ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG GIÁO TRÌNH Kiến trúc máy tính NGHỀ : KỸ THUẬT SỬA CHỮA, LẮP RÁP MÁY TÍNH TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP (Ban hành theo Quyết định số: 70/QĐ-CĐN ngày 11 tháng 01 năm 2019 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang) Tên tác giả :Nguyễn Hồng Chánh Năm ban hành: 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. 1 LỜI GIỚI THIỆU Nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho học sinh tiếp thu tốt kiến thức liên quan đến môn học. Đây là tài liệu tham khảo chính dành cho học sinh học tập và nghiên cứu môn học Kiến trúc máy tính.
Mục đích chủ yếu của giáo trình là giúp cho ngƣời học có những hiểu biết về lịch sử máy tính, phân loại máy tính, các hệ thống số và các thành phần cơ bản cấu tạo nên một bộ máy tính. Tìm hiểu cấu trúc của CPU, các loại bộ nhớ và an toàn dữ liệu trong lƣu trữ Cấu trúc giáo trình đƣợc chia thành 5 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Kiến trúc phần mềm bộ xử lý Chƣơng 3: Tổ chức bộ xử lý Chƣơng 4: Bộ nhớ Chƣơng 5: Thiết bị nhập xuất Trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi rất mong nhận đƣợc sự góp ý chân thành của các bạn đồng nghiệp cũng nhƣ các học sinh, sinh viên và những ngƣời quan tâm nhằm phục vụ cho công tác chỉnh sửa, bổ sung giáo trình sau này đƣợc hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn ! An Giang, ngày 24 tháng 5 năm 2018 Tham gia biên soạn 1.Chủ biên: Nguyễn Hồng Chánh 2.Phản biện: Huỳnh Trung Hữu 3.Phản biện: Trần Minh Khang 2 MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.
CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH. PHÂN LOẠI MÁY TÍNH. THÀNH QUẢ CỦA MÁY TÍNH. THÔNG TIN VÀ SỰ MÃ HÓA THÔNG TIN.
Khái niệm thông tin. Lƣợng thông tin và sự mã hoá thông tin. Hệ thống số. 13 CÂU HỎI ÔN TẬP.
19 CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ. THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MỘT MÁY TÍNH. ĐỊNH NGHĨA KIẾN TRÚC MÁY TÍNH. Lệnh có điều kiện.
Thâm nhập bộ nhớ ngăn xếp. KIẾN TRÚC RISC. 30 CÂU HỎI ÔN TẬP. 31 CHƢƠNG 3: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ.
ĐƢỜNG ĐI DỮ LIỆU. BỘ ĐIỀU KHIỂN. Bộ điều khiển mạch điện tử. Bộ điều khiển vi chƣơng trình.
DIỄN TIẾN THI HÀNH LỆNH MÃ MÁY. 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. KỸ THUẬT ỐNG DẪN. Kỹ thuật ống dẫn (Pipeline). Khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn.
SIÊU ỐNG DẪN. 41 CÂU HỎI ÔN TẬP. 42 CHƢƠNG 4: BỘ NHỚ. CÁC LOẠI BỘ NHỚ.
CÁC CẤP BỘ NHỚ. TRUY CẬP DỮ LIỆU TRONG BỘ NHỚ. BỘ NHỚ CACHE. Vận hành của cache.
Hiệu quả của Cache. Cache duy nhất hay cache riêng lẻ. 53 CÂU HỎI ÔN TẬP. 54 CHƢƠNG 5: THIẾT BỊ NHẬP XUẤT.
CÁC LOẠI THẺ NHỚ. CÁC CHUẨN VỀ BUS. AN TOÀN DỮ LIỆU TRONG LƢU TRỮ. 63 CÂU HỎI ÔN TẬP.
67 CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN MÔN. 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 68 4 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN Tên môn học: Kiến trúc máy tính Mã môn học: MH12 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun: -Vị trí: Môn học được bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung và sau môn học Tin học văn phòng. -Tính chất: Là môn học cơ sở bắt buộc.
-Ý nghĩa và vai trò của mô đun: Cung cấp cho học sinh, sinh viên các kỹ năng cơ bản nhất về máy tính; biết cách lựa chọn các thành phần linh kiện để lắp ráp thành 1 bộ máy tính và cài đặt các phần mềm 1 cách hoàn chỉnh. Mục tiêu của mô đun: -Về Kiến thức: + Giúp học sinh biết lịch sử của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính. + Giúp học sinh hiểu 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.
