Nếu đượcthiết lập chính xác thông thường bởi các chương trình máy tính máy tính cóthể mô phỏng lại một số khía cạnh của một vấn đề hay của một hệ thống.. Khi máy tính kếtthúc tính toán m
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – HẬU CẦN CAND
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Trang 2MỤC LỤC
1 TỔNG QUAN VỀ MÁY TÍNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÁY TÍNH 1
1.1 Máy tính là gì? 1
1.1.1 Khái niệm 1
1.1.2 Các nguyên lý cơ bản của máy tính 1
1.2 Chương trình máy tính 3
1.2.1 Khái niệm 3
1.2.2 Chức năng của chương trình máy tính 3
2 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 5
2.1 Kiến trúc tập lệnh 6
2.1.1 Khái niệm 6
2.1.2 Quá trình kiến trúc tập lệnh 6
2.2 Vi kiến trúc (vi xử lý) 8
3 THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA MÁY TÍNH 8
3.1 CPU (Central Processing Unit – Bộ xử lý trung tâm) 9
3.2 Bo mạch chủ (mainboard/motherboard): 9
3.3 Bộ nhớ RAM (Random Access Memory) 10
3.4 Ổ đĩa cứng (Hard Disk Drive – HDD) 11
3.5 Ổ đĩa quang (CD, DVD) 13
3.6 Card đồ hoạ (Video Graphic Array, Graphic card) 13
3.7 Bộ nguồn (Power Supply Unit – PSU) 14
3.8 Màn hình máy tính (Monitor): 15
3.9 Bàn phím máy tính (Keyboard): 16
3.10 Chuột (Mouse): 16
3.11 Thùng máy (Case): 16
3.12 Máy in: 16
4 CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH 16
4.1 Thế hệ đầu tiên (1938-1953): Dòng đèn điện tử 17
4.2 Thế hệ thứ hai (1952-1963): Dòng Transistar 18
4.3 Thế hệ thứ ba (1962-1975): Dòng IC 19
4.4 Thế hệ thứ tư (1972-19??): Dòng IC tích hợp cao (dòng máy chúng ta đang sử dụng) 21
4.5 Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch ULSL, SoC 22
Trang 3MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Một ví dụ về chương trình máy tính 4
