Cấu Trúc Máy Tính: Tài Liệu Học Tập và Hướng Dẫn Chi Tiết

Giáo trình nghiên cứu cấu trúc máy tính nghề kỹ thuật sửa chữa lắp ráp máy tính trình độ trung cấp, trình bày lý thuyết rõ ràng, minh họa ví dụ thực tế, phù hợp sinh viên kỹ thuật.

• Tác giả: Châu Mũi Khéo
• Trường học: Cao đẳng nghề Cần Thơ
• Chuyên ngành: Cấu trúc máy tính
• Đề tài: Cấu Trúc Máy Tính: Hướng Dẫn Chi Tiết và Tài Liệu Học Tập
• Loại tài liệu: sách giáo trình
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. BÀI 1: CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH
• 1.1. Biểu diễn và xử lý thông tin trong máy tính
• 1.2. Cấu trúc một máy tính đơn giản
• 1.3. Điểm khác biệt giữa các core i là gì?
• 2. BÀI 2: BUS VÀ TRUYỀN THÔNG TIN TRONG MÁY TÍNH
• 2.1. Khái Niệm BUS
• 2.2. Phân Loại Bus
• 3. BÀI 3: BỘ NHỚ
• 3.1. Các đặc trưng của bộ nhớ. Sự phân cấp bộ nhớ
• 3.2. Xây dựng bộ nhớ từ các chip nhớ
• 4. BÀI 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀO-RA DỮ LIỆU
• 4.1. Cấu trúc phần cứng của các hệ thống vào-ra dữ liệu
• 4.2. Các phương pháp vào-ra dữ liệu
• 5. BÀI 5: CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI
• 5.1. Các thiết bị nhập, xuất dữ liệu
• 5.2. Các thiết bị lưu trữ dữ liệu
• 6. BÀI 6: ROM – BIOS và RAM- CMOS
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Cấu Trúc Máy Tính Hướng Dẫn Chi Tiết

Cấu trúc máy tính là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ thông tin. Hiểu rõ về cấu trúc này giúp người dùng tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng máy tính trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tài liệu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các thành phần chính của máy tính, từ phần cứng đến phần mềm.

1.1. Tổng quan về Cấu Trúc Phần Cứng Máy Tính

Cấu trúc phần cứng máy tính bao gồm các thành phần như CPU, bộ nhớ, và thiết bị ngoại vi. Mỗi thành phần có vai trò riêng biệt trong việc xử lý và lưu trữ thông tin.

1.2. Tầm Quan Trọng của Cấu Trúc Máy Tính

Cấu trúc máy tính ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng xử lý của hệ thống. Việc hiểu rõ cấu trúc này giúp người dùng tối ưu hóa các ứng dụng và giải quyết các vấn đề phát sinh.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Cấu Trúc Máy Tính

Mặc dù máy tính ngày nay rất phổ biến, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa cấu trúc máy tính. Các vấn đề như hiệu suất, khả năng tương thích và bảo trì là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Các Vấn Đề Hiệu Suất Máy Tính

Hiệu suất máy tính có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm cấu hình phần cứng, phần mềm và cách thức sử dụng. Việc tối ưu hóa các thành phần này là rất cần thiết.

2.2. Khả Năng Tương Thích Giữa Các Thành Phần

Khả năng tương thích giữa các linh kiện phần cứng và phần mềm là một thách thức lớn. Người dùng cần phải đảm bảo rằng các thành phần có thể hoạt động cùng nhau một cách hiệu quả.

III. Phương Pháp Tối Ưu Cấu Trúc Máy Tính Hiệu Quả

Để tối ưu hóa cấu trúc máy tính, có nhiều phương pháp và giải pháp khác nhau. Việc áp dụng các phương pháp này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và khả năng hoạt động của máy tính.

3.1. Tối Ưu Hóa Phần Cứng Máy Tính

Tối ưu hóa phần cứng bao gồm việc nâng cấp CPU, RAM và ổ cứng. Những nâng cấp này có thể giúp cải thiện tốc độ xử lý và khả năng lưu trữ của máy tính.

3.2. Cải Thiện Phần Mềm và Hệ Điều Hành

Cải thiện phần mềm và hệ điều hành cũng là một cách hiệu quả để tối ưu hóa máy tính. Việc cập nhật phần mềm thường xuyên giúp bảo mật và cải thiện hiệu suất.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Cấu Trúc Máy Tính

Cấu trúc máy tính không chỉ là lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống hàng ngày. Từ việc sử dụng máy tính cá nhân đến các hệ thống máy chủ phức tạp, cấu trúc máy tính đóng vai trò quan trọng.

4.1. Ứng Dụng Trong Doanh Nghiệp

Trong môi trường doanh nghiệp, cấu trúc máy tính được sử dụng để quản lý dữ liệu, xử lý thông tin và tối ưu hóa quy trình làm việc.

