Msc. Võ Văn Chín
ThS. Nguyễn Hồng Vân
KS Phạm Hữu Tài
Giáo trình
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Được biên soạn trong khuôn khổ dự án ASVIET002CNTT
”Tăng cường hiệu quả đào tạo và năng lực tự đào tạo của sinh viên
khoa Công nghệ Thông tin - Đại học Cần thơ”
Đại học Cần Thơ - 12/2003
Kiến trúc máy tính Mục lục
MỤC LỤC
*****
MỤC LỤC..........................................................................................................................2
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN.............................................................................................5
GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH .......................................................................5
MỤC ĐÍCH......................................................................................................................5
YÊU CẦU.........................................................................................................................5
NỘI DUNG ......................................................................................................................6
KIẾN THỨC TIÊN QUYẾT..............................................................................................6
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................6
PHƯƠNG PHÁP HỌC TẬP............................................................................................6
CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG ...............................................................................................7
I.1 CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH.........................................................................................7
a. Thế hệ đầu tiên (1946-1957)................................................................................7
b. Thế hệ thứ hai (1958-1964) .................................................................................8
c. Thế hệ thứ ba (1965-1971) ..................................................................................8
d. Thế hệ thứ tư (1972-????)...................................................................................8
e. Khuynh hướng hiện tại........................................................................................8
I.2 PHÂN LOẠI MÁY TÍNH...........................................................................................9
I.3 THÀNH QUẢ CỦA MÁY TÍNH .............................................................................10
QUI LUẬT MOORE VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH ...................................10
I.4- THÔNG TIN VÀ SỰ MÃ HOÁ THÔNG TIN........................................................12
I.4.1 - Khái niệm thông tin.........................................................................................12
I.4.2 - Lượng thông tin và sự mã hoá thông tin.........................................................13
I.4.3 - Biểu diễn các số:.............................................................................................13
I.4.4 Số nguyên có dấu..............................................................................................16
I.4.5 - Cách biểu diễn số với dấu chấm động:...........................................................17
I.4.6 - Biểu diễn các số thập phân .............................................................................19
I.4.7 - Biểu diễn các ký tự..........................................................................................19
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG I............................................................22
CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ.................................................23
II.1 - THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MỘT MÁY TÍNH..............................................23
II.2 - ĐỊNH NGHĨA KIẾN TRÚC MÁY TÍNH.............................................................25
II.3 - CÁC KIỂU THI HÀNH MỘT LỆNH ...................................................................25
II.4 - KIỂU KIẾN TRÚC THANH GHI ĐA DỤNG....................................................27
II.5 - TẬP LỆNH............................................................................................................27
II.5.1 - Gán trị............................................................................................................28
II.5.2 - Lệnh có điều kiện...........................................................................................29
II.5.3 - Vòng lặp.........................................................................................................30
II.5.4 - Thâm nhập bộ nhớ ngăn xếp..........................................................................31
II.5.5 - Các thủ tục.....................................................................................................31
II.6 - CÁC KIỂU ĐỊNH VỊ............................................................................................33
2
Kiến trúc máy tính Mục lục
II.7 - KIỂU CỦA TOÁN HẠNG VÀ CHIỀU DÀI CỦA TOÁN HẠNG ......................34
II.8 - TÁC VỤ MÀ LỆNH THỰC HIỆN.......................................................................34
II.9 - KIẾN TRÚC RISC ( REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER)...........................35
II.10 - KIỂU ĐỊNH VỊ TRONG CÁC BỘ XỬ LÝ RISC...............................................37
II.10.1 - Kiểu định vị thanh ghi..................................................................................37
II.10.2 - Kiểu định vị tức thì.......................................................................................37
II.10.3 - Kiểu định vị trực tiếp...................................................................................38
II.10.4 - Kiểu định vị gián tiếp bằng thanh ghi + độ dời..........................................38
II.10.5 - Kiểu định vị tự tăng .....................................................................................38
II.11 - NGÔN NGỮ CẤP CAO VÀ NGÔN NGỮ MÁY..............................................39
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG II ..........................................................41
CHƯƠNG III: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ ..........................................................................42
III.1. ĐƯỜNG ĐI CỦA DỮ LIỆU.................................................................................42
III.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN.................................................................................................44
III.2.1. Bộ điều khiển mạch điện tử...........................................................................44
