Giáo trình Cấu trúc máy tính - Nghề: Quản trị mạng - CĐ Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa-Vũng Tàu

(NB) Mục tiêu của môn học là cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ sở của cấu trúc máy tính, bao gồm bao gồm cấu trúc máy tính tổng quát, cấu trúc bộ xử lý trung tâm và các thành phần của bộ xử lý trung tâm, cấu trúc tập lệnh máy tính, cơ chế ống lệnh; hệ thống phân cấp của bộ nhớ, bộ nhớ trong, bộ nhớ cache và các loại bộ nhớ ngoài; hệ thống bus và các thiết bị vào ra.

Y BAN NHÂN DÂN T NH BR – VT

TRƯỜNG CAO Đ NG NGHẲ Ề

GIÁO TRÌNHMÔN H C: C U TRÚC MÁY TÍNHỌ Ấ

NGH  : QU N TR  M NGỀ Ả Ị Ạ

TRÌNH Đ  : CAO Đ NG M NGỘ Ẳ Ạ

Ban hành kèm theo Quy t đ nh s :        /QĐ­CĐN… ế ị ố   ngày…….tháng….năm   …………  c a Hi u tr ủ ệ ưở ng tr ườ ng Cao đ ng ẳ  

ngh  t nh BR ­ VT ề ỉ

Bà R a – Vũng Tàu, năm 2015 ị

L I GI I THI UỜ Ớ Ệ

C u trúc máy tính là m t trong các lĩnh v c khoa h c c  s  c a ngành Khoaấ ộ ự ọ ơ ở ủ  

h c máy tính nói riêng và Công ngh  thông tin nói chung. C u trúc máy tính làọ ệ ấ  khoa h c v  l a ch n và ghép n i các thành ph n ph n c ng c a máy tính nh mọ ề ự ọ ố ầ ầ ứ ủ ằ  

đ t đạ ược các m c tiêu v  hi u năng cao, tính năng đa d ng và giá thành th p.ụ ề ệ ạ ấ  Môn h c C u trúc máy tính là môn h c c  s  chuyên ngành trong chọ ấ ọ ơ ở ương trình đào t o công ngh  thông tin h  đ i h c và cao đ ng. M c tiêu c a môn h c làạ ệ ệ ạ ọ ẳ ụ ủ ọ  cung c p cho sinh viên các ki n th c c  s  c a c u trúc máy tính, bao g m baoấ ế ứ ơ ở ủ ấ ồ  

g m c u trúc máy tính t ng quát, c u trúc b  x  lý trung tâm và các thành ph nồ ấ ổ ấ ộ ử ầ  

c a b  x  lý trung tâm, c u trúc t p l nh máy tính, c  ch   ng l nh; h  th ngủ ộ ử ấ ậ ệ ơ ế ố ệ ệ ố  phân c p c a b  nh , b  nh  trong, b  nh  cache và các lo i b  nh  ngoài; hấ ủ ộ ớ ộ ớ ộ ớ ạ ộ ớ ệ 

th ng bus và các thi t b  vào ra. C u trúc máy tính là m t lĩnh v c đã đố ế ị ấ ộ ự ược phát tri n trong m t th i gian tể ộ ờ ương đ i dài v i lố ớ ượng ki n th c đ  s , nh ng doế ứ ồ ộ ư  khuôn kh  c a tài li u có tính ch t là bài gi ng môn h c, tác gi  c  g ng trìnhổ ủ ệ ấ ả ọ ả ố ắ  bày nh ng v n đ  c  s  nh t ph c v  m c tiêu môn h c. N i dung c a tài li uữ ấ ề ơ ở ấ ụ ụ ụ ọ ộ ủ ệ  

được biên so n thành sáu chạ ương: Chương 5 là ph n đ i cầ ạ ương gi i thi u cácớ ệ  khái ni m c  s  c a c u trúc máy tính, nh  l ch s  máy tính, cách phân lo i, cácệ ơ ở ủ ấ ư ị ử ạ  thành qu  c a máy tính và khái ni m thông tin , các h  đ m và cách t  ch c dả ủ ệ ệ ế ổ ứ ữ 

li u trên máy tính cũng đệ ược trình bày trong chương này. Chương 2 gi i thi u vớ ệ ề 

kh i x  lý trung tâm, nguyên t c ho t đ ng và các thành ph n c a nó. Kh i x  lýố ử ắ ạ ộ ầ ủ ố ử  trung tâm là thành ph n quan tr ng và ph c t p nh t trong máy tính, đóng vai tròầ ọ ứ ạ ấ  

là b  não c a máy tính. Thông qua vi c th c hi n các l nh c a chộ ủ ệ ự ệ ệ ủ ương trình b iở  

kh i x  lý trung tâm, máy tính có th  th c thi các yêu c u c a ngố ử ể ự ầ ủ ườ ử ụi s  d ng. 

Chương 3 gi i thi u v  t p l nh c a máy tính, bao g m các khái ni m v  l nh,ớ ệ ề ậ ệ ủ ồ ệ ề ệ  

d ng l nh, các thành ph n c a l nh; các d ng đ a ch  và các ch  đ  đ a ch ạ ệ ầ ủ ệ ạ ị ỉ ế ộ ị ỉ  

Chương cũng gi i thi u m t s  d ng l nh thông d ng kèm ví d  minh ho ớ ệ ộ ố ạ ệ ụ ụ ạ  

Ngoài ra, c  ch   ng l nh – x  lý xen k  các l nh cũng đơ ế ố ệ ử ẽ ệ ược đ  c p. Chề ậ ương 4 trình bày v  b  nh  trong: khái quát v  h  th ng b  nh  và c u trúc phân c pề ộ ớ ề ệ ố ộ ớ ấ ấ  

c a h  th ng nh ; gi i thi u các lo i b  nh  ROM và RAM. M t ph n r t quanủ ệ ố ớ ớ ệ ạ ộ ớ ộ ầ ấ  

tr ng c a chọ ủ ương là ph n gi i thi u v  b  nh  cache ­ m t b  nh  đ c bi t cóầ ớ ệ ề ộ ớ ộ ộ ớ ặ ệ  

kh  năng giúp tăng t c h  th ng nh  nói riêng và c  h  th ng máy tính nói chung.ả ố ệ ố ớ ả ệ ố  

Chương 4 gi i thi u v  b  nh  ngoài, bao g m các lo i đĩa t , đĩa quang, các hớ ệ ề ộ ớ ồ ạ ừ ệ 

th ng RAID, NAS và SAN. B  nh  ngoài là d ng b  nh  thố ộ ớ ạ ộ ớ ường có dung lượ  ng

l n và dùng đ  l u tr  thông tin  n đ nh, không ph  thu c ngu n đi n nuôi.   ớ ể ư ữ ổ ị ụ ộ ồ ệ

Chương 5 trình bày v  h  th ng bus và các thi t b  ngo i vi. Ph n trình bày v  hề ệ ố ế ị ạ ầ ề ệ 

th ng bus đ  c p đ n các lo i bus nh  ISA, EISA, PCI, AGP và PCI­Express. Tàiố ề ậ ế ạ ư  

li u đệ ược biên so n d a trên kinh nghi m gi ng d y môn h c C u trúc máy tính,ạ ự ệ ả ạ ọ ấ  

k t h p ti p thu các đóng góp c a đ ng nghi p và ph n h i t  sinh viên. Tài li uế ợ ế ủ ồ ệ ả ồ ừ ệ  

có th  để ược s  d ng làm tài li u h c t p cho sinh viên h  cao đ ng các ngànhử ụ ệ ọ ậ ệ ẳ  công ngh  thông tin. Trong quá trình biên so n, m c dù tác gi  đã r t c  g ngệ ạ ặ ả ấ ố ắ  song không th  tránh kh i có nh ng thi u sót. Tác gi  r t mong mu n nh n để ỏ ữ ế ả ấ ố ậ ượ  c

ý ki n ph n h i và các góp ý cho các thi u sót, cũng nh  ý ki n v  vi c c p nh t,ế ả ồ ế ư ế ề ệ ậ ậ  hoàn thi n n i dung c a tài li u. ệ ộ ủ ệ

 CHƯƠNG TRÌNH MÔN H CỌ  C U TRÚC MÁY TÍNHẤ

­ Tính ch t: ấ Là môn h c chuyên ngành b t bu c.ọ ắ ộ

- Nêu được ch c năng và nguyên lý ho t đ ng c a các c p b  nh  ứ ạ ộ ủ ấ ộ ớ

- Trình bày được phương pháp an toàn d  li u trên thi t b  l u tr  ngoài. ữ ệ ế ị ư ữ

- V n d ng các ki n th c khi ti p c n nh ng công ngh  ph n c ng m i.ậ ụ ế ứ ế ậ ữ ệ ầ ứ ớ