Hình 3.1 CPU (Central Processing Unit – Bộ xử lý trung tâm) 9
Hình 3.2 Bo mạch chủ (mainboard/motherboard) 10
Hình 3.3 Bộ nhớ RAM (Random Access Memory) 11
Hình 3.4 Ổ đĩa cứng (Hard Disk Drive – HDD) 12
Hình 3.5 Ổ đĩa quang (CD, DVD) 13
Hình 3.6 Card đồ hoạ (Video Graphic Array, Graphic card) 14
Hình 3.7 Bộ nguồn (Power Supply Unit – PSU) 15
Hình 4.1 Thế hệ đầu tiên: Dòng đèn điện tử 17
Hình 4.2 Thế hệ thứ hai: Dòng Transistar 19
Hình 4.3 Thế hệ thứ ba: Dòng IC 20
Hình 4.4 Thế hệ thứ tư: Dòng IC tích hợp cao 21
Hình 4.5 Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch ULSL, SoC 22
Trang 41 Tổng quan về máy tính và chương trình máy tính
1.1 Máy tính là gì?
1.1.1 Khái niệm
Máy tính (còn gọi là máy vi tính hay máy điện toán) là một thiết bị haymột hệ thống điện tử cho phép lưu trữ và xử lý thông tin tự động Thông tin lưutrữ trên máy tính là thông tin số hoặc biểu diễn dưới dạng quy luật logic Hoạtđộng của máy tính được điều khiển bằng một phần mềm gọi là hệ điều hành
Máy tính được lắp ghép bởi các thành phần có thể thực hiện các chứcnăng đơn giản đã định nghĩa trước Quá trình tác động tương hỗ phức tạp củacác thành phần này tạo cho máy tính một khả năng xử lý thông tin Nếu đượcthiết lập chính xác (thông thường bởi các chương trình máy tính) máy tính cóthể mô phỏng lại một số khía cạnh của một vấn đề hay của một hệ thống Trongtrường hợp này, khi được cung cấp một bộ dữ liệu thích hợp nó có thể tự độnggiải quyết vấn đề hay dự đoán trước sự thay đổi của hệ thống
Từ “máy tính” (computers), đầu tiên, được dùng cho những người tínhtoán số học, có hoặc không có sự trợ giúp của máy móc, nhưng hiện nay nóhoàn toàn có nghĩa là một loại máy móc Đầu tiên máy tính chỉ giải các bài toán
số học, nhưng máy tính hiện đại làm được nhiều hơn thế Máy tính có thể mua ở
Anh đầu tiên là máy Ferranti Mark 1 Star sản xuất năm 1951 theo đề cương
“bé”
Đến những năm 1990, khái niệm máy tính đã thực sự tách rời khỏi kháiniệm điện toán và trở thành một ngành khoa học riêng biệt với nhiều lĩnh vực đadạng và khái niệm hơn hẳn ngành điện toán thông thường và được gọi là côngnghệ thông tin Tuy vậy đến ngày nay, một số người vẫn còn nhầm lẫn giữa haikhái niệm điện toán và công nghệ thông tin
1.1.2 Các nguyên lý cơ bản của máy tính
Máy tính có thể làm việc thông qua sự chuyển động của các bộ phận cơ
Trang 5biết Mặc dù máy tính được xây dựng từ nhiều công nghệ khác nhau song gầnnhư tất cả các máy tính hiện nay đều là máy tính điện tử Máy tính có thể trựctiếp mô hình hóa các vấn đề cần được giải quyết, trong khả năng của nó các vấn
đề cần được giải quyết sẽ được mô phỏng gần giống nhất với những hiện tượngvật lý đang khai thác Ví dụ, dòng chuyển động của các điện tử có thể được sửdụng để mô hình hóa sự chuyển động của nước trong đập Những chiếc máy tínhtương tự (analog computer) giống như thế đã rất phổ biến trong thập niên 1960nhưng hiện nay còn rất ít
Trong phần lớn các máy tính ngày nay, trước hết, mọi vấn đề sẽ đượcchuyển thành các yếu tố toán học bằng cách diễn tả mọi thông tin liên quanthành các số theo hệ nhị phân (hệ thống đếm dựa trên các số 0 và 1 hay còn gọi
là hệ đếm cơ số 2) Sau đó, mọi tính toán trên các thông tin này được tính toánbằng đại số Boole (Boolean algebra) Các mạch điện tử được sử dụng để miêu tảcác phép tính Bool Vì phần lớn các phép tính toán học có thể chuyển thành cácphép tính Bool nên máy tính điện tử đủ nhanh để xử lý phần lớn các vấn đề toánhọc (và phần lớn thông tin của vấn đề cần giải quyết đã được chuyển thành cácvấn đề toán học) Ý tưởng cơ bản này, được nhận biết và nghiên cứu bởi Claude
E Shannon – người đã làm cho máy tính kỹ thuật số (digital computer) hiện đạitrở thành hiện thực Máy tính không thể giải quyết tất cả mọi vấn đề của toánhọc Alan Turing đã sáng tạo ra khoa học lý thuyết máy tính trong đó đề cập tớinhững vấn đề mà máy tính có thể hay không thể giải quyết Khi máy tính kếtthúc tính toán một vấn đề, kết quả của nó được hiển thị cho người sử dụng thấythông qua thiết bị xuất như: bóng đèn, màn hình, máy in…
Những người mới sử dụng máy tính, đặc biệt là trẻ em, thường cảm thấykhó hiểu về ý tưởng cơ bản là máy tính chỉ là một cái máy, nó không thể “suynghĩ” hay “hiểu” những gì nó hiển thị Máy tính chỉ đơn giản thi hành các tìmkiếm cơ khí trên các bảng màu và đường thẳng đã lập trình trước, rồi sau đóthông qua các thiết bị đầu ra (màn hình, máy in,…) chuyển đổi chúng thànhnhững ký hiệu mà con người có thể cảm nhận được thông qua các giác quan
Trang 6(hình ảnh trên màn hình, chữ trên văn bản được in ra) Chỉ có bộ não của conngười mỡi nhận thức được những ký hiệu này tạo thành các chữ hay số và gắn ýnghĩa cho chúng Trong quan điểm của máy tính thì mọi thứ mà nó “nhận thấy”(kể cả khi máy tính được coi là có khả năng tự nhận biết) chỉ là các hạt electrontương đương với các số 0 và 1.
