Bài 1: Kiến trúc Cơ Bản và Nguyên Lý Hoạt Động của Máy Tính Điện Tử môn Kiến trúc máy tính | Trường đại học Mở Hà Nội

lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người BÀI 1
KIẾN TRÚC CƠ BẢN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
CỦA MÁY TÍNH ĐIỆN TỬ
Chương này bao gồm 2 mục lớn:
1.1. Lịch sử tiến hóa của máy tính
1.2. Kiến trúc cơ bản của máy tính iện tử và phương pháp biểu diễn thông tin Mục tiêu
Sau khi học xong chương này, anh/ chị sẽ:
• Nắm ược lịch sử hình thành các thế hệ máy tính từ thế kỷ thứ 17 ến chiếc
máy tính iện tử ầu tiên trên thế giới và cho ến thế hệ các máy tính iện tử hiện ại ngày nay.
• Ôn tập lại khái niệm về cơ số và hệ ếm, cách thức lưu trữ và biểu diễn
thông tin trên máy tính iện tử bằng hệ ếm nhị phân. Nguyên tắc chuyển
ổi hệ ếm thập phân sang nhị phân và ngược lại.
• Nắm ược kiến trúc cơ bản của máy tính iện tử, hiểu ược các thành phần
cơ bản trong kiến trúc máy tính iện tử hiện ại vai trò và nguyên tắc hoạt
ộng cơ bản của chúng.
Nội dung (Nội dung của các chương theo bài Text)
I. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Cơ sở phương pháp luận
2. Các phương pháp cụ thể
III. Ý NGHĨA CỦA VIỆC HỌC TẬP MÔN HỌC ĐỐI VỚI SINH VIÊN
Bài tập tự luận
Bài tập trắc nghiệm
Tài liệu tham khảo
1.1 LỊCH SỬ TIẾN HÓA CỦA MÁY TÍNH
- Bàn tính của người Trung Hoa, người La Mã v.v.
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 1 lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người - Thước tính logarit
1.1.1 Thế hệ máy tính cơ khí
-Thế kỷ 17: B. Pascal (Pháp), máy tính cơ khí ầu tiên, thực hiện ược các phép
tính cộng và trừ trên các số thập phân.
- Thế kỷ 19: Ch. Babbage (Anh), máy tính cơ khí ầu tiên (Difference EngineMáy
Sai phân) có khả năng thực hiện tự ộng nhiều bước thao tác, không cần sự can thiệp
của con người. Chiếc Máy Sai phân thực hiện các phép tính cộng và trừ trên số thập phân.
Ch. Babbage ã có ý tưởng thiết kế một máy tính a năng ược iều khiển bằng
chương trình, gọi là Máy Giải tích (Analitical Engine). Không ược hoàn thành.
Máy tính cơ khí: tốc ộ tính toán chậm, ộ tin cậy không cao. Thiết kế, chế tạo
các thành phần cơ khí phức tạp và có giá thành cao. Máy nặng nề, cồng kềnh, năng
lượng vận hành lớn, công năng không cao.
1.1.2 Thế hệ máy tính iện tử
Máy tính iện tử thế hệ 1
- 1943: Máy tính iện tử a năng ầu tiên ENIAC (Electronic Numerical Integrator
and Calculator). Mũ, cộng, trừ, nhân, chia và căn bậc hai, số thập phân. Lập
trình kiểu thủ công bằng cách lật các công tắc chuyển mạch và cắm hoặc rút các dây iện.
- 1945: EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer), John von
Neuman (Mỹ gốc Hungari) ề xuất. Chương trình ược chứa trong máy, dạng số nhị phân.
- 1947: J. von Neuman và các ồng nghiệp ã ề xuất và thiết kế một máy tính iện
tử có chứa chương trình mới tên là IAS, tại viện nghiên cứu IAS (Institute for
Advanced Studies) ở thành phố Princeton, Hoa Kỳ.
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 2 lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người
John von Neuman ã ịnh nghĩa một kiến trúc cơ bản cho các máy tính hiện ại. CPU Thi ế t b ị vào- ra Kh ố i x ử D ữ li ệ u ( bàn phím, lý d ữ li ệ u B ộ nh ớ máy in, b ộ chính nh ớ th ứ c ấ p (Ch ương trình và d ữ v.v.) Ch ỉ th ị li ệ u) Kh ố i Đi ề u khi ể n Đi ề u Hình 1 - 1
Máy tính iện tử thế hệ 2: iện tử bán dẫn
- Bóng bán dẫn ã thay thế các èn iện tử chân không.
