Bài giảng Tin học đại cương (Phần 1) - Chương 3: Hệ thống máy tính trình bày các khái niệm cơ bản, chức năng và các thành phần của máy tính, liên kết hệ thống, hoạt động của máy tính, phần mềm máy tính. Mời các bạn cùng tham khảo.
Nội dung chương IT1110 Tin học đại cương Phần I: Tin học Chương 3: Hệ thống máy tính 3.1 Giới thiệu 3.2 Chức thành phần máy tính 3.3 Liên kết hệ thống 3.4 Hoạt động máy tính 3.5 Phần mềm máy tính 3.1 Giới thiệu 3.2 Chức thành phần máy tính Hình dạng cấu trúc máy tính: đa dạng Máy tính điện tử xem hệ xử lý thơng tin gồm phần Chức hệ thống máy tính: Phần cứng (Hardware) Các cấu kiện, linh kiện điện, điện tử hệ máy Phần mềm (Software) Xử lý liệu Lưu trữ liệu Trao đổi liệu Điều khiển Bộ chương trình gồm thị điện tử lệnh cho máy tính thực nhiệm vụ theo yêu cầu người sử dụng Các thành phần máy tính Minh họa máy tính Máy tính để bàn (PC, workstation) Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit) Bộ nhớ (Memory) Hệ thống vào (Input/Output System) Liên kết hệ thống (System Interconnection) Bộ xử lý trung tâm (CPU) Bộ nhớ Liên kết hệ thống Máy chủ (Server) Các thiết bị vào Bộ nhớ Các thiết bị Hệ thống vào - Bộ xử lý trung tâm (CPU) Cấu trúc CPU Chức Máy tính xách tay (laptop, notebook) Đơn vị điều khiển (CU) điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu Nguyên tắc hoạt động CPU hoạt động theo chương trình nằm nhớ Đơn vị số học logic (ALU) Tập ghi (RF) bus bên Đơn vị nối ghép bus (BIU) bus bên Các thành phần CPU Tốc độ xử lý Đơn vị điều khiển (Control Unit – CU): điều khiển hoạt động máy tính theo chương trình định sẵn Đơn vị số học logic (Arithmetic and Logic Unit ALU): thực phép toán số học phép toán logic liệu cụ thể Tập ghi (Register File - RF): lưu giữ thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động CPU Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU): kết nối trao đổi thông tin bus bên (internal bus) bus bên (external bus) Tốc độc xử lý: Số lệnh thực giây MIPS (Million of Instructions per Second) Khó đánh giá xác Tần số xung nhịp xử lý: Bộ xử lý hoạt động theo xung nhịp (clock) có tần số xác định Tốc độ xử lý đánh giá gián tiếp thông qua tần số xung nhịp 10 Tốc độ xử lý Bộ nhớ máy tính Dạng xung nhịp: T0 chu kỳ xung nhịp Mỗi thao tác xử lý cần kT 0, kN T0 Tần số xung nhịp f0 = 1/T0 f0 = 2GHz = x 109 Hz T0 = 1/f0 = 1/(2 x 109) = 0.5 (ns) 11 Thao tác đọc (Read) Thao tác ghi (Write) Các thành phần Ví dụ: máy tính dùng xử lý Pentium IV 2GHz Chức năng: lưu trữ chương trình liệu Các thao tác với nhớ: Bộ nhớ (Internal Memory) Bộ nhớ (External Memory) 12 Các thành phần nhớ máy tính Bộ nhớ CPU Bộ nhớ Bộ nhớ Chức đặc điểm Chứa thơng tin mà CPU trao đổi trực tiếp Tốc độ nhanh, dung lượng không lớn Sử dụng nhớ bán dẫn: ROM, RAM ROM (Read Only Memory): nhớ đọc thông tin, dùng để lưu trữ chương trình hệ thống, chương trình điều khiển xuất nhập sở (ROM-BIOS: ROM Basic Input/Output