CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 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 được các kiến trúc máy tính - Biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự. Các mốc lịch sử phát triển công nghệ máy tính: Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các ngoại vi,…Ta có thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển từ thế hệ trước sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về công nghệ Lịch sử phát triển của máy tính điện tử có thể chia làm bốn thế hệ như sau: - Thế hệ 1: (1946-1957). - Thế hệ thứ 2: (1958-1964).
- Thế hệ thứ ba: (1965-1971). - Thế hệ thứ tư: (1972- ? ). Thông tin và sự mã hóa thông tin 1. Khái niệm thông tin: Hình 1.1: Thông tin về 2 trạng thái có ý nghĩa của hiệu điện thế - Thông tin là sự phản ánh sự việc, sự vật, hiện tượng của thế giới khách quan và các hoạt động của con người trong đời sống xã hội.
1 Giáo trình Kiến trúc máy tính Nguyễn Thị Ngọc Kiều - Thông tin là một khái niệm trừu tượng, tồn tại một cách khách quan. Thông tin được thể hiện dưới nhiều dạng thức khác nhau. Thông tin có thể phát sinh, được lưu trữ, được biến đổi trong những vật mang tin. Thông tin được biểu diễn bởi dữ liệu và được thể hiện bằng các tín hiệu vật lý.
- Dữ liệu biểu diễn thông tin có thể được truyền đi, được sao chép, được xử lý, có thể được áp dụng để điều khiển ngược trở lại vật mang tin. Khái niệm về thông tin gắn liền với sự hiểu biết một trạng thái cho sẵn trong nhiều trạng thái có thể có vào một thời điểm cho trước. Trong hình này, chúng ta quy ước có hai trạng thái có ý nghĩa: trạng thái thấp khi hiệu điện thế thấp hơn VL và trạng thái cao khi hiệu điện thế lớn hơn VH. Để có thông tin, ta phải xác định thời điểm ta nhìn trạng thái của tín hiệu.
Thí dụ, tại thời điểm t1 thì tín hiệu ở trạng thái thấp và tại thời điểm t2 thì tín hiệu ở trạng thái cao. Lượng thông tin và sự mã hóa thông tin: Thông tin được đo lường bằng đơn vị thông tin mà ta gọi là bit. Lượng thông tin được định nghĩa bởi công thức: I = Log2(N) Trong đó: I: là lượng thông tin tính bằng bit N: là số trạng thái có thể có Vậy một bit ứng với sự hiểu biết của một trạng thái trong hai trạng thái có thể có. Thí dụ, sự hiểu biết của một trạng thái trong 8 trạng thái có thể ứng với một lượng thông tin là: I = Log2(8) = 3 bit Tám trạng thái được ghi nhận nhờ 3 số nhị phân (mỗi số nhị phân có thể có giá trị 0 hoặc 1).
Như vậy lượng thông tin là số con số nhị phân cần thiết để biểu diễn số trạng thái có thể có. Do vậy, một con số nhị phân được gọi là một bit. Một từ n bit có thể tượng trưng một trạng n thái trong tổng số 2 trạng thái mà từ đó có thể tượng trưng. Vậy một từ n bit tương ứng với một lượng thông tin n bit.
2 Giáo trình Kiến trúc máy tính Nguyễn Thị Ngọc Kiều Hình 1.2: Tám trạng thái khác nhau ứng với 3 số nhị phân 3. Biểu diễn các số: Khái niệm hệ thống số: Cơ sở của một hệ thống số định nghĩa phạm vi các giá trị có thể có của một chữ số. Ví dụ: trong hệ thập phân, một chữ số có giá trị từ 0-9, trong hệ nhị phân, một chữ số (một bit) chỉ có hai giá trị là 0 hoặc 1. Dạng tổng quát để biểu diễn giá trị của một số: Trong đó: Vk: Số cần biểu diễn giá trị m: số thứ tự của chữ số phần lẻ (phần lẻ của số có m chữ số được đánh số thứ tự từ -1 đến -m) n-1: số thứ tự của chữ số phần nguyên (phần nguyên của số có n chữ số được đánh số thứ tự từ 0 đến n-1) bi: giá trị của chữ số thứ i k: hệ số (k=10: hệ thập phân; k=2: hệ nhị phân;.
Ví dụ: biểu diễn số 541.2510 = 5 * 10 + 4 * 10 + 1 * 10 + 2 * 10-1 + 5 * 10-2 = (500)10 + (40)10 + (1)10 + (2/10)10 + (5/100)10 Một máy tính được chủ yếu cấu tạo bằng các mạch điện tử có hai trạng thái. Vì vậy, rất tiện lợi khi dùng các số nhị phân để biểu diễn số trạng thái của các mạch điện hoặc để mã hoá các ký tự, các số cần thiết cho vận hành của máy tính. 3 Giáo trình Kiến trúc máy tính Nguyễn Thị Ngọc Kiều Để biến đổi một số hệ thập phân sang nhị phân, ta có hai phương thức biến đổi: - Phương thức số dư để biến đổi phần nguyên của số thập phân sang nhị phân.37510 sang nhị phân. Chúng ta sẽ chuyển đổi phần nguyên dùng phương thức số dư: Kết quả cuối cùng nhận được là: 23.0112 Tuy nhiên, trong việc biến đổi phần lẻ của một số thập phân sang số nhị phân theo phương thức nhân, có một số trường hợp việc biến đổi số lặp lại vô hạ n 4 Giáo trình Kiến trúc máy tính Nguyễn Thị Ngọc Kiều Thông thường, người ta nhóm 4 bit trong hệ nhị phân hệ để biểu diễn số dưới dạng thập lục phân (Hexadecimal).
