Đơn vị điều khiển CU gồm thanh ghi lệnh IR ( Instruction Register ), là nơi chứa lệnh mà CPU đọc về từ ô nhớ lệnh, bao gồm cả phần mã lệnh và phần địa chỉ toán hạng, khối giải mã [r]
(1)LỜI NĨI ĐẦU
Máy tính ngày trở thành công cụ thiếu như thay đời sống thường nhật Ứng dụng công nghệ thông tin sinh hoạt hàng ngày, sản xuất cải vật chất cũng công việc điều hành, quản lý ngày phổ biến Có thể nói mọi người, khơng phân biệt giới tính hay tuổi tác, tìm cơng cụ sắc bén niềm hứng khởi, say mê kể giải công việc cũng học hỏi, nghiên cứu sáng tạo hay giải trí Cấu tạo máy tính ngày càng 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) là 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
năng – thường gọi phần cứng (hardware) – mà bao gồm
khối lượng đồ sộ chương trình điều hành, quản lý, tiện ích ứng dựng,
được gọi phần mềm (software)
Giáo trình biên soạn sở giảng tác giả Trường Đại học Công nghệ Thông tin truyền thông, Đại học Thái Nguyên từ những năm 2002-2010, trường Đại học Thăng Long, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng; giáo trình trình bày vấn đề lý thuyết thành phần nhất, chung kiến trúc máy tính Giáo trình biên soạn cho sinh viên học ngành Công nghệ thông tin trường Đại học Các thuật ngữ khoa học sử dụng tài liệu trích dẫn tiếng Anh – ngôn ngữ chung ngành Công nghệ thông tin Tuy nhiên, tác giả muốn tài liệu dùng làm tham khảo cho quan tâm hay u thích tìm hiểu kiến thức lĩnh vực chuyên môn này
Nội dung giáo trình trình bày chương
(2)Chương II giới thiệu kiến thức tổng quan kiến trúc máy tính, bắt đầu từ nguyên lý kiến trúc, chức năng, nhiệm vụ thành phần bản 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 thông 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 nhớ cấu trúc lệnh
Chương V trình bày khái niệm BUS chức kênh truyền dẫn thông 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 q trình
ngắt phân tích chương này. 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 trong 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
(3)Như nói trên, giáo trình biên soạn lại theo nội dung bài giảng tác giả sử dụng lâu nay, cố gắng, song chắn còn nhiều thiếu sót Mong độc giả góp ý để tác giả rút kinh nghiệm bổ sung
Tác giả xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp Viện Công nghệ Thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, đồng nghiệp mơn Khoa học máy tính, Kỹ thuật máy tính trường mà tác giả tham gia giảng dạy luôn động viên, góp ý q trình biên soạn
Rất mong nhận góp ý quý độc giả theo địa Email
dongnt@hn.vnn.vn
Xin chân thành cảm ơn
(4)Chương I Những kiến thức sở 1 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)
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
R R R
R T T T T Gnd
Inputs B A Output
Vcc
F F = AB
A
B F
Hình I.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo phần tử NAND
A
A
A
Y Y
Y
Y=A Y=A
Y=A
A
A B
B Y
Y Y=A+B A B A B Y Y Y=A+B Y=A+B A
B Y
Y=A B A
B Y
Y=A B Y=A+B A A B B Y Y Y= A.B Y=A.B A A B
B Y
Y Y=A.B
(5)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 (không 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)
(6)2 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)
Các biến vào i0, i1, …, innhận 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 các lối vào mạch tổ hợp logic gây nên biến đổi trạng thái (giá trị) của biến đầu F0 ÷ Fm Các mạch tổ hợp thơng dụng thường thấy
mạch mã hố, mạch giải mã, mạch dồn kênh, v.v…
Hình I.4 Phần tử trạng thái (Three-State component) bảng chân lý
Mạch logic tổ
hợp
i0
i1
i2
in
F0(i0,i1)
F1(i0,i1,i4)
F2(i2,i4,i5,i7)
Fm(i2,i3,i6,in)
(7)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 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
2.3 Máy hữu hạn (Finite State Machine)