System) Không thông tin khơng có điện RAM (Random Access Memory): nhớ truy xuất ngẫu nhiên, dùng để truy xuất liệu chương trình trình thao tác tính tốn Thơng tin mất điện 13 14 Bộ nhớ Bộ nhớ (Main Memory) Các loại nhớ trong: Bộ nhớ Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh) 15 Chứa chương trình liệu CPU sử dụng Tổ chức thành ngăn nhớ đánh địa Ngăn nhớ thường tổ chức theo byte Nội dung ngăn nhớ thay đổi, song địa vật lý ngăn nhớ cố định Nội dung Địa 10101100 0000 01001100 0001 11100111 0010 01010011 0011 00001010 0100 11001010 0101 01110000 0110 10110110 0111 16 Minh họa Bộ nhớ đệm nhanh (cache memory) Bộ nhớ có tốc độ nhanh đặt đệm CPU nhớ nhằm tăng tốc độ CPU truy cập nhớ Dung lượng nhỏ nhớ Tốc độ nhanh Cache thường chia thành số mức Cache tích hợp chip vi xử lý Cache có khơng CPU Cache 17 18 Chức đặc điểm Bộ nhớ Minh họa Bộ nhớ ngồi (External Memory) Bộ nhớ Lưu giữ tài nguyên phần mềm máy tính Được kết nối với hệ thống dạng thiết bị vào Dung lượng lớn Tốc độ chậm Các loại nhớ ngoài: Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card 19 Hard disk 20 Hệ thống vào Chức năng: trao đổi thông tin máy tính với giới bên ngồi Các thao tác bản: Cấu trúc hệ thống vào-ra nối ghép với CPU nhớ Vào liệu (Input) Ra liệu (Output) Các thành phần chính: Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices) Các mô-đun vào-ra (IO Modules) Cổng vào-ra Thiết bị ngoại vi Cổng vào-ra Thiết bị ngoại vi Mô-đun vào-ra Cổng vào-ra Thiết bị ngoại vi 21 Các thiết bị ngoại vi 22 Thiết bị vào Chức năng: chuyển đổi liệu bên bên ngồi máy tính Các loại thiết bị ngoại vi bản: Thiết Thiết Thiết Thiết bị bị bị bị Bàn phím (Keyboard) vào: bàn phím, chuột, máy qt, ra: hình, máy in, máy chiếu, nhớ: ổ đĩa, truyền thông: MODEM, Chuột (mouse) 23 Máy quét (Scanner) Nhận dạng vân tay Mic (Microphone) 24 Thiết bị Màn hình (display, monitor) Thiết bị truyền thông Máy in Máy in kiêm phô tô (Printer) Card mạng (Network Interface Card) Máy chiếu (Projector) Loa (Speaker) MOdulator-DEModulator MODEM thiết bị biến đổi tín hiệu mang tương tự thành thơng tin số mã hóa giải mã tín hiệu truyền nhận Tai nghe (Headphone) 25 26 Mô-đun vào-ra MODEM 3.3 Liên kết hệ thống Chức năng: nối ghép thiết bị ngoại vi với máy tính Mỗi mơ-đun vào-ra có một vài cổng vào-ra (I/O Port) Mỗi cổng vào-ra đánh địa xác định Các thiết bị ngoại vi kết nối trao đổi liệu với máy tính thơng qua cổng vào-ra 3.3.1 Luồng thơng tin máy tính Các mơ-đun máy tính: 27 CPU Mô-đun nhớ Mô-đun vào-ra cần kết nối với 28 Kết nối mô-đun nhớ Kết nối mô-đun vào-ra liệu từ bên liệu đến TBNV liệu từ TBNV liệu đến bên địa liệu Mô-đun liệu lệnh nhớ địa Tín hiệu điều khiển đọc Mơ-đun vào-ra Các tín hiệu điều khiển TBNV Tín hiệu điều khiển đọc Tín hiệu điều khiển ghi Tín hiệu điều khiển ghi Các tín hiệu điều khiển ngắt 29 30 Kết nối CPU 3.3.2 Cấu trúc bus lệnh địa liệu Các tín hiệu điều khiển ngắt CPU liệu Bus: tập hợp đường kết nối dùng để vận chuyển thơng tin mơ-đun máy tính với Các bus chức năng: Các tín hiệu điều khiển nhớ vào-ra 31 Bus địa Bus liệu Bus điều khiển Độ rộng bus: số đường dây bus truyền bit thông tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa bus liệu) 32 Sơ đồ cấu trúc bus Bus địa Chức năng: vận chuyển địa để xác định ngăn nhớ hay cổng vào-ra Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng nhớ cực đại hệ thống Nếu độ rộng bus địa N bit: AN-1, AN-2, , A2, A1, A0 có thể đánh địa tối đa cho N ngăn nhớ Ví dụ: xử lý Pentium có bus địa 32 bit không gian địa 32byte=4GB (đánh địa theo byte) 33 34 Bus liệu Chức năng: vận chuyển lệnh từ nhớ đến CPU vận chuyển liệu CPU, mô-đun nhớ mô-đun vào-ra với Độ rộng bus liệu: xác định số bit liệu trao đổi đồng thời Bus điều khiển M bit: DM-1, DM-2, , D2, D1, D0 M thường 8, 16, 32, 64, 128 bit Chức năng: vận chuyển tín hiệu điều khiển Các loại tín hiệu điều khiển: Các tín hiệu phát từ CPU để điều khiển môđun nhớ mơ-đun vào-ra Các tín hiệu từ mơ-đun nhớ hay mơ-đun vào-ra gửi đến u cầu CPU Ví dụ: xử lý Pentium có bus liệu 64 bit 35 36 Đặc điểm cấu trúc đơn bus Phân cấp bus máy tính Bus hệ thống phục vụ yêu cầu trao đổi liệu thời điểm Bus hệ thống phải có tốc độ tốc độ bus mơ-đun nhanh hệ thống Bus hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc bus (các tín hiệu) xử lý mô-đun nhớ mô-đun vào-ra phụ thuộc vào xử lý Vì cần phải phân cấp bus đa bus Phân cấp bus cho thành phần Bus xử lý Bus nhớ Các bus vào-ra Phân cấp bus khác tốc độ Bus nhớ bus vào khơng phụ thuộc vào xử lý cụ thể 37 Các bus điển hình PC 38 Máy tính Pentium dùng chipset 845 Bus xử lý (Front Side Bus-FSB): có tốc độ nhanh Bus nhớ chính: nối ghép với mô-đun RAM AGP bus (Accelerated Graphic Port): nối ghép card hình tăng tốc PCI bus (Peripheral Component Interconnect): nối ghép thiết bị ngoại vi có tốc độ trao đổi liệu nhanh USB (Universal Serial Bus): bus nối tiếp đa IDE (Integrated Device Electronics): bus kết nối với ổ đĩa cứng ổ đĩa CD, DVD 39 40 Các kiểu bus Bus dành riêng (Dedicated): Phân xử bus Các đường địa liệu tách rời Ưu điểm: điều khiển đơn giản Nhược điểm: có nhiều đường kết nối Bus dồn kênh (Multiplexed): Các đường dùng chung cho địa liệu Có đường điều khiển để phân biệt có địa hay có liệu Ưu điểm: có đường dây Nhược điểm: điều khiển phức tạp hơn, hiệu hạn chế Có nhiều mơ-đun điều khiển bus CPU điều khiển vào-ra Chỉ cho phép mô-đun điều khiển bus thời điểm Phân xử bus có thể: tập trung: có điều khiển bus (Bus Controller / Arbiter) phần CPU hay mạch tách rời phân tán: mơ-đun chiếm bus có đường điều khiển đến tất mô-đun khác 41 42 3.4 Hoạt động máy tính 3.4.1 Thực chương trình 3.4.1 Thực chương trình 3.4.2 Ngắt 3.4.3 Hoạt động vào-ra Là hoạt động máy tính Máy tính lặp lặp lại hai bước: Nhận lệnh Thực lệnh 43 chu trình lệnh Thực chương trình bị dừng thực lệnh bị lỗi gặp lệnh dừng 44 Nhận lệnh