Giáo trình Kiến trúc máy tính - Nguyễn Trung Đồng

Đơn vị điều khiển CU gồm thanh ghi lệnh IR ( Instruction Register ), là nơi chứa lệnh mà CPU đọc về từ ô nhớ lệnh, bao gồm cả phần mã lệnh và phần địa chỉ toán hạng, khối giải mã [r]

LỜI NÓI ĐẦU

Máy tính đang ngày càng trở thành một công cụ không thể thiếu cũng như không thể thay thế được trong đời sống thường nhật Ứng dụng công nghệ thông tin trong sinh hoạt hàng ngày, trong sản xuất ra của cải vật chất cũng như trong công việc điều hành, quản lý ngày càng phổ biến Có thể nói mọi người, không phân biệt giới tính hay tuổi tác, đều tìm được ở công cụ sắc bén này một niềm hứng khởi, say mê kể cả trong giải quyết công việc cũng như học hỏi, nghiên cứu sáng tạo hay giải trí Cấu tạo máy tính ngày càng hiện đại, tinh vi, phức tạp, bao gồm nhiều thành phần chức năng và đòi hỏi sự liên kết, hợp tác của nhiều ngành khoa học, công nghệ mũi nhọn tạo

nên Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) là ngành khoa học

nghiên cứu nguyên lý hoạt động, tổ chức (organization) máy tính từ các thành phần chức năng cơ bản – cấu trúc và tổ chức phần cứng, tập lệnh –

mà qua đó, các lập trình viên có thể nhận thấy, sử dụng, khai thác và sáng tạo để đáp ứng tốt hơn, đầy đủ hơn những yêu cầu của người dùng

Một máy tính không chỉ bao gồm các thành phần vật lý, các khổi chức

năng – thường được gọi là phần cứng (hardware) – mà còn bao gồm một

khối lượng đồ sộ các chương trình điều hành, quản lý, tiện ích và ứng dựng,

được gọi là phần mềm (software)

Giáo trình được biên soạn trên cơ sở bài giảng của tác giả tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và truyền thông, Đại học Thái Nguyên từ những năm 2002-2010, trường Đại học Thăng Long, và Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông; giáo trình trình bày những vấn đề lý thuyết và những thành phần cơ bản nhất, chung nhất của kiến trúc máy tính Giáo trình được biên soạn cho sinh viên học ngành Công nghệ thông tin tại các trường Đại học Các thuật ngữ khoa học sử dụng trong tài liệu được trích dẫn bằng tiếng Anh – ngôn ngữ chung trong ngành Công nghệ thông tin Tuy nhiên, tác giả cũng muốn tài liệu có thể dùng làm tham khảo cho những ai quan tâm hay yêu thích tìm hiểu những kiến thức cơ bản của lĩnh vực chuyên môn này

Nội dung giáo trình được trình bày trong 8 chương

Chương I nhắc lại những kiến thức cơ bản về mạch điện tử số, các

cổng logic, mạch flip-flop, v.v…, những phần tử cơ bản nhất cấu thành các mạch chức năng trong máy tính Các kiến thức cơ bản về mạch tổ hợp, mạch tuần tự, mạch cộng dữ liệu nhị phân, thanh ghi dịch, …, cũng được trình bày Những kiến thức này rất cần thiết để sinh viên dễ dàng nắm bắt nguyên

lý làm việc của các khối chức năng cơ bản trong máy tính

Chương II giới thiệu những kiến thức tổng quan về kiến trúc máy tính,

bắt đầu từ nguyên lý kiến trúc, chức năng, nhiệm vụ và các thành phần cơ bản tạo nên một máy tính theo nguyên lý Von Neumann Nội dung chương phân biệt hai khái niệm kiến trúc, tổ chức máy tính với cấu trúc máy tính để

dễ dàng nắm bắt các yêu cầu hiểu biết về CPU, về bộ nhớ, về các thiết bị ngoại vi và liên kết hệ thống giữa các đơn vị chức năng này Nguyên lý và phương thức biểu diễn các thông tin số, thông tin không số cũng được trình bày trong chương này