Máy hữu hạn loại mạch logic khác có
Y1 Mạch
tổ hợp
Các phần tử
nhớ
y1
yp Yp
x1
xn Zm
Hình I.6 Mạch logic
(8)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 Flip-Flop 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)
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
(9)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)
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
Sơ đồ mạch logic thực hiện phép cộng bit nhị phân – Half Adder (HA) A
B S
C
(10)nối nối tiếp mạch cộng đầy đủ Hình I.11. , mạch cộng hai số nhị phân n bit với n mạch cộng đầy đủ
Si
Ai
Bi
Ci
Ci+1
Hình I.10 Sơ đồ mạch logic thực hiện phép cộng bit có nhớ từ
hàng trước – FullAdder (FA)
Hình I.11 Sơ đồ mạch logic thực phép cộng liệu bit
(11)Ngồi ra, tham khảo thêm mạch dồn kênh, mạch mã hoá giải mã tài liệu Kỹ thuật điện tử số nêu tài liệu tham khảo cuối giáo trình
Lưu đồ Hình I.13 cho ta thấy sơ lược bước q
trình thiết kế máy tính phạm vi nghiên cứu Kiến trúc tổ chức máy tính High-level view C o m p u te r d e s ig n e r C ir c u it d e s ig n e r A p p lic a ti o n d e s ig n e r S y s te m d e s ig n e r L o g ic d e s ig n e r
Software Hardware
Computer organization
Low-level view A p p lic a ti o n d o m a in s E le c tr o n ic c o m p o n e n ts
(12)Chương II Giới thiệu chung Máy tính kiến trúc máy tính
1.1 Mở đầu
Máy tính cấu thành từ mạch điện tử tích hợp (integrated circuits – IC) phức tạp liên kết với qua hệ thống kênh truyền dẫn gọi hệ thống BUS Các khối chức xây dựng với cơng nghệ tích hợp mật độ lớn gồm đơn vị xử lý trung tâm (CPU – Central Proccessing Unit), khối tạo xung nhịp (Clock), nhớ (Memorry) chip tạo cổng (Port Chips) ghép nối thiết bị ngoại vi minh hoạ Hình II.1
CPU xây dựng từ mạch điện tử phức tạp, có khả thực thi tất lệnh tập lệnh mô trước Bộ nhớ xây dựng từ chip nhớ, có khả lưu giữ lệnh chương trình liệu Các chip tạo cổng điều khiển việc truy xuất đến thiết bị ngoại vi bàn phím (Keyboard), chuột (Mouse), hình (Monitor), máy in (Printer), ổ đĩa (Disk Drivers) CPU truy xuất liệu đến từ (input) (output) thiết bị ngoại vi thông qua chip tạo cổng
Cấu trúc chức máy tính mơ Hình II.1, Hệ điều hành Ngơn ngữ lập trình bậc cao điều khiển hoạt động mạch điện tử máy tính Khi cấp nguồn, chương trình khởi tạo hệ thống nạp hệ điều hành
(13)(boot hệ thống), ngôn ngữ lập trình tải vào nhớ nhờ hệ điều hành Ở mức cùng, máy tính thực thi chương trình ứng dụng Các chương trình ứng dụng sử dụng nhiều tạo bảng tính, tạo văn bản, vẽ, …, viết ngơn ngữ lập trình khác C, C++, liên kết ngôn ngữ Người ta sử dụng ngơn ngữ lập trình mối liên kết với hệ điều hành để điều khiển hoạt động chức phần cứng Ngôn ngữ máy ngôn ngữ bao gồm lệnh (Instruction) mà phần cứng hiểu thực thi, tạo từ tổ hợp số biểu diễn theo hệ nhị phân Các mã nhị phân gọi mã lệnh, chúng tạo nên tập lệnh CPU, giá trị “0” “1” làm nhiệm vụ “ngắt” “đóng” dịng điện để điều khiển hoạt động phần tử logic mạch điện Cần hiểu rằng, tất CPU làm việc với mã máy Một sử dụng ngơn ngữ lập trình bậc cao, sử dụng phát biểu (Statements), chương trình dịch (Compiler) chuyển đổi (dịch) chúng mã máy để CPU hiểu thực
Mặc dù vậy, nói máy tính cấu thành từ khối chức sau:
1 Bộ nhớ trung tâm (Central Memory Main Memory) Bộ nhớ trung tâm nơi lưu giữ chương trình liệu trước chương trình thực
2 Đơn vị điều khiển (CU - Control Unit), điều khiển hoạt
động tất thành phần hệ thống máy tính theo chương trình mà máy tính cần thực
3 Đơn vị số học Logic (ALU – Arithmetic & Logic Unit), thực
hiện thao tác xử lý liệu thơng qua phép tốn số học Logic theo điều khiển Đơn vị điều khiển Đơn vị điều khiển CU đơn vị số học-logic ALU tích hợp chip IC gọi Đơn vị xử lý Trung tâm (CPU-Central Proccessing Unit).
