Kiến trúc máy tính: Cấu trúc và Chức năng của CPU | Mạng máy tính | Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Khái niệm "Data path" khi đề cập đến tổ chức của bộ xử lý là một đường ổn định của dữ liệu thông qua CPU, bao gồm các đơn vị như ALU, bộ đếm, bộ nhớ, và các bộ lưu trữ khác. Data path định rõ cách dữ liệu di chuyển qua các phần tử trong CPU để được xử lý. Tài liệu được sưu tầm và soạn thảo dưới dạng file PDF để gửi tới các bạn cùng tham khảo, ôn tập đầy đủ kiến thức, chuẩn bị cho các buổi học thật tốt. Mời bạn đọc đón xem!
Môn: Mạng máy tính (HUS) 10 tài liệu
Trường: Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 687 tài liệu
Tác giả:
Preview text:
Câu 1: Hệ thống CPU
a) Các thành phần chình trong CPU là gì?
b) Khái niệm Data path khi đề cập đến tổ chức của bộ xử lý?
c) Chức năng và đặc điểm của bộ đếm chương trình PC?
d) Viết sơ đồ thuật toán để mô tả cách thức đọc một địa chỉ từ bộ nhớ vào CPU để xử lý?
a) Các thành phần chính trong CPU bao gồm: a)
Central Processing Unit (CPU): Trung tâm xử lý, thực hiện các phép tính và điều khiển các hoạt động trong máy tính.
ALU (Arithmetic Logic Unit): Đơn vị tính toán và logic thực hiện các phép tính số học và logic
như cộng, trừ, và so sánh.
Registers: Bộ nhớ nhanh nằm trong CPU, lưu trữ dữ liệu và các hướng dẫn tạm thời mà CPU đang thực thi.
Control Unit (CU): Điều khiển và điều phối các hoạt động của các thành phần khác trong CPU.
Cache Memory: Bộ nhớ đệm tạm thời giữa CPU và bộ nhớ chính, giúp tăng tốc độ truy cập dữ liệu.
b) Khái niệm "Data path" khi đề cập đến tổ chức của bộ xử lý là một đường ổn định của dữ liệu
thông qua CPU, bao gồm các đơn vị như ALU, bộ đếm, bộ nhớ, và các bộ lưu trữ khác. Data
path định rõ cách dữ liệu di chuyển qua các phần tử trong CPU để được xử lý.
c) Bộ đếm chương trình (Program Counter - PC) là một thanh ghi đặc biệt trong CPU lưu trữ địa
chỉ của lệnh hiện tại được thực thi trong bộ nhớ. Chức năng của PC là theo dõi vị trí của lệnh kế
tiếp mà CPU sẽ thực thi.
Đặc điểm của PC bao gồm:
Tính chính xác: PC phải chứa đúng địa chỉ của lệnh tiếp theo để CPU có thể thực thi đúng chương trình.
Cập nhật liên tục: Sau mỗi lệnh, PC sẽ được cập nhật để trỏ đến địa chỉ của lệnh kế tiếp
d) . 1. CPU đặt địa chỉ của dữ liệu cần đọc vào thanh ghi địa chỉ (Address Register).
2. CPU gửi yêu cầu đọc dữ liệu đến bộ nhớ qua dây truyền (Data Bus).
3. Bộ nhớ nhận yêu cầu và truy cập vào ô nhớ chứa dữ liệu tương ứng với địa chỉ được cung cấp.
4. Dữ liệu được trả về từ bộ nhớ và đưa vào thanh ghi dữ liệu (Data Register) trong CPU.
5. CPU sử dụng dữ liệu này để thực hiện các phép tính hoặc xử lý khác.
Câu 2: Trình bày phương pháp tổ chức của CPU:
a) Nhiệm vụ của CPU?
b) Sơ đồ cấu trúc cơ bản của CPU?
c) Các thành phần cơ bản của CPU? d) Đơn vị
điều khiển có chức năng gì ?
a) Nhiệm vụ chính của CPU là thực hiện các phép tính và điều khiển các hoạt
động của hệ thống máy tính. Cụ thể, CPU thực hiện các lệnh từ chương trình
được lưu trữ trong bộ nhớ, thực hiện các phép tính số học và logic, quản lý dữ
liệu trong các thanh ghi và bộ nhớ, và điều khiển các thiết bị ngoại vi khác.
b) Sơ đồ cấu trúc cơ bản của CPU thường bao gồm:
Control Unit (Đơn vị Điều khiển): Quản lý và điều khiển các hoạt động
của CPU. Nó giải mã các lệnh từ bộ nhớ, thực hiện các tác vụ kiểm soát, và
điều khiển dòng dữ liệu giữa các thành phần khác của CPU.
Arithmetic Logic Unit (Đơn vị Tính toán và Logic): Thực hiện các phép
tính số học (như cộng, trừ, nhân, chia) và các phép tính logic (như AND, OR, NOT).