- Trong thiết kế CPU: bổ xung các lệnh phục vụ cho cơ chế gọi chương trình con.
- Ngôn ngữ lập trình bậc cao.
- Quản lý hoạt ộng hệ thống máy tính: quản lý công việc theo lô (batch monitor).
- Chương trình giám sát lô là tiền thân của hệ iều hành máy tính ngày nay.
Máy tính iện tử thế hệ 3: vi mạch IC-Integrated Circuit
- Hệ thống máy tính IBM System/360 ược thiết kế chuẩn hoá.
- Có một tập lệnh chung cho các máy tính thuộc các ời khác nhau.
- Hệ iều hành ược thiết kế có tên OS/360, cũng ược dùng chung cho các ời máy
tính thuộc dòng System/360.
Máy tính iện tử thế hệ 4: mạch tích hợp cỡ lớn VLSI (Very Large-Scale Integration)
- Công nghệ VLSI: các CPU, bộ nhớ và các module ngoại vi.
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 3 lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người
- Máy tính cá nhân PC, máy tính mini, các siêu máy tính ược xây dựng trên các chip VLSI.
- Vào ầu những năm 70: chip DRAM.
- Năm 1971: công ty Intel- Hoa kỳ, ã chế tạo ược CPU 4-bit Intel 4004 dạng chip
ơn ầu tiên. Các CPU dạng chip ơn ược gọi là các bộ vi xử lý - microprocessor.
- Năm 1972: Intel chế tạo bộ vi xử lý 8-bit Intel 8008 và hệ thống các vi mạch
chức năng tương thích. Hình thành một lĩnh vực thiết kế và chế tạo một chủng
loại máy tính mới, máy tính cá nhân - personal compute, loại máy tính hướng
ến từng người sử dụng ơn lẻ.
- Năm 1981: công ty IBM - Hoa kỳ thiết kế và chế tạo chiếc máy tính cá nhân16-
bit ầu tiên, máy vi tính IBM PC, trên cơ sở bộ vi xử lý Intel 8086. Dòng máy
tính IBM PC/AT do IBM thiết kế ã trở thành kiến trúc chuẩn cho các dòng máy
tính cá nhân trên thế giới sau này.
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 4 lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người
1.2 KIẾN TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH ĐIỆN TỬ VÀ PHƯƠNG
PHÁP BIỂU DIỄN THÔNG TIN
1.2.1 Những thành phần cơ bản của máy tính iện tử
Chức năng của máy tính và các thành phần cơ bản
1.2.2 Hệ ếm nhị phân và phương pháp biểu diễn thông tin trong máy tính iện tử
- Hệ ếm nhị phân là hệ ếm ược dùng trong máy tính.
- Hệ ếm nhị phân ược dùng ể mang tải và thể hiện thông tin.
- Hệ ếm nhị phân ược xây dựng trên cơ sở các chữ số nhị phân “0” và “1”. 1.2.2.1 Bit
Bit (Binary Digit) là một chữ số của hệ nhị phân, ược biểu diễn bằng con số “0” hoặc
“1”. Bit là ơn vị nhỏ nhất biểu diễn dữ liệu (ơn vị nhỏ nhất mang thông tin) trong máy tính. Thi ế t b ị ầ u ra ( màn hình, máy in v.v.) Module giao di ệ n Kh ố i x ử D ữ li ệ u B ộ nh ớ lý d ữ li ệ u B ộ nh ớ chính Th ứ c ấ p Module giao di ệ n ( Ch ương Ch ỉ trình và d ữ Kh ố i li ệ u)
Đi ề u khi ể n Đi ề u khi ể n Thi ế t b ị ầ u vào (bà n phím,bàn iề u
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 5 khi ể n, chu ộ t v.v.) Hình 1 - 2 lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người
1.2.2.2 Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính
a. Hệ thống ếm, cơ số và trọng số •
Ví dụ : 126.510 = 1*102 + 2*101 + 6*100 + 5*10-1 126.5 biểu diễn ở hệ nhị phân :
1111110.12 = 1*26 + 1*25 + 1*24 + 1*23 + 1*22 + 1*21 + 0*20 + 1*2-1 •
Chuyển ổi hệ cơ số 10 sang hệ cơ số 2
Ví dụ: chuyển ổi con số 19.62510 Chuyển ổi phần nguyên: Thương số D 19 2 = 9 1 9 2 = 4 1 4 2 = 2 0 2 2 = 1 0 1 2 = 0 1
Kết quả chuyển ổi phần nguyên: 1910 = 10011 Chuyển
ổi phần sau dấu thập phân: Tích số 2 x 0,625 = 1,25 0.1 2 x 0,25 = 0,50 0.10 2 x 0,50 = 1,0 0.101
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 6 lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người
Kết quả chuyển ổi phần sau dấu thập phân: 0,62510 = 0.1012 Kết
quả chuyển ổi toàn phần:
19,62510 = 10011 + 0.101 = 10011.1012
Biểu diễn số âm
- Bit: dấu nằm ở vị trí bit cao nhất trong số nhị phân. Quy ước chung: số
dương có bit dấu là 0, số âm có bit dấu là 1.
