Slide Cấu trúc máy tính

Nội dung môn học:Nội dung bao gồm 6 chương: Chương 1: Tổng quan về kiến trúc máy tính Chương 2: Biểu diễn thông tin trong máy tính Chương 3: Khối xử lý trung tâm Chương 4: Điều khiển luồ

Trang 1

CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH

Computer architecture and operating systems

GV: TS Ngô Thanh Bình

TS.Trần Văn HưngBM: Kỹ thuật điện tử, P502A6Khối lượng: 3TC

Tài liệu tham khảo:

1 Ngô Thanh Bình Lập trình hợp ngữ NXB KHTN và Công nghệ, 2016.

2 Nguyễn Nam Trung Kiến trúc máy tính NXB

Phương pháp đánh giá môn học:

Điểm đánh giá gồm 2 thành phần:

1 Điểm đánh giá bộ phận (40%): chuyên cần, kiểm tra (2

bài kiểm tra 1 tiết + 1 điểm chuyên cần);

2 Điểm thi kết thúc học phần (60%): thi viết, 1 bài

Nội dung môn học:

Nội dung bao gồm 6 chương:

Chương 1: Tổng quan về kiến trúc máy tínhChương 2: Biểu diễn thông tin trong máy tínhChương 3: Kiến trúc bộ xử lý trung tâm

Chương 4: Điều khiển luồng dữ liệuChương 5: Kiến trúc bộ nhớ máy tínhChương 6: Hệ thống Bus và thiết bị ngoại viChương 7: Hệ điều hành máy tính

Trang 2

Nội dung môn học:

Nội dung bao gồm 6 chương:

Chương 1: Tổng quan về kiến trúc máy tính

Chương 2: Biểu diễn thông tin trong máy tính

Chương 3: Khối xử lý trung tâm

Chương 4: Điều khiển luồng dữ liệu

Chương 5: Kiến trúc bộ nhớ máy tính

Chương 6: Hệ thống Bus và thiết bị ngoại vi

Chương 7: Hệ điều hành máy tính

1.4 Các thành phần cơ bản của máy tính

Chương 1: Tổng quan về KTMT

Nội dung:

1.1 Khái niệm kiến trúc máy tính

1.2 Lịch sử phát triển máy tính

1.3 Phân loại máy tính

• Máy tính (Computer): theo định nghĩa chung nhất dùng

để chỉ mọi phương tiện được sử dụng để thực hiện cácphép biến đổi toán học;

• Khi nói đến máy tính -> máy tính điện tử: máy tính đượccấu tạo bởi các linh kiện điện tử

• Máy tính thực hiện các nhiệm vụ: nhận thông tin vào; xử

lý thông tin theo dãy các lệnh đã nhớ sẵn bên trong; đưa thông tin ra;

• Dãy các lệnh nhớ sẵn trong bộ nhớ gọi là chương trình(program)

Máy tính hoạt động theo chương trình

Trang 3

• Định nghĩa kiến trúc máy tính: kiến trúc máy tính gồm 3

phần là: kiến trúc phần mềm, tổ chức của máy tính và lắp

đặt phần cứng:

– 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 (các chế độ địa chỉ), …

– Tổ chức của máy tính liên quan đến cấu trúc bên trong của bộ

xử lý, cấu trúc các bus, các cấp bộ nhớ và các mặt kỹ thuật khác

của máy tính;

– Lắp đặt phần cứng chỉ việc lắp ráp một máy tính dùng các linh

kiện điện tử và các bộ phận phần cứng cần thiết.

• Máy tính phát triển được mô tả dựa trên sự tiến bộ của

các công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính:

bộ xử lý (Processor); bộ nhớ (Memory); các thiết bị ngoại

vi (Peripheral), …

• Về cơ bản, máy tính điện tử số trải qua 4 thế hệ liên tiếp,

mỗi thế hệ được đặc trưng bởi sự thay đổi cơ bản về

công nghệ:

– Thế hệ đầu tiên (1946-1957): đánh dấu bằng máy tính ENIAC

(Electronic Numerical Integrator and Computer) do giáo sư

Mauchly và học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania thiết kế vào

năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946; đây là máy tính

khổng lồ dài 20m, cao 2.8m, rộng vài m; bao gồm 18000 đèn điện tử,

1500 công tắc tự động, nặng 30 tấn, tiêu thụ điện 140KW/h

• Máy tính ENIAC:

(thế hệ máy tính dùng đèn điện tử)

• Máy tính Von Neumann: John Von Neumann là giáo sư toán học, 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 Bộ ALU (Arithmetic And Logic Unit) được điều khiển để tính toán trên dữ liệu nhị phân.

Trang 4

• Thế hệ thứ 2 (1958-1964): thế hệ máy tính dùng transistor

– Năm 1947 công ty Bell phát minh ra Transistor

– Cuối thập niên 50 máy tính thương mại dùng Transistor xuất hiện; đi kèm với

nó là xuất hiện các ngôn ngữ lập trình cấp cao (Fortran năm 1956, Cobol năm

1959, Algol năm 1960) và hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing) được

dùng Trong hệ điều hành này, chương trình của người dùng thứ nhất được

chạy, xong đến chương trình của người dùng thứ 2 và cứ thế tiếp tục

– Ưu điểm: kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn

• Thế hệ thứ 3 (1965-1971): thế hệ máy tính dùng IC

– Xuất hiện của mạch tích hợp IC (Integrated Circuit) cho ra đời máy tính sử

dụng IC;

– Máy tính thế hệ này dùng các mạch tích hợp SSI (Small Scale Integration) hay

MSI (Medium Scale Integration);

– Sử dụng mạch in nhiều lớp, Bộ nhớ bán dẫn; Sử dụng máy trính đa chương

trình và hệ điều hành chia sẻ thời gian.

