Giáo trình Kiến trúc máy tính và hệ điều hành: Phần 1

(NB) Giáo trình Kiến trúc máy tính và hệ điều hành: Phần 1 nhằm giới thiệu đến bạn đọc những nội dung về máy tính, hệ thống máy tính, biểu diễn dữ liệu và số học máy tính, các cổng luận lý, đại số Boole & bản đồ Karnaugh và các loại mạch, các loại mạch vi xử lý - tổ chức CPU. Mời các bạn tham khảo.

BỘ TÀI CHÍNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI CHÍNH - MARKETING KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH LƯU HÀNH NỘI BỘ Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY TÍNH Máy tính phân loại 1.1 Máy tính • Máy tính (Computer) thiết bị điện tử thực công việc sau: o Nhận thông tin vào o Xử lý thông tin theo dãy lệnh nhớ sẵn bên trong, o Đưa thông tin • Dãy lệnh nằm nhớ để u cầu máy tính thực cơng việc cụ thể gọi chương trình (program) Máy tính hoạt động theo chương trình Máy tính Mơ hình phân lớp máy tính: Người sử dụng Người Lập trình Phần cứng (Hardware): hệ thống vật lý máy tính Phần mềm (Software): chương trình liệu 1.2 Phân loại máy tính • Phân loại truyền thống: o Máy vi tính (Microcomputers) Nguyễn Thanh Trường - Khoa Cơng nghệ thơng tin Trang Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành o Máy tính nhỏ (Minicomputers) o Máy tính lớn (Mainframe Computers) o Siêu máy tính (Supercomputers) • Phân loại máy tính đại o Máy tính cá nhân (Personal Computers) o Máy chủ (Server Computers) o Máy tính nhúng (Embedded Computers) Máy tính cá nhân PC Là loại máy tính phổ biến • Các loại máy tính cá nhân: Máy tính để bàn (Desktop) Máy tính xách tay (Laptop) • 1981 IBM giới thiệu máy tính IBM-PC sử dụng xử lý Intel 8088 • 1984 Apple đưa Macintosh sử dụng xử lý Motorola 68000 • Giá thành: hàng trăm đến hàng nghìn USD Máy chủ (Server) Thực chất máy phục vụ • Dùng mạng theo mơ hình Client/Server (Khách hàng/Người phục vụ) • Tốc độ hiệu tính tốn cao • Dung lượng nhớ lớn • Độ tin cậy cao • Giá thành: hàng nghìn đến hàng chục triệu USD Máy tính nhúng (Embedded Computer) Được đặt thiết bị khác để điều khiển thiết bị làm việc • Được thiết kế chun dụng • Ví dụ: o Điện thoại di động o Máy ảnh số o Bộ điều khiển máy giặt, điều hoà nhiệt độ o Router – định tuyến mạng • Giá thành: vài USD đến hàng trăm nghìn USD Kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh: • Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn người lập trình • Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi nhanh Ví dụ: Các máy tính PC dùng xử lý Pentium III Pentium 4: • chung kiến trúc tập lệnh (IA-32) • có tổ chức khác Kiến trúc tập lệnh Kiến trúc tập lệnh máy tính bao gồm: • Tập lệnh: tập hợp chuỗi số nhị phân mã hố cho thao tác mà máy tính thực • Các kiểu liệu: kiểu liệu mà máy tính xử lý Cấu trúc máy tính Nguyễn Thanh Trường - Khoa Cơng nghệ thơng tin Trang Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành Các thành phần máy tính • Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): Điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu • Bộ nhớ (Main Memory): Chứa chương trình liệu sử dụng • Hệ thống vào (Input/Output System): Trao đổi thông tin máy tính với bên ngồi • Liên kết hệ thống (System Interconnection): Kết nối vận chuyển thông tin thành phần với Lịch sử phát triển hiệu suất máy tính • • • • • Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử chân khơng (1950s) Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor (1960s) Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI LSI (1970s) Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI (1980s) Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch ULSI, SoC (1990s) 3.1 Máy tính dùng đèn điện tử • ENIAC- Máy tính điện tử o Electronic Numerical Intergator And Computer o Dự án Bộ Quốc phòng Mỹ o Do John Mauchly John Presper Eckert Đại học Pennsylvania thiết kế o Bắt đầu từ năm 1943, hoàn thành năm 1946 o Nặng 30 o 18000 đèn điện tử 1500 rơle o 5000 phép cộng/giây o Xử lý theo số thập phân o Bộ nhớ lưu trữ liệu o Lập trình cách thiết lập vị trí chuyển mạch cáp nối Đèn điện tử Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thơng tin Trang Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành ENIAC Máy tính von Neumann • Đó máy tính IAS: o Princeton Institute for Advanced Studies o Được 1947, hoàn thành1952 o Do John von Neumann thiết kế o Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình lưu trữ” (stored-program concept) von Neumann/Turing (1945) Đặc điểm máy tính IAS: Bao gồm thành phần: đơn vị điều khiển, đơn vị số học logic (ALU), nhớ thiết bị vào-ra o Bộ nhớ chứa chương trình liệu o Bộ nhớ đánh địa theo ngăn nhớ, không phụ thuộc vào nội dung o ALU thực phép tốn với số nhị phân o Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ nhớ, giải mã thực lệnh cách o Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động thiết bị vào-ra o Trở thành mơ hình máy tính John von Neumann máy tính IAS: Nguyễn Thanh Trường - Khoa Cơng nghệ thơng tin Trang Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành Alan Turing Các máy tính thương mại đời • 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation • UNIVAC I (Universal Automatic Computer) • 1950s - UNIVAC II o Nhanh o Bộ nhớ lớn UNIVAC I: Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin Trang Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành UNIVAC II: Hãng IBM • IBM - International Business Machine • 1953 - IBM 701 o Máy tính lưu trữ chương trình IBM o Sử dụng cho tính tốn khoa học • 1955 – IBM 702 o Các ứng dụng thương mại IBM 701: Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin Trang Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành 3.2 Máy tính dùng transistor • Máy tính PDP-1 DEC (Digital Equipment Corporation) máy tính mini • IBM 7000 • Hàng trăm nghìn phép cộng giây • Các ngơn ngữ lập trình bậc cao đời Máy tính DEC PDP-1 (1960): IBM 7030 (1961): Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin Trang Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành 3.3 Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI LSI • Vi mạch (Integrated Circuit - IC): nhiều transistor phần tử khác tích hợp chip bán dẫn o SSI (Small Scale Integration) o MSI (Medium Scale Integration) o LSI (Large Scale Integration) o VLSI (Very Large Scale Integration) (thế hệ thứ tư) o ULSI (Ultra Large Scale Integration) (thế hệ thứ năm) o SoC (System on Chip) • Siêu máy tính xuất hiện: CRAY-1, VAX • Bộ vi xử lý (microprocessor) đời o Bộ vi xử lý Intel 4004 (1971) Luật Moore: • Gordon Moore – người đồng sáng lập Intel • Số transistors chip gấp đơi sau 18 tháng • Giá thành chip khơng thay đổi • Mật độ cao hơn, đường dẫn ngắn • Kích thước nhỏ dẫn tới độ phức tạp tăng lên • Điện tiêu thụ • Hệ thống có chip liên kết với nhau, tăng độ tin cậy Tăng trưởng số transistor chip CPU: IBM 360 Family: Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin Trang Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành PDP-11 (1973): VAX-11 (1981): Micro VAX: Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thơng tin Trang Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành Mạch phát sinh lẻ Giả sử, với mạch ta lưu giá trị ký tự A (có mã ASCII 65) thể dạng nhị phân 1000001 Số bit chuổi bit là từ chẵn Kết hợp với cổng XOR (bit 7) ta kết 11000001 (chiều dài bit) thành từ lẻ Cho nên mạch gọi mạch phát sinh lẻ Ứng dụng mạch dùng để kiểm tra việc truyền liệu, truyền liệu đi, liệu nhận bị sai (do nhiễu hay lý đó) Và người ta dùng mạch để phát nhận kết sai Ví dụ: Khi truyền A (1000001) nhận C (1000011) ta phát có dự truyền sai ta truyền tín hiệu chẵn nhận tín hiệu lẻ Mạch phát sinh lẻ Từ cổng XOR (Exclusive OR) liên kết với cổng đảo, người ta kết hợp bit lại với hình thành bit kiểm tra gọi bit chẵn - lẻ Và dựa cổng XOR cổng đảo người ta đưa khái niệm chẵn - lẻ Một từ (word) gọi chẵn (lẻ) có tổng số bit số chẵn (lẻ) Thanh ghi bit A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 Các bit liệu Bit tạo chẵn - lẻ Mạch phát sinh lẻ Giả sử, với mạch ta lưu giá trị ký tự A (có mã ASCII 65) thể dạng nhị phân 1000001 Số bit chuổi bit là từ chẵn Kết hợp với cổng XOR (bit 7) ta kết 11000001 (chiều dài bit) thành từ lẻ Cho nên mạch gọi mạch phát sinh lẻ Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thơng tin Trang 104 Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành Ứng dụng mạch dùng để kiểm tra việc truyền liệu, truyền liệu đi, liệu nhận bị sai (do nhiễu hay lý đó) Và người ta dùng mạch để phát nhận kết sai Ví dụ: Khi truyền A (1000001) nhận C (1000011) ta phát có dự truyền sai ta truyền tín hiệu chẵn nhận tín hiệu lẻ Mạch đảo có điều khiển Khi truyền tín hiệu qua mạch này, ta nhận kết tuỳ thuộc vào điều khiển khố Ví dụ: Khi truyền từ (word) có tín hiệu A Ta nhận giá trị sau: Nếu Key = 0, tín hiệu nhận A Nếu Key = 1, tín hiệu nhận bù A A7 Y7 A6 A5 Y6 Y5 Thanh ghi bit A4 A3 A2 A Y4 Y3 Y2 A1 A0 Key Y1 Y0 Mạch đảo có điều khiển 10 Mạch tích hợp số Với công nghệ điện tử ngày phát triển, ngày cổng luận lý ban đầu ngày tiến dần đến mạch tích hợp số (Digital Integrated Circuit) thường gọi mạch IC Thông thường, mạch IC tích hợp mảnh nhỏ bán dẫn gọi chip Trên chip có hàng ngàn IC, chục ngàn hay hàng triệu thành phần điện tử như: Transistor, diode, register,…Mức độ tích hợp chip phân thành: SSI (Small scall Integration) : Chứa khoảng 10 phần tử MSI (Medium scall Integration) : Chứa từ 10 đến 500 phần tử LSI (Large scall Integration) : Chứa từ 500 đến 10.000 phần tử VLSI (Very Large scall Integration) : Chứa từ 10.000 đến 1.000.000 phần tử ULSI (Ultra Large scall Integration) : Chứa từ 1.000.000 phần tử trở lên Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin Trang 105 Trường ĐH Tài Chính - Marketing Giáo Trình kiến trúc máy tính hệ điều hành CHƯƠNG VII CÁC MẠCH VI XỬ LÝ - TỔ CHỨC CPU Giới thiệu ghi Một phận then chốt CPU ghi (Register) Thanh ghi dạng nhớ có tốc độ đọc - ghi cực nhanh, dung lượng hạn chế nằm CPU Giống đơn vị nhớ, ghi bao gồm đơn vị nhớ nhị phân đánh địa để dễ dàng truy xuất chúng Thông thường, tuỳ theo chức chúng mà người ta đặt tên cho chúng, chúng có nhiều tên gọi khác 1.1 Thanh ghi tích luỹ (Accumulator): Trong CPU có hay nhiều ghi dùng để chứa liệu, liệu đọc từ nhớ vào Các ghi có chức gọi ghi tích luỹ Thanh ghi tích luỹ lưu trữ liệu tạm thời tính tốn Trong hầu hết máy tính, ghi tích luỹ thường giữ tốn hạng phép tính số học, luận lý Ngồi ra, ghi tích luỹ dùng phép toán dịch chuyển bit lệnh khác