i
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ cùng với những tiến bộ
vượt bậc trong lĩnh vực Điện – Điện tử, máy tính ngày càng trở nên quen thuộc và trở
thành một thiết bị quan trọng với hầu hết mọi người. Đặc biệt, trong lĩnh vực Công
nghệ thông tin, máy tính là nền tảng và công cụ để phát triển các phần mềm ứng dụng.
Vì vậy, Kiến trúc máy tính là môn học bắt buộc đối với tất cả sinh viên chuyên ngành
Công nghệ thông tin ở các trường Cao đẳng, Đại học.
Tập bài giảng Kiến trúc máy tính được biên soạn cho đối tượng sinh viên Cao
đẳng và Đại học khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam
Định. Tập bài giảng được chia làm 5 chương:
Chương 1: Nhập môn
Chương 2: Kiến trúc phần mềm
Chương 3: Tổ chức bộ xử lý trung tâm CPU
Chương 4: Bộ nhớ và các hệ thống lưu trữ
Chương 5: Hệ thống BUS và tổ chức vào/ ra
Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp khoa Công nghệ thông
tin, cùng các đồng nghiệp trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã giúp
chúng tôi hoàn thành tập bài giảng này.
Trong lần biên soạn đầu tiên, tập bài giảng không tránh khỏi những sai sót, rất
mong người đọc đóng góp ý kiến để tập bài giảng được hoàn thiện hơn. Mọi sự đóng
góp ý kiến xin gửi về Văn phòng Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm
kỹ thuật Nam Định.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!
Nam Định, tháng 11 năm 2015
Nhóm biên soạn
Th.s Nguyễn Thị Thu Hằng
Th.s Hoàng Thị Hồng Hà
Th.s Trần Văn Long
ii
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ i
MỤC LỤC ...................................................................................................................... ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... x
CHƢƠNG 1: NHẬP MÔN ........................................................................................... 1
1.1. Khái niệm và phân loại máy tính ...................................................................... 1
1.1.1. Khái niệm máy tính và kiến trúc máy tính ................................................ 1
1.1.2. Phân loại máy tính ..................................................................................... 2
1.2. Lịch sử phát triển của máy tính ........................................................................ 3
1.2.1. Thế hệ đầu tiên (1946-1955) ..................................................................... 3
1.2.2. Thế hệ thứ hai (1955-1965) ....................................................................... 4
1.2.3. Thế hệ thứ ba (1966-1980) ........................................................................ 5
1.2.4. Thế hệ thứ tư (1980- đến nay) ................................................................... 6
1.2.5. Khuynh hướng hiện tại .............................................................................. 7
1.3. Máy tính Von-Neumann .................................................................................... 8
1.4. Cấu trúc và chức năng của máy tính .............................................................. 10
1.4.1. Các thành phần cơ bản trong máy tính .................................................... 10
1.4.2. Chức năng của các thành phần ................................................................ 11
1.5. Biểu diễn thông tin trong máy tính ................................................................. 17
1.5.1. Các hệ đếm .............................................................................................. 17
1.5.2. Chuyển đồi giữa các hệ đếm ................................................................... 20
1.5.3. Biểu diễn số nguyên. ............................................................................... 22
1.5.4. Biểu diễn số thực ..................................................................................... 24
1.5.5. Biểu diễn ký tự ........................................................................................ 31
1.6. Đại số Boolean ................................................................................................... 35
1.6.1. Các phép toán và định lý của đại số Boolean .......................................... 35
1.6.2. Các cổng logic ......................................................................................... 36
1.6.3. Hàm logic và phương pháp biểu diễn hàm logic .................................... 40
1.6.4. Tối thiểu hóa hàm logic ........................................................................... 41
1.7. Một số mạch kết hợp ........................................................................................ 45
1.7.1. Mạch logic tổ hợp .................................................................................... 45
1.7.2. Mạch tuần tự ............................................................................................ 50
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 1 ............................................................................... 53
CHƢƠNG 2 : KIẾN TRÚC PHẦN MỀM ................................................................ 57
2.1. Các kiểu thi hành một lệnh .............................................................................. 57
2.2. Kiểu kiến trúc thanh ghi đa dụng ................................................................... 58
iii
2.3. Tập lệnh ............................................................................................................. 59
2.3.1. Gán trị ...................................................................................................... 60
2.3.2. Lệnh có điều kiện .................................................................................... 63
2.3.3. Vòng lặp .................................................................................................. 66
2.3.4. Thâm nhập bộ nhớ ngăn xếp ................................................................... 66
2.3.5. Các thủ tục ............................................................................................... 66
