Giáo trình Kiến trúc Máy tính - Ngành Tin học Ứng dụng Trình độ Cao đẳng

Giáo trình kiến trúc máy tính cho nghề tin học ứng dụng trình độ cao đẳng, cung cấp kiến thức chuyên sâu và thực tiễn cho sinh viên.

• Trường học: Trường Cao Đẳng Nghề Tin Học Ứng Dụng
• Chuyên ngành: Kiến Trúc Máy Tính
• Đề tài: Giáo Trình Kiến Trúc Máy Tính Nghề Tin Học Ứng Dụng Trình Độ Cao Đẳng
• Loại tài liệu: Giáo Trình

Mục lục chi tiết

• TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Khái niệm chung
• 1.2. Phân loại máy tính
• 1.2.1. Phân loại theo phương pháp truyền thống
• 1.2.2. Phân loại theo phương pháp hiện đại
• 1.3. Sự tiến hóa của máy tính
• 1.3.1. Máy tính dùng đèn điện tử (Eniac)
• 1.3.2. Máy tính dùng Transistor
• 1.3.3. Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI
• 1.3.4. Máy tính dùng vi mạch VLSI
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MÁY TÍNH
• 2.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống máy tính
• 2.1.1. Bộ xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit)
• 2.1.2. Bộ nhớ máy tính
• 2.1.3. Các thiết bị ngoại vi (Peripherals)
• 2.2. Hoạt động của máy tính
• 2.2.1. Thực hiện chương trình
• 2.2.2. Ngắt (Interrupt)
• 2.2.3. Hoạt động vào ra
• 2.3. Liên kết hệ thống
• 2.3.1. Thông tin các thành phần trong máy tính
• 2.3.2. Cấu trúc BUS
• 2.3.3. Phân cấp BUS trong máy tính
• 3. CHƯƠNG 3: BIỂU DIỄN DỮ LIỆU VÀ SỐ HỌC MÁY TÍNH
• 3.1. Các hệ đếm cơ bản
• 3.1.1. Hệ đếm cơ số 10 hay Hệ thập phân
• 3.1.2. Hệ đếm cơ số 2 hay Hệ nhị phân
• 3.1.3. Hệ thập lục phân - Hệ Hexadecimal (Hệ 16)
• 3.1.4. Cách chuyển đổi từ hệ cơ số a sang hệ thập phân
• 3.1.5. Cách chuyển đổi từ hệ thập phân sang hệ cơ số a
• 3.2. Mã hóa và lưu trữ dữ liệu trong máy tính
• 3.2.1. Nguyên tắc chung về mã hoá dữ liệu
• 3.2.2. Thứ tự các byte dữ liệu trong máy tính
• 3.3. Biểu diễn số nguyên
• 3.3.1. Biểu diễn số nguyên không dấu
• 3.3.2. Biểu diễn số nguyên có dấu
• 3.4. Thực hiện các phép toán số học với số nhị phân
• 3.4.1. Phép cộng và phép nhân
• 3.4.2. Phép trừ và phép chia
• 3.5. Số dấu chấm động (Floating point number)
• 3.6. Biểu diễn ký tự
• 3.6.1. Bộ mã ASCII
• 3.6.2. Bộ mã hợp nhất Unicode
• 4. CHƯƠNG 4: BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM
• 4.1. Cấu trúc cơ bản của CPU
• 4.1.1. Nhiệm vụ của CPU
• 4.1.2. Cấu trúc CPU
• 4.1.3. Đơn vị số học và logic (ALU)
• 4.1.4. Đơn vị điều khiển (CU)
• 4.2. Tập lệnh
• 4.2.1. Giới thiệu chung về tập lệnh
• 4.2.2. Các hình thức toán hạng
• 4.2.3. Các phương pháp định địa chỉ (Addressing Modes)
• 4.3. Hoạt động của CPU
• 4.3.1. Chu trình lệnh
• 4.3.2. Đường ống lệnh
• 4.4. Cấu trúc chung của Bộ xử lý tiên tiến
• 4.4.1. Các đơn vị xử lý dữ liệu
• 4.4.2. Bộ nhớ Cache
• 4.4.3. Đơn vị quản lý bộ nhớ
• 4.5. Kiến trúc INTEL
• 4.5.1. Kiến trúc 16 bit (IA-16)
• 4.5.2. Kiến trúc 32 bit (IA-32)
• 4.5.3. Kiến trúc 64 bit (IA-64)
• 5. CHƯƠNG 5: BỘ NHỚ MÁY TÍNH
• 5.1. Bộ nhớ chỉ đọc (ROM: Read Only Memory)
• 5.2. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên: RAM (Random Access Memory)
• 5.3. Bộ nhớ chính
• 5.3.1. Các đặc trưng cơ bản
• 5.3.2. Tổ chức bộ nhớ
• 5.4. Bộ nhớ đệm nhanh (Cache Memory)
• 5.4.1. Nguyên tắc chung
• 5.4.2. Các phương pháp ánh xạ địa chỉ
• 5.4.3. Các thuật toán thay thế block trong Cache
• 5.4.4. Phương pháp ghi dữ liệu vào Cache
• 5.4.5. Cache trên các bộ xử lý
• 5.5. Bộ nhớ ngoài
• 5.5.1. Các thiết bị nhớ ngoài
• 5.5.2. Flash Disk
• 5.6. Hệ thống nhớ trên máy PC hiện nay
• 6. CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG VÀO RA
• 6.1. Tổng quan về hệ thống vào ra
• 6.1.1. Giới thiệu chung
• 6.1.2. Các thiết bị ngoại vi
• 6.1.3. Các phương pháp định địa chỉ cho các cổng vào ra
• 6.2. Các phương pháp điều khiển vào ra
• 6.2.1. Vào ra bằng chương trình
• 6.2.2. Vào ra điều khiển bằng ngắt
• 6.2.3. Truy nhập bộ nhớ trực tiếp - DMA (Direct Memory Access)
• 6.2.4. Bộ xử lý vào ra
• 6.3. Nối ghép thiết bị ngoại vi
• 6.3.1. Các kiểu nối ghép vào ra
• 6.3.2. Các cấu hình nối ghép
• 6.3.3. Các cổng vào ra thông dụng trên PC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám phá giáo trình kiến trúc máy tính nghề tin học ứng dụng

Giáo trình kiến trúc máy tính là nền tảng cốt lõi cho sinh viên theo đuổi ngành công nghệ thông tin, đặc biệt là tin học ứng dụng hệ cao đẳng. Môn học này không chỉ cung cấp kiến thức về cách một máy tính hoạt động ở mức độ vật lý, mà còn là cầu nối quan trọng để hiểu sâu hơn về nguyên lý hệ điều hành, mạng máy tính và công nghệ phần mềm. Một tài liệu kiến trúc máy tính chất lượng sẽ trang bị cho người học tư duy logic về tổ chức máy tính, từ đó có khả năng tối ưu hóa phần mềm và khắc phục sự cố phần cứng hiệu quả. Giáo trình này được biên soạn nhằm mục tiêu cung cấp một cái nhìn tổng quan, hệ thống về các thành phần cấu thành nên một máy tính hiện đại, dựa trên các kiến trúc kinh điển như kiến trúc Von Neumann. Nội dung không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn tập trung vào việc giải thích cách các thành phần tương tác với nhau, từ bộ xử lý trung tâm (CPU) đến bộ nhớ trong (RAM, ROM, Cache) và các thiết bị vào ra (I/O). Việc nắm vững các khái niệm này là điều kiện tiên quyết để học tốt các môn chuyên ngành khác. Tài liệu này đóng vai trò như một đề cương môn kiến trúc máy tính chi tiết, giúp sinh viên định hình lộ trình học tập rõ ràng, hiểu được mục tiêu của từng chương và có sự chuẩn bị tốt nhất trước khi bước vào các bài học chuyên sâu hơn.

