Giáo trình Kiến trúc máy vi tính: Phần 1

Chia sẻ: Sơn Tùng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:92

Thêm vào BST

Báo xấu

123
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 giáo trình "Kiến trúc máy vi tính" giới thiệu tới người học các kiến thức về cơ sở kiến trúc máy tính bao gồm: Kiến trúc cơ bản của máy tính số, BUS và những vấn đề truyền thông tin trong máy tính, bộ nhớ, các phương pháp vào-ra dữ liệu, kiến trúc của đơn vị xử lý trung tâm 8 bít và cơ chế gọi chương trình con. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kiến trúc máy vi tính: Phần 1

v u C H Â N H Ư N G G i á o t r ì n h K I Ế N T R Ú C M Á Y V I T Í N H / t
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
v ũ CHẤN HƯNG G i á o t r ì n h K I Ế N T R Í Í C M Á Y V I T Í N H Ị ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Ị TRUNG TẮM HỌC L I Ề U NHÀ XUẤT BẢN GIAO THÔNG VẬN TẢI H À N Ộ I - 2004 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
L Ờ I NÓI ĐẦU Ngày nay máy vi tính được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực hoạt động của đời sống con người. Để có thể ứng dụng linh hoạt và có hiệu quả máy vi tính vào các lĩnh vực khác nhau của đời sống, cần phải có những hiểu b iết sâu sắc hơn về kiến trúc phần cứng của nó. Những vấn đề liên quan đến kiến trúc máy tính rất rộng lớn. Trong khuôn khổ giáo trình giảng dạy môn "Kiến trúc máy tính ", tài liệu này chỉ trình bày những vấn đề cơ bản về kiến trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động của máy vi tính, đặc biệt là máy vi tính PC, dòng máy đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta hiện nay. Tài liệu này gồm hai phần : Phần ì trình bày về kiến trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của máy tính, phần li trình bày về máy vi tính dòng PC. Phần ì gồm 5 chương : - Chương Ì mô tả những thành phần cơ bản, phương pháp biểu diễn thông tin và nguyên lý hoạt động của máy tính số. - Chương 2 và 3 trình b ày về kỹ thuật BUS chung và bộ nhớ. - Chương 4 và 5 trình b ày về các phương pháp vào-ra dữ liệu và cơ chế thực hiện chương trình con. Phần l i gồm 5 chương : - Chương Ì trình bày về kiến trúc máy vi tính PC, bộ xử lý trung tâm và các chế độ hoạt động của nó. - Chương 2 trình b ày về tổ chức bộ nhớ của máy vi tính. - Chương 3 trình b ày về các thiết bị điều khiển và thiết bị giao diện, cấu trúc, chức năng cũng như cơ chế làm việc của chúng trong hệ thống máy tính. - Chương 4 trình b ày về nguyên lý hoạt động của hai thiết bị nhập-xuất dữ liệu cơ bản là bàn phím và màn hình. 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Chương 5 được dành riêng để trình bày về thiết bị đĩa từ, nguyên lý lưu trữ thông tin, tổ chức lưu trữ thông tin ở mức vật lý và mức logic trên đĩa từ. Tài liệu này đã được dùng để giảng dạy cho sinh viên ngành Công nghệ thông tin và các ngành có liên quan tại Trường Đại học Giao thông vận tải, Viện Đại học Mở Hà Nội, khoa Toán ứng dụng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Bạn đọc và những sinh viên khác quan tăm có thể dùng tài liệu này như một tài liệu tham khảo có ích. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Đặng Thành Phu, TS. Vũ Như Lân, PGS. TS. Nguyễn Văn Tam, PGS. TS. Nguyễn Gia Hiểu - Viện Công nghệ thông tin đã đọc và đóng góp ý kiến. Dù đã cố gắng rất nhiều khi soạn thảo, nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi mong nhận được ý kiến đóng góp của bạn đọc. Hà Nội, tháng 4 năm 2003 TÁC GIẢ 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
