Giáo trình Kiến trúc máy tính (Nghề: Kỹ thuật sửa chữa, lắp ráp máy tính – Trình độ Trung cấp)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Kiến trúc máy tính (Mã môn học: MH12) là tài liệu học tập và nghiên cứu chính thức được ban hành theo Quyết định số 70/QĐ-CĐN ngày 11 tháng 01 năm 2019 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề An Giang. Tài liệu do tác giả Nguyễn Hồng Chánh làm chủ biên, cùng sự tham gia phản biện chuyên môn của Huỳnh Trung Hữu và Trần Minh Khang. Trong chương trình đào tạo nghề Kỹ thuật sửa chữa, lắp ráp máy tính trình độ trung cấp, môn học này có tính chất cơ sở bắt buộc, được bố trí giảng dạy sau khi người học đã hoàn thành các môn học chung và môn Tin học văn phòng.

                  CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO TRUNG CẤP
  [Các môn học chung] + [Tin học văn phòng] (Môn tiên quyết)
  [Các mô đun chuyên môn nghề: Sửa chữa, Lắp ráp, Cài đặt]

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định trên ba phương diện cụ thể:

  • Kiến thức: Trang bị sự hiểu biết về lịch sử phát triển, các thế hệ máy tính và phương pháp phân loại; nguyên lý hoạt động của các thành phần trong kiến trúc máy tính; cấu trúc vi xử lý (CPU), đường đi dữ liệu (Datapath), bộ điều khiển mạch điện tử và vi chương trình; các cơ chế xử lý lệnh nâng cao như kỹ thuật ống dẫn (Pipelining) và siêu ống dẫn (Superpipelining); chức năng, tổ chức của các cấp bộ nhớ bán dẫn (SRAM, DRAM, ROM) và bộ nhớ đệm (Cache); các phương pháp đảm bảo an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài.
  • Kỹ năng: Hình thành năng lực tính toán, biến đổi các hệ thống số (Nhị phân, Thập lục phân, BCD, IEEE 754-1985); phân tích hoạt động của tập lệnh hợp ngữ; hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật phần cứng nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống máy tính; thực thi các quy trình bảo vệ an toàn dữ liệu.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện tác phong cẩn thận, thao tác kỹ thuật chuẩn xác và ý thức tự giác nghiên cứu trong quá trình tiếp cận phần cứng máy tính.

Giáo trình có tổng thời lượng đào tạo là 75 giờ, bao gồm 25 giờ lý thuyết, 46 giờ thực hành và 4 giờ kiểm tra định kỳ. Nội dung được chia thành 5 chương chuyên đề và 1 chương ôn tập:

  • Chương 1: Tổng quan (16 giờ: 5 lý thuyết, 11 thực hành)
  • Chương 2: Kiến trúc phần mềm bộ xử lý (13 giờ: 6 lý thuyết, 5 thực hành, 2 kiểm tra)
  • Chương 3: Tổ chức bộ xử lý (15 giờ: 6 lý thuyết, 9 thực hành)
  • Chương 4: Bộ nhớ (15 giờ: 4 lý thuyết, 11 thực hành)
  • Chương 5: Thiết bị nhập xuất (12 giờ: 2 lý thuyết, 8 thực hành, 2 kiểm tra)
  • Chương 6: Ôn tập (4 giờ: 2 lý thuyết, 2 thực hành)

Cấu trúc giáo trình đi từ việc xây dựng nền tảng lý thuyết thông tin, hệ thống số, đến phân tích chi tiết kiến trúc phần mềm, cấu trúc phần cứng của bộ xử lý, hệ thống phân cấp bộ nhớ và thiết bị ngoại vi, đáp ứng trực tiếp khối lượng kiến thức chuẩn cho nghề sửa chữa và lắp ráp máy tính.

