UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƢỜNG CAO ĐẲNG CỘNG ĐỒNG ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH NGÀNH, NGHỀ: QUẢN TRỊ MẠNG MÁY TÍNH TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định Số: 323 /QĐ-CĐCĐ-ĐT ngày 06 tháng 8 năm 2019 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp) Đồng Tháp, 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. LỜI GIỚI THIỆU Kiến trúc máy tính là một thuật ngữ thƣờng đƣợc sử dụng để nói về các vấn đề liên quan đến tổ chức và thiết kế các máy tính điện tử số. Nội dung của nghiên cứu này gắn liền với việc thiết kế phần cứng của các hệ thống máy tính cũng nhƣ việc thiết kế đó phụ thuộc vào các hệ thống phần mềm.
Trong kỹ thuật máy tính, Kiến trúc máy tính là mô tả các khái niệm và cấu trúc hoạt động căn bản của một hệ thống máy tính. Nó là một bản mô tả có tính chất chức năng về các yêu cầu và những sự hoạt động cho những bộ phận khác nhau của một máy tính - tập trung chủ yếu vào cách tổ chức bên trong hệ thống máy tính, việc CPU hoạt động nội tại nhƣ thế nào và truy cập các địa chỉ trong bộ nhớ bằng cách nào. Nó cũng có thể đƣợc định nghĩa nhƣ là khoa học và nghệ thuật lựa chọn và kết nối các thành phần phần cứng để tạo thành các máy tính đáp ứng đƣợc các mục đích về tính năng, hiệu suất và giá cả. Kiến trúc máy tính bao gồm: Vi kiến trúc (Microarchitecture), còn gọi là tổ chức máy tính (Computer organization) là một mô tả bậc thấp, cụ thể hơn về hệ thống.
Mô tả này nói về các bộ phận cấu thành của hệ thống đƣợc kết nối với nhau nhƣ thế nào và chúng hoạt động tƣơng hỗ nhƣ thế nào để thực hiện kiến trúc tập lệnh. Thiết kế hệ thống (System Design) bao gồm tất cả các thành phần phần cứng khác bên trong một hệ thống tính toán chẳng hạn: - Các đƣờng kết nối hệ thống nhƣ bus (máy tính) và switch - Các bộ điều khiển bộ nhớ (memory controller) và các cấp bộ nhớ - Các cơ chế CPU off-load nhƣ Direct memory access (truy nhập bộ nhớ trực tiếp) - Các vấn đề nhƣ đa xử lý (multi-processing). Nội dung bài giảng đƣợc phân bố gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về kiến trúc máy tính Giới thiệu lịch sử và thành quả phát triển của các loại máy tính điện tử; các khái niệm cơ bản về thông tin, phƣơng pháp mã hóa thông tin trong máy tính điện tử Chƣơng 2: Bộ xử lý Giới thiệu tổ chức, nguyên lý hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý nhằm thực hiện nhiệm vụ mà kiến trúc phần mềm đã đề ra; các kỹ thuật nâng cao hiệu quả hoạt động của các bộ xử lý hiện đại. Chƣơng 3: Các cấp bộ nhớ Giới thiệu chức năng, nguyên lý hoạt động của các loại bộ nhớ, tổ chức các cấp bộ nhớ và các kỹ thuật nâng cao hiệu quả hoạt động của bộ nhớ trong máy tính điện tử Chƣơng 4: Nhập – Xuất Giới thiệu chức năng, nhiệm vụ các thiết bị nhập xuất trong hệ thống máy tính; nguyên tắc hoạt động của một số thiết bị lƣu trữ thông dụng; giới thiệu hệ thống kết nối cơ bản giữa các bộ phận trong máy tính và cách giao tiếp giữa ngoại vi và bộ xử lý; phƣơng pháp lƣu trữ an toàn dữ liệu trên đĩa cứng.
Để hoàn thiện giáo trình này tác giả xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy cô là giảng viên trƣờng Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp, trƣờng Cao đẳng Nghề An Giang, trƣờng Trung cấp Hồng Ngự, trƣờng Trung cấp Tháp Mƣời; các Anh (Chị) đại diện Sở Lao động Thƣơng binh và Xã hội, đại diện các công ty, doanh nghiệp đã tham gia đóng góp ý kiến. Mặc dù tác giả đã có nhiều cố gắng trong việc biên soạn tài liệu này, song không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu từ các bạn đọc để bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn. Đồng Tháp, ngày 30 tháng 10 năm 2020 Chủ biên Huỳnh Văn Khỏe MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU.
1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH. Một số khái niệm và nguyên lý cơ bản. Nguyên tắc tổ chức. Ngôn ngữ máy và cấp kiến trúc máy tính.
Lịch sử phát triển và ứng dụng của máy tính điện tử. Lịch sử phát triển. Phân loại máy tính. Các lĩnh vực ứng dụng của máy tính.
Các hệ thống số. Nguyên lý của việc viết số. Biến đổi qua lại giữa các hệ thống số. Thông tin và mã hóa thông tin.
Số nguyên có dấu. Cách biểu diễn số với dấu chấm động. Biểu diễn các số thập phân. Biểu diễn các ký tự.
23 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 1. 28 CHƢƠNG 2: BỘ XỬ LÝ. Các thành phần cơ bản của một máy tính. Kiến trúc CISC, RISC.
Bộ điều khiển vi chƣơng trình (CISC). Bộ điều khiển mạch điện tử. Tổ chức bộ xử lý trung tâm CPU. Đƣờng đi dữ liệu.