P h ầ n I Cơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Chương ì KIẾN TRÚC Cơ BẢN CỦA MÁY TÍNH so 1. N H Ữ N G T H À N H P H Ầ N c ơ B Ả N C Ủ A M Á Y T Í N H số Chức năng cơ bản của máy tính số là thực hiện chương trình. Chương trình là m ộ t c h u ỗ i c á c chỉ thị được đặt trong b ộ nhớ. Chỉ thị và c á c d ữ l i ệ u k h á c trong m á y t í n h đ ề u được t h ể h i ệ n d ư ớ i dạng c á c con số. Máy tính số gồm các khối chức năng chính như sau (h.l) : Thiết bị đầu ra (Màn hình, Máy in v.v.) Thiết bị giao diện Đơn vị số học-logic Bộ nhớ ALU đìa từ Thiết bị tỉ Bộ nhớ giao diện r~~ Đơn vị V A| Bộ nhớ điều khiển bán dẫn CU Thiết bị đầu vào (Bàn phím, Bàn điều khiển, chuột v.v.) CPU Hình ì Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì C ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH • Đ ơ n vị x ử lý trung t â m CPU (Central Processing U n i t ) Đ ơ n vị xử lý trung t â m g ồ m 2 phần c h í n h : đ ơ n vị đ i ể u k h i ể n c u (Control U n i t ) và đ ơ n vị số h ọ c - l o g i c A L U ( A r i t h m e t i c - L o g i c U n i t ) . Đ ơ n vị xử lý trung t â m thực h i ệ n c á c chức n ă n g : - Đ i ề u k h i ể n g h i / đ ọ c t h ô n g t i n lên b ộ nhớ. - H i ể u và thực h i ệ n được m ộ t tập hữu hạn c á c chỉ t h ị ( l ệ n h ) được t h ể hiện d ư ớ i dạng m ã số. - Nhập tuần tự c á c chỉ thị t ừ bộ n h ớ và thực t h i c á c chỉ t h ị n à y (chức năng thực h i ệ n c h ư ơ n g t r ì n h đ a n g c ó trong b ộ nhớ). Ị - Đ i ề u k h i ể n q u á trình nhập t h ô n g t i n t ừ t h i ế t bị đ ầ u v à o và đ i ề u k h i ể n q u á trình x u ấ t t h ô n g t i n qua t h i ế t bị đ ầ u ra. V • Bộ nhớ Chức n ă n g của b ộ nhớ là lưu trữ t h ô n g t i n ( c h ư ơ n g t r ì n h và c á c d ữ l i ệ u có liên quan). C á c t h ô n g t i n được t r u y ề n t ả i d ư ớ i dạng c á c con số. • T h i ế t bị đ ầ u v à o T h i ế t bị đ ầ u vào thực h i ệ n chức n ă n g nhập c á c t h ô n g t i n n g u y ê n thủy cho m á y tính. T h i ế t bị đ ầ u v à o c ó t h ể là b à n p h í m , chuột hoặc b à n đ i ề u k h i ể n v.v. • T h i ế t bị đầu ra T h i ế t bị đầu ra h i ể n thị c á c t h ô n g t i n đưa ra từ m á y t í n h , ở dạng con n g ư ờ i c ó t h ể h i ể u được. T h i ế t bị đ ầ u ra c ó t h ể là m à n h ì n h h i ể n t h ị , m á y i n , thiết bị âm thanh v.v. Các thiết bị đầu v à o / đ ầ u ra (được g ọ i chung là c á c t h i ế t bị ngoại vi) không được k ế t n ố i trực t i ế p v ớ i đ ơ n vị x ử lý trung t â m CPU m à p h ả i qua thiết bị giao d i ệ n . Sự c ó mặt của t h i ế t bị giao d i ệ n là do c ó sự k h á c b i ệ t r ấ t lớn về dạng thức t r u y ề n t ả i và tốc đ ộ xử lý t h ô n g t i n giữa đ ơ n vị x ử lý trung tâm và c á c t h i ế t bị ngoại v i . Bên trong m á y tính con số được sử