Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) là một khái niệm trừu tượng của một hệ thống tính toán dưới quan điểm của người lập trình hoặc người viết chương trình dịcch. Nói cách khác, kiến trúc máy tính được xem xét theo khía cạnh mà người lập trình có thể can thiệp vào mọi mức đặc quyền, bao gồm các thanh ghi, ô nhớ các ngắt ... có thể được thâm nhập thông qua các lệnh.
Bài giảng mơn Cấu Trúc Máy Tính Chương 1: Giới thiệu chung kiến trúc máy tính 1.1 Khái niệm kiến trúc máy tính: Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) khái niệm trừu tượng hệ thống tính tốn quan điểm người lập trình người viết chương trình dịcch Nói cách khác, kiến trúc máy tính xem xét theo khía cạnh mà người lập trình can thiệp vào mức đặc quyền, bao gồm ghi, ô nhớ ngắt thâm nhập thơng qua lệnh 1.2 Lịch sử phát triển máy tính: Trước máy tính điện tử đời, cơng cụ tính tốn người ngón tay, hịn sỏi, tính gảy ngón tay, máy cộng khí, máy tính khí Kể từ đời, máy tính điện tử cách mạng chuyển kỹ thuật tính tốn sang giai đoạn mới, giai đoạn bán tự động tự động hoá Con người lệnh cho máy vi tính làm cơng việc thay Ban đầu, máy tính đơn để tsnh toán, gõ văn bản, sau đến tiện ích khác xem phim, nghe nhạc, chơi điện tử, xử lý đồ hoạ, kết nối mạng Để có thành ngày hơm nay, máy tính điện tử trải qua nhiều chặng đường phát triển khác Sau tìm hiểu cụ thể thời kỳ - Từ năm 1943 đến năm 1955: + Các máy tính chế tạo từ bóng đèn điện tử chân không, tiêu thụ điện lớn Tốc độ tính tốn vài nghìn phép tính giây Ngơn ngữ lập trình ngơn ngữ ký hiệu, ngơn ngữ máy + ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) máy tính điện tử số Giáo sư Mauchly người học trò Eckert Đại học Pennsylvania thiết kế vào năm 1943 hoàn thành vào năm 1946 BRL (Ballistics Research Laboratory – Phòng nghiên cứu đạn đạo quân đội Mỹ) dùng cho việc tính tốn xác nhanh chóng bảng số liệu đạn đạo cho loại vũ khí Đây máy tính khổng lồ với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét rộng vài mét ENIAC bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự động, cân nặng 30 tiêu thụ 140KW Nó có 20 ghi 10 bit (tính tốn số thập phân) Có khả thực 5.000 phép tốn cộng giây Cơng việc lập trình tay cách đấu nối đầu cắm điện dùng ngắt điện + IAS (Institute for Advanced Studies) giáo sư toán học John Von Neumann (cố vấn dự án ENIAC) đưa ý tưởng thiết kế máy tính 1947 hồn thành 1952 học viện nghiên cứu cao cấp Princeton Mỹ Chương trình lưu nhớ, điều khiển lấy lệnh biến đổi giá trị liệu phần nhớ, làm toán luận lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) điều khiển để tính tốn liệu nhị phân, điều khiển hoạt động thiết bị vào Đây ý tưởng tảng cho máy tính đại ngày Máy tính cịn gọi máy tính Von Neumann + Vào năm đầu thập niên 50, máy tính thương mại đưa thị trường: hệ máy UNIVAC (Universal Automatic Computer) phiên I, II hệ máy IBM (International Business Machine) 701, 702 - Từ năm 1956 đến năm 1965: Trang Bài giảng mơn Cấu Trúc Máy Tính + Các máy tính sử dụng bóng đèn điện tử chân khơng có nhược điểm tốc độ tính tốn chậm, nhiệt lượng toả lớn kích thước cồng kềnh Để khắc phục nhược điểm này, máy tính chế tạo từ chất bán dẫn, tiêu thụ điện Ý tưởng dùng chất bán dẫn Bardeen, Brattain, Shockley phịng