4.2. Ứng Dụng Trong Giáo Dục

Cấu trúc máy tính cũng được áp dụng trong giáo dục, giúp sinh viên và giảng viên tiếp cận công nghệ thông tin một cách hiệu quả.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Cấu Trúc Máy Tính

Cấu trúc máy tính sẽ tiếp tục phát triển và thay đổi theo thời gian. Việc nắm bắt các xu hướng mới trong công nghệ sẽ giúp người dùng tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng máy tính trong tương lai.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Cấu Trúc Máy Tính

Các xu hướng như điện toán đám mây và trí tuệ nhân tạo đang định hình lại cấu trúc máy tính. Những công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cơ hội mới.

5.2. Tương Lai Của Công Nghệ Thông Tin

Công nghệ thông tin sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, và cấu trúc máy tính sẽ là nền tảng cho sự phát triển này. Việc hiểu rõ về cấu trúc máy tính sẽ giúp người dùng sẵn sàng cho tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cấu trúc máy tính (Mã mô đun: MĐ 11) là tài liệu học tập và giảng dạy do tác giả Châu Mũi Khéo cùng ban biên soạn tại Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ biên soạn, hoàn thành vào ngày 20 tháng 11 năm 2021. Trong chương trình đào tạo nghề và trung cấp kỹ thuật, mô đun này giữ vị trí môn cơ sở nghề bắt buộc, được bố trí giảng dạy sau khi người học đã hoàn thành mô đun Tin học cơ bản.

Mục tiêu đào tạo của giáo trình được xác định trên ba phương diện cụ thể:

• Về kiến thức: Cung cấp hiểu biết về cấu trúc chung, phân loại máy tính, chức năng của từng thành phần phần cứng và nguyên lý hoạt động phối hợp giữa các khối chức năng trong hệ thống máy tính cá nhân (PC).
• Về kỹ năng: Hình thành khả năng phân biệt, nhận diện linh kiện, thiết bị phần cứng; khai báo và cài đặt chính xác các thông số kỹ thuật trong hệ thống ROM-BIOS/RAM-CMOS; thiết lập tư duy tổ chức kỹ thuật logic.
• Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện tác phong tỉ mỉ, chính xác, khoa học và tinh thần trách nhiệm trong công việc kỹ thuật phần cứng.

Về mặt thời lượng và cấu trúc, giáo trình được thiết kế với tổng thời lượng 45 giờ, bao gồm 15 giờ lý thuyết, 28 giờ thực hành/bài tập và 2 giờ kiểm tra. Nội dung giáo trình tiếp cận theo cấu trúc phân tầng phần cứng máy vi tính PC, đi từ biểu diễn dữ liệu cấp thấp, bộ vi xử lý trung tâm (CPU), hệ thống đường truyền (Bus), phân cấp bộ nhớ, các chuẩn ghép nối vào/ra (I/O), thiết bị ngoại vi cho đến hệ thống điều khiển khởi động cấp thấp (ROM-BIOS và RAM-CMOS). Điểm đặc sắc của giáo trình là sự gắn kết giữa lý thuyết nguyên lý mạch điện tử với việc phân tích chi tiết các thanh ghi, cổng logic, địa chỉ ngắt phần cứng và phần mềm.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân chia thành 6 bài học chính:

• Bài 1: Cấu trúc cơ bản của máy tính (MĐ11-01 - 8 giờ: 2 giờ Lý thuyết, 6 giờ Thực hành/Bài tập)
  Trình bày các phương pháp biểu diễn thông tin nhị phân (Binary), bit MSB, LSB, hệ thống số nguyên không dấu/có dấu (trị tuyệt đối kèm dấu, số bù 1, số bù 2), chuẩn dấu chấm động IEEE 754 định dạng đơn 32-bit ($X = (-1)^S \times 1.m \times 2^{e-127}$) và định dạng kép 64-bit ($X = (-1)^S \times 1.m \times 2^{e-1023}$), cùng bảng mã ký tự ASCII 7-bit và mở rộng 8-bit. Chương này cũng phân tích lịch sử tiến hóa của CPU từ các dòng vi xử lý 4-bit (Intel 4004), 8-bit (8008, 8080, 8085), 16-bit (80186, 80286), 32-bit (80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Celeron, Pentium 4 kiến trúc NetBurst) đến các thế hệ 64-bit đa nhân (Pentium D, Core 2 Duo, Core i3, Core i5, Core i7, Core i9 kiến trúc Skylake-X). Đi kèm với đó là các nguyên lý hoạt động của xung nhịp (Clock), kiến trúc xử lý đường ống (Pipelining với mô hình 11 tầng của Pentium III, 14 tầng của Core Microarchitecture, 20 đến 31 tầng của NetBurst/Prescott), công nghệ chế tạo bán dẫn MOS, CMOS và công nghệ Silicon On Insulator (SOI) sử dụng kỹ thuật cấy oxy SIMOX.