1.1. Vai trò nền tảng của kiến trúc máy tính trong ngành CNTT

Kiến trúc máy tính là môn học cơ sở nhưng có vai trò quyết định đến năng lực của một kỹ sư tin học. Kiến thức về cấu trúc máy tính giúp hiểu rõ cách các lệnh phần mềm được chuyển đổi thành tín hiệu điện tử và được bộ xử lý trung tâm CPU thực thi. Hiểu biết này cho phép lập trình viên viết mã hiệu quả hơn, tận dụng tối đa sức mạnh phần cứng. Theo tài liệu gốc, kiến thức này tạo cơ sở để học tập tốt các môn học khác như Cơ sở dữ liệu, Mạng máy tính, và Công nghệ phần mềm. Ví dụ, việc hiểu về hệ thống bộ nhớ đệm nhanh (Cache) giúp tối ưu hóa tốc độ truy xuất dữ liệu của ứng dụng. Tương tự, kiến thức về hệ thống bus và các thiết bị vào ra I/O là cần thiết để phát triển các hệ thống nhúng và ứng dụng điều khiển thiết bị ngoại vi. Do đó, đây là môn học không thể thiếu trong chương trình đào tạo tin học ứng dụng hệ cao đẳng.

1.2. Phân tích đề cương và mục tiêu của giáo trình cao đẳng

Mục tiêu chính của giáo trình là trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản và hệ thống về kiến trúc máy tính và tổ chức máy tính. Đề cương môn kiến trúc máy tính được cấu trúc một cách logic, bắt đầu từ các khái niệm tổng quan, lịch sử phát triển, sau đó đi sâu vào từng thành phần cụ thể. Cụ thể, các chương đầu giới thiệu về hệ thống máy tính và cách biểu diễn dữ liệu. Các chương tiếp theo tập trung phân tích sâu về bộ xử lý trung tâm CPU, bộ nhớ máy tính, và hệ thống vào/ra. Mục tiêu không chỉ là trình bày lý thuyết mà còn giúp sinh viên “nhận biết & ghi nhớ chính xác mô hình cơ bản phân lớp & cấu trúc cơ bản của hệ thống”. Các bài giảng kiến trúc máy tính được thiết kế để rèn luyện tư duy logic, giúp người học có khả năng phân tích và giải quyết các vấn đề liên quan đến cả phần cứng và phần mềm.

II. Các thách thức khi học cấu trúc máy tính và tổ chức máy tính

Việc học môn kiến trúc máy tính đặt ra nhiều thách thức cho sinh viên, chủ yếu do tính trừu tượng và sự phức tạp của các khái niệm. Sinh viên thường gặp khó khăn trong việc hình dung cách các thành phần phần cứng vô tri tương tác với nhau để thực thi một chương trình. Khái niệm về tổ chức máy tính (Computer Organization) và kiến trúc máy tính (Computer Architecture) thường bị nhầm lẫn. Tài liệu gốc định nghĩa rõ: “Kiến trúc máy tính đề cập đến các thuộc tính của hệ thống máy tính dưới cái nhìn của người lập trình”, trong khi tổ chức máy tính “đề cập đến các khối chức năng và liên hệ giữa chúng”. Một thách thức khác là việc kết nối lý thuyết với thực tế. Sinh viên có thể học thuộc lòng chức năng của ALU hay CU trong CPU, nhưng lại không hiểu rõ vai trò của chúng khi một đoạn mã hợp ngữ Assembly được thực thi. Hơn nữa, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi xử lý và vi điều khiển khiến các tài liệu kiến trúc máy tính cần được cập nhật liên tục để không trở nên lỗi thời, đây cũng là một khó khăn cho cả người dạy và người học trong việc tiếp cận kiến thức mới nhất.

2.1. Vấn đề trừu tượng hóa trong kiến trúc tập lệnh ISA

Kiến trúc tập lệnh (ISA) là giao diện giữa phần cứng và phần mềm, bao gồm tập lệnh, kiểu dữ liệu, và các thanh ghi. Đây là một khái niệm trừu tượng, đòi hỏi người học phải có tư duy logic cao. Việc hiểu cách một lệnh cấp cao (ví dụ trong C++) được dịch xuống hợp ngữ Assembly, rồi thành mã máy nhị phân là một quá trình phức tạp. Sinh viên cần hình dung được luồng dữ liệu di chuyển qua hệ thống bus, được xử lý bởi CPU, và lưu trữ tạm thời trong các thanh ghi. Các phương pháp định địa chỉ khác nhau (trực tiếp, gián tiếp, tức thời) cũng là một phần kiến thức khó, yêu cầu sự phân tích tỉ mỉ để hiểu rõ khi nào nên sử dụng phương pháp nào để tối ưu hóa chương trình.

2.2. Khó khăn khi liên kết lý thuyết CPU và hệ thống bộ nhớ

Một trong những khó khăn lớn nhất là hiểu được sự phối hợp nhịp nhàng giữa bộ xử lý trung tâm CPU và hệ thống bộ nhớ. Lý thuyết về phân cấp bộ nhớ (bộ nhớ trong RAM, ROM, Cache và bộ nhớ ngoài) rất quan trọng. Sinh viên phải hiểu tại sao cần có Cache, nguyên tắc hoạt động của Cache hit và Cache miss, và các thuật toán thay thế trang. Việc này không đơn giản vì nó liên quan đến tốc độ truy xuất và hiệu năng toàn hệ thống. Giáo trình nhấn mạnh: “Cache được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ trao đổi thông tin”. Việc thiếu các công cụ mô phỏng trực quan hoặc các bài tập kiến trúc máy tính có lời giải chi tiết về chủ đề này khiến sinh viên khó nắm bắt được cơ chế hoạt động thực tế của hệ thống.

III. Phương pháp phân tích cấu trúc máy tính từ CPU đến bộ nhớ

Để chinh phục môn học này, cần một phương pháp tiếp cận hệ thống, bắt đầu từ hạt nhân xử lý và mở rộng ra các thành phần phụ trợ. Phương pháp hiệu quả nhất là phân tích sâu vào cấu trúc máy tính theo mô hình phân lớp, bắt đầu từ bộ xử lý trung tâm CPU. Việc tìm hiểu từng khối chức năng cốt lõi của CPU như Đơn vị số học và logic (ALU), Đơn vị điều khiển (CU) và tập thanh ghi (Register File) sẽ tạo ra một nền tảng vững chắc. Sau khi nắm rõ cách CPU hoạt động thông qua chu trình lệnh (Fetch - Decode - Execute), bước tiếp theo là khám phá cách CPU giao tiếp với thế giới bên ngoài thông qua hệ thống bus. Cuối cùng, nghiên cứu hệ thống bộ nhớ theo cấu trúc phân cấp, từ bộ nhớ Cache siêu nhanh đến bộ nhớ trong RAM và bộ nhớ ngoài, sẽ hoàn thiện bức tranh tổng thể. Cách tiếp cận này giúp liên kết các khái niệm rời rạc thành một hệ thống thống nhất, phản ánh đúng tổ chức máy tính hiện đại.