4 Băng từ 1 1 0

CHƯƠNG 1 : Đ I CẠ ƯƠNG

Gi i thi uớ ệ

M c tiêu:ụ

- Trình bày đượ ịc l ch s  phát tri n cử ể ủa máy tính

- Trình bày được các thành ph n c  b n c a m t máy vi tính.ầ ơ ả ủ ộ

- Trình bày được các thành t u c a máy tính.ự ủ

- Trình bày được khái ni m v  thông tin.ệ ề

- Trình bày các cách bi n ế đổi c  ơ bản của h  tệ hống số, các bảng mã thông dụng được dùng đ  bi u ể ể di n các ký ễ t ự

N i dungộ

1 Các th  h  máy tính.ế ệ

1.1 L ch s  máy tínhị ử

S  phát tri n c a máy tính đự ể ủ ược mô t  d a trên s  ti n b  c a các công nghả ự ự ế ộ ủ ệ 

ch  t o các linh ki n c  b n c a máy tính nh : b  x  lý, b  nh , các ngo iế ạ ệ ơ ả ủ ư ộ ử ộ ớ ạ  vi,  .Ta có th  nói máy tính đi n t  s  tr i qua b n th  h  liên ti p. Vi c chuy nể ệ ử ố ả ố ế ệ ế ệ ể  

t  th  h  trừ ế ệ ước sang th  h  sau đế ệ ược đ c tr ng b ng m t s  thay đ i c  b n vặ ư ằ ộ ự ổ ơ ả ề công ngh ệ

Th  h  đ u tiên (1946­1957) ế ệ ầ

Hình 1.1: Máy tính ENIACENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính đi n t  sệ ử ố 

đ u tiên do Giáo s  Mauchly và ngầ ư ườ ọi h c trò Eckert t i Đ i h c Pennsylvaniaạ ạ ọ  thi t k  vào năm 1943 và đế ế ược hoàn thành vào năm 1946. Đây là m t máy tộ ính 

kh ng l  v i th  tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và r ng vài mét. ENIAC bao g m:ổ ồ ớ ể ộ ồ  18.000 đèn đi n t , 1.500 công t c t  đ ng, cân n ng 30 t n, và tiêu th  140KWệ ử ắ ự ộ ặ ấ ụ  

gi  Nó có 20 thanh ghi 10 bit (tính toán trên s  th p phân). Có kh  năng th cờ ố ậ ả ự  

hi n 5.000 phép toán c ng trong m t giây. Công vi c l p trình b ng tay b ngệ ộ ộ ệ ậ ằ ằ  cách đ u n i các đ u c m đi n và dùng các ng t đi n.ấ ố ầ ắ ệ ắ ệ

Giáo s  toán h c John Von Neumann đã đ a ra ý tư ọ ư ưởng thi t k  máy tính IASế ế  (Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình đượ ưc l u trong b  nh ,ộ ớ  

b  đi u khi n s  l y l nh và bi n đ i giá tr  c a d  li u trong ph n b  nh , bộ ề ể ẽ ấ ệ ế ổ ị ủ ữ ệ ầ ộ ớ ộ làm toán và lu n lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) đậ ược đi u khi n đ  tínhề ể ể  toán trên d  li u nh  phân, đi u khi n ho t đ ng c a các thi t b  vào ra. Đây làữ ệ ị ề ể ạ ộ ủ ế ị  

m t ý tộ ưởng n n t ng cho các máy tính hi n đ i ngày nay. Máy tề ả ệ ạ ính này còn 

được g i là ọ máy tính Von Neumann.

Vào nh ng năm đ u c a th p niên 50, nh ng máy tính thữ ầ ủ ậ ữ ương m i đ u tiênạ ầ  

được đ a ra ư thị trường: 48 h  máy UNIVAC I và 19 h  máy IBM 701 đã đệ ệ ượ  cbán ra

Th  h  th  hai (1958­1964) ế ệ ứ

Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947 và do đó th  h  thế ệ ứ hai c a máy tính đủ ược đ c tr ng b ng s  thay th  các đèn đi n t  b ng cácặ ư ằ ự ế ệ ử ằ  transistor lưỡng c c. Tuy nhiên, đ n cu i th p niên 50, máy tính thự ế ố ậ ương m iạ  dùng transistor m i xu t hi n trên th  trớ ấ ệ ị ường. Kích thước máy tính gi m, r  ti nả ẻ ề  

h n, tiêu t n năng lơ ố ượng ít h n. Vào th i đi m này, m ch in và b  nh  b ngơ ờ ể ạ ộ ớ ằ  xuy n t  đế ừ ược dùng. Ngôn ng  c p cao xu t hi n (nh  FORTRAN năm 1956,ữ ấ ấ ệ ư  

COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) và h  đi u hệ ề ành  ki u tu n t  (Batchể ầ ự  Processing) được dùng. Trong h  đi u hành này, chệ ề ương trình c a ngủ ười dùng 

th  nh t đứ ấ ược ch y, xong đ n chạ ế ương trình c a ngủ ười dùng th  hai và c  thứ ứ ế 

ti p t c.ế ụ

Th  h  th  ba (1965­1971) ế ệ ứ

Th  h  th  ba đế ệ ứ ược đánh d u b ng s  xu t hi n c a các ấ ằ ự ấ ệ ủ m ch k t ạ ế  (m chạ  tích h p ­ IC: Integrated Circuit). Các m ch k t đ  tích h p m t đ  th p (SSI:ợ ạ ế ộ ợ ậ ộ ấ  Small Scale Integration) có th  ch a vài ch c linh ki n và k t đ  tích h p m tể ứ ụ ệ ế ộ ợ ậ  

đ  trung bình (MSI: Medium Scale Integration) ch a hàng trăm linh ki n trênộ ứ ệ  

m ch tích h p.ạ ợ

M ch in nhi u l p xu t hi n, b  nh  bán d n b t đ u thay th  b  nhạ ề ớ ấ ệ ộ ớ ẫ ắ ầ ế ộ ớ 

b ng xuy n t  Máy tính đa chằ ế ừ ương trình và h  đi u hành chia th i gian đệ ề ờ ượ  cdùng

Th  h  th  t  (1972­????) ế ệ ứ ư

Th  h  th  t  đế ệ ứ ư ược đánh d u b ng các ấ ằ IC có m t đ  tích h p cao ậ ộ ợ  (LSI: Large Scale Integration) có th  ch a hàng ngàn linh ki n. Các IC m t đ  tíchể ứ ệ ậ ộ  

h p r t cao (VLSI: Very Large Scale Integration) có th  ch a h n 10 ngàn linhợ ấ ể ứ ơ  

ki n trên m ch. Hi n nay, các chip VLSI ch a hàng tri u linh ki n.ệ ạ ệ ứ ệ ệ

V i s  xu t hi n c a b  vi x  lý (microprocessor) ch a c  ph n th c hi nớ ự ấ ệ ủ ộ ử ứ ả ầ ự ệ  

và ph n đi u khi n c a m t b  x  lý, s  phát tri n c a công ngh  bán d n cácầ ề ể ủ ộ ộ ử ự ể ủ ệ ẫ  máy vi tính đã được ch  t o và kh i đ u cho các th  h  máy tính cá nhân.ế ạ ở ầ ế ệ

Các b  nh  bán d n, b  nh  cache, b  nh   o độ ớ ẫ ộ ớ ộ ớ ả ược dùng r ng rãi.ộ

Các k  thu t c i ti n t c đ  x  lý c a máy tính không ng ng đỹ ậ ả ế ố ộ ử ủ ừ ược phát tri n: k  thu t  ng d n, k  thu t vô hể ỹ ậ ố ẫ ỹ ậ ướng, x  lý song song m c đ  cao, ử ứ ộ

Vi c chuy n t  th  h  th  t  sang th  h  th  5 còn ch a rõ ràng. Ngệ ể ừ ế ệ ứ ư ế ệ ứ ư ườ  i

Nh t đã và đang đi tiên phong trong các chậ ương trình nghiên c u đ  cho ra đ iứ ể ờ  

th  h  th  5 c a máy tính, th  h  c a nh ng máy tính thông minh, d a trên cácế ệ ứ ủ ế ệ ủ ữ ự  ngôn ng  trí tu  nhân t o nh  LISP và PROLOG,  và nh ng giao di n ngữ ệ ạ ư ữ ệ ườ  i ­máy thông minh. Đ n th i đi m này, các nghiên c u đã cho ra các s n ph mế ờ ể ứ ả ẩ  

bước đ u và g n đây nh t (2004) là s  ra m t s n ph m ngầ ầ ấ ự ắ ả ẩ ười máy thông minh 

g n gi ng v i con ngầ ố ớ ười nh t: ASIMO  ấ (Advanced Step Innovative Mobility: 

