Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học: Cấu trúc máy tính do Trường Cao đẳng Thương mại và Du lịch (Bộ Công Thương) ban hành theo Quyết định số 405/QĐ-CĐTM ngày 05 tháng 7 năm 2022 tại Thái Nguyên. Tài liệu được biên soạn bởi nhóm tác giả gồm ThS. Hoàng Tiến Hiệu (Chủ biên), Nguyễn Thị Dung và Nguyễn Thị Diệp Hồng, lưu hành phục vụ công tác giảng dạy và học tập nội bộ.

Trong chương trình khung đào tạo ngành Công nghệ thông tin (chuyên ngành Ứng dụng phần mềm) trình độ Trung cấp và Cao đẳng, Cấu trúc máy tính là môn học cơ sở bắt buộc (mã số MH09). Môn học có thời lượng 30 giờ (tương đương 2 tín chỉ), được bố trí giảng dạy sau khối môn học chung nhằm cung cấp nền tảng phần cứng trước khi người học tiếp cận các môn học chuyên môn như Mạng máy tính (MH10), Lập trình cơ bản (MH11), Cấu trúc dữ liệu và giải thuật (MH12) và trực tiếp là môn Lắp ráp và bảo trì máy tính (MH14).

Mục tiêu đào tạo của giáo trình hướng tới việc trang bị cho người học hiểu biết về lịch sử phát triển, các thế hệ máy tính, lý thuyết thông tin và hệ thống mã hóa dữ liệu số; nắm vững các thành phần cơ bản của kiến trúc máy tính, tập lệnh máy (CISC và RISC), mô hình kiến trúc Von Neumann và Harvard; mô tả tổ chức bên trong của bộ vi xử lý (ALU, CU, Register File, Datapath), tiến trình thực thi lệnh máy; trình bày chức năng, nguyên lý hoạt động của hệ thống nhớ phân cấp (Cache, RAM, ROM, bộ nhớ ngoài), các thiết bị nhập xuất và hệ thống bus kết nối.

Giáo trình được cấu trúc thành 6 chương lý thuyết kết hợp hệ thống câu hỏi, bài tập định lượng và hướng dẫn thảo luận nhóm. Cách tiếp cận của tài liệu đi từ mức biểu diễn dữ liệu nhị phân, kiến trúc tập lệnh phần mềm đến tổ chức phần cứng chi tiết, tập trung phục vụ đối tượng người học hệ đào tạo nghề kỹ thuật.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình gồm 6 chương với tiến trình phân bổ nội dung và thời lượng cụ thể như sau:

  • Chương 1: Tổng quan về cấu trúc máy tính (4 giờ lý thuyết): Khái quát các mốc phát triển công nghệ máy tính qua các dòng máy tiêu biểu (IBM 5150, Franklin Ace 100, Commodore 64, IBM XT, Apple Lisa, Macintosh, NeXT, siêu máy tính IBM Deep Blue, iMac); lý thuyết thông tin và công thức đo lượng thông tin $I = \log_2(N)$; các hệ đếm (nhị phân, bát phân, thập phân, thập lục phân) và phương pháp chuyển đổi phần nguyên/phần lẻ; kỹ thuật biểu diễn số nguyên có dấu (dấu lượng, số bù 1, số bù 2), mã BCD (gói và không gói), chuẩn số thực dấu chấm động IEEE 754 dạng 32-bit ($X = (-1)^S \times 1.m \times 2^{e-127}$) và 64-bit; đặc điểm 4 thế hệ máy tính điện tử (đèn điện tử, transistor, vi mạch IC, mạch tích hợp cỡ cực lớn VLSI); phân loại 5 dòng máy tính thế hệ 4 (Microcomputer, Minicomputer, Supermini, Mainframe, Supercomputer); phân biệt khái niệm Kiến trúc máy tính (ISA, Microarchitecture, System Design) và Tổ chức máy tính; so sánh mô hình kiến trúc Von Neumann và kiến trúc Harvard.
  • Chương 2: Kiến trúc phần mềm bộ xử lý (4 giờ lý thuyết): Phân tích 3 thành phần phần cứng chính của máy tính gồm CPU, bộ nhớ và hệ thống vào/ra thông qua các bus liên kết; chi tiết cấu trúc CPU gồm Đơn vị điều khiển (CU), Đơn vị số học và logic (ALU), Tập thanh ghi (Register File - RF) và Đơn vị ghép nối bus (BIU); phân loại bộ nhớ trong (ROM, RAM, Cache) và bộ nhớ ngoài (từ tính, quang học, bán dẫn); so sánh kiến trúc tập lệnh phức tạp CISC và kiến trúc tập lệnh thu gọn RISC qua bảng thông số kỹ thuật (IBM 801, RISC1, MIPS); cấu trúc lệnh máy gồm mã lệnh (Opcode) và toán hạng (Operand); các nhóm lệnh cơ bản (gán trị LOAD/STORE, số học ADD/SUB/MUL/DIV, logic, dịch chuyển/quay vòng SLL/SRL/SRA, rẽ nhánh điều kiện dựa trên các cờ trạng thái S, Z, OVF, C, quản lý vòng lặp BNCT, thao tác Stack PUSH/POP với con trỏ SP, lệnh gọi hàm CALL/RETURN với thanh ghi R31 và ngăn xếp); khái quát tập lệnh vi xử lý Intel 8086/8088.
  • Chương 3: Tổ chức bộ vi xử lý (8 giờ: 7 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra): Sơ đồ khối chức năng CPU; tiến trình 5 bước thực hiện lệnh máy (Nhận lệnh $\rightarrow$ Dịch lệnh $\rightarrow$ Nhận dữ liệu $\rightarrow$ Xử lý dữ liệu $\rightarrow$ Ghi dữ liệu); cấu tạo và nhiệm vụ đường dẫn dữ liệu (Datapath) gồm ALU, mạch dịch, thanh ghi đa dụng, thanh ghi chuyên dụng (PC, SR, TEMP, MAR, MBR), bộ đa hợp MUX, bus nguồn (S1, S2), bus kết quả (Dest) và các mạch chốt A, B, C; nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển bằng mạch điện nối cứng và bộ điều khiển vi chương trình; các kỹ thuật xử lý nâng cao gồm đường ống (pipelining), siêu đường ống (superpipelining), siêu vô hướng (superscalar); cơ chế ngắt và thâm nhập bộ nhớ trong.
  • Chương 4: Hệ thống nhớ (6 giờ lý thuyết): Phân loại bộ nhớ theo phương pháp truy nhập (tuần tự, trực tiếp, ngẫu nhiên) và đặc tính đọc/ghi; cấu tạo bộ nhớ bán dẫn (SRAM, DRAM, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash); phương pháp thiết kế mô-đun nhớ bán dẫn; cấu trúc hệ thống nhớ phân cấp; nguyên lý hoạt động và các phương pháp ánh xạ địa chỉ vào bộ nhớ đệm Cache (ánh xạ trực tiếp, liên kết hoàn toàn, liên kết tập hợp).
  • Chương 5: Thiết bị nhập xuất (4 giờ lý thuyết): Phân tích nguyên lý lưu trữ trên vật liệu từ (đĩa cứng HDD, đĩa mềm), thiết bị lưu trữ quang học (CD-ROM, CD-R/W, DVD-ROM, DVD-R/W) và thẻ nhớ bán dẫn (Flash disk, memory card); cấu tạo mô-đun vào/ra (I/O Module) kết nối thiết bị ngoại vi với CPU; các giải pháp an toàn dữ liệu trong hệ thống lưu trữ.
  • Chương 6: Các loại Bus (4 giờ: 3 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra): Định nghĩa bus và cấu trúc Bus hệ thống (System Bus gồm bus địa chỉ, bus dữ liệu, bus điều khiển); phân loại bus đồng bộ và bus không đồng bộ; kiến trúc hệ thống bus phân cấp (bus cục bộ, bus hệ thống, bus vào/ra mở rộng); các chuẩn bus thông dụng sử dụng trong hệ thống vi xử lý.
[Chương 1: Tổng quan, Biểu diễn dữ liệu & Mô hình Kiến trúc]
[Chương 2: Kiến trúc phần mềm CPU & Tập lệnh CISC / RISC]
[Chương 3: Tổ chức Bộ vi xử lý, Datapath, Khối CU & Pipelining]
[Chương 4: Hệ thống nhớ]               [Chương 5: Thiết bị nhập xuất]
              [Chương 6: Hệ thống Bus liên kết]