3.1. Giải mã bộ xử lý trung tâm CPU và chu trình lệnh

Bộ xử lý trung tâm CPU được ví như bộ não của máy tính. Chức năng chính của nó là thực hiện lệnh của chương trình. Theo giáo trình, quá trình này bao gồm các bước: Nhận lệnh (Fetch), Giải mã lệnh (Decode), Nhận dữ liệu (Fetch Data), Xử lý dữ liệu (Process Data), và Ghi dữ liệu (Write Data). Để thực hiện các nhiệm vụ này, CPU có cấu trúc gồm: Đơn vị điều khiển (CU) điều phối mọi hoạt động, Đơn vị số học và logic (ALU) thực hiện các phép toán, và Tập thanh ghi để lưu trữ thông tin tạm thời. Hiểu rõ chu trình lệnh và chức năng của từng thành phần là chìa khóa để nắm bắt nguyên tắc hoạt động cơ bản của mọi hệ thống máy tính.

3.2. Tìm hiểu hệ thống bộ nhớ trong RAM ROM và Cache

Hệ thống bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình và dữ liệu. Bộ nhớ trong bao gồm ba loại chính: ROM (Read-Only Memory) chứa các chương trình hệ thống như BIOS; RAM (Random-Access Memory) lưu trữ chương trình và dữ liệu đang được xử lý, có tính khả biến; và bộ nhớ Cache là bộ nhớ đệm tốc độ cao nằm giữa CPU và RAM. Giáo trình mô tả Cache như một giải pháp để “tăng tốc truy xuất của CPU tới bộ nhớ chính”. Việc phân cấp bộ nhớ này được thiết kế để cân bằng giữa tốc độ, dung lượng và chi phí. Hiểu rõ đặc tính và vai trò của từng loại bộ nhớ giúp giải thích tại sao hiệu năng hệ thống lại phụ thuộc rất nhiều vào cách quản lý và tổ chức bộ nhớ.

3.3. Cấu trúc hệ thống bus Cầu nối giao tiếp các thành phần

Hệ thống bus là tập hợp các đường dây dùng để vận chuyển thông tin giữa các thành phần trong máy tính. Theo tài liệu gốc, bus được chia làm ba loại chính theo chức năng: Bus địa chỉ (vận chuyển địa chỉ của ô nhớ hoặc cổng I/O), Bus dữ liệu (vận chuyển dữ liệu và lệnh), và Bus điều khiển (truyền các tín hiệu điều khiển). Độ rộng của bus (số đường dây) quyết định đến khả năng quản lý bộ nhớ và tốc độ truyền dữ liệu. Ví dụ, một bus địa chỉ 32-bit có thể quản lý tới 4GB bộ nhớ. Trong các máy tính hiện đại, cấu trúc đa bus được sử dụng để phân cấp tốc độ, tránh tình trạng “thắt cổ chai” khi các thiết bị tốc độ khác nhau cùng chia sẻ một bus chung.

IV. Hướng dẫn biểu diễn dữ liệu và kiến trúc tập lệnh ISA

Máy tính chỉ làm việc với các con số nhị phân. Do đó, mọi dữ liệu từ số nguyên, số thực đến ký tự đều phải được mã hóa thành dạng nhị phân. Chương III của giáo trình trình bày chi tiết về các hệ đếm (nhị phân, thập phân, thập lục phân) và cách chuyển đổi giữa chúng. Việc biểu diễn số nguyên có dấu bằng phương pháp bù hai là một kiến thức trọng tâm, vì nó là cơ sở cho các phép toán số học trong ALU. Bên cạnh dữ liệu, lệnh cũng phải được mã hóa. Kiến trúc tập lệnh (ISA) định nghĩa bộ các lệnh mà CPU có thể hiểu và thực thi. Mỗi lệnh được biểu diễn bằng một chuỗi bit, bao gồm mã thao tác (opcode) chỉ định hành động cần làm và các toán hạng chỉ định dữ liệu cần xử lý. Việc tìm hiểu hợp ngữ Assembly, ngôn ngữ bậc thấp thể hiện trực tiếp ISA, là cách tốt nhất để hiểu mối quan hệ mật thiết giữa phần mềm và phần cứng.

4.1. Nguyên tắc mã hóa dữ liệu Từ hệ nhị phân đến Unicode

Nguyên tắc chung về mã hóa dữ liệu là mọi thông tin phải được chuyển thành chuỗi bit. Dữ liệu số nguyên được biểu diễn trực tiếp bằng hệ nhị phân hoặc mã bù hai (cho số âm). Dữ liệu ký tự được mã hóa theo các bảng mã tiêu chuẩn như ASCII (8-bit) và Unicode (16-bit). Giáo trình mô tả: “Bộ mã 16 bít có thể xây dựng bộ mã toàn cầu 2^16 ký tự”. Dữ liệu phức tạp hơn như âm thanh, hình ảnh cũng được số hóa thông qua quá trình lấy mẫu và lượng tử hóa. Nắm vững các phương pháp biểu diễn này là bước đầu tiên để hiểu cách máy tính lưu trữ và xử lý thông tin.

4.2. Khám phá hợp ngữ Assembly và các phương pháp định địa chỉ

Hợp ngữ Assembly sử dụng các tên gợi nhớ (mnemonics) để biểu diễn các lệnh máy, giúp lập trình viên dễ làm việc hơn so với mã nhị phân. Các lệnh như MOV, ADD, SUB là những ví dụ điển hình. Một phần quan trọng của ISA là các phương pháp định địa chỉ, tức là cách lệnh xác định vị trí của toán hạng. Giáo trình giới thiệu các phương pháp phổ biến như: định địa chỉ tức thời (toán hạng nằm ngay trong lệnh), định địa chỉ thanh ghi (toán hạng nằm trong thanh ghi), và định địa chỉ trực tiếp (lệnh chứa địa chỉ của toán hạng trong bộ nhớ). Lựa chọn phương pháp định địa chỉ phù hợp ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ dài của chương trình.

V. Bí quyết giải bài tập và tài liệu kiến trúc máy tính hiệu quả

Để học tốt môn kiến trúc máy tính, việc kết hợp lý thuyết với thực hành là cực kỳ quan trọng. Sinh viên nên chủ động tìm kiếm các nguồn tài liệu kiến trúc máy tính bổ sung như slide kiến trúc máy tính từ các trường đại học uy tín hoặc các ebook kiến trúc máy tính pdf chuyên sâu. Các tài liệu này thường cung cấp các ví dụ minh họa trực quan và các bài tập đa dạng. Việc luyện tập giải các bài tập kiến trúc máy tính có lời giải là phương pháp hiệu quả nhất để củng cố kiến thức. Các dạng bài tập phổ biến bao gồm: chuyển đổi hệ đếm, thực hiện phép toán nhị phân, xác định giá trị của số nguyên có dấu theo mã bù hai, vẽ sơ đồ chu trình lệnh cho một đoạn mã Assembly, và phân tích các phương pháp ánh xạ địa chỉ trong Cache. Việc tự mình giải quyết các bài toán này giúp biến kiến thức trừu tượng thành kỹ năng thực tế, đồng thời chuẩn bị tốt cho các kỳ thi và các dự án chuyên ngành sau này.