1.2 Chương trình máy tính
1.2.1 Khái niệm
Chương trình máy tính là một tập hợp các hướng dẫn cho việc thực hiện nhiệm
vụ của một máy tính Một máy tính đòi hỏi các chương trình phải hoạt động vàthường thực hiện các lệnh chương trình ở bộ phận xử lý trung tâm Một chươngtrình máy tính được viết bằng một ngôn ngữ lập trình
Một số ví dụ về các chương trình máy tính:
Một trình duyệt web như Mozilla Firefox và Apple Safari có thể được sử dụng
để xem các trang web trên internet
Một bộ phần mềm văn phòng có thể được sử dụng để viết các tài liệu hoặc bảngtính
Trò chơi video là những chương trình máy tính
Một chương trình máy tính được lưu như một tập tin trên ổ cứng máy tính Khingười dùng chạy các chương trình, các tập tin được đọc bởi máy tính và các bộ
xử lý đọc dữ liệu trong tập tin như là một danh sách các hướng dẫn Sau đó, cácmáy tính làm những gì chương trình cho phép nó làm
Một chương trình máy tính được viết bởi một lập trình viên Các lập trình viênphải viết một chương trình mà máy tính có thể đọc được, vì vậy các chươngtrình đó phải được viết bằng một ngôn ngữ lập trình, chẳng hạn như BASIC, C,Java Một khi nó được viết, các lập trình viên sử dụng một trình biên dịch đểbiến nó thành một ngôn ngữ mà máy tính có thể hiểu được
Ngoài ra còn có các chương trình xấu hay còn được gọi là phần mềm độc hại,được viết bởi những người muốn làm những điều xấu với máy tính của ngườidùng Một số phần mềm gián điệp cố gắng để ăn cắp thông tin từ máy tính Một
số cố gắng để làm hỏng các dữ liệu được lưu trữ trên ổ đĩa cứng Một số khác lạiđưa người dùng đến các trang web bán hàng hoặc có thể là virus máy tính
1.2.2 Chức năng của chương trình máy tính
Trang 7Chương trình máy tính có thể được phân loại theo các tuyến chức năng.Các loại chức năng chính là phần mềm ứng dụng và phần mềm hệ thống Hệthống phần mềm bao gồm các hệ điều hành mà trong đó là sự tương tác giữaphần cứng với phần mềm máy tính Mục đích của hệ điều hành là cung cấp mộtmôi trường trong đó các phần mềm ứng dụng thực hiện một cách thuận tiện vàhiệu quả Ngoài các hệ điều hành, phần mềm hệ thống bao gồm các chươngtrình nhúng, các chương trình khởi động và Microcode Phần mềm ứng dụngđược thiết kế cho người dùng cuối có một giao diện người dùng.