Chu trình lệnh Bắt đầu Nhận lệnh Thực lệnh Dừng Bắt đầu chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ nhớ Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) CPU giữ địa lệnh nhận CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ trỏ PC Lệnh nạp vào ghi lệnh IR (Instruction Register) Sau lệnh nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh 45 46 Thực lệnh 3.4.2 Ngắt (Interupt) Bộ xử lý giải mã lệnh nhận phát tín hiệu điều khiển thực thao tác mà lệnh yêu cầu Các kiểu thao tác lệnh: Trao đổi liệu CPU nhớ Trao đổi liệu CPU mô-đun vào-ra Xử lý liệu: thực phép toán số học phép toán logic với liệu Điều khiển rẽ nhánh Kết hợp thao tác Khái niệm chung ngắt: Ngắt chế cho phép CPU tạm dừng chương trình thực để chuyển sang thực chương trình khác, gọi chương trình phục vụ ngắt Các loại ngắt: 47 Ngắt lỗi thực chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho Ngắt lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi RAM Ngắt mơ-đun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi liệu 48 Hoạt động ngắt Hoạt động ngắt (tiếp) Sau hoàn thành lệnh, xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt Nếu khơng có ngắt xử lý nhận lệnh chương trình Nếu có tín hiệu ngắt: Tạm dừng chương trình thực Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt) Thiết lập PC trỏ đến chương trình phục vụ ngắt Chuyển sang thực chương trình phục vụ ngắt Cuối chương trình phục vụ ngắt, khơi phục ngữ cảnh tiếp tục chương trình bị tạm dừng 49 50 Chu trình lệnh với ngắt Xử lý với nhiều tín hiệu ngắt Xử lý ngắt Xử lý ngắt ưu tiên 51 Khi ngắt thực hiện, ngắt khác bị cấm Bộ xử lý bỏ qua ngắt xử lý ngắt Các ngắt đợi kiểm tra sau ngắt xử lý xong Các ngắt thực Các ngắt định nghĩa mức ưu tiên khác Ngắt có mức ưu tiên thấp bị ngắt ngắt ưu tiên cao xảy ngắt lồng 52 3.4.3 Hoạt động vào-ra 3.5 Phần mềm máy tính (Computer Software) Hoạt động vào-ra: hoạt động trao đổi liệu thiết bị ngoại vi với bên máy tính Các kiểu hoạt động vào-ra: Thế phần mềm máy tính ? CPU trao đổi liệu với mô-đun vào-ra Mô-đun vào-ra trao đổi liệu trực tiếp với nhớ "Phần mềm thuật ngữ chung cho sưu tập có tổ chức liệu lệnh máy tính, thường phân thành hai loại chính: phần mềm hệ thống (system software) cung cấp chức xác định máy tính phần mềm ứng dụng (application software) sử dụng người dùng để hoàn thành nhiệm vụ xác định." http://www.openprojects.org/software-definition.htm "Phần mềm thuật ngữ tổng quát cho nhiều loại chương trình khác sử dụng để thao tác với máy tính thiết bị liên quan." http://searchsoa.techtarget.com/sDefinition/0,,sid26_gci213024,00.html Phân biệt phần mềm (software) với phần cứng (hardware) 53 54 3.5.1 Dữ liệu giải thuật Mỗi toán phải giải gồm phần: phần liệu phần xử lý Phần liệu liên quan đến thông tin tốn: 3.5.2 Chương trình ngơn ngữ lập trình đầu vào: liệu cung cấp để xử lý đầu ra: kết xử lý Phần xử lý: thao tác phải máy tính tiến hành