• Thế hệ thứ 4 (1972 - ????): thế hệ máy tính dùng IC có mật độ tích hợp rất cao (LSI & VLSI – Very Large Scale Integration)

– Công nghệ vật liệu phát triển -> các thành phần phần cứng máy tính có sự phát triển vượt bậc: Bộ xử lý, bộ nhớ chính, cache, thiết bị lưu trữ, … – Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý không ngừng phát triển: kỹ thuật đường ống (ống dẫn), kỹ thuật vô hướng, kỹ thuật song song mức độ cao, …

• Khuynh hướng hiện tại: (chuyển từ thế hệ 4 sang thế hệ 5)

– Thế hệ máy tính thông minh, dựa trên cac ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo LISP và PROLOG, … những giao diện người – máy thông minh: năm 2004 hãng Honda đưa ra người máy ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: Bước chân tiên tiến của đổi mới và chuyển động)

– Các cải tiến về công nghệ -> thế hệ thứ 5 dự đoán là thế hệ các máy tính xử lý song song (parallel processing/parallel computer); Máy tính chuyên dụng OCC.

UDOO: máy tính Android gọn nhẹ với đầy đủ cổng kết nối

https://www.thegioididong.com/tin-tuc/udoo-may-tinh-android-gon-nhe-voi-day-du-cong-ket 516675

UDOO là một chiếc máy tính dựa trên nền tảng Arduino đã được tùy chỉnh

để có thể chạy thêm các hệ điều hành khác là Android (Android 4.0 Ice

Cream Sandwich ) và Linux C ấu hình:

▪ CPU nền tảng ARM: Freescale i.MX 6 Cortex-A9 Dua/Quad core 1 GHz

▪ CPU nền tảng 32-bit: Atmel SAM3X8E Cortex-M3

Trang 5

– Intel 4004 : 4 bit, 2300 transitor, tốc độ 108KHz

– Intel 8008: 8 bit, 3500 transistor, tốc độ 200KHz

Transistor, 200MHz, 233MHz, 266MHz, 300MHz ; Tăng cường xử lý hình ảnh, âm thanh, video

– 1999: Pentium III Processor, 9.5 tr

transistors, 650MHz đến 1.2GHz, Tích hợp SIMD hỗ trợ xử lý hình ảnh,âm thanh, 3D nâng cao

Trang 6

– 2005: Intel Pentium D hai nhân

– 2006: Intel Core 2 Duo ; Intel Core

2 Quad: 4 nhân (291 tr Transistors)

– 2011: Intel giới thiệu chip Core i3, i5,

i7 có tối đa 8 nhân với 995 triệu

transistors

Đồng thời với các chip sử dụng cho máy tính và máy chủ, hãng ARM giới thiệu dòng

Chip ARM dành cho các thiết bị di động đa nhân có tần số xung nhịp đến 1.5GHz

Nội dung:

1.1 Khái niệm kiến trúc máy tính 1.2 Lịch sử phát triển máy tính

Máy tính được phân loại theo tính năng kỹ thuật và giá tiền:

• Các siêu máy tính (Super Computer): là các máy tính đắt tiền nhất và tính

năng kỹ thuật cao nhất, giá có thể vài triệu USD Các siêu máy tính thường

là các máy tính vector ứng dụng trong tính toán khoa học, mô phỏng các

hiện tượng Máy tính này dùng kỹ thuật xử lý song song với rất nhiều bộ

xử lý (hàng trăm đến hàng ngàn VXL);

• Máy tính lớn (Mainframe): là loại máy tính đa dụng, dùng cho các ứng

dụng quản lý cũng như tính toán khoa học; dùng kỹ thuật xử lý song song

và có hệ thống vào/ra mạnh; giá từ vài trăm ngàn tới hàng triệu USD;

• Máy tính mini (Minicomputer): là máy tính tầm trung, giá một máy tính

mini có thể từ vài chục đến vài trăm ngàn USD;

• Máy vi tính (Microcomputer): là loại máy tính dùng bộ vi xử lý, còn gọi là

PC – Personal computer; giá có thể vài trăm đến vài ngàn USD

• Máy tính chuyên dụng: là các máy tính huwngs tới các nhiệm vụ cụ thể,

thường là OCC (One Chip Computer), với cấu trúc và hệ điều hành chuyên

dụng Ví dụ: UDOO (x86, Neo); Raspbery; Nvidia (Jetson, Aetina);…

Một số thành quả của máy tính

• Đánh giá thành quả phát triển của máy tính

Nhận xét: độ tăng trưởng của máy vi tính là 35% mỗi năm; đối với các loại máy tính khác độ tăng trưởng là 20% Như vậy tính năng của máy

vi tính đã vượt qua các loại máy tính khác vào đầu thập niên 90.

Trang 7

• Quy luật Moore về sự phát triển của máy tính:

Năm 1965, Gordon Moor

(đồng sáng lập công ty Intel)

quan sát và nhận thấy số

transistor trong mỗi mạch

tích hợp có thể tăng gấp đôi

sau mỗi năm, ông đã đưa ra

dự đoán: “ Khả năng của máy

tính sẽ tăng lên gấp đôi sau

➢ Hiệu suất/giá thành tăng

Quá trình chế tạo IC:

Nội dung:

1.1 Khái niệm kiến trúc máy tính 1.2 Lịch sử phát triển máy tính 1.3 Phân loại máy tính

Trang 8

• Hệ thống máy tính là hệ thống bao gồm bộ xử lý trung tâm

(CPU-Central Processing Unit), bộ nhớ trong (RAM) và các thiết bị ngoại

vi (thiết bị xuất nhập thông tin) kết nối với nhau thông qua các hệ

thống Bus; Hệ thống Bus bao gồm bus địa chỉ (Address Bus), bus

dữ liệu (Data Bus) và bus điều khiển (Control Bus)