5.1. Top các dạng bài tập kiến trúc máy tính thường gặp

Các dạng bài tập kiến trúc máy tính cốt lõi thường xoay quanh các chủ đề chính của môn học. Thứ nhất là bài tập về biểu diễn dữ liệu, yêu cầu sinh viên chuyển đổi số giữa các hệ đếm và biểu diễn số âm bằng mã bù hai. Thứ hai là các bài toán liên quan đến kiến trúc tập lệnh ISA, ví dụ như viết các đoạn mã hợp ngữ Assembly ngắn để thực hiện các tác vụ đơn giản. Thứ ba là các bài tập về hệ thống bộ nhớ, đặc biệt là tính toán hiệu suất dựa trên tỷ lệ Cache hit/miss và mô phỏng các phương pháp ánh xạ Cache (trực tiếp, liên kết toàn phần, liên kết tập hợp). Việc luyện tập thường xuyên các dạng bài này sẽ giúp sinh viên nắm vững các khái niệm quan trọng nhất.

5.2. Hướng dẫn tìm kiếm tài liệu và slide kiến trúc máy tính

Ngoài giáo trình chính, việc tham khảo thêm các tài liệu khác là rất cần thiết. Nguồn tài liệu phong phú có thể được tìm thấy trực tuyến. Sinh viên có thể tìm kiếm với các từ khóa như “slide kiến trúc máy tính ppt”, “ebook kiến trúc máy tính pdf” hoặc “computer architecture and organization lecture notes”. Các trường đại học lớn thường công khai bài giảng kiến trúc máy tính của họ. Các diễn đàn chuyên ngành và các kho tài liệu học thuật cũng là nơi tuyệt vời để tìm kiếm các bài tập kiến trúc máy tính có lời giải và thảo luận các vấn đề khó với cộng đồng. Việc chủ động tìm tòi và học hỏi từ nhiều nguồn sẽ giúp mở rộng kiến thức và có cái nhìn đa chiều hơn về môn học.

VI. Xu hướng phát triển và vai trò kiến trúc máy tính tương lai

Lĩnh vực kiến trúc máy tính không ngừng phát triển, được thúc đẩy bởi định luật Moore và nhu cầu xử lý ngày càng lớn. Các xu hướng hiện đại tập trung vào việc tăng hiệu năng và giảm tiêu thụ điện năng. Kiến trúc đa lõi (multi-core) đã trở thành tiêu chuẩn, đặt ra thách thức về lập trình song song. Các kiến trúc chuyên dụng như GPU (cho đồ họa), TPU (cho trí tuệ nhân tạo) ngày càng phổ biến, cho thấy xu hướng dịch chuyển từ bộ xử lý trung tâm CPU đa năng sang các bộ xử lý chuyên biệt. Đối với sinh viên tin học ứng dụng hệ cao đẳng, việc nắm vững kiến thức nền tảng về cấu trúc máy tính cổ điển như kiến trúc Von Neumann và kiến trúc Harvard là rất quan trọng. Nó không chỉ giúp hiểu các hệ thống hiện tại mà còn cung cấp nền tảng để tiếp cận và thích ứng với các công nghệ vi xử lý và vi điều khiển mới trong tương lai, mở ra nhiều cơ hội nghề nghiệp trong các lĩnh vực như hệ thống nhúng, IoT và điện toán hiệu năng cao.

6.1. So sánh kiến trúc Von Neumann và kiến trúc Harvard

Hai kiến trúc máy tính kinh điển là kiến trúc Von Neumann và kiến trúc Harvard. Đặc điểm chính của kiến trúc Von Neumann, như mô tả trong tài liệu, là sử dụng chung một bộ nhớ và một bus cho cả lệnh và dữ liệu. Điều này đơn giản hóa thiết kế nhưng có thể gây ra hiện tượng thắt cổ chai (Von Neumann bottleneck). Ngược lại, kiến trúc Harvard sử dụng bộ nhớ và bus riêng biệt cho lệnh và dữ liệu. Điều này cho phép CPU đọc lệnh và truy cập dữ liệu đồng thời, làm tăng đáng kể hiệu suất. Kiến trúc Harvard thường được áp dụng trong các hệ thống yêu cầu tốc độ xử lý cao như các bộ vi xử lý và vi điều khiển trong hệ thống nhúng.

6.2. Triển vọng nghề nghiệp cho chuyên gia am hiểu tổ chức máy tính

Sự am hiểu sâu sắc về tổ chức máy tính và kiến trúc phần cứng mở ra nhiều con đường sự nghiệp hấp dẫn trong ngành công nghệ thông tin. Các vị trí như kỹ sư hệ thống nhúng (Embedded Systems Engineer), kỹ sư thiết kế vi mạch (ASIC/FPGA Design Engineer), hay chuyên gia tối ưu hóa hiệu năng (Performance Engineer) đều đòi hỏi kiến thức nền tảng vững chắc về môn học này. Ngay cả đối với các lập trình viên phần mềm, việc hiểu rõ cách phần cứng hoạt động cũng giúp họ viết ra những đoạn mã tối ưu hơn, đặc biệt trong các lĩnh vực đòi hỏi hiệu suất cao như phát triển game, phân tích dữ liệu lớn, hay các ứng dụng tài chính. Do đó, đầu tư thời gian để nắm vững kiến trúc máy tính là một sự đầu tư xứng đáng cho tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Kiến trúc Máy tính (Mã tài liệu: THUD - MH14) được biên soạn bởi Nhóm tác giả thuộc Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải Trung ương I, ban hành theo Quyết định số 498/QĐ-CĐGTVTTWI-ĐT ngày 28/03/2019 của Hiệu trưởng nhà trường. Trong chương trình đào tạo ngành Tin học ứng dụng trình độ Cao đẳng, đây là học phần cơ sở ngành bắt buộc, giữ vai trò cung cấp kiến thức nền tảng về phần cứng và nguyên lý hoạt động của máy tính điện tử, làm tiền đề để người học tiếp thu các môn học chuyên ngành tiếp theo như: Cơ sở dữ liệu, Mạng máy tính, Công nghệ phần mềm, Hệ thống thông tin quản lý, Internet và Thương mại điện tử.

Mục tiêu học tập tổng quát của giáo trình tập trung vào việc trang bị cho người học khả năng:

• Trình bày chính xác các khái niệm cơ bản về phần cứng, phần mềm, phần dẻo (firmware), mô hình phân lớp hệ thống và tiến trình phát triển của các thế hệ máy tính.
• Phân tích và mô tả cấu trúc, nguyên lý vận hành của các khối chức năng chính trong kiến trúc Von Neumann: Bộ xử lý trung tâm (CPU), hệ thống bộ nhớ (Memory), hệ thống vào/ra (I/O) và hệ thống liên kết Bus.
• Thực hiện thành thạo các phép toán số học nhị phân, chuyển đổi giữa các hệ đếm (thập phân, nhị phân, thập lục phân), biểu diễn dữ liệu số nguyên (không dấu và mã bù hai), số thực dấu chấm động và dữ liệu ký tự (ASCII, Unicode).
• Thiết kế mở rộng module bộ nhớ bán dẫn theo yêu cầu dung lượng và phân tích các phương pháp ánh xạ địa chỉ trong bộ nhớ đệm Cache.