Hình 1.2.2.1.1 Một ví dụ về chương trình máy tính Phần mềm ứng dụng: là một chương trình máy tính được thiết kế để thực
hiện một nhóm các chức năng phối hợp nhiệm vụ hoặc các hoạt động vì lợi íchcủa người sử dụng Ví dụ về một ứng dụng bao gồm một bộ xử lý từ, một bảngtính, một ứng dụng kế toán, một trình duyệt web, một máy nghe nhạc,…
Phần mềm tiện ích: là những chương trình ứng dụng được thiết kế để hỗ
trợ quản trị hệ thống và lập trình máy tính Các loại phần mềm tiện ích như Anti– virus, phần mềm sao lưu, quản lý clipboard, Cryptographic, nén dữ liệu,…
Hệ điều hành: là một chương trình máy tính hoạt động như một trung gian
giữa một người sử dụng máy tính và các phần cứng máy tính
Chương trình khởi động: một máy tính được lưu trữ chương trình đòi hỏi
một chương trình máy tính ban đầu được lưu giữ trong bộ nhớ chỉ để đọc và
Trang 8khời động Qúa trình khởi động là xác định và khởi tạo tất cả các khía cạnh của
hệ thống, từ đăng ký xử lý để điều khiển thiết bị cho nội dung bộ nhớ
Chương trình nhúng: một thiết bị phần cứng có thể đã nhúng firmware để
kiểm soát hoạt động của nó Firmware được sử dụng khi các chương trình máytính không bao giờ thay đổi, hoặc khi chương trình không bị mất khi tắt nguồn
Microcode: là các chương trình kiểm soát một số bộ phận xử lý trung tâm
và một số phần cứng khác Mã này di chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi, đơn vịlogic số học và các đơn vị chức năng khác trong CPU
2 Kiến trúc máy tính
Trong kỹ thuật máy tính, kiến trúc máy tính là thiết kế khái niệm và cấutrúc hoạt động căn bản của một hệ thống máy tính Nó là một bản thiết kế(blueprint) mô tả có tính chất chức năng về các yêu cầu (đặc biệt là tốc độ và cáckết nối tương hỗ) và những sự thi hành thiết kế cho những bộ phận khác nhaucủa một máy tính - tập trung chủ yếu vào việc CPU hoạt động nội tại như thếnào và truy cập các địa chỉ trong bộ nhớ bằng cách nào
Nó cũng có thể được định nghĩa như là khoa học và nghệ thuật lựa chọn
và kết nối các thành phần phần cứng để tạo thành các máy tính đáp ứng đượccác mục đích về tính năng, hiệu suất và giá cả
Kiến trúc máy tính bao gồm ít nhất ba phạm trù con chính:
Kiến trúc tập lệnh (Instruction set architecture, ISA), là hình ảnh trừutượng của một hệ thống tính toán được nhìn từ góc độ của một lập trình viên sửdụng ngôn ngữ máy (hay hợp ngữ), bao gồm tập lệnh, cách đánh địa chỉ bộ nhớ(memory address modes), các thanh ghi, và các định dạng địa chỉ và dữ liệu
Vi kiến trúc (Microarchitecture), còn gọi là Tổ chức máy tính (Computerorganization) là một mô tả bậc thấp, cụ thể hơn về hệ thống Mô tả này nói vềcác bộ phận cấu thành của hệ thống được kết nối với nhau như thế nào và chúnghoạt động tương hỗ như thể nào để thực hiện kiến trúc tập lệnh Ví dụ, kích
Trang 9thước bộ đệm cache của một máy tính là một đặc điểm về tổ chức máy tính màthường không liên quan đến kiến trúc tập lệnh
Thiết kế hệ thống (System Design) bao gồm tất cả các thành phần phầncứng khác bên trong một hệ thống tính toán chẳng hạn:
các đường kết nối hệ thống như bus (máy tính) và switch