Nội dung kiến thức cốt lõi

                                  KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (MH12)
CHƯƠNG 1:           CHƯƠNG 2:             CHƯƠNG 3:            CHƯƠNG 4:           CHƯƠNG 5:
TỔNG QUAN           KIẾN TRÚC PHẦN MỀM    TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ     BỘ NHỚ              THIẾT BỊ NGOẠI VI
• 4 thế hệ máy tính • CPU, Bus, I/O       • Datapath (ALU/REG) • Phân cấp bộ nhớ   • Các loại thẻ nhớ
• Định luật Moore   • RISC vs CISC        • Hardwired vs Micro • SRAM, DRAM, ROM   • Chuẩn Bus I/O
• Biểu diễn số      • Tập lệnh & Toán hạng• Pipeline 5 tầng    • Cache Mapping     • An toàn lưu trữ
• Chuẩn IEEE 754    • Ngăn xếp & Thủ tục  • Xử lý ngắt & Hazard• Hit/Miss/Penalty  • 2h KT định kỳ

Các chương và chủ đề chính

Chương 1: Tổng quan

Trình bày lịch sử phát triển qua 4 thế hệ máy tính điện tử số dựa trên sự thay đổi công nghệ linh kiện:

  • Thế hệ 1 (1946–1957): Dùng đèn điện tử chân không, tiêu biểu là máy tính ENIAC (18.000 đèn điện tử, nặng 30 tấn, tính toán thập phân với tốc độ 5.000 phép cộng/giây do J. Mauchly và J. Eckert thiết kế) và mô hình kiến trúc máy tính Von Neumann (IAS).
  • Thế hệ 2 (1958–1964): Dùng transistor lưỡng cực, xuất hiện mạch in, bộ nhớ xuyến từ, ngôn ngữ cấp cao (FORTRAN, COBOL, ALGOL) và hệ điều hành tuần tự (Batch Processing).
  • Thế hệ 3 (1965–1971): Sử dụng vi mạch tích hợp mật độ thấp và trung bình (SSI, MSI), mạch in nhiều lớp, bộ nhớ bán dẫn và hệ điều hành chia sẻ thời gian.
  • Thế hệ 4 (1972 đến nay): Đánh dấu bởi vi mạch tích hợp mật độ cao (LSI) và rất cao (VLSI) chứa hàng triệu linh kiện, sự xuất hiện của bộ vi xử lý (Microprocessor), máy tính cá nhân, bộ nhớ cache và bộ nhớ ảo.
  • Khuynh hướng thế hệ 5: Định hướng xử lý song song mức độ cao và trí tuệ nhân tạo (dẫn chứng dự án nghiên cứu robot ASIMO của hãng Honda năm 1986–2004).

Nội dung chương cũng bao gồm:

  • Phân loại máy tính theo tính năng và giá thành: Siêu máy tính (Supercomputer), Máy tính lớn (Mainframe), Máy tính mini (Minicomputer), Máy vi tính (Microcomputer).
  • Đánh giá thành quả máy tính qua Định luật Gordon Moore (1965): Dự đoán số lượng transistor trên vi mạch tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng.
  • Lý thuyết thông tin và biểu diễn dữ liệu: Công thức tính lượng thông tin $I = \log_2(N)$; biến đổi các hệ thống số (Nhị phân - Binary, Thập lục phân - Hexadecimal, hệ mã BCD); biểu diễn số nguyên không dấu, số nguyên có dấu $n$ bit (khoảng giá trị $-2^{n-1}$ đến $2^{n-1}-1$); biểu diễn số thực dấu chấm động theo tiêu chuẩn IEEE 754-1985 (định dạng đơn 32 bit và đôi 64 bit theo công thức $R = (-1)^S \cdot (1 + \sum M_i 2^{-i}) \cdot 2^{E - 127}$); cấu trúc bảng mã chuẩn ASCII 7 bit ($2^7 = 128$ tổ hợp).
Định dạng số thực dấu chấm động chính xác đơn IEEE 754 (32-bit):
 31  30                  23 22                                        0
Bit 31: Bit dấu (S) | Bit 30-23: Mũ dịch excess-127 | Bit 22-0: Phần định trị (M)