nhằm đáp ứng yêu cầu người dùng 55 Thuật toán cách giải toán theo kiểu tư người Để máy hiểu tiến hành xử lý ta phải biến bước thao tác thành thị (statement) biểu diễn dạng mà máy tính hiểu Q trình gọi lập trình Giải thuật biếu diễn dạng tập thị ngơn ngữ gọi chương trình Ngơn ngữ dùng để lập trình gọi ngơn ngữ lập trình – ngơn ngữ dùng để trao đổi với máy tính, máy tính hiểu thực thi nhiệm vụ Tương tự với liệu, máy tính khơng thể xử lý liệu cách hình thức giải tích mà phải số hay giá trị cụ thể 56 Chương trình Ngơn ngữ lập trình Chương trình = Cấu trúc liệu + Giải thuật Program = Data Structure + Algorithm N Wirth Có nhiều loại ngơn ngữ lập trình Sự khác loại liên quan đến mức độ phụ thuộc chúng vào kiến trúc hoạt động máy tính, phụ thuộc vào lớp/lĩnh vực ứng dụng Có nhiều cách phân loại khác ngơn ngữ lập trình phân thành nhóm khác Người ta phân ngơn ngữ theo cách chung thành nhóm: Ngôn ngữ máy Hợp ngữ Ngôn ngữ bậc cao 57 58 Ngôn ngữ máy Mỗi loại máy tính có ngơn ngữ máy riêng Đó loại ngơn ngữ để viết chương trình mà máy tính hiểu trực tíếp thực Các thị (lệnh) ngôn ngữ viết mã nhị phân hay mã hec-xa Nó gắn chặt với kiến trúc phần cứng máy khai thác đặc điểm phần cứng Tuy nhiên, lại khơng hồn tồn thuận lợi cho người lập trình tính khó nhớ mã, tính thiếu cấu trúc,…Vì thế, để viết ứng dụng ngôn ngữ máy việc khơng dễ, phải tiến hành thay đổi,chỉnh sửa hay phát triển thêm sau 59 Hợp ngữ Hợp ngữ cho phép người lập trình sử dụng số từ tiếng Anh viết tắt để thể câu lệnh thực Thí dụ để cộng nội dung ghi AX BX ghi kết vào AX, ta dùng câu lệnh hợp ngữ sau: ADD AX, BX Một chương trình hợp ngữ phải dịch ngơn ngữ máy nhờ chương trình hợp dịch trước máy tính thực 60 Ngơn ngữ bậc cao Hai phương thức dịch FORTRAN, COBOL, Pascal, C/C++, VB, VC+ +, Delphi, Java, NET, Các chương trình viết ngơn ngữ này, trước để máy thực thi cần phải chuyển đổi sang ngơn ngữ máy Q trình chuyển đổi gọi q trình dịch Thơng dịch (Interpreter): Bộ thơng dịch, đọc lệnh chương trình nguồn, phân tích cú pháp câu lệnh thực Quá trình lệnh chương trình đến lệnh cuối khơng có lỗi Bộ thơng dịch giống vai trò thông dịch viên (translator) Biên dịch (Compiler): Khác với thông dịch, trình biên dịch dịch tồn chương trình nguồn sang ngơn ngữ đích Với chương trình đích này, máy hiểu biết cách thực thi Q trình biên dịch tạo chương trình đích lệnh chương trình nguồn khơng có lỗi 61 62 Quy trình giải (tiếp) Quy trình giải tốn máy tính Thế giới thực (Bài tốn) Mơ hình hóa Xây dựng thuật giải kết Thực Chương trình Soạn thảo chương trình Biên dịch 63 B1 Xác định toán: Thuật ngữ cho bước xác định yêu cầu người dùng, người mong muốn có phần mềm để sử dụng B2 Phân tích tốn: Tìm hiểu nhiệm vụ (chức năng) mà phần mềm cần xây dựng phải có liệu cần thiết Qua xây dựng giải pháp khả thi Nói cách ngắn gọn, bước tìm hiểu hệ thống gì? Và làm gì? B3 Thiết kế hệ thống: thực thiết kế kiến trúc hệ thống, thiết