• Bài 2: Bus và truyền thông tin trong máy tính (MĐ11-02 - 4 giờ: 2 giờ Lý thuyết, 2 giờ Thực hành)
  Phân tích khái niệm và đặc tính của hệ thống đường truyền dữ liệu trong máy tính. Nội dung bao gồm việc phân loại và đối chiếu các chuẩn bus: Bus ISA (8/16-bit, tần số 8.33 MHz, quản lý 16 MB bộ nhớ), MCA, EISA (32-bit, tốc độ 33 MBps, không gian địa chỉ 4 GB), Bus cục bộ VL-Bus (VESA, hỗ trợ quản lý qua bộ điều khiển LMB/LBT) và Bus PCI (ghép kênh địa chỉ/dữ liệu, hỗ trợ truyền dạng Burst Mode đạt tốc độ 120 MBps).

• Bài 3: Bộ nhớ (MĐ11-03 - 8 giờ: 3 giờ Lý thuyết, 4 giờ Thực hành, 1 giờ Kiểm tra)
  Trình bày các đặc trưng kỹ thuật của bộ nhớ như tốc độ truyền, băng thông (PC2700, DDR333), các thông số độ trễ (RAS to CAS Delay, CAS Latency) và chu kỳ truy xuất SDRAM Access Time. Phân loại cấu trúc bộ nhớ bán dẫn gồm ROM (PROM, EPROM, EEPROM), RAM (SRAM sử dụng transistor, DRAM sử dụng tụ điện với cơ chế làm tươi), và bộ nhớ Flash (kiến trúc NOR cho truy xuất ngẫu nhiên và NAND cho truy xuất tuần tự). Ngoài ra, bài học giới thiệu cấu tạo đĩa quang (CD, CD-R dùng lớp thuốc nhuộm quang học, CD-RW, DVD) và các công nghệ lưu trữ tiên tiến như bộ nhớ phân tử (Molecular Memory), bộ nhớ thay đổi pha (Phase-Change Memory dựa trên nguyên lý Stanford Ovshinsky) và bộ nhớ không gian ba chiều (Holographic Memory).

• Bài 4: Các phương pháp vào/ra dữ liệu (MĐ11-04 - 8 giờ: 4 giờ Lý thuyết, 4 giờ Thực hành)
  Phân tích cấu trúc phần cứng và cơ chế điều khiển I/O. Phần ghép nối song song khảo sát cổng LPT (các thanh ghi dữ liệu tại offset 00h, trạng thái tại 01h, điều khiển tại 02h; cơ chế bắt tay bằng các đường tín hiệu STR, ACK, BSY; truy xuất qua ngắt BIOS INT 17h). Phần ghép nối nối tiếp khảo sát chuẩn RS-232C, cấu trúc khung dữ liệu SDU (Start bit, Data bits, Parity bit, Stop bit), tốc độ baud, truy xuất qua lệnh DOS MODE, ngắt DOS INT 21h và ngắt BIOS INT 14h. Phần giao tiếp bàn phím phân tích ma trận quét, chip điều khiển 8042/8741/8742, mã quét (Make code, Break code), hàng đợi bộ đệm vòng 16 ký tự tại địa chỉ BIOS 40:1Eh-40:3Dh, ngắt phần cứng INT 09h (IRQ1), ngắt BIOS INT 16h và truy xuất trực tiếp cổng Port 60h/64h. Bài học cũng đề cập đến cấu trúc cổng đồ họa tăng tốc AGP (kỹ thuật đường truyền điểm-điểm, bảng chuyển đổi địa chỉ đồ họa GART, các chế độ 1X, 2X, 4X) và chuẩn PCI Express (PCIe).

• Bài 5: Các thiết bị ngoại vi (MĐ11-05 - 8 giờ: 2 giờ Lý thuyết, 5 giờ Thực hành, 1 giờ Kiểm tra)
  Tập trung nghiên cứu nguyên lý hoạt động, phân loại và kết nối của các thiết bị nhập dữ liệu, thiết bị xuất dữ liệu và hệ thống các thiết bị lưu trữ từ tính, lưu trữ quang và bán dẫn.