B ướ c chân tiên ti n c a đ i m i và chuy n đ ng) ế ủ ổ ớ ể ộ   V i hàng trăm nghìn máyớ  móc đi n t  t i tân đ t trong c  th , ASIMO có th  lên/xu ng c u thang m tệ ử ố ặ ơ ể ể ố ầ ộ  cách uy n chuy n, nh n di n ngể ể ậ ệ ười, các c  ch  hành đ ng, gi ng nói và đápử ỉ ộ ọ  

ng m t s  m nh l nh c a con ng i. Th m chí, nó có th  b t ch c c  đ ng,

g i tên ngọ ười và cung c p thông tin ngay sau khi b n h i, r t g n gũi và thânấ ạ ỏ ấ ầ  thi n. Hi n nay có nhi u công ty, vi n nghiên c u c a Nh t thuê Asimo ti pệ ệ ề ệ ứ ủ ậ ế  khách và hướng d n khách tham quan nh : Vi n B o tàng Khoa h c năng lẫ ư ệ ả ọ ượ  ng

và Đ i m i qu c gia, hãng IBM Nh t B n, Công ty đi n l c Tokyo. Hãngổ ớ ố ậ ả ệ ự  Honda b t đ u nghiên c u ASIMO t  năm 1986 d a vào nguyên lý chuy n đ ngắ ầ ứ ừ ự ể ộ  

b ng hai chân. Cho t i nay, hãng đã ch  t o đằ ớ ế ạ ược 50 robot ASIMO

Các ti n b  liên t c v  m t đ  tích h p trong VLSI đã cho phép th c hi nế ộ ụ ề ậ ộ ợ ự ệ  các m ch vi x  lý ngày càng m nh (8 bit, 16 bit, 32 ạ ử ạ bit và 64 bit v i vi c xu tớ ệ ấ  

hi n các b  x  lý RISC năm 1986 và các b  x  lý siêu vô hệ ộ ử ộ ử ướng năm 1990). Chính các b  x  lý này giúp th c hi n các máy tính song song v i t  vài b  xộ ử ự ệ ớ ừ ộ ử 

lý đ n vài ngàn b  x  lý. Đi u này làm các chuyên gia v  ki n trúc máy tính tiênế ộ ử ề ề ế  đoán th  h  th  5 là th  h  các máy tính x  lý song song.ế ệ ứ ế ệ ử

1.2 Máy tính hi n t i và tệ ạ ương lai

Các nhà khoa h c v  máy tính đ u th a nh n máy tính lọ ề ề ừ ậ ượng t  h a h nử ứ ẹ  

s  t o nên m t cu c cách m ng trong công ngh  máy tính tẽ ạ ộ ộ ạ ệ ương lai. V y máyậ  tính lượng t  đang phát tri n   m c đ  nào và con ngử ể ở ứ ộ ườ ẽi s  khai thác năng lượ  ng

t  c  h c lừ ơ ọ ượng t  nh  th  nào? Đó là m i quan tâm c a không ch  ngử ư ế ố ủ ỉ ườ ử i s

d ng máy tính mà còn là m i quan tâm c a các nhà nghiên c u và hãng máy tính.ụ ố ủ ứ

Ý t ng máy tính l ng t  đ c đ  xu t l n đ u tiên vào năm 1980 b i nhàưở ượ ử ượ ề ấ ầ ầ ở  toán h c ng i Đ c g c Nga Yuri Manin b ng cách s  d ng các hi u  ng ch ng ch pọ ườ ứ ố ằ ử ụ ệ ứ ồ ậ  

và v ng víu l ng t  đ  th c hi n các tính toán trên d  li u đ a vào. Khác v i máyướ ượ ử ể ự ệ ữ ệ ư ớ  tính k  thu t s  d a trên tranzitor đòi h i c n ph i mã hóa d  li u thành các ch  s  nhỹ ậ ố ự ỏ ầ ả ữ ệ ữ ố ị phân, m i s  đ c gán cho 1 trong 2 tr ng thái nh t đ nh là 0 ho c 1, tính toán l ng tỗ ố ượ ạ ấ ị ặ ượ ử 

s  d ng các bit l ng t    trong tr ng thái ch ng ch p đ  tính toán. Đi u này có nghĩaử ụ ượ ử ở ạ ồ ậ ể ề  

là   cùng m t th i đi m, 1 bit l ng t  ­ đ n v  c  b n c a thông tin trong đi n toán,ở ộ ờ ể ượ ử ơ ị ơ ả ủ ệ  

vi t t t là qubit ­ có th  có giá tr  0 và 1. V  m t lý thuy t, m t máy tính có nhi u qubitế ắ ể ị ề ặ ế ộ ề  

có kh  năng x  lý m t l ng tác v  vô cùng l n nh  tính toán s  h c ho c th c hi nả ử ộ ượ ụ ớ ư ố ọ ặ ự ệ  tìm ki m trong c  s  d  li u l n (Big data) trong th i gian nhanh h n nhi u so v i cácế ơ ở ữ ệ ớ ờ ơ ề ớ  máy tính thông th ng.ườ

Hi n nay, nhi u phòng thí nghi m trên kh p th  gi i đã ch  t o ra các thi t b  cóệ ề ệ ắ ế ớ ế ạ ế ị  

kh  năng th c hi n các phép tính l ng t  trên m t s  nh  qubit. Năm 2007, công ty D­ả ự ệ ượ ử ộ ố ỏWave t i Canada đã công b  chi c máy tính l ng t  đ u tiên có kh  năng th ng m iạ ố ế ượ ử ầ ả ươ ạ  hóa mang tên D­Wave One. Ti p theo, D­Wave cho ra đ i phiên b n th  2 c a máy tínhế ờ ả ứ ủ  

l ng t  mang tên D­Wave 2. Tháng 6/2011, Công ty D­Wave Systems, Inc.,ượ ử  đã bán chi c máy tính l ng t  th ng m i đ u tiên cho đ i tác là công ty qu c phòngế ượ ử ươ ạ ầ ố ố  Lockheed Martin (Bethesda,Maryland, Hoa K ). Theo lý thuy t, D­Wave có kh  năngỳ ế ả  

gi i quy t đ c nh ng v n đ  mà các siêu máy tính ch a làm đ c trên nhi u lĩnhả ế ượ ữ ấ ề ư ượ ề  

v c, nh  m t mã, công ngh  nano, trí tu  nhân t o ự ư ậ ệ ệ ạ

Hãng D­Wave mô t  đó là m t c  máy ho t đ ng theo ph ng pháp l ng t  vàả ộ ỗ ạ ộ ươ ượ ử  

có th  th c hi n tính toán. Tuy nhiên, D­Wave có r t ít các khách hàng do tính r i ro.ể ự ệ ấ ủ  Bên c nh đó, ch a có ai có th  s  d ng D­Wave đ  th c hi n tính toán c  th  nh  cácạ ư ể ử ụ ể ự ệ ụ ể ư  máy tính c  đi n. G n đây, Google cũng đã b t tay v iổ ể ầ ắ ớ  NASA nh m th c hi n nghiênằ ự ệ  

c u đi n toán l ng t  b ng c  máy D­Wave. Do đó, cho t i hi n t i, c  máy trên chứ ệ ượ ử ằ ỗ ớ ệ ạ ỗ ỉ 

ph c v  cho công tác nghiên c u nh m ti p t c phát tri n lý thuy t h n là đ c sụ ụ ứ ằ ế ụ ể ế ơ ượ ử 

d ng th c ti n. Smelyanskiy, nhà nghiên c u cho d  án h p tác nghiên c u đi n toánụ ự ễ ứ ự ợ ứ ệ  

l ng t  gi a ượ ử ữ  NASA và Google, cho bi t r ng d  án v n ch a đ t đ c thành t u đ tế ằ ự ẫ ư ạ ượ ự ộ  phá và v n c n ít nh t là t  15 đ n 25 năm n a đ  ch ng minh kh  năng  ng d ngẫ ầ ấ ừ ế ữ ể ứ ả ứ ụ  

th c t  c a D­Wave.ự ế ủ

 V y khi nào chúng ta có th  s  d ng máy tính l ng t  nh  v i máy tính cá nhânậ ể ử ụ ượ ử ư ớ  

hi n nay? Theo Smelyanskiy, chúng ta s  khó có th  s  h u m t máy tính l ng tệ ẽ ể ở ữ ộ ượ ử trong vài th p k  t i. H n n a, ch c năng c a máy tính l ng t  là gi i quy t các v nậ ỷ ớ ơ ữ ứ ủ ượ ử ả ế ấ  

đ  tính toán l n và r t ph c t p, ch  không gi ng nh  cách chúng ta s  d ng nh  máyề ớ ấ ứ ạ ứ ố ư ử ụ ư  tính cá nhân truy n th ng.ề ố