Giáo trình được cấu trúc thành 6 chương logic, tiếp cận từ bức tranh tổng quan về hệ thống và biểu diễn dữ liệu ở mức thấp, sau đó phân tích sâu vào từng khối chức năng phần cứng (CPU, Bộ nhớ, Vào/Ra). Điểm đặc sắc của tài liệu là việc phân định rõ ràng giữa ba khái niệm mang tính học thuật: Kiến trúc máy tính (Computer Architecture - thuộc tính dưới góc nhìn lập trình viên), Tổ chức máy tính (Computer Organization - cấu trúc khối chức năng) và Cấu trúc máy tính (Computer Structure - liên kết vật lý giữa các thành phần).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung toàn văn của giáo trình được triển khai qua 6 chương chuyên đề:

1. Chương I: Giới thiệu chung: Phân tích định nghĩa máy tính, chương trình, phần cứng, phần mềm, firmware; mô hình phân lớp hệ thống (Chương trình ứng dụng $\rightarrow$ Hệ điều hành $\rightarrow$ Phần cứng); phân loại máy tính theo phương pháp truyền thống (Microcomputer/PC, Minicomputer, Mainframe, Supercomputer) và hiện đại (Máy tính để bàn/Workstation, Máy chủ/Server, Máy tính nhúng); lịch sử 4 thế hệ máy tính từ đèn chân không (ENIAC 1943–1946, IAS/Von Neumann 1947–1952), transistor (PDP-1, IBM 7000), vi mạch SSI/MSI/LSI (Intel 4004, định luật Moore) đến vi mạch tích hợp cực lớn VLSI.
2. Chương II: Hệ thống máy tính: Trình bày mô hình kiến trúc Von Neumann với đặc trưng lưu trữ chương trình trong bộ nhớ và thực hiện lệnh tuần tự; cấu trúc 4 thành phần cơ bản (CPU, Bộ nhớ, I/O, Liên kết hệ thống); hoạt động nhận lệnh (Fetch) qua thanh ghi PC, IR và thực thi lệnh (Execute); cơ chế ngắt (Interrupt) với các dạng ngắt do chương trình, phần cứng, I/O; cấu trúc liên kết Bus (Bus địa chỉ $n$ đường quản lý $2^n$ byte, Bus dữ liệu $m$ bit, Bus điều khiển với các tín hiệu MemR, MemW, IOR, IOW, INTR, INTA, BRQ, BGT); cấu trúc đa bus và cơ chế phân xử bus (tập trung và phân tán).
3. Chương III: Biểu diễn dữ liệu và số học của máy tính: Khảo sát các hệ đếm cơ số 10, cơ số 2, cơ số 16 và thuật toán chuyển đổi qua lại; nguyên tắc mã hóa dữ liệu số và phi số; thứ tự lưu trữ byte theo Little Endian và Big Endian; định dạng số nguyên không dấu và số nguyên có dấu bằng mã bù hai; các phép toán số học nhị phân và quy tắc dịch bit; định dạng số thực dấu chấm động $X = B \times m^e$; bảng mã ký tự ASCII chuẩn 8-bit và bảng mã quốc tế Unicode 16-bit.
4. Chương IV: Bộ xử lý trung tâm: Khảo sát cấu trúc CPU gồm Đơn vị số học và logic (ALU), Đơn vị điều khiển (CU), Tập thanh ghi (PC, SS, SP, cờ Flag); cấu trúc lệnh máy gồm mã thao tác (Opcode) và địa chỉ toán hạng (Operand); phân loại tập lệnh và các chế độ định địa chỉ (tức thời, thanh ghi, trực tiếp, gián tiếp qua thanh ghi, gián tiếp qua ngăn nhớ, dịch chuyển); chu trình lệnh và kỹ thuật đường ống lệnh (Pipelining) 6 công đoạn kèm các xung đột (cấu trúc, dữ liệu, điều khiển); các thế hệ kiến trúc Intel: IA-16 (8086/8088), IA-32 (80386, 80486, Pentium) và IA-64 (Itanium).
5. Chương V: Bộ nhớ máy tính: Phân cấp hệ thống nhớ; bộ nhớ chỉ đọc ROM (Mặt nạ, PROM, EPROM, EEPROM, Flash); bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM gồm SRAM (lưu trữ bằng Flip-Flop, tốc độ cao làm Cache) và DRAM (lưu trữ bằng tụ điện, dùng làm bộ nhớ chính); phương pháp thiết kế module nhớ bán dẫn; nguyên lý bộ nhớ đệm Cache với 3 phương pháp ánh xạ địa chỉ (trực tiếp - Direct Mapping, liên kết toàn phần - Fully Associative, liên kết tập hợp - Set-Associative); chính sách ghi dữ liệu (Write-Through, Write-Back); cấu trúc bộ nhớ ngoài (đĩa từ, đĩa mềm 1.44MB, đĩa cứng, hệ thống mảng đĩa dự phòng RAID).
6. Chương VI: Hệ thống vào ra: Tổng quan cổng vào ra và thiết bị ngoại vi; các phương pháp điều khiển vào ra (vào ra bằng chương trình, vào ra điều khiển bằng ngắt, truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMA, bộ xử lý vào ra); cấu hình ghép nối và các chuẩn giao tiếp vật lý thông dụng trên PC (COM, LPT, USB, VGA).

   [Chương I: Tổng quan & Phân lớp]
   [Chương III: Biểu diễn Dữ liệu & Số học Nhị phân]
   [Chương II: Cấu trúc Hệ thống & Kiến trúc Von Neumann]
[Chương IV: Bộ xử lý CPU]  [Chương V: Hệ thống Bộ nhớ]
   [Chương VI: Hệ thống Vào/Ra & Ghép nối Ngoại vi]

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập các khối lý thuyết cơ sở:

• Nguyên lý kiến trúc Von Neumann: Mô hình đơn bộ xử lý, lưu trữ chương trình và dữ liệu trong cùng không gian bộ nhớ được đánh địa chỉ nhị phân, thực thi chỉ thị theo chu trình lấy lệnh tuần tự.
• Lý thuyết biểu diễn dữ liệu nhị phân: Cơ chế biểu diễn số nguyên có dấu qua mã bù một và mã bù hai; giải thuật số học nhị phân rút gọn phép trừ về phép cộng với số bù hai; nguyên lý biểu diễn số thực dấu chấm động theo phần định trị ($m$), số mũ ($e$) và cơ số ($B$).
• Nguyên lý phân cấp hệ thống: Phân cấp cấu trúc Bus (Bus CPU, Bus hệ thống, Bus vào/ra tốc độ chậm qua các cầu nối); phân cấp bộ nhớ (Thanh ghi $\rightarrow$ Cache $\rightarrow$ RAM $\rightarrow$ Bộ nhớ ngoài) nhằm cân bằng giữa tốc độ truy xuất, dung lượng lưu trữ và chi phí trên mỗi bit.