• Bài 6: ROM – BIOS và RAM – CMOS (MĐ11-06 - 9 giờ: 2 giờ Lý thuyết, 7 giờ Thực hành)
  Khảo sát cấu trúc của hệ thống phần mềm nhúng cơ sở ROM-BIOS, quy trình tự kiểm tra khi bật nguồn (POST), bảng dữ liệu hệ thống BIOS và phương pháp đọc, ghi, cài đặt cấu hình thông số phần cứng trong bộ nhớ lưu trữ tham số RAM-CMOS.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết kỹ thuật máy tính dựa trên các nguyên lý:

1. Hệ thống logic số và biểu diễn dữ liệu: Nguyên tắc chuyển đổi cơ số (nhị phân, thập phân, thập lục phân), cấu trúc bit dấu, phương pháp lấy bù của số nhị phân để thực hiện phép trừ thông qua bộ cộng, và chuẩn hóa biểu diễn số thực dấu chấm động theo chuẩn quốc tế IEEE 754.
2. Nguyên lý kiến trúc bộ vi xử lý: Hoạt động của xung nhịp đồng bộ hệ thống, chu trình lệnh cơ bản (Fetch - Nạp lệnh, Decode - Giải mã, Execute - Thực thi), kiến trúc Superscalar và kỹ thuật xử lý xen kẽ đường ống (Pipelining) nhằm tăng thông lượng xử lý.
3. Vật lý bán dẫn ứng dụng trong vi mạch: Cơ chế hoạt động của transistor trường kim loại - oxit - bán dẫn (MOS), vi mạch bổ trợ CMOS, hiện tượng tích điện dung tại lớp tiếp giáp và giải pháp cách điện bằng công nghệ Silicon On Insulator (SOI).
4. Cấu trúc ghép nối và truyền thông nội bộ: Phân định đường truyền dữ liệu, đường truyền địa chỉ, đường truyền điều khiển; phương pháp dồn kênh (Multiplexing) và kỹ thuật truy xuất bộ nhớ trực tiếp (DMA / Bus Mastering).

Kỹ năng phát triển

Thông qua các nội dung kỹ thuật, người học phát triển các kỹ năng chuyên môn:

• Kỹ năng tính toán kỹ thuật: Chuyển đổi qua lại giữa các định dạng số nhị phân, bù 1, bù 2, số chấm động IEEE 754; tính toán băng thông bus dựa trên xung nhịp và độ rộng bit dữ liệu; tính toán chu kỳ truy xuất bộ nhớ.
• Kỹ năng phân tích phần cứng: Nhận dạng, phân loại các dòng CPU Intel/AMD, các chuẩn khe cắm Bus (ISA, PCI, AGP, PCIe), các chuẩn module bộ nhớ RAM và cấu tạo cổng giao tiếp ngoại vi (LPT 25 chân, COM DB9/DB25, PS/2).
• Kỹ năng can thiệp mức hệ thống: Đọc hiểu bảng mã quét bàn phím (Scan code); lập trình giao tiếp cổng phần cứng bằng mã lệnh hợp ngữ (Assembly) với các lệnh IN/OUT qua cổng 60h, 64h, 378h; khai thác các hàm ngắt của hệ thống BIOS (INT 14h, INT 16h, INT 17h) và thiết lập cấu hình trong BIOS Setup Utility.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình Cấu trúc máy tính áp dụng phương pháp tiếp cận kết hợp giữa lý thuyết nguyên lý và rèn luyện kỹ năng thực hành, trong đó thời lượng thực hành và làm bài tập chiếm tỷ trọng lớn (28/45 giờ, tương đương hơn 62% tổng thời lượng mô đun).

TỔNG THỜI LƯỢNG MÔ ĐUN CẤU TRÚC MÁY TÍNH: 45 GIỜ
├── Lý thuyết: 15 giờ (33.3%)
├── Thực hành, bài tập: 28 giờ (62.2%)
└── Kiểm tra định kỳ: 2 giờ (4.5%)

Cấu trúc mỗi bài học được tiêu chuẩn hóa theo quy trình sư phạm kỹ thuật:

1. Xác định mục tiêu bài học: Nêu rõ các yêu cầu cụ thể về mặt kiến thức, kỹ năng thao tác và thái độ làm việc cần đạt được sau bài học.
2. Nội dung lý thuyết chuyên sâu: Cung cấp định nghĩa, sơ đồ mạch, cấu trúc thanh ghi và bảng mã chuẩn.
3. Quy trình thực hành theo từng bước (Step-by-step): Các bài tập thực hành đều quy định các bước thực hiện tuần tự. Ví dụ ở Bài 1, Bài 2 và Bài 3, quy trình thực hành gồm 3 bước:
   • Bước 1: Kể tên / nêu định nghĩa thiết bị.
   • Bước 2: Nêu chức năng của từng linh kiện, thiết bị.
   • Bước 3: Nhận diện linh kiện thực tế hoặc phân tích thông số trên phần mềm chuyên dụng và ghi nhận kết quả ra biểu mẫu.
4. Hệ thống bài tập mở rộng và nâng cao: Bổ sung các bài toán chuyển đổi hệ thống số phức tạp (ví dụ: chuyển đổi các số thập phân có phần lẻ như 15.25 hay 134.375 sang nhị phân, bù 1, bù 2) hoặc phân loại các chuẩn bus và bộ nhớ hiện hành.