4 Thiết bị vào (Input Device) thực nhiệm vụ thu nhận
thông tin, liệu từ giớ bên ngoài, biến đổi thành dạng tương thích với phương thức biểu diễn máy tính, đưa vào CPU xử lý ghi vào nhớ
5 Thiết bị (Output Device) thực nhiệm vụ đưa thông tin,
(14)Sau ta tìm hiểu nguyên lý kiến trúc hoạt động máy tính thơng qua máy tính đơn giản
Máy tính, dạng đơn giản nhất, cấu thành từ bốn khối chức sau:
Khối điều khiển xử lý liệu: Khối chức tích hợp vi mạch gọi Đơn vị xử lý trung tâm (CPU – Central Proccessing Unit)
Khối lưu trữ liệu gọi nhớ (Memory)
Khối chức cung cấp liệu cho máy tính xử lý, phản ánh liệu xử lý máy tính cung cấp, gọi khối thiết bị nhập xuất (I/O devices)
Các kênh truyền dẫn cung cấp liên lạc trao đổi liệu khối trên, gọi kênh liên kết hệ thống (BUS)
Trong máy tính, khối thực chức nói tồn nhiều đơn vị, dạng khác nhau, CPU quan trọng
Đơn vị xử lý trung tâm (CPU) xử lý lệnh với khn dạng từ lệnh, giả sử với độ dài bit, sau:
B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0
Phần chứa mã lệnh Phần chứa địa toán hạng Lệnh tạo từ hai phần: Mã lệnh địa toán hạng
Mã lệnh giá trị nhị phân bit, tổ hợp lệnh có chức khác nhau, phần chứa địa toán hạng giá trị nhị phân bit, xác định vị trí nhớ nhớ Phần địa xác định toán hạng mà lệnh trực tiếp xử lý
Đơn vị xử lý trung tâm gồm hai thành phần chức năng: Đơn vị số học-logic ALU (Arithmetic-Logic Unit) đơn vị điều khiển CU (Control Unit) (Hình II.2.)
Đơn vị điều khiển CU có chức lấy lệnh theo lưu giữ từ nhớ, giải mã lệnh tạo tín hiệu điều khiển hoạt động khối chức bên bên CPU
(15)
Đơn vị điều khiển CU gồm ghi lệnh IR (Instruction Register), nơi chứa lệnh mà CPU đọc từ ô nhớ lệnh, bao gồm phần mã lệnh phần địa toán hạng, khối giải mã lệnh ID (Instruction Decoder), mạch giải mã giải mã lệnh để xác định nhiệm vụ mà lệnh yêu cấu CPU xử lý, tạo tín hiệu điều khiển tác vụ CPU thực thi lệnh đếm chương trình PC (Program Counter) Thanh đếm chương trình PC làm
nhiệm vụ trỏ lệnh (Instruction Pointer), chứa địa ô nhớ chứa
lệnh thực thi thực chương trình Do sau CPU đọc lệnh từ nhớ chương trình, sau giải mã, thơng qua điều khiển CU PC tăng nội dung lên để vào ô nhớ chứa lệnh Trong trường hợp gặp lệnh rẽ nhánh hay lệnh gọi chương trình con, nội dung đếm PC thay đổi tuỳ theo giá trị địa mà chương trình dịch gán cho nhãn hay tên chương trình xác định người lập trình
CPU có ghi: ghi gộp (Acc – Accummulator), ghi tạm thời TEMP (temporary), ghi đệm địa MAR (Memory Address Register), ghi đệm nhớ MBR (Memory Buffer Register),
CU S
Z C
ACC TMP
MBR
MAR PC
IR
ID CPi
Thiết bị
Thiết bị vào
CPU
Flag s
CP2 CP1
Bộ nhớ
RD
WR
CU
Hình II.2 Sơ đồ cấu trúc máy tính đơn giản
MEM I/O
(16)ghi cờ Flags Thanh ghi Acc sử dụng để chứa nội dung tốn hạng, thơng thường nơi chứa kết thực phép toán, ghi tạm thời chứa nội dung toán hạng thứ hai phép tốn hai ngơi Nội dung ghi MAR địa nhớ mà CPU truy xuất, cịn nội dung ghi MBR liệu đọc từ nhớ ghi vào ô nhớ Thanh ghi cờ Flags gồm bit biểu diễn trạng thái kết thực phép toán xử lý liệu CPU, Trong trường hợp đơn giản, ghi cờ có bit, bit dấu (S – Sign) biểu diễn giá trị liệu âm hay dương, bit