Registers (Thanh ghi): Là bộ nhớ nhanh nằm trong CPU được sử dụng để
lưu trữ dữ liệu tạm thời, địa chỉ và các dữ liệu liên quan khác mà CPU đang thực thi.
c) Các thành phần cơ bản của CPU bao gồm:
Control Unit (Đơn vị Điều khiển): Như đã mô tả ở trên, điều khiển và
quản lý các hoạt động của CPU.
Arithmetic Logic Unit (Đơn vị Tính toán và Logic): Thực hiện các phép tính số học và logic.
Registers (Thanh ghi): Bộ nhớ nhanh được sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm
thời và các giá trị quan trọng khác trong quá trình xử lý.
d) Đơn vị điều khiển (Control Unit) có chức năng chính là điều khiển các hoạt
động của CPU bằng cách giải mã các lệnh từ bộ nhớ, tạo ra các tín hiệu điều
khiển để thực hiện các hoạt động như đọc dữ liệu, ghi dữ liệu, thực hiện phép
tính, và chuyển đổi dữ liệu giữa các thành phần khác nhau của CPU. Đơn vị
điều khiển cũng quản lý quá trình thực thi lệnh theo trình tự đúng và đồng bộ
hóa các hoạt động của CPU.
Câu 3: Hệ thống vào ra:
a) Nêu các chức năng của module điều khiển vào ra?
b) Các thành phần của module I/O?
c) Vì sao hệ thống PC phải cần đến module I/O? d) Vẽ sơ
đồ trình bày trên cho module I/O.
a) Các chức năng chính của module điều khiển vào ra (I/O Controller) bao gồm:
Điều khiển giao tiếp với các thiết bị ngoại vi: Module I/O chịu trách
nhiệm giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột, máy in, máy quét, ổ đĩa, v.v.
Chuyển đổi dữ liệu giữa CPU và các thiết bị ngoại vi: Module I/O
chuyển đổi dữ liệu giữa CPU và các thiết bị ngoại vi bằng cách sử dụng các
giao thức truyền thông như USB, SATA, Ethernet, v.v.
Xử lý dữ liệu đầu vào và đầu ra: Module I/O có thể thực hiện các chức
năng xử lý dữ liệu cần thiết trước khi chuyển đến hoặc sau khi nhận từ các thiết bị ngoại vi.
b) Các thành phần của module I/O bao gồm:
Port Interface: Giao diện cung cấp kết nối vật lý giữa module I/O và các
thiết bị ngoại vi. Các loại giao diện bao gồm cổng USB, cổng Ethernet, cổng SATA, v.v.
Control Logic: Logic điều khiển xử lý các tín hiệu điều khiển từ CPU và điều
khiển hoạt động của các thiết bị ngoại vi.
Data Buffer: Bộ đệm dữ liệu tạm thời để lưu trữ dữ liệu được truyền giữa
CPU và các thiết bị ngoại vi.
Status Registers: Các thanh ghi trạng thái lưu trữ thông tin về trạng thái
hoạt động của các thiết bị ngoại vi, chẳng hạn như trạng thái sẵn sàng hoặc trạng thái lỗi.
c) Hệ thống PC cần module I/O vì:
Để kết nối và tương tác với các thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột, màn hình, máy in, v.v.
Để chuyển đổi dữ liệu giữa CPU và các thiết bị ngoại vi thông qua các giao
thức truyền thông khác nhau.
Để quản lý và điều khiển hoạt động của các thiết bị ngoại vi để đảm bảo tính
linh hoạt và hiệu suất của hệ thống.
d) Sơ đồ trình bày cho module I/O: +-----------------+ | Port Interface | +-----------------+ | v +-----------------+ | Control Logic | +-----------------+ |
+---------------+---------------+ | | v v
+------------------+ +------------------+
| Data Buffer | | Status Registers|
+------------------+ +------------------+
Câu 4: Hãy trình bày hệ thống phân cấp trong bộ nhớ:
a) Vẽ sơ đồ và giải thích hệ thống phân cấp bộ nhớ?
b) Thành phần nào trong cấu trúc phân cấp bộ nhớ giúp làm tăng hiệu năng hệ thống và làm giảm giá
thành sản xuất của máy tính?
c) Giải thích vì sao bộ nhớ RAM được coi là khả biến còn ổ cứng là bất biến?
+---------------------------------------------------+
| Bộ nhớ chính (Main Memory) |
+---------------------------------------------------+ | / | |
| Bộ nhớ cache Bộ nhớ chính |
| cấp 1 (L1 Cache) cấp 2 (L2 Cache) | | (Cache) (RAM) | | \ / |
+---------------------------------------------------+
| Bộ nhớ ngoại vi (External Memory)|
+---------------------------------------------------+ Giải thích:
Bộ nhớ chính (Main Memory): Bao gồm bộ nhớ RAM (Random Access
Memory), là nơi lưu trữ dữ liệu và các chương trình đang hoạt động. Bộ nhớ
chính thường có thời gian truy cập nhanh và được CPU truy cập trực tiếp.
