Bài giảng Cấu trúc máy tính và giao diện

Cũng như hệ thập phân, nhị phân cũng là một hệ thống số trong đó các giá trị số được biểu diễn chỉ bằng hai chữ số 0 và 1.. Để phân biệt với các hệ cơ số khác, ta thường thêm chữ cái „[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ

BÀI GIẢNG

CẤU TRÚC MÁY TÍNH

VÀ GIAO DIỆN

Bậc học: Cao đẳng

Giảng viên: Nguyễn Phạm Hoàng Dũng

Bộ môn: Điện – Điện tử Khoa: Kỹ thuật – Công nghệ

Quảng Ngãi, tháng 12/2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ

BÀI GIẢNG

CẤU TRÚC MÁY TÍNH

VÀ GIAO DIỆN

Bậc học: Cao đẳng (Số tiết: 30)

Giảng viên: Nguyễn Phạm Hoàng Dũng

Bộ môn: Điện – Điện tử Khoa: Kỹ thuật – Công nghệ

Quảng Ngãi, tháng 12/2015

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 2

Chương 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG SỐ 3

1.1 Các hệ đếm 3

1.1.1 Hệ thập phân (decimal) 3

1.1.2 Hệ nhị phân (binary) 3

1.1.3 Hệ thập lục phân (hexadecimal) 5

1.2 Các phép toán 7

1.2.1 Các phép toán logic 7

1.2.2 Các phép toán số học 8

1.3 Biểu diễn số 11

1.4 Biểu diễn ký tự 14

Chương 2 GIỚI THIỆU CÁC HỆ MÁY TÍNH 17

2.1 Các thế hệ máy tính 17

2.1.1 Thế hệ zero 17

2.1.2 Thế hệ đầu tiên (1945 – 1953) 18

2.1.3 Thế hệ thứ hai (1954 – 1965) 19

2.1.4 Thế hệ thứ ba (1965 – 1980) 20

2.1.5 Thế hệ thứ tư (1980 đến nay) 20

2.2 Chức năng máy tính 21

2.3 Cấu trúc và tổ chức máy tính 22

2.4 Phân loại 23

2.4.1 Phân loại theo cấu trúc tập lệnh 23

2.4.2 Phân loại theo khả năng xử lý của máy tính 25

2.5 Máy tính Von Neumann 26

Chương 3 CẤU TRÚC TỔNG QUÁT 28

3.1 Thùng máy – nguồn 28

3.2 Mainboard 30

3.3 CPU 33

3.4 RAM 36

3.5 BIOS VÀ CMOS RAM 39

3.6 Interfaces 40

3.7 Chipset 43

3.8 Ổ đĩa cứng 44

3.9 Ổ đĩa quang 48

3.10 Màn hình 49

Chương 4 CẤU TRÚC BÊN TRONG MÁY TÍNH 50

4.1 Vi xử lý 50

4.1.1 Kiến trúc 50

4.1.2 Cấu trúc pipeline 51

4.1.3 Kỹ thuật superscalar 54

4.1.4 Thanh ghi 54

4.1.5 Tập lệnh 56

4.2 Bộ nhớ 58

4.2.1 Phân loại bộ nhớ 59

4.2.2 Cấu trúc cơ bản 62

4.3 Hệ thống kết nối (bus) 63

4.3.1 Phân loại 63

4.3.2 Chức năng 65

4.4 Hệ thống cache 68

4.4.1 Giới thiệu 68

4.4.2 Chức năng 69

4.4.3 Cache nhiều tầng 70

4.4.4 Phân loại 71

Chương 5 HỆ THỐNG XUẤT NHẬP 73

5.1 Hệ thống ngắt 74

5.2 Truy cập trực tiếp bộ nhớ 77

5.3 Thiết bị bên ngoài 80

5.4 Các ngoại vi 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

LỜI NÓI ĐẦU

Bài giảng “Cấu trúc máy tính và giao diện” được biên soạn dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên bậc cao đẳng chính qui ngành công nghệ kỹ thuật Điện – Điện

tử trường Đại học Phạm Văn Đồng Bài giảng bao gồm 5 chương, cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về quá trình phát triển của máy vi tính, cấu trúc cơ bản của một máy vi tính hiện đại, các chuẩn và thông số kỹ thuật của các thành phần tạo nên một chiếc máy tính, một số kỹ thuật xử lý nhằm cải thiện tốc độ xử lý của máy tính theo thời gian, một số chi tiết của hệ thống máy tính như: bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ, cache, … Bài giảng này cũng góp phần giúp sinh viên cập nhật những công nghệ mới thông qua các ví dụ thực tế