thí nghiệm Bell Labs phát minh giải Nobel vật lý năm 1956 Tốc độ tính tốn hàng vạn phép tính giây Được trang bị nhớ lớn, thiết bị ngoại vi bắt đầu phát triển hình trắng đen, bàn phím + Máy tính PDP-1 DEC (Digital Equipment Corporation) IBM 7094 máy tính nhỏ gọn tiêu biểu cho thời kỳ + Ngôn ngữ cấp cao xuất (như FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) hệ điều hành kiểu (Batch Processing) dùng Trong hệ điều hành này, chương trình người dùng thứ chạy, xong đến chương trình người dùng thứ hai tiếp tục - Từ năm từ năm 1966 đến năm 1975: + Công nghệ bán dẫn đời bước nhảy vọt, khắc phục hạn chế bóng đèn điện tử chân không thoả mãn địi hỏi lúc Tuy nhiên sau q trình phát triển dần bộc lộ mặt yếu Ví dụ cần đáp ứng máy tính có tốc độ cao hơn, khả tính tốn lớn ứng dụng đa dạng kích thước tăng lên giá thành cao Chính mà công nghệ đời khắc phục nhược điểm trên, cơng nghệ vi mạch hay gọi IC (Integrated Circuit) Jack Kilby Robert Noyce đề xuất từ năm 1958 Các máy tính chế tạo từ mạch IC có tốc độ tính tốn hàng triệu phép tính giây, có hình đồ hoạ màu + IBM360 họ máy tính cơng nghiệp sản xuất cách có kế hoạch Đặc biệt khái niệm họ máy tính bao gồm máy tính tương thích khái niệm thành công Nhờ mà chương trình viết cho máy dùng máy khác họ với Khái niệm dùng ngày + PDP-8 sử dụng cấu trúc phổ dụng cho máy mini vi tính cấu trúc đường truyền Đường truyền PDP-8, gọi Omnibus, gồm 96 đường tín hiệu riêng biệt, sử dụng để mang chuyển tín hiệu điều khiển, địa liệu + Năm 1971 đánh dấu đời vi xử lý Intel 4004, có 4bit Bus liệu 12bit Bus địa chỉ, tích hợp từ mạch IC đóng chip nhỏ Chiếc máy tính điện tử sử dụng vi xử lý gọi máy vi tính Tốc độ từ hàng triệu đến vài trục triệu phép tính dây + Vào thời điểm này, ngôn ngữ lập trình hệ điệu hành phát triển mạnh đặc biệt phần mềm ứng dụng ngày phong phú - Từ năm 1976 đến năm 1980: + Công nghệ IC không ngừng phát triển, vi mạch ngày cấy nhiều linh kiện hơn, kích thước ngày nhỏ gọn hơn, tốc độ xử lý cao Đặc biệt nhiều IC công suất lớn đời sở để vi xử lý 8080, 8085 Intel đời Các vi xử lý có 8bit Bus liệu 16bit Bus địa chỉ, nâng tốc độ xử lý lên tới hàng trăm triệu phép tính giây + Năm 1980 đánh dấu đời máy vi tính cá nhân IBM sử dụng vi xử lý Intel 8086 có 16bit Bus liệu 20bit Bus địa chỉ, tăng khả xử lý lên tới vài trăm triệu phép tính giây, có khả quản lý nhớ lên tới 1MB Hệ điều Trang Bài giảng mơn Cấu Trúc Máy Tính hành bắt đầu phát triển mạnh DOS Microsoft, ngồi cịn có ngơn ngữ trí tuệ nhân tạo Prolog (Programming Logic) - Từ năm 1981 đến năm 1983: + Ra đời máy vi tính cá nhân PC XT IBM sử dụng vi xử lý 8088 Intel có 8bit Bus liệu 20 bit Bus địa Đến đây, nhìn gốc độ kỹ thuật ta thấy máy vi tính PC XT bước thụt lùi cơng nghệ, năm 80 đời máy vi tính cá nhân sử dụng xử lý 8086 có 16bit Bus liệu 20 bit Bus địa Tuy nhiên lý đời PC XT lại yếu tố thương mại, lúc thị trường xuất đa số vi xử lý 8bit, vi xử lý 8086 vi xử lý 16bit khơng tương thích với hệ thống máy vi tính cũ giá thành cao Vì hãng Intel tung thị trường vi xử lý 8088 cấu trúc bên vi mạch vi xử lý 8086 Vi xử lý 8088 giao tiếp với thiết bị khác qua Bus 8bit, giá rẻ vi xử lý 8086 ví xử lý dọn đường cho cơng nghệ 16 bit sau + PC XT máy vi tính trang bị ổ cứng, có đĩa