Như vậy, dựa vào cách biến đổi số trong bảng nêu trên, chúng ta có ví dụ về cách biến đổi các số trong các hệ thống số khác nhau theo hệ nhị phân: • 10112 = (102)(112) = 234 • 234 = (24)(34) = (102)(112) = 10112 • 1010102 = (1012)(0102) = 528 5 Giáo trình Kiến trúc máy tính Nguyễn Thị Ngọc Kiều • 011011012 = (01102)(11012) = 6D16 n Một từ n bit có thể biểu diễn tất cả các số dương từ 0 tới 2 -1. Nếu di là một số nhị phân thứ i, một từ n bit tương ứng với một số nguyên thập phân. Một Byte (gồm 8 bit) có thể biểu diễn các số từ 0 tới 255 và một từ 32 bit cho phép biểu diễn các số từ 0 tới 4294967295. Đặc điểm của các thế hệ máy tính điện tử 1.
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính điện tử số đầu tiên do Giáo sư Mauchly và người học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania thiết kế vào năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946. ENIAC có khối lượng 30 tấn, tiêu thụ công suất 140KW, với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét, bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự động, có 20 thanh ghi 10 bit (tính toán trên số thập phân). Có khả năng thực hiện 5.000 phép toán cộng trong một giây. Công việc lập trình bằng tay bằng cách đấu nối các đầu cắm điện và dùng các ngắt điện.
Máy tính được xây dựng trên cơ sở đèn điện tử mà mỗi đèn tượng trưng cho 1 bit nhị phân. 6 Giáo trình Kiến trúc máy tính Nguyễn Thị Ngọc Kiều 2. Thế hệ thứ 2: (1958-1964). Máy tính được xây dựng trên cơ sở là các đèn bán dẫn (transistor).
Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn. Máy tính đầu tiên thế hệ này có tên là TX-0 (transistorized experimental computer 0). Thế hệ thứ ba: (1965-1971). Máy tính được xây dựng trên các vi mạch cỡ nhỏ (SSI) và cỡ vừa (MSI), điển hình là thế hệ máy System/360 của IBM.
Thế hệ máy tính này có những bước đột phá mới như sau: - Tính tương thích cao: Các máy tính trong cùng một họ có khả năng chạy các chương trình, phần mềm của nhau. - Đặc tính đa chương trình: Tại một thời điểm có thể có vài chương trình nằm trong bộ nhớ và một trong số đó được cho chạy trong khi các chương trình khác chờ hoàn thành các thao tác vào/ra. - Không gian địa chỉ rất lớn. Thế hệ thứ tư: (1972- ? ).
Máy tính được xây dựng trên các vi mạch cỡ lớn (LSI) và cực lớn (VLSI). Đây là thế hệ máy tính số ngày nay, nhờ công nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc, mà người ta có thể chế tạo các mạch tổ hợp ở mức độ cực lớn. Nhờ đó máy tính ngày càng nhỏ hơn, nhẹ hơn, mạnh hơn và giá thành rẻ hơn. Máy tính cá nhân bắt đầu xuất hiện và phát triển trong thời kỳ này.
7 Giáo trình Kiến trúc máy tính Nguyễn Thị Ngọc Kiều 5. Khuynh hướng hiện đại: Việc chuyển từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ 5 còn chưa rõ ràng. Người Nhật đã và đang đi tiên phong trong các chương trình nghiên cứu để cho ra đời thế hệ thứ 5 của máy tính, thế hệ của những máy tính thông minh, dựa trên các ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG,. và những giao diện người - máy thông minh.
Đến thời điểm này, các nghiên cứu đã cho ra các sản phẩm bước đầu và gần đây nhất (2004) là sự ra mắt sản phẩm người máy thông minh gần giống với con người nhất: ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: Bước chân tiên tiến của đổi mới và chuyển động). Với hàng trăm nghìn máy móc điện tử tối tân đặt trong cơ thể, ASIMO có thể lên/xuống cầu thang một cách uyển chuyển, nhận diện người, các cử chỉ hành động, giọng nói và đáp ứng một số mệnh lệnh của con người. Thậm chí, nó có thể bắt chước cử động, gọi tên người và cung cấp thông tin ngay sau khi bạn hỏi, rất gần gũi và thân thiện. Hiện nay có nhiều công ty, viện nghiên cứu của Nhật thuê Asimo tiếp khách và hướng dẫn khách tham quan như: Viện Bảo tàng Khoa học năng lượng và Đổi mới quốc gia, hãng IBM Nhật Bản, Công ty điện lực Tokyo.
Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý chuyển động bằng hai chân. Cho tới nay, hãng đã chế tạo được 50 robot ASIMO. Các tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSI đã cho phép thực hiện các mạch vi xử lý ngày càng mạnh (8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit với việc xuất hiện các bộ xử lý RISC năm 1986 và các bộ xử lý siêu vô hướng năm 1990). Chính các bộ xử lý này giúp thực hiện các máy tính song song với từ vài bộ xử lý đến vài ngàn bộ xử lý.