Chương III trình bày kiến trúc và các bước thiết kế kiến trúc đơn vị xử

lý trung tâm CPU, đơn vị điều khiển CU thông qua việc phân tích hoạt động chức năng thực thi lệnh, thực thi chương trình

Chương IV phân tích kiến trúc tập lệnh và phương thức CPU thực hiện

lệnh, chu kỳ lệnh trong thực hiện chương trình, thông qua đó củng cố sâu thêm những hiểu biết về nguyên lý kiến trúc, chuẩn bị kiến thức cơ sở cho lập trình hệ thống Thông qua truy xuất bộ nhớ để lấy lệnh, lấy dữ liệu, phân tích các phương pháp định vị ô nhớ trong cấu trúc lệnh

Chương V trình bày khái niệm BUS trong chức năng các kênh truyền

dẫn thông tin, dữ liệu liên kết các thành phần chức năng của một máy tính Nội dung chương đề cập các mối liên kết thông qua hệ thống BUS giữa CPU với bộ nhớ, giữa CPU với các thiết bị ngoại vi và các yêu cầu về định thời cho hoạt động trao đổi thông tin, dữ liệu Chức năng truy cập trực tiếp bộ nhớ (Direct Memory Access), chức năng quản lý và điều khiển quá trình ngắt cũng được phân tích trong chương này Trên cơ sở phân tích các nội dung trên, đưa ra yêu cầu thiết kế, xây dựng hệ thống BUS nhằm đảm bảo cho hệ thống máy tính hoạt động ổn định

Chương VI trình bày tổ chức và quản lý bộ nhớ Các khái niệm phần

tử nhớ, tạo từ nhớ từ các chip nhớ được đề cập cụ thể Nội dung cũng đề cập phương thức quản lý bộ nhớ theo phân đoạn, phân trang, quản lý bộ nhớ trong chế độ bảo vệ, quản lý theo đặc quyền truy xuất Các phương pháp tổ chức và quản lý bộ nhớ cache, thành phần nâng cao đáng kể hiệu suất hoạt động của CPU, được khảo sát kỹ trong chương này

Chương VII phân tích yêu cầu cơ bản của một vài thiết bị ngoại vi chủ

yếu như thiết bị nhập liệu, thiết bị hiển thị kết quả xử lý

Chương VIII giới thiệu sơ lược về kỹ thuật và các công cụ phục vụ

phát triển hệ thống phần mềm của máy tính Những khái niệm cơ bản về lập trình hợp ngữ, chương trình dịch, chương trình thông dịch, và khái niệm hệ điều hành Đây là những kiến thức tối thiểu và khái niệm phần mềm, thành phẫn cốt lõi thứ hai tạo nên một hệ thống máy tính

Như đã nói ở trên, giáo trình này được biên soạn lại theo nội dung các bài giảng tác giả sử dụng lâu nay, mặc dù đã rất cố gắng, song chắc chắn còn nhiều thiếu sót Mong các độc giả góp ý để tác giả rút kinh nghiệm và

bổ sung

Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ Thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các đồng nghiệp tại bộ môn Khoa học máy tính, Kỹ thuật máy tính của các trường mà tác giả từng cùng tham gia giảng dạy đã luôn luôn động viên, góp ý trong quá trình biên soạn

Rất mong nhận được sự góp ý của quý độc giả theo địa chỉ Email

dongnt@hn.vnn.vn

Xin chân thành cảm ơn

Chương I Những kiến thức cơ sở

1 Một số phần tử Logic cơ bản

Các mạch logic cơ bản được tạo ra từ liên kết các phần tử điện tử thông dụng là transistor, diode, điện trở, tụ điện,… Tuỳ theo công nghệ chế tạo các phần tử đó mà chúng có những tên gọi khác nhau như logic TTL,

logic CMOS, logic HMOS, logic MOSFET v.v…Hình I.1 cho ta thấy cấu

trúc mạch nguyên lý của một phần tử TTL thực hiện chức năng đảo tích logic của hai giá trị đầu vào (NAND)