2.4. Các kiểu định vị ................................................................................................ 68
2.5. Kiểu và chiều dài của toán hạng ..................................................................... 73
2.6. Kiến trúc RISC ................................................................................................. 73
2.7. Kiểu định vị trong các bộ xử lý RISC ............................................................. 76
2.7.1. Kiểu định vị thanh ghi ............................................................................. 76
2.7.2. Kiểu định vị tức thì .................................................................................. 76
2.7.3. Kiểu định vị trực tiếp ............................................................................... 77
2.7.4. Kiểu định vị gián tiếp bằng thanh ghi + độ dời ....................................... 78
2.7.5. Kiểu định vị tự tăng ................................................................................ 78
2.8. Ngôn ngữ cấp cao và ngôn ngữ máy ............................................................... 78
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 2 ............................................................................... 80
CHƢƠNG 3: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM CPU ..................................... 82
3.1. Cấu trúc và hoạt động của CPU ...................................................................... 82
3.1.1. Cấu trúc của CPU .................................................................................... 82
3.1.2. Hoạt động của CPU ................................................................................. 96
3.2. Kỹ thuật ống dẫn (Pipeline) ............................................................................. 99
3.2.1. Khái niệm ................................................................................................ 99
3.2.2. Khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn ............................................................ 99
3.2.3. Siêu ống dẫn .......................................................................................... 100
3.3. Siêu vô hƣớng .................................................................................................. 101
3.4. Máy tính Vec-tơ .............................................................................................. 101
3.5. Máy tính song song ......................................................................................... 102
3.6. Kiến trúc IA-64 ............................................................................................... 106
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 3 ............................................................................. 110
CHƢƠNG 4 : BỘ NHỚ VÀ CÁC HỆ THỐNG LƢU TRỮ .................................. 112
4.1. Khái niệm và phân cấp bộ nhớ ...................................................................... 112
4.1.1 Khái niệm ............................................................................................... 112
4.1.2. Phân cấp bộ nhớ .................................................................................... 112
4.2. Các đặc điểm của bộ nhớ ............................................................................... 113
4.3. Bộ nhớ chính ................................................................................................... 115
4.3.1. Bộ nhớ RAM (Random Access Memory) ............................................. 116
iv
4.3.2. Bộ nhớ ROM ......................................................................................... 123
4.3.3. Tổ chức bộ nhớ ...................................................................................... 129
4.4. Bộ nhớ cache ................................................................................................... 137
4.4.1. Nguyên lý vận hành của cache .............................................................. 137
4.4.2. Các phương pháp ánh xạ giữa cache và bộ nhớ chính .......................... 144
4.4.3. Giải thuật thay thế ................................................................................. 150
4.5. Bộ nhớ ngoài ................................................................................................... 151
4.5.1. Phân loại ................................................................................................ 151
4.5.2. Hệ thống đĩa dự phòng RAID ............................................................... 163
4.6. Bộ nhớ ảo ......................................................................................................... 166
4.6.1. Việc phân trang – Paging ...................................................................... 167
4.6.2. Thực hiện việc phân trang ..................................................................... 169
4.6.3. Phương pháp cấp trang khi có yêu cầu và mô hình tập làm việc .......... 173
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 4 ............................................................................. 176
CHƢƠNG 5 : HỆ THỐNG BUS VÀ TỔ CHỨC VÀO/ RA ................................. 181
5.1. Nguyên tắc giao tiếp với thiết bị ngoại vi ..................................................... 181
5.2. Hệ thống BUS ................................................................................................. 185
5.3. Mô-đun vào/ ra. .............................................................................................. 187
5.4. Truy cập bộ nhớ trực tiếp .............................................................................. 188
5.5. Giao diện giữa bộ xử lý với các bộ phận vào/ ra ......................................... 190
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 5 ............................................................................. 207
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. i
v