Kỹ năng phát triển

Thông qua các nội dung kỹ thuật, người học hình thành các năng lực:

• Kỹ năng tính toán kỹ thuật: Chuyển đổi chính xác giá trị số giữa các hệ cơ số 2, 10, 16; thực hiện các phép toán cộng, trừ, nhân, chia trên hệ nhị phân; biểu diễn dãy bit số nguyên có dấu dạng bù hai trên độ dài từ $n$-bit.
• Kỹ năng phân tích hệ thống: Đọc hiểu và vẽ sơ đồ liên kết các khối chức năng CPU, ALU, CU; giải thích cơ chế ngắt và quy trình lưu/khôi phục ngữ cảnh của CPU thông qua con trỏ ngăn xếp (SP); phân tích luồng thực thi trong đường ống lệnh (Pipeline) và nhận diện các loại xung đột phần cứng.
• Kỹ năng thiết kế phần cứng cơ bản: Tính toán dung lượng, số đường địa chỉ ($n$) và số đường dữ liệu ($m$) để thiết kế ghép nối các chip nhớ bán dẫn (SRAM, SDRAM) thành module nhớ có dung lượng mở rộng; phân rã trường địa chỉ CPU (Tag, Line/Set, Word) trong các kiến trúc bộ nhớ Cache.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình định hướng phương pháp sư phạm kết hợp giữa diễn giải lý thuyết nguyên lý và thực hành bài tập định lượng:

• Tiếp cận sư phạm: Đi từ nguyên lý vật lý (đèn chân không, transistor, vi mạch tích hợp) đến mô hình logic (hệ đếm, mã bù hai, cấu trúc thanh ghi) và nâng dần lên cấp độ hệ thống (chu trình lệnh, tổ chức bus, ghép nối vào ra).
• Hệ thống bài tập tính toán và giải thuật:
  • Bài tập chuyển đổi hệ đếm và thao tác số học nhị phân: Thực hiện phép cộng/trừ các số nhị phân 8-bit, tìm số bù hai của một số âm (ví dụ: chuyển đổi $-80$ sang mã bù hai 8-bit 10110000).
  • Bài tập thiết kế module nhớ: Xác định số đường địa chỉ và số chip nhớ cần dùng để tạo module nhớ từ các chip thành phần (ví dụ: ghép nối các chip nhớ SDRAM $4\text{K} \times 4\text{bit}$ thành module $4\text{K} \times 8\text{bit}$ hoặc module $8\text{K} \times 8\text{bit}$).
  • Bài toán phân giải trường địa chỉ bộ nhớ Cache: Tính toán độ rộng các trường Tag, Slot/Line và Word đối với địa chỉ 24-bit trong cơ chế Direct Mapping.
• Phương pháp đánh giá và tự học:
  • Cuối mỗi chương đều cung cấp hệ thống câu hỏi ôn tập tổng hợp (ví dụ: hệ thống câu hỏi ôn tập Chương II bao gồm: phân tích đặc điểm kiến trúc Von Neumann, phân loại BUS máy tính, giải thích cơ chế ngắt và cấu trúc đa bus).
  • Tự học thông qua việc đối chiếu mã lệnh hợp ngữ (Assembly: MOV, ADD, JMP, CALL) với sự thay đổi giá trị trong các thanh ghi nội bộ (AX, PC, IR, SP) và trạng thái các cờ (Flag Register).

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Tài liệu được xây dựng với các đặc điểm kỹ thuật cụ thể theo khung chuẩn đào tạo nghề năm 2019:

• Hệ thống hóa các thế hệ vi xử lý Intel: Cung cấp tiến trình phát triển kiến trúc bộ xử lý x86 từ 16-bit (8086/8088 quản lý bộ nhớ 1MB với 20 đường địa chỉ), 32-bit (80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium IV với 32 đường địa chỉ quản lý 4GB bộ nhớ) đến kiến trúc 64-bit (IA-64 Itanium).
• Cập nhật công nghệ bộ nhớ và lưu trữ: Phân loại chi tiết các thế hệ DRAM cải tiến (SDRAM, DDRAM, RDRAM); mô tả cơ chế hoạt động của bộ nhớ bán dẫn Flash Disk; trình bày cấu trúc mảng đĩa dự phòng RAID dùng cho máy chủ nhằm tăng tốc độ truyền và bảo đảm an toàn dữ liệu.
• Chi tiết hóa các chuẩn giao tiếp phần cứng PC: Mô tả chức năng và cơ chế hoạt động của các chuẩn bus phổ biến trên máy tính cá nhân bao gồm: AGP (Accelerated Graphics Port - bus đồ họa tăng tốc), PCI (Peripheral Component Interconnect - bus ngoại vi tốc độ cao), USB (Universal Serial Bus - bus nối tiếp đa năng) và IDE (chuẩn kết nối ổ đĩa cứng, CD/DVD).
• Tích hợp các ứng dụng thực tế: Phân tích ứng dụng của máy tính nhúng trong các thiết bị gia dụng (máy giặt, điều hòa), thiết bị mạng (Router định tuyến) và điện thoại di động bên cạnh các dòng máy tính để bàn (PC, Workstation) và máy chủ (Server).

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên: Học sinh, sinh viên theo học ngành Tin học ứng dụng trình độ Cao đẳng tại các trường Cao đẳng, trường nghề hoặc khối kỹ thuật liên quan đến công nghệ thông tin.
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần có kiến thức cơ bản về tin học đại cương, hiểu biết sơ bộ về logic toán học và các thao tác sử dụng máy tính căn bản.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng giáo trình làm đề cương chi tiết để thiết kế bài giảng lý thuyết, biên soạn hệ thống bài tập tính toán số học máy tính, bài tập thiết kế mạch nhớ và đề thi kết thúc học phần Kiến trúc Máy tính.
• Tài liệu tham khảo chuyên môn: Kỹ thuật viên bảo trì phần cứng máy tính, sinh viên các ngành Mạng máy tính, Hệ thống thông tin cần tài liệu tham khảo chuẩn xác về cấu tạo vật lý, cơ chế ngắt, cấu trúc Bus và tổ chức bộ nhớ trong hệ thống PC.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho sinh viên ngành Tin học ứng dụng trình độ Cao đẳng, đồng thời phù hợp làm tài liệu cơ sở cho người học kỹ thuật phần cứng, mạng và lập trình hệ thống.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học chỉ cần nắm vững kiến thức tin học cơ bản và các phép tính đại số đại cương. Các nội dung về số học nhị phân, logic cổng và cấu trúc phần cứng đều được giảng dạy chi tiết từ đầu trong Chương I và Chương III.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Tài liệu tập trung vào kiến trúc thực tiễn của dòng máy tính cá nhân (PC) và vi xử lý họ Intel; cân bằng giữa lý thuyết phần cứng trừu tượng và các bài tập tính toán định lượng như thiết kế module nhớ, phân tích trường địa chỉ Cache và giải mã chu trình ngắt.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học nên bám sát mục tiêu đầu mỗi chương, thực hành tuần tự các bài tập chuyển đổi hệ đếm, biểu diễn mã bù hai, làm quen với tập lệnh hợp ngữ mẫu và hoàn thành các câu hỏi ôn tập lý thuyết ở cuối mỗi chương.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Giáo trình tích hợp sẵn các sơ đồ khối chức năng chi tiết, bảng mã cơ số, bảng mã ASCII/Unicode chuẩn, hệ thống câu hỏi ôn tập cuối chương và danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành phục vụ đào tạo.