2 Phân lo i máy tính.     ạ

2.1. Theo kích thước, công d ng ( tính năng và giá ti n)ụ ề

­  Siêu máy tính 

M tộ  siêu máy tính là m tộ  máy tính vượt tr i trong kh  năng và t c đ  xộ ả ố ộ ử 

lý. Thu t ngậ ữ Siêu Tính Toán được dùng l n đ u trong báoầ ầ  New York World vào 

năm 1920 đ   nói   đ n   nh ng   b ng   tính   (ể ế ữ ả tabulators)   l n   c aớ ủ  IBM làm   cho 

trườ  Đ i   h c   Columbiang ạ ọ   Siêu   máy   tính   hi n   nay   có   t c   đ   x   lý   hàngệ ố ộ ử  nghìn teraflop (m t   teraflop   tộ ương   đương   v i   hi u   su t   m t   nghìn   t   phépớ ệ ấ ộ ỷ  tính/giây) hay b ng t ng hi u su t c a 6.000 chi c máy tính hi n đ i nh t hi nằ ổ ệ ấ ủ ế ệ ạ ấ ệ  nay g p l i (m t máy có t c đ  kho ng t  3­3,8 gigaflop).ộ ạ ộ ố ộ ả ừ

­ Siêu máy tính c  nh  ỡ ỏ 

Siêu máy tính c  nhỡ ỏ (minisupercomputers) là m t dòngộ  máy tính xu tấ  

hi n vào gi a th p kệ ữ ậ ỉ 1980. Khi vi cệ  tính toán khoa h cọ  dùng b  x  lí vectorộ ử  trở nên ph  bi n h n, nhu c u s  d ng h  th ng giá thành th p đ  dùng   c p đổ ế ơ ầ ử ụ ệ ố ấ ể ở ấ ộ phòng ban thay vì   c p đ  doanh nghi p mang đ n c  h i cho các nhà kinhở ấ ộ ệ ế ơ ộ  

doanh máy tính m i bớ ước vào th  trị ường. Nhìn chung, m c tiêu v  giá c  c a cácụ ề ả ủ  máy tính nh  h n này là 1/10 cácỏ ơ  siêu máy tính l n h n. Đ c tr ng c a các máyớ ơ ặ ư ủ  tính này là s  k t h p gi aự ế ợ ữ  x  lí vectorử  và đa x  líử  c  nh  (ỡ ỏ small­scale).

S  xu t  hi n c aự ấ ệ ủ  máy tr mạ  khoa h c v i  giá còn th p h n n a d aọ ớ ấ ơ ữ ự  trên b  vi x  líộ ử  cùng v iớ  đ n v  d u ch m đ ngơ ị ấ ấ ộ  (floating point unit, FPU) hi uệ  năng   cao   vào   th p   kậ ỉ 1990 (nhưR8000 c a   hãngủ  MIPS và POWER2 c aủ  hãng IBM) đã xoá b  nhu c u c a dòng máy tính này.ỏ ầ ủ

­ Mainframe   

Máy tính l nớ  (ti ng Anhế : Mainframe) là lo iạ  máy tính có kích thước l nớ  

được s  d ng ch  y u b i các công ty l n nh  các ngân hàng, các hãng b oử ụ ủ ế ở ớ ư ả  

hi m  đ  ch y các  ng d ng l n x  lý kh i lể ể ạ ứ ụ ớ ử ố ượng l n d  li u nh  k t quớ ữ ệ ư ế ả đi uề  tra dân số, th ng kê khách hàng và doanh nghi p, và x  lý các giao tác thố ệ ử ươ  ng

m i.ạ

Hi n nay th  trệ ị ường máy tính l n doớ  IBM chi m 99%, v i máy IBM ZSeriesế ớ  (h  đi u hành MVS). Z có nghĩa Zero, Zero downtime, có nghĩa là máy có thệ ề ể 

ho t đ ng 24/24 gi  m i ngày, 7/7 ngày m i tu n, và 365/365 ngày không ng ng.ạ ộ ờ ỗ ỗ ầ ừ  

So v i các máy tính lo i nh  nhớ ạ ỏ ư máy tính cá nhân, máy tính l n cũng nh  1 chi cớ ư ế  

xe tăng: v ng ch c, có th  nh n hàng ngàn l nh cùng 1 lúc. Ví d  máy IBM Z9ữ ắ ể ậ ệ ụ  (2008) có th  để ược cài 20 processor và đáp  ng 8000.000.000 (8 t ) l nh 1 giâyứ ỉ ệ

­ Máy ch  doanh nghi p  ủ ệ  

Là m t h  th ngộ ệ ố  máy tính ch  y u dùng đ  ph c v  cho m t doanh nghi pủ ế ể ụ ụ ộ ệ  

l n. Ví d  các lo i máy ch  nhớ ụ ạ ủ ư máy chủ web, máy chủ in  nấ , và máy chủ c  sơ ở 

d  li uữ ệ  Tính ch t ch  y u đ  phân bi t m t máy ch  doanh nghi p là   tính  nấ ủ ế ể ệ ộ ủ ệ ở ổ  

đ nh vì ngay c  m t s  c  ng n h n cũng có th  gây thi t h i h n c  vi c muaị ả ộ ự ố ắ ạ ể ệ ạ ơ ả ệ  

m i và cài đ t m i h  th ng. L y ví d , m t h  th ng máy tính trongớ ặ ớ ệ ố ấ ụ ộ ệ ố  th  trị ườ  ng

ch ng khoánứ  c p qu c gia có tr c tr c, ch  c n ng ng ho t đ ng trong vòng vàiấ ố ụ ặ ỉ ầ ư ạ ộ  

phút có th  cho th y vi c thay th  toàn b  h  th ng hi n t i b ng m t h  th ngể ấ ệ ế ộ ệ ố ệ ạ ằ ộ ệ ố  đáng tin c y h n v n là gi i pháp t t h n.ậ ơ ẫ ả ố ơ

­  Máy tr mạ   (workstation)

Workstation (m t s  tài li u g i làộ ố ệ ọ  máy tr m ạ ) được s  d ng theo các nghĩa:ử ụ  Workstation   là   m tộ  http://en.wikipedia.org/wiki/Microcomputer được   thi t   kế ế dành đ  ch y các  ng d ng k  thu t ho c khoa h c.M c đích chính cho vi c t oể ạ ứ ụ ỹ ậ ặ ọ ụ ệ ạ  

ra máy tính này là đ  ph c v  cho 1 ngể ụ ụ ườ ại t i 1 th i đi m. có th  k t n i v iờ ể ể ế ố ớ  nhau qua m ng máy tính và ph c v  nhi u User cùng lúc. M t nhóm các máyạ ụ ụ ề ộ  

tr m có th  x  lý các công vi c c a m t máy tính l nạ ể ử ệ ủ ộ ớ  Main Frame n u nh  đế ư ượ  c

k t n i m ng v i nhau. Các máy tr m cung c p hi u su t cao h n máy tính đế ố ạ ớ ạ ấ ệ ấ ơ ể bàn, đ c bi t là v  CPU, đ  h a, b  nh  và kh  năng x  lý đa nhi m. Nó đặ ệ ề ồ ọ ộ ớ ả ử ệ ượ  c

t i  u hóa cho vi c x  lý các lo i d  li u ph c t p nh  các b n v  3D trong cố ư ệ ử ạ ữ ệ ứ ạ ư ả ẽ ơ khí, các mô ph ng trong thi t k , v  và t o ra các hình  nh đ ng, các logic toánỏ ế ế ẽ ạ ả ộ  

h c. Thông thọ ường các b  ph n giao ti p v i máy tr m bao g m: màn hình v iộ ậ ế ớ ạ ồ ớ  

đ  phân gi i cao, bàn phím và chu t. Đôi khi cũng c p k t n i v i nhi u mànộ ả ộ ấ ế ố ớ ề  hình, máy tính b ng đ  h a và chu t 3D. Hi n nay, th  trả ồ ọ ộ ệ ị ường máy tr m do cácạ  ông l n trong ngành máy tính nh  DELL,HP  và bán cũng các b n Windows/ớ ư ả  Linux ch y trên CPU Intel Xeon/AMD Opteron.ạ

­ Máy tính cá nhân    (PC_ personal computer ) là m t lo iộ ạ  máy vi tính nh  ỏ

v i giá c , kích thớ ả ước và s  tự ương thích c a nó khi n nó h u d ng cho t ng cá ủ ế ữ ụ ừnhân

2.2 Theo ki n trúcế

­ Ki n trúc máy tính von­neumann ế

 S  đ  ki n trúc máy tính von­Neumann Ki n trúc máy tính von­Neumann đơ ồ ế ế ượ  cnhà toán h c John von­Neumann đ a ra vào năm 1945 trong m t báo cáo v  máyọ ư ộ ề  tính EDVAC nh  minh ho  trên Hình 1.2 ­ Ki n trúc máy tính von­Neumannư ạ ế  nguyên thu    ỷ

Hình 1.2: Ki n trúc máy tính von­Neumann nguyên thuế ỷCác máy tính hi n đ i ngày nay s  d ng ki n trúc máy tính von­Neumannệ ạ ử ụ ế  

c i ti n – còn g i là ki n trúc máy tính von­Neumann hi n đ i, nh  minh ho  trênả ế ọ ế ệ ạ ư ạ  Hình 1.3.   