mềm 360KB nhớ lên tới 256KB, có khe cắm mở rộng ISA (Industry Standard Architecture) 8bit tăng khả kết nối thành phần ngoại vi - Từ năm 1984 đến năm 1987: + Ra đời máy vi tính cá nhân PC AT IBM sử dụng vi xử lý 80286 Intel có 16bit Bus liệu 24bit Bus địa chỉ, nâng khả quản lý nhớ lên tới 16MB Ngoài khả hoạt động chế độ thực máy vi tính trước PC AT cịn có thêm khả hoạt động chế độ đa nhiệm, khe cắm ISA mở rộng thành khe cắm chuẩn 16bit + Tốc độ hoạt động PC AT từ 6-8Mhz, giao diện đồ hoạ bắt đầu phát triển, chuột máy vi tính xuất cơng cụ hữu ích cho đồ hoạ Hệ điều hành DOS không ngừng phát triển, đặc biệt xuất hệ điều hành đa chương trình Window1.0 giúp cho giao tiếp người sử dụng máy vi tính dễ dàng - Từ năm 1988 đến năm 1989: Ra đời máy vi tính sử dụng vi xử lý 80386 Intel có 32bit Bus liệu 32bit Bus địa chỉ, nâng khả quản lý nhớ lên tới 4GB Tốc độ xử lý 33Mhz, trang bị khe cắm mở rộng 32bit EISA (Extended Industry Standard Architecture), có nhiều thiết bị ngoại vi phục vụ cho nhu cầu giải trí, xem phim, nghe nhạc, trò chơi, đồ hoạ nhiên chất lượng chưa cao - Từ năm 1990 đến năm 1992: + Ra đời máy vi tính sử dụng vi xử lý 80486 có 32bit Bus liệu 32bit Bus địa vi xử lý 80386, nhiên bổ sung thêm 8KB nhớ đệm mã lệnh tốc độ nhanh nhiều so với vi xử lý 80386 Tốc độ lên tới 66Mhz + Máy vi tính hệ trang bị Bus cục VESA (Video Electronics Standard Asociation) đáp ứng nhu cầu tốc độ độ phân giải Card Video, truyền liệu máy vi tính thơng qua mạng Hệ điều hành cải tiến nhiều hơn, đặc biệt đa phương tiện Windows 3.0 - Từ năm 1993 đến 1994: + Đánh dấu đời máy vi tính sử dụng vi xử lý 80586 (hay gọi Pentium) Nó mở hệ máy vi tính hoạt động với 64bit Bus liệu 32bit Bus địa chỉ, có 8KB nhớ đệm cho mã lệnh 8KB nhớ đệm cho liệu Tốc độ hoạt động lên tới 200Mhz Trang Bài giảng mơn Cấu Trúc Máy Tính + Máy vi tính hệ trang bị Bus 32bit PCI (Peripheral Compoments Interconnect - Bus kết nối thành phần ngoại vi), có tốc truyền gấp lần Bus ISA Bus hỗ trợ chức “cắm chạy” (Plug and Play) + Đặc biệt xuất hệ điều hành Windows NT hệ điều hành tách rời khỏi DOS, có nhiều tính bảo mật quản trị mạng cao Tuy nhiên kích cỡ tương đối lớn, địi hỏi cấu hình cao nên chủ ớêu phục vụ cho máy chủ trạm làm việc - Từ năm 1995 đến năm 1999: + Lần lượt đời hệ máy vi tính Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium II Pentium MMX (Multimendia Extension) hệ máy vi tính nhắm vào thị trường máy vi tính gia đình Nó phát huy mục đích đa phương diện đồ hoạ, chơi Game, xem phim, nghe nhạc Còn Pentium Pro lại nhắm vào thị trường máy chủ trạm làm việc, thích hợp cho việc xử lý cơng việc tính tốn có độ phức tạp cao, đặc biệt lĩnh vực quản trị mạng Pentium II kết hợp hai loại máy vi tính trên, đặc biệt có khả xử lý đồ hoạ 3D nhiều ứng dụng Multimendia + Các loại máy vi tính trang bị Bus đa USB (Universa Serial Bus ) loại Bus có tốc độ nhanh gấp 10 lần tốc độ giao diện song song gấp 100 lần so với giao diện Đặc biệt Bus có khả kết nối 127 thiết bị ngoại vi thông qua hệ thống cáp USB + Tốc độ máy vi tính tương đối cao từ 133450MHZ Đặc biệt thời gian đời hệ điều hành Windows 95 hệ điều hành Windows 98 hệ điều hành 32bit với giao diện đẹp, nhiều tính hỗ trợ Multimedia, quản trị mạng v Internet - T năm 