Nội dung chi tiết của bài giảng như sau:

- Chương 1: Giới thiệu hệ thống số

- Chương 2: Giới thiệu các hệ máy tính

- Chương 3: Cấu trúc tổng quát

- Chương 4: Cấu trúc bên trong máy tính

- Chương 5: Hệ thống xuất nhập Trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc để bài giảng được hoàn thiện hơn Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Điện – Điện tử, Khoa Kỹ thuật – Công nghệ, Trường Đại học Phạm Văn Đồng

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

CPU Central Processing Unit Đơn vị xử lý trung tâm

MSB Most Significant Bit Bit có trọng số lớn nhất

LSB Least Significant Bit Bit có trọng số thấp nhất

ASCII American Standard Code for

Information Interchange

Chuẩn mã trao đổi thông tin Hoa Kỳ

VLSI Very Large Scale Integration Tích hợp cỡ lớn

CISC Complex Instruction Set

RISC Reduced Instruction Set

RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập dữ liệu ngẫu

nhiên

SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ RAM tĩnh

DRAM Dynamic Random Access Memory Bộ nhớ RAM động SDRAM Synchronous Dynamic Random

DDR Double Data Rate Gấp đôi tốc độ dữ liệu

BIOS Basic Input/Output System Hệ thống xuất nhập cơ bản

CMOS Complementary

Metal-Oxide-Semiconductor

Bộ nhớ RAM lưu trữ thông tin cấu hình máy tính

HDD Hard Disk Drive Ổ đĩa cứng cơ truyền thống

SSD Solid-State Drive Ổ đĩa cứng thể rắn

ALU Arithmetic Logic Unit Đơn vị tính toán số học

DMA Direct Memory Access Giao thức truy cập trực tiếp bộ

nhớ

DMAC Direct Memory Access Controller Bộ điều khiển truy cập trực

tiếp bộ nhớ

Chương 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG SỐ

Một hệ thống máy tính bao gồm rất nhiều thành phần, trong đó bộ xử lý trung tâm (hay còn gọi là CPU) chính là bộ não của cả hệ thống CPU sẽ tiếp nhận

và xử lý mọi thông tin trong hệ thống Thông tin hay còn được gọi là dữ liệu trong một hệ thống máy tính được biểu diễn dưới dạng số nhị phân Hệ số nhị phân còn gọi là hệ cơ số hai chỉ bao gồm hai chữ số 0 và 1 Trong máy tính nói riêng và trong các mạch điện tử số nói chung, các giá trị này được mã hóa dưới dạng các tín hiệu điện với các giá trị điện áp hoặc dòng điện tương ứng khác nhau Việc tính toán, xử

lý dữ liệu nhị phân trong máy tính cũng được thực hiện tương tự như trong toán học

1.1 Các hệ đếm

1.1.1 Hệ thập phân (decimal)

Hệ thập phân là hệ cơ số rất quen thuộc đối với chúng ta, đây là hệ cơ số được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày để biểu diễn các giá trị số, còn được gọi là

hệ cơ số mười hay hệ mười

Hệ thập phân sử dụng 10 chữ số để biểu diễn hệ thống số Mười chữ số này là: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Số dương và số âm được biểu diễn bằng dấu “+” và “-“ trước mỗi số Để phân biệt với hệ cơ số khác, ta thường thêm chữ cái „D‟ vào phía cuối để chỉ ra rằng đó là một số trong hệ thập phân, ta cũng có thể bỏ „D‟ đi mà vẫn ngầm hiểu đó là số thuộc hệ thập phân

1.1.2 Hệ nhị phân (binary)

Cũng như hệ thập phân, nhị phân cũng là một hệ thống số trong đó các giá trị

số được biểu diễn chỉ bằng hai chữ số 0 và 1 Để phân biệt với các hệ cơ số khác, ta thường thêm chữ cái „B‟ vào phía cuối số nhị phân