Bus hệ thống trao đổi thông tin CPU và bộ nhớ trong (qua cache) Bus hệ thống trao đổi thông tin giữa thiết bị vào/ra và bộ nhớ trong

Bus hệ thống (System bus)

Các thành phần cơ bản của máy tính bao gồm:

• Bộ nhớ chính (main memory) (RAM-random access memory): là tập hợp các ô nhớ (1byte=8bit) chứa thông tin được mã hóa ở dạng nhị phân (lệnh hay số liệu), mỗi ô nhớ có một địa chỉ xác định; (từ máy tính – computer word là 32bit=4byte)

• CPU (central processing unit): là bộ phận thi hành lệnh, CPU lấy lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ chính đưa vào CPU xử lý CPU có 2 phần:

– Thi hành lệnh: gồm ALU (Arithmetic & Logical Unit) và các thanh ghi (Register) – Phần điều khiển: đảm bảo các lệnh thực hiện một cách tuần tự và tác động các mạch chức năng để thi hành lệnh

• Các thiết bị ngoại vi (bộ phận vào/ra): là bộ phận xuất nhập thông tin, thực hiện giao tiếp máy-máy hay người – máy trong quá trình hoạt động.

• CPU: là bộ phận quan trọng nhất, có chức năng giải mã, thực hiện lệnh và tạo các xung điều khiển toàn hệ thống CPU là mạch vi điện

tử có mật độ tích hợp rất cao và được đóng gói trong 1 chip, gọi là

bộ VXL hay MP (Microprocessor)

• Bộ nhớ: được dùng để lưu trữ các lệnh và số liệu dùng cho máy tính, gồm 2 loại: bộ nhớ chính (bộ nhớ trong) là các vi mạch bán dẫn tốc độ nhanh (dung lượng hạn chế); và bộ nhớ ngoài (bộ nhớ khối – đĩa quang, đĩa từ có dung lượng lớn nhưng chậm hơn);

– Bộ nhớ máy tính được chia thành các ô nhớ, mỗi ô nhớ chứa 1 nhóm bit thông tin Bit là đơn vị thông tin nhỏ nhất, có thể nhận 1 trong 2 giá trị 0 hoặc 1;

– Trong máy tính tương thích IBM PC, mỗi ô nhớ chứa 1byte=8bit – Để CPU có thể định vị 1 ô nhớ khi cần đọc/ghi, mỗi ô nhớ được gán 1 địa chỉ nhất định gọi là đia chỉ ô nhớ Khi CPU giao tiếp với ô nhớ, đầu tiên nó phải phát ra địa chỉ tương ưng với địa chỉ ô nhớ rồi sau đó mới đọc/ghi dữ liệu

Trang 9

• Các thiết bị ngoại vi: còn gọi là thiết bị vào/ra (I/O – input/Output)

– Dùng để nhập dữ liệu vào (bàn phím,chuột, máy quét, …) và xuất dữ liệu ra

– Ghép nối 2 bộ phận độc lập nhằm làm cho chúng có thể tương hợp và thông

tin được với nhau; đó là các mạch điện phần cứng hỗ trợ cho việc nối những

thiết bị ngoại vi nhất định với máy tính;

– Các mạch điện tử ghép nối này được gọi là các cổng vào/ra (I/O port); tùy

theo yêu cầu mà có chức năng là cổng vào, cổng ra hoặc cả hai

• Bus hệ thống (System bus):

– Là tập hợp các đường dây cho phép kết nối VXL với bộ nhớ cũng như kết nối VXL với các mạch ghép nối để thông tin với các thiết bi ngoại vi Xét theo chức năng, bus hệ thống máy tính gồm 3 bus thành phần:

• Bus địa chỉ (Addres bus)

• Bus dữ liệu (Data bus)

• Bus điều khiển (Control bus)

– Các khe cắm mở rộng (slot) được thiết kế nối với bus trên bản mạch chính (mainboard) cho phép cắm các bản mạch ghép nối để các thiết

bị ngoại vi có thể giao tiếp với CPU qua hệ thống Bus

• Đồng hồ hệ thống (System clock):

– Là mạch tạo xung dao động để duy trì hoạt động và đồng bộ hóa CPU cùng các bộ phận liên quan Tần số đồng hồ quyết định tốc độ hoạt động của CPU tức quyết định hiệu năng của máy tính

• Nguồn nuôi máy tính (power supply):

– Cung cấp nhiêu loại điện áp: +12V (vàng), - 12V (xanh dương), +5V (đỏ),

+3,3V (cam), 0V-GND (đen), … với dòng định mức lớn

• Hệ điều hành (Operating System):

– Để máy tính làm việc được (chạy các ứng dụng của user) thì ngoài các bộ

phận phần cứng cần 1 phần mềm gọi là hệ điều hành được cài đặt sẵn trên

máy tính;

– Là tập hợp các chương trình sử dụng để điều hành các chức năng cơ bản của

các bộ phận phần cứng hay phần mềm trên hệ thống máy tính.

Tham khảo:

Upgrading and Repairing Pcs, 22th Edition

By Scott Mueller

Publisher: Pearson India; 22nd edition (2015)

Câu hỏi thảo luận:

1 Các linh kiện chủ yếu trên bản mạch chính ?

2 ROM BIOS là gì, chức năng ROM BIOS trong máy tính cánhân tương thích IBM PC ?

3 Bộ nguồn máy tính ?

4 Card màn hình ?

5 Máy tính chuyên dụng ?

Trang 10

Chương 2: Biểu diễn thông tin

trong máy tính

GV: TS Ngô Thanh Bình

TS.Trần Văn HưngBM: Kỹ thuật điện tử, P502A6

Nội dung

2.1 Hệ đếm

2.1.1 Hệ đếm cơ số 2 2.1.2 hệ đếm cơ số 8 2.1.3 Hệ đếm cơ số 16 2.1.4 Hệ đếm BCD 2.1.5 Chuyển đổi giữa các hệ đếm 2.2 Biểu diễn thông tin trong máy tính