Các yếu tố tác động đến hiệu suất của CPU. Nguyên lý hoạt động của CPU. Phân loại CPU. Thực hiện lệnh mã máy bên trong bộ xử lý.
Giải mã lệnh và đọc các thanh ghi nguồn. Thi hành lệnh. Thâm nhập bộ nhớ trong hoặc nhảy lần cuối. Lƣu trữ kết quả.
Ngắt quãng. Kỹ thuật ống dẫn. Khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn. Khó khăn do cấu trúc.
Khó khăn do số liệu. Khó khăn do điều khiển. Siêu ống dẫn. Siêu vô hƣớng.
Máy tính song song. 49 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 2. 53 CHƢƠNG 3: CÁC CẤP BỘ NHỚ. Phân loại các bộ nhớ bán dẫn.
Các cấp bộ nhớ. Bộ nhớ Cache. Hiệu quả của Cache. Cache duy nhất, cache riêng lẻ.
Bộ nhớ trong. Bộ nhớ ảo. 71 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 3. 77 CHƢƠNG 4: NHẬP – XUẤT.
Đĩa cứng thể rắn – SSD. Các loại thẻ nhớ. Bus nối ngoại vi vào bộ xử lý và bộ nhớ trong. Các chuẩn về bus.
Giao diện giữa bộ xử lý với các thiết bị vào ra. Một số biện pháp an toàn dữ liệu trong việc lƣu trữ thông tin trong đĩa từ. 89 CÂU HỎI CHƢƠNG 4. 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO.
96 iii GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Mã môn học: MH20 Thời gian thực hiện môn học: 30 giờ; (Lý thuyết: 28 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 0 giờ; Kiểm tra 2 giờ) I. Vị trí, tính chất của môn học: - Vị trí: Môn học Kiến trúc máy tính thuộc nhóm các môn cơ sở ngành đƣợc bố trí giảng dạy trƣớc các môn: Lắp ráp, bảo trì máy tính, Bảo trì hệ thống. - Tính chất: Là môn học cơ sở ngành tự chọn, kiến thức môn này là các kiến thức cơ bản về máy tính làm nền tảng để học các môn phần cứng sau này II. Mục tiêu môn học: - Kiến thức: + Hiểu các nguyên tắc tổ chức, cách thức hoạt động các bộ phận chính của hệ thống máy tính gồm bộ xử lý, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi liên kết với nhau qua các bus.
+ Hiểu đƣợc các giải pháp nâng cao hiệu quả của máy tính nhƣ: Bộ nhớ ảo, bộ nhớ cache, kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật siêu phân luồng, kỹ thuật thâm nhập trực tiếp bộ nhớ… - Kỹ năng: + Vận dụng kiến thức đƣa ra cách lựa chọn linh kiện cho một máy tính hoàn chỉnh + Trình bày đƣợc cấu trúc, nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong hệ thống máy tính. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Nghiêm túc khi tham gia học tập + Xử lý, giải thích và khắc phục đƣợc các lỗi thƣờng gặp III. Nội dung môn học: 1. Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian: Thời gian (giờ) Thực hành, Số Tên chƣơng, mục Tổng Lý thí nghiệm, Kiểm TT số thuyết thảo luận, tra bài tập 1 Chƣơng 1: NHẬP MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 6 6 0 0 2 Chƣơng 2: TỔ CHỨC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ 6 6 0 0 3 Chƣơng 3: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ 6 5 0 1 4 Chƣơng 4: CÁC CẤP BỘ NHỚ 6 6 0 0 iv Thời gian (giờ) Thực hành, Số Tên chƣơng, mục Tổng Lý thí nghiệm, Kiểm TT số thuyết thảo luận, tra bài tập 5 Chƣơng 5: NHẬP – XUẤT 6 5 0 1 Cộng 30 28 0 2.
v CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Mã chƣơng: MH20-01 Giới thiệu Sự phát triển của máy tính đƣợc mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính nhƣ: bộ xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi,… Ta có thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển từ thế hệ trƣớc sang thế hệ sau đƣợc đặc trƣng bằng một sự thay đổi cơ bản về công nghệ. Nội dung chƣơng 1 cung cấp cho sinh viên kiến thức về lịch sử và thành quả phát triển của các loại máy tính điện tử; các khái niệm cơ bản về thông tin, phƣơng pháp mã hóa thông tin trong máy tính điện tử. Mục tiêu Giới thiệu lịch sử và thành quả phát triển của các loại máy tính điện tử; các khái niệm cơ bản về thông tin, phƣơng pháp mã hóa thông tin trong máy tính điện tử.
Một số khái niệm và nguyên lý cơ bản 1. Nguyên tắc tổ chức Máy tính là một khái niệm chỉ mọi phƣơng tiện thƣờng dùng để thực hiện các phép biến đổi toán học nhƣ: que tính, bàn tính, máy tính điện cơ, máy tính điện tử,… Do đƣợc xây dựng trên cơ sở sử dụng các linh kiện và mạch điện tử nhƣ: transistor, vi mạch bán dẫn, … máy tính điện tử là một loại thiết bị tự động cho phép thu thập, lƣu trữ và xử lý các dữ liệu rất hiệu quả. Tùy thuộc nguyên lý hoạt động máy tính điện tử đƣợc phân thành hai loại: máy tính tƣơng tự và máy tính số. Máy tính tƣơng tự (analog computer) hoạt động với tín hiệu tƣơng tự có biên độ biến thiên một cách liên tục theo thời gian.