Phương pháp đánh giá kết quả học tập được thực hiện đa dạng:

• Đánh giá kiến thức lý thuyết thông qua kiểm tra viết, câu hỏi trắc nghiệm khách quan hoặc vấn đáp kỹ thuật.
• Đánh giá kỹ năng thông qua bài kiểm tra thực hành nhận biết linh kiện, phân tích thông số hệ thống và tính toán kỹ thuật trực tiếp trên máy tính.
• Hai bài kiểm tra định kỳ (1 giờ ở Bài 3 về Bộ nhớ và 1 giờ ở Bài 5 về Thiết bị ngoại vi) để chuẩn hóa năng lực người học trước khi hoàn thành mô đun.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Giáo trình ghi nhận nhiều nội dung cập nhật về mặt tiến trình công nghệ phần cứng máy tính:

• Sự chuyển dịch kiến trúc vi xử lý: Phân tích chi tiết bước chuyển biến từ các kiến trúc đơn nhân xung nhịp cao (vi kiến trúc NetBurst trên Pentium 4 với các lõi Willamette, Northwood, Prescott sản xuất trên tiến trình 90nm) sang vi xử lý lõi kép (Pentium D lõi kép Smithfield 90nm, Presler 65nm) và vi kiến trúc Intel Core (Core 2 Duo mã Conroe, Allendale). Giáo trình cũng cập nhật thông số của các dòng vi xử lý đa lõi hiện đại như Core i3, Core i5, Core i7 (như chip Intel Core i7-10700K thế hệ thứ 10 với 8 nhân, 16 luồng, xung nhịp đạt 5.10 GHz sản xuất trên công nghệ đa nhân) và Core i9 nền tảng Skylake-X với khả năng xử lý đồng thời đa luồng.
• Cải tiến trong vật liệu và công nghệ bán dẫn: Phân tích những hạn chế vật lý của công nghệ MOS/CMOS truyền thống khi thu nhỏ kích thước xuống dưới 0.13 micron (hiện tượng rò điện chéo giữa các cầu nối và thời gian nạp/xả điện dung của tấm silicon). Từ đó, giáo trình trình bày chi tiết công nghệ Silicon On Insulator (SOI) do IBM và AMD ứng dụng, sử dụng kỹ thuật cấy oxy SIMOX (Seperation by Implantation of Oxygen) để tạo lớp cách điện $SiO_2$, giúp tăng tốc độ chuyển mạch lên 30%, giảm tiêu thụ điện năng 50% và giảm nhiệt lượng phát sinh.
• Tích hợp các công nghệ truyền thông và bus chuyên dụng: Trình bày công nghệ truyền dữ liệu điểm-điểm tốc độ cao HyperTransport và cơ chế tiết kiệm điện Cool'n'Quiet của AMD; kỹ thuật tối ưu hóa xử lý đồ họa của AGP thông qua bảng phân bổ địa chỉ GART (Graphic Address Remapping Table) giúp lưu trữ Texture Map trực tiếp trên bộ nhớ hệ thống; và sự thay thế của giao diện nối tiếp tốc độ cao PCI Express (PCIe).
• Khảo sát các công nghệ lưu trữ thế hệ mới: Cung cấp thông tin nghiên cứu về bộ nhớ phân tử (Molecular Memory) trên nền tảng ống nano, bộ nhớ thay đổi pha (Phase-Change Memory của Ovshinsky được IBM, Macronix, Qimonda phát triển năm 2006 với tốc độ nhanh gấp 500 lần bộ nhớ Flash) và bộ nhớ quang học ba chiều Holographic.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình Cấu trúc máy tính được thiết kế phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể:

• Sinh viên và học viên:
  • Học sinh, sinh viên theo học trình độ trung cấp và cao đẳng thuộc các chuyên ngành: Công nghệ thông tin, Kỹ thuật sửa chữa và lắp ráp máy tính, Quản trị mạng máy tính, Điện tử tin học.
  • Điều kiện tiên quyết: Người học cần có kiến thức cơ bản từ mô đun Tin học (sử dụng máy tính cơ bản, hệ điều hành, khái niệm file/folder) trước khi học mô đun này.
• Giảng viên và cán bộ đào tạo nghề:
  • Sử dụng làm giáo trình giảng dạy chuẩn hóa với đề cương chi tiết 45 giờ đã được phân bổ cụ thể theo từng tiết học lý thuyết và thực hành.
  • Sử dụng nguồn câu hỏi, bài tập thực hành từng bước và các tiêu chí đánh giá kết quả học tập để xây dựng ngân hàng đề thi và giáo án thực hành.
• Kỹ thuật viên phần cứng và người tự học:
  • Dùng làm tài liệu tra cứu các thông số kỹ thuật phần cứng PC: sơ đồ chân cổng LPT, chuẩn tín hiệu cáp nối tiếp RS-232C, danh mục mã quét bàn phím (Make/Break code), định dạng khung dữ liệu SDU và các hàm ngắt BIOS hệ thống.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Tài liệu được biên soạn làm giáo trình giảng dạy chính thức cho sinh viên trình độ trung cấp và cao đẳng nghề kỹ thuật, đồng thời phù hợp cho kỹ thuật viên sửa chữa, bảo trì phần cứng máy tính có nhu cầu nắm vững cấu trúc hệ thống máy vi tính cá nhân (PC).

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học mô đun này?

Người học cần hoàn thành mô đun Tin học cơ sở, hiểu các thao tác vận hành máy vi tính căn bản và các khái niệm logic toán học cơ sở để tiếp thu các nội dung về biểu diễn số nhị phân và kiến trúc phần cứng.

3. Giáo trình có điểm gì khác biệt so với các tài liệu lý thuyết cấu trúc máy tính thông thường?

Giáo trình phân bổ tỷ trọng thực hành lớn (28 giờ thực hành trên tổng số 45 giờ). Bên cạnh việc giải thích nguyên lý tổ chức máy tính, tài liệu đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật thực tế của dòng máy PC như: phân tích từng chân tín hiệu cổng LPT/COM, cấu trúc bộ đệm bàn phím tại vùng nhớ BIOS 40:1Eh, mã điều khiển vi mạch 8042 và các bước lập trình qua ngắt hệ thống.

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học cần kết hợp làm bài tập tính toán biểu diễn nhị phân/IEEE 754 trên giấy, đối chiếu các bảng mã chuẩn (ASCII, Scan code), đồng thời sử dụng các công cụ phần mềm kiểm tra phần cứng và thực hành cấu hình thông số trực tiếp trên các thiết bị máy tính thực tế.

5. Tài liệu có cung cấp các hướng dẫn liên quan đến hệ điều hành và phần mềm không?

Có. Giáo trình hướng dẫn các phương thức truy xuất phần cứng thông qua hệ điều hành DOS (lệnh MODE, ngắt INT 21h), thông qua firmware hệ thống (các hàm ngắt BIOS INT 14h, INT 16h, INT 17h) và truy xuất trực tiếp mức thanh ghi qua các cổng I/O.

---

Kết luận

Giáo trình Cấu trúc máy tính do tác giả Châu Mũi Khéo biên soạn là tài liệu đào tạo chuyên môn cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện và thực tế về cấu trúc phần cứng máy vi tính PC. Với sự cân bằng giữa nguyên lý lý thuyết (biểu diễn thông tin, cấu trúc CPU, phân cấp bộ nhớ, cơ chế bus) và kỹ năng thực tế (nhận dạng thiết bị, cấu hình BIOS, giao tiếp cổng I/O), tài liệu đáp ứng đầy đủ chuẩn đầu ra của mô đun đào tạo nghề 45 giờ.

Lộ trình học tập đề xuất bắt đầu từ việc nắm vững cách biểu diễn dữ liệu nhị phân tại Bài 1, tìm hiểu cơ chế truyền thông tin qua Bus ở Bài 2, phân tích hệ thống lưu trữ ở Bài 3, làm chủ các phương thức ghép nối vào/ra tại Bài 4, và kết thúc bằng việc làm chủ cấu hình hệ thống ngoại vi cùng ROM-BIOS/RAM-CMOS ở Bài 5 và Bài 6. Đây là cơ sở kiến trúc phần cứng phục vụ cho các môn học chuyên sâu tiếp theo như Mạng máy tính, Hệ điều hành và Kỹ thuật sửa chữa, lắp ráp máy tính.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 1 LỜI GIỚI THIỆU 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 lính vực khác nhau của đời sống, cần phải có những hiểu biết sâu sắc hơn về phần cứng của nó.

Những vấn đề liên quan đến cấu trúc máy tính rất rộng lớn. Trong khuôn khổ giáo trình giảng dạy môn “Cấu trúc máy tính” tài liệu này chỉ trình bày những vấn đề cơ bản về cấu 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 6 bài: Bài 1 MĐ11 - 01: Cấu trúc cơ bản của máy tính Bài 2 MĐ11 - 02: Bus và truyền thông tin trong máy tính Bài 3 MĐ11 - 03: Bộ nhớ Bài 4 MĐ11 - 04: Các phương pháp vào/ra dữ liệu Bài 5 MĐ11 - 05: Các thiết bị ngoại vi Bài 6 MĐ11 - 06: ROM – BIOS và RAM- CMOS Trong mỗi chương đều có giới thiệu mục tiêu, nội dung và các câu hỏi bài tập. Giáo trình có thể xem là nguồn tài liệu cung cấp thông tin cho các giáo viên giảng dạy, đồng thời cũng là tài liệu học tập cho sinh viên.