2.2.1 Biểu diễn số nguyên 2.2.2 Biểu diễn số thực 2.2.3 Biểu diễn ký tự

2.1.5 Chuyển đổi giữa các hệ đếm

2.2 Biểu diễn thông tin trong máy tính

2.2.1 Biểu diễn số nguyên

2.2.2 Biểu diễn số thực

2.2.3 Biểu diễn ký tự

2.1 Hệ đếm

• Hệ đếm: là tập hợp các ký hiệu và quy tắc sử dụng tập ký hiệu đó

để biểu diễn và xác định các giá trị của các số Mỗi hệ đếm có một

– Số N(n) trong hệ đếm cơ số (b) được biểu diễn bởi:

– Trong đó, số N(b) có n+1 ký số biểu diễn cho phần nguyên và m ký

số là biểu diễn cho phần b_phân, và có giá trị là:

Trang 11

2.1.1 Hệ cơ số 10

• Hệ đếm thập phân (Decimal system): Là một trong các phát

minh của người Ả Rập Cổ, bao gồm 10 ký số theo ký hiệu

sau: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

• Qui tắc tính giá trị của hệ đếm này là mỗi đơn vị ở một hàng

bất kỳ có giá trị bằng 10 đơn vị của hàng kế cận bên phải.

2.1.2 Hệ cơ số 2

• Hệ đếm nhị phân (Binary system): Là hệ đếm đơn giản nhất với 2 chữ số là 0 và 1 Mỗi chữ số nhị phân gọi là BIT;

2.1.3 Hệ cơ số 8

• Hệ đếm cơ số 8 (Octal system): Là hệ đếm với b = 8 = 2 3

Trong hệ bát phân, trị vị trí là lũy thừa của 8

• Nếu dùng 1 tập hợp 3 bit thì có thể biểu diễn 8 trị khác nhau :

• Khi thể hiện ở dạng hexa-decimal, ta có 16 ký tự gồm 10 chữ số từ 0 đến 9, và 6 chữ in A, B, C, D, E, F để biểu diễn các giá trị số tương ứng là 10, 11, 12, 13, 14, 15 Với hệ thập lục phân, trị vị trí là lũy thừa của 16;

Trang 12

2.1.4 Hệ BCD (số hệ mười mã hóa bằng hệ hai)

• BCD – Binary code decimal – Đây là hệ lai giữa hệ 10 và hệ 2

• Dùng 4 số hệ hai để mã hóa một số hệ mười có giá trị nằm

trong khoảng 0 9

• Bảng mã BCD8421:

Chuyển từ cơ số b (khác 10) sang hệ cơ số 10:

• Bước 1: Xác định giá trị vị trí của mỗi ký số

• Bước 2: Nhân giá trị vị trí với ký số của cột tương ứng

• Bước 3: Cộng kết quả của các phép tính nhân trong bước 2

• Tổng cuối cùng sẽ là giá trị của hệ thập phân

2.1.5 Chuyển đổi giữa các hệ đếm 2.1.5 Chuyển đổi giữa các hệ đếm

Bài tập ví dụ: chuyển đổi ra hệ 10

Trang 13

Chuyển một số nguyên từ hệ cơ số 10 sang hệ cơ số b

Bài tập ví dụ: chuyển các số sau:

• Sang hệ nhị phân

• Hệ cơ số 8

• Hệ cơ số 16

Chuyển phần thập phân từ hệ thập phân sang hệ cơ số b

Tổng quát:

• Lấy phần thập phân N(10) lần lượt nhân với b cho đến khi phần

thập phân của tích số bằng 0;

• Kết quả số chuyển đổi N(b) là các số phần nguyên trong phép

nhân viết ra theo thứ tự tính toán

• Chuyển từ cơ số khác 10 sang cơ số khác 10:

Trang 14

Chuyển đổi giữa hệ nhị phân sang hệ cơ số 8, cơ số 16 và ngược lại:

• Hệ nhị phân sang hệ 8 (hệ 16): nhóm 3bit (4bit) rồi chuyển tương

ứng

• Từ hệ 8 (hệ 16) sang hệ nhị phân: khai triển 1 số thành 3bit (4bit )

tương ứng

2.1.5 Chuyển đổi giữa các hệ đếm 2.1.5 Chuyển đổi giữa các hệ đếm

Trang 15

2.1.5 Chuyển đổi giữa các hệ đếm Một số bài tập

Trang 16

2.2 Biểu diễn thông tin trong máy tính

2.2.1 Biểu diễn số nguyên

2.2.1 Biểu diễn số nguyên 2.2.2 Biểu diễn số thực

2.2.3 Biểu diễn ký tự

Biểu diễn số nguyên có dấu

• Có nhiều cách để biểu diễn một số n bit có dấu, trong tất cả

mọi cách thì bit cao nhất luôn tượng trưng có dấu

• Khi đó: bit dấu có giá trị 0 thì số nguyên dương, bit dấu có giá

trị là 1 thì là số nguyên âm (tuy nhiên cách biểu diễn này

không đúng trong trường hợp biểu diễn bằng số thừa K – bit

dấu có giá trị là 1 là số nguyên dương, bit dấu có giá trị 0 thì

số là nguyên âm);

• Số nguyên có bit dn-1là bit dấu và có trị số xác định bởi các bit

từ d0đến dn-2.