Phần tử logic cơ bản thực hiện các hàm của đại số Boole như NOT, AND, NAND, OR, XOR, v.v…Từ các phần tử này, người ta xây dựng được các mạch tổ hợp (Combinational Circuits) các mạch lật (FlipFlop) với những đặc tính chuyển đổi trạng thái khác nhau như R-S FlipFlop, D-FlipFlop, T-FlipFlop, J-K FlipFlop mà nhờ chúng, ta xây dựng được các mạch tuần tự (Sequencial Circuits) và các máy hữu hạn (Finite State Machine), những mạch tích hợp tạo nên các đơn vị chức năng cơ bản trong máy tính

R 4

T 1

T 2

T 3

T 4

Gnd

Vcc

F

F = AB

A

Hình I.1 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo phần tử NAND

A

A

A

Y

Y=A

A

A

B

Y Y=A+B

A

B

A

B

Y

Y Y=A+B

Y=A+B

A

Y=A B

A

Y=A B Y=A+B

A

A

B

B

Y

Y Y= A.B

Y=A.B

A

A

B

Y Y=A.B

Y=A.B

Hình I.2 Một số phần tử logic cơ bản

Đặc biệt, mạch logic 3 trạng thái (Three-State Logic Circuit) là một mạch có ứng dụng rất quan trọng trong việc liên kết các phần tử chức năng của máy tính Mạch logic 3 trạng thái có thể minh hoạ theo mô hình và bảng

chân thực sau (Hình I.4), trạng thái có ký hiệu "HZ" là trạng thái thứ 3 của

mạch, trạng thái trở kháng cao (High Impedance), khi mà lối vào có thể coi như được tách khỏi lối ra của mạch (không kết nối) Có hai loại mạch 3 trạng thái:, loại mạch có tín hiệu EN là tích cực cao, ứng với EN = "1" (Active High), loại thứ hai là mạch có tín hiệu EN tích cực thấp ứng với EN

= "0" (Active Low)

Hình I.3 Các phần tử mạch lật (FlipFlop) thông dụng

2 Một số khái niệm cơ sở

2.1 Mạch logic tổ hợp (Combinational Circuit)

Mạch logic tổ hợp là một mạch điện tử số mà giá trị các biến ở đầu ra chỉ

phụ thuộc vào tổ hợp giá trị của các biến ở đầu vào (Hình I.5)

Các biến vào i 0 , i 1 , …, i n nhận giá trị là "1" hoặc "0" tương ứng với giá

trị của một biến nhị phân, trong mạch điện, chúng được thể hiện bằng các trạng thái "có điện áp" hoặc "không có điện áp"

Các giá trị của đầu ra là hàm trực tiếp của các biến đầu vào, và được thay đổi gần như tức thời khi có sự thay đổi giá trị của biến đầu vào (chỉ trễ một khoảng thời gian rất nhỏ - hàng nano giây - do sự trễ của các linh kiện tạo nên mạch điện) Có thể nói tập các giá trị đầu vào i 0 ÷ i n được áp vào các lối vào của mạch tổ hợp logic gây nên sự biến đổi trạng thái (giá trị) của các biến đầu ra F 0 ÷ F m Các mạch tổ hợp thông dụng thường thấy là mạch mã hoá, mạch giải mã, mạch dồn kênh, v.v…

Hình I.4 Phần tử 3 trạng thái (Three-State component) và bảng chân lý

Mạch logic tổ hợp

i0 i1 i2

in

F0(i0,i1) F1(i0,i1,i4) F2(i2,i4,i5,i7)

Fm(i2,i3,i6,in)