Bộ nhớ cache (Cache): Bộ nhớ cache được chia thành nhiều cấp độ, ví dụ
như L1 Cache và L2 Cache. Cache cung cấp một lớp bộ nhớ nhanh giữa CPU
và bộ nhớ chính. Nó lưu trữ các dữ liệu và hướng dẫn mà CPU thường xuyên
truy cập nhất, giúp tăng tốc độ truy xuất dữ liệu.
Bộ nhớ ngoại vi (External Memory): Bao gồm các thiết bị lưu trữ như ổ
đĩa cứng, ổ đĩa SSD, và các thiết bị lưu trữ khác. Bộ nhớ ngoại vi thường có
dung lượng lớn hơn nhưng thời gian truy cập lâu hơn so với bộ nhớ chính.
b) Thành phần giúp tăng hiệu năng và giảm giá thành:
Bộ nhớ cache (Cache): Bộ nhớ cache được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và
hướng dẫn mà CPU thường xuyên truy cập nhất. Việc sử dụng bộ nhớ cache
giúp giảm thời gian truy cập dữ liệu từ bộ nhớ chính, cải thiện hiệu năng hệ
thống. Đồng thời, việc sử dụng bộ nhớ cache cấp 1 và cấp 2 giúp tăng hiệu
quả trong việc sử dụng bộ nhớ cache với chi phí thấp hơn so với việc tăng
dung lượng bộ nhớ chính.
c) Bộ nhớ RAM là khả biến còn ổ cứng là bất biến:
Bộ nhớ RAM (Random Access Memory): RAM là loại bộ nhớ tạm thời, có
thể lưu trữ và truy cập dữ liệu một cách ngẫu nhiên. Dữ liệu trong RAM chỉ
tồn tại khi máy tính hoạt động và sẽ bị mất khi máy tính tắt hoặc khởi động
lại. Do đó, RAM được coi là khả biến.
Ổ cứng (Hard Drive): Ổ cứng là loại bộ nhớ lưu trữ dữ liệu dài hạn và bền
vững. Dữ liệu được lưu trữ trên ổ cứng sẽ không bị mất khi máy tính tắt. Do
đó, ổ cứng được coi là bất biến.
Câu 5: Trình bày các phương pháp ánh xạ bộ nhớ cache.
a) Phương pháp ánh xạ trực tiếp
b) Phương pháp ánh xạ liên kết toàn phần
c) Phương pháp ánh xạ liên kết tập hợp
a) Phương pháp ánh xạ trực tiếp:
Cách thức hoạt động: Trong phương pháp ánh xạ trực tiếp, mỗi khối dữ
liệu từ bộ nhớ chính được ánh xạ vào một vị trí cụ thể trong bộ nhớ cache. Vị
trí này được xác định bằng cách sử dụng một phần của địa chỉ từ bộ nhớ
chính (được gọi là tập chỉ mục) để chỉ ra vị trí trong bộ nhớ cache. Ưu điểm: Dễ hiểu và triển khai.
Tốc độ truy cập cao vì không cần phải tìm kiếm trong toàn bộ bộ nhớ cache để tìm dữ liệu. Nhược điểm:
Có thể xảy ra hiện tượng xung đột (conflict miss) khi nhiều khối dữ liệu từ bộ
nhớ chính được ánh xạ vào cùng một vị trí trong bộ nhớ cache.
b) Phương pháp ánh xạ liên kết toàn phần:
Cách thức hoạt động: Trong phương pháp ánh xạ liên kết toàn phần, mỗi
khối dữ liệu từ bộ nhớ chính được lưu trữ trong một tập (set) cố định trong bộ
nhớ cache. Mỗi tập bao gồm nhiều ô nhớ, và mỗi ô nhớ chứa một khối dữ liệu
từ bộ nhớ chính. Địa chỉ từ bộ nhớ chính được sử dụng để xác định tập chứa
khối dữ liệu, và sau đó một hàm băm được sử dụng để chọn ra vị trí cụ thể trong tập. Ưu điểm:
Giảm thiểu khả năng xảy ra hiện tượng xung đột (conflict miss) so với ánh xạ trực tiếp.
Vẫn dễ triển khai và có hiệu suất cao. Nhược điểm:
Vẫn có thể xảy ra hiện tượng xung đột khi nhiều khối dữ liệu cùng thuộc về một tập.
c) Phương pháp ánh xạ liên kết tập hợp:
Cách thức hoạt động: Trong phương pháp ánh xạ liên kết tập hợp, mỗi khối
dữ liệu từ bộ nhớ chính được ánh xạ vào một tập hợp các vị trí trong bộ nhớ
cache. Mỗi tập hợp chứa nhiều ô nhớ, và mỗi ô nhớ có thể chứa một khối dữ
liệu từ bộ nhớ chính. Địa chỉ từ bộ nhớ chính được sử dụng để xác định tập
hợp chứa khối dữ liệu, và sau đó một hàm băm được sử dụng để chọn ra vị trí cụ thể trong tập hợp. Ưu điểm:
Giảm thiểu khả năng xảy ra hiện tượng xung đột (conflict miss) bằng cách
phân bố dữ liệu vào nhiều tập hợp.