Biểu diễn số nguyên có dấu

• Biểu diễn bằng trị tuyệt đối và dấu

• Biểu diễn bằng số bù 1

• Biểu diễn bằng số bù 2

• Biểu diễn bằng số thừa K

Trang 17

Biểu diễn bằng trị tuyệt đối và dấu

• Phương pháp: bit dn-1là bit dấu, các bit từ d0đến dn-2

cho giá trị tuyệt đối Một từ n bit tương ứng với số

nguyên thập phân có dấu:

Biểu diễn bằng số bù 2

• Phương pháp: để có được số bù 2 của một số nào đó,

người ta lấy số bù 1 rồi cộng thêm 1 như vậy một từ n bit

(dn-1… d0) có giá trị thập phân:

• Một từ n bit có thể biểu diễn các số có dấu trong khoảng:

-2 n-1 đến 2 n-1 -1; chỉ có 1 cách duy nhất để biểu diễn số 0 (tất

• Ví dụ: số 4bit có dấu theo cách biểu diễn số âm bằng số bù 2

• Số bù 2 được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống máy tính, chúng ta sử dụng phương pháp này trong các phần còn lại của tài liệu này.

Trang 18

Biểu diễn bằng số thừa K

• Phương pháp:

– Số dương của 1 số N có được bằng cách “cộng thêm

vào” số thừa K được chọn sao cho tổng của K và một

số âm bất kỳ luôn luôn dương.

– Số âm –N của số N có được bằng cách lấy K-N (hay lấy

bù hai của số vừa xác định)

• Phương pháp này đánh lừa máy tính, nó làm cho máy

tính không phân biệt được là nó đang tương tác với số

có dấu Số thừa được tạo ra bằng cách xác định một giá

trị thừa (hay còn gọi là giá trị dịch chuyển gốc 0) để làm

mốc giá trị 0 giả sử là 128

• Ví dụ 1: giá trị giả sử là +12 sẽ được tạo ra bằng cách

tính toán (128 + 12 = 140)10 Và giá trị 140 khi biểu diễn

trong cơ số 2 sẽ đại diện cho số +12

Biểu diễn bằng số thừa K

+1210 = 1000 1100B -1210 = 0111 0100B

• Ví dụ 2: (+25 được biểu diễn: 128+25= 153, số 153 biểu biễn trong cơ số 2 đại diện cho +25, số -25 chính là bù 2 của +25 ) +2510=1001 1001B

-2510= 0110 0111B

Nhận xét về biểu diễn số nguyên

• Biểu diễn số nguyên có dấu bằng số bù 2 được dùng

rộng rãi cho các phép tính số nguyên, có lợi là không

cần thuật toán đặc biệt nào cho các phép tính cộng, trừ;

giúp dễ dàng phát hiện các trường hợp bị tràn;

• Cách biểu diễn dùng dấu, trị tuyệt đối hay số bù 1 dẫn

đến thuật toán phức tạp và bất lợi vì luôn có 2 cách

biểu diễn số 0; cách biểu diễn bằng dấu, trị tuyệt đối

được dùng cho phép nhân của số có dấu chấm động

• Cách biểu diễn số thừa K dùng cho số mũ của các số có

dấu chấm động Cách này làm cho việc so sánh các số

mũ có dấu khác nhau trở thành việc so sánh các số

nguyên dương

2.1 Hệ đếm

Trang 19

Biểu diễn dạng dấu chấm tĩnh

• Số dấu chấm tĩnh có số lượng chính xác các bit để biểu

“sau dấu chấm” Như vậy, ta cần khoảng 80 bit để biểu diễn số trên.

Ví dụ: khối lượng mặt trời:

Khối lượng electron: 9.1094 × 10 −31 kg

• Nếu dùng phương pháp dấu chấm tĩnh biểu diễn các số này có nhiều khó khăn và lãng phí

Biểu diễn số bằng dấu chấm động

• Số chấm động được chuẩn hoá, cho phép biểu diễn gần

đúng các số thập phân rất lớn hay rất nhỏ dưới dạng

một số nhị phân theo một dạng qui ước

• Thành phần của số chấm động bao gồm: phần dấu,

phần mũ và phần định trị

• Như vậy, cách này cho phép biểu diễn gần đúng các số

thực, tất cả các số đều có cùng cách biểu diễn.

• Ví dụ:

• Có nhiều cách biểu diễn dấu chấm động, trong đó cách biểu diễn theo chuẩn IEEE 754 được dùng rộng rãi trong khoa học máy tính hiện nay

Trang 20

• Số thực có độ chính xác đơn:

• Số thực có độ chính xác kép:

• Để thuận lợi trong một số phép tính toán, IEEE định nghĩa một số dạng mở rộng của chuẩn IEEE 754

Ví dụ Biến đổi số thập phân -12.62510 sang số chấm động

chuẩn IEEE 754 độ chính xác đơn (32 bit):

• Bước 1: Đổi số -12.62510sang nhị phân:

-12.62510 = -1100.101 B

• Bước 2: Chuẩn hoá: -1100.101B = -1.100101B x 2 3

(Số 1.1001012 dạng 1.f)

• Bước 3: Điền các bit vào các trường theo chuẩn:

– Số âm: bit dấu S có giá trị 1

– Phần mũ E với số thừa K=127, ta có: E-127=3

Vậy: E = 3 + 127 = 130 (1000 0010B)

• Kết quả nhận được:

• Một số ví dụ:

Trang 21

– Có 1 quy ước biểu diễn giá trị vô cùng là số mũ là

1111 1111 và khoảng giá trị là các con số 0, bit dấu

có thể là 0 hoặc 1

– Kết quả của phép toán 0/0 là một số bất định Khi đó,

kết quả được trả về là NaN (Not a Number) Chuỗi

quy ước có số mũ là 1111 1111, bit dấu là 0 hoặc 1,

còn giá trị là một số khác 0

Biểu diễn các số thập phân

• Một vài ứng dụng, đặc biệt ứng dụng quản lý, bắt buộc các phép tính thập phân phải chính xác, không làm tròn

số Với một số bit cố định, ta không thể đổi một cách chính xác số nhị phân thành số thập phân và ngược lại.

