Giáo trình cấu trúc máy tính (ngành quản trị mạng)

UBND TỈNH HẢI PHỊNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHIỆP HẢI PHỊNG GIÁO TRÌNH Mơn học: Cấu trúc máy tính NGHỀ: QUẢN TRỊ MẠNG HẢI PHÒNG TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Chìa khóa để hướng tới xã hội thơng tin phát triển công nghệ thông tin (CNTT), nhiên để phát triển CNTT lâu dài bền vững, đào tạo kiến thức nhất, mà nội dung đào tạo phải trang bị sinh viên kiến thức tảng, sở tạo cho sinh viên phát huy tính sáng tạo, chủ động việc tiếp thu nghiên cứu, ứng dụng CNTT Do đó, trường đào tạo, sinh viên phải trang bị kiến thức tảng CNTT thể thiếu mơn học Cấu trúc máy tính Hiện có nhiều giáo trình cấu trúc máy tính, nhiên hầu hết giáo trình đáp ứng đối tượng sinh viên đại học Giáo trình viết chủ yếu cho đối tượng sinh viên trường dạy nghề Giáo trình cung cấp cho sinh viên kiến thức cấu trúc máy tính, tổ chức hoạt động vi xử lý, thành phần phần hệ thống máy tính biện pháp kĩ thuật Cấu trúc máy tính mơn học sở để sinh viên thực hành bảo trì hệ thống máy tính Giáo trình bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan cấu trúc máy tính Chương 2: Kiến trúc phần mềm xử lý Chương 3: Tổ chức vi xử lý Chương 4: Hệ thống nhớ Chương 5: Thiết bị nhập xuất Chương 6: Các loại bus Chương 7: Ngơn ngữ assembly Trong chương có giới thiệu mục tiêu, nội dung câu hỏi tập Giáo trình xem nguồn tài liệu cung cấp thông tin cho giáo viên giảng dạy, đồng thời tài liệu học tập cho sinh viên Nhân ban biên soạn xin cảm ơn lãnh đạo đồng nghiệp trường Cao đẳng nghề Đà Nẵng tạo điều kiện giúp đỡ, cho ý kiến quý báu trình biên soạn giáo trình Vì thời gian có hạn lần giáo trình soạn thảo nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH 1.Các mốc lịch sử phát triển công nghệ máy tính 2.Thơng tin mã hóa thơng tin 12 2.1 Khái niệm thông tin lượng thông tin 12 2.2 Sự mã hóa thơng tin 14 Đặc điểm hệ máy tính điện tử 22 3.1 Thế hệ thứ nhất: (1945-1955) 22 3.2 Thế hệ thứ hai: (1955-1965) 23 3.3 Thế hệ thứ ba: (1965-1980) 23 3.4 Thế hệ thứ tư: (1980- ) 23 Kiến trúc tổ chức máy tính 24 4.1 Khái niệm kiến trúc máy tính 24 4.2 Khái niệm tổ chức máy tính 25 Các mơ hình kiến trúc máy tính 25 5.1 Mơ hình kiến trúc Von Neumann 26 5.2 Mơ hình kiến trúc Havard 27 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 28 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC TẬP LỆNH CỦA MÁY TÍNH 29 Thành phần máy tính 29 1.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU) 30 1.2 Bộ nhớ máy tính 31 1.3 Hệ thống vào - 33 1.4 Liên kết hệ thống 33 Kiến trúc tập lệnh CISC RISC 35 2.1 Kiến trúc tập lệnh CISC 35 2.2 Kiến trúc tập lệnh RISC 36 Mã lệnh 38 3.1 Khái niệm lệnh máy, mã lệnh 38 3.2 Tập lệnh 39 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 46 CHƯƠNG 3: BỘ XỬ LÝ 47 1.Sơ đồ khối xử lý 47 Đường dẫn liệu 48 2.1 Các thành phần đường dẫn liệu 48 2.2 Nhiệm vụ đường dẫn liệu 49 Bộ điều khiển 50 3.1 Chức điều khiển 50 3.2 Các phương pháp thiết kế điều khiển 51 Tiến trình thực lệnh máy 53 4.1 Đọc lệnh 53 4.2 Giải mã lệnh 54 4.3 Nhận liệu 54 4.4 Thực lệnh 55 4.5 Lưu trữ kết 55 Kỹ thuật ống dẫn lệnh 56 Kỹ thuật siêu ống dẫn lệnh 58 Các chướng ngại ống dẫn lệnh 59 7.1 Chướng ngại cấu