dụng l à m p h ư ơ n g t i ệ n t r u y ề n t ả i t h ô n g t i n , t h ế g i ớ i b ê n n g o à i m á y tính t h ô n g t i n được t r u y ề n t ả i d ư ớ i dạng k ý tự, á n h s á n g , â m thanh v.v. Đ ơ n vị x ử lý trung t â m CPU xử lý thông t i n v ớ i tốc đ ộ r ấ t cao, c á c t h i ế t bị b ê n n g o à i m á y t í n h xử lý t h ô n g t i n v ớ i tốc đ ộ chậm hơn n h i ề u . Do vậy t h i ế t bị giao d i ệ n thực h i ệ n chức n ă n g g h é p n ố i để thực h i ệ n được việc trao đ ổ i t h ô n g t i n giữa đ ơ n vị x ử lý trung t â m và c á c thiết bị ngoại v i . 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần Ị C ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 2. H Ệ Đ Ế M N H Ị P H Ả N V À P H Ư Ơ N G P H Á P B I Ể U D I Ê N THÔNG TIN TRONG MÁY TÍNH số Trong quá trình phát triển, loài người có nhu cầu đếm các vật. Hai bàn tay là m ộ t c ô n g cụ tự n h i ê n được sử dụng cho việc đ ế m . H ệ đ ế m thập p h â n ( h ệ c ơ số 10) là k ế t q u ả tự n h i ê n của h ệ thống đ ế m n à y . H ệ đ ế m nhị p h â n là h ệ đ ế m được d ù n g trong m á y t í n h số. Đ i ề u n à y x u ấ t p h á t từ k h ả n ă n g c ô n g nghệ c h ế tạo c á c t h i ế t bị lưu trữ t h ô n g t i n và xử lý t h ô n g t i n dạng nhị p h â n ( c á c bộ g i ả i m ã , c á c bộ đ ế m , t h i ế t bị thực h i ệ n c á c p h é p t í n h số học và logic v.v.) H ệ đ ế m nhị p h â n được d ù n g đ ể mang t ả i và t h ể h i ệ n t h ô n g t i n . H ệ đ ế m nhị p h â n được x â y dựng trên cơ sở c á c chữ số nhị p h â n " 0 " và " Ì " . 2.1 Các số nhị phân M á y t í n h số được x â y dựng trên cơ sở c á c mạch đ i ệ n . Hai trạng t h á i của m ạ c h đ i ệ n được d ù n g đ ể t h ể h i ệ n c á c con số nhị p h â n Ì và 0 là : - c ó hoặc k h ô n g c ó d ò n g đ i ệ n trong mạch - đ i ệ n á p cao hoặc đ i ệ n á p thấp Ví dụ : con số Ì được t h ể h i ệ n bằng trạng t h á i trong mạch c ó d ò n g đ i ệ n hoặc c ó h i ệ u đ i ệ n t h ế t r ê n m ộ t đ i ệ n k h á n g , con số 0 được t h ể h i ệ n bằng trạng t h á i ngược l ạ i . 2.2 Bít Bít (Binary D i g i t ) là m ộ t chữ số của hệ nhị p h â n , được b i ể u d i ễ n bằng c á c con số " 0 " hoặc " Ì " . Bít là đơn vị nhỏ nhất b i ể u d i ễ n d ữ l i ệ u (đơn vị nhỏ nhất mang t h ô n g tin) trong m á y t í n h . M ỗ i bít chỉ mang được m ộ t t h ô n g t i n . V í d ụ : con số " Ì " m ô tả mạch đ i ệ n được đ ó n g , đ è n s á n g , trạng thái "cho p h é p " v.v. Con số " 0 " m ô tả mạch đ i ệ n h ở , đ è n tắt, trạng t h á i " c ấ m " v.v. 2.3 Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính 2.3.1 Hệ thống số, cơ số và trọng số Đ ể b i ể u d i ễ n số lượng bằng con số thì c ó t h ể d ù n g c á c h ệ đ ế m k h á c nhau. 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì C ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH T h ô n g thường ta sử dụng c á c k ý h i ệ u (chữ số) 0 Ì 2 3 4 5 6 7 8 9 đ ể ghi l ạ i c á c số lượng đ ế m được. M u ố n g h i l ạ i c á c trị l ớ n h ơ n p h ả i sử dụng k ý p h á p vị trí. Trong k ý p h á p n à y vị t r í của m ỗ i chữ số x á c định g i á trị của n ó trong con số. K ý p h á p vị trí tổng q u á t của m ộ t số là : a _ j a - 2- n n a i a . \>ị\> ... * -ib 0 2 m m = a _ !