- Ở hệ cơ số 2: một số âm có thể ược biểu diễn qua số bù 2. Số bù 2 của một
số nhị phân ược tạo ra bằng cách lấy 1 trừ mỗi chữ số và cộng 1 vào chữ
số có ý nghĩa thấp nhất của số vừa ược tạo ra.
- Với hệ thống bù 2: các phép tính cộng và trừ hai số nhị phân ược thực hiện
qua chỉ một phép tính cộng.
Ví dụ: Tính tổng 2 số, khi một số là dương và một số là âm, số dương có
trị tuyệt ối lớn hơn. Ký pháp bình thường
Dạng dữ liệu trong máy tính
(Sử dụng hệ thống bù 2) +1000 01000 - 0101 11011 +0011 100011 Bit nhớ ược bỏ
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 7 lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người
Kết quả là số dương, kết quả thật là +0011 •
Biểu diễn số thực 31 30 23 22 0 S E F S E - 127 V = (-1) 2 1.F
Phạm vi biểu diễn của số dấu chấm ộng 32 bit chuẩn hoá khác 0, gồm hai vùng:
- Vùng số âm: - (1.F) 2E-127 với 0< E < 255
- Vùng số dương: + (1.F) 2E-127 với 0< E < 255
Các kết quả xuất hiện nằm ngoài hai vùng sẽ ược hiểu như sau:
- Giá trị với số mũ bằng 0 cùng với phần ịnh trị bằng 0 biểu diễn giá trị
-0 hoặc +0, tuỳ thuộc bit dấu.
- Giá trị với số mũ bằng 0 cùng với phần ịnh trị khác 0 biểu diễn con số phi chuẩn hoá.
- Giá trị với tất cả các bit trong số mũ bằng 1 (số mũ bằng 255) cùng với
phần ịnh trị bằng 0 biểu diễn giá trị dương vô cùng hoặc âm vô cùng.
- Giá trị với tất cả các bit trong số mũ bằng 1 (số mũ bằng 255) cùng với
phần ịnh trị khác 0 cho giá trị NaN (Not a Number), ược dùng ể chỉ báo
các iều kiện ngoại lệ. Bài 1 Trang 8
Downloaded by Bao Chi (baochi1010@gmail.com) lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người
1.2.3 Kiến trúc cơ bản của máy tính iện tử khi ể n
Các lệnh máy (chỉ thị) có khuôn dạng: Mã thao tác Phần ịa chỉ
1.2.3.1 Đơn vị xử lý trung tâm
Các thành phần cơ bản của một Đơn vị xử lý trung tâm CPU(Central Processing Unit): PSW CPU B ộ nh ớ S chnh Z ALU Bus h ệ th ố ng C ACC MBR
Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử IR Thiết b Bài 1 Tra n g 9 ị PC MAR vo-ra Cloc k CU CÆc tn hi ệu điề u
Downloaded by Bao Chi (baochi1010@gmail.com) lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người
- Con trỏ lệnh PC (Program counter).
- Thanh ghi lệnh IR (Instruction Register).
- Đơn vị iều khiển CU (Control Unit).
- Thanh ghi ịa chỉ bộ nhớ MAR (Memory Address Register).
- Thi ghi ệm dữ liệu MBR (Memory Buffer Register).
- Đơn vị số học-logic (Arthmetic Logic Unit).
- Thanh chứa ACC (Accumulator).
- Thanh ghi trạng thái PSW ( Program Status Word).
