Cấu trúc máy tính (Trung cấp LRMT) - Nguồn: BCTECH

Các đặc điểm của kiến trúc von-Neumann Kiến trúc von-Neumann dựa trên 3 khái niệm cơ sở: (1) Lệnh và dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ đọc ghi chia sẻ - một bộ nhớ duy nhất được sử dụng [r]

UBND TỈNH BÀ RỊA – VŨNG TÀU

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

GIÁO TRÌNHMÔN HỌC: CẤU TRÚC MÁY TÍNH NGHỀ: KỸ THUẬT LẮP RÁP, SỬA CHỮA MÁY TÍNH

TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP

(Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-CĐKTCN ngày…….tháng….năm

của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ BR – VT)

BÀ RỊA – VŨNG TÀU, NĂM 2020

BM/QT10/P.ĐTSV/04/04

Ban hành lần: 3

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Nhằm đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu cho giảng viên và học sinhnghề Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính trong trường Cao đẳng Kỹ thuật Côngnghệ Bà Rịa – Vũng Tàu Chúng tôi đã thực hiện biên soạn tài liệu Cấu trúc máytính

Tài liệu được biên soạn thuộc loại giáo trình phục vụ giảng dạy và học tập,lưu hành nội bộ trong nhà trường nên các nguồn thông tin có thể được phépdùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinhdoanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình Cấu trúc máy tính là môn học chuyên môn Mục đích của giáotrình Cấu trúc máy tính này là nhằm chuẩn hóa tài liệu giảng dạy và học tập chohọc sinh trung cấp, đồng thời cũng là tài liệu tham khảo đối với các chuyênngành khác trong lĩnh vực công nghệ thông tin, Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máytính

Mục được xây dựng và biên soạn trên cơ sở Chương trình khung đào tạonghề Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính đã được Hiệu trưởng trường Cao đẳng

kỹ thuật công nghệ Bà Rịa - Vũng Tàu phê duyệt

Giáo trình Cấu trúc máy tính dùng để giảng dạy ở trình độ trung cấp đượcbiên soạn theo nguyên tắc quan tâm đến: tính định hướng thị trường lao động,tính hệ thống và khoa học, tính ổn định và linh hoạt, hướng tới liên thông, chuẩnđào tạo nghề khu vực và thế giới, tính hiện đại và sát thực với thực tế

Nội dung giáo trình gồm 5 chương:

Chương I : Bảo hộ lao động

Chương II : Vệ sinh lao động trong sản xuất

Chương III: Kỹ thuật an toàn điện

Chương IV: Kỹ thuật an toàn dữ liệu và điện

Áp dụng việc đổi mới trong phương pháp dạy và học, giáo trình đã biênsoạn cả phần lý thuyết và thực hành Giáo trình được biên soạn theo hướng mở,kiến thức rộng và cố gắng chỉ ra tính ứng dụng của nội dung được trình bày.Trên cơ sở đó tạo điều kiện để các giáo viên và học sinh, sinh viên sử dụngthuận tiện trong việc giảng dạy cũng như làm tài liệu học tập, tham khảo vànghiên cứu

Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi sai sót, ban biên soạn rấtmong được sự góp ý của các thầy cô, học sinh, sinh viên và bạn đọc để giáotrình được hoàn thiện hơn

Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày tháng năm ………

Tham gia biên soạn

1 Chủ biên: Phạm Đình Trịnh

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU 1

MỤC LỤC 2

CHƯƠNG 1: MỞ DẦU 6

1.Những khái niệm cơ bản 6

1.1 Máy tính 6

1.2 Các nguyên lý xây dựng và sự phân loại máy tính 7

1.2.1 Các nguyên lý xây dựng máy tính điện tử 7

1.2.2 Phân loại máy tính 8

1.3 Ngôn ngữ máy, mức, máy ảo 12

1.4 Các mức máy tính 13

2 Các thế hệ máy tính 18

2.1 Lịch sử máy tính 18

2.2 Máy tính hiện tại và tương lai 21

3 Thành quả của máy tính 23

CÂU HỎI ÔN TẬP 27

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ 28

1 Thành phần cơ bản của một máy tính 28

2 Định nghĩa kiến trúc máy tính 31

2.1 Kiến trúc phần mềm 31

2.2 Tổ chức máy tính 32

2.3 Lắp đặt phần cứng 32

2.3.1 Chuẩn bị các dụng cụ cần thiết 32

1.1 Bước đầu tiên: Kiểm tra cây máy tính của bạn 32

1.2 Bước 2: Lắp đặt CPU 33

Bước 3: Cài đặt RAM 33

Bước 4: Lắp đặt bo mạch chủ 33

Bước 5: Lắp đặt quạt làm mát (nếu có) 33

1.3 Bước 6: Lắp đặt hệ thống làm mát cho CPU 33

1.4 Bước 7: Lắp đặt ổ đĩa lưu trữ và ổ đĩa quang 33

1.5 Bước 8: Lắp đặt card đồ họa (và các phụ kiện PCI-e khác) 33

1.6 Bước 9: Lắp đặt bộ cấp nguồn 34

1.7 Các công đoạn cuối cùng 34

3 Tập lệnh 34

3.1 Các lệnh về bộ nhớ, tính toán… 35

3.2 Các lệnh có điều kiện 35

3.2.1 Ghi nhớ điều kiện 35

3.2.2 Nhảy vòng 37

3.3 Các lệnh chuyển hướng 37

4 Thủ tục 38

5 Toán hạng 39

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 41

CHƯƠNG 3: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ 42

1 Đường đi dữ liệu 42

2 Bộ điều khiển 44

2.1 Bộ điều khiển điện tử 44

2.2 Bộ điều khiển vi chương trình 45

3 Diễn tiến thi hành lệnh mã máy 46

4 Ngắt 48

5 Kỹ thuật ống dẫn 50

5.1 Giới thiệu 50

5.2 Khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn 51

5.3 Khó khăn do cấu trúc 51

5.4 Khó khăn do số liệu 52

5.5 Khó khăn do điều khiển 53

6 Ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng 54

6.1 Giới thiệu 55

6.1.1 Siêu ống dẫn 55

6.1.2 Siêu ống dẫn vô hướng 56

6.2 Hạn chế 56

1 Các loại bộ nhớ 58

1.1 RAM, ROM 58

1.2 Thiết bị lưu trữ 64

2 Các cấp bộ nhớ 69

2.1 Giới thiệu 69

2.2 Các cấp bộ nhớ 70

2.2.1 Bộ nhớ trong – Cache, RAM 71

2.2.2 Bộ nhớ ảo – HDD 73

3 Cách truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ 77

4 Hiểu về bộ nhớ Cache và cách tổ chức bộ nhớ Cache trong CPU 77

4.1 Khái niệm: cache hit, cache miss, cache penalty 77

4.2 Hoạt động 78

4.2.1 Sắp xếp khối 78

4.2.2 Nhận diện khối 79

4.2.3 Thay thế khối 82

4.2.4 Chiến thuật ghi 82

4.3 Các mức Cache 84

4.4 Hiệu quả của Cache 85

CÂU HỎI ÔN TẬP 87

CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ NHẬP XUẤT 88

1 Đĩa từ 88

1.1 Giới thiệu 88

1.2 Đĩa cứng 89

1.2.1 Cấu tạo đĩa cứng 89

1.2.2 Các chuẩn ghép nối đĩa cứng 91

1.2.3 Quản lý đĩa cứng 93

2 Đĩa quang 95

2.1 Giới thiệu và nguyên lý 95

2.2 Các loại đĩa quang 97

2.3 Giới thiệu cấu tạo một số đĩa quang thông dụng 97

2.3.1 Đĩa CD-ROM, CD-R và CD-RW 97

2.3.2 Đĩa DVD-ROM, DVD-R và DVD-RW 98

2.3.3 Đĩa HD-DVD và Blu-ray DVD 100

3 Các loại thẻ nhớ 100

3.1 Khái niệm 100

3.2 Phân loại 101

3.2.1 Thẻ nhớ đa phương tiện (Multimedia Card): 101

3.2.2 Thẻ nhớ SD (SanDisk TransFlash): 102

3.2.3 Thẻ nhớ CompactFlash (CF) 106

3.3 Khái niệm cơ bản về các chuẩn tốc độ 106

4 Băng từ 107

5 Các chuẩn về BUS 107

5.1 Bus nối ngoại vi vào bộ xử lý và bộ nhớ trong 108

5.2 Giao tiếp giữa bộ xử lý với các bộ phận nhập xuất 112

6 An toàn dữ liệu trong lưu trữ 114

CÂU HỎI ÔN TẬP 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Cấu trúc máy tính

Mã môn học: MH12

Vị trí, tính chất và vai trò của môn đun:

- Vị trí: là mô đun môn học cơ sở chuyên ngành được bố trí sau khi sinh viên học xong môn đun Tin học và học trước môn lắp ráp cài đặt máy tính là môn học cơ sở chuyên ngành đào tạo chuyên môn nghề.