*En n _ 1 + a _ 2 * E " + ... + n n 2 +...+ a ^ E 1 + a *E° + b ^ E 0 - 1 + b *E~ 2 2 + ... + b _ j * E ~ m ( m _ 1 ) + b *E m _ m trong đ ó E là cơ số . E n 1 , E 2 ,E 1 , E° , E 1 , E 2 , E ( m l \ E m là c á c trọng số. a n - Ì ' n - 2' ••' i ' 0 ' a a a b i ' 2 ' ••' m - i ' m là b b b c á c sà n ằ m à vị t r í tương ứng v ớ i trọng số. • H ệ đ ế m thập p h â n ( H ệ cơ số 10) H ệ thập p h â n d ù n g m ư ờ i c h ữ số t ừ " 0 " đ ế n " 9 " và k ý p h á p vị trí để thể h i ệ n số đ ế m . V í dụ : con số 126.5 c ó ý nghĩa là M ộ t t r ă m H a i chục Sáu đ ơ n vị và Năm phần m ư ờ i đ ơ n vị. Con số 126.5 là t h ể h i ệ n của giá t r ị : 126.5 10 = 1*10 2 + 2*10 1 + 6*10° + 5 * l ( f 1 trong đ ó 10 là cơ số lo 2 , lo 1 , 10°, l o " là c á c trọng số 1 Ì , 2, 6, 5 là c á c chữ số được đ ặ t ở vị trí t ư ơ n g ứng v ớ i trọng số. • H ệ đ ế m nhị p h â n ( H ệ cơ số 2) H ệ nhị p h â n d ù n g hai chữ số " 0 " và " Ì " và k ý p h á p vị trí đ ể t h ể h i ệ n số đếm với 2 là cơ số .... 2 , 2 , 2 ° , 2 2 1 ỉ ,2 2 , v.v. là c á c trọng số C á c chữ số " 0 " và " Ì " được đ ặ t ở vị t r í t ư ơ n g ứng v ớ i trọng số 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ĩ C ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Ví dụ : m ộ t giá trị 126.5 h ệ thập p h â n sẽ được b i ể u d i ễ n ở h ệ nhị p h â n dưới dạng : 1 1 1 1 1 1 0 . 1 = 1*2 2 6 + 1*2 5 + 1 * 2 + 1 * 2 + 1*2 4 3 2 + 1*2* + 0 * 2 ° + 1*2 _1 • Byte M ộ t byte là t ổ hợp của 8 bít, vị trí m ỗ i bít tương ứng v ớ i trọng số của bít đ ó . M ộ t byte d ữ l i ệ u c ó t h ể mang t ả i Ì trong 256 t h ô n g t i n k h á c nhau, v ớ i những t h ể h i ệ n n h ư : 00000000 00000001 11111111 2.3.2 Các phép tính với số nhị phân - P h é p cộng : 0 + 0 = 0 0+1 = 1 1+0=1 1 + 1=0 dư Ì Ví dụ : 110 + 0 11 Ị Ị Ọ phần d ư 100 1 - P h é p trừ: 0-0 =0 0- 1 = 1 nợ 1 1-0 = 1 1 - 1 =0 1 1 0 011 11 phần nợ 011 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì C ơ SỞ KIÊN TRÚC MÁY TÍNH 2.3.3 Chuyển đổi hệ cơ số lo sang hệ cơ số 2 Quy tắc chuyển đổi : Để chuyển một sốở hệ cơ số 10 sang hệ cơ số 2 trước hết cần tách số đó l à m hai phần, phần n g u y ê n và phần sau d ấ u thập p h â n , và thực h i ệ n chuyển đ ổ i từng phần theo hai c á c h k h á c nhau, sau đ ó cộng hai con số k ế t quả tạm đó l ạ i t h à n h con số nhị phân k ế t quả của chuyển đ ổ i . Quy tắc chuyển đổi phẩn nguyên : Lấy số phần nguyên chia cho 2, được phần thương số và phần dư. Phần dư được d ù n g làm k ế t quả chuyển đ ổ i , phần thương số được d ù n g đ ể t i ế p tục chia 2. Q u á trình này được thực h i ệ n cho đ ế n k h i t h ư ơ n g số bằng 0 thì dừng. Quy tắc chuyển đổi phần sau dấu thập phân : Thực hiện nhân đôi phần sau dấu thập phân,ở tích số nếu có số Ì xuất h i ệ n ở bên trái dấu thập p h â n thì t h ê m Ì v à o b ê n phải của số nhị p h â n , nếu có số 0 xuất h i ệ n ở bên trái d ấ u thập p h â n thì t h ê m 0 v à o b ê n phải của số nhị phân. Q u á trình n à y được lặp l ạ i cho đ ế n k h i tích số thập p h â n là Ì thì dừng. Ví dụ : chuyển đổi con số 19.625 ở hệ cơ số 10 sang hệ cơ số 2. 