các bộ điều khiển bộ nhớ (memory controller) và các cây phả hệ bộnhớ
các cơ chế CPU off-load như Direct memory access (truy nhập bộnhớ trực tiếp)
các vấn đề như đa xử lý (multi-processing)
2.1 Kiến trúc tập lệnh
2.1.1 Khái niệm
Một tập lệnh, hoặc kiến trúc tập lệnh (tiếng Anh: Instruction SetArchitecture, viết tắt ISA), là một phần của kiến trúc máy tính liên quan đến lậptrình, bao gồm các bản địa các loại dữ liệu, hướng dẫn, đăng ký, giải quyết chế
độ, kiến trúc bộ nhớ, làm gián đoạn và xử lý ngoại lệ, và bên ngoài I / O AnISA bao gồm một đặc điểm kỹ thuật của các thiết lập của opcode (ngôn ngữmáy), và các lệnh bản địa thực hiện bởi một bộ xử lý cụ thể
Khi thiết kế các vi cấu trúc của một bộ xử lý, các kỹ sư sử dụng các khối
"cứng có dây" mạch điện tử (thường được thiết kế riêng) như hổ, ghép kênh,đếm, thanh ghi, ALU vv Một số loại ngôn ngữ chuyển đăng ký sau đó thường
Trang 10được sử dụng để mô tả giải mã và trình tự của mỗi chỉ dẫn của một ISA sử dụng
vi kiến trúc vật lý này Có hai cách cơ bản để xây dựng một bộ điều khiển đểthực hiện các mô tả này (mặc dù rất nhiều mẫu thiết kế sử dụng những cách giữahoặc thỏa hiệp):
Một số mẫu thiết kế máy tính "buộc cố định" hoàn thành việc giải mã tậplệnh và trình tự (giống như phần còn lại của vi kiến trúc)
Thiết kế khác sử dụng vi thói quen hoặc bảng (hoặc cả hai) để làm điềunày, điển hình như trên-chip ROM hoặc PLAs hoặc cả hai (mặc dù RAMS vàriêng biệt ROM đã được sử dụng trong lịch sử)
Một số mẫu thiết kế sử dụng một sự kết hợp của thiết kế mạch điện điện
và vi cho các đơn vị điều khiển Một số thiết kế CPU biên soạn các hướng dẫnthiết lập để một khả năng ghi nhớ RAM hoặc đèn flash bên trong CPU (nhưRekursiv bộ xử lý và các Imsys Cjip), hoặc một FPGA (máy tính cấu hình lại).The Western Digital MCP-1600 là một ví dụ cũ, bằng cách sử dụng một chuyêndụng, ROM riêng cho vi
An ISA cũng có thể được mô phỏng trong phần mềm của một thông dịchviên Đương nhiên, do các nguyên cần giải thích, đây là chậm hơn so với trựctiếp chương trình đang chạy trên phần cứng mô phỏng, trừ khi các phần cứngđang chạy giả lập là một đơn đặt hàng của các cường độ nhanh hơn Hôm nay,
nó là thực tế phổ biến cho các nhà cung cấp của ISA mới hoặcmicroarchitectures để giả lập phần mềm có sẵn cho các nhà phát triển phần mềmtrước khi thực hiện phần cứng đã sẵn sàng
Thường thì các chi tiết của việc thực hiện có một ảnh hưởng mạnh mẽtrên các hướng dẫn cụ thể được lựa chọn cho các tập lệnh Ví dụ, nhiều cài đặtcủa đường ống dẫn chỉ cho phép một bộ nhớ tải đơn hoặc bộ nhớ lưu trữ theohướng dẫn, dẫn đến một kiến trúc load-store (RISC) Ví dụ khác, một số cáchđầu thực hiện các đường ống dẫn dẫn đến một khe chậm trễ
Trang 11Những yêu cầu của tốc độ cao xử lý tín hiệu kỹ thuật số đã bị đẩy vào cáchướng dẫn hướng-buộc ngược lại được thực hiện trong một cách đặc biệt Ví dụ,
để thực hiện các bộ lọc kỹ thuật số đủ nhanh, hướng dẫn MAC trong một điểnhình bộ xử lý tín hiệu số (DSP) phải sử dụng một loại kiến trúc Harvard có thểnạp một lệnh và hai từ dữ liệu cùng một lúc, và nó đòi hỏi một chu trình đơnnhân-tích lũy nhân