• Vì vậy, khi cần phải dùng số thập phân, ta dùng cách biểu diễn số thập phân mã bằng nhị phân (BCD: Binary Coded Decimal) theo đó mỗi số thập phân được mã với

4 số nhị phân:

Biểu diễn các số thập phân

• Để biểu diễn số BCD có dấu, người ta thêm số 0 trước một

số dương cần tính, ta có số âm của số BCD bằng cách lấy

bù 10 số cần tính

Ví dụ: biểu diễn số -07910 bằng số BCD

– Trước hết ta lấy số bù 9 của số 07910bằng cách: 999 - 079 = 920

– Cộng 1 vào số bù 9 ta được số bù 10: 920 + 1 = 921

– Biểu diễn số 921 dưới dạng số BCD, ta có: 1001 0010 0001BCD

vậy số -07910trong biểu diễn số BCD là: 1001 0010 0001BCD

2.1 Hệ đếm

Trang 22

Biểu diễn các ký tự

• Tuỳ theo các hệ thống khác nhau, có thể sử dụng các

bảng mã khác nhau: ASCII, EBCDIC, UNICODE, Các

hệ thống trước đây thường dùng bảng mã ASCII

(American Standard Codes for Information Interchange)

để biểu diễn các chữ, số và một số dấu thường dùng mà

ta gọi chung là ký tự

• Mỗi ký tự được biểu diễn bởi 7 bit trong một Byte Hiện

nay, một trong các bảng mã thông dụng được dùng là

Unicode , trong bảng mã này, mỗi ký tự được mã hoá bởi

2 Byte

Bảng mã ASCII

EBCDIC

• Mã ASCII là nó chỉ có thể biểu diễn được 128 ký tự khác

nhau bởi vì hạn chế các ký tự có trong bàn phím;

• Mã EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange

Code) được sử dụng để mở rộng thành mã 8 bit

• Mã này được sử dụng rộng rãi trong các máy chủ

mainframe của IBM

• Từ các mã 7 bit của mã ASCII, ta thêm vào đó 1 bit 0 hoặc

1 để thu được mã EBCDIC

Tham khảo: https://en.wikipedia.org/wiki/EBCDIC

Trang 23

• Bảng mã ASCII và mã EBCDIC hỗ trợ các ký tự Latin được

sử dụng trong máy tính, một tiêu chuẩn mới được xây dựng

để hỗ trợ các ngôn ngữ trên toàn thế giới, đó là chuẩn

Unicode

• Unicode là một chuẩn có tính chất mở Trong phiên bản 2.0,

đã có 38.885 ký tự được mã hóa bao gồm các ký tự của ngôn

ngữ cơ bản của Châu Mỹ, Châu Âu, Trung đông, Châu Phi,

Ấn độ, Châu Á Thái Bình Dương,

• Chuẩn Unicode sử dụng mã 16 bit để biểu diễn ký tự, trong

đó có một sự tương ứng 1-1 giữa mã 16 bit và ký tự biểu diễn

• Mặc dù Unicode hỗ trợ nhiều ký tự hơn ASCII hay EBCDIC

nhưng đây cũng không chắc chắn là chuẩn cuối cùng mà

chúng ta sử dụng Thực tế, chuẩn Unicode 16 bit chỉ là một

thành phần của chuẩn ký tự 32 bit ISO 10646 (UCS-4)

256 ký tự đầu tiên của Unicode 2.1

Trang 24

3.3 Thanh ghi 3.4 Khối điều khiển 3.5 Khối số học và logic 3.6 Phân tích mô hình máy tính đơn giản

3.1 Thành phần của hệ thống máy tính

• Các thành phần của hệ thống máy tính:

– Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit)

– Bộ nhớ (Memory)

– Hệ thống vào/ra (Input/Output System)

– Liên kết hệ thống (System Interconnection)

3.1 Thành phần của hệ thống máy tính

• Mô hình máy tính theo kiến trúc Von-neumann

Trang 25

3.6 Phân tích mô hình máy tính đơn giản

3.2 Bộ xử lý trung tâm CPU (Central

Processing Unit)

• Chức năng:

– Điều khiển hoạt động của máy tính – Xử lý dữ liệu

• Nguyên tắc hoạt động cơ bản:

– CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính

Trang 26

Processing Unit)

• Nhiệm vụ của CPU:

– Nhận lệnh ( Feech Instruction ): CPU đọc lệnh từ bộ

– Xử lý dữ liệu ( Process Data ): thực hiện phép toán số

học hay phép toán logic với các dữ liệu

– Ghi dữ liệu ( Write Data ): ghi dữ liệu kết quả vào bộ

nhớ hay thiết bị vào/ra

Processing Unit)

• Cấu trúc cơ bản của CPU:

CU: Control Unit ALU: Arithmetic and Logic Unit RF: Register File BIU: Bus Interface Unit

Bus ngoài chứa thông tin gì ?

Processing Unit)

hoạt động của máy tính theo chương trình định

sẵn

- ALU): thực hiện các phép toán số học và logic

• Tập thanh ghi (Register File - RF): lưu trữ các

thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động của

CPU

kết nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong

(Internal bus) và bus bên ngoài (External bus)

Trang 27

Processing Unit)

• Tốc độ bộ xử lý:

Số lênh và số chu kỳ trên 1 lệnh

Trang 28

Ví dụ: CPI (Cycles per Instruction) Hiệu năng máy tính

Trang 29

Đo hiệu năng: MFLOPS (Cont.) Ví dụ: Tính toán Hiệu năng

Sự thực thi các chỉ thị (Instruction)Lấy chỉ thị tiếp theo từ bộ nhớ đặt vào thanh ghi chỉ thị IR Thay đổi bộ đếm chương trình để trỏ tới chỉ thị tiếp theo Xác định kiểu của chỉ thị vừa lấy về