10 Con số này được tách ra làm hai phần. Phần nguyên là 19, phần sau dấu thập p h â n là 0.625. Chuyển đổi phần nguyên : T h ư ơ n g số Dư 19 : 2 = 9 1 9 : 2 = 4 1 4 :: 2 = 2 0 2 : 2 = 1 0 1 :2 = 0 1 K ế t quả chuyển đ ổ i phần n g u y ê n : 1 9 1 0 = 10011 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì C ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Chuyển đ ổ i phần sau d ấ u thập p h â n : T í c h số 2 X 0.625 1.25 0.1 2 X 0.25 0.50 0.10 2x0.50 LO 0.101 K ế t quả chuyển đ ổ i phần sau d ấ u thập p h â n : 0 . 6 2 5 1 0 = 0.101 2 K ế t quả chuyển đ ổ i t o à n phần : 19.625 10 = 10011 + 0.101 = 1 0 0 1 1 . 1 0 1 2 2.3.4 Biểu diễn số âm trong máy tính số bằng số bù 2 Số â m trong h ệ cơ số 10 được b i ể u d i ễ n bằng c á c h t h ê m m ộ t k ý h i ệ u " - " v à o trước số đ ó , ví d ụ : â m 88 là - 8 8 . Trong m á y t í n h c á c con số được b i ể u d i ễ n b ở i c á c chữ số nhị p h â n , ví dụ 1 1 1 1 1 1 0 là m ộ t con số nhị p h â n 7 bít. Con số nhị p h â n 7 bít b i ể u d i ễ n được 2 c á c giá trị trong khoảng 0000000 đ ế n 1111111. Đ ể b i ể u d i ễ n được c á c giá trị trong khoảng từ 0000000 đ ế n - l i 11111 cần t h ê m bít thứ t á m , g ọ i là bít dấu. Bít d ấ u n ằ m ở vị t r í bít cao nhất trong số nhị p h â n . Theo quy ước chung số dượng c ó bít d ấ u là 0, số â m có bít dấu là 1. V í dụ - 1 2 6 1 0 khi biểu d i ễ n ở hệ cơ số 2 là 11111110 . 2 T r ê n thực t ế c ò n m ộ t c á c h b i ể u d i ễ n số â m k h á c nữa, đ ó là c á c h b i ể u d i ễ n bằng số bù. K ỹ thuật b i ể u d i ễ n số â m bằng số bù c ó thể được d ù n g cho cả hai h ệ thống cơ số 10 và cơ số 2. V ớ i c á c h b i ể u d i ễ n số â m bằng số b ù , m á y tính c ó t h ể thực h i ệ n cả hai p h é p tính cộng và trừ chỉ bằng m ộ t p h é p tính cộng. • Ở hộ cơ số 10 m ộ t số âm c ó thể b i ể u d i ễ n qua số bù LO. Số b ù 10 của m ộ t số được tạo ra bằng c á c h l ấ y 9 trừ m ỗ i chữ số và cộng Ì vào chữ số c ó ý nghĩa thấp nhất của số vừa được tạo ra, ví dụ số bù 10 của 88 là 12. Đ ể thực h i ệ n p h é p trừ m ộ t số d ư ơ n g (số bị trừ) cho m ộ t số d ư ơ n g (số t r ừ ) , n g ư ờ i ta thực h i ệ n p h é p cộng số bị trừ v ớ i số bù 10 của số trừ. N ế u c ó nhớ ở chữ số cao nhất thì chữ số đ ó bị bỏ đi và k ế t quả là d ư ơ n g . N ế u k h ô n g nhớ thì k ế t quả là â m , đ ể nhận được k ế t quả thật cần l ấ y bù 10 của số đ ó và t h ê m d ấ u " - " vào đ ằ n g trước. li Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ỉ C ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Ví dụ : P h é p trừ b ì n h thường P h é p trừ bù 10 97 97 -88 +12 09 109 Bò phần c ố nhớ, k ế t q u ả thật là số dương 09 53 53 -67 +33 - 14 86 m ộ t số nhị p h â n được tạo ra bằng c á c h l ấ y Ì trừ m ỗ i chữ số và cộng Ì vào chữ số c ó ý nghĩa thấp nhất của số vừa được tạo ra. P h ư ơ n g p h á p tạo số bù 2 của m ộ t số trên thực t ế được thực h i ệ n bằng c á c h đ ổ i số 0 t h à n h số Ì , đ ổ i số Ì t h à n h số 0 và cộng Ì vào chữ số c ó ý nghĩa thấp nhất của số vừa được tạo ra. V í dụ số bù 2 cua 11000 là 01000. V ớ i h ệ thống bù 2 c á c p h é p t í n h cộng và trừ hai số nhị p h â n được thực h i ệ n qua chỉ m ộ t p h é p tính cộng. Trong h ệ thống bù 2 k h i thực h i ệ n cộng hai số c ó t h ể c ó b ố n tình huống x ả y ra : - Cả hai số là dương . K h i thực h i ệ n p h é p cộng thì cộng từng số từ p h ả i qua t r á i , k ể cả bít dấu. V í dụ cộng hai số d ư ơ n g 4 b í t : K ý p h á p b ì n h thường Dạng d ữ l i ệ u trong m á y tính (sử dụng h ệ thống bù 2, t h ê m m ộ t bít d ấ u . Bít c ó gạch c h â n là bít dấu) + 1000 01000 + + 0101 + 00101 +1101 OI l o i K ế t q u ả là số d ư ơ n g K ế t quả thật l à + 1 1 0 1 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ỉ c ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH - M ộ t số là d ư ơ n g , m ộ t số là â m và số â m c ó trị t u y ệ t đ ố i n h ỏ h ơ n . Bù 2 của số â m được tạo và t h ê m bít d ấ u v à o vị trí cao nhất. K h i thực h i ệ n p h é p c ộ n g , m ộ t bít n h ớ sẽ được tạo ra t ừ bít d ấ u . Cần bỏ bít n h ớ đ i . K ế t quả là m ộ t số d ư ơ n g . V í d ụ cộng hai số k h á c d ấ u 4 b í t : Ký pháp bình thường D ạ n g d ữ l i ệ u trong m á y t í n h (bù 2) (sử dụng h ệ thống bù 2, t h ê m m ộ t bít d ấ u . Bít c ó gạch c h â n là bít dấu) + 1000 01000 4 -0101 + non + 0011 100011 Bít n h ớ được b ỏ , k ế t q u ả là số d ư ơ n g K ế t quả thật là +0011 - M ộ t số là d ư ơ n g , m ộ t số là â m và số âm c ó trị tuyệt đ ố i l ớ n h ơ n . K h i thực h i ệ n p h é p cộng, k h ô n g c ó nhớ từ bít d ấ u . K ế t quả là m ộ t số â m ở dạng bù 2 . Cần b ỏ bít d ấ u ở k ế t quả và phải tạo số bù 2 v ớ i số đ ó đ ể nhận được k ế t quả thật. V í d ụ cộng hai số k h á c d ấ u 4 b í t : Ký pháp bình thường Dạng d ữ l i ệ u trong m á y t í n h (bù 2) (sử dụng h ệ thống bù 2, t h ê m m ộ t bít d ấ u . Bít c ó gạch c h â n là bít dấu) + 0101 00101 + + - 1000 11000 -0011 11101 K ế t quả là số â m dạng bù 2. K ế t quả thật l à - 0 0 1 1 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì C ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH - Cả hai số là â m . K h i thực h i ệ n p h é p cộng, c ó nhớ được tạo ra từ bít d ấ u . Cần bỏ bít nhớ và k ế t quả là m ộ t số â m ở dạng bù 2. Phải bỏ bít d ấ u và tạo số bù 2 v ớ i số đ ó để nhận được k ế t quả thật. V í dụ cộng hai số âm 4 b í t : K ý p h á p bình thường Dạng d ữ l i ệ u trong m á y tính (bù 2) (sử dụng h ệ thống bù 2, t h ê m m ộ t bít dấu. Bít c ó gạch c h â n là bít dấu) -0101 non + + -1000 11000 -noi 110011 L - Bít nhớ được bỏ, K ế t quả là số â m dạng bù 2. K ế t q u ả thật là - H O I 2.3.5 Hệ dấu chấm động Trong c á c h ệ đ ế m , đ ể m ô tả c á c giá trị c ó phần n h ỏ h ơ n Ì n g ư ờ i ta dùng m ộ t dấu đ ể p h â n c á c h hai phần n g u y ê n và phần p h â n số. Trong khoa học thường phải tính toán v ớ i số cực l ớ n hoặc cực n h ỏ , trong trường hợp này các n h à khoa học thường sử dụng k ý p h á p d ấ u c h ấ m động (số d ấ u c h ấ m đ ộ n g ) : ±Địnhtrị*Cơsố ± s ố m ũ Ví d ụ : 490000 = 0 . 