Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo Giáo trình kiến trúc máy tính I gồm 7 chương trình bày các vấn đề chung nhất, các thành phần cơ bản nhất cấu thành nên máy tính hiện đại nhằm trang bị cho sinh viên các nội dung chủ yếu - Chương 1 Giới thiệu
ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN o0o Giáo trình KIẾN TRÚC MÁY TÍNH I Biên soạn: Vũ ðức Lung 2007 LỜI NĨI ðẦU Với mục tiêu đưa mơn học chuyên ngành công nghệ thông tin vào học từ học kỳ đầu trường ðại học Cơng nghệ thơng tin, giáo trình Kiến trúc máy tính biên soạn đặc biệt cho mục đích ñịnh hướng cho sinh viên nghành công nghệ thông tin năm thứ Giáo trình Kiến trúc máy tính trình bày vấn đề chung nhất, thành phần cấu thành nên máy tính đại nhằm trang bị cho sinh viên nội dung chủ yếu chương sau: Chương I: Trình bày lịch sử phát triển máy tính tích máy tính giai đoạn, hệ máy tính, định hướng phát triển máy tính cách phân loại máy tính Chương II: Giới thiệu ngun lý hoạt động chung tính chất phận yếu máy tính như: xử lý (CPU), mạch (Mainboard), thiết bị lưu trữ liệu, loại nhớ RAM, Card đồ họa, hình Ngồi cịn cho thấy hình dáng tích hợp phận với nhằm giúp sinh viên tự mua sắm, lắp ráp máy tính cho Chương III: Trình bày cách biến đổi hệ thống số (như hệ thập phân, hệ nhị phân, hệ bát phân, hệ thập lục phân), cách ñể biểu diễn liệu, cách thực phép tính số học cho hệ nhị phân Chương IV: Các cổng ñại số Boolean, ñịnh lý ñại số Boolean, cách ñơn giản hàm Boolean mạch số, cách biểu diễn mạch số qua hàm Boolean ngược lại, mạch tổ hợp bản, cách thiết kế mạch đơn giản Chương V: Trình bày ngun lý họat ñộng mạch lật, flip-flop, qui trình thiết kế mạch đưa ví dụ cụ thể cho việc thiết kế http://www.ebook.edu.vn Chương VI: Phân loại kiến trúc lệnh, cách bố trí ñịa nhớ, cách mã hóa tập lệnh, lệnh máy tính qua lệnh hợp ngữ assembler Chương VII: Giới thiệu cấu trúc xử lý trung tâm: tổ chức, chức nguyên lý hoạt ñộng phận bên xử lý tính tốn logic số học, điều khiển, tập ghi Ngồi cịn trình bày cách tổ chức đường liệu, diễn biến trình thi hành lệnh kỹ thuật ống dẫn Như nói trên, giáo trình nhằm giảng dạy cho sinh viên năm thứ kiến thức ñưa ðể hiểu sâu vấn ñề nên xem thêm sách tham khảo cuối giáo trình Mặc dù cố gắng biên soạn cơng phu kỹ lưỡng, nhiên khó tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong đón nhận đóng góp ý kiến Thầy, bạn ñồng nghiệp, bạn sinh viên bạn ñọc nhằm chỉnh sửa giáo trình hồn thiện Cuối xin chân thành cảm ơn góp ý q giá ñồng nghiệp biên soạn giáo trình Vũ ðức Lung http://www.ebook.edu.vn Chương I: Giới thiệu Chương I: Giới thiệu 1.1 Lịch sử phát triển máy tính Trong q trình phát triển cơng nghệ máy tính, người chế tạo hàng ngàn loại máy tính khác Rất nhiều số máy tính bị qn lãng đi, số cịn ñược nhắc lại cho ñến ngày ðó máy tính với ý tưởng thiết kế nguyên lý hoạt ñộng ñộc ñáo tạo nên tầm ảnh hưởng lớn đến máy tính hệ sau ðể giúp sinh viên có khái niệm máy tính hiểu rõ cách mà người ñã phát minh máy tính đại, dễ sử dụng ngày nay, phần trình bày chi tiết quan trọng lịch sử q trình phát triển máy tính Máy tính thường phân loại thành hệ dựa tảng cơng nghệ phần cứng sử dụng trình chế tạo Lịch sử phát triển máy tính chia thành hệ máy tính sau: 1.1.1 Thế hệ zero –máy tính học (1642-1945) Mốc lịch sử máy tính phải nhắc đến ñầu tiên nhà bác học người Pháp Blez Pascal (1626-1662) vào năm 1642 ñã phát minh máy tính tốn – máy tính học với bánh quay dẫn ñộng tay Máy ơng cho phép thực phép tính cộng trừ Sau 30 năm, vào năm 1672 nhà bác học khác, Gotfrid