Chương 2: Kiến trúc phần mềm bộ xử lý

  • Xác định cấu trúc ba thành phần của một hệ máy tính: Bộ xử lý trung tâm (CPU gồm ALU và khối điều khiển), Bộ nhớ trong (RAM tổ chức từ 32 bit, ô nhớ 8 bit), Bộ phận nhập - xuất dữ liệu kết nối thông qua hệ thống Bus (Bus địa chỉ, Bus dữ liệu, Bus điều khiển).
  • Phân biệt ba khái niệm cốt lõi: Kiến trúc phần mềm (Software architecture: tập lệnh, dạng lệnh, kiểu định vị), Tổ chức máy tính (Computer organization: cấu trúc bên trong CPU, bus, các cấp bộ nhớ) và Lắp đặt phần cứng (Hardware implementation). Dẫn chứng sự khác biệt cấu trúc giữa các dòng máy VAX-11/780, VAX 8600 và VAX-11/785.
  • Cú pháp và phân loại tập lệnh hợp ngữ: Lệnh truy xuất bộ nhớ (LOAD, STORE), lệnh tính toán số học nguyên và dấu chấm động (ADD, ADDD, SUB, SUBD, MUL, DIV), lệnh logic bit (AND, OR, XOR, NEG), lệnh dịch chuyển (SLL, SRL, SRA) và quay vòng (ROTATE).
  • Cấu trúc điều khiển chương trình: Ghi nhận mã điều kiện qua 4 bit trạng thái từ ALU gồm bit Dấu (Sign - S), Zero (Z), Tràn (Overflow - OVF), Số giữ (Carry - C); kỹ thuật nhảy có điều kiện (BGT, BRA); cấu trúc quản lý vòng lặp (lệnh BNCT trên PowerPC); quản lý cấu trúc ngăn xếp thông qua con trỏ ngăn xếp SP (PUSH, POP, ADDI, SUBI); cơ chế gọi và trở về từ thủ tục (CALL, RETURN, JMPL, lưu trữ địa chỉ trở về tại thanh ghi R31 hoặc Stack).
  • Phân tích đối chiếu giữa hai trường phái kiến trúc: Kiến trúc tập lệnh phức tạp CISC (Complex Instruction Set Computer) và Kiến trúc tập lệnh rút gọn RISC (Reduced Instruction Set Computer) thông qua các mô hình thực nghiệm ban đầu (IBM 801, RISC I của Patterson tại Berkeley, MIPS của Hennessy tại Stanford, chip Intel i860).
SO SÁNH ĐẶC TÍNH KIẾN TRÚC RISC VÀ CISC:

Chương 3: Tổ chức bộ xử lý

  • Cấu tạo đường đi dữ liệu (Datapath): Khối ALU, các mạch dịch, hệ thống bus nguồn ($S_1, S_2$), bus đích (Dest), hệ thống 32 thanh ghi tổng quát đi kèm các mạch chốt (Chốt A, B, C), các thanh ghi chức năng chuyên dụng gồm: Thanh ghi đếm chương trình (PC), Thanh ghi trạng thái (SR), Thanh ghi tạm (TEMP), Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (MAR), Thanh ghi số liệu bộ nhớ (MBR) và bộ đa hợp (MUX).
  • Cơ chế vận hành của hai dạng bộ điều khiển:
    • Bộ điều khiển mạch điện tử: Thiết kế dựa trên mô hình Automate trạng thái hữu hạn, sử dụng mạch mảng logic lập trình được (PLA) hoặc mạch logic ngẫu nhiên.
    • Bộ điều khiển vi chương trình: Vận hành dựa trên chuỗi các vi lệnh lưu trữ trong bộ nhớ vi chương trình, điều khiển thông qua một vi máy tính tích hợp bên trong bộ xử lý.
  • Diễn tiến thi hành lệnh mã máy qua 5 chu kỳ giai đoạn:
    1. Đọc lệnh (IF - Instruction Fetch): $MAR \leftarrow PC$; $IR \leftarrow M[MAR]$
    2. Giải mã lệnh và đọc thanh ghi nguồn (ID - Instruction Decode): $A \leftarrow Rs_1$; $B \leftarrow Rs_2$; $PC \leftarrow PC + 4$
    3. Thi hành lệnh (EX - Execute): Tính toán địa chỉ bộ nhớ, thực hiện phép toán ALU hoặc tính địa chỉ nhảy
    4. Thâm nhập bộ nhớ hoặc nhảy (MEM - Memory Access): Đọc/ghi $M[MAR] \leftrightarrow MBR$ hoặc nạp địa chỉ nhảy vào PC
    5. Lưu trữ kết quả (RS - Result Storing): $Rd \leftarrow \text{Ngõ ra ALU}$ hoặc $Rd \leftarrow MBR$
  • Cơ chế xử lý Ngắt quãng (Interrupt): Các nguyên nhân phát sinh ngắt (ngoại vi, hệ điều hành, lỗi số học, thiếu trang bộ nhớ, vi phạm vùng cấm, mất điện); quy trình 4 bước lưu trữ trạng thái, thực thi chương trình phục vụ ngắt và khôi phục trạng thái.
  • Kỹ thuật nâng cao hiệu năng CPU:
    • Kỹ thuật đường ống (Pipeline): Cho phép thực hiện đồng thời 5 giai đoạn của nhiều lệnh khác nhau, rút ngắn thời gian xử lý 5 lệnh liên tiếp từ 25 chu kỳ xuống còn 9 chu kỳ xung nhịp.
    • Phân loại và giải quyết các khó khăn trong Pipeline (Hazards): Khó khăn cấu trúc (Structural Hazards - giải quyết bằng cách bổ sung tài nguyên phần cứng riêng biệt), khó khăn dữ liệu (Data Hazards - giải quyết bằng mạch chuyển tiếp dữ liệu trực tiếp Data Forwarding từ ngõ ra ALU), khó khăn điều khiển (Control Hazards do lệnh nhảy - giải quyết bằng cơ chế đóng băng chu kỳ, lệnh nhảy có trì hoãn hoặc lệnh nhảy hủy bỏ như trên kiến trúc SPARC).
    • Kỹ thuật siêu ống dẫn (Superpipelining bậc $n$): Chia mỗi giai đoạn chu kỳ $T_c$ thành $n$ giai đoạn con thực hiện trong thời gian $T_c/n$.
DIỄN TIẾN THI HÀNH LỆNH TRONG PIPELINE 5 GIAI ĐOẠN:
Chu kỳ:   1     2     3     4     5     6     7     8     9
Lệnh 1: [ IF ][ ID ][ EX ][MEM][ RS ]
Lệnh 2:       [ IF ][ ID ][ EX ][MEM][ RS ]
Lệnh 3:             [ IF ][ ID ][ EX ][MEM][ RS ]
Lệnh 4:                   [ IF ][ ID ][ EX ][MEM][ RS ]
Lệnh 5:                         [ IF ][ ID ][ EX ][MEM][ RS ]
(Thực thi 5 lệnh hoàn tất trong 9 chu kỳ thay vì 25 chu kỳ tuần tự)

Chương 4: Bộ nhớ

  • Phân loại công nghệ bộ nhớ bán dẫn:
    • Bộ nhớ RAM (truy xuất ngẫu nhiên): Phân biệt RAM tĩnh (SRAM - chế tạo theo công nghệ ECL/BiCMOS, mỗi bit nhớ gồm 6 transistor, tốc độ cao, không bị mất dữ liệu khi đọc) và RAM động (DRAM - chế tạo theo công nghệ MOS, mỗi bit nhớ gồm 1 transistor và 1 tụ điện, yêu cầu chu kỳ làm tươi bộ nhớ sau mỗi $2,\mu\text{s}$). Các chuẩn DRAM phát triển gồm: SDRAM (tốc độ bus 66–133 MHz), DDR SDRAM (tốc độ 200–400 MHz nhờ truyền dữ liệu 2 lần/chu kỳ) và RDRAM (tốc độ 400–800 MHz, sử dụng kênh truyền tuần tự dạng module RIMM).
    • Bộ nhớ chỉ đọc ROM: ROM mặt nạ (Mask ROM), PROM (lập trình một lần), EPROM (xóa bằng tia cực tím) và EEPROM (xóa và ghi bằng tín hiệu điện).
  • Cấu trúc phân cấp bộ nhớ và hai mức tổ chức chính: Mức Cache – Bộ nhớ trong và Mức Bộ nhớ ảo (Bộ nhớ trong kết hợp không gian cấp phát trên đĩa từ).
  • Cơ chế vận hành của bộ nhớ đệm (Cache):
    • Dựa trên hai nguyên lý định vị: Nguyên lý cục bộ thời gian (Temporal Locality) và Nguyên lý cục bộ không gian (Spatial Locality).
    • Các trạng thái vận hành: Thành công cache (Cache Hit), Thất bại cache (Cache Miss) và Thời gian phạt xử lý thất bại (Cache Penalty).
    • Ba phương pháp ánh xạ sắp xếp khối dữ liệu từ bộ nhớ trong vào cache:
      1. Tương ứng trực tiếp (Direct Mapped): Khối $i$ của bộ nhớ được đặt vào vị trí $K$ trong cache theo công thức $K = i \bmod n$ (với $n$ là tổng số khối của cache).
      2. Phối hợp hoàn toàn (Fully Associative): Khối dữ liệu có thể đặt vào bất kỳ vị trí trống nào trong cache.
      3. Phối hợp theo tập hợp (Set Associative): Cache được chia thành các tập hợp, vị trí khối xác định theo công thức $K = i \bmod s$ (với $s$ là số lượng tập hợp trong cache).
    • Quản lý địa chỉ cache: Sử dụng trường nhãn (Tag), trường chỉ số khối (Index), trường độ dời từ trong khối (Offset) và bit hợp lệ (Valid bit) để xác thực tính toàn vẹn của khối dữ liệu.
MÔ HÌNH PHÂN CẤP HỆ THỐNG BỘ NHỚ:

Chương 5 & Chương 6: Thiết bị nhập xuất và Ôn tập

Khái quát về các loại thẻ nhớ lưu trữ bán dẫn, các chuẩn giao tiếp hệ thống Bus mở rộng kết nối thiết bị ngoại vi, các phương pháp bảo vệ an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ thứ cấp và hệ thống câu hỏi bài tập tổng hợp toàn bộ 5 chương.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  1. Lý thuyết nền tảng (Fundamental Theories):

    • Lý thuyết thông tin và định lượng trạng thái: Xác định đơn vị bit và mối quan hệ thông tin theo hàm logarit cơ số 2 ($I = \log_2 N$).
    • Nguyên lý máy tính Von Neumann: Mô hình chương trình lưu trữ (Stored-program concept), trong đó mã lệnh và dữ liệu được nạp chung vào bộ nhớ trong, được CPU trích xuất và thực thi tuần tự.
    • Định luật kinh tế kỹ thuật vi điện tử: Định luật Moore về tốc độ thu nhỏ kích thước linh kiện bán dẫn, giảm độ trễ cổng logic (giảm 25%/năm) và tăng trưởng xung nhịp xử lý theo hàm số mũ.

  2. Nguyên lý cốt lõi (Core Principles):

    • Nguyên lý định vị tham chiếu dữ liệu (Locality of Reference): Quy luật 90/10 trong thực thi phần mềm (chương trình dành 90% thời gian chạy để thực thi 10% khối lượng mã lệnh), làm cơ sở toán học để thiết lập các tầng đệm Cache.
    • Nguyên lý chuyển trạng thái Automate: Áp dụng lý thuyết máy trạng thái hữu hạn để thiết kế các chu kỳ điều khiển vi mạch phần cứng.
    • Nguyên lý phân đoạn xử lý song song mức lệnh: Kỹ thuật phân chia một tác vụ lớn thành chuỗi các giai đoạn con độc lập vận hành đồng thời (Pipeline Datapath).

  3. Khung cấu trúc chuẩn hóa (Essential Frameworks):

    • Khung kiến trúc tập lệnh: Chuẩn phân loại RISC/CISC, cấu trúc địa chỉ hóa thanh ghi và quy tắc thâm nhập bộ nhớ qua cặp lệnh duy nhất LOAD/STORE.
    • Tiêu chuẩn biểu diễn số học dấu chấm động IEEE 754-1985: Chuẩn hóa việc lưu trữ số thực trên máy tính với 3 trường phân định (Bit dấu, Mã mũ excess, Phần định trị).
    • Mô hình phân tầng bộ nhớ máy tính: Khung kiến trúc đa cấp cân bằng giữa tốc độ truy xuất, dung lượng lưu trữ và giá thành bit nhớ.