2.2 Vi kiến trúc (vi xử lý)
Vi xử lý (viết tắt là µP hay uP), đôi khi còn được gọi là bộ vi xử lý, là mộtlinh kiện điện tử máy tính được chế tạo từ các tranzito thu nhỏ tích hợp lên trênmột vi mạch tích hợp đơn Khối xử lý trung tâm (CPU) là một bộ vi xử lý đượcnhiều người biết đến nhưng ngoài ra nhiều thành phần khác trong máy tính cũng
có bộ vi xử lý riêng của nó, ví dụ trên card màn hình (Graphic card) chúng tacũng có một bộ vi xử lý
Trước khi xuất hiện các bộ vi xử lý, các CPU được xây dựng từ các mạchtích hợp cỡ nhỏ riêng biệt, mỗi mạch tích hợp chỉ chứa khoảng vào chụctranzito Do đó, một CPU có thể là một bảng mạch gồm hàng ngàn hay hàngtriệu vi mạch tích hợp Ngày nay, công nghệ tích hợp đã phát triển, một CPU cóthể tích hợp lên một hoặc vài vi mạch tích hợp cỡ lớn, mỗi vi mạch tích hợp cỡlớn chứa hàng ngàn hoặc hàng triệu tranzito Nhờ đó công suất tiêu thụ và giáthành của bộ vi xử lý đã giảm đáng kể
Sự tiến hóa của các bộ vi xử lý một phần nhờ vào việc chạy theo Địnhluật Moore và hiệu suất của nó tăng lên một cách ổn định sau hàng năm Địnhluật này phát biểu rằng sự phức tạp của một mạch tích hợp sẽ tăng lên gấp đôisau mỗi chu kỳ 18 tháng Và thực tế, sự phát triển của các bộ vi xử lý đã bám sátđịnh luật này từ những năm 1970 Nhờ đó, từ máy tính mẹ (mainframecomputer) lớn nhất cho đến các máy tính xách tay hiện nay đều sử dụng một bộ
vi xử lý nhỏ nhắn tại trung tâm của chúng
3 Thành phần chính của máy tính
Trang 12Thành phần chính của má tính bao gồm: Bộ xử lý trung tâm (CPU), bộnhớ, bộ xử lý vào-ra, và thiết bị ngoại vi Các thiết bị như máy in, máy fax vàcác điều khiển khác được nối tới máy tính làm tăng khả năng hoạt động của máytính gọi là thiết bị ngoại vi Hai hoặc nhiều máy tính nối với nhau dùng cho việctruyền thông giữa các máy tính với nhau thông qua môi trường truyền dẫn nào
đó được gọi là mạng máy tính
3.1 CPU (Central Processing Unit – Bộ xử lý trung tâm)
PU có trách nhiệm xử lý hầu hết dữ liệu/tác vụ của máy tính, thêm vào đó
bộ xử lý trung tâm còn là trung tâm điều khiển thiết bị đầu vào (chuột, bànphím) và thiết bị đầu ra (màn hình, máy in)
Về hình dạng và cấu trúc, CPU là một tấm mạch nhỏ, bên trong chứa mộttấm wafer silicon được bọc trong một con chip bằng gốm và gắn vào bảngmạch Tốc độ CPU được đo bằng đơn vị Hertz (Hz) hay Gigahertz (GHz), giá trịcủa con số này càng lớn thì CPU hoạt động càng nhanh
Hình 3.1.1.1.1 CPU (Central Processing Unit – Bộ xử lý trung tâm)
3.2 Bo mạch chủ (mainboard/motherboard):
Trang 13Bo mạch chủ là bảng mạch chính và lớn nhất trong cấu trúc máy tính, nóđóng vai trò là trung gian giao tiếp giữa các thiết bị với nhau Việc kết nối vàđiều khiển thông thường là do các chip cầu Bắc và cầu Nam, chúng là trung tâmđiều phối các hoạt động của máy vi tính.
– Bo mạch chuẩn micro-ATX thường dạng vuông với kích thước lớn nhất
là 244 × 244 mm, kích thước này đủ để chứa 4 khe cắm RAM và 4 khe mở rộng
– Bo mạch mini-ITX có kích thước nhỏ nhất, thường là 170 x 170mm, dovậy bo mạch này thường rút gọn, chỉ còn 1 khe cắm mở rộng và 2 khe cắmRAM
3.3 Bộ nhớ RAM (Random Access Memory)