- Tính chất: Là môn học chuyên ngành bắt buộc.

- Vai trò của môn học: Là cơ sở ngành trang bị nhũng kiến thức về các thành phần của máy tính như Mainboard, CPU, Ram, Ổ cứng, Ổ CD/DVC, Card mạng, Card màn hình, Màn hình… và cách thức, cơ chế hoạt động của chúng.

+ Trình bày được chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ + Trình bày được phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài

- Về kỹ năng: Vận dụng các kiến thức đã học chọn được các thiết bị cho một bộ máy tính bàn hoàn chỉnh đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.

- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Có thể làm việc một cách độc lập hay làm việc theo nhóm.

Nội dung môn học:

CHƯƠNG 1: MỞ DẦU

Mã chương : 12.01 Giới thiệu :

Trong chương này giới thiệu về lịch sử máy tính, cách phân loại máy tínhtheo công dụng hay chức năng, khái niệm về thông tin, dữ liệu và các hệ thống

số và cách biểu diễn thông tin

Mục tiêu :

- Trình bày được khái niệm máy tính

-Trình bày được nguyên lý xây dựng máy tính

- Trình bày được lịch sử phát triển của máy tính

- Trình bày được các thành phần cơ bản của một máy vi tính

- Trình bày được các thành tựu của máy tính

- Phân biệt được các loại máy tính

Như vậy, chương trình là một tập các chỉ thị để ra lệnh cho máy tính thực hiệncông việc nhằm đạt đến mục tiêu hay kết quả của việc thực hiện chương trình.Muốn máy tính thực hiện chương trình tự động thì máy tính phải có chức năng

“nhớ” tập lệnh của chương trình

1.2 Các nguyên lý xây dựng và sự phân loại máy tính

1.2.1 Các nguyên lý xây dựng máy tính điện tử

Máy tính có thể làm việc thông qua sự chuyển động của các bộ phận cơkhí, điện tử (electron), photon, hạt lượng tử hay các hiện tượng vật lý khác đãbiết Mặc dù máy tính được xây dựng từ nhiều công nghệ khác nhau song gầnnhư tất cả các máy tính hiện nay đều là máy tính điện tử

Máy tính có thể trực tiếp mô hình hóa các vấn đề cần được giải quyết,trong khả năng của nó các vấn đề cần được giải quyết sẽ được mô phỏng gầngiống nhất với những hiện tượng vật lý đang khai thác Ví dụ, dòng chuyển độngcủa các điện tử có thể được sử dụng để mô hình hóa sự chuyển động của nướctrong đập Những chiếc máy tính tương tự (analog computer) giống như thế đã

rất phổ biến trong thập niên 1960 nhưng hiện nay còn rất ít

Trong phần lớn các máy tính ngày nay, trước hết, mọi vấn đề sẽ đượcchuyển thành các yếu tố toán học bằng cách diễn tả mọi thông tin liên quanthành các số theo hệ nhị phân (hệ thống đếm dựa trên các số 0 và 1 hay còn gọi

là hệ đếm cơ số 2) Sau đó, mọi tính toán trên các thông tin này được tính toánbằng đại số Boole (Boolean algebra).

Các mạch điện tử được sử dụng để miêu tả các phép tính Boole Vì phầnlớn các phép tính toán học có thể chuyển thành các phép tính Bool nên máy tínhđiện tử đủ nhanh để xử lý phần lớn các vấn đề toán học (và phần lớn thông tincủa vấn đề cần giải quyết đã được chuyển thành các vấn đề toán học).[cần dẫn nguồn] Ý tưởng cơ bản này, được nhận biết và nghiên cứu bởi Claude E Shannon -người đã làm cho máy tính kỹ thuật số (digital computer) hiện đại trở thành hiện

Khi máy tính kết thúc tính toán một vấn đề, kết quả của nó được hiển thịcho người sử dụng thấy thông qua thiết bị xuất như: bóng đèn, màn hình, máy

in, máy chiếu

Những người mới sử dụng máy tính, đặc biệt là trẻ em, thường cảm thấykhó hiểu về ý tưởng cơ bản là máy tính chỉ là một cái máy, nó không thể "suynghĩ" hay "hiểu" những gì nó hiển thị Máy tính chỉ đơn giản thi hành các tìmkiếm cơ khí trên các bảng màu và đường thẳng đã lập trình trước, rồi sau đóthông qua các thiết bị đầu ra (màn hình, máy in, ) chuyển đổi chúng thànhnhững ký hiệu mà con người có thể cảm nhận được thông qua các giác quan(hình ảnh trên màn hình, chữ trên văn bản được in ra) Chỉ có bộ não của conngười mới nhận thức được những ký hiệu này tạo thành các chữ hay số và gắn ýnghĩa cho chúng Trong quan điểm của máy tính thì mọi thứ mà nó "nhận thấy"(kể cả khi máy tính được coi là có khả năng tự nhận biết) chỉ là các hạt electrontương đương với các số 0 và 1 Xem thêm trí tuệ nhân tạo (artificialintelligence)

và robot

1.2.2 Phân loại máy tính

1.2.2.1 Theo kích thước, công dụng ( tính năng và giá tiền)

- Siêu máy tính

Một siêu máy tính là một máy tính vượt trội trong khả năng và tốc độ xử lý.Thuật ngữ Siêu Tính Toán được dùng lần đầu trong báo New York World vàonăm 1920 để nói đến những bảng tính (tabulators) lớn của IBM làm chotrường Đại học Columbia Siêu máy tính hiện nay có tốc độ xử lý hàngnghìn teraflop (một teraflop tương đương với hiệu suất một nghìn tỷ phéptính/giây) hay bằng tổng hiệu suất của 6.000 chiếc máy tính hiện đại nhất hiệnnay gộp lại (một máy có tốc độ khoảng từ 3-3,8 gigaflop)

- Siêu máy tính cỡ nhỏ

Siêu máy tính cỡ nhỏ (minisupercomputers) là một dòng máy tính xuất hiệnvào giữa thập kỉ 1980 Khi việc tính toán khoa học dùng bộ xử lí vector trở nênphổ biến hơn, nhu cầu sử dụng hệ thống giá thành thấp để dùng ở cấp độ phòng

ban thay vì ở cấp độ doanh nghiệp mang đến cơ hội cho các nhà kinh doanh máytính mới bước vào thị trường Nhìn chung, mục tiêu về giá cả của các máy tínhnhỏ hơn này là 1/10 các siêu máy tính lớn hơn Đặc trưng của các máy tính này

là sự kết hợp giữa xử lí vector và đa xử lí cỡ nhỏ (small-scale).

Sự xuất hiện của máy trạm khoa học với giá còn thấp hơn nữa dựa trên bộ vi

xử lí cùng với đơn vị dấu chấm động (floating point unit, FPU) hiệu năng cao

vào thập kỉ 1990 (nhưR8000 của hãng MIPS và POWER2 của hãng IBM) đãxoá bỏ nhu cầu của dòng máy tính này

- Mainframe

Máy tính lớn (tiếng Anh: Mainframe) là loại máy tính có kích thước lớn được

sử dụng chủ yếu bởi các công ty lớn như các ngân hàng, các hãng bảo hiểm đểchạy các ứng dụng lớn xử lý khối lượng lớn dữ liệu như kết quả điều tra dân số,thống kê khách hàng và doanh nghiệp, và xử lý các giao tác thương mại

Hiện nay thị trường máy tính lớn do IBM chiếm 99%, với máy IBM ZSeries(hệ điều hành MVS) Z có nghĩa Zero, Zero downtime, có nghĩa là máy có thểhoạt động 24/24 giờ mỗi ngày, 7/7 ngày mỗi tuần, và 365/365 ngày khôngngừng So với các máy tính loại nhỏ như máy tính cá nhân, máy tính lớn cũngnhư 1 chiếc xe tăng: vững chắc, có thể nhận hàng ngàn lệnh cùng 1 lúc Ví dụmáy IBM Z9 (2008) có thể được cài 20 processor và đáp ứng 8000.000.000 (8tỉ) lệnh 1 giây

- Máy chủ doanh nghiệp

Là một hệ thống máy tính chủ yếu dùng để phục vụ cho một doanh nghiệplớn Ví dụ các loại máy chủ như máy chủweb, máy chủ in ấn, và máy chủ cơ sở

dữ liệu Tính chất chủ yếu để phân biệt một máy chủ doanh nghiệp là ở tính ổnđịnh vì ngay cả một sự cố ngắn hạn cũng có thể gây thiệt hại hơn cả việc muamới và cài đặt mới hệ thống Lấy ví dụ, một hệ thống máy tính trong thị trườngchứng khoán cấp quốc gia có trục trặc, chỉ cần ngưng hoạt động trong vòng vàiphút có thể cho thấy việc thay thế toàn bộ hệ thống hiện tại bằng một hệ thốngđáng tin cậy hơn vẫn là giải pháp tốt hơn