kế mô đun chương trình, thiết kế giao tiếp, thiết kế an tồn,… Như vậy, nhiệm vụ thiết kế mơ đun xây dựng giải thuật cho mơ đun cách diễn tả giải thuật 64 Quy trình giải (tiếp) 3.5.3 Phân loại phần mềm máy tính B4 Xây dựng chương trình: Viết code cho mơ đun theo ngơn ngữ lập trình xác định B5 Quay lại soạn thảo: trình dịch phát lỗi cú pháp chương trình nguồn B6 Kiểm thử chương trình: nhằm kiểm tra tính đắn mô đun hệ thống trước bàn giao cho khách hàng B7 Xem lại giải thuật kết thực khơng (lỗi lơgíc) B8 Triển khai: bước gồm nhiệm vụ viết tài liệu phần mềm, hướng dẫn sử dụng bảo trì phần mềm Đây mục đích phần mềm yêu cầu nhằm kéo dài vòng đời phần mềm (Software Life Cycle) 65 Virus máy tính ? Theo đặc thù ứng dụng môi trường: Phần Phần Phần Phần Phần Phần … mềm mềm mềm mềm mềm mềm Phần mềm hệ thống : Là phần mềm điều khiển hoạt động bên máy tính cung cấp mơi trường giao tiếp người dùng máy tính nhằm khai thác hiệu phần cứng phục vụ cho nhu cầu sử dụng Loại phần mềm đòi hỏi tính ổn định, tính an tồn cao Chẳng hạn hệ điều hành máy đơn hay hệ điều hành mạng, tiện ích hệ thống,… Phần mềm ứng dụng: Là phần mềm dùng để giải vấn đề phục vụ cho hoạt động khác người quản lý, kế tốn, soạn thảo văn bản, trò chơi… Nhu cầu phần mềm ứng dụng ngày tăng đa dạng 66 Phân loại phần mềm máy tính (tiếp) Theo quan điểm sử dụng chung: thời gian thực (Real-time SW) nghiệp vụ (Business SW) tính tốn KH&KT (Eng.&Scie SW) nhúng (Embedded SW) Web (Web-based SW) trí tuệ nhân tạo (IA SW) 67 Nó ? Là chương trình máy tính (do người viết ra) có khả tự nhân lây nhiễm gây hại cho máy tính, khơng cho phép người dùng Giống virus sinh học, virus máy tính có khả nhân bản, lây lan nhanh chóng, có khả biến đổi thành dạng khác, nói chung có hại Virus máy tính thường phá hủy liệu, làm sai lệch thông tin, ăn cắp thông tin cá nhân phục vụ ý đồ xấu Lây lan qua: đĩa mềm, CD, ổ USB, thư điện tử, Thường nghe nói: malware, adware, worms, Trojan Horse 68 Phòng diệt virus ? Hỏi - đáp Sử dụng phần mềm cảnh báo diệt virus, phần mềm gián điệp như: Nortan Anti Virus, Kaspersky, Bit Defender, BKAV, Cảnh giác với thư lạ, thông tin mời mọc hấp dẫn mạng, Cảnh giác với ổ đĩa chứa liệu không rõ ràng Nói chung, khó tránh Trong trường hợp bị lây nhiễm mà không tự khắc phục được, liệu lại quan trọng nên tìm đến chuyên gia 69 70 ... thơng qua cổng vào-ra 3. 3.1 Luồng thơng tin máy tính Các m - un máy tính: 27 CPU M - un nhớ M - un vào-ra cần kết nối với 28 Kết nối m - un nhớ Kết nối m - un vào-ra liệu từ bên liệu... phân tán: m - un chiếm bus có đường điều khiển đến tất m - un khác 41 42 3. 4 Hoạt động máy tính 3. 4.1 Thực chương trình 3. 4.1 Thực chương trình 3. 4.2 Ngắt 3. 4 .3 Hoạt động vào-ra Là hoạt... Pentium có bus địa 32 bit không gian địa 32 byte=4GB (đánh địa theo byte) 33 34 Bus liệu Chức năng: vận chuyển lệnh từ nhớ đến CPU vận chuyển liệu CPU, m - un nhớ m - un vào-ra với Độ rộng