1999: Xut hin Pentium III đánh dấu bước ngoặt lớn, hỗ trợ mạnh khả biểu diễn không gian chiều, khả nhận biết tổng hợp tiếng nói đặc biệt làm nhiều cơng việc lúc Tính phong phú đa dạng vừa giải toán phức tạp, vừa nghe nhạc, xem phim, xem tivi, chơi Game tốc độ cao, truy cập Web Tốc độ máy vi tính Pentium tương đối cao từ 4501,2 Ghz - T năm 2000 đến nay: Ngoi s phỏt triển rầm rộ không ngừng Pentium III, đầu năm 2000 xuất Pentium IV với tốc độ chóng mặt từ 1,44,4 Ghz Đây loại máy vi tính sử dụng cho nhà chuyên nghiệp xử lý phim ảnh, thiết kế đồ hoạ, công nghệ số, quản trị mạng… Nó thực trở thành cánh tay đắc lực thiếu người sử dụng Cũng năm 2000 hãng Microsofl cho đời hệ điều hành Windows 2000, hệ điều hành hỗ trợ tốt cho Pentium IV Điểm bật khả bảo mật cao, hỗ trợ tốt công nghệ siêu phân luồng Pentium IV 1.3 Phân loại máy tính: Dựa vào kích thước vật lý, hiệu suất lĩnh vực sử dụng, người ta phân loại máy tính sau: - Phân loại máy tính truyền thống: + Máy tính lớn (Mainframe Computer) + Máy tính nhỏ (Minicomputer) + Máy vi tính (Microcomputer/Personal Computer): Desktop Computer Laptop Computer Trang Bài giảng mơn Cấu Trúc Máy Tính + Máy tính cầm tay (Handheld Computer) + Máy điều khiển (Micro-Controller) - Phân loại máy tính đại: + Máy tính để bàn (Desktop Computer) + Máy chủ (Server) + Máy tính nhúng (Embedded Computer) Dựa vào kiến trúc máy tính người ta phân loại máy tính loại sau: - Kiến đơn lệnh trúc dòng đơn liêu (Single Instruction Single Data - SISD): - Kiến trúc đơn dòng lệnh liệu (Single Instruction Multiple Data - CIMD): Trang Bài giảng môn Cấu Trúc Máy Tính - Kiến trúc đa dịng lệnh đa liệu (Multiple Instruction Multiple Data - MIMD): 1.4 Chức máy tính: - Nhận thơng tin (Receive Input): thu nhận thơng tin từ bên ngồi chuyển đổi thông tin sang dạng biểu diễn lưu trữ máy tính Thiết bị để đáp ứng thao tác gọi thiết bị nhập (Input Device) thiêt bị như: bàn phím, chuột… - Xử lý thơng tin (Process Information): thực tính tốn biến đổi thông tin từ dạng ban đầu thành thông tin kết Thông qua thiết bị xử lý hay gọi xử lý trung tâm (Central Processing Unit), thơng tin xử lý tính tốn đồng thời điều hành hoạt động máy tính - Xuất thơng tin kết (Produce Output): đưa thông tin sau xử lý giới bên đáp ứng yêu cầu người sử dụng Thiết bị để đáp ứng chức gọi thiết bị xuất (Output Device) thiêt bị như: hình, máy in, máy chiếu… - Lưu trữ thông tin (Store Information): ghi nhớ thông tin tức thời lâu dài để xử lý Thiết bị để đáp ứng thao tác gọi thiết bị lưu trữ (Storage Device), thiêt bị lưu trữ tức thời nhớ đáp ứng việc lưu tập lệnh chương trình, thơng tin liệu tính tốn thiết bị lưu trữ lớn lâu dài như: đĩa cứng, đĩa mềm, đĩa quang… 1.5 Cấu trúc tổng quát máy tính: - Phần cứng (Hardware): hiểu đơn giản tất phần hệ máy tính mà thấy sờ + Thiết bị nhập (Input): thiết bị cho phép thông tin hay liệu nhập vào máy tính thơng qua: bàn phím, chuột, máy quét… + Thiết bị xuất (Output): thiết bị cho phép thơng tin hay liệu xuất từ máy tính thơng qua: hình, máy in, máy chiếu, loa… + Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit – CPU): coi não máy tính, thiết bị điều khiển hoạt động máy tính, điều khiển việc thực thi thiết bị, điều khiển việc tính tốn lưu trữ theo