Nhân đây ban biên soạn cũng xin cảm ơn các lãnh đạo và đồng nghiệp của chúng tôi tại trường Cao đẳng nghề Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ, cũng cho chúng tôi ý kiến quý báu trong quá trình biên soạn giáo trình này. Cần Thơ, ngày 20 tháng 11 năm 2021 Tham gia biên soạn 1. Châu Mũi Khéo 2 MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN .1 LỜI GIỚI THIỆU .3 CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC CẤU TRÚC MÁY TÍNH .4 BÀI 1: CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH. Biểu diễn và xử lý thông tin trong máy tính.

Cấu trúc một máy tính đơn giản .9 Điểm khác biệt giữa các core i là gì? .14 BÀI 2: BUS VÀ TRUYỀN THÔNG TIN TRONG MÁY TÍNH. Khái Niệm BUS. Phân Loại Bus. 25 BÀI 3: BỘ NHỚ.

Các đặc trưng của bộ nhớ. Sự phân cấp bộ nhớ. Xây dựng bộ nhớ từ các chip nhớ.33 BÀI 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀO-RA DỮ LIỆU. Cấu trúc phần cứng của các hệ thống vào-ra dữ liệu.

Các phương pháp vào-ra dữ liệu .42 BÀI 5: CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI. Các thiết bị nhập, xuất dữ liệu. Các thiết bị lưu trữ dữ liệu .61 BÀI 6: ROM-BIOS và RAM-CMOS .71 TÀI LIỆU THAM KHẢO .78 3 CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC CẤU TRÚC MÁY TÍNH Tên mô đun: CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã số của mô đun: MĐ 11 Thời gian thực hiện mô đun: 45 giờ (Lý thuyết 15 giờ; Thực hành: 28 giờ; Kiểm tra: 2 giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN - Vị trí: được bố trí học sau mô đun Tin học.

- Tính chất: là môn cơ sở nghề bắt buộc của chương trình đào tạo trung cấp II. MỤC TIÊU CỦA MÔ ĐUN 1. Kiến thức: - Hiểu cấu trúc chung và phân loại máy tính; - Hiểu được chức năng của các thành phần trong máy tính; - Biết các nguyên lý làm việc giữa các thành phần trong hệ thống; 2. Kỹ năng: - Phân biệt được các linh kiện, thiết bị phần cứng trong máy tính; - Khai báo, cài đặt chính xác các thông số trong BIOS; - Có được cách thức tổ chức khoa học, lôgíc; 3.

Năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Rèn tính cẩn thận, chính xác, khoa học. - Nghiêm túc, tỉ mỉ, chủ động, sáng tạo trong học tập và công việc. NỘI DUNG MÔ ĐUN: 1. Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian: Thời gian Số Tên chương, mục Tổng Lý Thực Kiểm TT số thuyết hành, tra Bài tập 1 Bài 1: Cấu trúc cơ bản của máy tính 8 2 6 Biểu diễn và xử lý thông tin trong máy 2 2 tính Cấu trúc một máy tính 6 6 Thực hành Bài 2: Bus và truyền thông tin trong 2 4 2 2 máy tính Khái niệm BUS 1 1 Phân loại BUS 3 1 2 3 Bài 3: Bộ nhớ 8 3 4 1 Các đặc trưng của bộ nhớ 3 1 2 Sự phân cấp bộ nhớ 2 1 1 Xây dựng bộ nhớ từ các chip nhớ 2 1 1 4 Thực hành Kiểm tra 1 1 Bài 4: Các phương pháp vào/ra dữ 4 8 4 4 0 liệu Cấu trúc phần cứng của hệ thống vào ra 4 2 2 dữ liệu Các phương pháp vào ra dữ liệu 4 2 2 Thực hành 5 Bài 5: Các thiết bị ngoại vi 8 2 5 1 Các thiết bị nhập, xuất dữ liệu 3 1 2 Các thiết bị lưu trữ dữ liệu 4 1 3 Thực hành Kiểm tra 1 1 Bài 6: ROM – BIOS và RAM- 6 9 2 7 CMOS ROM-BIOS 4 1 3 RAM-CMOS 5 1 4 Thực hành Tổng cộng 45 15 28 2 5 BÀI 1: CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH Mã bài: MĐ11-01 Mục tiêu: - Hiểu cách biểu diễn thông tin trong máy tính; - Biết lịch sử phát triển của bộ vi xử lý ; - Hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ vi xử lý; - Phân biệt được kiến trúc vi xử lý Pentium và Core Duo; - Rèn tính cẩn thận, chính xác, khoa học.

Biểu diễn và xử lý thông tin trong máy tính 1. Hệ đếm nhị phân và phương pháp biểu diễn thông tin trong máy tính. Ø Hệ nhị phân (Binary) Khái niệm: Hệ nhị phân hay hệ đếm cơ số 2 chỉ có hai con số 0 và 1. Đó là hệ đếm dựa theo vị trí.