Ví dụ: 10B, 11B, 100B, 1100B, 10100110B…

Mỗi giá trị trong hệ nhị phân tương ứng với một giá trị trong hệ thập phân và ngược lại Việc chuyển đổi qua lại giữa các giá trị trong hệ thập phân và hệ nhị phân được thực hiện như sau

+ Chuyển một số từ hệ nhị phân sang hệ thập phân

Việc chuyển đổi từ số nhị phân sang số thập phân được thực hiện bằng cách

hệ số của số nhị phân, có thể nhận một trong hai giá trị 0 hoặc 1 Khi đó 2 i sẽ là

phân bằng công thức sau:

bn*2n + bn-1*2n-1 + … + b1*21 + b0*20

Ví dụ: ta có số nhị phân: 1011B

Số thập phân tương ứng sẽ là:

b3*23 + b2*22 + b1*21 + b0*20 = 1*23 + 0*22 + 1*21 + 1*20 = 11 Như vậy, số 1011B sẽ tương ứng với số 11 trong hệ thập phân

Ví dụ: số nhị phân: 110011B

Như vậy, số 110011B tương ứng với số 51 trong hệ thập phân

+ Chuyển một số từ hệ thập phân sang hệ nhị phân

Việc chuyển đổi một số từ hệ thập phân sang hệ nhị phân được thực hiện bằng cách lấy số cần đổi chia cho 2 và ghi nhớ phần dư, tiếp theo lấy thương của phép chia trước đó chia cho 2 và ghi nhớ phần dư Làm như vậy cho tới khi được thương bằng 0 Đảo ngược thứ tự dãy số dư ta sẽ được các chữ số của hệ nhị phân cần tìm

Ví dụ: hình 1.1 mô tả cách đổi số 50 sang hệ nhị phân

Số dư (số gạch dưới) được sắp xếp theo chiều mũi tên, như vậy 50 = 110010B

Hình 1.1 Đổi một số thập phân sang hệ nhị phân

Hệ nhị phân là hệ cơ số được sử dụng trong máy tính nói riêng và trong các mạch điện tử số nói chung Các giá trị 0 và 1 được hiểu là các mức điện áp (hoặc dòng điện) khác nhau trong mạch (một số ví dụ như đã đề cập ở phần trên) Trong

thế giới máy tính, các số 0 và 1 được gọi là các bit Một nhóm 4 bit sẽ tạo thành 1

nibble, nhóm 8 bit sẽ tạo thành một byte, nhóm 16 bit sẽ tạo thành một word Bit

đầu tiên bên trái trong chuỗi bit được gọi là bit MSB, bit cuối cùng bên phải trong chuỗi bit được gọi là bit LSB

Ví dụ:

+ Bit: 0B, 1B + Nibble: 1011B, 1110B, 1000B, … + Byte: 01011110B, 11110000B, 11000001B, … + Word: 1000010111100001B, 1111000010101100B, …

Từ các ví dụ trên ta có thể thấy, một nibble có thể biểu diễn được số lớn nhất

là 15, một byte có thể biểu diễn được số lớn nhất là 255, một word có thể biểu diễn

số lớn nhất là 65535 Để biểu diễn những số lớn hơn ta phải dùng những chuỗi bit dài hơn, điều này rất bất tiện cho con người trong việc ghi chép, tính toán trên giấy

Để khắc phục nhược điểm trên người ta thường sử dụng hệ thập lục phân

1.1.3 Hệ thập lục phân (hexadecimal)

Hệ thập lục phân hay còn gọi là hệ cơ số 16, cũng là một hệ thống số trong

đó các giá trị số được biểu diễn bằng các chữ số từ 0 đến 9 và các chữ cái từ A đến

F, tương ứng với giá trị thập phân từ 0 đến 15 Để phân biệt với các hệ cơ số khác,

ta thương thêm chữ cái „H‟ vào phía cuối số thập lục phân

Ví dụ: 19H, AB5H, 2F0CH, E104DH, …

Như đã đề cập ở trên, hệ thập lục phân ra đời nhằm khắc phục nhược điểm của số trong hệ nhị phân, đó là việc sử dụng một chuỗi số nhị phân quá dài để biểu diễn một giá trị lớn Để việc biểu diễn một kết quả nhị phân gọn lại, người ta thường chuyển các kết quả này thành các số thập lục phân bằng cách nhóm 4 bit số nhị phân thành một số thập lục phân