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Máy tính .............................................................................................................................. 2
Hình 1. 2. Máy tính ENIAC ............................................................................................................... 3
Hình 1. 3. Đèn điện tử ......................................................................................................................... 4
Hình 1. 4. Máy tính thế hệ thứ 2 ........................................................................................................ 5
Hình 1.5. Mạch tích hợp ..................................................................................................................... 5
Hình 1. 6. Các máy tính thế hệ thứ 3 ................................................................................................. 5
Hình 1. 7. Các công nghệ sản xuất máy tính .................................................................................... 7
Hình 1. 8. John von Neumann và máy tính IAS ............................................................................. 8
Hình 1. 9. Kiến trúc máy tính Von-Neumann ................................................................................. 9
Hình 1. 10. Sơ đồ máy tính Von Neumann ..................................................................................... 9
Hình 1. 11. Cấu trúc chung của máy tính ......................................................................................... 10
Hình 1. 12. Bộ xử lý trung tâm .......................................................................................................... 12
Hình 1. 13. Bo mạch chủ .................................................................................................................... 12
Hình 1. 14. Ổ đĩa cứng ........................................................................................................................ 13
Hình 1. 15. Cổng giao tiếp của Onboard Card trên bo mạch chủ ................................................. 13
Hình 1. 16. Video Graphics Card ...................................................................................................... 14
Hình 1. 17. Màn hình máy tính .......................................................................................................... 15
Hình 1. 18. Bộ nguồn máy tính .......................................................................................................... 16
Hình 1. 19. Các đầu cắm của bộ nguồn ............................................................................................ 17
Hình 1. 20. a. Bàn phím; b.Chuột ...................................................................................................... 17
Hình 1. 21. Dạng đơn (single precision): 32 bit ............................................................................... 25
Hình 1. 22. Dạng kép (double precision): 64 bit ............................................................................. 26
Hình 1. 23. Dạng kép mở rộng (double-extended precision): 80 bit ............................................ 27
Hình 1. 24. Hình Bitmap ..................................................................................................................... 34
Hình 1. 25. Số hóa âm thanh. ............................................................................................................. 35
Hình 1. 26. Hàm AND ........................................................................................................................ 37
Hình 1. 27. Các IC AND .................................................................................................................... 37
Hình 1. 28. Hàm OR ........................................................................................................................... 37
Hình 1. 29. Các IC OR ........................................................................................................................ 38
Hình 1. 30. Hàm NOT ........................................................................................................................ 38
Hình 1. 31. Hàm XOR ........................................................................................................................ 38
Hình 1. 32. Hàm NOR ........................................................................................................................ 39
Hình 1. 33. Các IC NOR .................................................................................................................... 39
Hình 1. 34. Hàm NAND .................................................................................................................... 39
Hình 1. 35. Biểu diễn qua lại giữa các cổng ..................................................................................... 40
Hình 1. 36. Bìa các nô của hàm f(A,B)=A+B ................................................................................. 40
Hình 1. 37. Sơ đồ mạch logic ............................................................................................................. 43
Hình 1. 38. Bìa các nô của các hàm 3 biến, 4 biến .......................................................................... 44
Hình 1. 39. Bìa các nô của hàm ................................... 45
Hình 1. 40. Bìa các nô của hàm ................................. 45
Hình 1. 41. Sơ đồ mô phỏng bộ cộng bán tổng ( HA-Half Adder ) ............................................. 45
Hình 1. 42. Sơ đồ mạch logic cộng hai số nhị phân một bít .......................................................... 46
Hình 1. 43. Sơ đồ mô phỏng mạch ................................................................................................... 46
Hình 1. 44. Bìa các nô của bộ cộng toàn phần ................................................................................. 47
Hình 1. 45. Sơ đồ mạch cộng toàn phần ........................................................................................... 47