Hình I.5 Mạch logic tổ hợp

2.2 Mạch tuần tự (Sequencial Circuit)

Mạch này còn được gọi là mạch dãy Giá trị của biến ra phụ thuộc không những vào giá trị các biến số đầu vào ở thời điểm đang xét, mà còn phụ thuộc vào trạng thái trước đó của mạch Để duy trì được trạng thái của

các biến số vào trước đó, mạch cần thêm các phần tử nhớ Mô hình của

mạch như sau:

Zi = Fi (x1, x2, …, xn , y1 , y2 , …, yp);

Yj = Gj (x1, x2, …, xn , y1 , y2 , …, yp) Trong đó Fi là hàm truyền đạt của mạch và Gj là hàm truyền đạt trạng thái;

xi (i = 1, 2, …,n), Zi (i = 1, 2, …, m) là các tín hiệu vào và tín hiệu ra của mạch;

y1 , y2 , …, yp : trạng thái của mạch trước khi biến đổi;

Y1 , Y2 , …, Yp : trạng thái của mạch sau khi biến đổi

Các phần tử nhớ là các phần tử logic có hai trạng thái ổn định ứng với các giá trị của biến nhị phân "0" và "1", thường là các mạch FlipFlop loại

RS, JK hoặc D

2.3 Máy hữu hạn (Finite State Machine)

Máy hữu hạn là một loại mạch logic khác có

Y1

Mạch

tổ hợp

Các phần tử nhớ

y1

x1

Hình I.6 Mạch logic tuần tự

Z1 Z2

trạng thái trong (internal state), đầu ra của loại mạch này là hàm của giá trị đầu vào tại thời điểm đang xét và trạng thái trong hiện tại khi có tác động của tín hiệu vào Mạch được tạo thành từ một mạch tổ hợp logic và các phần

tử trễ, thông thường là các phần tử Flip-Flop trên mạch hồi tiếp như là những phần tử lưu giữ trạng thái trong của mạch

2.4 Thanh ghi (Register)

Thanh ghi là một mạch điện tử đặc biệt có khả năng lưu giữ các giá trị của một dữ liệu nhị phân được biểu diễn bằng trạng thái tồn tại hay không tồn tại điện áp Phần tử cơ bản tạo nên một thanh ghi là D-FlipFlop Trên hình vẽ mô tả, dữ liệu nhị phân 4 bit D3D2D1D0 (tổ hợp của hai giá trị "0" và

"1" trên lối vào D tương ứng của các D-FlipFlop) sẽ được chuyển tới lối ra

Q3Q2Q1Q0 và lưu giữ nhờ tổ hợp tín hiệu điều khiển ghi Write WR, tín hiệu

xung nhịp đồng hồ CLK và tín hiệu cho phép Enable EN (Hình 1.7)

Lưu ý rằng, tín hiệu ra của thanh ghi được đưa qua phần tử 3 trạng thái để tạo khả năng kết nối với những

dữ liệu ở lối ra của các thành phần khác

Cũng cần nói thêm rằng: Thanh ghi hoàn toàn đảm nhận chức năng của một ô nhớ dữ liệu, vì mỗi khi giá trị dữ liệu nhị phân từ lối vào được ghi vào thanh ghi, dữ liệu đó không thay đổi cho đến thời điểm một dữ liệu mới được ghi vào Dữ liệu lưu giữ trong ô nhớ có thể đọc ra được

Hình I.9 là sơ đồ nguyên lý của một thanh ghi dịch có khả năng ghi dịch theo các hướng trái, phải hoặc lưu giữ (Load) các dữ liệu nhị phân 4 bit D3D2D1D0 song song

2.5 Mạch cộng hai số liệu nhị phân (Binary Adder)

Mạch cộng đầy đủ 2 bit nhị phân có thể xây dựng như một mạch tổ hợp logic thực hiện phép cộng hai số nhị phân theo quy tắc trong bảng sau, trong đó Carry In là phần nhớ từ phép cộng của hàng bên phải trước đó, Operand A là giá trị của bit trong toán hạng A, Operand B là giá trị của bit trong toán hạng B Kết quả phép cộng 2 bit cho ta tổng Sum và bit nhớ Carry Out