trúc 59 7.2 Chướng ngại liệu 59 7.3 Chướng ngại điều khiển 60 Các loại ngắt 62 8.1 Ngắt 62 8.2 Các loại ngắt 62 8.3 Hoạt động ngắt 63 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 64 CHƯƠNG 4: BỘ NHỚ 65 1.Phân loại nhớ 65 1.1 Phân loại nhớ theo phương pháp truy nhập 65 1.2.Phân loại theo đọc ghi nhớ 65 Các loại nhớ bán dẫn 66 2.1.ROM (Read Only Memory) 66 2.2.RAM (Random Access Memory) 67 Hệ thống nhớ phân cấp 70 Kết nối nhớ với xử lý 72 5.Các tổ chức cache 73 5.1 Cache (bộ nhớ đệm nhanh) 73 5.2 Tổ chức cache 74 5.3 Các phương pháp ánh xạ địa 75 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 79 CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ NHỚ NGOÀI 80 1.Các thiết bị nhớ vật liệu từ 80 1.1 Đĩa từ (đĩa cứng, đĩa mềm) 80 1.2 Băng từ 83 2.Thiết bị nhớ quang học 84 2.1 CD-ROM, CD-R/W 85 2.2 DVD-ROM, DVD-R/W 85 2.3 Bluray 86 3.Các loại thẻ nhớ 86 An toàn liệu lưu trữ 87 4.1 RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) 87 4.2 Các loại RAID 88 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 92 CHƯƠNG 6: CÁC LOẠI BUS 93 Định nghĩa bus, bus hệ thống 93 1.1 Định nghĩa bus 93 1.2 Bus hệ thống(System bus) 94 Bus đồng không đồng 94 2.1.Bus đồng 94 2.2 Bus không đồng 94 Hệ thống bus phân cấp 94 3.1 Bus nối xử lý với nhớ 95 3.2 Bus vào – 95 Các loại bus sử dụng hệ thống vi xử lý 97 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 98 CHƯƠNG 7: NGÔN NGỮ ASSEMBLY 99 Tổng quan 99 2.Cấu trúc chương trình 100 2.1 Cấu trúc chương trình hợp ngữ 100 2.2 Cú pháp lệnh hợp ngữ 102 2.3 Các kiểu liệu hợp ngữ 104 Các lệnh điều khiển 107 3.1 Các lệnh 107 3.2 Các lệnh chuyển điều khiển 116 Ngăn xếp thủ tục 120 4.1 Ngăn xếp 120 4.2 Các thủ tục 122 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 MÔN HỌC ĐÀO TẠO CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã mơn học:MH 09 * Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Mơn học Cấu trúc máy tính bố trí học sau mơn học chung, mơn tin học đại cương, tin học văn phòng, kỹ thuật điện-điện tử học với mô đun lắp ráp cài đặt máy tính - Tính chất: Là mơn học kỹ thuật sở thuộc môn học đào tạo nghề - Ý nghĩa vai trị: mơn sở, cung cấp cho sinh viên kiến thức máy tính nghề Quản trị mạng * Mục tiêu mơn học: - Trình bày lịch sử máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính - Mơ tả thành phần kiến trúc máy tính, tập lệnh Các kiểu kiến trúc máy tính: mơ tả kiến trúc, kiểu định vị - Trình bày cấu trúc xử lý trung tâm: tổ chức, chức nguyên lý hoạt động phận bên xử lý - Mô tả diễn tiến thi hành lệnh mã máy số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng - Trình bày chức nguyên lý hoạt động loại nhớ - Trình bày phương pháp lưu trữ liệu nhớ - Cài đặt chương trình lệnh điều khiển Assembly để thực toán theo yêu cầu - Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an toàn cho người phương tiện học tập Nội dung mơn học (danh sách chương mục ): Số TT Tên chương Tổng quan kiến trúc máy tính Kiến trúc tập lệnh máy tính Bộ xử lý Bộ nhớ Thiết bị nhớ Các loại bus Ngôn ngữ Assembly Cộng Thời gian Tổng Lý Thực số thuyết hành Kiểm tra* 10 5 13 4 13 15 10 20 90 5 10 45 10 41 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã chương:MH09-01 Mục tiêu: - Trình bày lịch sử phát triển máy tính, thành tựu máy tính; Trình bày khái niệm thơng tin; Mơ tả kiến trúc máy tính; Biến đổi hệ thống số, bảng mã thông dụng dùng để biểu diễn ký tự 1.Các mốc lịch sử phát triển cơng nghệ máy tính Mục tiêu: Trình bày lịch sử phát triển máy tính, thành tựu máy tính 30 năm trước, 5150 đời phá vỡ quan điểm trước máy tính Lần đầu tiên, máy tính nhìn nhận thiết bị có kích thước vừa phải, hợp túi tiền công chúng ý nhiều Hình 1.1: 1982: Franklin Ace 100 Đây máy tính gây vụ kiện quyền phần mềm lịch sử Acer bị Apple kiện vi phạm nhãn hiệu hàng hóa chép phần cứng phần mềm máy tính Apple II cho Franklin Ace 100 Trong vụ kiện này, phần thắng thuộc Apple 1982: Commodore 64 Có thể coi Commodore máy tính dành cho hộ gia đình tiếng Từ năm 1982 tới năm 1993, gần 30 triệu máy Commodore 64 bán toàn giới XT nâng cấp máy tính cá nhân 5150 IBM XT có ổ cứng 10 MB Sản phẩm IBM sau nhanh chóng trở thành máy tính tiêu chuẩn Hình 1.2: 1983: Apple Lisa Lisa máy tính tiêu dùng có giao diện đồ họa Tuy nhiên, giá 10.000 USD trở thành rào cản đưa sản phẩm đến với người tiêu dù 114 Chức : Dùng để cộng khơng nhớ tốn hạng Dest toán hạng Source , kết lưu vào toán hạng Dest Lệnh ảnh hưởng đến cờ : SF, CF , OF , AF, PF, ZF 3.1.2.1.2 Lệnh ADC ( Addition With Carry ) Cú pháp : ADC < Dest > , < Source > < Dest > = < Dest > + < Source > + CF Tương tự lênh ADD , lệnh ADC thực phép cộng có nhớ Lệnh ADC lấy tốn hạng < Dest > + < Source> + cờ CF, kết lưu vào toán hạng Dest , lệnh thường dùng cho phép cộng lớn 16 bít 3.1.2.1.3 Lệnh INC : ( Increment ) Cú pháp : INC < Dest > < Dest > = < Dest > + Dest : Có thể ghi hay nhớ Lệnh ảnh hưởng đến cờ : OF , ZF , PF , AF , SF Ví dụ : Cho hai số A, B dạng double word chứa hai số ngun khơng dấu , Viết chương trình cộng hai số A , B Kết đưa vào biến C , có sử lý trường hợp tràn số Code SEGMENT ASSUME CS : Code , DS : Code ORG 100h Begin : MOV AX , Word PTR A MOV BX , Word PTR A+2 ADD AX , Word PTR B ADC BX , Word B+2 MOV Word PTR C+2 , Int 20h A DD 7000F000h BDD 90002000h CDB Dup( ) 115 Code ENDS END Begin 3.1.2.2 Nhóm lệnh xử lý phép trừ 3.1.2.2.1 Lệnh SUB ( Subtract) * Cú pháp: SUB < dest>, < Dest >= - Source :có thể ghi hay nhớ Lệnh source lấy nội dung toán hạng dest trừ toán hạng source kết lưu vào dest Ví dụ : Mov AX , 1234h Sub AX , 0345h; AX = 1234h - 0345h Lệnh Sub ảnh hưởng đến sáu cờ 0F , CF , AF , PF , SF ,ZF 3.1.2.2.2 Lệnh SBB ( Subtract with Borrow) * Cú pháp: SBB < dest > , < source > < Dest > = < Dest > - < Source > - CF Lệnh SBB lấy toán hạng < Dest > - < Source > trừ thêm cờ CF , kết lưu vào toán hạng Dest * Cú pháp:DEC < Dest > < Dest > = < Dest > -1 Lệnh Dest lệnh giảm đơn vị Lệnh ảnh hưởng đến Cờ Cờ CF không ảnh hưởng tới Lưu ý : Lệnh SBB sử dụng cho trường hợp số lớn 16 bít Ví dụ : Viết chương trình trừ số :A=70002000h , B=90003000h,kết lưu vào nhớ C = Byte Nếu byte cao C =1 kết số âm , ngược lại số dương Code Segment 116 Assume CS :Code ORG 100h Begin: Mov AX , Word PTR Mov BX , Word A PTR A+2 SUB AX , Word PTR B SUB BX , Word PTR B+2 Mov Word PTR C , AX Mov Word PTR C+2 , BX ADC Word PTR C +4 Int 20h A DB 70002000h B DB 90003000h C DB Dup ( ? ) Code Ends End Begin 3.1.2.3 Nhóm lệnh xử