UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƢỜNG CAO ĐẲNG CỘNG ĐỒNG ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH NGÀNH, NGHỀ: TIN HỌC VĂN PHÒNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số /QĐ-CĐCĐ ngày tháng năm 20… của Hiệu trƣởng trƣờng Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp) Đồng Tháp, năm 2018 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 Cấu 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, cấu 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. Cấu 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 2019 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: CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã mô đun: MH09 Thời gian thực hiện mô đun: 90 giờ (Lý thuyết: 45 giờ; thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 41 giờ; kiểm tra: 4 giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MÔN HỌC: - Vị trí: Môn học Kiến 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 bắt buộc. MỤC TIÊU MÔN HỌC: - 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. - 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. - Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an toàn cho ngƣời và phƣơng tiện học tập.
NỘI DUNG MÔN HỌC: 1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian : Thời gian (giờ) Thực hành, thí Số Tên các bài trong mô đun Tổng Lý nghiệm, Kiểm TT số thuyết thảo tra luận, bài tập I Tổng quan về kiến trúc máy tính 10 5 5 Các mốc lịch sử phát triển công nghệ máy tính Thông tin và sự mã hóa thông tin Đặc điểm của các thế hệ máy tính điện tử Kiến trúc và tổ chức máy tính Các mô hình kiến trúc máy tính iv II Kiến trúc tập lệnh của máy tính 13 8 4 1 Các thành phần cơ bản của một máy tính Kiến trúc các tập lệnh CISC và RISC Mã lệnh III Bộ xử lý 9 4 4 1 Sơ đồ khối của bộ xử lý Đƣờng dẫn dữ liệu Bộ điều khiển Tiến trình thực hiện lệnh máy Kỹ thuật ống dẫn lệnh Kỹ thuật siêu ống dẫn lệnh Các chƣớng ngại của ống dẫn lệnh Các loại ngắt IV Bộ nhớ 13 8 4 1 Phân loại bộ nhớ Các loại bộ nhớ bắn dẫn Hệ thống nhớ phân cấp Kết nối bộ nhớ với bộ xử lý Các tổ chức cache V Thiết bị nhớ ngoài 15 5 10 Các thiết bị nhớ trên vật liệu từ Thiết bị nhớ quang học Các loại thẻ nhớ An toàn dữ liệu trong lƣu trữ VI Các loại bus 10 5 5 Định nghĩa bus, bus hệ thống Bus đồng bộ và không đồng bộ Hệ thống bus phân cấp Các loại bus sử dụng trong các hệ thống vi xử lý VII Ngôn ngữ Assembly 20 10 9 1 Tổng quan Cấu trúc chƣơng trình Các lệnh điều khiển Ngăn xếp và các thủ tục Cộng 90 45 41 4. v CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Mã chƣơng: MH09-01 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.