- Máy trạm (workstation)

Workstation (một số tài liệu gọi là máy trạm) được sử dụng theo các nghĩa:

Workstation là một http://en.wikipedia.org/wiki/Microcomputer được thiết kếdành để chạy các ứng dụng kỹ thuật hoặc khoa học.Mục đích chính cho việc tạo

ra máy tính này là để phục vụ cho 1 người tại 1 thời điểm có thể kết nối vớinhau qua mạng máy tính và phục vụ nhiều User cùng lúc Một nhóm các máytrạm có thể xử lý các công việc của một máy tính lớn Main Frame nếu như đượckết nối mạng với nhau Các máy trạm cung cấp hiệu suất cao hơn máy tính đểbàn, đặc biệt là về CPU, đồ họa, bộ nhớ và khả năng xử lý đa nhiệm Nó đượctối ưu hóa cho việc xử lý các loại dữ liệu phức tạp như các bản vẽ 3D trong cơkhí, các mô phỏng trong thiết kế, vẽ và tạo ra các hình ảnh động, các logic toánhọc Thông thường các bộ phận giao tiếp với máy trạm bao gồm: màn hình với

độ phân giải cao, bàn phím và chuột Đôi khi cũng cấp kết nối với nhiều mànhình, máy tính bảng đồ họa và chuột 3D Hiện nay, thị trường máy trạm do cácông lớn trong ngành máy tính như DELL, HP, SONY, và bán cũng các bảnWindows/ Linux chạy trên CPU Intel Xeon/AMD Opteron

- Máy tính cá nhân (PC_ personal computer ) là một loại máy vi tính nhỏvới giá cả, kích thước và sự tương thích của nó khiến nó hữu dụng cho từng cánhân

- Kiến trúc máy tính von-neumann

Sơ đồ kiến trúc máy tính von-Neumann Kiến trúc máy tính von-Neumannđược nhà toán học John von-Neumann đưa ra vào năm 1945 trong một báo cáo

về máy tính EDVAC như minh hoạ trên Hình 1.1 - Kiến trúc máy tính Neumann nguyên thuỷ

von-Hình 1.1 Kiến trúc máy tính von-Neumann nguyên thuỷ

Các máy tính hiện đại ngày nay sử dụng kiến trúc máy tính von-Neumanncải tiến – còn gọi là kiến trúc máy tính von-Neumann hiện đại, như minh hoạtrên Hình 1.2

Hình 1.2 Kiến trúc máy tính von-Neumann hiện đại

Các đặc điểm của kiến trúc von-Neumann Kiến trúc von-Neumann dựa trên

3 khái niệm cơ sở: (1) Lệnh và dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ đọc ghi chia sẻ

- một bộ nhớ duy nhất được sử dụng để lưu trữ cả lệnh và dữ liệu, (2) Bộ nhớđược đánh địa chỉ theo vùng, không phụ thuộc vào nội dung nó lưu trữ và (3)Các lệnh của một chương trình được thực hiện tuần tự Quá trình thực hiện lệnhđược chia thành 3 giai đoạn (stages) chính: (1) CPU đọc (fetch) lệnh từ bộ nhớ,(2) CPU giải mã và thực hiện lệnh; nếu lệnh yêu cầu dữ liệu, CPU đọc dữ liệu từ

bộ nhớ; và (3) CPU ghi kết quả thực hiện lệnh vào bộ nhớ (nếu có)

- Kiến trúc máy tính Harvard:

Kiến trúc máy tính Harvard là một kiến trúc tiên tiến như minh hoạ trên Hình 6

Hình 1.3 Kiến trúc máy tính Harvard

Kiến trúc máy tính Harvard chia bộ nhớ trong thành hai phần riêng rẽ: Bộnhớ lưu chương trình (Program Memory) và Bộ nhớ lưu dữ liệu (Data Memory).Hai hệ thống bus riêng được sử dụng để kết nối CPU với bộ nhớ lưu chươngtrình và bộ nhớ lưu dữ liệu Mỗi hệ thống bus đều có đầy đủ ba thành phần đểtruyền dẫn các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển Máy tính dựa trên kiếntrúc Harvard có khả năng đạt được tốc độ xử lý cao hơn máy tính dựa trên kiếntrúc von-Neumann do kiến trúc Harvard hỗ trợ hai hệ thống bus độc lập vớibăng thông lớn hơn Ngoài ra, nhờ có hai hệ thống bus độc lập, hệ thống nhớtrong kiến trúc Harvard hỗ trợ nhiều lệnh truy nhập bộ nhớ tại một thời điểm,giúp giảm xung đột truy nhập bộ nhớ, đặc biệt khi CPU sử dụng kỹ thuật đườngống (pipeline)

1.3 Ngôn ngữ máy, mức, máy ảo

Giữa ngôn ngữ và máy ảo có một mối liên hệ quan trọng Mỗi một máy cómột ngôn ngữ máy bao gồm tất cả các chỉ thị mà máy có thể thực thi Một máyxác định một ngôn ngữ Tương tự một ngôn ngữ xác định một máy, máy thực thiđược tất cả các chương trình viết bằng ngôn ngữ nàỷ Dĩ nhiên máy được xácđịnh bởi một ngôn ngữ nào đó có thể quá phức tạp và quá đắt để xây dựng trựctiếp bằng các mạch điện tử, tuy vậy ta có thể tưởng tượng được Một máy với C,Pascal hoặc Cobol là ngôn ngữ máy sẽ thật sự phức tạp nhưng chắc chắn có thểnhận biết được và có lẽ trong tương lai một máy như vậy sẽ được khảo sát đểdàng đế thiết kế

Một máy tính có n cấp được xem như n máy ảo khác nhau, mỗi máy ảo có

một ngôn ngữ máy riêng Các thuật ngữ “cấp” và “máy ảo” có thể dùng thay thếcho nhau Chỉ có các chương trình viết bằng ngôn ngữ L1 mới được thực hiệntrực tiếp bởi các mạch điện tử mà không cần sự can thiệp của dịch hoặc phiêndịch Các chương trình viết bằng L2, L3, , Ln hoặc phải được phiên dịch bởimột trình phiên dịch chạy trên cấp thấp hơn hoặc phải được dịch sang ngôn ngữkhác tương ứng với cấp thấp hơn

Một người viết các chương trình cho máy ảo cấp n không cần biết các trìnhphiên dịch và dịch này cấu trúc máy đảm bảo các chương trình này sẽ được thựcthi bằng cách này hoặc bằng cách khác Hoặc chúng được thực thi từng chỉ thịmột bởi một trình phiên dịch, rồi đến lượt trình phiên dịch này được thực thi bởimột trình phiên dịch khác, hoặc chứng được thực thi trực tiếp bới các mạch đỉện

tử Kết quả là trong cả 2 trường hợp, các chương trình đều dược thực thi

Hầu hết các lập trình viên sử dụng máy n cấp chỉ quan tấm đến cấp cao nhất,

ít người quan tâm đến ngôn ngữ ở cấp thấp nhất Tuy nhiên, những ai cần tìmhiểu cách thức một máy tính làm việc thực sự đều phải nghiên cứu tất cả cáccấp Những người quan tâm đến việc thiết kế các máy tính mới hoặc các cấpmới cũng phải làm quen với các cấp máy khác ngoài cấp cao nhất Các kháiniệm và kỹ thuật xây dựng các máy như là một chuỗi các cấp và chi tiết của một

số cấp quan trọng tạo thành chủ đề chính của giáo trình này

Máy tính được xem xét như là một hệ thống các cấp có thứ bậc cho ta một cấutrúc hoặc một cơ cấu tổ chức tốt nhằm tìm hiểu cách tổ chức các máy tính Hơnnữa, việc thiết kế một hệ thống máy tính như là một chuỗi các cấp giúp ta đảmbảo được thành quả sẽ có câu trúc tôt

1.4 Các mức máy tính

Hầu hết các máy tính hiện nay bao gồm 2 hay nhiều cấp Thông thường cácmáy, có 6 cấp hay hơn như trong hình 1.2

Hình 1.5 Sáu cấp trên các máy tính hiện nay Phương pháp hỗ trợ cho mỗi cấp chỉ ra

ở phía dưới cấp, cùng với tên của chương trình hỗ trợ trong dấu ngoặc đơn.