lý phép nhân Lệnh MUL ( Multiply) * Cú pháp: MUL < Source> < Source> ghi hay nhớ bít hay 16 bít Trường hợp : Nếu < Source > có độ dài bít lệnh MUL lấy nội dung ghi AL nhân với source, kết lưu vào ghi AX Trường hợp 2: Nếu source có độ dài 16 bít lệnh MUL lấy nội dung ghi AX nhân với sourrce , kết 32 bít :16 bít thấp lưu vào AX, 16 bit cao lưu vào DX Ví dụ : Mov AL , 12h Mov BL , 10h MUL BL ; BL = 120h , AX = 0120h Mov AX ,1234h Mov BX , 100h 117 MUL BX 3.1.2.4 Nhóm lệnh xử lý phép chia Lệnh DIV * Cú pháp:DIV < Source > Tương tự phép nhân < source > có trường hợp Trường hợp 1:Nếu source có độ dài bít lệnh DIV lấy nội dung ghi AX chia cho source , thương số phép chia lưu ghi AL dư số lưu AH Trường hợp :Nếu source 16 bít lệnh DIV lấy nội dung cặp ghi DX : AX chia cho toán hạng source , thương số lưu AX , dư số lưu DX Ví dụ : Mov AX , 0234h Mov BL , 10h DIV BL ; AL = 23h , AH = 04h Mov AX , 1234h Mov DX , 0567h Mov BX , 100h DIV BX ; AX = 567h , DX = 0234h Ghi : Muốn in số >= kí số chia liên tiếp số cho 10 đến thương số = Sau phép chia cất dư số vào stack , sau thương số = muốn in ta lấy gía trị đỉnh Stack đưa hình 3.2 Các lệnh chuyển điều khiển 3.2.1 So sánh * Cú pháp: CMP < Left >, < Right > Left : Là ghi hay nhớ Right : Là ghi hay nhớ hay trực Ví dụ : CMP AL,0Dh 118 * Cơng dụng : Dùng để so sánh tốn hạng Left toán hạng Right Lệnh Assemble lấy toán hạng Left trừ toán hạng Right kết lưu cờ mà không thay đổi nội dung hai toán hạng Kết phép so sánh : a) Đối với số không dấu : CỜ ZF CF Left > Right Left = Right Left < Right 0 0 b) Đối Với Số Có Dấu : CỜ ZF OF SF Left > Right Left = Right Left < Right 0/1 0 /0 0/1 0/1 Ví dụ : Mov AX , 6000h CMP AX , -7000h 6000h - ( -7000h ) 3.2.2 Lệnh lặp Lệnh Loop : * Cú pháp : Loop 119 * Cơng dụng : Dùng để lặp vịng Nếu ghi CX khác lệnh Loop chuyển điều khiển đến lệnh kế sau nhãn gỉam ghi CX đơn vị Nếu CX=0 lệnh nằm phía sau lệnh Loop thực thi Ví dụ : Mov AH , 01h Mov CX , Lặp : Loop lặp Nhóm Lệnh Lặp Có Điều Kiện : a LoopE / LoopZ Lặp CX khác ZF = b LoopNE / LoopNZ < Nhãn > Lặp CX khác ZF = Ví dụ : Viết chương trình nhập từ bàn phím chuỗi tối đa 80 kí tự Sau tìm kí tự chữ 'a' chuỗi vừa nhập vào , in kết Code SEGMENT ASSUME CS : Code , DS : Code ORG 100h Begin : Mov AH , 09h Mov DX , Offset mess1 Int 21h Mov DX , Offset Maxtype Mov AH , 0Ah Int 21h Mov BX , Offset Len Mov CL,[BX] Mov CH,0 Mov BX , Offset Buffer - 120 Mov AL , 'a' Lặp: INC BX CMP AL,[BX] JE thấy JMP không thấy Thấy: Mov AH , 09h Mov DX , Offset mess2 Int 21h JMP thoat Không thấy : Mov AH , 09h Mov DX , Offset mess3 Int 21h thoat : Int 20h mess3 DB ' Khơng tìm thấy $' mess2 DB ' Đã tìm thấy $' mess1 DB ' Nhập chuỗi (< 80 ) kí tự ' Maxtype DB 81 Len DB Buffer DB 81 Dup( ? ) Code ENDS END Begin 3.2.3 Lệnh nhảy 3.2.3.1 Lệnh nhảy không điều kiện Cú pháp : JMP < Nhãn > 121 3.2.3.2 Lệnh nhảy có điều kiện a) Nhóm Lệnh Nhảy Dùng Cho Số Khơng Dấu LỆNH JA (>) JAE (>=) JNA (=) JNG (Z) khơng có khỏang trắng Bài : Viết chương trình hiển thị hình chuỗi '012345678' Bài 8:Viết chương trình hiển thị hình hình vng gồm kí tự ' * ' bên Bài :Viết chương trình nhập vào số cho biết số trước lớn hớn , nhỏ hay số sau 127 Bài 10 :Viết chương trình nhập vào chuỗi (