (Finite State Machine) Máy hữu hạn loại mạch logic khác có trạng thái (internal state), đầu loại mạch hàm giá trị đầu vào thời điểm xét trạng thái có tác động tín hiệu vào Mạch tạo thành từ mạch tổ hợp logic phần tử trễ, thông thường phần tử FlipFlop mạch hồi tiếp phần tử lưu giữ trạng thái mạch 2.4 Thanh ghi (Register) Thanh ghi mạch điện tử đặc biệt có khả lưu giữ giá trị liệu nhị phân biểu diễn trạng thái tồn hay không tồn điện áp Phần tử tạo nên ghi D-FlipFlop Trên hình vẽ mơ tả, liệu nhị phân bit D3D2D1D0 (tổ hợp hai giá trị "0" "1" lối vào D tương ứng D-FlipFlop) chuyển tới lối Q3Q2Q1Q0 lưu giữ nhờ tổ hợp tín hiệu điều khiển ghi Write WR, tín hiệu xung nhịp đồng hồ CLK tín hiệu cho phép Enable EN (Hình 1.7) Hình I.7 Mạch tạo ghi bit Lưu ý rằng, tín hiệu ghi đưa qua phần tử trạng thái để tạo khả kết nối với liệu lối thành phần khác Cũng cần nói thêm rằng: Thanh ghi hoàn toàn đảm nhận chức ô nhớ liệu, giá trị liệu nhị phân từ lối vào ghi vào ghi, liệu khơng thay đổi thời điểm liệu ghi vào Dữ liệu lưu giữ nhớ đọc Hình I.9 sơ đồ nguyên lý ghi dịch có khả ghi dịch theo hướng trái, phải lưu giữ (Load) liệu nhị phân bit D3D2D1D0 song song 2.5 Mạch cộng hai số liệu nhị phân (Binary Adder) Mạch cộng đầy đủ bit nhị phân xây dựng mạch tổ hợp logic thực phép cộng hai số nhị phân theo quy tắc bảng sau, Carry In phần nhớ từ phép cộng hàng bên phải trước đó, Operand A giá trị bit toán hạng A, Operand B giá trị bit toán hạng B Kết phép cộng bit cho ta tổng Sum bit nhớ Carry Out Khoa CNTT - Trường Đại học Thái Bình Giáo trình KTMT & QLHTMT Hình I.8 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo ghi dịch bit Trong ví dụ phép cộng hai số nhị phân 0100B (giá trị hệ thập phân) với số 0110B (giá trị hệ thập phân) Hàng giá trị bit nhớ theo quy luật cộng nêu Kết cho ta 1010B (tức 10 hệ thập phân) Hình I.9 Sơ đồ mạch logic thực phép cộng bit nhị phân – Half Adder (HA) Từ quy tắc trên, giả thiết ta xây dựng mạch cộng đầy đủ thực phép toán cộng bảng giá trị hàm Si Ci ký hiệu mạch cộng đầy đủ (Full adder) với đầu vào Ai , Bi Ci , đầu Si Ci+1, ta xây dựng mạch cộng hai liệu nhị phân bit cách nối nối tiếp mạch cộng đầy đủ Hình I.11 , mạch cộng hai số nhị phân n bit với n mạch cộng đầy đủ Khoa CNTT - Trường Đại học Thái Bình Giáo trình KTMT & QLHTMT Hình I.10 Sơ đồ mạch logic thực phép cộng bit có nhớ từ hàng trước – FullAdder (FA) Hình I.11 Sơ đồ mạch logic thực phép cộng liệu bit Hình I.12 Sơ đồ mạch logic thực phép giải mã chọn tổ hợp ... Thái Bình Giáo trình KTMT & QLHTMT 1.3 Kiến trúc máy tính cấu trúc máy tính Để tìm hiểu kiến trúc máy tính, cần phân biệt rõ khác bản, thuộc nguyên lý kiến trúc (architecture) tổ chức cấu trúc (organization... structure) máy tính: Kiến trúc máy tính nghiên cứu thuộc tính hệ thống mà người lập trình nhìn thấy được, thuộc tính định trực tiếp đến việc thực thi chương trình tính tốn, xử lý liệu Cấu trúc máy tính. .. triển công nghệ không tác động lên cấu trúc mà tạo điều kiện phát triển kiến trúc mạnh nhiều tính hơn; tác động qua lại kiến trúc cấu trúc thường xun Ngồi kiến trúc máy tính cấu trúc máy tính cịn