---

Kết luận

Giáo trình Kiến trúc Máy tính (Mã tài liệu: THUD - MH14) của Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải Trung ương I là tài liệu học thuật chuẩn hóa, cung cấp hệ thống tri thức đầy đủ về kiến trúc Von Neumann, cơ chế vận hành của CPU, tổ chức phân cấp bộ nhớ và hệ thống liên kết vào/ra. Việc nắm vững toàn bộ nội dung giáo trình tạo nền tảng vững chắc để người học tiếp tục phát triển chuyên sâu trong các môn học Mạng máy tính, Hệ điều hành, Cơ sở dữ liệu và Kỹ thuật phần mềm. Để mở rộng kiến thức, người học có thể tham khảo thêm các tài liệu chuyên khảo về kiến trúc vi xử lý nâng cao và kỹ thuật ghép nối ngoại vi theo danh mục tài liệu tham khảo đính kèm trong giáo trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: G161 THIEU CHUNG. 1, Ki nin eh. Phin log may tinh. Phân loại theo phương pháp truyền thing.2 Phin log eo phương pháp hiện đụ.

3,Sựtiển bóa của máy tính 3. May tinh ding don điện tử (Eninac) 4. May tink dig Transistor. May ính ing vi mgch SSL MSI vi LST.4 May tinh đồng vĩ mạch VTSI.

CHƯƠNG II: HỆ THONG MAY TÍNH. Các thành phần cơ bản của bệ thống mấy i 1l. Bộ lý trưng tâm (CPU: Central Processing Unit. 1-2 Bộ nhớ máy tinh.

1-3 Các thiết bị ngoại vi(Periplral. Hoại động của máy tíh. Thực iện chươngnh. 2:3, Hoot ding wi ra 3.

Lin kt hg. Thông từ các thành phản trong mây th 32 Gấu mức BỨY.3 Phin edp BUS trong máy tinh. (CHUONG mn: RIEU DIEN DU LIEU VA SO Hoc MAY TÍNH 1, Các hệ đếm cơ bản 11. Hệ đếm cơ sổ 10 Hệ tập phân.

12 Hệ đẫn cơ số 3 hay Hệ nhị phân. L3 Hệ thập lục phân - Hệ Hexa- deimal (Ủệ19).4 Cách chuyến để từ hệ cơ số a sang hệ thập phân. Cách chuyển đổi từ hệ thập phân sang hệ cơ số a. Mã hóa và ưu rit liệu tong máy tính.

Nguyên tắc chưng về mã hoá di liệ.2 Thử ht ie byte di i MT 3, Biểu diễn số nguyên — .1 Bidudién số nguyen Ung ds.2 Bi didn sd nguyện cb db: Sek 4. Thye hig các phép toán số bọc với số nhị phần .41 Phúp công và phíp nhân 42. Phép mừ và pháp chỉa: Được mg ra từ php cộng và pháp hần. Số dẫu chim động (Jøating point nuber.

Biểu điễn ký tự < 41. RE RAEE EEE EEE SESS eSELESR. Bộ mã hợp nhất Unicodc: CHƯƠNG IV: BỘ XỬ LÝ TRƯNG TÂM. Chu tic 6 bin cia CPU.

Nh wu CPU: Thực hiệ ệnh của cương trinh. Câu trúc CPU.3, Dom vị số học vi logie (ALU).4, Dam vi đi khiến CŨ. Tp He nnn -31. Giới thiệu chưng vẻ tập lệnh 2.

Cc hb tha ti sinc “>8 Các phương pháp inh a chi (Addressing Modes) SESSRRER 3, Hoạt động cũa CPU. Chu tinh Ie. Đường ông lệnh. CỔu trúc chung của Bộ xử lý tiên tiền.

Các đơn vị xử lý d liệu.43 Bộ nhớ Cache. Bom vi qui i bn 5, Kiến trie INTEL.1 Bibn tie 16 bt (14-16) $2 Kid te 32 bit 1A ~ 32) nn 5.3 Kidn tic 64 bit (A - 64). 'CHƯƠNG V: BO NHO MAY TINH. B6 nhs chi doc (ROM: Read Only Memory).

Nhom tie git 2. BG nhớ truy cập ngẫu mhién:RAM (Random access memory). 3,Bộ nhớ đệm chính. Các độc ng cơ bản.33 TẢ chức bộ nhớ đam.

-4 Bộ nhớ đệm nhanh (Cache Meman). Nguyên tắc chưng. -4 Các phương pháp dink xe da chi. Ct thu gi thay thé block rome Cache -44.

Phương pháp gi dữ liệu thi Cac Bit 4. Cache trên cúc ộ sử Itt, 5 Bộ nhớ ngài SU. Cie hid bi nhngoài. 54, Flash dk SS.

Hệ thống nhớ trên máy PC hiện nay, CHƯƠNG VI: HỆ THÔNG VÀO RA. Ting quan về hệ hồng vào rà 1. Giới tiệu chuyg. 12 Các Hiế bị ngoại ví 1.

Cie phuomg php dink da chi hia cig v= ra. Các phương pháp điều khiển vào r.1, Yao u bằng chương trình. -22 Yào - điều kuẩn bằng ngất 2. Thuy nhập bộ nhớ trực tifp - DMA (Direct Memory Acces).

-34 Bồ xửl nào ra.Nỗi ghếp thiết bị ngoại vỉ. -31- các Mẫu ni ghép ào ra 1.2 Các ed hinh nÃI php. Che cing vio a thông dụng trên PC. TÀI LIỆU THAM KHẢO.

— 3 'CHƯƠNG l: GIỚI THIỆU CHUNG Mục tiêu : Sau khi học xong, người học có khả năng = “Trình bày được những khái niệm máy tính và các khái niệm cơ bản khác, lịch sử. phát triển của mấy tính. ~ Nhận biết & gỉ nhớ chính xác. mô hình cơ bản phân lớp & cấu trú cơ bản của hệ tông - ên luyện tư duy và thái độ học tập nghiêm túc Noi dung : 1.

Khái niệm chung, .Mây tính (Compwter) là thiết bị điện từ thực hiện công việc sau: ~ Nhận thông tín vào: ~ Xử lý thông tin theo chương trình nhớ sẵn bên trong bộ nhớ mấy tỉnh: ~ Đưa thông na; Chương trinl (Propromo): Là dây các chu lịnh nằm trong bộ nhớ, nhẳm mục đính hướng dẫn máy tỉnh thực hiện một công việc cụ thể nào đó, Máy tinh thực hiện theo chương trình. Phan mém (Software): Bao gồm chương trình và đữ liệu Phin ciemg (Hardware): Bao gồm tắt cả các thành phần vật lÿ cấu thành nên hệ thống. ‘Phin déo (Firmware): La thin phi chứa cá hai thành phần trên “Kiến trúc máy tink (Computer Architecture) đề cặp đến các thuộc tính của hệ thống. máy, tính dưới cái nhìn của người lập tình.

Hay nồi cách khác, là những thuộc tỉnh ảnh hưởng trực tiếp đến quả trình thực hiện logic của chương tình. Bao gồm: tập lệnh, biểu diễn dữ liệu, các cơ chế vào ra, kỹ thuật đánh địa chỉ. TẾ chức máy tỉnh (Compwter Organization): đề cập đến các khổi chức năng và liên hệ giữa chúng để thực hiện những đặc trưng của kiến trúc, VÍ đụ: rong kiến trúc bộ nhân: đây là thuộc tính của hệ thống xử lý. Bộ nhân này sð được lỗ chức riêng bên trong nảy tính hoặc nỗ được tính toán nhiều lần trên bộ cộng, để cũng được một kết ga nhân tương ứng.