Vilgelm Leibnits ñã chế tạo máy tính với phép tính (+ * /) sử dụng 12 bánh quay Từ sinh viên hết đời, ơng nghiên cứu tính chất hệ nhị phân người ñã ñưa nguyên lý khái niệm cho hệ nhị http://www.ebook.edu.vn Chương I: Giới thiệu phân ñược dùng ngày máy tính điện tử Năm 1834 giáo sư tốn học trường ðH Cambridge (Anh), Charles Babbage (người phát minh ñồng hồ công tơ mét) ñã thiết kế máy tính với phép tính + – có cấu trúc đáng để ý thời – máy tính có phận: - nhớ, - tính tốn, - thiết bị nhập để đọc phiếu ñục lỗ, - thiết bị xuất ñể khoan lỗ lên đồng Chính ý tưởng ơng tiền đề cho máy tính đại sau ðể máy tính hoạt động cần phải có chương trình, ơng th Ada làm chương trình cho máy tính Cơ Ada lập trình viên để tưởng nhớ tới ta sau Ada đặt tên cho ngơn ngữ lập trình Tuy nhiên máy tính khơng hoạt động địi hỏi q phức tạp thời người kỹ thuật chưa cho phép Năm 1936 К Zus (người ðức) ñã thiết kế vài máy ñếm tự ñộng sở rơle (relay) Tuy nhiên ơng khơng biết máy tính Babbage máy tính ơng bị phá hủy trận bom vào Berlin chiến tranh giới lần thứ - 1944 Vì phát minh ơng ta khơng ảnh hưởng đến phát triển kỹ thuật máy tính sau Năm 1944 G Iken (thuộc ðH Havard Mỹ) ñã ñọc cơng trình Babbage ơng cho đời Mark I sau Mark II Máy Mark I đời với mục đích phục vụ chiến tranh Nó nặng tấn, cao 2.4 m, dài 15 m, chứa 800 km dây ñiện Tuy nhiên vào thời điểm máy tính relay qua thời bắt đầu kỷ ngun máy tính điện tử 1.1.2 Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) Chiến tranh giới thứ bắt ñầu vào ñầu thời kỳ chiến tranh tàu ngầm ðức ñã phá hủy nhiều tàu Anh, nhờ http://www.ebook.edu.vn Chương I: Giới thiệu tín hiệu mã hóa chuyền thiết bị ENIGMA mà qn đội Anh khơng thể giải mã ðể giải mã địi hỏi số lượng tính tốn lớn nhiều thời gian, chiến tranh khơng cho phép chờ đợi Vì phủ Anh cho thành lập phịng thí nghiệm bí mật nhằm chế tạo máy tính điện phục vụ cho việc giải mã thơng tin Năm 1943 máy tính COLOSSUS đời với 2000 đèn chân khơng giữ bí mật suốt 30 năm khơng thể trở thành sở cho phát triển máy tính Một người sáng lập COLOSSUS nhà toán học tiếng Alain Turing Trong hình 1.1 chân dung Alain Turing bóng đèn chân khơng Bóng đèn chân khơng Hình 1.1 Alain Turing với bóng đèn chân khơng Chiến tranh giới có ảnh hưởng lớn đến phát triển kỹ thuật máy tính Mỹ Qn đội Mỹ cần bảng tính tốn cho pháo binh hàng trăm phụ nữ ñã ñược th cho việc tính tốn máy tính tay (người ta cho phụ nữ tính tốn cẩn thận nam giới) Tuy nhiên q trình tính tốn địi hỏi thời gian lâu nhằm ñáp ứng yêu cầu BRL (Ballistics Research Laboratory – Phịng nghiên cứu đạn đạo qn đội Mỹ) việc tính tốn xác nhanh chóng bảng số liệu đạn đạo cho loại vũ khí mới, dự án chế tạo máy ENIAC ñã ñược bắt ñầu vào năm 1943 http://www.ebook.edu.vn Chương I: Giới thiệu Máy ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), John Mauchly John Presper Eckert (ñại học Pensylvania, Mỹ) thiết kế chế tạo, máy số hố điện tử đa giới (hình 1.2) Số liệu kỹ thuật: ENIAC máy khổng lồ với 18000 bóng đèn chân khơng, nặng 30 tấn, tiêu thụ lượng ñiện vào khoảng 140kW chiếm diện tích xấp xỉ 1393 m2 Mặc dù vậy, làm việc nhanh nhiều so với loại máy tính điện thời với khả thực 5000 phép cộng giây ñồng hồ Hình 1.2 Máy tính ENIAC ðiểm khác biệt ENIAC & máy tính khác: ENIAC sử dụng hệ đếm thập phân nhị phân tất máy tính khác Với ENIAC, số ñược biểu diễn dạng thập phân việc tính http://www.ebook.edu.vn Chương I: Giới thiệu tốn thực hệ thập phân Bộ nhớ máy gồm 20 "bộ tích lũy", có khả lưu giữ số thập phân có 10 chữ số Mỗi chữ số thể vịng gồm 10 