4 9 * l o 6 0.00023 = 0.23* l o - 3 Các p h é p tính v ớ i số dấu c h ấ m động được thực h i ệ n theo quy tắc : - Phép n h â n : X = a*E , y = b*E m ít , + rn x*y = a*b*E 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phẩn ì C ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH - P h é p chia : X = a*E , y = b*E n m x/y = (a/b) *E n_m - Phép cộng : X = a*E , y = b*E , n < m n m Để cộng hai số X và y cần biến đổi n thành m và a thành a' X + y = (a' + b) * E m Quá trình biến đổi này gọi là quá trình tỷ lệ hoa (scaling). Quá trình tỷ lệ hóa được tiến hành tự động trong máy tính nhờ phần cứng hoặc bằng phần m ề m . T r o n g m á y tính số, đ ể b i ể u d i ễ n c á c giá trị cực l ớ n hoặc cực n h ỏ n g ư ờ i ta cũng d ù n g c á c h b i ể u d i ễ n theo d ấ u c h ấ m động. Giá trị d ấ u c h ấ m động được b i ể u d i ễ n ở dạng m ã nhị p h â n v ớ i cơ số 2 và theo tiêu chuẩn IEEE754. Có hai dạng số d ấ u c h ấ m đ ộ n g : dạng đơn giản và dạng đ ộ c h í n h x á c gấp đ ô i . D ạ n g đơn g i ả n . Số dấu chấm động được lưu trữ dưới dạng dữ liệu 32 bít: Thứ tự bít 31 30 23 22 0 Đ ộ dài Ì bít 8bit 23 bít Dữ liệu này biểu diễn giá trị: V = (-l) * 2 ~ * l.F s E 127 V : giá trị của số d ấ u c h ấ m động s : bít d ấ u . E : số n g u y ê n nhị p h â n . F : Phần sau d ấ u c h ấ m nhị p h â n (dạng m ã nhị p h â n ) . Phần định trị c ó dạng Ì . F Phạm v i b i ể u d i ễ n của số d ấ u c h ấ m động 32 bít, quy đ ổ i sang h ệ cơ số 10, g ồ m hai v ù n g : 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì C ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH - V ù n g số â m : - 3 . 4 * l o 3 8 < V < - 3 . 4 * 10 3 8 - V ù n g số d ư ơ n g : + 3 . 4 * 1 0 " 38 < V < +3.4*10 3 8 và giá trị 0 Các k ế t quả x u ấ t h i ệ n n ằ m n g o à i hai v ù n g n à y k h i thực h i ệ n c á c p h é p tính số học v ớ i số d ấ u c h ấ m đ ộ n g sẽ được x ử lý và b i ể u d i ễ n theo m ộ t c á c h khác : - Giá trị v ớ i số m ũ d ư ơ n g vượt q u á giá trị số m ũ cực đ ạ i cho p h é p sẽ được coi là +00 hoặc -00 - G i á trị v ớ i số m ũ â m vượt q u á giá trị số m ũ cực đ ạ i cho p h é p sẽ được coi là giá trị 0 • Dạng đ ộ c h í n h x á c gấp đ ô i G i á trị d ấ u c h ấ m đ ộ n g đ ộ c h í n h x á c g ấ p đ ô i được lưu trữ d ư ớ i dạng dữ l i ệ u 64 b í t : T h ứ tự bít 63 62 5251 0 Đ ộ dài lbit llbit 52 bít D ữ l i ệ u n à y b i ể u d i ễ n giá t r ị : V = (-1) *2 S E 1 0 2 3 * 1.F Phạm v i b i ể u d i ễ n của số d ấ u c h ấ m đ ô n g 64 bịt được h i ể u theo c á c h tương tự n h ư v ớ i số c h ấ m động 32 bít. 3. K I Ế N T R Ú C M Ộ T M Á Y T Í N H Đ Ơ N G I Ả N 3.1 K i ế n t r ú c c ơ b ả n K i ế n trúc và n g u y ê n tắc hoạt động của m á y tính số sẽ được t r ì n h bày qua một máy tính đơn giản loại 4 bít (h.2). 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì C ơ S ỏ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Bộ nhớ Thiết bị ra * K > MBR Thiết bị PC MAR vào Ì IR Clock — RD 4> Các tín hiệu CU WR điều khiển CPU Đ ơ n vị x ử lý trung t â m của m á y tính n à y h i ể u và thực h i ệ n được c á c l ệ n h c ó k h u ô n dạng sau : M ã lệnh Phần địa chỉ L ệ n h bao g ồ m hai phần : m ã l ệ n h và phần địa chỉ. M ã lệnh là m ộ t số nhị phân ( V í dụ : đ ộ dài 4 bít). M ã lệnh mang thông t i n về những việc hoặc những thao tác m à Đ ơ n vị x ử lý trung t â m cần p h ả i thực h i ệ n . Phần địa chỉ của l ệ n h là m ộ t con số nhị p h â n ( V í d ụ c ó đ ộ d à i 4 b í t ) x á c đ ị n h địa chỉ của ô n h ớ chứa t o á n hạng ( d ữ l i ệ u ) , trong đ ó t o á n hạng là đ ố i tượng t á c đ ộ n g của l ệ n h . 