Hình 1.3: Ki n trúc máy tính von­Neumann hi n đ iế ệ ạ

Các đ c đi m c a ki n trúc von­Neumann Ki n trúc von­Neumann d a trênặ ể ủ ế ế ự  

3 khái ni m c  s : (1) L nh và d  li u đệ ơ ở ệ ữ ệ ượ ưc l u tr  trong b  nh  đ c ghi chia sữ ộ ớ ọ ẻ 

­ m t b  nh  duy nh t độ ộ ớ ấ ượ ử ục s  d ng đ  l u tr  c  l nh và d  li u, (2) B  nhể ư ữ ả ệ ữ ệ ộ ớ 

được đánh đ a ch  theo vùng, không ph  thu c vào n i dung nó l u tr  và (3) Cácị ỉ ụ ộ ộ ư ữ  

l nh c a m t chệ ủ ộ ương trình được th c hi n tu n t  Quá trình th c hi n l nhự ệ ầ ự ự ệ ệ  

được chia thành 3 giai đo n (stages) chính: (1) CPU đ c (fetch) l nh t  b  nh ,ạ ọ ệ ừ ộ ớ  (2) CPU gi i mã và th c hi n l nh; n u l nh yêu c u d  li u, CPU đ c d  li uả ự ệ ệ ế ệ ầ ữ ệ ọ ữ ệ  

t  b  nh ; và (3) CPU ghi k t qu  th c hi n l nh vào b  nh  (n u có). ừ ộ ớ ế ả ự ệ ệ ộ ớ ế

­ Ki n trúc máy tính Harvard:ế  

Ki n trúc máy tính Harvard là m t ki n trúc tiên ti n nh  minh ho  trên Hình 6.   ế ộ ế ế ư ạ

Hình 1.4:  Ki n trúc máy tính Harvardế

Ki n trúc máy tính Harvard chia b  nh  trong thành hai ph n riêng r : B  nhế ộ ớ ầ ẽ ộ ớ 

l u chư ương trình (Program Memory) và B  nh  l u d  li u (Data Memory). Haiộ ớ ư ữ ệ  

h  th ng bus riêng đệ ố ượ ử ục s  d ng đ  k t n i CPU v i b  nh  l u chể ế ố ớ ộ ớ ư ương trình 

và b  nh  l u d  li u. M i h  th ng bus đ u có đ y đ  ba thành ph n đ  truy nộ ớ ư ữ ệ ỗ ệ ố ề ầ ủ ầ ể ề  

d n các tín hi u đ a ch , d  li u và đi u khi n. Máy tính d a trên ki n trúcẫ ệ ị ỉ ữ ệ ề ể ự ế  Harvard có kh  năng đ t đả ạ ượ ốc t c đ  x  lý cao h n máy tính d a trên ki n trúcộ ử ơ ự ế  von­Neumann do ki n trúc Harvard h  tr  hai h  th ng bus đ c l p v i băngế ỗ ợ ệ ố ộ ậ ớ  thông l n h n. Ngoài ra, nh  có hai h  th ng bus đ c l p, h  th ng nh  trongớ ơ ờ ệ ố ộ ậ ệ ố ớ  

ki n trúc Harvard h  tr  nhi u l nh truy nh p b  nh  t i m t th i đi m, giúpế ỗ ợ ề ệ ậ ộ ớ ạ ộ ờ ể  

gi m xung đ t truy nh p b  nh , đ c bi t khi CPU s  d ng k  thu t đả ộ ậ ộ ớ ặ ệ ử ụ ỹ ậ ường  ngố  (pipeline).

3 Thành qu  c a máy tínhả ủ  

Qui lu t ậ Moore v  s  phát tri n c a máy tínhề ự ể ủ

Hình 1.5: Đánh giá thành qu  c a máy tínhả ủHình 1.5 cho th y di n bi n c a thành qu  t i đa c a máy tính. Thành quấ ễ ế ủ ả ố ủ ả này tăng theo hàm s  mũ, đ  tăng trố ộ ưởng các máy vi tính là 35% m i năm, cònỗ  

đ i v i các lo i máy khác, đ  tăng trố ớ ạ ộ ưởng là 20% m i năm. Đi u này cho th yỗ ề ấ  tính năng các máy vi tính đã vượt qua các lo i máy tính khác vào đ u th p niênạ ầ ậ  

S  phát tri n c a công ngh  máy tính và đ c bi t là s  phát tri n c a b  vi x  lýự ể ủ ệ ặ ệ ự ể ủ ộ ử  

c a các máy vi tính làm cho các máy vi tính có t c đ  vủ ố ộ ượt qua t c đ  b  x  lýố ộ ộ ử  

Moore đã đ a ra d  đoán:Kh  năng c a máy tính s  tăng lên g p đôi sau 18 thángư ự ả ủ ẽ ấ  

v i giá thành là nh  nhau.ớ ư

K t qu  c a quy lu t Moore là:ế ả ủ ậ

Chi phí cho máy tính s  gi m. ẽ ả

Gi m kích thả ước các linh ki n, máy tính s  gi m kích thệ ẽ ả ước

H  th ng k t n i bên trong m ch ng n: tăng đ  tin c y, tăng t c đệ ố ế ố ạ ắ ộ ậ ố ộ

Ti t ki m năng lế ệ ượng cung c p, to  nhi t th p.ấ ả ệ ấ

m i m ch): đỗ ạ ược tính b ng tích c a m t đ  tích h p và t n s  xung nh p. Côngằ ủ ậ ộ ợ ầ ố ị  

su t này cũng tăng theo hàm mũ đ i v i th i gianCác IC thay th  cho các linh ki nấ ố ớ ờ ế ệ  

Đ  có thông tin, ta ph i xác đ nh th i đi m ta nhìn tr ng thái c a tín hi u. Thí d ,ể ả ị ờ ể ạ ủ ệ ụ  

t i th i đi m t1 thì tín hi u   tr ng thái th p và t i th i đi m t2 thì tín hi u ạ ờ ể ệ ở ạ ấ ạ ờ ể ệ ở 

tr ng thái cao.ạ

4.2 Lượng thông tin và s  mã hóa thông tin.ự

Thông tin được đo lường b ng đ n v  thông tin mà ta g i là bit. Lằ ơ ị ọ ượng thông tin được đ nh nghĩa b i công th c:ị ở ứ

I= Log2(N)

Trong đó: I: là lượng thông tin tính b ng bitằ

N: là s  tr ng thái có th  cóố ạ ể

V y m t bit  ng v i s  hi u bi t c a m t tr ng thái trong hai tr ng thái cóậ ộ ứ ớ ự ể ế ủ ộ ạ ạ  

th  có. Thí d ,s  hi u bi t c a m t tr ng thái trong 8 tr ng thái có th   ng v iể ụ ự ể ế ủ ộ ạ ạ ể ứ ớ  

m t lộ ượng thông tin là:

I= Log2(8) = 3 bit

Tám tr ng thái đạ ược ghi nh n nh  3 s  nh  phân (m i s  nh  phân có th  cóậ ờ ố ị ỗ ố ị ể  giá tr  0 ho c 1).ị ặ

Nh  v y lư ậ ượng thông tin là s  con s  nh  phân c n thi t đ  bi u di n số ố ị ầ ế ể ể ễ ố 

tr ng thái có th  có. Do v y, m t con s  nh  phân đạ ể ậ ộ ố ị ược g i là m t bit. M t t  nọ ộ ộ ừ  bit có th  tể ượng tr ng m t tr ng thái trong t ng s  2ư ộ ạ ổ ố n tr ng thái mà t  đó có thạ ừ ể 

tượng tr ng. V y m t t  n bit tư ậ ộ ừ ương  ng v i m t lứ ớ ộ ượng thông tin n bit

Hình 2  Giá tr  các s  th p l c phân theo h  th p phân và nh  phânị ố ậ ụ ệ ậ ị

4.3.2 Chuy n đ i gi a các h  th ng sể ổ ữ ệ ố ố

­ Chuy n t  h  nh  phân và th p l c phân sang h  th p phân: ể ừ ệ ị ậ ụ ệ ậ

Ta có th  bi u di n b t k  m t s  N nào trong h  c  s  S b ng đa th c sau: ể ể ễ ấ ỳ ộ ố ệ ơ ố ằ ứ