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Lý thuyết định lượng thông tin và số học máy tính: Thiết lập cơ sở toán học thông qua công thức đo lượng thông tin theo bit, các thuật toán biến đổi cơ số nguyên/lẻ, phương pháp biểu diễn số nguyên có dấu bằng số bù 2 và quy chuẩn biểu diễn số thực dấu chấm động theo chuẩn quốc tế IEEE 754 (định dạng đơn 32-bit với độ lệch bias = 127 và định dạng kép 64-bit với bias = 1023).
  • Nguyên lý kiến trúc máy tính nền tảng: Phân tích nguyên lý lưu trữ chương trình của John von Neumann (chương trình và dữ liệu dùng chung bộ nhớ, đánh địa chỉ theo vùng, thực thi tuần tự) đối chiếu với nguyên lý phân tách không gian bộ nhớ/bus của kiến trúc Harvard.
  • Nguyên lý tổ chức và điều khiển vi xử lý: Phân định hai trường phái thiết kế tập lệnh CISC và RISC; phân tích mô hình đường dẫn dữ liệu (Datapath) kết hợp đơn vị điều khiển (CU nối cứng hoặc vi chương trình) và kỹ thuật xử lý lệnh song song (đường ống pipelining).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thực hiện thành thạo các phép chuyển đổi cơ số giữa các hệ đếm (Binary, Octal, Decimal, Hexadecimal); biểu diễn dữ liệu nhị phân dạng bù 1, bù 2, BCD, IEEE 754; phân tích và đọc hiểu khuôn dạng lệnh máy, các lệnh hợp ngữ cơ bản (chuyển dữ liệu, số học, logic, nhảy có điều kiện, thao tác ngăn xếp Stack).
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích và so sánh hiệu năng kiến trúc CISC và RISC; đánh giá tổ chức phân cấp bộ nhớ (dung lượng, tốc độ, chi phí); xác định phương pháp ánh xạ địa chỉ Cache và cấu trúc kết nối bus hệ thống tối ưu cho từng yêu cầu phần cứng.
  • Kỹ năng thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Nhận diện, phân loại các linh kiện phần cứng (CPU, thanh ghi, RAM, ROM, Cache, HDD, thiết bị quang, thẻ nhớ, chuẩn giao tiếp bus); phục vụ trực tiếp công tác thiết lập cấu hình, hỗ trợ bảo trì, sửa chữa và tối ưu hóa hệ thống máy tính trong thực tế công tác.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình quy định cụ thể phương pháp tổ chức giảng dạy và học tập theo định hướng tích cực đối với cả người dạy và người học:

Phương pháp sư phạm và tổ chức học tập

  • Đối với giảng viên: Sử dụng phương pháp giảng dạy tích cực kết hợp giữa thuyết trình ngắn, diễn giảng lý thuyết, nêu vấn đề kỹ thuật, hướng dẫn đọc tài liệu, giao bài tập tình huống và điều phối thảo luận. Giảng viên phân chia bài tập và tổ chức sinh viên thành các nhóm nhỏ để giải quyết các yêu cầu chuyên môn.
  • Đối với người học: Thực hiện tự học và thảo luận nhóm (mỗi nhóm từ 8 đến 10 người). Nhóm trưởng phân công các thành viên tìm hiểu từng nội dung bài học trước khi lên lớp, tham gia thảo luận, trình bày nội dung và hoàn thành báo cáo nhóm. Sinh viên có trách nhiệm chuẩn bị giáo trình, đọc trước tài liệu và hoàn thành bài tập cá nhân/nhóm đúng thời hạn.

Phân bổ thời lượng và điều kiện thực hiện

Môn học có tổng thời lượng 30 giờ, trong đó gồm 28 giờ lý thuyết kết hợp giải bài tập đan xen và 2 giờ kiểm tra định kỳ/đánh giá. Cơ sở vật chất yêu cầu gồm phòng học lý thuyết/thực hành đủ ánh sáng, bàn ghế, bảng, phấn, máy tính và máy chiếu phục vụ trình chiếu bài giảng điện tử.