Kỹ năng phát triển

                KHUNG NĂNG LỰC VÀ KỸ NĂNG ĐÀO TẠO (MH12)
  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thực hiện thành thạo các phép tính chuyển đổi số học giữa các hệ cơ số 2, 10, 16 và hệ mã BCD; mã hóa và giải mã số thực theo chuẩn IEEE 754 đơn/đôi; đọc, hiểu và phân tích cú pháp các lệnh hợp ngữ cơ bản phục vụ việc gán trị, phân nhánh điều khiển, thao tác ngăn xếp và truyền tham số hàm.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích luồng vận chuyển dữ liệu trên Datapath và các tác động điều khiển tương ứng trong từng chu kỳ xung nhịp; nhận diện các điểm xung đột cấu trúc, dữ liệu và điều khiển trong vi xử lý có sử dụng kỹ thuật ống dẫn; tính toán xác định vị trí đặt khối, nhãn kiểm tra và tỷ lệ trúng/trượt (Hit/Miss) của các cấu hình bộ nhớ Cache.
  • Năng lực thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Đánh giá các thông số kỹ thuật phần cứng (tần số xung nhịp, băng thông bus, thời gian thâm nhập RAM, dung lượng cache); lựa chọn và lắp ráp các thành phần linh kiện máy tính tương thích; cấu hình thông số hệ thống để tối ưu hóa hiệu năng; áp dụng các giải pháp phần mềm và phần cứng để đảm bảo an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình Kiến trúc máy tính được xây dựng theo định hướng tích hợp lý thuyết với kỹ năng thực hành nghề nghiệp. Tổng thời lượng 75 giờ được phân bổ với 46 giờ thực hành (chiếm hơn 61% khối lượng mô đun) và 25 giờ giảng dạy lý thuyết, đảm bảo người học nắm bắt cơ sở vi kiến trúc đồng thời thao tác trực tiếp trên các cấu hình phần cứng.

PHÂN BỔ THỜI LƯỢNG MÔ ĐUN MH12 (TỔNG SỐ: 75 GIỜ):
  • Phương pháp sư phạm (Pedagogical approach): Giảng viên sử dụng sơ đồ khối, bảng đặc tính kỹ thuật và lưu đồ diễn tiến tín hiệu để mô phỏng hoạt động bên trong CPU và phân cấp bộ nhớ. Lý thuyết được truyền đạt theo phương pháp diễn dịch: đi từ các nguyên lý toán học (lý thuyết thông tin, đại số nhị phân) đến các giải pháp thiết kế kiến trúc phần cứng cụ thể.
  • Bài tập và nghiên cứu tình huống (Case studies): Mỗi chương đều tích hợp hệ thống câu hỏi ôn tập định lượng và định tính. Các bài tập tiêu biểu bao gồm: tính toán lượng thông tin cho $N$ trạng thái ($I = \log_2 4096$); biến đổi các số thực cụ thể như $(9,75)_{10}$ sang dạng nhị phân dấu chấm động 32 bit chuẩn IEEE 754; phân tích chuỗi lệnh hợp ngữ thực thi cấu trúc rẽ nhánh điều khiển để so sánh hiệu năng giữa lệnh nhảy có điều kiện và lệnh di chuyển dữ liệu có điều kiện.
  • Thực hành và bài tập ứng dụng (Practical exercises): Học sinh thực hiện các bài tập thực hành phân tích cấu trúc thanh ghi, mô phỏng quá trình nạp lệnh qua các thanh ghi PC, MAR, IR, MBR; tính toán các bước giải quyết xung đột dữ liệu bằng kỹ thuật đưa dữ liệu trực tiếp (Data Forwarding); thực hành bài toán phân bố khối dữ liệu vào bộ nhớ Cache theo các sơ đồ tương ứng trực tiếp và phối hợp tập hợp.
  • Phương pháp đánh giá (Assessment methods): Bao gồm kiểm tra đánh giá thường xuyên trong quá trình học thực hành, hai bài kiểm tra định kỳ (mỗi bài 2 giờ tại Chương 2 và Chương 5) và bài thi kết thúc mô đun kết hợp giữa bài tập tính toán kiến trúc máy tính và kỹ năng hiệu chỉnh thông số linh kiện phần cứng.
  • Hướng dẫn tự học (Self-study guidelines): Người học cần tự giải quyết toàn bộ hệ thống câu hỏi ôn tập ở cuối mỗi chương (tổng cộng hơn 30 câu hỏi chuyên sâu từ Chương 1 đến Chương 5); tra cứu thuật ngữ trong bảng Các thuật ngữ chuyên môn ở trang 68 của giáo trình; chủ động thực hành lại các bước chuyển đổi cơ số và biểu diễn dạng mã nhị phân.