Độ linh hoạt cao hơn so với ánh xạ trực tiếp và liên kết toàn phần. Nhược điểm:
Phức tạp hơn trong việc triển khai và quản lý do có nhiều tập hợp.
Câu 6: Trình bày phương pháp tổ chức I/O được lập:
a) Vào ra bằng chương trình
b) Vào ra điều khiển bằng ngắt
c) Vào ra điều khiển bằng DMA. d) Vẽ
sơ đồ module I/O.
a) Vào ra bằng chương trình:
Cách thức hoạt động: Trong phương pháp này, việc giao tiếp với các thiết
bị ngoại vi được thực hiện thông qua việc sử dụng các lệnh I/O trực tiếp từ
chương trình chính. Khi cần thực hiện các hoạt động vào ra, chương trình sẽ
gọi các hàm hoặc sử dụng các lệnh đặc biệt để thực hiện việc giao tiếp với thiết bị ngoại vi. Ưu điểm:
Kiểm soát trực tiếp và linh hoạt về việc giao tiếp với các thiết bị ngoại vi từ phía chương trình.
Phù hợp cho các ứng dụng có yêu cầu giao tiếp với thiết bị ngoại vi không
đồng đều và không thường xuyên. Nhược điểm:
Tính hiệu quả của hệ thống có thể giảm khi chương trình phải chờ đợi kết
quả từ các hoạt động vào ra, làm giảm khả năng đa nhiệm của hệ thống.
Đòi hỏi sự quản lý và kiểm soát kỹ lưỡng để tránh xung đột và xung đột dữ liệu.
b) Vào ra điều khiển bằng ngắt:
Cách thức hoạt động: Trong phương pháp này, các hoạt động vào ra được
kích hoạt bằng các tín hiệu ngắt từ thiết bị ngoại vi. Khi thiết bị ngoại vi cần
chú ý từ CPU, nó sẽ phát ra tín hiệu ngắt, khiến CPU dừng lại việc thực hiện
chương trình hiện tại để xử lý tín hiệu ngắt. CPU sau đó thực hiện các hoạt
động vào ra cần thiết cho thiết bị ngoại vi và sau đó tiếp tục chương trình chính. Ưu điểm:
Giảm thiểu việc chờ đợi và giảm bớt tải cho CPU trong quá trình giao tiếp với thiết bị ngoại vi.
Cho phép việc xử lý các sự kiện từ các thiết bị ngoại vi một cách hiệu quả. Nhược điểm:
Yêu cầu sự hỗ trợ từ phần cứng để xử lý các tín hiệu ngắt, làm tăng phức tạp
trong việc triển khai và kiểm soát.
c) Vào ra điều khiển bằng DMA (Direct Memory Access):
Cách thức hoạt động: Trong phương pháp này, một module DMA được sử
dụng để quản lý việc truyền dữ liệu giữa bộ nhớ chính và các thiết bị ngoại vi
mà không cần sự can thiệp của CPU. DMA có thể truy cập vào bộ nhớ chính
trực tiếp và thực hiện các hoạt động truyền dữ liệu một cách độc lập. Ưu điểm:
Giảm bớt tải cho CPU bằng cách cho phép truyền dữ liệu trực tiếp giữa bộ
nhớ và thiết bị ngoại vi mà không cần sự can thiệp của CPU.
Tăng hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Nhược điểm:
Đòi hỏi phần cứng hỗ trợ DMA.
Cần sự quản lý cẩn thận để tránh xung đột và xung đột dữ liệu.
d) Sơ đồ module I/O: +------------------+ | I/O Controller | +------------------+ | Port Interface| +------------------+ | Control Logic | +------------------+ | Data Buffer | +------------------+ | Status Registers | +------------------+ | DMA Controller | +------------------+
Câu 7: bày phương pháp tổ chức của CPU:
a) Nhiệm vụ của CPU?
b) Sơ đồ cấu trúc cơ bản của CPU?
c) Các thành phần cơ bản của CPU? d) Đơn vị
điều khiển có chức năng gì ?
a) Nhiệm vụ của CPU:
CPU (Central Processing Unit) là trái tim của một hệ thống máy tính, thực
hiện các nhiệm vụ chính sau:
Thực hiện các phép tính: CPU thực hiện các phép tính số học (như cộng,
trừ, nhân, chia) và các phép tính logic (như AND, OR, NOT).
Điều khiển các hoạt động của hệ thống: CPU điều khiển và điều phối các
hoạt động của hệ thống máy tính, bao gồm việc thực thi các chương trình,
giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, và quản lý các tác vụ khác nhau.
Xử lý dữ liệu: CPU xử lý dữ liệu thông qua việc thực thi các lệnh từ chương
trình và điều khiển các hoạt động của hệ thống.
b) Sơ đồ cấu trúc cơ bản của : CPU
+--------------------------------+ | Central | | Processing Unit | | (CPU) |
+--------------------------------+
| Arithmetic Logic Unit (ALU) |
|--------------------------------| | Control Unit (CU) |
|--------------------------------| | Registers |
+--------------------------------+ | Cache Memory |
+--------------------------------+
c) Các thành phần cơ bản của CPU:
Arithmetic Logic Unit (ALU): Là đơn vị thực hiện các phép tính số học và logic trong CPU.