1.2.3.2 Bộ nhớ
1.2.3.3 Thiết bị vào-ra (nhập-xuất) dữ liệu
1.2.3.4 Tập lệnh của ơn vị xử lý trung tâm CPU Lệnh máy Mã
Thao tác thực hiện lệnh (chỉ thị) thao tác LOAD xxxx 0001 ACC <- M xxxx STORE xxxx 0010 M <- ACC xxxx ADD xxxx 0011 ACC <- ACC + M xxxx SUB xxxx 0100 ACC <- ACC - M xxxx JMP xxxx 0101
PC <- (Phần ịa chỉ xxxx) JZ xxxx 0110
Nếu Z 1 thì PC <- (Phần ịa chỉ xxxx) JC xxxx 0111
Nếu C 1 thì PC <- (Phần ịa chỉ xxxx)
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 10
Downloaded by Bao Chi (baochi1010@gmail.com) lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người JS xxxx 1000
Nếu S 1 thì PC <- (Phần ịa chỉ xxxx) IN xxxx 1001
ACC <- (Thiết bị vào có ịa chỉ xxxx) OUT xxxx 1010
Thiết bị ra có ịa chỉ xxxx <- ACC
1.2.3.5 Hoạt ộng của máy tính
• Quá trình thực hiện lệnh - Ví dụ : ADD 1000 Th ự c hi ệ n Nh ậ p l ệ nh l ệ nh Hình 1 - 4 Chu kỳ lệnh B ắt ầ u
Nh ậ p l ệ nh ti ế p theo Gi ả i mã l ệ nh
T ạo ị a ch ỉ toán h ạ ng Nh ậ p toán h ạ ng
Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Th ự c thi l ệ nh Bài 1 Trang 11 Ghi k ế t q u ả
Downloaded by Bao Chi (baochi1010@gmail.com) Hình 1 5 lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người N ội dung
N ội dung bộ nhớ ở dạng Bộ
Địa chỉ bộ nhớ ngôn ngữ nhớ gợi nhớ 0100 00111000 ADD 1000 .... .... .... .... ..... .... 1000 0111 0111 .... .... .... ACC 0101 PC 0100
• Lệnh ADD xxxx ược thực hiện qua hai tiểu chu kỳ: tiểu chu kỳ nhập lệnh và
tiểu chu kỳ thực thi lệnh. Sau giải mã lệnh, CPU thực hiện trong tiểu chu kỳ
thực hiện lệnh các thao tác : tạo ịa chỉ toán hạng, nhập toán hạng, thực thi lệnh,
ghi kết quả. Để thực hiện các thao tác này CPU phải thực hiện tuần tự hoặc
ồng thời các vi thao tác.
• Vi thao tác là hoạt ộng cơ bản nhất của ơn vị xử lý trung tâm. Các hoạt ộng cơ
bản này ược kích hoạt dưới sự iều khiển của ơn vị iều khiển CU.
• Quá trình thực hiện lệnh ADD xxxx diễn ra ở mức vi thao tác:
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 12
Downloaded by Bao Chi (baochi1010@gmail.com) lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người (1) Nhập lệnh: PC 0100 • MAR <- PC ; (MAR) 0100
CU ưa ra tín hiệu iều khiển ọc bộ nhớ RD
• MBR <- M0100 ; MBR 00111000
• IR <- MBR (phần mã thao tác OP) ; IR 0011 • PC <- PC + 1 ; PC 0101 (2) Giải mã lệnh: • ID <- IR
Bộ giải mã lệnh ID (Instruction Decoder) trong CU thực hiện giải mã lệnh, từ
ây xác ịnh ược cần thực hiện các thao tác sau:
- Nhập toán hạng thứ 2 của phép cộng từ ô nhớ có ịa chỉ 1000 - Thực thi phép cộng
(3) Tạo ịa chỉ toán hạng:
• MAR <- MBR (phần ịa chỉ); MAR 1000 (4) Nhập toán hạng:
CU ưa ra tín hiệu iều khiển ọc bộ nhớ RD
• MBR <- M1000 ; MBR 0111
(5) Thực thi lệnh và ghi kết quả: • ACC <- ACC + MBR
Kết quả của việc thực hiện lệnh ADD là ACC 1100
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 13
Downloaded by Bao Chi (baochi1010@gmail.com) lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người PSW CPU 001 1 1000 S ALU Z C 01 11 Bus h ệ th ố ng 0101 ACC B ộ nh ớ chnh MBR Thi ế t IR 0100 MAR b ị vo ra PC Clock CU CÆc tn hi ệu điề u khi ể n Hình 1 - 6
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 14
Downloaded by Bao Chi (baochi1010@gmail.com) lOMoAR cPSD| 59908026
Trường Đại học Mở Hà Nội Mở cơ hội học tập cho mọi người
Bài 1 Kiến trúc cơ bản và nguyên lý hoạt ộng của máy tính iện tử Trang 15
Downloaded by Bao Chi (baochi1010@gmail.com)