N S  = C n S n  + C n­1 S n­1  +C n­2 S n­2  +C n­3 S n­3  + … + C 0 S 0  

Hay N S  =   C i S i      trong đó   0   C i    S ­1( i là th  t  v  trí các ch  s  ) ứ ự ị ữ ố

qu  phép chia b ng 0. S  đã cho trong h  phân t ả ằ ố ệ ươ ng đ ươ ng trong h  c  s  S là t p ệ ơ ố ậ  

L u ý: ư M i ch  s  trong h  th p l c phân t ỗ ữ ố ệ ậ ụ ươ ng đ ươ ng m t nhóm b n ch  s  trong  ộ ố ữ ố

h  nh  phân, do đó, ngoài nh ng quy t c chuy n đ i nh  đã nêu trên, ng ệ ị ữ ắ ể ổ ư ườ i ta có th  đ i ể ổ  

s  trên c  s  h  nh  phân làm trung gian. Khi đ i t  h  nh  phân sang h  th p l c phân,  ố ơ ở ệ ị ổ ừ ệ ị ệ ậ ụ các s  nh  phân đ ố ị ượ c gom thành 4 ch  s  tính t  ph i sang trái, m i nhóm này đ ữ ố ư ả ỗ ượ c  thay b ng m t ch  s  th p l c phân t ằ ộ ữ ố ậ ụ ươ ng  ng và ng ứ ượ ạ c l i.

Quan h  gi a các s  trong m t s  h  thông d ngệ ữ ố ộ ố ệ ụ

B ng 1.2: ả  Quan h  gi a các s  trong m t s  h  thông d ng ệ ữ ố ộ ố ệ ụ 4.4 Bi u di n ể ễ  thông tin

S  nguyên có d u: Tr  tuy t đ i, bù 1, bù 2, th a k, BCD ố ấ ị ệ ố ừ

S  nguyên có d uố ấ

Có nhi u cách đ  bi u di n m t s  n bit có d u. Trong t t c  m i cách thì bit caoề ể ể ễ ộ ố ấ ấ ả ọ  

nh t luôn tấ ượng tr ng cho d u.ư ấ

Khi đó, bit d u có giá tr  là 0 thì s  nguyên dấ ị ố ương, bit d u có giá tr  là 1 thì sấ ị ố nguyên âm. Tuy nhiên, cách bi u di n d u này không đúng trong trể ễ ấ ường h p sợ ố 

được bi u di n b ng s  th a K mà ta s  xét   ph n sau trong chể ễ ằ ố ừ ẽ ở ầ ương này (bit 

d u có giá tr  là 1 thì s  nguyên dấ ị ố ương, bit d u có giá tr  là 0 thì s  nguyên âm).ấ ị ố

 Trong cách bi u di n này, s  âm ­N để ễ ố ược cób ng cách thay các s  nh  phân di ằ ố ị

c a s  đủ ố ương N b ng s  bù c a nó(nghĩa là n u di = 0 thì ngằ ố ủ ế ười ta đ i nó thành 1ổ  

và ngượ ạc l i). 

s  và m t s  d u thố ộ ố ấ ường dùng mà ta g i chung là ký t  M i ký t  đọ ự ỗ ự ược bi uể  

di n b i 7 bit trong m t Byte. Hi n nay, m t trong các b ng mã thông d ng đễ ở ộ ệ ộ ả ụ ượ  cdùng là Unicode, trong b ng mã này, m i ký t  đả ỗ ự ược mã hoá b i 2 Byte.ở

CÂU H I ÔN T P CHỎ Ậ ƯƠNG 1.

1. D a vào tiêu chu n nào ngự ẩ ười ta phân chia máy tính thành các th h ? ế ệ

2. Đ c tr ng c  b n c a các máy tính th  h  th  nh t? ặ ư ơ ả ủ ế ệ ứ ấ

3. Đ c tr ng c  b n c a các máy tính th  h  th  hai? ặ ư ơ ả ủ ế ệ ứ

4. Đ c tr ng c  b n c a các máy tính th  h  th  ba? ặ ư ơ ả ủ ế ệ ứ

5. Đ c tr ng c  b n c a các máy tính th  h  th  t ? ặ ư ơ ả ủ ế ệ ứ ư

6. Vi c phân lo i máy tính d a vào tiêu chu n nào? ệ ạ ự ẩ

7. Khái ni m thông tin trong máy tính đệ ược hi u nh  th  nào? ể ư ế

c u c a h  th ng và c a ngầ ủ ệ ố ủ ườ ử ụi s  d ng thường  được bi u di n thành cácể ễ  

chương trình máy tính, trong đó m i chỗ ương trình thường đượ ạc t o thành từ nhi u l nh c a CPU. CPU đ m nhi m vi c đ c các l nh c a chề ệ ủ ả ệ ệ ọ ệ ủ ương trình t  bừ ộ 

nh , gi i mã và th c hi n l nh. Thông qua vi c CPU th c hi n các l nh c aớ ả ự ệ ệ ệ ự ệ ệ ủ  

chương trình, máy tính có kh  năng cung c p các tính năng h u ích cho ngả ấ ữ ườ ử i s

d ng. CPU là vi m ch tích h p v i m t đ  r t cao, đụ ạ ợ ớ ậ ộ ấ ược c u thành t  b n thànhấ ừ ố  

ph n con: (1) B  đi u khi n (Control Unit ­  CU), (2) B  tính toán s  h c và logicầ ộ ề ể ộ ố ọ  (Arithmetic and Logic Unit ­ ALU), (3) Các thanh ghi (Registers) và bus trong CPU (Internal Bus). B  đi u khi n có nhi m v  đ c, gi i mã và đi u khi n quá trìnhộ ề ể ệ ụ ọ ả ề ể  

th c hi n l nh. B  tính toán s  h c và logic chuyên th c hi n các phép toán sự ệ ệ ộ ố ọ ự ệ ố 

h c nh  c ng tr , nhân, chia, và các phép toán lôgic nh  và, ho c, ph  đ nh và cácọ ư ộ ừ ư ặ ủ ị  phép d ch, quay. Các thanh ghi là kho ch a l nh và d  li u t m th i cho CPU xị ứ ệ ữ ệ ạ ờ ử 

lý. Bus trong CPU có nhi m v  truy n d n các tín hi u gi a các b  ph n trongệ ụ ề ẫ ệ ữ ộ ậ  CPU và k t n i v i h  th ng bus ngoài. Hình 2.1. minh ho  hai CPU c a hãngế ố ớ ệ ố ạ ủ  Intel là 8086 ra đ i năm 1978 và Core 2 Duo ra đ i năm 2006.ờ ờ

và d  li u c a h  th ng. Thông tin trong ROM đữ ệ ủ ệ ố ược n p t  khi s n xu t vàạ ừ ả ấ  

thường ch  có th  đ c ra trong quá trình s  d ng. H n n a thông tin trong ROMỉ ể ọ ử ụ ơ ữ  luôn t n t i k  c  khi không có ngu n đi n nuôi.  ồ ạ ể ả ồ ệ

Khác v i b  nh  ROM, b  nh  RAM thớ ộ ớ ộ ớ ường đượ ử ục s  d ng đ  l u l nhể ư ệ  

và d  li u c a c  h  th ng và c a ngữ ệ ủ ả ệ ố ủ ười dùng. RAM thường có dung lượng l nớ  

h n nhi u so v i ROM. Tuy nhiên, thông tin trong RAM ch  t n t i khi có ngu nơ ề ớ ỉ ồ ạ ồ  

đi n nuôi. Hình 3 minh ho  vi m ch b  nh  ROM và các vi m ch nh  RAM g nệ ạ ạ ộ ớ ạ ớ ắ  trên m t thanh nh  RAM.  ộ ớ

Hình 2.2  B  nh  ROM và RAMộ ớCác thi t b  vào ra:ế ị  Các thi t b  vào ra (Input – Output devices), hay cònế ị  

g i là các thi t b  ngo i vi (Peripheral devices) đ m nhi m vi c nh p d  li u vào,ọ ế ị ạ ả ệ ệ ậ ữ ệ  

đi u khi n h  th ng và k t xu t d  li u ra. Có hai nhóm thi t b  ngo i vi: (1) Cácề ể ệ ố ế ấ ữ ệ ế ị ạ  thi t b  vào (Input devices) và (2) Các thi t b  ra (Output devices). Các thi t b  vàoế ị ế ị ế ị  dùng đ  nh p d  li u vào và đi u khi n h  th ng, g m: bàn phím (keyboard),ể ậ ữ ệ ề ể ệ ố ồ  chu t (mouse),   đĩa (Disk Drives), máy quét  nh (Scanners),  Các thi t b  raộ ổ ả ế ị  dùng đ  xu t d  li u ra, g m: màn hình (Screen), máy in (Printers),   đĩa (Diskể ấ ữ ệ ồ ổ  Drives), máy v  (Plotters),  ẽ