Control Unit (CU): Điều khiển và điều phối các hoạt động của CPU. Nó giải
mã các lệnh từ bộ nhớ và điều khiển các hoạt động của ALU, bộ nhớ và các thành phần khác của CPU.
Registers: Là bộ nhớ nhanh trong CPU, lưu trữ dữ liệu tạm thời và các chỉ
dẫn cần thiết cho việc thực thi chương trình.
Cache Memory: Là bộ nhớ đệm giữa CPU và bộ nhớ chính, giúp tăng tốc độ truy cập dữ liệu.
d) Đơn vị điều khiển (Control Unit): Điều khiển và điều phối các hoạt
động của CPU. Nó đọc lệnh từ bộ nhớ, giải mã chúng, và tạo ra các tín hiệu
điều khiển để thực hiện các hoạt động như truy xuất dữ liệu, thực hiện phép
tính, và chuyển đổi dữ liệu giữa các thành phần khác nhau của CPU. Đơn vị
điều khiển cũng quản lý quá trình thực thi lệnh theo trình tự đúng và đồng bộ
hóa các hoạt động của CPU.
Câu 8: Xây dựng Kỹ thuật phát hiện lỗi và sửa lỗi Hamming code
a) Trình bày các kỹ phát hiện và hiệu chỉnh lỗi trong bộ nhớ
b) Vẽ và giải thích sơ đồ phát hiện lỗi và hiệu chỉnh lỗi
c) Cho ví dụ minh họa mã sửa lỗi Hamming (m=4, k=3)?
a) Các kỹ thuật phát hiện và hiệu chỉnh lỗi trong mã Hamming:
Trong mã Hamming, có thể phát hiện và thậm chí sửa lỗi một số bit dữ liệu bị
hỏng trong quá trình truyền thông. Các kỹ thuật chính bao gồm:
1. Phát hiện lỗi: Bằng cách sử dụng các bit kiểm tra được tính toán từ
các bit dữ liệu, mã Hamming có khả năng phát hiện và chỉ ra vị trí của
lỗi trong từ truyền đi. Nếu một bit dữ liệu hoặc một bit kiểm tra bị thay
đổi trong quá trình truyền thông, sẽ có sự không phù hợp trong các giá
trị của các bit kiểm tra, cho biết lỗi đã xảy ra.
2. Hiệu chỉnh lỗi: Mã Hamming cũng có khả năng hiệu chỉnh một số lỗi
nhỏ. Dựa trên các bit kiểm tra, nó có thể xác định vị trí của bit lỗi và
sửa đổi nó để khôi phục lại dữ liệu ban đầu. Tuy nhiên, mã Hamming
chỉ có thể hiệu chỉnh một bit lỗi duy nhất trong mỗi khối dữ liệu.
b) Sơ đồ phát hiện lỗi và hiệu chỉnh lỗi trong mã Hamming:
Sơ đồ dưới đây minh họa cách phát hiện và hiệu chỉnh lỗi trong mã Hamming: D1 D2 D3 D4 P1 P2 D5 P3 D6 D7 P1: D1 D2 P1 D4 P1 D6 D7 P2: D1 P2 D3 D4 D5 D6 D7 P3: P3 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Trong đó:
D1 đến D7 là các bit dữ liệu.
P1, P2, P3 là các bit kiểm tra.
Mỗi bit kiểm tra kiểm tra một tập hợp các bit dữ liệu và bit kiểm tra được tính
toán dựa trên một số các bit dữ liệu. Bằng cách so sánh các giá trị bit kiểm
tra với các giá trị mong đợi, có thể xác định xem có lỗi nào xảy ra và vị trí của nó.
c) Ví dụ minh họa mã sửa lỗi Hamming (m=4, k=3):
Trong một mã Hamming (4,3), có 4 bit dữ liệu (D1, D2, D3, D4) và 3 bit kiểm tra (P1, P2, P3).
Ví dụ, nếu chúng ta có dữ liệu là 1011, ta tính các bit kiểm tra theo công thức sau: P1 = D1 xor D2 xor D4 = 1 xor 0 xor 1 = 0 P2 = D1 xor D3 xor D4 = 1 xor 1 xor 1 = 1 P3 = D2 xor D3 xor D4 = 0 xor 1 xor 1 = 0
Do đó, mã Hamming cho dữ liệu 1011 là 0111011.
0: 1 = 1 khác nhau (1 true
1 : 1 =0 giống nhau false 0
Câu 9: Bộ xử lý trung tâm
a) Thanh ghi là gì? Nêu chức năng một số thanh ghi có bên trong CPU?
b) Thanh ghi PC và IR là gì?
c) Các thanh ghi
trên làm nhiệm vụ gì trong quá trình thực thi lệnh của bộ xử lý?
a) Thanh ghi là gì và chức năng:
Thanh ghi (Register) là các ô nhớ nhỏ trực tiếp được tích hợp trong bộ xử
lý. Chúng được sử dụng để lưu trữ các dữ liệu tạm thời và các giá trị trung
gian trong quá trình thực thi chương trình.