không (Z-Zero) biểu diễn kết phép toán khác hay 0, bit nhớ (C –
Carry) biểu diễn trạng thái kết phép tốn có bit nhớ hay khơng có bit
nhớ Giá trị bit cờ trạng thái định nghĩa sau:
Kết số âm: (S) = ; dấu ngoặc thể nội dung bit Kết 0: (Z) =
Kết có nhớ: (C) =
Hoạt động thực thi lệnh chương trình máy tính tóm tắt sau:
Chương trình số liệu ban đầu lưu giữ nhớ trung tâm, nhớ ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory)
1 Bắt đầu chương trình, lệnh chương trình vùng nhớ chương trình đưa vào ghi lệnh IR đơn vị điều khiển (CU) Tác vụ gọi tác vụ nhận lệnh (Instruction Fetch).
2 CU tiến hành giải mã lệnh, xác định nội dung phép tốn cần xử lý phép tính nào, liệu Đây tác vụ giải mã
lệnh (ID – Instruction Decoder)
3 Nếu lệnh địi hỏi làm việc với tốn hạng (được xác định lệnh), CU xác định địa tương ứng toán hạng vùng nhớ liệu nhập vào từ thiết bị ngoại vi Tác vụ gọi tạo địa toán hạng (GOA - Generate Operand Address).
(17)5 CU phát tín hiệu điều khiển tới Đơn vị Số học-Logic (ALU) ALU thực phép toán yêu cầu mã lệnh Tác vụ gọi thực (Execute).
6 Kết xử lý đặt ghi gộp (Acc) lưu vào nhớ tuỳ thuộc xác định nơi lưu giữ thể đích (destination) lệnh Tác vụ gọi Ghi lại kết (Write Back).
Trong trường hợp CU giải mã lệnh lệnh rẽ nhánh chương trình, CU tính địa nhớ chứa lệnh cần thực tiếp phát tín hiệu điều khiển để nhận lệnh về, công việc tiến hành từ bước Nếu lệnh rẽ nhánh chương trình, CPU phát tín hiệu điều khiển để lấy lệnh ô nhớ đứng sau lệnh vừ thực hiện, hoạt động xẩy từ bước
Khi máy tính sử dụng để giám sát hay điều khiển trình thực, việc giao tiếp máy tính người mơ tả đơn giản hố Hình II.3. Thơng qua chương trình giao tiếp thiết bị Vào/Ra, người làm nhiệm vụ giám sát điều khiển hoạt động máy móc q trình
Ở mức độ đơn giản phổ biến nhất, người giao tiếp trực tiếp với máy tính thông qua thiết bị Vào thiết bị Ra Các thiết bị gọi tên chung thiết bị ngoại vi (Peripherals I/O Devices) Con người gửi yêu cầu (lệnh liệu) vào máy tính cách sử dụng thiết bị nhập liệu, máy tính xử lý liệu sau thực xong gửi trả kết thiết bị xuất liệu Ở mức độ cao người sử dụng máy tính để điều khiển đối tượng thứ ba (máy móc thiết bị) Con người gửi tín hiệu điều khiển vào máy tính, máy tính xử lý liệu cung
Computer Output Device
Input Device
Machine
Man
(18)cấp trực tiếp gửi yêu cầu tới thiết bị để thiết bị thực thao tác đáp ứng u cầu người Máy tính gửi kết xử lý thiết bị xuất để người kiểm tra lại yêu cầu
Với mức độ tự động hóa cao hơn, người gửi chương trình điều khiển thiết bị vào máy tính lần, máy tính nhận liệu, xử lý liệu gửi yêu cầu tới thiết bị Về phần mình, thiết bị, sau đáp ứng yêu cầu người gửi trả kết máy tính sở máy tính xử lý gửi tín hiệu điều khiển tới thiết bị
Như máy tính thực thể tương tác với mơi trường bên ngồi Máy tính nhận thơng tin từ bên ngồi, xử lý thơng tin nhận gửi trả lại kết Đây mối quan hệ trao đổi hai chiều, song luôn xuất phát từ yêu cầu người Máy tính khơng thể tự khởi đầu trình