Ví dụ: chuyển số 110001111000001011101011B thành số thập lục phân

Ta sẽ nhóm từng 4 bit số nhị phân lại để tạo thành một số thập lục phân: 1100B có giá trị là 12 tương ứng với „C‟, 0111B có giá trị 7 tương ứng với 7, 1000B có giá trị 8 tương ứng với 8, 0010B có giá trị 2 tương ứng với 2, 1110B có giá trị 14 tương ứng với „E”, 1011B có giá trị 11 tương ứng với „B‟ trong hệ thập lục phân Do đó, số nhị phân đã cho sẽ có giá trị tương ứng là C782EB trong hệ thập lục phân

Đối với các số nhị phân có số bit không chia hết cho 4, ta thêm các bit 0 vào phía liền trước bit MSB để được số bit chia hết cho 4 rồi nhóm lại theo cách trên

Ví dụ: chuyển số 11101011011111B thành số thập lục phân

Do số bit của số nhị phân trên là 14 không chia hết cho 4 nên ta phải thêm 2 bit 0 vào phía liền trước bit MSB để tạo thành số 0011101011011111B, sau đó nhóm lại như sau:

Như vậy, số nhị phân 11101011011111B tương ứng với số 3ADFH Việc chuyển từ số thập lục phân thành số nhị phân được thực hiện theo cách ngược lại, tức là một chữ số thập lục phân được phân tích thành 4 bit nhị phân

Ví dụ: chuyển số A3C5H thành số nhị phân

1010 0011 1100 0101

Ta có, „A‟ có giá trị 10 ứng với 1010B, 3 có giá trị 3 ứng với số 0011B, „C‟

có giá trị 12 ứng với số 1100B, 5 có giá trị 5 ứng với số 0101B Như vậy, A3C5 trong hệ thập lục phân tương ứng với số 1010001111000101 trong hệ nhị phân

1.2 Các phép toán

1.2.1 Các phép toán logic

Các phép toán logic bao gồm 4 phép toán cơ bản, đó là: NOT, AND, OR, XOR, thường dùng để diễn tả một kết quả từ các điều kiện cho trước Các phép toán này được thực hiện với các toán hạng là các bit 0 (điều kiện sai) và 1 (điều kiện đúng), kết quả cuối cùng cũng là một bit 0 (kết quả sai) hoặc 1 (kết quả đúng) Sau đây ta sẽ xét từng phép toán

a Phép toán AND

Giả sử z = x AND y

Kết quả của phép toán AND chỉ bằng 1 khi cả hai toán hạng đều bằng 1, tức

là kết quả chỉ đúng khi cả hai điều kiện đều đúng

b Phép toán OR

Giả sử z = x OR y

Kết quả của phép toán OR chỉ bằng 0 khi cả hai toán hạng đều bằng 0, tức là kết quả chỉ sai khi cả hai điều kiện đều sai

c Phép toán XOR

Giả sử z = x XOR y

x y z

Kết quả của phép toán XOR bằng 0 khi hai toán hạng giống nhau, tức là kết quả chỉ sai khi hai điều kiện giống nhau (cùng đúng hoặc cùng sai)

d Phép toán NOT

Phép toán này chỉ có một toán hạng Giả sử y = NOT x

Kết quả y được gọi là bù của toán hạng x

1.2.2 Các phép toán số học

Việc thực hiện các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia, …) trong hệ thập phân đã quá quen thuộc với chúng ta, do đó, nội dung phần này chỉ trình bày cách thực hiện các phép toán số học trong hệ nhị phân

a Phép cộng

Phép cộng trong hệ nhị phân được thực hiện giống như trong hệ thập phân (cộng cột theo cột), chỉ có sự khác biệt ở điểm: hệ thập phân có 10 chữ số (từ 0 đến 9) còn hệ nhị phân chỉ có 2 chữ số (0 và 1) Phép cộng hai chữ số 0 và 1 được thực hiện theo quy tắc sau đây