Phương pháp và hình thức đánh giá

Quy trình đánh giá kết quả học tập tuân thủ Quy chế đào tạo ban hành kèm theo Thông tư số 04/2022/TT-BLĐTBXH ngày 30/03/2022 của Bộ trưởng Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội và Quyết định số 246/QĐ-CĐTMDL ngày 01/06/2022 của Trường Cao đẳng Thương mại và Du lịch. Cơ cấu đánh giá bao gồm:

Thành phần đánh giá Trọng số Thời điểm tổ chức Hình thức kiểm tra Chuẩn đầu ra đánh giá
Kiểm tra thường xuyên 40% (kết hợp) Sau 8 giờ học (Chương 2) Trắc nghiệm + Tự luận A1, A2, B1, B2, C1, C2
Kiểm tra định kỳ 40% (kết hợp) Sau 15 giờ học (Chương 3) Trắc nghiệm + Tự luận A1-A6, B1-B6, C1, C2
Thi kết thúc môn học 60% Sau 30 giờ học (Cuối môn) Trắc nghiệm + Tự luận A1-A6, B1-B6, C1-C3

Quy định tham gia: Điểm đánh giá chấm theo thang điểm 10, làm tròn đến một chữ số thập phân. Người học phải tham dự tối thiểu 80% số tiết lý thuyết; nếu vắng quá 20% thời lượng, người học bắt buộc phải học lại môn học để đủ điều kiện dự thi.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp tiến trình phát triển công nghệ vào lý thuyết: Giáo trình tổng hợp các mốc lịch sử phát triển phần cứng cụ thể, gắn liền với các sự kiện công nghệ có thật như dòng máy tính cá nhân IBM 5150 (ra đời năm 1981), vụ kiện bản quyền phần mềm và phần cứng giữa Apple và Franklin Ace 100 (1982), máy tính gia đình Commodore 64, máy tính Apple Lisa (1983) có giao diện đồ họa GUI, Apple Macintosh (1984), máy trạm NeXT (1990) của Steve Jobs - nền tảng máy chủ World Wide Web đầu tiên của Tim Berners-Lee, siêu máy tính IBM Deep Blue đánh bại kiện tướng cờ vua thế giới Garry Kasparov (1996–1997), các dòng Apple iMac màu sắc (1998) và sự xuất hiện của máy tính bảng iPad.
  • Phân tích định lượng kiến trúc CISC và RISC: Tài liệu cung cấp bảng dữ liệu so sánh chi tiết giữa các hệ thống máy CISC tiêu biểu (giai đoạn 1973–1982 với số lệnh từ 208–303, độ dài lệnh biến đổi 6–456 bit, bộ nhớ vi chương trình lên đến 480 KB) và ba mẫu vi xử lý RISC ban đầu gồm IBM 801 (1980, 120 lệnh), RISC1 của Patterson tại Berkeley (1982, 39 lệnh) và MIPS của Hennessy tại Stanford (1983, 55 lệnh) với độ dài lệnh cố định 32-bit và không dùng bộ nhớ vi chương trình.
  • Trình bày cơ chế điều khiển phần cứng chuyên sâu: Điểm chi tiết trong giáo trình là việc phân tích cơ chế quản lý cờ trạng thái ALU (S, Z, OVF, C) trong kiến trúc SPARC (dùng lệnh chuyên biệt ADDCC, SUBCC) và PowerPC (chia thanh ghi trạng thái thành 8 trường 4-bit độc lập), cùng cú pháp lệnh quản lý vòng lặp phần cứng BNCT Ri, độ dời trên bộ xử lý PowerPC.
  • Liên hệ thực tiễn quản trị và bảo trì: Giáo trình định hướng nội dung lý thuyết cấu trúc máy tính gắn kết trực tiếp với nghiệp vụ quản trị hệ thống máy tính trong cơ quan, doanh nghiệp, tạo nền tảng cho công tác kiểm tra, chẩn đoán, lắp ráp và bảo trì thiết bị phần cứng.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và người học: Dành cho học sinh, sinh viên theo học ngành Công nghệ thông tin (chuyên ngành Ứng dụng phần mềm) trình độ Trung cấp và Cao đẳng tại các trường đào tạo nghề kỹ thuật.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành học phần Tin học đại cương (MH05), nắm vững kiến thức toán học cơ bản và logic số trước khi bắt đầu học phần Cấu trúc máy tính (MH09).
  • Giảng viên và cán bộ đào tạo: Sử dụng làm căn cứ học thuật chuẩn để biên soạn đề cương chi tiết, bài giảng điện tử, kế hoạch giảng dạy, xây dựng ngân hàng câu hỏi kiểm tra đánh giá trắc nghiệm - tự luận và thiết kế bài tập tình huống thảo luận nhóm.
  • Người tự học và kỹ thuật viên: Làm tài liệu tham khảo hệ thống cho kỹ thuật viên bảo trì máy tính, nhân viên kỹ thuật phần cứng cần củng cố hiểu biết nguyên lý về vi xử lý, tập lệnh, phân cấp bộ nhớ, thiết bị lưu trữ và các chuẩn bus kết nối.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho học sinh, sinh viên hệ đào tạo nghề (trung cấp và cao đẳng) ngành Công nghệ thông tin (Ứng dụng phần mềm), đồng thời là tài liệu tham khảo cho người học kỹ thuật phần cứng và bảo trì hệ thống máy tính.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần hoàn thành khối môn học chung, đặc biệt là môn Tin học (MH05), có hiểu biết về logic nhị phân, các phép toán số học cơ bản và kỹ năng đọc hiểu tài liệu kỹ thuật công nghệ thông tin.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Khác với các giáo trình bậc đại học chuyên sâu về thiết kế vi mạch điện tử phức tạp, giáo trình này tập trung vào kiến trúc phần mềm vi xử lý, tổ chức đường dẫn dữ liệu, tập lệnh máy và nguyên lý kết nối phần cứng, hướng trực tiếp đến ứng dụng thực hành quản trị và bảo trì hệ thống.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học cần đọc trước nội dung từng chương, giải quyết đầy đủ bài tập định lượng (chuyển đổi hệ đếm, số bù 2, định dạng IEEE 754, dịch lệnh máy), tích cực tham gia sinh hoạt nhóm 8–10 người theo đề tài phân công và tự kiểm tra kiến thức qua bộ câu hỏi ôn tập cuối mỗi chương.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Giáo trình công bố danh mục 4 tài liệu tham khảo bổ trợ chính thức, bao gồm:

  1. TS. Phó Đức Toàn, Giáo trình Cấu trúc máy tính, Nhà xuất bản Hà Nội, 2005.
  2. Nguyễn Hữu Lộc, Giáo trình Cấu trúc máy tính, Đại học Đà Lạt.
  3. Giáo trình Vi xử lý và Cấu trúc máy tính, Nhà xuất bản Giáo dục.
  4. Giáo trình Cấu trúc máy tính, Trường Cao đẳng Nghề Đà Nẵng.

Kết luận

Giáo trình môn học: Cấu trúc máy tính của Trường Cao đẳng Thương mại và Du lịch là tài liệu đào tạo chính quy, cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện về cấu trúc phần cứng, kiến trúc tập lệnh vi xử lý, tổ chức bộ nhớ phân cấp và hệ thống bus trao đổi dữ liệu.

Về lộ trình học tập, học phần Cấu trúc máy tính (MH09, 30 giờ) đóng vai trò bản lề trong khối kiến thức cơ sở ngành Công nghệ thông tin (Ứng dụng phần mềm). Kết quả hoàn thành môn học này là điều kiện trực tiếp để người học tiếp thu hiệu quả các học phần kỹ thuật chuyên môn tiếp theo, bao gồm Mạng máy tính (MH10), Lắp ráp và bảo trì máy tính (MH14), Hệ điều hành Windows Server (MH16) và các môn học lập trình ứng dụng.

Người học được khuyến nghị kết hợp nghiên cứu nội dung giáo trình với các tài liệu tham khảo chuyên ngành của Nhà xuất bản Giáo dục và Nhà xuất bản Hà Nội để hoàn thiện năng lực kỹ thuật phần cứng.