III.2.2. Bộ điều khiển vi chương trình: ......................................................................45
III.3. DIỄN TIẾN THI HÀNH LỆNH MÃ MÁY ..........................................................46
III.4. NGẮT QUÃNG (INTERRUPT)...........................................................................47
III.5. KỸ THUẬT ỐNG DẪN (PIPELINE)...................................................................48
III.6. KHÓ KHĂN TRONG KỸ THUẬT ỐNG DẪN...................................................49
III.7. SIÊU ỐNG DẪN...................................................................................................51
III.8. SIÊU VÔ HƯỚNG (SUPERSCALAR)................................................................52
III.9. MÁY TÍNH CÓ LỆNH THẬT DÀI VLIW (VERY LONG INSTRUCTION
WORD)..........................................................................................................................53
III.10. MÁY TÍNH VECTƠ...........................................................................................53
III.11. MÁY TÍNH SONG SONG .................................................................................53
III.12 KIẾN TRÚC IA-64 ..............................................................................................59
a) Đặc trưng của kiến trúc IA-64: .........................................................................59
b) Định dạng lệnh trong kiến trúc IA-64 ...............................................................60
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG III.........................................................62
CHƯƠNG IV: CÁC CẤP BỘ NHỚ...............................................................................63
IV.1. CÁC LOẠI BỘ NHỚ............................................................................................63
IV.2. CÁC CẤP BỘ NHỚ..............................................................................................65
IV.3. XÁC SUẤT TRUY CẬP DỮ LIỆU TRONG BỘ NHỚ TRONG ........................66
IV.4. VẬN HÀNH CỦA CACHE..................................................................................67
IV.5. HIỆU QUẢ CỦA CACHE....................................................................................72
IV.6. CACHE DUY NHẤT HAY CACHE RIÊNG LẺ.................................................73
IV.7. CÁC MỨC CACHE..............................................................................................73
IV.8. BỘ NHỚ TRONG.................................................................................................74
IV.9. BỘ NHỚ ẢO.........................................................................................................75
IV.10. BẢO VỆ CÁC TIẾN TRÌNH BẰNG CÁCH DÙNG BỘ NHỚ ẢO...................79
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG IV.........................................................81
CHƯƠNG V: NHẬP - XUẤT..........................................................................................82
3
Kiến trúc máy tính Mục lục
V.1. DẪN NHẬP...........................................................................................................82
V.2. ĐĨA TỪ..................................................................................................................82
V.3. ĐĨA QUANG .........................................................................................................84
V.4. CÁC LOẠI THẺ NHỚ...........................................................................................86
V.5. BĂNG TỪ..............................................................................................................86
V.6. BUS NỐI NGOẠI VI VÀO BỘ XỬ LÝ VÀ BỘ NHỚ TRONG ...........................87
V.7. CÁC CHUẨN VỀ BUS..........................................................................................89
V.8. GIAO DIỆN GIỮA BỘ XỬ LÝ VỚI CÁC BỘ PHẬN VÀO RA..........................90
V.9. MỘT SỐ BIỆN PHÁP AN TOÀN DỮ LIỆU TRONG VIỆC LƯU TRỮ THÔNG
TIN TRONG ĐĨA TỪ....................................................................................................91
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG V...........................................................95
4
Kiến trúc máy tính Giới thiệu tổng quan
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
MỤC ĐÍCH
Giáo trình này nhằm trang bị cho người đọc các nội dung chủ yếu sau:
¾ Lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy
tính. Cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu
diễn các ký tự.
¾ Giới thiệu các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính, khái niệm về kiến
trúc máy tính, tập lệnh. Các kiểu kiến trúc máy tính: mô tả kiến trúc, các kiểu định vị.
¾ Giới thiệu cấu trúc của bộ xử lý trung tâm: tổ chức, chức năng và nguyên lý
hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý. Mô tả diễn tiến thi hành một lệnh mã máy
và một số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng, máy tính có
lệnh thật dài, máy tính véc-tơ, xử lý song song và kiến trúc IA-64.
¾ Giới thiệu chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ máy tính.
¾ Giới thiệu một số thiết bị lưu trữ ngoài như: đĩa từ, đĩa quang, thẻ nhớ, băng từ.
Hệ thống kết nối cơ bản các bộ phận bên trong máy tính. Cách giao tiếp giữa các ngoại vi
và bộ xử lý.
¾ Phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài.
YÊU CẦU
Sau khi học xong môn học này, người học được trang bị các kiến thức về:
¾ Sinh viên được trang bị kiến thức về lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ
máy tính và cách phân loại máy tính. Nắm vững các khái niệm cơ bản liên quan đến các
hệ thống số được dùng trong máy tính. Thành thạo các thao tác biến đổi số giữa các hệ
thống số.
¾ Sinh viên có kiến thức về các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính,
khái niệm về kiến trúc máy tính, tập lệnh. Nắm vững các kiến thức về các kiểu kiến trúc
máy tính, các kiểu định vị được dùng trong kiến trúc, loại và chiều dài của toán hạng, tác
vụ mà máy tính có thể thực hiện. Phân biệt được hai loại kiến trúc: CISC (Complex
Instruction Set Computer), RISC (Reduced Instruction Set Computer). Các kiến thức cơ
bản về kiến trúc RISC, tổng quát tập lệnh của các kiến trúc máy tính.
¾ Sinh viên phải nắm vững cấu trúc của bộ xử lý trung tâm và diễn tiến thi hành
một lệnh mã máy, vì đây là cơ sở để hiểu được các hoạt động xử lý lệnh trong các kỹ
thuật xử lý thông tin trong máy tính.
¾ Sinh viên phải hiểu được các cấp bộ nhớ và cách thức vận hành của các loại bộ
nhớ được giới thiệu để có thể đánh giá được hiệu năng hoạt động của các loại bộ nhớ.
¾ Sinh viên phải nắm vững các kiến thức về hệ thống kết nối cơ bản các bộ phận
bên trong máy tính, cách giao tiếp giữa các ngoại vi và bộ xử lý. Biết được cấu tạo và các
vận hành của các loại thiết bị lưu trữ ngoài và phương pháp an toàn dữ liệu trên đĩa cứng.
5