3.2 Đơn vị xử lý trung tâm CPU Đ ơ n vị x ử lý trung t â m của m á y t í n h đ ơ n g i ả n c ó k h ả n ă n g thực h i ệ n ghi hoặc đ ọ c b ộ nhớ CÓ JLỐ ộ nhớ, m ỗ i ô nhớ chứa được m ộ t d ữ l i ệ u l o ạ i 4 bít. I ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Ị 17 TRUNGTTÂM H Ọ C Ỉ I Ĩ Ệ Ư Ì Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì C ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Đ ơ n vị xử lý trung t â m g ồ m c á c đ ơ n vị cơ bản I R , c u , PC, M A R , M B R , A L U và c á c thanh ghi A C C , T M P , F L A G S . • Thanh ghi l ệ n h I R (Instruction register) Thanh ghi lệnh I R thực h i ệ n chức n ă n g chứa l ệ n h CPU đ a n g thực h i ệ n . Trong trường hợp của m á y tính đ ơ n g i ả n n ố i t r ê n thì I R l à thanh g h i 8 bít, 4 bít đ ầ u chứa m ã l ệ n h , 4 bít sau chứa phần địa chỉ. • Đ ơ n vị đ i ề u k h i ể n c u (Control U n i t ) ĐơĩLỵịjđiầU .khiển c u có chức n ă n g g i ả i m ã l ê n h và từ đ ó tạo ra c á c tín h i ệ u đ i ề u k h i ể n hoạt động của c á c đơn vị chức n ă n g k h á c ở b ê n trong và b ê n ngoài đơn vị xử lý trung tâm CPU, nhằm thực thi được lệnh h i ệ n h à n h . c u đ i ề u k h i ể n thực h i ệ n c á c v i thao tác thực h i ệ n lệnh theo nhịp của xung đ ồ n g h ồ Clock. • Bộ đ ế m c h ư ơ n g trình PC (Program Counter) B ộ đ ế m c h ư ơ n g trình PC c ó chức n ă n g tuần tự tạo ra địa chỉ ô nhớ mà CPU cần truy nhập. PC thực h i ệ n vai trò m ộ t con trỏ, trỏ đ ế n ô nhớ m à CPU cần truy nhập (vai trò con trỏ lệnh). Giá trị của PC t ă n g tuần tự k h i nhập l ệ n h , tạo ra địa chỉ c á c ô nhớ chứa lệnh CPU cần nhập. K h i nhập xong m ộ t lệnh thì giá trị của PC tự động t ă n g lên và trỏ đ ế n ô nhớ chứa lệnh t i ế p theo, chuẩn bị cho CPU nhập l ệ n h m ớ i . K h i CPU thực h i ệ n c á c lệnh rẽ n h á n h thì giá trị của PC thay đ ổ i đ ộ t b i ế n . Trong trường hợp của m á y tính đơn g i ả n n ó i trên thì PC là bộ đ ế m chương trình loại 4 bít, có khả năng quản lý và cho p h é p truy nhập b ộ nhớ c ó 16 ô nhớ. • Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ M A R ( M e m o r y Address Register) Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ M A R thực h i ệ n chức n ă n g chứa địa chỉ của ô nhớ h i ệ n t h ờ i CPU đ a n g truy nhập. • Thanh ghi M B R (Memory B u f f e r Register) Thanh ghi M B R là thanh ghi đ ệ m , chứa d ữ l i ệ u CPU đọc t ừ b ộ nhớ hoặc ghi ra bộ nhớ. • Đ ơ n vị số học - logic A L U (Arithmetic - Logic U n i t ) : A L U thực h i ệ n c á c p h é p tính số học, logic và c á c p h é p xử lý d ữ l i ệ u k h á c . Trong trường hợp của m á y tính đơn g i ả n nói trên thì A L U thực h i ệ n c á c p h é p tính v ớ i c á c toán hạng l o ạ i 4 bít nằm ở hai thanh ghi A C C và T M P . • Thanh chứa ACC (Accumulator) Thanh chứa ACC chứa một toán hạng của phép tính hoặc kết quả của phép tính. 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn