BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: Cấu trúc máy tính NGHỀ: SỬA CHỮA VÀ LẮP RÁP MÁY TÍNH TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ- ngày / /2018 của ) Ninh Bình, năm 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đƣợc 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. MÃ TÀI LIỆU: MH09 1 LỜI GIỚI THIỆU Chìa khóa để hƣớng tới một xã hội thông tin là phát triển công nghệ thông tin (CNTT), tuy nhiên để phát triển CNTT lâu dài và bền vững, không phải chỉ đào tạo những kiến thức mới nhất, mà trong nội dung đào tạo cũng phải trang bị sinh viên những kiến thức nền tảng, trên cơ sở đó tạo cho sinh viên phát huy tính sáng tạo, chủ động trong việc tiếp thu nghiên cứu, ứng dụng CNTT. Do đó, trong các trƣờng đào tạo, sinh viên phải đƣợc trang bị các kiến thức nền tảng về CNTT và trong đó thể thiếu là môn học Cấu trúc máy tính.
Hiện nay có nhiều giáo trình cấu trúc máy tính, tuy nhiên hầu hết các giáo trình chỉ đáp ứng các đối tƣợng là sinh viên đại học. Giáo trình này viết chủ yếu cho đối tƣợng là sinh viên các trƣờng dạy nghề. Giáo trình cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về cấu trúc máy tính, về tổ chức và hoạt động bộ vi xử lý, các thành phần phần trong hệ thống máy tính và các biện pháp kĩ thuật cơ bản. Cấu trúc máy tính là môn học cơ sở để sinh viên có thể thực hành bảo trì hệ thống máy tính.
Giáo trình bao gồm 7 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về cấu trúc máy tính Chƣơng 2: Kiến trúc phần mềm bộ xử lý Chƣơng 3: Tổ chức bộ vi xử lý Chƣơng 4: Hệ thống nhớ Chƣơng 5: Thiết bị nhập xuất Chƣơng 6: Các loại bus Chƣơng 7: Ngôn ngữ assembly Trong mỗi chƣơng 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. 2 Vì thời gian có hạn và đây cũng là lần đầu tiên giáo trình đƣợc soạn thảo nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc.
Ninh Bình, ngày tháng năm 2019 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên Phạm Anh Đức 3 MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU. 3 CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH .Các mốc lịch sử phát triển công nghệ máy tính .Thông tin và sự mã hóa thông tin. Khái niệm thông tin và lƣợng thông tin.
Sự mã hóa thông tin. Đặc điểm của các thế hệ máy tính điện tử. Thế hệ thứ nhất: (1945-1955). Thế hệ thứ hai: (1955-1965).
Thế hệ thứ ba: (1965-1980). Thế hệ thứ tƣ: (1980- nay ). Kiến trúc và tổ chức máy tính. Khái niệm kiến trúc máy tính.
Khái niệm tổ chức máy tính. Các mô hình kiến trúc máy tính. Mô hình kiến trúc Von Neumann. Mô hình kiến trúc Havard.
28 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP. 29 CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC TẬP LỆNH CỦA MÁY TÍNH. Thành phần cơ bản của một máy tính .1 Bộ xử lý trung tâm (CPU) .2 Bộ nhớ máy tính .3 Hệ thống vào - ra .4 Liên kết hệ thống. Kiến trúc các tập lệnh CISC và RISC.
Kiến trúc tập lệnh CISC. Kiến trúc tập lệnh RISC .1 Khái niệm lệnh máy, mã lệnh. 40 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP. 47 CHƢƠNG 3: BỘ XỬ LÝ.Sơ đồ khối của bộ xử lý.
Đƣờng dẫn dữ liệu. Các thành phần đƣờng dẫn dữ liệu. Nhiệm vụ của đƣờng dẫn dữ liệu. Bộ điều khiển.
Chức năng bộ điều khiển. Các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển. Tiến trình thực hiện lệnh máy. Nhận dữ liệu.
Thực hiện lệnh .5 Lƣu trữ kết quả. Kỹ thuật ống dẫn lệnh. Kỹ thuật siêu ống dẫn lệnh. Các chƣớng ngại của ống dẫn lệnh.
Chƣớng ngại do cấu trúc. Chƣớng ngại do dữ liệu. Chƣớng ngại do điều khiển. Hoạt động của ngắt.
64 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP. 65 CHƢƠNG 4: BỘ NHỚ .Phân loại bộ nhớ. Phân loại bộ nhớ theo phƣơng pháp truy nhập .Phân loại theo đọc ghi của bộ nhớ. Các loại bộ nhớ bán dẫn.
Hệ thống nhớ phân cấp. Kết nối bộ nhớ với bộ xử lý .Các tổ chức cache. Tổ chức cache. Các phƣơng pháp ánh xạ địa chỉ.
76 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP. 80 CHƢƠNG 5: THIẾT BỊ NHỚ NGOÀI .Các thiết bị nhớ trên vật liệu từ .Thiết bị nhớ quang học. CD-ROM, CD-R/W. DVD-ROM, DVD-R/W .Các loại thẻ nhớ.
An toàn dữ liệu trong lƣu trữ. 89 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP. 93 CHƢƠNG 6: CÁC LOẠI BUS. Định nghĩa bus, bus hệ thống.
Định nghĩa bus. Bus hệ thống(System bus). Bus đồng bộ và không đồng bộ .Bus đồng bộ. Bus không đồng bộ.
Hệ thống bus phân cấp. Bus nối bộ xử lý với bộ nhớ. Bus vào – ra. Các loại bus sử dụng trong các hệ thống vi xử lý.