Cấp 0, ở đáy của hình vẽ, thật sự là phần cứng của máy Các mạch điện tửcủa cấp này thực thi các chương trình ngôn ngữ máy cửa cấp 1 Để được hoànchỉnh, ta cũng cần bàn đến một cấp khác dưới cấp 0 Cấp này không được vẽtrong hình 1.5 do bởi thuộc lĩnh vực kỹ thuật điện không nằm trong phạm viquyến sách này Ta gọi cấp này là cấp linh kiện ( device level ) Các nhà thiết kếtìm thấy ở cấp này các transistor riêng rẽ, chúng là các thành phần có cấp thấpnhất đối với các nhà thiết kế máy tính ( dĩ nhiên có người sẽ hỏi các transistorlàm việc ra sao, nhưng điều này thuộc lĩnh vực vật lý chất rắn ) ở cấp thấp nhấtchúng ta khảo sát, cấp logic số ( digital logic level ), đối tượng được quan tâm làcổng logic ( logic gat^ ) Mặc dù được xây dựng từ các thành phần tương đồng( analog component ) như là các transistor, các cổng mô hình hóa một cáchchính xác các linh kiện sô' ( digital device ■) Mỗi một cổng có một hoặc nhiềungõ vào sô' ( các tín hiệu biểu diến bởi 0 hoặc 1 1 và ngõ ra là hàm đơn giản củacác ngõ vào này Các cổng được xây dựng tô'i đa từ một nhóm nhỏ cáctransistor Cấp logic số được khảo sát chi tiết ở chương 3 Dù rằng kiến thức vềcấp linh kiện là kiến thức mang tính chuyên sâu, nhưng với sự ra đời của các bộ

vi xử lý và các máy vi tính, ngày càng có nhiều người tiếp xúc với cấp logic số.

Từ lý do này, ta dành trọn một chương để đề cập đến chúng

Cấp trên kế tiếp là cấp 1, cấp ngôn ngữ máy thật sự Trái ngược với cấp 0, ở đókhông có khái niệm một chương trình là một chuỗi các chỉ thị được thực thi, ởcấp 1 có một chương trình gọi là vi chương trình ( microprogram ) làm nhiệm vụphiên dịch cẩc chỉ thị của cấp 2 Chúng ta gọi cấp 1 là cấp vi lập trình ( microprogramming level ) Mặc dù không có 2 máy tính có các cấp vi lập trình hoàntoàn như nhau, sự tương đồng của chúng đủ cho phép ta rút ra các đặc trưng cầnthiết và thảo luận về cấp này như thể đây là cấp được định nghĩa đầy đủ Một vàimáy có nhiều hơn 20 chỉ thị ở câp này và hầu hết là các chỉ thị di chuyên dữ liệu

từ phần này đến phần khác của máy, hoặc thực hiện một sô' việc kiểm tra đơngiản

Mỗi một máy cấp 1 có một hoặc nhiều vi chương trình chạy trên chúng.Mỗi một vi chương trình xác định hoàn toàn một ngôn ngữ cấp 2 (hoặc một máy

ảo với ngôn ngữ máy là ngôn ngữ cấp 2 này ) Các máy cấp 2 cũng có nhiềuđiểm chung, thậm chí các máy cấp 2 của các hãng khác nhau cũng có nhiềuđiểm tương đồng hơn là khác biệt Trong quyển sách này chúng ta gọi cấp này làcấp máy qui ước ( conventional machine level 1 do không có một tên gọi tổngquát

Các nhà sản xuất máy tính đều cho xuất bản các quyển số tay kèm theocác máy tính họ bán ra Các quyển sổ tay này thường có tựa đề “ sổ tay tham

khảo ngôn ngữ máy ” ( machine language reference manual ) hoặc “ các nguyên

tắc hoạt động của máy tính Western Wombat kiểu 100X “ ( principles ofoperation of the Western Wombat model 100X ) hoặc các tựa đề tương tự Cácquyên sổ tay này nói về máy ảo cấp 2, không phải máy thực cấp 1 Tập các chỉthị của máy được mô tả là các chỉ thị được thực thi bằng cách phiên dịch bởi vichương trình, không phải các chỉ thị được thực thi trực tiếp bởi phần cứng Nếumột nhà sản xuất máy tính cung câp 2 trình phiên dịch cho một máy nhằm phiêndịch 2 ngón ngữ máy cấp 2 khác nhau, nhà sản xuất này cần cúng cấp 2 loại sốtay tham khảo ngôn ngữ máy ứng với 2 trình phiên dịch

Cũng cần lưu ý, một sô' máy tính không có cấp vi lập trình.

Trên các máy này, các chỉ thị cửa cạp máy qui ước được thực thi trực tiếpbởi các mạch điện tử ( cấp 0 ), không có trình phiên dịch của máy cấp 1, kết quảcấp 1 ( không phải cấp 2 ) là cấp máy qui ước Tuy nhiên ta vẫn gọi cấp 2 là cấpmáy qui ước bất chấp các ngoại lệ này

Cấp thứ ba thường là cấp hỗn hợp ( hybrid level ) Hầu hết các chỉ thị trongngôn ngữ của cấp máy nàỵ cũng ở trong ngôn ngữ câp 2 ( không có lý do tại saomột chỉ thị xuất hiện ở một cấp này lại không thể hiện diện ở các cấp khác ).Thêm vào đó lại có một tập các chỉ thị mới, một tổ chức bộ nhớ khác, khả năngchạy 2 hay nhiều chương trình song song và nhiều đặc trưng khác Sự thay đổihiện hữu nhiều giữa các máy cấp 3 hơn là giữa các máy cấp 1 hay cấp 2

Các tiện nghi mới thêm vào ở cấp 3 được thực thi bởi một trình phiên dịchchạy trên cấp 2, gọi là hệ điều hành (operating system)

Nhiều chỉ thị cấp 3 khác, giống như các chỉ thị cấp 2 được thực thi trựctiếp bởi vi chương trình, không phải bởi hệ điều hành Nói cách khác, một số chỉthị cấp 3 được phiên dịch bởi hệ điều hành và một sô chỉ thị cấp 3 được phiêndịch trực tiếp bởi vi chương trình, do vậy ta gọi là cấp hỗn hợp Chúng ta gọicấp này là cấp máy hệ điều hành ( operating system machine level )

Có một bước ngoặt cơ bản giữa cấp 3 và câp 4 Ba câp thâ’p nhất khôngđược thiết kế đẻ 'sư dụng trực tiếp bới những ngưòi lập trình thông thường màđược dự định chu yếu để chạy các trinh dịch và trình phiên dịch cần hỗ trợ chocác cấp cao hơn Các trình dịch và trình phiên dịch được viết bởi các lập trìnhviên hệ thống ( system programmer ), những người chuyên thiết kê và hiện thựccác máy ảo mới Câ'p 4 và các cấp trên nữa được dự định dành cho những ngườilập trình ứng dụng ( applications programmer ) nhằm giải quyết một ván đề nàođó

Một thay đổi khác xuất hiện ở cấp 4, đó là phương pháp hỗ trợ cho cáccấp cao hơn Các cấp 2 và 3 luôn luôn được phiên dịch Các cấp 4, 5 và cao hơnthông thường, nhưng không phải luôn luôn, được hỗ trợ bởi dịch

Sự khác nhau khác nữa giữa các cap 1, 2 và 3 trên mặt này và các cấp 4, 5 vàcao hơn trên mặt khác là bản chất của ngôn ngữ được cung cấp Các ngôn ngữmáy ớ các cấp 1, 2 và 3 có dạng số.

Chương trình trong các ngôn ngữ này bao gồm những chuỗi dài các số,

chúng tốt với máy nhưng xấu đối với người Bắt đầu từ cấp 4, ngôn ngữ chứacác từ và các chữ viết tắt mang ý nghĩa đối với con người

Cấp 4, cấp ngôn ngữ hợp dịch hay cấp hợp ngữ ( assembly languagelevel ) thật sự là dạng tượng trưng cho một trong các ngôn ngữ Cấp này cungcấp một phương pháp viết các chương trình cho các cấp 1, 2 và 3 dưới dạngkhông gây khó chịu như chính các ngôn ngữ máy của chúng Các chương trìnhviết bằng hợp ngữ trước tiên được dịch sang ngôn ngữ của cấp 1, 2 hoặc 3, sau

đó được phiên dịch' bởi máy ảo hoặc thực tương ứng Chương trình thực hiệnviệc dịch gọi là trình dịch hợp ngữ ( assembler )

Cấp 5 bao gồm các ngồn ngữ được thiết kế dành cho những người lậptrình ứng đụng nhằm giải quyêt các vấn đề nào đó Các ngôn ngữ này gọi là các

ngón ngữ cấp cao ( high level language ).