Xét phép cộng y = a+b, số nhớ là c

Cũng giống như số thập phân, số nhớ sẽ được cộng vào bit cao hơn kế tiếp Xét các ví dụ sau

Ví dụ: thực hiện phép cộng 001B + 100B

100 001



Trong hệ thập phân, phép cộng này tương ứng là 1+4=5 (001B = 1, 100B =

4, 101B = 5) Đây là phép cộng không có số nhớ Xét ví dụ tiếp theo với phép cộng

có sử dụng số nhớ

Ví dụ: thực hiện phép cộng 0011B + 0110B

Trong hệ thập phân, phép cộng này tương ứng là 3+6=9

Ví dụ: thực hiện phép cộng 1011B + 0101B

Trong hệ thập phân, phép cộng này tương ứng là 13+7=20 Các số hạng trong phép cộng là các số 4 bit, tổng 20 là một số 5 bit Do đó, trong trường hợp

tổng quát, nếu số hạng lớn hơn có n bit thì tổng sẽ có n+1 bit

b Phép trừ

Phép trừ trong hệ nhị phân cũng được thực hiện tương tự như trong hệ thập phân Quy tắc trừ các bit nhị phân được cho như sau

Xét phép trừ y=a-b, số mượn là c

Cũng giống như số thập phân, số mượn sẽ được trừ vào bit cao hơn kế tiếp Xét các ví dụ sau đây

Ví dụ: thực hiện phép trừ 101B – 001B

100 001

101



Trong hệ thập phân, phép trừ này tương ứng với 5-1=4 Phép trừ này không

sử dụng số mượn Xét ví dụ tiếp theo với phép trừ sử dụng số mượn

Ví dụ: thực hiện phép trừ 1010B – 0110B

Trong hệ thập phân, phép trừ này tương ứng với 10-6=4

c Phép nhân

Phép nhân trong hệ nhị phân cũng được thực hiện tương tự như trong hệ thập phân

Ví dụ: thực hiện phép nhân 1011B x 1101B

Phép nhân trên trong hệ thập phân tương ứng với 11x13=143

Khi nhân một số n bit với một số m bit, tích số sẽ có m+n bit

d Phép chia

Phép chia trong hệ nhị phân cũng được thực hiện tương tự như trong hệ thập phân

Ví dụ: thực hiện phép chia 11011001B:1011B

Trong hệ thập phân, phép chia này tương ứng với 217:11 được thương số là

19 và số dư là 8

1.3 Biểu diễn số

Trong các nội dung trên, ta chỉ đề cập đến các số nguyên không có dấu Trong phần này ta sẽ tìm hiểu cách biểu diễn một số nguyên có dấu và số thập phân

a Số có dấu

Trong hệ nhị phân, số có dấu được biểu diễn bằng số bù 2 Số bù 2 được tính

từ số bù 1, cách tính được trình bày như trong phần sau

Số bù 1

Số bù 1 của một số nhị phân là một số nhị phân mà khi cộng với số nhị phân

đã cho thì tổng bằng 1 ở tất cả các bit Để tìm số bù 1 của một số nhị phân bất kỳ, ta chỉ cần đổi bit 0 thành 1 và 1 thành 0

Ví dụ:

Số bù 2

Số bù 2 của một số nhị phân bằng số bù 1 của nó cộng thêm 1

Ví dụ:

Số có dấu được biểu diễn bằng số bù 2 như sau:

- Bit có trọng số lớn nhất (MSB) là bit dấu Số dương có bit dấu bằng 0, số

âm có bit dấu bằng 1

- Các bit còn lại biểu diễn giá trị thực của số dương hay trị bù 2 của số âm

Trong cách biểu diễn số có dấu, để tìm số đối của một số, ta chỉ cần tìm số

bù 2 của số đó

Ví dụ: tìm số nhị phân biểu diễn cho số -5

Để biểu diễn số -5 (trong tầm từ -8 đến 7), ta cần số nhị phân có n=4 bit

- Số 5 tương ứng với số nhị phân 4 bit là: 0101

- Số bù 1 của 0101B là: 1010B