Hình I.7 Mạch tạo thanh

ghi 4 bit

Trong ví dụ là phép cộng hai số nhị phân 0100B (giá trị bằng 4 trong

hệ thập phân) với số 0110B (giá trị bằng 6 trong hệ thập phân) Hàng trên là giá trị của bit nhớ theo quy luật cộng đã nêu Kết quả cho ta là 1010B (tức bằng 10 trong hệ thập phân)

Từ quy tắc trên, giả thiết ta xây dựng được một mạch cộng đầy đủ thực hiện phép toán cộng như bảng giá trị của hàm Si và Ci và ký hiệu là một mạch cộng đầy đủ (Full adder) với các đầu vào là Ai , Bi và Ci , đầu ra là

Si và Ci+1, ta có thể xây dựng mạch cộng hai dữ liệu nhị phân 4 bit bằng cách

Sơ đồ mạch logic thực hiện phép cộng 2 bit nhị phân – Half Adder (HA)

A

C

Hình I.8 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo thanh ghi dịch 4 bit

nối nối tiếp 4 mạch cộng đầy đủ như Hình I.11 , hoặc mạch cộng hai số nhị phân n bit với n mạch cộng đầy đủ

Si

Ai

Bi

Ci

Ci+1

Hình I.10 Sơ đồ mạch logic thực hiện phép cộng 2 bit có nhớ từ hàng trước – FullAdder (FA)

Hình I.11 Sơ đồ mạch logic thực hiện phép cộng 2 dữ liệu 4 bit

Hình I.12 Sơ đồ mạch logic thực hiện phép giải mã chọn 1 trong 4 tổ hợp

Ngoài ra, có thể tham khảo thêm các mạch dồn kênh, mạch mã hoá và giải mã trong các tài liệu Kỹ thuật điện tử số được nêu trong tài liệu tham khảo ở cuối giáo trình này

Lưu đồ trong Hình I.13 cho ta thấy sơ lược các bước cơ bản trong quá

trình thiết kế một máy tính và phạm vi nghiên cứu về Kiến trúc và tổ chức máy tính

High-level view

Computer organization

Low-level view

Computer archit ecture

Chương II Giới thiệu chung

1 Máy tính và kiến trúc máy tính

1.1 Mở đầu

Máy tính được cấu thành từ các mạch điện tử tích hợp (integrated

circuits – IC) rất phức tạp liên kết với nhau qua hệ thống kênh truyền dẫn được gọi là hệ thống BUS Các khối chức năng cơ bản được xây dựng với công nghệ tích hợp mật độ lớn gồm đơn vị xử lý trung tâm (CPU – Central Proccessing Unit), khối tạo xung nhịp (Clock), bộ nhớ (Memorry) và các chip tạo các cổng (Port Chips) ghép nối thiết bị ngoại vi như

minh hoạ trên Hình II.1

CPU được xây dựng từ các mạch điện tử phức tạp, có khả năng thực thi tất cả các lệnh trong tập lệnh được mô phỏng trước Bộ nhớ được xây dựng từ các chip nhớ, có khả năng lưu giữ các lệnh của chương trình và dữ liệu Các chip tạo cổng điều khiển việc truy xuất đến các thiết bị ngoại vi như bàn phím (Keyboard), chuột (Mouse), màn hình (Monitor), máy in (Printer), các ổ đĩa (Disk Drivers) CPU chỉ truy xuất dữ liệu đến từ (input)

và đi ra (output) thiết bị ngoại vi thông qua các chip tạo cổng

Cấu trúc chức năng của máy tính được mô

phỏng trên Hình II.1, Hệ

điều hành và Ngôn ngữ lập trình bậc cao điều khiển hoạt động của các mạch điện tử trong máy tính Khi cấp nguồn, chương trình khởi tạo hệ thống sẽ nạp hệ điều hành

Hình II.1