1.2 Chức máy tính
Chức máy tính thực chương trình thơng qua xử lý một tập lệnh người lập trình cung cấp Chương trình tập hợp lệnh được người lập trình chọn lọc xếp theo chặt chẽ thông qua nguyên tắc xử lý, giải vấn đề cụ thể (hay gọi thuật giải)
Để thực chức này, chương trình lưu giữ nhớ, việc thực chương trình thực chất tác vụ thực thi lệnh theo người lập trình quy định Quá trình thực thi lệnh, trình bày trên, gồm giai đoạn sau:
1. Nhận lệnh IF-Instruction Fetch
2. Giải mã lệnh ID-Instruction Decoder
3. Tạo địa toán hạng GOA-Generate Operand Address
4. Nhận toán hạng OF-Operand Fetch
5. Xử lý lệnh EX-Execute
6. Lưu kết WB-Write Back
Instruction Fetch
Instruction Decode
Generate Operand Address
Operand
Fetch Execute
Write Back
IF ID GOA OF EX WB
(19)Việc đảm bảo thực chương trình theo tuần tự, nói trên, CU đảm nhận thông qua việc điều khiển thay đổi nội dung đếm chương trình PC Tuần tự lệnh chương trình người lập trình định thơng qua việc viết chương trình theo thuật giải
Khi thực chương trình, thơng thường máy tính thực công việc sau:
Thứ nhất, Xử lý liệu: Xử lý yêu cầu người/thiết bị sở liệu nhập vào Đây chức quan trọng Dữ liệu nhiều dạng khác yêu cầu xử lý khác biệt Tuy nhiên máy tính thực số lượng hữu hạn thao tác xử lý bản, người lập trình dựa khả xử lý dó mà tạo khả xử lý vấn đề lớn phức tạp thơng qua cơng việc lập trình
Thứ hai, Lưu trữ liệu: Muốn công việc xử lý liệu đạt hiệu cao, máy tính phải có khả lưu trữ tạm thời liệu lưu trữ liệu dài hạn để tái sử dụng sau
Thứ ba, Di chuyển liệu: Để phục vụ việc xử lý, liệu phải di chuyển từ điểm tới điểm khác bên máy tính Ngồi ra, để có liệu cho xử lý gửi kết bên ngoài, máy tính phải có khả trao đổi liệu với mơi trường bên ngồi
Thứ tư, Điều khiển: Để thực có hiệu ba chức nói trên, tác vụ máy tính thực phải điều khiển cách đồng hợp lý Quy trình điều khiển thực nhờ người cung cấp lệnh cho máy tính thi hành thơng qua đơn vị điều khiển bên máy tính
Kiến trúc máy tính phải thiết kế để máy tính có khả thực cơng việc
CPU
Memory
Data
I/O Interface
I/O #1
I/O #N
.
.
I/O #0
Program
Kênh liệu liên kết hệ thống
Kênh liên kết trao đổi liệu/lệnh
(20)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, những thuộc tính định trực tiếp đến việc thực thi chương trình tính tốn, xử lý liệu
Cấu trúc máy tính nghiên cứu thành phần chức kết nối chúng để tạo nên máy tính, nhằm thực chức tính kỹ thuật kiến trúc
Những thuộc tính liên quan đến kiến trúc bao gồm tập lệnh mà CPU thực hiện, số bit sử dụng để biểu diễn loại liệu khác nhau, chế nhập/xuất liệu, kỹ thuật đánh địa ô nhớ, v.v Cấu trúc máy tính lại bao gồm thuộc tính kỹ thuật mà người lập trình khơng nhận biết tín hiệu điều khiển, giao diện máy tính thiết bị ngoại vi, cơng nghệ xây dựng nhớ, v.v…
DMA Acknowledge Line
Hình II.5 Kiến trúc Máy tính nhìn từ góc độ cấu trúc
DMA Request Line
Memory
Data
CPU Interface I/O
I/O #1
I/O #N
.
DMAInterrupt Request Logic
.
.
ControlI/O #0
Program
Handshaking Signals
CLOCK