Một số thanh ghi quan trọng có trong CPU bao gồm:
Thanh ghi tổng hợp (General-purpose registers): Là các thanh ghi được
sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm thời và các giá trị trung gian trong quá trình
thực thi chương trình. Chúng thường được sử dụng cho các phép tính và lưu
trữ các giá trị như địa chỉ, dữ liệu, kết quả tính toán, v.v.
Thanh ghi chỉ số (Index registers): Được sử dụng trong các phép tính liên
quan đến việc truy cập vào các phần tử của mảng hoặc các cấu trúc dữ liệu
tương tự. Chúng giúp tối ưu hóa việc truy cập bộ nhớ.
Thanh ghi địa chỉ (Address registers): Lưu trữ các địa chỉ trong quá trình
thực thi chương trình. Chúng thường được sử dụng để lưu trữ các địa chỉ của
các dữ liệu hoặc lệnh trong bộ nhớ.
b) Thanh ghi PC (Program Counter) và IR (Instruction Register):
Thanh ghi PC (Program Counter): Là thanh ghi đặc biệt lưu trữ địa chỉ
của lệnh kế tiếp cần thực thi trong bộ nhớ. Khi một lệnh được thực thi xong,
giá trị trong thanh ghi PC sẽ được cập nhật để trỏ đến lệnh tiếp theo trong chương trình.
Thanh ghi IR (Instruction Register): Là thanh ghi lưu trữ lệnh hiện tại
đang được thực thi. Khi CPU đọc lệnh từ bộ nhớ, nó được lưu trữ trong thanh
ghi IR để được giải mã và thực thi.
c) Nhiệm vụ của các thanh ghi trong quá trình thực thi lệnh của bộ xử lý:
Thanh ghi tổng hợp: Lưu trữ các giá trị trung gian và kết quả tính toán
trong quá trình thực thi lệnh, giúp tối ưu hóa việc truy xuất dữ liệu và tính toán.
Thanh ghi chỉ số và thanh ghi địa chỉ: Hỗ trợ trong việc truy cập bộ nhớ
và các cấu trúc dữ liệu phức tạp bằng cách lưu trữ các chỉ số và địa chỉ liên quan.
Thanh ghi PC: Xác định địa chỉ của lệnh tiếp theo cần thực thi, giúp điều
khiển luồng thực thi chương trình.
Thanh ghi IR: Lưu trữ lệnh hiện tại được đọc từ bộ nhớ, giúp CPU giải mã và thực thi lệnh.
Câu 10: Hệ thống máy tính
a) Phần cứng (Hardware) là gì? Phần mềm (Software) là gì? Phần sụn (Firmware) là gì?
b) Tại sao nói phần cứng và phần mềm là tương đương về mặt logic? c) Lấy
ví dụ minh hoạ?
a) Khái niệm về phần cứng, phần mềm và phần sụn:
Phần cứng (Hardware): Là các thành phần vật lý của một hệ thống máy
tính, bao gồm các linh kiện như bộ vi xử lý (CPU), bo mạch chủ (mainboard),
bộ nhớ (RAM), ổ cứng (hard drive), màn hình, bàn phím, chuột, v.v.
Phần mềm (Software): Là các chương trình và dữ liệu được lưu trữ trên
phần cứng để điều khiển và thực hiện các chức năng cụ thể. Phần mềm có
thể bao gồm hệ điều hành, ứng dụng, trình điều khiển (driver), công cụ phát
triển (development tools), v.v.
Phần sụn (Firmware): Là một loại phần mềm được lưu trữ trên bộ nhớ
không thể thay đổi trực tiếp và được tích hợp sẵn trên các thiết bị phần cứng.
Phần sụn thường đi kèm với phần cứng và được sử dụng để điều khiển hoạt
động cơ bản của thiết bị, như việc khởi động hệ thống, tải hệ điều hành, v.v.
b) Tại sao nói phần cứng và phần mềm là tương đương về mặt logic:
Phần cứng và phần mềm đều là những thành phần quan trọng của một hệ
thống máy tính và cùng nhau tạo nên một môi trường hoạt động toàn diện.
Mặc dù chúng hoạt động theo cách khác nhau, nhưng cả hai đều được thiết
kế để làm việc cùng nhau để cung cấp các chức năng và dịch vụ cho người dùng.
Tính tương đương về mặt logic của phần cứng và phần mềm nằm ở việc cả
hai đều cần phải được cấu hình và điều khiển bởi lập trình để hoạt động theo
cách mong muốn. Phần cứng cần được lập trình thông qua phần mềm để
thực hiện các chức năng cụ thể, trong khi phần mềm cần phải có phần cứng
để chạy và thực thi mã lệnh.
c) Ví dụ minh hoạ:
Ví dụ 1: Trong một máy tính cá nhân, bộ vi xử lý (CPU), bộ nhớ (RAM), ổ
cứng (hard drive), màn hình và bàn phím là các thành phần phần cứng. Hệ
điều hành như Windows hoặc Linux, các ứng dụng như trình duyệt web, trình
soạn thảo văn bản là các ví dụ về phần mềm. Firmware trong trường hợp này
có thể là phần mã lệnh được lưu trữ trên BIOS (Basic Input/Output System)
để khởi động máy tính.