98 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP. 99 CHƢƠNG 7: NGÔN NGỮ ASSEMBLY .Cấu trúc chƣơng trình. Cấu trúc chƣơng trình hợp ngữ. Cú pháp lệnh hợp ngữ.
Các kiểu dữ liệu trong hợp ngữ. Các lệnh điều khiển. Các lệnh chuyển điều khiển. Ngăn xếp và các thủ tục.
123 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP. 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 127 6 MÔN HỌC ĐÀO TẠO CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã môn học: MH 10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Môn học Cấu trúc máy tính đƣợc bố trí học sau các môn học chung, các môn tin học đại cƣơng, tin học văn phòng, kỹ thuật điện-điện tử và học cùng với mô đun lắp ráp cài đặt máy tính. - Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở thuộc môn học đào tạo nghề.
- Ý nghĩa và vai trò: đây là môn cơ sở, cung cấp cho sinh viên các kiến thức về máy tính của nghề Quản trị mạng. Mục tiêu của môn học: - Về kiến thức: + Trình bày đƣợc lịch sử của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính. + Mô tả các thành phần cơ bản của kiến trúc máy tính, các tập lệnh. Các kiểu kiến trúc máy tính: mô tả kiến trúc, các kiểu định vị.
+ Trình bày đƣợc 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. - Về kỹ năng: + 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 hƣớng. + Trình bày đƣợc chức năng và nguyên lý hoạt động của các loại bộ nhớ. + Trình bày phƣơng pháp lƣu trữ dữ liệu đối với bộ nhớ ngoài.
+ Cài đặt đƣợc chƣơng trình và các lệnh điều khiển cơ bản trong Assembly để thực hiện bài toán theo yêu cầu. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Tự tin trong thao tác, tiếp cận phần mềm máy tính. + Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an toàn cho ngƣời và phƣơng tiện học tập. 7 Thời gian Số Tên các chƣơng Tổng Lý Thực Kiểm TT số thuyết hành tra* 1 Tổng quan về kiến trúc máy tính 10 5 5 2 Kiến trúc tập lệnh của máy tính 13 8 4 1 3 Bộ xử lý 9 4 4 1 4 Bộ nhớ 13 8 4 1 5 Thiết bị nhớ ngoài 15 5 10 6 Các loại bus 10 5 5 7 Ngôn ngữ Assembly 20 10 9 1 Cộng 90 45 41 4 8 CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã chƣơng:MH10-01 Giới thiệu: Chương này trình bày các kiến thức tổng quan nhất về lịch sử phát triển của các thế hệ máy tính và các mô hình kiến trúc máy tính.
Đồng thời trình bày cách biểu diễn các giá trị số học và biến đổi giữa các hệ cơ số. Mục tiêu: - Trình bày lịch sử phát triển của máy tính, các thành tựu của máy tính; - Trình bày khái niệm về thông tin; - Mô tả đƣợc các kiến trúc máy tính; - Biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng đƣợc dùng để biểu diễn các ký tự. Nội dung chính: 1.Các mốc lịch sử phát triển công nghệ máy tính Mục tiêu: Trình bày lịch sử phát triển của máy tính, các thành tựu của máy tính 30 năm trƣớc, 5150 ra đời đã phá vỡ mọi quan điểm trƣớc đó về máy tính. Lần đầu tiên, máy tính đƣợc nhìn nhận nhƣ một thiết bị có kích thƣớc vừa phải, hợp túi tiền và đƣợc công chúng chú ý nhiều hơn.1: 1982: Franklin Ace 100 9 Đây là chiếc máy tính gây ra vụ kiện về bản quyền phần mềm đầu tiên trong lịch sử.
Acer bị Apple kiện vì vi phạm nhãn hiệu hàng hóa khi sao chép phần cứng và phần mềm của máy tính Apple II cho Franklin Ace 100. Trong vụ kiện này, phần thắng thuộc về Apple. 1982: Commodore 64 Có thể coi Commodore là máy tính dành cho hộ gia đình nổi tiếng nhất. Từ năm 1982 tới năm 1993, gần 30 triệu máy Commodore 64 đã đƣợc bán ra trên toàn thế giới.
XT là bản nâng cấp máy tính cá nhân 5150 đầu tiên của IBM. XT có ổ cứng trong 10 MB. Sản phẩm này của IBM sau đó nhanh chóng trở thành máy tính tiêu chuẩn.2: 1983: Apple Lisa Lisa là máy tính tiêu dùng đầu tiên có giao diện đồ họa. Tuy nhiên, cái giá 10.000 USD trở thành rào cản đƣa sản phẩm đến với ngƣời tiêu dù.
10 1984: Macintosh Macintosh thu đƣợc thành công vang dội tới mức 30 năm đó, các sản phẩm máy tính hiện nay của Apple vẫn đƣợc coi là kế thừa trực tiếp của Macintosh. Macintosh cũng có giao diện đồ họa nhƣ Lisa nhƣng mức giá "mềm" hơn rất nhiều giúp sản phẩm này dễ tiêu thụ hơn.3: 1990: NeXT Máy tính NeXT đƣợc sản xuất bởi công ty riêng của Steve Jobs thành lập sau khi ông rời Apple vào năm 1985. Tuy nhiên, chiếc máy tính này trở nên quan trọng vì 1 lý do khác: đây là mẫu máy tính đầu tiên đƣợc Tim Berners-Lee dùng làm máy chủ World Wide Web.4: 1996: Deep Blue Năm 1994, máy tính Deep Thought của IBM bị kiện tƣớng cờ vua Garry Kasparov đánh bại một cách dễ dàng.