Điểm nổi bật và cập nhật

Nội dung giáo trình phản ánh các tiến trình phát triển của công nghệ máy tính số từ giai đoạn sơ khai đến các hệ thống xử lý hiện đại:

  • Cập nhật công nghệ qua các thế hệ: Giáo trình trình bày chi tiết sự chuyển dịch từ các linh kiện đèn điện tử chân không đầu tiên (ENIAC 1946) sang transistor lưỡng cực (1947), mạch tích hợp quy mô nhỏ SSI, trung bình MSI (thập niên 1960), đến các vi mạch tích hợp quy mô rất cao VLSI chứa hàng triệu transistor trên một đế silicon đơn lẻ.
  • Phân tích đối chiếu các dòng vi xử lý thực tế: Giáo trình trích xuất và phân tích thông số kỹ thuật của các kiến trúc máy tính lịch sử và thương mại: so sánh các dòng máy VAX-11/780, VAX 8600 và VAX-11/785 của hãng DEC; mô tả ba mẫu vi xử lý RISC tiền đề (IBM 801, Berkeley RISC I, Stanford MIPS); tích hợp tập lệnh của kiến trúc SPARC (Sun Microsystems), PowerPC (liên minh Apple-IBM-Motorola) và vi xử lý tích hợp Intel i860.
  • Tích hợp các xu hướng kiến trúc hiện đại: Trình bày nguyên lý của các kỹ thuật xử lý nâng cao bao gồm kỹ thuật đường ống đa tầng (Pipeline 5 tầng), kỹ thuật siêu ống dẫn (Superpipeline bậc $n$), và xu hướng xử lý song song với kiến trúc đa bộ xử lý (Multiprocessor) của máy tính thế hệ thứ 5.
  • Chuẩn hóa công nghệ bộ nhớ: Phản ánh tiến trình phát triển của các công nghệ bộ nhớ bán dẫn từ SRAM, DRAM cơ bản đến các chuẩn bộ nhớ đồng bộ tốc độ cao SDRAM (66–133 MHz), DDR SDRAM (200–400 MHz) và kiến trúc kênh truyền RDRAM (400–800 MHz với module RIMM).
  • Tính thực tiễn trong liên hệ công nghiệp: Nội dung giảng dạy bám sát các tiêu chuẩn công nghiệp quốc tế như chuẩn biểu diễn số thực IEEE 754-1985 của Hiệp hội Kỹ sư Điện và Điện tử, chuẩn mã hóa ký tự ASCII 7 bit, và các quy tắc thiết kế phần cứng của các tập đoàn máy tính lớn (Intel, IBM, HP, Honda).

Đối tượng sử dụng giáo trình

                       ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG GIÁO TRÌNH
  • Học sinh, sinh viên: Giáo trình phục vụ trực tiếp cho học sinh học nghề Kỹ thuật sửa chữa, lắp ráp máy tính ở trình độ Trung cấp tại các trường cao đẳng nghề, trung cấp nghề. Đây là tài liệu bắt buộc để hoàn thành mô đun MH12 trong chương trình đào tạo.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học bắt buộc phải hoàn thành các môn học chung trong chương trình trung cấp và đã đạt yêu cầu mô đun Tin học văn phòng trước khi tiếp cận môn học này.
  • Giảng viên chuyên ngành: Giảng viên sử dụng tài liệu làm căn cứ biên soạn giáo án, phân bổ nội dung giảng dạy chi tiết theo định mức 25 giờ lý thuyết, 46 giờ thực hành và 4 giờ kiểm tra; đồng thời sử dụng hệ thống bài tập, câu hỏi ôn tập để xây dựng ngân hàng đề kiểm tra định kỳ và đề thi kết thúc mô đun.
  • Kỹ thuật viên và người tự học: Tài liệu là nguồn tham khảo có cấu trúc hệ thống dành cho kỹ thuật viên bảo trì máy tính, người tự học có nhu cầu nắm vững cấu trúc tổ chức CPU, cơ chế phân cấp bộ nhớ, bảng mã ký tự, cách tính toán ánh xạ Cache và phương pháp đảm bảo an toàn dữ liệu trong các hệ thống máy tính số.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được biên soạn cho đối tượng nào và thuộc cấp độ đào tạo nào?