+ Giúp học sinh hiểu 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 hướng. + Giúp học sinh hiểu chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ. + Giúp học sinh hiểu phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài.
-Về kỹ năng: + Hiệu chỉnh được các thông số để máy tính đạt hiệu suất cao nhất. + Thực hiện được các phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ. -Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Cẩn thận, thao tác nhanh chuẩn xác, tự giác trong học tập. Nội dung của môn học/mô đun Thời gian (giờ) TT Tên các bài trong mô đun Tổng Tổng Thực Kiểm số số hành tra I Chƣơng 1: Tổng quan 16 5 11 I.
Các thế hệ máy tính 1 II. Phân loại máy tính 1 III. Thành quả của máy tính 1 IV. Thông tin và sự mã hóa thông tin 2 11 Chƣơng 2: Kiến trúc phần mềm bộ II 13 6 5 2 xử lý I.
Thành phần cơ bản của một máy 1 2 Tính II. Định nghĩa kiến trúc máy tính 1 III. Tập lệnh 2 2 IV. Kiến trúc RISC 1 1 V.
Toán hạng 1 5 Kiểm tra 2 III Chƣơng 3: Tổ chức bộ xử lý 15 6 9 I. Đường đi dữ liệu 1 1 II. Bộ điều khiển 1 1 III. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy 1 1 IV.
Kỹ thuật ống dẫn 1 2 VI. Siêu ống dẫn 1 2 IV Chƣơng 4: Bộ nhớ 15 4 11 I. Các loại bộ nhớ 1 3 II. Các cấp bộ nhớ 1 3 III.
Truy cập dữ liệu trong bộ nhớ 1 2 IV. Bộ nhớ Cache 1 3 V Chƣơng 5: Thiết bị nhập xuất 12 2 8 2 I. Các loại thẻ nhớ 2 IV. Các chuẩn về BUS 0.
An toàn dữ liệu trong lưu trữ 1 Kiểm tra 2 VI Chƣơng 6: Ôn tập 4 2 2 Cộng 75 25 46 4 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu: Giới thiệu lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính. Giới thiệu các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự. Mục tiêu: Sau khi học xong phần này học sinh có khả năng - Trình bày được các thành phần cơ bản của máy tính cũng như chức năng, nhiệm vụ của chúng trong hệ thống máy tính - Giúp học sinh hiểu lịch sử phát triển của máy tính - Hiểu được các thành phần cơ bản của một máy vi tính - Biết được các thành tựu của máy tính - Hiểu được khái niệm về thông tin - Hiểu các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự Nội dung chính: I. CÁC THẾ HỆ 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. - Thế hệ đầu tiên (1946-1957) Hình I.1: Máy tính ENIAC 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. Đây là một máy tính khổng lồ với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét. ENIAC bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự động, cân nặng 30 tấn, và tiêu thụ 140KW 7 giờ.
Nó 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. + Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa a ý tưởng thiết kế máy tính IAS (Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình được lưu trong bộ nhớ, bộ điều khiển sẽ lấy lệnh và biến đổi giá trị của dữ liệu trong phần bộ nhớ, bộ làm toán và luận lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) được điều khiển để tính toán trên dữ liệu nhị phân, điều khiển hoạt động của các thiết bị vào ra.
Đây là một ý tưởng nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay. Máy tính này còn được gọi là máy tính Von Neumann. Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiên được đưa ra thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được bán ra. - Thế hệ thứ hai (1958-1964) Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947 và do đó thế hệ thứ hai của máy tính được đặc trưng bằng sự thay thế các đèn điện tử bằng các transistor lưỡng cực.
Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor mới xuất hiện trên thị trường. Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn. Vào thời điểm này, mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ được dùng. Ngôn ngữ cấp cao xuất hiện (như FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) và hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing) được dùng.
Trong hệ điều hành này, chương trình của người dùng thứ nhất được chạy, xong đến chương trình của người dùng thứ hai và cứ thế tiếp tục. - Thế hệ thứ ba (1965-1971) + Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạch kết (mạch tích hợp - IC: Integrated Circuit). Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale Integration) có thể chứa vài chục linh kiện và kết độ tích hợp mật độ trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp. + Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ.
Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng. - Thế hệ thứ tƣ (1972-????