Theo nghĩa đen có vài trăm ngôn ngữ khác nhau Một vài ngôn ngữ nổitiếng là BASIC, c, COBOL, FORTRAN, LISP, Mođula 2 và PASCAL và cácngôn ngữ lập trình hướng đối tượng ( object- oriented programming language )sau này như C++, J++, v.v

Các chương trình được viết bằng các ngôn ngữ này thường được dịchsang cấp 3 hoặc cấp 4 bằng các trình dịch gọi là trình biên dịch ( compiler ) dùrằng đôi khi chúng cũng được phiên dịch

Cấp 6 và các cấp trên nữa bao gồm những tập hợp các chương trình đượcthiết kế đê tạo ra các máy dành riêng cho các ứng dụng đặc biệt, Chúng chứamột lượng-lớn thông tin về các ứng dụng đó

Có thế tưởng tượng ra các máy ảo dành cho các ứng dụng trong quản lý,giáo dục, thiết kê' máy tính, v.v Các cấp này là lĩnh vực đang được nghiêncứu

Tóm lại, vấn đề chính cần nhớ là các máy tính được thiết kế thành mộtchuồi các cấp, mỗi một câ'p được xây dựng trên cấp trước đó Mỗi cấp biểu thịmột quan điểm trừu tượng riêng, với các đôi tượng và các thao tác khác nhau.Bằng cách thiết kế và phân tích máy tính theo cách này, chúng ta tạm thời bỏqua các chi tiết không thích hợp và do vậy làm cho một vấn đề phức tạp đượchiểu dễ dàng hơn.

Tập các loại dữ liệu, các thao tác và các đặc trứng của một cấp được gọi làcấu trúc ( architecture ) của câ'p đó Cấu trúc xử lý các khía cạnh nhìn thấy đượcđốì với người sử dụng cấp đó Các đặc trưng người lập trình thấy được như cóbao nhiêu bộ nhớ có giá trị là một phạn của cấu trúc Các khía cạnh thực hiện( implemen tation aspect ) như loại công nghệ chip nào được sử dụng để thựchiện bộ nhớ không phải là một phần của cấu trúc việc nghiên cứu cách thiết kếcác phần của một hệ thống máy tính mà người lập trình nhìn thấy được gọi làcấu trúc máy tính

Trong thực tế, cấu trúc máy tính ( computer architecture ) và tố chức máytính ( computer organisation ) về bản chất muốn nói đến cùng một sự việc

2 Các thế hệ máy tính

2.1 Lịch sử máy tính

Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệchế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các ngoạivi, Ta có thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp Việc chuyển

từ thế hệ trước sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản vềcông nghệ

Thế hệ đầu tiên (1946-1957)

Hình 1.6 Máy tính ENIAC

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính điện tử

số đầu tiên do Giáo sư Mauchly và người học trò Eckert tại Đại họcPennsylvania thiết kế vào năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946 Đây làmột máy tính khổng lồ với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét.ENIAC bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự động, cân nặng 30 tấn,

và tiêu thụ 140KW giờ Nó có 20 thanh ghi 10 bit (tính toán trên số thập phân)

Có khả năng thực hiện 5.000 phép toán cộng trong một giây Công việc lập trìnhbằng tay bằng cách đấu nối các đầu cắm điện và dùng các ngắt điện

Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính IAS(Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình được lưu trong bộ nhớ,

bộ điều khiển sẽ lấy lệnh và biến đổi giá trị của dữ liệu trong phần bộ nhớ, bộlàm toán và luận lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) được điều khiển để tínhtoán trên dữ liệu nhị phân, điều khiển hoạt động của các thiết bị vào ra Đây làmột ý tưởng nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay Máy tính này cònđược gọi là máy tính Von Neumann.

Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiênđược đưa ra thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã đượcbán ra.

Thế hệ thứ hai (1958-1964)

Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947 và do đó thế hệ thứ haicủa máy tính được đặc trưng bằng sự thay thế các đèn điện tử bằng cáctransistor lưỡng cực Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mạidùng transistor mới xuất hiện trên thị trường Kích thước máy tính giảm, rẻ tiềnhơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn Vào thời điểm này, mạch in và bộ nhớ bằngxuyến từ được dùng Ngôn ngữ cấp cao xuất hiện (như FORTRAN năm 1956,COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) và hệ điều hành kiểu tuần tự (BatchProcessing) được dùng Trong hệ điều hành này, chương trình của người dùngthứ nhất được chạy, xong đến chương trình của người dùng thứ hai và cứ thếtiếp tục

Thế hệ thứ ba (1965-1971)

Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạch kết (mạch tíchhợp - IC: Integrated Circuit) Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: SmallScale Integration) có thể chứa vài chục linh kiện và kết độ tích hợp mật độ trungbình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tíchhợp

Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằngxuyến từ Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng.Thế hệ thứ tư (1972-????)

Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp cao (LSI: LargeScale Integration) có thể chứa hàng ngàn linh kiện Các IC mật độ tích hợp rấtcao (VLSI: Very Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiệntrên mạch Hiện nay, các chip VLSI chứa hàng triệu linh kiện

Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện vàphần điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy

vi tính đã được chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân

Các bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi.

Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý của máy tính không ngừng được phát triển:

kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,

Việc chuyển từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ 5 còn chưa rõ ràng Người Nhật

đã và đang đi tiên phong trong các chương trình nghiên cứu để cho ra đời thế hệthứ 5 của máy tính, thế hệ của những máy tính thông minh, dựa trên các ngônngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG, và những giao diện người - máythông minh Đến thời điểm này, các nghiên cứu đã cho ra các sản phẩm bướcđầu và gần đây nhất (2004) là sự ra mắt sản phẩm người máy thông minh gầngiống với con người nhất: ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: Bước chân tiên tiến của đổi mới và chuyển động). Với hàng trăm nghìn máy móc điện

tử tối tân đặt trong cơ thể, ASIMO có thể lên/xuống cầu thang một cách uyểnchuyển, nhận diện người, các cử chỉ hành động, giọng nói và đáp ứng một sốmệnh lệnh của con người Thậm chí, nó có thể bắt chước cử động, gọi tên người

và cung cấp thông tin ngay sau khi bạn hỏi, rất gần gũi và thân thiện Hiện nay

có nhiều công ty, viện nghiên cứu của Nhật thuê Asimo tiếp khách và hướngdẫn khách tham quan như: Viện Bảo tàng Khoa học năng lượng và Đổi mớiquốc gia, hãng IBM Nhật Bản, Công ty điện lực Tokyo Hãng Honda bắt đầunghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý chuyển động bằng hai chân.Cho tới nay, hãng đã chế tạo được 50 robot ASIMO

Các tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSI đã cho phép thực hiện cácmạch vi xử lý ngày càng mạnh (8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit với việc xuất hiệncác bộ xử lý RISC năm 1986 và các bộ xử lý siêu vô hướng năm 1990) Chínhcác bộ xử lý này giúp thực hiện các máy tính song song với từ vài bộ xử lý đếnvài ngàn bộ xử lý Điều này làm các chuyên gia về kiến trúc máy tính tiên đoánthế hệ thứ 5 là thế hệ các máy tính xử lý song song

2.2 Máy tính hiện tại và tương lai

Các nhà khoa học về máy tính đều thừa nhận máy tính lượng tử hứa hẹn sẽtạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ máy tính tương lai Vậy máy tínhlượng tử đang phát triển ở mức độ nào và con người sẽ khai thác năng lượng từ

cơ học lượng tử như thế nào? Đó là mối quan tâm của không chỉ người sử dụngmáy tính mà còn là mối quan tâm của các nhà nghiên cứu và hãng máy tính.

Ý tưởng máy tính lượng tử được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1980 bởi nhà toánhọc người Đức gốc Nga Yuri Manin bằng cách sử dụng các hiệu ứng chồng chập vàvướng víu lượng tử để thực hiện các tính toán trên dữ liệu đưa vào Khác với máy tính

kỹ thuật số dựa trên tranzitor đòi hỏi cần phải mã hóa dữ liệu thành các chữ số nhịphân, mỗi số được gán cho 1 trong 2 trạng thái nhất định là 0 hoặc 1, tính toán lượng

tử sử dụng các bit lượng tử ở trong trạng thái chồng chập để tính toán Điều này cónghĩa là ở cùng một thời điểm, 1 bit lượng tử - đơn vị cơ bản của thông tin trong điệntoán, viết tắt là qubit - có thể có giá trị 0 và 1 Về mặt lý thuyết, một máy tính có nhiềuqubit có khả năng xử lý một lượng tác vụ vô cùng lớn như tính toán số học hoặc thựchiện tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu lớn (Big data) trong thời gian nhanh hơn nhiều sovới các máy tính thông thường

Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đã chế tạo ra các thiết bị cókhả năng thực hiện các phép tính lượng tử trên một số nhỏ qubit Năm 2007, công tyD-Wave tại Canada đã công bố chiếc máy tính lượng tử đầu tiên có khả năng thươngmại hóa mang tên D-Wave One Tiếp theo, D-Wave cho ra đời phiên bản thứ 2 củamáy tính lượng tử mang tên D-Wave 2 Tháng 6/2011, Công ty D-Wave Systems,Inc., đã bán chiếc máy tính lượng tử thương mại đầu tiên cho đối tác là công ty quốcphòng Lockheed Martin (Bethesda, Maryland, Hoa Kỳ) Theo lý thuyết, D-Wave cókhả năng giải quyết được những vấn đề mà các siêu máy tính chưa làm được trênnhiều lĩnh vực, như mật mã, công nghệ nano, trí tuệ nhân tạo

Hãng D-Wave mô tả đó là một cỗ máy hoạt động theo phương pháp lượng tử và cóthể thực hiện tính toán Tuy nhiên, D-Wave có rất ít các khách hàng do tính rủi ro Bêncạnh đó, chưa có ai có thể sử dụng D-Wave để thực hiện tính toán cụ thể như các máytính cổ điển Gần đây, Google cũng đã bắt tay với NASA nhằm thực hiện nghiên cứuđiện toán lượng tử bằng cỗ máy D-Wave Do đó, cho tới hiện tại, cỗ máy trên chỉ phục

vụ cho công tác nghiên cứu nhằm tiếp tục phát triển lý thuyết hơn là được sử dụngthực tiễn Smelyanskiy, nhà nghiên cứu cho dự án hợp tác nghiên cứu điện toán lượng

tử giữa NASA và Google, cho biết rằng dự án vẫn chưa đạt được thành tựu đột phá

và vẫn cần ít nhất là từ 15 đến 25 năm nữa để chứng minh khả năng ứng dụng thực tếcủa D-Wave.

Vậy khi nào chúng ta có thể sử dụng máy tính lượng tử như với máy tính cá nhânhiện nay? Theo Smelyanskiy, chúng ta sẽ khó có thể sở hữu một máy tính lượng tửtrong vài thập kỷ tới Hơn nữa, chức năng của máy tính lượng tử là giải quyết các vấn

đề tính toán lớn và rất phức tạp, chứ không giống như cách chúng ta sử dụng như máytính cá nhân truyền thống

3 Thành quả của máy tính

Qui luật Moore về sự phát triển của máy tính

Hình 1.7 Đánh giá thành quả của máy tính

Hình 1.7 cho thấy diễn biến của thành quả tối đa của máy tính Thành quảnày tăng theo hàm số mũ, độ tăng trưởng các máy vi tính là 35% mỗi năm, cònđối với các loại máy khác, độ tăng trưởng là 20% mỗi năm Điều này cho thấytính năng các máy vi tính đã vượt qua các loại máy tính khác vào đầu thập niên

Hình 1.4 cho thấy sự tăng trưởng về tần số xung nhịp của các bộ xử lý MOS

Độ tăng trưởng của tần số xung nhịp bộ xử lý tăng gấp đôi sau mỗi thế hệ và độtrì hoãn trên mỗi cổng I xung nhịp giảm 25% cho mỗi năm

Sự phát triển của công nghệ máy tính và đặc biệt là sự phát triển của bộ vi xử lýcủa các máy vi tính làm cho các máy vi tính có tốc độ vượt qua tốc độ bộ xử lýcủa các máy tính lớn hơn.

Hình 1.8 Sự phát triển của bộ xử lý Intel dựa vào số lượng

Transistor trong một mạch tích hợp theo quy luật Moore

Từ năm 1965, Gordon Moore (đồng sáng lập công ty Intel) quan sát vànhận thấy số transistor trong mỗi mạch tích hợp có thể tăng gấp đôi sau mỗinăm, G Moore đã đưa ra dự đoán: Khả năng của máy tính sẽ tăng lên gấp đôisau 18 tháng với giá thành là như nhau

- Kết quả của quy luật Moore là:

- Chi phí cho máy tính sẽ giảm

- Giảm kích thước các linh kiện, máy tính sẽ giảm kích thước

- Hệ thống kết nối bên trong mạch ngắn: tăng độ tin cậy, tăng tốc độ

- Tiết kiệm năng lượng cung cấp, toả nhiệt thấp

Một số khái niệm liên quan:

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Dựa vào tiêu chuẩn nào người ta phân chia máy tính thành các thế hệ?

2 Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ nhất?

3 Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ hai?

4 Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ ba?

5 Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ tư?

6 Việc phân loại máy tính dựa vào tiêu chuẩn nào?

7 Khái niệm thông tin trong máy tính được hiểu như thế nào?

8 Lượng thông tin là gì?

- Số nhị phân 8 bit (11001100)2, số này tương ứng với số nguyên thập phân

códấu là bao nhiêu nếu số đang được biểu diễn trong cách biểu diễn: Dấu và trịtuyệt đối,

- Số bù 1,Số bù 2.

CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ

Mã chương : 12.02 Giới thiệu :

Giới thiệu tập lệnh của các kiến trúc máy tính, các kiểu định vị được dùngtrong kiến trúc, loại và chiều dài của toán hạng, tác vụ mà máy tính có thể thựchiện, kiểu cấu trúc RISC

Mục tiêu

- Trình bày được tập lệnh của các kiến trúc máy tính, các kiểu định vị được dùngtrong kiến trúc, loại và chiều dài của toán hạng, tác vụ mà máy tính có thể thựchiện

- Trình bày được kiến trúc RISC (ReducedInstructionSetComputer)

- Rèn luyện tính cân thận, tư duy khoa học trong học tập

Nội dung chính:

1 Thành phần cơ bản của một máy tính

Khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU) làthành phần quan trọng nhất – được xem là bộ não của máy tính Các yêu cầu của

hệ thống và của người sử dụng thường được biểu diễn thành các chương trìnhmáy tính, trong đó mỗi chương trình thường được tạo thành từ nhiều lệnh củaCPU CPU đảm nhiệm việc đọc các lệnh của chương trình từ bộ nhớ, giải mã vàthực hiện lệnh Thông qua việc CPU thực hiện các lệnh của chương trình, máytính có khả năng cung cấp các tính năng hữu ích cho người sử dụng CPU là vimạch tích hợp với mật độ rất cao, được cấu thành từ bốn thành phần con: (1) Bộđiều khiển (Control Unit - CU), (2) Bộ tính toán số học và logic (Arithmeticand Logic Unit - ALU), (3) Các thanh ghi (Registers) và bus trong CPU(Internal Bus) Bộ điều khiển có nhiệm vụ đọc, giải mã và điều khiển quá trìnhthực hiện lệnh Bộ tính toán số học và logic chuyên thực hiện các phép toán sốhọc như cộng trừ, nhân, chia, và các phép toán lôgic như và, hoặc, phủ định vàcác phép dịch, quay Các thanh ghi là kho chứa lệnh và dữ liệu tạm thời choCPU xử lý Bus trong CPU có nhiệm vụ truyền dẫn các tín hiệu giữa các bộ

phận trong CPU và kết nối với hệ thống bus ngoài Hình 2.1 minh hoạ hai CPUcủa hãng Intel là 8086 ra đời năm 1978 và Core 2 Duo ra đời năm 2006.

Hình 2.1 CPU của hãng Intel: 8086 và Core 2 Duo

Bộ nhớ trong: Bộ nhớ trong, còn gọi là bộ nhớ chính (Internal Memory hayMain Memory) là kho chứa lệnh và dữ liệu của hệ thống và của người dùngphục vụ CPU xử lý Bộ nhớ trong thường là bộ nhớ bán dẫn, bao gồm hai loại:(1) Bộ nhớ chỉ đọc (Read Only Memory – ROM) và (2) Bộ nhớ truy cập ngẫunhiên (Random Access Memory – RAM) ROM thường được sử dụng để lưulệnh và dữ liệu của hệ thống Thông tin trong ROM được nạp từ khi sản xuất vàthường chỉ có thể đọc ra trong quá trình sử dụng Hơn nữa thông tin trong ROMluôn tồn tại kể cả khi không có nguồn điện nuôi

Khác với bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM thường được sử dụng để lưu lệnh và dữliệu của cả hệ thống và của người dùng RAM thường có dung lượng lớn hơnnhiều so với ROM Tuy nhiên, thông tin trong RAM chỉ tồn tại khi có nguồnđiện nuôi Hình 3 minh hoạ vi mạch bộ nhớ ROM và các vi mạch nhớ RAM gắntrên một thanh nhớ RAM

Hình 2.2 Bộ nhớ ROM và RAM

Các thiết bị vào ra: Các thiết bị vào ra (Input – Output devices), hay còn gọi

là các thiết bị ngoại vi (Peripheral devices) đảm nhiệm việc nhập dữ liệu vào,điều khiển hệ thống và kết xuất dữ liệu ra Có hai nhóm thiết bị ngoại vi: (1) Cácthiết bị vào (Input devices) và (2) Các thiết bị ra (Output devices) Các thiết bịvào dùng để nhập dữ liệu vào và điều khiển hệ thống, gồm: bàn phím(keyboard), chuột (mouse), ổ đĩa (Disk Drives), máy quét ảnh (Scanners), Cácthiết bị ra dùng để xuất dữ liệu ra, gồm: màn hình (Screen), máy in (Printers), ổđĩa (Disk Drives), máy vẽ (Plotters),

Hình 2.3 Các thiết bị ngoại vi cơ bản(Bàn phím, chuột, màn hình)

Bus hệ thống: Bus hệ thống (System Bus) là một tập các đường dây kết nốiCPU với các thành phần khác của máy tính Bus hệ thống thường gồm ba buscon: Bus địa chỉ – Bus A (Address bus), Bus dữ liệu – Bus D (Data bus), Busđiều khiển - Bus C (Control bus) Bus địa chỉ có nhiệm vụ truyền tín hiệu địachỉ từ CPU đến bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi; Bus dữ liệu vận chuyển các tín

hiệu dữ liệu theo hai chiều đi và đến CPU; Bus điều khiển truyền tín hiệu điềukhiển từ CPU đến các thành phần khác, đồng thời truyền tín hiệu trạng thái củacác thành phần khác đến CPU.