Cấu trúc máy tính(Compwfer Sructure): là những thành phần của máy tính và những liên kết giữa các thành phẫn. 'Ở mức cao nhất máy tính bao gồm 4 thảnh phần: ~ Bộ xử lý : điều khiển và xử lý số liệu. ~ Bộ nhớ : chứa chương trình và đỡ liệu. ~ Hệ thống vào ra: trao đổi thông tn giữa máy tính với bên ngoài.

~ Liên kết giữa các hệ thông: liên kết các thành phần của máy tính lại với nhau. * M6 hình phân lớp của hệ thống: — » ‘Nawip ink (Progam) _'Các chương trình ứng dụng. Cási ân nâng am ‘os "Người Thiết kế HĐH. Deen) Tiệ đều hành (Operating Sytem) Phần công máy nh (Compoter hardware) * N8 Nhhcơ bàn Cícnntimiệp Cie ti ‘nput devices) Clnput devices) {Sr db ấn trúc my hức Peripherals “Chức năng (Computer Funetion): là mô tả hoạt động của hệ thống hay từng thành "phần của hệ thống.

“Chức năng chung của một hệ thống bao gồm: ~ Xử lý dữ liệu. ~ Lưu trữ dữ liệu. ~ Vận chuyển dữ liệu. Phân loại máy tính Phân loại theo phương pháp truyền thống.

Phin logi theo phương pháp truyền thống = Microcomputer: Còn gi là PC (personal computer: may vi inh), lA img méy tinh nhỏ, có 1 chíp vĩ xứ lý và một số thiết bị ngoại ỉ. Thường dùng cho một người, có thể dùng độc lập hoặc dùng trong mạng máy tỉnh. ~ Minicomputer: Là những máy tính cở trung bình, kích thước thường lớn hơn PC. 'Nö có thể thực hiện được các ứng dụng mà máy tính cỡ lớn thực hiện.

hỗ trợ bảng chục đến hàng trăm người lâm việc. Minieomputer được sử dụng rộng rấi snc dụng thời gian thực, vĩ dụ trong điều khiển bàng không, trong tự động hoá sin = Mainframe: La ning may tính cỡ lớn, cỏ khả năng hỗ trợ cho hàng trầm đến hàng, ngàn người sử dụng. Thường được sử dựng trong chế độ các công việc sắp xếp theo lô lớn (Laree-Baicbh-Job) hoặc xử lý các giao dich (Transaction Processing), ví dy trong ngân hàng. = Supercomputer: Dy la nhitmg situ mây tính, được thiết kể đặc biệt để đạt tốc độ thực hiện các phép tính dầu phẩy động cao nhất có thể được.

Chúng thường có kiến trúc song song, chỉ hoạt động hiệu quá cao trong một số lĩnh vực. Phin loại theo phương pháp hiện đại ~ Máy tính để bàn: + Li ogi miy tính thông dụng nhất hiện nay + bao gồm máy tính cá nhân (PC: Persional Compufer) va may tram (WorkStations Computer) + Giá mua từ 100% đến 1000% — " ~ Máy chủ (Server): -+ Thực chất là máy phục vụ. ++ Ding trong mang theo m hinh Client/Server -+ Có tốc độ, hiệu năng, Bộ nhớ và độ ti cậy cao + Gif vai chục nghĩn đến vài chục triệu đô ~ Máy tính nhúng: + Được đặt trong nhiều thiết bị khác nhau để điểu khiển thiết bị làm việc -+ Được thiết kế chuyên dụng, + Vi dy; Dign thoại di động, bộ điều khiến các thiết bị gia đình: trong máy giặt, điều hỏa nhiệt độ, Rounter: Bộ Định tuyển trên mạng + Giá thành vài USD đến hàng trim nghin USD 3. Sự tiến hóa của máy tính “Sự phát triển của máy tính chia ra 4 thể hệ: ~ Thế hệ 1: Máy tỉnh dùng đèn chân không (Vacumm Tube) 1946-1955 ~ Thể hệ 3: Máy tinh ding Transitor (1955-1965) - Thể hệ 3: Máy tính dùng mạch tich hop IC (Intergrated Circuit) 1966 ~ 1980) ~ Thể hệ 4: Máy tính dùng mạch tích hợp cực lớn VLSI (Very Laree Scale Intergrated )1980 đến nay.

Máy tink ding đền điện tử (Eninac) Electronic Numerical Integrator And Computer ‘Dé xuit nim 1943 và hoàn thành 1946 được sử dụng đến1955 do thấy tro Eckertvi Mauchly Trung dsi ge Pennsylvania cia MY "Đặc điểm chính: ~ Nặng 30 tấn, chiến diện tích 150m2 và sử dụng 140KW. ~ 5000 nghĩn phép cộng trên giấy. ~ Sử dụng hệ thập phân. ~ Lập trình bằng công tắc.

- Sir dung 18000 bóng đền điện tử (vacuum tubesa) ‘Méy tinh Von Neumann cin goi li méy tink IAS "Máy tinh IAS (Institute for Advanced Studies) "Máy có mô hình cơ bản là máy ính này nay “Thiể kế 1947 hoàn thành 1952 XXây dựng dựa trên ý tưởng của Tunäng (Mỹ) và Von Neumann(Anh) ~ Các sản phẩm của công nghệ VLSI(Very Large Seale Integrated) ~ Bộ vỉ xử lý được chế tạo trên một con chín ~ Vĩ mạch điều khiển tổng hợp (Chipset) ~ Bộ nhớ bản dẫn độc lập( ROM, RAM) thiết kế thành Module. ~ Các bộ vi điều khiễn chuyên dụng. ~ Bộ vi xử lý đẫu tiên của lmel 4004 nấm 1971 — 12 ~ Bộ xử lý được coí hoàn thiện nhất là 8088/8086 nim 1978,1979 diy duge coi Ia ngày sinh nhật của các máy tính sau này.2, May tinh ding Transistor ~ Máy tính PDP- 1 của DEC ~ IBM 7000 ra đối ~ Hàng trăm nghìn phép cộng trên một giây. ~ Các ngôn ngữ lập trình bậc cao ra đời 43.

Máy tính đăng vỉ mạch SSI, MSI và LST ~ Vi mgch (IC - Intergrated Circuit) : Nhiéu transistor va các phẫn tử khác được tích hợp trên một chịp bán dẫn +SSI (Small Scale Intergrated); ++ MSI ( Medium Scale Intergrated); +LSI (Large Scale Intergrated); + VLSI (Very large Scale Intergrated): Ding cho máy tính thể hệ thử tơ ~ Siêu máy tính xuất hiện: VAX. ~ Bộ vĩ xử lý (Mieroproeesse) ra đời. + Bộ xử lý đầu tiến là Intel 4004 (1971) = Goordone more: ngudi sing lip ra Intel ~ SỐ transistors trên chip sé ting gip di Sau 18 thing. ~ Giá thành của chíp không bễ thay đổi.

~ Mật độ cao hơn, do vậy đường dẫn ngắn hơn. ~ Kích thước nhỏ hơn dẫn đến độ phức tạp tăng lên. ~ Mức tiêu thụ điện năng ít hơn.