Hình 2.3: Các thi t b  ngo i vi c  b n(Bàn phím, chu t, màn hình)ế ị ạ ơ ả ộ

Bus h  th ngệ ố : Bus h  th ng (System Bus) là m t t p các đệ ố ộ ậ ường dây k tế  

n i CPU v i các thành ph n khác c a máy tính. Bus h  th ng thố ớ ầ ủ ệ ố ường g m ba busồ  con: Bus đ a ch   – Bus A (Address bus), Bus d  li u – Bus D (Data bus), Bus đi uị ỉ ữ ệ ề  khi n  ­ Bus C (Control bus). Bus đ a ch  có nhi m v  truy n tín hi u đ a ch  tể ị ỉ ệ ụ ề ệ ị ỉ ừ CPU đ n b  nh  và các thi t b  ngo i vi; Bus d  li u v n chuy n các tín hi u dế ộ ớ ế ị ạ ữ ệ ậ ể ệ ữ 

li u theo hai chi u đi và đ n CPU; Bus đi u khi n truy n tín hi u đi u khi n tệ ề ế ề ể ề ệ ề ể ừ CPU đ n các thành ph n khác, đ ng th i truy n tín hi u tr ng thái c a các thànhế ầ ồ ờ ề ệ ạ ủ  

ph n khác đ n CPU.ầ ế

2. Đ nh nghĩa ki n trúc máy tínhị ế . 

Ki n trúc máy tính bao g m ba ph n: ế ồ ầ Ki n trúc ph n m m, t  ch c c a máyế ầ ề ổ ứ ủ  tính và  l p đ t ph n c ng.ắ ặ ầ ứ

Ki n trúc ph n m m c a máy tính ch  y u là ki n trúc ph n m m c a b  xế ầ ề ủ ủ ế ế ầ ề ủ ộ ử 

lý, bao g m: t p l nh, d ng các l nh và các ki u đ nh v ồ ậ ệ ạ ệ ể ị ị

Trong đó, t p l nh là t p h p các l nh mã máy (mã nh  phân) hoàn ch nh cóậ ệ ậ ợ ệ ị ỉ  

th  hi u và để ể ược x  lý b i b  x  lý trung tâm, thông thử ớ ộ ử ường các l nh trong t pệ ậ  

l nh đệ ược trình bày dướ ại d ng h p ng  M i l nh ch a thông tin yêu c u b  xợ ữ ỗ ệ ứ ầ ộ ử 

lý th c hi n, bao g m: mã tác v , đ a ch  toán h ng ngu n, đ a ch  toán h ng k tự ệ ồ ụ ị ỉ ạ ồ ị ỉ ạ ế  

qu , l nh k  ti p (thông thả ệ ế ế ường thì thông tin này  n).ẩ

Ki u đ nh v  ch  ra cách th c thâm nh p toán h ng.ể ị ị ỉ ứ ậ ạ

Ki n trúc ph n m m là ph n mà các l p trình viên h  th ng ph i n m v ngế ầ ề ầ ậ ệ ố ả ắ ữ  

đ  vi c l p trình hi u qu , ít sai sót.ể ệ ậ ể ả

Ph n t  ch c c a máy tính liên quan đ n c u trúc bên trong c a b  x  lý,ầ ổ ứ ủ ế ấ ủ ộ ử  

c u trúc các bus, các c p b  nh  và các m t k  thu t khác c a máy tính. Ph nấ ấ ộ ớ ặ ỹ ậ ủ ầ  này s  đẽ ược nói đ n   các chế ở ương sau

L p đ t ph n c ng c a máy tính ám ch  vi c l p ráp m t máy tính dùng cácắ ặ ầ ứ ủ ỉ ệ ắ ộ  linh ki n đi n t  và các b  ph n ph n c ng c n thi t. Chúng ta không nói đ nệ ệ ử ộ ậ ầ ứ ầ ế ế  

ph n này trong giáo trình.ầ

Ta nên l u ý r ng m t vài máy tính có cùng ki n trúc ph n m m nh ng ph nư ằ ộ ế ầ ề ư ầ  

t  ch c là khác nhau (VAX­ 11/780 và  ổ ứ VAX  8600). Các máy VAX­ 11/780 và VAX­ 11/785 có cùng ki n trúc ph n m m và ph n t  ch c g n gi ng nhau. Tuyế ầ ề ầ ổ ứ ầ ố  nhiên vi c l p đ t ph n c ng các máy này là khác nhau. Máy VAX­ 11/785 đãệ ắ ặ ầ ứ  dùng các m ch k t hi n đ i đ  c i ti n t n s  xung nh p và đã thay đ i m t ítạ ế ệ ạ ể ả ế ầ ố ị ổ ộ  

t  ch c c a b  nh  trong.ổ ứ ủ ộ ớ

3. Ki u thi hành m t l nh.ể ộ ệ  

Nh  đã mô t , m t l nh mã máy bao g m m t mã tác v  và các toán h ng.ư ả ộ ệ ồ ộ ụ ạ

Ví d : l nh mã máy 01101001010101010000001101100101ụ ệ

Vi c ch n s  toán h ng cho m t l nh mã máy là m t v n đ  then ch t vìệ ọ ố ạ ộ ệ ộ ấ ề ố  

ph i có m t s  cân đ i gi a t c đ  tính toán và s  các m ch tính toán ph i dùng.ả ộ ự ố ữ ố ộ ố ạ ả  

Tu  theo t n s  s  d ng các phép nh  trên mà các nhà thi t k  máy tính quy tỳ ầ ố ử ụ ư ế ế ế  

đ nh s  lị ố ượng các m ch ch c năng c n thi t cho vi c tính toán. Thông thạ ứ ầ ế ệ ường số toán h ng thay đ i t  0 t i 3.ạ ổ ừ ớ

Ví d : l nh Y := A + B + C + D có th  đụ ệ ể ược hi n b ng m t l nh mã máy n uệ ằ ộ ệ ế  

ta có 3 m ch c ng, ho c đạ ộ ặ ược th c hi n b ng 3 l nh mã máy n u chúng ta ch  cóự ệ ằ ệ ế ỉ  

m t m ch c ng, n u vi c tính toán trên x y ra ít, ngộ ạ ộ ế ệ ả ười ta ch  c n thi t k  m tỉ ầ ế ế ộ  

m ch c ng thay vì ph i t n chi phí l p đ t 3 m ch c ng. Tuy nhiên, v i m tạ ộ ả ố ắ ặ ạ ộ ớ ộ  

m ch c ng thì th i gian tính toán c a h  th ng s  ch m h n v i h  th ng có baạ ộ ờ ủ ệ ố ẽ ậ ơ ớ ệ ố  

m ch c ng.ạ ộ

V  trí c a toán h ng cũng đị ủ ạ ược xem xét. B ng 2.1 ch n m t vài nhà s n xu tả ọ ộ ả ấ  máy tính và 3 ki u c  b n c a v  trí các toán h ng đ i v i nh ng l nh tính toánể ơ ả ủ ị ạ ố ớ ữ ệ  trong ALU là:   ngăn x p, trên thanh ghi tích lu , và trên các thanh ghi đa d ng.ở ế ỹ ụ  

Nh ng ki n trúc ph n m m này đữ ế ầ ề ược g i là ọ ki n trúc ngăn x p, ki n trúc thanh ế ế ế   ghi tích luỹ và ki n trúc thanh ghi đa d ng ế ụ

PDP 8 Motorola 6809

tĩch luỹ

L nh n p vào ho c l y raệ ạ ặ ấ  

t  thanh ghi tích luừ ỹ (load, store)Thanh ghi 

đa d ngụ

IBM 360 DEC, VAX 2 ho c 3ặ

M t vài nhà s n xu t máy tính tuân th  ch t ch  các ki u ch n v  trí toánộ ả ấ ủ ặ ẽ ể ọ ị  

h ng nêu trên, nh ng ph n nhi u các b  x  lý dùng ki u h n t p. Ví d , m ch xạ ư ầ ề ộ ử ể ỗ ạ ụ ạ ử 

lý 8086 c a Intel dùng cùng m t lúc ki u "thanh ghi đa d ng" và ki u "thanh ghiủ ộ ể ụ ể  tích lu ".ỹ

Ví d  minh ho  chu i l nh ph i dùng đ  th c hi n phép tính C := A + Bụ ạ ỗ ệ ả ể ự ệ  trong 3 ki u ki n trúc ph n m m.ể ế ầ ề

B ng 2.2:  Chu i l nh dùng th c hi n phép tính C := A + B (gi  s  A,ả ỗ ệ ự ệ ả ử  