Giá trị của một số bất kỳ nào đó tuỳ thuộc vào vị trí của nó. Các vị trí có trọng số bằng bậc luỹ thừa của cơ số 2. Chấm cơ số được gọi là chấm nhị phân trong hệ đếm cơ số 2. Mỗi một con số nhị phân được gọi là một bit (Binary digit).

Bit ngoài cùng bên trái là bit có trọng số lớn nhất(MSB, Most Significant Bit) và bit ngoài cùng bên phải là bit có trọng số nhỏ nhất (LSB, Least Significant Bit) như dưới đây: 23 22 21 20 2-1 2-2 MSB 1 0 1 0. 1 1 LSB Chấm nhị phân Số nhị phân (1010.11)2 có thể biểu diễn thành: (1010.75)10 Chú ý: dùng dấu ngoặc đơn và chỉ số dưới để ký hiệu cơ số của hệ đếm.Đối với phần lẻ của các số thập phân, số lẻ được nhân với cơ số và số nhớ được ghi lại làm một số nhị phân. Trong quá trình biến đổi, số nhớ đầu chính là bit MSB và số nhớ cuối là bit LSB. Ví dụ 2: Biến đổi số thập phân (0.625)10 thành nhị phân: 625*2 = 1.

Số nhớ là 1, là bit MSB. Số nhớ là 0 0. Số nhớ là 1, là bit LSB. Bảng mã ASCII Bảng mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange).

Người ta đã xây dựng bộ mã để biểu diễn cho các ký tự cũng như các con số Và các ký hiệu đặc biệt khác. Các mã đó gọi là bộ mã ký tự và số. Bảng mã ASCII là mã 7 bit được dùng phổ biến trong các hệ máy tính hiện nay.Với mã 7 bit nên có 27 = 128 tổ hợp mã. Cũng như các con số thập phân từ 0.9 và các ký hiệu đặc biệt khác đều được biểu diễn bằng một mã số như bảng sau .Việc biến đổi thành ASCII và các mã ký tự số khác, tốt nhất là sử dụng mã tương đương trong bảng.

Ví dụ: Đổi các ký tự BILL thành mã ASCII: Ký tự B I L L ASCII: 1000010 1001001 1001100 1001100 HEXA: 42 49 4C 4C Bảng mã ASCII Column Bits(B7B6B5) Row Bits 0 1 2 3 4 5 6 7 6 000 001 010 011 100 101 110 111 Row B4 B3 B2 B1 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 0 0 0 0 0 → NUL DLE SP 0 @ P ‘ p 1 0 0 0 1 → SOH DC1 ! 1 A Q a q 2 0 0 1 0 → STX DC2 “ 2 B R b r 3 0 0 1 1 → ETX DC3 # 3 C S c s 4 0 1 0 0 → EOT DC4 $ 4 D T d t 5 0 1 0 1 → ENQ NAK % 5 E U e u 6 0 1 1 0 → ACK SYN & 6 F V f v 7 0 1 1 1 → BEL ETB ‘ 7 G W g w 8 1 0 0 0 → BS CAN ( 8 H X h x 9 1 0 0 1 → HT EM ) 9 I Y i y A 1 0 1 0 → LF SUB * : J Z j z B 1 0 1 1 → VT ESC + ; K [ k { C 1 1 0 0 → FF FS - < L \ l | D 1 1 0 1 → CR GS , = M ] m } E 1 1 1 0 → SO RS. > N ^ n ~ F 1 1 1 1 → SI US / ? O _ o DEL Chú ý: Trong bảng mã ASCII chuẩn có 128 kí tự. Trong bảng mã ASCII mở rộng có 255 kí tự bao gồm cả 128 kí tự trong mã ASCII chuẩn. Các kí tự sau là các phép toán, các chữ có dấu và các kí tự để trang trí.

Control characters: NUL = Null; DLE = Data link escape; SOH = Start Of Heading; DC1 = Device control 1; DC2 = Device control 2; DC3 = Device control 3. DC4 = Device control 4; STX = Start of text; ETX = End of text; EOT = End of transmission; ENQ = Enquiry; NAK = Negative acknowlege. ACK = Acknowlege; SYN = Synidle; BEL = Bell. ETB = End od transmission block; BS = Backspace; CAN = Cancel.

HT = Horizontal tab; EM = End of medium; LF = Line feed; SUB =Substitute. VT = Vertical tab; ESC = Escape; FF = From feed; FS = File separator. 7 SO = Shift out; RS = Record separator; SI = Shift in; US = Unit separator. Biểu diễn giá trị số trong máy tính Ø Biểu diễn số nguyên.

- Biểu diễn số nguyên không dấu: Tất cả các số cũng như các mã. trong máy vi tính đều được biểu diễn bằng các chữ số nhị phân. Để biểu diễn các số nguyên không dấu, người ta dùng n bit. Tương ứng với độ dài của số bit được sử dụng, ta có các khoảng giá trị xác định như sau: Số bit Khoảng giá trị n bit: 0.