Ví dụ 2: Trong một điện thoại di động, các thành phần như màn hình cảm
ứng, camera, loa, vi xử lý là phần cứng. Hệ điều hành như iOS hoặc Android,
ứng dụng như Facebook, Instagram là các ví dụ về phần mềm. Firmware
trong trường hợp này có thể là phần mã lệnh được tích hợp sẵn trên điện
thoại để quản lý các chức năng cơ bản của thiết bị.
Câu 11: Hệ thống nhớ
a) Ý nghĩa các kỹ thuật tổ chức Cache là gì?
b) So sánh 3 phương pháp ánh xạ cache: ánh xạ trực tiếp, ánh xạ kết hợp đầy đủ và ánh xạ tập kết h
c) Phương pháp ánh xạ nào trong các phương pháp trên được sử dụng nhiều nhất trong thực tế? Tại sao?
a) Ý nghĩa của các kỹ thuật tổ chức Cache:
Cache là một bộ nhớ tạm thời được sử dụng để lưu trữ các dữ liệu và hướng
dẫn mà CPU thường xuyên truy cập, nhằm tăng tốc độ truy cập dữ liệu so với
việc truy cập trực tiếp từ bộ nhớ chính. Các kỹ thuật tổ chức Cache như ánh
xạ trực tiếp, ánh xạ kết hợp đầy đủ và ánh xạ tập kết hợp đều nhằm cải thiện
hiệu suất truy cập dữ liệu bằng cách quản lý cách dữ liệu được lưu trữ trong Cache.
b) So sánh 3 phương pháp ánh xạ cache:
Ánh xạ trực tiếp (Direct Mapping):
Mỗi khối dữ liệu trong bộ nhớ chính được ánh xạ vào một dòng cụ thể trong Cache.
Dễ triển khai và tốn ít bộ nhớ cho bảng ánh xạ.
Có thể xảy ra hiện tượng xung đột khi nhiều khối dữ liệu cùng ánh xạ vào cùng một dòng.
Ánh xạ kết hợp đầy đủ (Fully Associative Mapping):
Mỗi khối dữ liệu trong bộ nhớ chính có thể được lưu trữ ở bất kỳ vị trí nào trong Cache.
Không có khả năng xảy ra hiện tượng xung đột vì mỗi khối dữ liệu có thể
được lưu trữ ở bất kỳ vị trí nào trong Cache.
Tốn nhiều bộ nhớ cho việc lưu trữ thông tin về vị trí của từng khối dữ liệu.
Ánh xạ tập kết hợp (Set Associative Mapping):
Cache được chia thành nhiều tập (set), mỗi tập chứa một số dòng (line) nhất định.
Mỗi khối dữ liệu từ bộ nhớ chính được ánh xạ vào một tập nhất định, và sau
đó được lưu trữ ở bất kỳ dòng nào trong tập đó.
Giảm thiểu khả năng xảy ra hiện tượng xung đột so với ánh xạ trực tiếp,
nhưng vẫn giữ được tính linh hoạt so với ánh xạ kết hợp đầy đủ.
c) Phương pháp ánh xạ được sử dụng nhiều nhất trong thực tế:
Trong thực tế, phương pháp ánh xạ tập kết hợp (Set Associative Mapping)
thường được sử dụng nhiều nhất. Điều này bởi vì ánh xạ tập kết hợp kết hợp
giữa tính linh hoạt của ánh xạ kết hợp đầy đủ và tính hiệu quả của ánh xạ
trực tiếp. Nó giảm thiểu khả năng xảy ra hiện tượng xung đột dữ liệu so với
ánh xạ trực tiếp, nhưng vẫn giữ được sự linh hoạt trong việc lưu trữ dữ liệu so
với ánh xạ kết hợp đầy đủ. Điều này làm cho phương pháp ánh xạ tập kết
hợp trở thành một lựa chọn phổ biến cho việc tổ chức Cache trong các hệ thống thực tế.
Câu 12: Hệ thống nhớ
a) Trình bày ba phương pháp thay thế dòng cache: ngẫu nhiên, FIFO và LRU.
b) So sánh ba phương pháp trên. c) Phương
pháp nào cho hệ số trúng (hit) cao nhất? Giải thích?
a) Ba phương pháp thay thế dòng cache:
Ngẫu nhiên (Random):
Khi một khối dữ liệu mới cần được đưa vào Cache và không còn chỗ trống,
một dòng bất kỳ trong Cache được chọn ngẫu nhiên để bị thay thế.
Phương pháp này đơn giản và dễ triển khai, nhưng không hợp lý vì không
xem xét xác suất lựa chọn dòng nào sẽ được thay thế.
FIFO (First-In, First-Out):
Khối dữ liệu được thêm vào Cache sẽ được đặt vào cuối danh sách.