đèn chân khơng, thời điểm, có đèn trạng thái bật để thể mười chữ số từ ñến hệ thập phân Việc lập trình ENIAC cơng việc vất vả phải thực nối dây tay qua việc đóng/mở cơng tắc cắm vào rút dây cáp ñiện Hoạt ñộng thực tế: Máy ENIAC bắt ñầu hoạt ñộng vào tháng 11/1945 với nhiệm vụ khơng phải tính tốn đạn đạo (vì chiến tranh giới lần thứ hai ñã kết thúc) mà ñể thực tính tốn phức tạp dùng việc xác định tính khả thi bom H Việc sử dụng máy vào mục đích khác với mục đích chế tạo ban đầu cho thấy tính đa ENIAC Máy tiếp tục hoạt ñộng quản lý BRL cho ñến ñược tháo rời vào năm 1955 Với đời thành cơng máy ENIAC, năm 1946 ñược xem năm mở ñầu cho kỷ ngun máy tính điện tử, kết thúc nỗ lực nghiên cứu nhà khoa học ñã kéo dài nhiều năm liền trước Máy tính Von Neumann Như đề cập trên, việc lập trình máy ENIAC công việc tẻ nhạt tốn nhiều thời gian Cơng việc có lẽ đơn giản chương trình biểu diễn dạng thích hợp cho việc lưu trữ nhớ với liệu cần xử lý Khi máy tính cần lấy thị cách đọc từ nhớ, ngồi chương trình thiết lập hay thay đổi thơng qua chỉnh sửa giá trị lưu phần ñó nhớ Ý tưởng này, ñược biết ñến với tên gọi "khái niệm chương trình lưu trữ", nhà tốn học John von Neumann (Hình http://www.ebook.edu.vn Chương I: Giới thiệu 1.3), cố vấn dự án ENIAC, ñưa ngày 8/11/1945, ñề xuất loại máy tính có tên gọi EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer – Ekert Moyshly ñã bắt ñầu làm ngừng lại ñi thành lập cơng ty, sau Unisys Corporation) Máy tính cho phép nhiều thuật tốn khác tiến hành máy tính mà khơng cần phải nối dây lại máy ENIAC John von Neumann Hình 1.3 Von Neumann với máy tính EDVAC Máy IAS Tiếp tục với ý tưởng mình, vào năm 1946, von Neuman ñồng nghiệp bắt tay vào thiết kế máy tính có chương trình lưu trữ với tên gọi IAS (Institute for Advanced Studies) học viện nghiên cứu cao cấp Princeton, Mỹ Mặc dù ñến năm 1952 máy IAS hồn tất, mơ hình cho tất máy tính đa sau Cấu trúc tổng quát máy IAS, minh họa hình 1.4, gồm có: http://www.ebook.edu.vn Chương I: Giới thiệu Một nhớ để lưu trữ liệu chương trình Một đơn vị số học – luận lý (ALU – Arithmetic and Logic Unit) có khả thao tác liệu nhị phân Một đơn vị điều khiển có nhiệm vụ thơng dịch thị nhớ làm cho chúng ñược thực thi Thiết bị nhập/xuất ñược vận hành đơn vị điều khiển Hầu hết máy tính có chung cấu trúc chức tổng qt Do chúng cịn có tên gọi chung máy von Neumann Hình 1.4 Cấu trúc máy IAS 1.1.3 Thế hệ II – transistor (1955-1965) Sự thay ñổi ñầu tiên lĩnh vực máy tính điện tử xuất có thay ñèn chân không ñèn bán dẫn ðèn bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn, tỏa nhiệt sử dụng theo cách thức đèn chân khơng để tạo nên máy tính Khơng đèn chân khơng vốn địi hỏi phải có dây, có bảng kim loại, có bao thủy tinh chân khơng, đèn bán dẫn thiết bị trạng thái rắn chế tạo từ silicon có nhiều cát tự nhiên ðèn bán dẫn phát minh lớn phịng thí nghiệm Bell Labs năm 1947 Bardeen, Brattain Shockley Nó tạo cách mạng ñiện tử năm 50 kỷ http://www.ebook.edu.vn Chương I: Giới thiệu Thông số Model Model Model 50 30 40 Tốc ñộ so sánh 3.5 10 chúng Thời gian chu kỳ, 1000 625 500 nano giây Dung lượng nhớ 64 256 256 tối ña, Kbyte Số byte lấy từ nhớ chu kỳ Số kênh liệu tối 3 đa Bảng 1.1 Các thơng số họ IBM - 360 Model 60 21 250 512 16 Một số cột mốc ñáng ý giai đoạn là: 1975 máy tính cá nhân ñầu tiên (Portable computer) IBM 5100 (hình 1.7) ñời, nhiên máy tính khơng gặt hái thành cơng Những thơng số sau: - Bộ nhớ dùng băng từ - Nặng 23 Kg - Có giá 10000$ - Khả lập trình Basic - Màn hình 16 dịng, 64 ký tự - Bộ nhớ