2 Định nghĩa kiến trúc máy tính

Kiến trúc máy tính bao gồm ba phần: Kiến trúc phần mềm, tổ chức của máy

lý thực hiện, bao gồm: mã tác vụ, địa chỉ toán hạng nguồn, địa chỉ toán hạng kếtquả, lệnh kế tiếp (thông thường thì thông tin này ẩn)

Kiểu định vị chỉ ra cách thức thâm nhập toán hạng

Kiến trúc phần mềm là phần mà các lập trình viên hệ thống phải nắm vững

để việc lập trình hiểu quả, ít sai sót

Phần tổ chức của máy tính liên quan đến cấu trúc bên trong của bộ xử lý, cấutrúc các bus, các cấp bộ nhớ và các mặt kỹ thuật khác của máy tính Phần này

sẽ được nói đến ở các chương sau

Lắp đặt phần cứng của máy tính ám chỉ việc lắp ráp một máy tính dùng cáclinh kiện điện tử và các bộ phận phần cứng cần thiết Chúng ta không nói đếnphần này trong giáo trình

Ta nên lưu ý rằng một vài máy tính có cùng kiến trúc phần mềm nhưng phần

tổ chức là khác nhau (VAX- 11/780 và VAX 8600) Các máy VAX- 11/780 và VAX- 11/785 có cùng kiến trúc phần mềm và phần tổ chức gần giống nhau Tuynhiên việc lắp đặt phần cứng các máy này là khác nhau Máy VAX- 11/785 đã dùng các mạch kết hiện đại để cải tiến tần số xung nhịp và đã thay đổi một ít tổ chức của bộ nhớ trong

2.1 Kiến trúc phần mềm

Kiến trúc phần mềm của máy tính chủ yếu là kiến trúc phần mềm của bộ xử

lý, bao gồm: tập lệnh, dạng các lệnh và các kiểu định vị.

Trong đó, tập lệnh là tập hợp các lệnh mã máy (mã nhị phân) hoàn chỉnh cóthể hiểu và được xử lý bới bộ xử lý trung tâm, thông thường các lệnh trong tậplệnh được trình bày dưới dạng hợp ngữ Mỗi lệnh chứa thông tin yêu cầu bộ xử

lý thực hiện, bao gồm: mã tác vụ, địa chỉ toán hạng nguồn, địa chỉ toán hạngkết quả, lệnh kế tiếp (thông thường thì thông tin này ẩn)

Kiểu định vị chỉ ra cách thức thâm nhập toán hạng

Kiến trúc phần mềm là phần mà các lập trình viên hệ thống phải nắm vững

để việc lập trình hiểu quả, ít sai sót

Như đã mô tả, một lệnh mã máy bao gồm một mã tác vụ và các toán hạng

Ví dụ: lệnh mã máy 01101001010101010000001101100101 Việc chọn số toánhạng cho một lệnh mã máy là một vấn đề then chốt vì phải có một sự cân đốigiữa tốc độ tính toán và số các mạch tính toán phải dùng Tuỳ theo tần số sửdụng các phép như trên mà các nhà thiết kế máy tính quyết định số lượng cácmạch chức năng cần thiết cho việc tính toán Thông thường số toán hạng thayđổi từ 0 tới 3

Ví dụ: lệnh Y := A + B + C + D có thể được hiện bằng một lệnh mã máy nếu ta

có 3 mạch cộng, hoặc được thực hiện bằng 3 lệnh mã máy nếu chúng ta chỉ cómột mạch cộng, nếu việc tính toán trên xảy ra ít, người ta chỉ cần thiết kế mộtmạch cộng thay vì phải tốn chi phí lắp đặt 3 mạch cộng Tuy nhiên, với mộtmạch cộng thì thời gian tính toán của hệ thống sẽ chậm hơn với hệ thống có bamạch cộng

Vị trí của toán hạng cũng được xem xét Bảng II.1 chọn một vài nhà sảnxuất máy tính và 3 kiểu cơ bản của vị trí các toán hạng đối với những lệnh tínhtoán trong ALU là: ở ngăn xếp, trên thanh ghi tích luỹ, và trên các thanh ghi đadụng Những kiến trúc phần mềm này được gọi là kiến trúc ngăn xếp, kiến trúcthanh ghi tích luỹ và kiến trúc thanh ghi đa dụng

Bảng 2.1 Ví dụ về cách chọn lựa vị trí các toán hạng

Vị trí các toán

Toán hạng cho lệnh tính toán trong ALU.

Vị trí đặt kết quả.

Cách thức thâm nhập vào toán hạng.

Ngăn xếp B 5500 HP3000/70 0 Ngăn xếp Lệnh Push, Pop Thanh ghi tích

Motorola 6809 Thanh ghi tích luỹ

Lệnh nạp vào hoặc lấy ra từ thanh ghi tích luỹ (load, store)

Thanh ghi đa

dụng

IBM 360 DEC, VAX 2 hoặc 3 Thanh ghi hoặc

bộ nhớ

Lệnh nạp vào hoặc lấy ra từ thanh ghi hoặc

bộ nhớMột vài nhà sản xuất máy tính tuân thủ chặt chẽ các kiểu chọn vị trí toán hạngnêu trên, nhưng phần nhiều các bộ xử lý dùng kiểu hỗn tạp Ví dụ, mạch xử lý

8086 của Intel dùng cùng một lúc kiểu "thanh ghi đa dụng" và kiểu "thanh ghitích luỹ"

Ví dụ minh hoạ chuỗi lệnh phải dùng để thực hiện phép tính C := A + B trong 3kiểu kiến trúc phần mềm

Bảng 2.2 Chuỗi lệnh dùng thực hiện phép tính C := A + B (giả sử

A, B, C đều nằm trong bộ nhớ trong)

Kiến trúc ngăn xếp Kiến trúc thanh ghi tích luỹ Kiến trúc thanh ghi đa dụng

Pop C

Hiện tại các nhà sản xuất máy tính có khuynh hướng dùng kiến trúc phầnmềm thanh ghi đa dụng vì việc thâm nhập các thanh ghi đa dụng nhanh hơnthâm nhập bộ nhớ trong, và vì các chương trình dịch dùng các thanh ghi đa dụng

có hiệu quả hơn

Bảng 2.3 Điểm lợi và bất lợi của 3 kiểu kiến trúc phần mềm

- Thâm nhập ngăn xếp không ngẫu nhiên

- Mã không hiệu quả

- Khó dùng trong xử lý song song và ống dẫn

- Khó tạo ra một bộ biên dịch tối ưu

Thanh ghi tích luỹ

(yêu cầu ít mạch chức năng)

- Thiết kế dễ dàng

luỹ

- Khó dùng trong xử lý song song và ống dẫn

- Trao đổi nhiều với bộ nhớ.