yêu cầu chương trình, chia làm loại sau: Khối điều khiển (Control Unit – CU): chịu trách nhiệm điều khiển toàn hoạt động hệ thống thông qua thị chương trình Khối tính tốn số học luân lý (Arithmetic Logic Unit): chịu trách nhiệm thực phép tính số học (cộng, trừ, nhân, chia ), phép tính luân lý (AND, Trang Bài giảng mơn Cấu Trúc Máy Tính OR, NOT, XOR) phép tính quan hệ (so sánh lớn hơn, nhỏ hơn, ) Các ghi (Registers): thiết kế mạch điện tử làm nhiệm vụ nhớ trung gian, nhớ tạm lưu trữ mã lệnh, kết tính tốn tính theo u cầu khối điều khiển Các ghi mang chức chuyên dụng giúp tăng tốc độ trao đổi thông tin máy tính Ngồi ra, CPU cịn gắn với đồng hồ (Clock) hay gọi tạo xung nhịp Tần số đồng hồ cao tốc độ xử lý thông tin nhanh + Bộ nhớ (Memory): thiết bị làm nhiệm vụ lưu trữ tạm thời lâu dài thông tin, thông tin lưu trữ gồm: liệu từ đưa vào, thị chương trình, kết sau xử lý Bộ nhớ trong: Bộ nhớ đọc (Read Only Memory - ROM): loại nhớ đọc thơng tin có sẵn ghi nhà sản xuất, thông tin ROM không bị mất điện Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random Access Memory - RAM): loại nhớ lưu trữ tạm thời thơng tin q trình xử lý, tắt máy, điện khởi động lại thơng tin RAM Dung lượng RAM lớn tốc độ truy xuất máy tính nhanh Bộ nhớ ngồi: thiết bị lưu trữ thơng tin với dung lượng lớn, thông tin không bị khơng có điện Có thể cất giữ di chuyển nhớ ngồi độc lập với máy tính Đĩa mềm (Floppy Disk): loại đĩa đường kính 3.5inch dung lượng 1.44 MB Đĩa cứng (Hard Disk): thiết bị lưu trữ máy tính, có dung lượng từ vài GB đến vài trăm GB lớn Đĩa quang: loại 4.72inch, thiết bị phổ biến dùng để lưu trữ phần mềm mang nhiều thông tin, hình ảnh, âm thường sử dụng phương tiện đa truyền thơng (Multimedia) Có hai loại phổ biến đĩa CD Trang Bài giảng mơn Cấu Trúc Máy Tính (Compact Disk có dung lượng khoảng 700 MB đĩa DVD (Digital Versilite Disk) có dung lượng khoảng 4.7 GB Ngồi cịn có thẻ nhớ (Memory Stick, Compact Flash Card), USB (Universal Serial Bus) Flash Drive có dung lượng phổ biến 32 MB, 64 MB, 128 MB - Phần mềm (Software): chương trình liệu viết sẵn để điều khiển hoạt động máy tính + Chương trình: tập hợp phát biểu viết ngơn ngữ lập trình để điều khiển hoạt động máy tính, thực thi yêu cầu người sử dụng + Phần mềm hệ thống (System Software): gồm có hệ điều hành phần mềm tiện ích đáp ứng việc điều hành hệ thống thực tác vụ hệ thống máy tính + Phần mềm ứng dụng (Application Software): chương trình viết sẵn đáp ứng số cơng việc cụ thể cho người sử dụng máy tính + Ngơn ngữ lập trình: hệ thống kí hiệu tuân theo qui định ngữ pháp, ngữ nghĩa để xây dựng chương trình điều khiển hoạt động máy tính Trang ... năm 1960) hệ điều hành kiểu (Batch Processing) dùng Trong hệ điều hành này, chương trình người dùng thứ chạy, xong đến chương trình người dùng thứ hai tiếp tục - Từ năm từ năm 1966 đến năm 1975:... tính tốn lưu trữ theo u cầu chương trình, chia làm loại sau: Khối điều khiển (Control Unit – CU): chịu trách nhiệm điều khiển toàn hoạt động hệ thống thông qua thị chương trình Khối tính tốn... dung lượng phổ biến 32 MB, 64 MB, 128 MB - Phần mềm (Software): chương trình liệu viết sẵn để điều khiển hoạt động máy tính + Chương trình: tập hợp phát biểu viết ngôn ngữ lập trình để điều khiển