Nếu chỉ thị sử dụng dữ liệu trong bộ nhớ thì xác định vị trí của dữ liệu

Lấy dữ liệu về (nếu có), đặt vào các thanh ghi Thi hành chỉ thị

Chứa kết quả vào nơi thích hợp

Trang 30

Thực thi các lệnh trong CPU Thực thi các lệnh trong CPU

Trang 31

Thực thi các lệnh trong CPU

– Trình biên dịch ngôn ngữ lập trình bậc cao làm việc tốt

hơn trên máy có tập chỉ thị đơn giản

• Có 2 loại máy: CISC và RISC

– CISC – Complex Istruction Set Computer

– RISC – Reduce Instruction Set Computer

So sánh CISC và RISC

• Một lệnh được thực thi bởi việc kết hợp một số chỉ lệnh đơn giản

• Các chỉ lệnh được thực thi bởi phần cứng

• Kích thước các chỉ lệnh và thời gian thực hiện các chỉ lệnh

là bằng nhau

• Các chỉ lệnh ở dạng phức hợp

• Các chỉ lệnh được phân tích nhỏ thành vi chỉ lệnh để thực thi nhờ vi chương trình

• Độ dài cũng như kích thước các chỉ lệnh thay đổi

Sơ đồ đơn giản tổ chức CPU:

Các thanh ghi (registers)

thanh ghi vào ALU (ALU input register)

thanh ghi ra ALU (ALU output register)

Trang 32

Tổ chức CPU Tổ chức CPU

Các chế độ địa chỉ

• Là cách thức chỉ ra cho CPU lấy được dữ liệu, dựa

vào vị trí của toán hạng có thể phân loại:

– Chế độ địa chỉ thanh ghi – thanh ghi (Register-Register)

– Chế độ địa chỉ thanh ghi – bộ nhớ (Register - Memory)

– Chế độ địa chỉ bộ nhớ - bộ nhớ (Memory - Memory)

Thực hiện song song các lệnh

• Mục đích: nâng cao tốc độ hoạt động của máy tính, có 2 cách:

– Nâng cao tốc độ hoạt động của phần cứng– Tổ chức hoạt thực hiện các lệnh song song

SISD (Single Instruction stream, Single Data stream) SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data stream) MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream)

Trang 33

SISD – 1 đơn vị xử lý và 5 ALU

• Đơn vị điều khiển CU nhận về một lệnh rồi chuyển cho một trong các ALU thực hiện, đồng thời

CU nhận về các lệnh tiếp theo, rồi chuyển cho một trong những ALU khác đang rỗi thực hiện,

quá trình này chỉ dừng lại khi mọi ALU đã bận.

• Chiến lược làm việc này có hiệu quả khi thời gian thực hiện một lệnh dài hơn thời gian lấy lệnh

SISD – Cơ chế đường ống (Pipelining)

• Nguyên tắc: quá trình thực hiện lệnh được chia thành nhiều giai đoạn, mục đích tối ưu quá trình sử dụng phần cứng:

Instruction fetch unit Instruction analyzer calculation Address

unit

Data fetch unit execution unit Instruction

P1 P2 P3 P4 P5

1 2 3 4 5 6 7 8 9

2 3 4 5 6 7 8 1

2 3 4 5 6 7 1

2 3 4 5 6 1

2 3 4 5 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Thời gian

SISD – Cơ chế đường ống (Pipelining)

+ P1 nhận lệnh 1 từ bộ nhớ.

+ Lệnh 1 được chuyển cho P2 phân tích, P1 lấy lệnh 2.

+ Lệnh 1 chuyển cho P3 tính địa chỉ, P2 nhận lệnh 2 để phân

SIMD - Máy tính Vector

• Không phải chỉ có một biến đơn cho mỗi lối vào ALU mà có một vector n lối vào.

• ALU thực sự là một ALU vector, nó có khả năng thực hiện một phép toán như là phép cộng vector đối với 2 vector lối vào và đưa

ra vector kết quả

Trang 34

SIMD: kiểu bộ xử lý mảng (Array processor)

• Một mạng lưới các hình vuông các phần tử processor/memory

• Đơn vị CU phát ra các lệnh, các lệnh này được thực hiện từng bước bởi tất cả các

bộ xử lý, mỗi bộ xử lý sử dụng dữ liệu riêng lấy từ bộ nhớ riêng của nó

• Bộ xử lý mảng thích hợp với các tính toán ma trận

MIMD - kiểu 1 bộ nhớ dùng chung

• Máy tính loại này có nhiều CPU, mỗi CPU thực hiện một chương trình khác nhau

• Các CPU có thể cùng chia sẻ một vùng nhớ chung (được gọi là shared memory).

MIMD - kiểu nhiều bộ nhớ

• Mỗi bộ xử lý được trang bị một bộ nhớ cục bộ riêng, các bộ xử lý khác không truy cập được.

• Bộ nhớ cục bộ chứa các đoạn mã chương trình hoặc các phần tử dữ liệu không được sử

dụng chung.

• Các bộ xử lý khi truy cập bộ nhớ cục bộ riêng của mình không sử dụng bus chính dùng chung,

nhờ vậy làm giảm rất nhiều việc truyền thông trên bus chính.

Nội dung

3.1 Thành phần của hệ thống máy tính 3.2 Tổ chức của CPU

Trang 35

3.3 Tập các thanh ghi (Registers)

• Cấu trúc: là các FF mắc nối tiếp nhau, thanh ghi n

bit chứa được n bit thông tin

• Chức năng và đặc điểm:

– Chứa các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động ở

thời điểm hiện tại của CPU

– Được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ

– Số lượng thanh ghi nhiều => tăng hiệu năng của CPU

– Có 2 loại thanh ghi: thanh ghi lập trình được và thanh

ghi không lập trình được

Phân loại các thanh ghi

• Thanh ghi địa chỉ (Address Register): quản lý địa chỉ của ô nhớ hay địa chỉ của cổng vào/ra

• Thanh ghi dữ liệu (Data Reg): chứa tạm thời các

• Thanh ghi lệnh (Intruction Reg): chứa lệnh đang thực hiện

Một số thanh ghi điển hình

• Các thanh ghi địa chỉ

– Bộ đếm chương trình PC (Program counter)

– Con trỏ dữ liệu DP (Data Pointer)

– Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer)

– Thanh ghi cơ sở & thanh ghi chỉ số (Base Reg &

Index Reg)

• Các thanh ghi dữ liệu

• Các thanh ghi trạng thái: Thanh ghi cờ

Bộ đếm chương trình PC

• Còn gọi là con trỏ lệnh IP (Instruction Pointer)

• Giữ địa chỉ của lệnh tiếp theo sẽ thực hiện, sau khi một lệnh được nhận vào, nội dung của

PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp

Trang 36

Thanh ghi con trỏ dữ liệu

• Chứa địa chỉ của ô nhớ mà CPU muôn truy cập

• Thường có một số thanh ghi con trỏ dữ liệu

Ngăn xếp (Stack)

• Ngăn xếp là vùng nhớ có cấu trúc LIFO (Last In – First Out), thường dùng để phục vụ cho

chương trình con

• Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác định

• Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm ở vị trí trên cùng trong ngăn xếp

• Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi

Con trỏ ngăn xếp SP (Stack pointer)

• Chứa địa chỉ ở ngăn nhớ đỉnh ngăn xếp

• Khi cất một thông tin vào ngăn xếp:

– Nội dung của SP tự động giảm

– Thông tin được cất vào ngăn nhớ được trỏ bởi SP

• Khi lấy một thông tin ra khỏi ngăn xếp:

– Thông tin được đọc từ ngăn nhớ được trỏ bởi SP

– Nội dung của SP tự động tăng

• Khi ngăn xếp rỗng, SP trỏ vào đáy

Ví dụ con trỏ ngăn xếp

Trang 37

Thanh ghi cơ sở và thanh ghi chỉ số

• Thanh ghi cơ sở: chứa địa chỉ của ô nhớ cơ sở

(địa chỉ cơ sở)

• Thanh ghi chỉ số: chứa độ lệch địa chỉ giữa ô

nhớ mà CPU cần truy cập so với ô nhớ cơ sở

(chỉ số)

• Địa chỉ của ô nhớ cần truy cập = địa chỉ cơ sở

+ chỉ số

Ví dụ thanh ghi cơ sở và chỉ số

Các thanh ghi dữ liệu

• Chứa các dữ liệu tạm thời hoặc các kết quả

trung gian

• Cần có nhiều thanh ghi dữ liệu

• Dung lượng các thanh ghi: 8,16,32,64, … bit

• Các thanh ghi dấu phảy động

Thanh ghi trạng thái (Status Reg)

• Còn gọi là thanh ghi cờ (Flag Reg)

• Chứa các thông tin trạng thái của CPU sau mỗi lệnh được thực hiện

– Các cờ phép toán: báo hiệu trạng thái của kết quảphép toán

– Các cờ điều khiển: biểu thị trạng thái điều khiểncủa CPU

– Ví dụ thanh ghi cờ:

Trang 38

Tập thanh ghi của một số bộ xử lý Nội dung

3.1 Thành phần của hệ thống máy tính 3.2 Tổ chức của CPU

3.4 Khối điều khiển (Control Unit - CU)

Chức năng:

• Điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh

ghi lệnh

• Tăng nội dung PC để trỏ sang lệnh kế tiếp

• Giải mã lệnh đã được nhận để xác định thao tác

mà lệnh yêu cầu

• Phát ra các tín hiệu điều khiển thực hiện lệnh

• Nhận các tín hiệu yêu cầu từ bus hệ thống và đáp

ứng với các yêu cầu đó.

Mô hình kết nối đơn vị điều khiển

Vào:

• Clock: tín hiệu xung nhịp từ mạch tạo dao động bên ngoài

• Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến để giải mã

• Các cờ từ thanh ghi cờ cho biết trạng thái của CPU

• Các tín hiệu yêu cầu từ bus điều khiển

Ra:

• Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU (điều khiển Reg, ALU)

• Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU (Mem, I/O)

Trang 39

Các phương pháp thiết kế đơn vị điều khiển

• Đơn vị điều khiển vi chương trình

(Microprogrammed Control Unit)

• Đơn vị điều khiển kết nối cứng (Hardwired

Control Unit)

Đơn vị điều khiển vi chương trình

• Bộ nhớ vi chương trình (ROM) lưu trữ các vi chương trình

(microprogram)

• Một vi chương trình bao gồm các vi lệnh

Trang 40

3.5 Khối số học và logic (Arithmetic and

Logic Unit - ALU) Chức năng:

• Thực hiện các phép toán số học và phép toán

logic

– Số học: cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo dấu

– Logic: AND, OR, XOR, NOT, dịch bit

Mô hình kết nối ALU

3.6 Phân tích mô hình máy tính đơn giản

3.6 Mô hình hệ thống máy tính đơn giản

• Mô hình hệ thống máy tính đơn giản nhất:

• Hoạt động của mô hình hệ thống máy tính đơn giản:

– Mô hình đơn giản là mạch số tuần tự: gồm 1 bộ đếm tăng 4 bit (Counter), bộ giải mã (decoder), các thanh ghi (registers), khối chuyển mạch (Switch Unit), khối điều khiển (Control Unit), khối số học và logic (ALU-Arithmetic logic unit)

Tiêu đề	Cấu Trúc Máy Tính
Tác giả	Ngô Thanh Bình, Trần Văn Hưng
Trường học	kỹ thuật điện tử
Thể loại	tài liệu tham khảo
Năm xuất bản	2016

Định dạng
Số trang	127
Dung lượng	9,79 MB