Giáo trình được biên soạn chính thức cho học sinh, sinh viên theo học nghề Kỹ thuật sửa chữa, lắp ráp máy tính ở trình độ Trung cấp, ban hành theo Quyết định số 70/QĐ-CĐN ngày 11/01/2019 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề An Giang.

2. Người học cần đáp ứng những điều kiện tiên quyết nào trước khi học môn này?

Theo quy định chương trình đào tạo mô đun MH12, người học cần hoàn thành xong các môn học đại cương/chung và đã học xong môn Tin học văn phòng để có hiểu biết cơ bản về thao tác máy tính trước khi nghiên cứu kiến trúc phần cứng và tập lệnh.

3. Giáo trình tập trung phân tích những kiến trúc vi xử lý và dòng máy tính nào?

Giáo trình phân tích chi tiết hai trường phái kiến trúc chính là RISC và CISC; trích dẫn các dẫn chứng vi kiến trúc thực tế bao gồm: máy tính ENIAC, máy tính IAS của Von Neumann, các dòng máy VAX-11/780, VAX 8600, VAX-11/785, các mẫu chip RISC đầu tiên (IBM 801, Berkeley RISC I, Stanford MIPS), vi xử lý Intel i860, SPARC và PowerPC.

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao nhất?

Người học cần kết hợp việc đọc hiểu lý thuyết với việc giải các bài tập định lượng tại phần Câu hỏi ôn tập ở cuối mỗi chương; thực hành các phép chuyển đổi hệ đếm (Nhị phân, Thập lục phân, BCD), chuẩn số thực IEEE 754; vẽ sơ đồ phân tích luồng dữ liệu Datapath qua 5 giai đoạn thực thi lệnh và giải các bài toán ánh xạ địa chỉ vào bộ nhớ Cache.

5. Tài liệu có cung cấp các bảng tra cứu và tài liệu hỗ trợ đi kèm không?

Giáo trình tích hợp bảng đối chiếu hệ thập lục phân - nhị phân - thập phân (Bảng I.1), bảng mã chuẩn ký tự ASCII 7 bit hoàn chỉnh với 128 mã điều khiển và ký tự (Bảng 2-2/trang 18), bảng phân loại các kiểu bộ nhớ bán dẫn, phần Các thuật ngữ chuyên môn và danh mục Tài liệu tham khảo tại trang 68.

Kết luận

Giáo trình Kiến trúc máy tính (Mã môn học: MH12) của Trường Cao đẳng Nghề An Giang cung cấp một hệ thống kiến thức hoàn chỉnh, chuẩn mực về vi kiến trúc máy tính số và phần mềm điều khiển phần cứng. Với tỷ trọng 46 giờ thực hành trên tổng số 75 giờ đào tạo, tài liệu đảm bảo sự cân bằng giữa lý thuyết giải thuật phần cứng và năng lực kỹ thuật thực tế cho nghề Sửa chữa, Lắp ráp máy tính.

Lộ trình học tập đề xuất theo giáo trình:

  [Chương 1: Hệ thống số, Biểu diễn dữ liệu, Lịch sử thế hệ máy tính]
  [Chương 2: Tập lệnh Hợp ngữ, Cơ chế phân nhánh, Kiến trúc RISC/CISC]
  [Chương 3: Tổ chức Datapath, Bộ điều khiển mạch/vi lệnh, Pipeline 5 tầng]
  [Chương 4: Phân cấp bộ nhớ, Công nghệ SRAM/DRAM, Vận hành bộ nhớ Cache]
  [Chương 5 & 6: Thiết bị ngoại vi, Chuẩn Bus, An toàn dữ liệu & Ôn tập MH12]

Tài liệu là công cụ học tập và giảng dạy cốt lõi, giúp người học làm chủ các nguyên lý máy tính điện tử, tối ưu hóa phần cứng và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật trong công việc sửa chữa, lắp ráp máy tính hiện đại.