Khi một khối dữ liệu mới cần được đưa vào Cache và không còn chỗ trống,
dòng đầu tiên trong danh sách sẽ được thay thế.
Phương pháp này dễ triển khai và có hiệu quả trong môi trường có các tập tin
hoạt động theo thời gian.
LRU (Least Recently Used):
Mỗi khi một dòng trong Cache được truy cập, nó sẽ được đặt vào đầu danh sách.
Khi một khối dữ liệu mới cần được đưa vào Cache và không còn chỗ trống,
dòng ít được truy cập nhất (tức là dòng cuối cùng trong danh sách) sẽ được thay thế.
Phương pháp này cố gắng giữ lại các khối dữ liệu mà CPU sử dụng gần đây
nhất trong Cache, giảm thiểu khả năng thay thế các khối dữ liệu quan trọng.
b) So sánh ba phương pháp trên:
Ngẫu nhiên: Đơn giản, dễ triển khai, nhưng không hiệu quả vì không xem xét lịch sử truy cập.
FIFO: Dễ triển khai, nhưng có thể không phản ánh được mức độ sử dụng
thực tế của dữ liệu, đặc biệt trong các ứng dụng có tần suất truy cập không đồng đều.
LRU: Cung cấp hiệu suất cao hơn bằng cách thực hiện việc thay thế dựa trên
lịch sử truy cập gần đây nhất. Tuy nhiên, cần phải duy trì một danh sách lịch
sử truy cập và các phép toán phức tạp hơn so với các phương pháp khác.
c) Phương pháp cho hệ số trúng (hit) cao nhất:
Phương pháp LRU (Least Recently Used) thường cho hệ số trúng (hit) cao
nhất. Điều này là do LRU cố gắng duy trì các khối dữ liệu mà CPU sử dụng
gần đây nhất trong Cache, giảm thiểu khả năng thay thế các khối dữ liệu
quan trọng. Trong khi đó, các phương pháp khác như FIFO và ngẫu nhiên
không xem xét lịch sử truy cập và có thể dẫn đến việc thay thế các khối dữ
liệu quan trọng, làm giảm hiệu suất của Cache.
Câu 13: Trình bày quá trình ghép nhiều ổ đĩa cứng vật lý thành một hệ thống ổ đĩa cứng:
a) RAID là gì?
b) Tại sao RAID có thể nâng cao được tính tin cậy và tốc độ truy nhập hệ thống lưu trữ?
c) So sánh ba loại RAID 0, RAID 1 và RAID 5 a) RAID là gì?
RAID (Redundant Array of Independent Disks) là một công nghệ được sử
dụng để kết hợp nhiều ổ đĩa cứng vật lý thành một hệ thống ổ đĩa cứng logic.
Mục tiêu của RAID là cải thiện hiệu suất, độ tin cậy và/hoặc khả năng phục
hồi của hệ thống lưu trữ.
b) Tại sao RAID có thể nâng cao được tính tin cậy và tốc độ truy nhập
hệ thống lưu trữ?
Nâng cao tính tin cậy: RAID cung cấp khả năng sao lưu dữ liệu
(redundancy) bằng cách phân chia và lưu trữ dữ liệu dự phòng trên các ổ đĩa
khác nhau. Khi một ổ đĩa bị hỏng, dữ liệu có thể được khôi phục từ dữ liệu dự
phòng, giảm thiểu nguy cơ mất dữ liệu.
Nâng cao tốc độ truy nhập: RAID có thể cải thiện hiệu suất truy xuất dữ
liệu bằng cách phân chia và phân tán dữ liệu qua nhiều ổ đĩa. Điều này cho
phép hệ thống đọc/ghi dữ liệu từ nhiều ổ đĩa cùng một lúc, tăng tốc độ truy cập tổng thể.
c) So sánh ba loại RAID 0, RAID 1 và RAID 5: RAID 0:
Không có tính năng dự phòng (redundancy).
Dữ liệu được chia nhỏ và lưu trữ trên các ổ đĩa một cách song song (striping), tăng tốc độ truy cập.
Tuy nhiên, nếu một ổ đĩa bị hỏng, toàn bộ dữ liệu trên hệ thống có thể bị mất. RAID 1:
Tính năng dự phòng đầy đủ (full redundancy).
Dữ liệu được sao lưu đồng thời trên hai ổ đĩa khác nhau (mirroring), giúp bảo
vệ dữ liệu khi một ổ đĩa bị hỏng.
Tuy nhiên, hiệu suất ghi dữ liệu có thể giảm do cần thực hiện việc sao lưu đồng thời. RAID 5:
Kết hợp tính năng striping và parity.
Dữ liệu được chia nhỏ và phân tán trên nhiều ổ đĩa (striping), trong khi thông
tin dự phòng (parity) được tính toán và lưu trữ trên các ổ đĩa khác nhau.
Nếu một ổ đĩa bị hỏng, dữ liệu có thể được phục hồi từ thông tin dự phòng.
RAID 5 cung cấp một sự cân bằng tốt giữa hiệu suất và tính dự phòng, phù
hợp cho nhiều ứng dụng thương mại.