Thanh ghi đa dụng

Chẳng hạn việc quyết định máy tính có cần một lệnh cơ bản để thực hiệnphép nhân hay không là vấn đề về kiến trúc Còn thể hiện lệnh nhân bằng cácđơn vị vật lý cụ thể nào (chẳng hạn, một đơn vị thuộc phần cứng đặc biệt, haythực hiện lặp nhiều phép cộng) lại là vấn đề về cấu trúc

Để làm ví dụ minh họa sự khác biệt đó ta có thể xem các máy tính ở Trungtâm nghiên cứu nào đó Các máy tính này có thể có kiến trúc rất giống nhau theoquan điểm của người lập trình Chúng có cùng số thanh ghi (tức là thiết bị lưutrữ tạm thời), có cùng một tập lệnh cơ bản và dạng các toán hạng được nạp vào

bộ nhớ giống nhau Tuy nhiên các hệ thống này khác nhau về mặt cấu trúc: số

bộ vi xử lý khác nhau, kích thước bộ nhớ của chúng cũng khác hẳn nhau, cáchthức dữ liệu được truyền từ bộ nhớ đến bộ vi xử lý cũng không giống nhau.Trong lĩnh vực máy PC, người ta thường không phân biệt rõ ràng giữa kiếntrúc và cấu trúc vì sự khác biệt giữa hai khái niệm này đã rút ngắn đáng kể Sựphát triển của công nghệ không chỉ tác động lên cấu trúc mà còn tạo điều kiệnphát triển các kiến trúc mạnh hơn và nhiều tính năng hơn; và do đó tác động qualại giữa kiến trúc và cấu trúc thường xuyên hơn

Ngoài kiến trúc máy tính và cấu trúc máy tính còn có một lĩnh vực là kỹ thuậtmáy tính nghiên cứu việc xây dựng cụ thể các hệ thống: chẳng hạn như độ dàidây dẫn tạo BUS, kích cỡ các vi mạch, v.v Người lập trình thường cần đến kiến

thức về kiến trúc, đôi khi cần những hiểu biết về cấu trúc, nhưng thường rất ítkhi cần đến những hiểu biết về kỹ thuật máy tính.

Hiểu kiến trúc máy tính có thể giúp người lập trình nhận biết khi nào chươngtrình của mình tạo ra chạy chưa đạt hiệu suất tối đa của hệ thống, hiểu được các

kỹ năng làm tăng hiệu suất chương trình, v.v

2.3 Lắp đặt phần cứng

2.3.1 Chuẩn bị các dụng cụ cần thiết

Đây có thể coi là một trong những bước quan trọng nhất của cả quá trình Nóảnh hưởng trực tiếp đề việc bạn có thể hoàn thành được công việc một cách trôichảy hay không Đầu tiên, không thể thiếu chính là một bộ tuốc nơ vít với nhiềuđầu có kích thước và số cạnh khác nhau Bạn có thể sẽ cần thêm một vòng taychống tĩnh điện (ảnh minh họa bên dưới) Những chiếc kẹp nhỏ bằng kim loạinày có thể được kẹp vào vỏ máy tính để nối đất bằng tay trong khi bạn đang làmviệc, tránh hiện tượng chập, sốc điện Thành thật mà nói, rất hiếm khi một cúsốc tĩnh điện (static shock) có thể thực sự làm hỏng các bộ phận trong PC

Hình 2.3 Vòng tĩnh điệm

2.3.2 Bước đầu tiên: Kiểm tra cây máy tính của bạn

Trước tiên, hãy xem xét thật kỹ cây máy tính của bạn Để làm gì? Để bạn nắmđược bố cục của khoang cây máy tính, xem đâu là khoang chính chứa bo mạchchủ, đâu là nơi đặt ổ đĩa cứng (HDD) và ổ SSD, hay khe hở ở mặt sau cho cổngcủa bo mạch chủ và khoang mở rộng cho card đồ họa nằm chính xác ở chỗnào… Tóm lại bước này cũng rất quan trọng, giúp bạn có được một cái nhìntổng quát và sau đó dần dần hình thành các ý tưởng

2.3.3 Bước 2: Lắp đặt CPU

Bắt tay vào công việc thôi Bây giờ, chúng ta sẽ lắp CPU và RAM vào bo mạchchủ trước khi cài đặt bo mạch chủ vào cây, đơn giản là vì làm như vậy sẽ dễ hơn

là việc lắp đặt CPU, RAM sau khi bo mạch chủ đã được cố định đúng chỗ Lấy

bo mạch chủ của bạn ra khỏi hộp, đặt nó lên trên một mặt phẳng nhẵn, khôngcập kênh, và đảm bảo mặt phẳng đặt bo mạch chủ hoàn toàn không có tích điện.2.3.4 Bước 3: Cài đặt RAM

Tiếp theo, đã đến lúc cài đặt các mô-đun bộ nhớ Nhìn chung, bạn nênthiết lập RAM vào bo mạch chủ trước khi cài đặt bộ làm mát cho CPU, vì một

số thiết bị làm mát sẽ đè lên trên các cạnh của RAM, khiến cho chúng ta khôngthể lắp được RAM vào

2.3.5 Bước 4: Lắp đặt bo mạch chủ

Đặt cây máy tính của bạn trên bàn sao cho thật chắc chắn, không cậpkênh, với bảng điều khiển phía trước hướng về bên phải của bạn Tháo miếngnắp cạnh của cây và nhìn vào bên trong, bạn sẽ thấy có một tấm kim loại khálớn, tấm thép hoặc nhôm lớn đó chính là nơi mà bạn sẽ cài đặt bo mạch chủ củamình (sau khi đã lắp CPU và RAM vào bo mạch chủ)

2.3.6 Bước 5: Lắp đặt quạt làm mát (nếu có)

Tiếp theo, hãy cài đặt quạt làm mát cho bo mạch chủ (Nếu chúng đã đượccài đặt sẵn trong cây CPU của bạn, bạn có thể bỏ qua bước này) Nhìn chung,bạn cũng nên đầu tư lắp đặt quạt tản nhiệt rời, sẽ rất có lợi về lâu về dài Thôngthường, bạn sẽ chỉ cần xoáy vít định vị quạt vào khung của cây CPU Tuy nhiên,trên một số cây CPU chuyên dành cho việc chơi game, kết cấu có thể hơi khácmột chút Trong trường hợp này, hãy tham khảo sách hướng dẫn sử dụng câyCPU của bạn để có thể có thêm thông tin

2.3.7 Bước 6: Lắp đặt hệ thống làm mát cho CPU

Nếu bạn chỉ định sử dụng bộ làm mát đi kèm với bộ vi xử lý của mình(hầu hết chúng đặt một cái trong hộp), việc lắp đặt sẽ rất dễ dàng Các bộ làmmát đi kèm với CPU thường bao gồm keo tản nhiệt, sử dụng cho các phần mốinối Còn về các hệ thống làm mát gắn rời thì vô vàn, từ đơn giản đến phức tạp,

rẻ đến đắt, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của bạn

2.3.8 Bước 7: Lắp đặt ổ đĩa lưu trữ và ổ đĩa quang.

Cho dù bạn sử dụng bất kỳ loại ổ cứng lưu trữ nào thì việc cài đặt chúngđều khá là đơn giản Cây máy tính của bạn sẽ có một trong hai vị trí gắn cố địnhhoặc dạng trượt (caddies) cho phép bạn trượt ổ đĩa vào một khe cắm để tiện choviệc tháo bỏ và thay thế Tương tự là vị trí của ổ đĩa quang Nếu bạn không thấycác vị trí này, hãy kiểm tra lại hướng dẫn sử dụng của cây máy tính

2.3.9 Bước 8: Lắp đặt card đồ họa (và các phụ kiện PCI-e khác)

Nếu bạn có nhu cầu sử dụng card đồ họa rời để chơi trò chơi, giờ chính làlúc cài đặt thiết bị này Các card đồ họa thường sẽ sử dụng khe PCI-Express(viết tắt PCI-e, PCIe hoặc đôi khi chỉ là PCI), mở ra bên ngoài vỏ máy để sửdụng như một cổng kết nối mở rộng và hầu như luôn được tìm thấy bên dưới ổcắm CPU trên bo mạch chủ

2.3.10 Bước 9: Lắp đặt bộ cấp nguồn

Cố lên, công việc của chúng ta sắp hoàn thành rồi! Bây giờ bạn phải lắp

bộ nguồn vào khoang hoặc thanh giá đỡ tùy theo từng loại cây mà bạn sử dụng

Vị trí của cáp nguồn ba chiều (cáp cắm vào ổ điện trên tường) phải được luồn ramặt sau của cây và có thể dễ dàng nhìn và chạm vào từ bên ngoài

2.3.11 Các công đoạn cuối cùng

Công việc của chúng ta đến đây là sắp hoàn tất Trước khi bạn đóng nắpcây máy tính, hãy kiểm tra thật kỹ để đảm bảo không có cáp nguồn hoặc cáp dữliệu nào được đặt quá gần với quạt làm mát và mọi thứ đều được cố định chắcchắn

Cắm cáp nguồn vào nguồn điện, sau đó là màn hình, bàn phím và chuột Nhấncông tắc nguồn Nếu bạn có thể nhìn thấy ánh sáng từ đèn báo nguồn trên vỏmáy, và nghe thấy tiếng quạt gió hoạt động, có nghĩa là hệ thống của bạn đã sẵnsàng để được cài đặt hệ điều hành và đi vào sử dụng

3 Tập lệnh