B, C đ u n m trong b  nh  trong).ề ằ ộ ớ

Hi n t i các nhà s n xu t máy tính có khuynh hệ ạ ả ấ ướng dùng ki n trúcế  

ph n m m thanh ghi đa d ng vì vi c thâm nh p các thanh ghi đa d ng nhanhầ ề ụ ệ ậ ụ  

h n thâm nh p b  nh  trong, và vì các chơ ậ ộ ớ ương trình d ch dùng các thanh ghi đaị  

d ng có hi u qu  h n.  ụ ệ ả ơ

Lo i ki n trúcạ ế L i đi mợ ể B t l iấ ợ

Ngăn x p (Stack)ế ­ L nh ng n ệ ắ

­ Ít mã máy ­ Làm t i thi u tr ngố ể ạ  thái bên trong c a máyủ  tính

 ­ D  dàng t o ra m tễ ạ ộ  

b  biên d ch đ n gi nộ ị ơ ả  cho   ki n   trúc   ngănế  

x pế

Thâm nh p ngăn x pậ ế  không   ng u   nhiên   ­ẫ  

Thanh   ghi   tích   luỹ 

(Accumulator Register

­ L nh ng n ­ Làm t iệ ắ ố  thi u   tr ng   thái   bênể ạ  trong   c a   máy   tínhủ  (yêu c u ít m ch ch cầ ạ ứ  năng). ­ Thi t k  dế ế ễ dàng

­ L u gi    thanh ghiư ữ ở  tích lu  là t m th i. ỹ ạ ờ

­   Ngh n     thanh  ghiẽ ở  tích lu  ỹ

­  Khó   dùng trong xử 

lý   song   song   và   ngố  

d n ­ Trao đ i nhi uẫ ổ ề  

v i b  nh  ớ ộ ớThanh   ghi   đa   d ngụ  

Do hi n nay ki u ki n trúc thanh ghi đa d ng chi m v  trí hàng đ u nên trongệ ể ế ụ ế ị ầ  các ph n sau, ta ch  đ  c p đ n ki u ki n trúc này.ầ ỉ ề ậ ế ể ế

Đ i v i m t l nh tố ớ ộ ệ ính toán ho c logic đi n ặ ể hình (l nh ALU), có 2 đi m c nệ ể ầ  nêu lên

Trước tiên, m t l nh ALU ph i có 2 ho c 3 toán h ng. N u trong l nh có 3ộ ệ ả ặ ạ ế ệ  toán h ng thì m t trong các toán h ng ch a k t qu  phép tính trên hai toán h ngạ ộ ạ ứ ế ả ạ  kia (Ví d : add A, B, C).ụ

N u trong l nh có 2 toán h ng thì m t trong hai toán h ng ph i v a là toánế ệ ạ ộ ạ ả ừ  

h ng ngu n, v a là toán h ng đích (Ví d : add A, B).ạ ồ ừ ạ ụ

Th  hai,ứ  s  lố ượng toán h ng b  nh  có trong l nh. S  toán h ng b  nh  cóạ ộ ớ ệ ố ạ ộ ớ  

th  thay đ i t  0 t i 3.ể ổ ừ ớ

Trong nhi u cách t  h p có th  có các lo i toán h ng c a m t l nh ALU,ề ổ ợ ể ạ ạ ủ ộ ệ  các máy tính hi n nay ch n m t trong 3 ki u sau : thanh ghi­thanh ghi (ki u nàyệ ọ ộ ể ể  còn được g i ọ n p ­ l u tr ),ạ ư ữ  thanh ghi ­ b  nh  và b  nh  ­ b  nh ộ ớ ộ ớ ộ ớ

Ki u thanh ghi ­ thanh ghi để ược nhi u nhà ch  t o máy tính l u ý v i các lýề ế ạ ư ớ  do: vi c t o các mã máy đ n gi n, chi u dài mã máy c  đ nh và s  chu k  xungệ ạ ơ ả ề ố ị ố ỳ  

nh p c n thi t cho vi c th c hi n l nh là c  đ nh, ít thâm nh p b  nh  Tuyị ầ ế ệ ự ệ ệ ố ị ậ ộ ớ  nhiên, ki u ki n trúc này cũng có m t vài h n ch  c a nó nh : s  lể ế ộ ạ ế ủ ư ố ượng thanh ghi b  gi i h n, vi c các thanh ghi có cùng đ  dài d n đ n không hi u qu  trongị ớ ạ ệ ộ ẫ ế ệ ả  các l nh x  lý chu i cũng nh  các l nh có c u trúc. Vi c l u và ph c h i cácệ ử ố ư ệ ấ ệ ư ụ ồ  

tr ng thái khi có các l i g i th  t c hay chuy n đ i ng  c nh.ạ ờ ọ ủ ụ ể ổ ữ ả

5 T p l nh.ậ ệ

M c tiêu c a ph n này là dùng các ví d  trích t  các ki n trúc ph n m mụ ủ ầ ụ ừ ế ầ ề  

được dùng nhi u nh t, đ  cho th y các k  thu t   m c ngôn ng  máy dùng đề ấ ể ấ ỹ ậ ở ứ ữ ể thi hành các c u trúc trong các ngôn ng  c p cao.ấ ữ ấ

Đ  minh ho  b ng thí d , ta dùng cú pháp l nh trong h p ng  sau đây :ể ạ ằ ụ ệ ợ ữ

T  g i nh  mã l nh, thanh ghi đích, thanh ghi ngu n 1, thanh ghi ngu n 2.ừ ợ ớ ệ ồ ồ

T  g i nh  mã l nh mô t  ng n g n tác v  ph i thi hành trên các thanh ghiừ ợ ớ ệ ả ắ ọ ụ ả  ngu n, k t qu  đồ ế ả ượ ưc l u gi  trong thanh ghi đích.ữ

M i l nh c a ngôn ng  c p cao đỗ ệ ủ ữ ấ ược xây d ng b ng m t l nh mã máy ho cự ằ ộ ệ ặ  

m t chu i nhi u l nh mã máy. L nh nh y (GOTO) độ ỗ ề ệ ệ ả ược th c hi n b ng cácự ệ ằ  

l nh h p ng  v  nh y (JUMP) ho c l nh h p ng  v  vòng. Chúng ta phân bi tệ ợ ữ ề ả ặ ệ ợ ữ ề ệ  

l nh nh y làm cho b  đ m chệ ả ộ ế ương trình được n p vào đ a ch  tuy t đ i n i ph iạ ị ỉ ệ ố ơ ả  

nh y đ n (PC <­ đ a ch  tuy t đ i n i ph i nh y t i), v i l nh vòng theo đó ta chả ế ị ỉ ệ ố ơ ả ả ớ ớ ệ ỉ 

c n c ng thêm m t đ  d i vào b  đ m chầ ộ ộ ộ ờ ộ ế ương trình (PC <­ PC + đ  d i). Ta l uộ ờ ư  

ý là trong trường h p sau, PC ch a đ a ch  tợ ứ ị ỉ ương đ i so v i đ a ch  c a l nh sauố ớ ị ỉ ủ ệ  

l nh vòng.ệ 5.1. Gán tr ị

Vi c gán tr , g m c  gán tr  cho bi u th c s  h c và logic, đệ ị ồ ả ị ể ứ ố ọ ược th c hi n nhự ệ ờ 

m t s  l nh mã máy. Cho các ki n trúc RISC, ta có th  nêu lên các l nh sau :ộ ố ệ ế ể ệ

­ L nh b  nhệ ộ ớ

LOAD Ri, M (đ a ch ) M[đ a ch ] <­ Ri ị ỉ ị ỉ

STORE Ri, M(đ a ch ) ; Ri <­ M[đ a ch ]ị ỉ ị ỉ

Đ a ch  đị ỉ ược tính tu  theo ki u đ nh v  đỳ ể ị ị ược dùng

­ L nh tính toán s  h c: ệ ố ọ  tính toán s  nguyên trên n i dung c a hai thanh ghi Ri, Rjố ộ ủ  

OR (l nh HO C)ệ Ặ

XOR (l nh HO C LO I)ệ Ặ Ạ

NEG (l nh l y s  bù 1 )ệ ấ ố

Hình 2.4: Minh ho  l nh d ch chuy n và quay vòng ạ ệ ị ể

­ Các l nh d ch chuy n s  h c ho c logic (SHIFT ), quay vòng (ROTATE) cóệ ị ể ố ọ ặ  

ho c không có s  gi    ngã vào, sang ph i ho c sang trái. Các l nh này đặ ố ữ ở ả ặ ệ ượ  c

th c hi n trên m t thanh ghi và k t qu  l u gi  trong thanh ghi khác. S  l n d chự ệ ộ ế ả ư ữ ố ầ ị  chuy n (m i l n d ch sang ph i ho c sang trái m t bit) thể ỗ ầ ị ả ặ ộ ường được xác đ nhị  trong thanh ghi th  ba. Hình 2.4 ứ minh ho  cho các l nh nàyạ ệ