Slide Bài Giảng Kiến Trúc Máy Tính (Full) - Tác giả Nguyễn Hoàng Sơn

Tài liệu slide Nguyễn Hoàng Sơn về kiến trúc máy tính, được chia sẻ rộng rãi trên tài liệu cuuduongthancong, là một nguồn tham khảo nền tảng cho… 56 trang.

• Đề tài: Kien Truc May Tinh Nguyen Hoang Son

Mục lục chi tiết

• Tài liệu tham khảo
• 1. Bài 1: GIỚI THIỆU - Kiến trúc & Tổ chức máy tính
• 1.1. Tổ chức và Kiến trúc
• 1.2. Cấu trúc và Chức năng
• 1.3. Chức năng máy tính
• 1.4. Các thành phần chính
• 1.5. Sơ lược lịch sử phát triển
• 1.5.1. Thế hệ thứ nhất
• 1.5.2. Thế hệ thứ hai
• 1.5.3. Thế hệ thứ 3
• 1.5.4. Thế hệ thứ 4
• 1.6. Nâng cao chất lượng
• 1.7. Giải pháp cân đối hiệu suất
• 1.8. Cải thiện tổ chức và cấu trúc chip
• 2. Bài 2: GENERAL-PURPOSE COMPUTER VÀ STORED-PROGRAM
• 2.1. Sự xuất hiện stored-program và general-purpose hardware
• 2.2. Phát sinh tín hiệu điều khiển
• 2.3. Ba khái niệm cơ bản về stored-program
• 2.4. I/O module
• 2.5. Bộ nhớ chính
• 3. Bài 3: KIẾN TRÚC VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC HARVARD
• 3.1. Kiến trúc Von Neumann
• 3.2. Cấu trúc của máy tính IAS
• 3.3. Máy Von Neumann

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Toàn Diện Kiến Trúc Máy Tính Nguyễn Hoàng Sơn

Tài liệu slide Nguyễn Hoàng Sơn về kiến trúc máy tính, được chia sẻ rộng rãi trên tài liệu cuuduongthancong, là một nguồn tham khảo nền tảng cho sinh viên ngành công nghệ thông tin. Nội dung này cung cấp một cái nhìn tổng quan nhưng chi tiết về cách một hệ thống máy tính được cấu thành và vận hành. Trước khi đi sâu vào các mô hình phức tạp như kiến trúc Von Neumann, điều cần thiết là phải nắm vững các khái niệm cốt lõi. Tài liệu bắt đầu bằng việc phân định rõ ràng hai thuật ngữ thường bị nhầm lẫn: kiến trúc và tổ chức máy tính. Kiến trúc máy tính đề cập đến các thuộc tính hệ thống mà một lập trình viên có thể thấy được, những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực thi logic của một chương trình. Các thuộc tính này bao gồm tập lệnh máy tính, số bit dùng để biểu diễn các kiểu dữ liệu, cơ chế vào/ra (I/O) và các kỹ thuật định địa chỉ. Ngược lại, tổ chức máy tính liên quan đến các đơn vị hoạt động và sự liên kết giữa chúng để hiện thực hóa các đặc tả kiến trúc. Đây là những chi tiết phần cứng ẩn sau "bức màn" đối với lập trình viên, ví dụ như tín hiệu điều khiển, giao diện giữa các thành phần và công nghệ bộ nhớ được sử dụng. Hiểu rõ sự khác biệt này là bước đầu tiên để tiếp cận và thiết kế các hệ thống máy tính hiệu quả. Bốn chức năng cơ bản của một máy tính cũng được nhấn mạnh, bao gồm: xử lý dữ liệu (Data Processing), lưu trữ dữ liệu (Data Storage), di chuyển dữ liệu (Data Movement), và điều khiển (Control). Tất cả các thành phần trong máy tính đều phối hợp để thực hiện bốn chức năng này, tạo nên một cỗ máy tính toán mạnh mẽ và linh hoạt.

1.1. Phân biệt kiến trúc và tổ chức máy tính cơ bản

Trong bài giảng kiến trúc máy tính, sự phân biệt giữa "kiến trúc" và "tổ chức" là vô cùng quan trọng. Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) là những gì người lập trình thấy, bao gồm tập lệnh, định dạng dữ liệu, và cách truy cập bộ nhớ. Đây là "bản thiết kế" logic của hệ thống. Ngược lại, tổ chức máy tính (Computer Organization) là cách các thành phần vật lý như bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ chính (RAM), và thiết bị vào/ra (I/O) được kết nối và phối hợp với nhau để thực thi kiến trúc đó. Ví dụ, việc một máy tính có lệnh nhân (multiply instruction) là một đặc tả kiến trúc. Còn việc lệnh đó được thực hiện bằng một đơn vị phần cứng chuyên dụng hay bằng thuật toán lặp lại phép cộng là một quyết định thuộc về tổ chức.

1.2. Bốn chức năng cốt lõi của một hệ thống máy tính

Mọi máy tính, dù đơn giản hay phức tạp, đều thực hiện bốn chức năng chính. Thứ nhất là xử lý dữ liệu, thực hiện các phép toán số học và logic. Thứ hai là lưu trữ dữ liệu, bao gồm lưu trữ tạm thời trong RAM và lưu trữ lâu dài. Thứ ba là di chuyển dữ liệu giữa máy tính và thế giới bên ngoài thông qua các thiết bị vào/ra (I/O). Cuối cùng là chức năng điều khiển, do đơn vị điều khiển (CU) trong CPU quản lý, đảm bảo rằng tất cả các thành phần hoạt động một cách đồng bộ và chính xác theo chỉ dẫn của chương trình. Bốn chức năng này tạo thành một vòng lặp hoạt động liên tục, cho phép máy tính thực hiện vô số tác vụ khác nhau.

1.3. Vai trò của tài liệu cuuduongthancong trong học tập

Các nền tảng chia sẻ tài liệu như tài liệu cuuduongthancong đóng một vai trò thiết yếu trong việc hỗ trợ sinh viên tiếp cận các bài giảng kiến trúc máy tính chất lượng. Các slide của giảng viên Nguyễn Hoàng Sơn là một ví dụ điển hình, hệ thống hóa kiến thức từ cơ bản đến nâng cao. Việc có một nguồn tài liệu tập trung giúp người học dễ dàng theo dõi, ôn tập và đào sâu nghiên cứu về các chủ đề quan trọng như nguyên lý Von Neumann hay kiến trúc Harvard, tạo nền tảng vững chắc cho các môn học chuyên ngành sau này.

II. Phân Tích Hạn Chế Máy Tính Trước Nguyên Lý Von Neumann

Trước khi cuộc cách mạng về khái niệm chương trình lưu trữ (stored-program) ra đời, các máy tính thế hệ đầu tiên phải đối mặt với những thách thức to lớn về lập trình và vận hành. Máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là một minh chứng tiêu biểu. Được hoàn thành vào năm 1946, ENIAC là một cỗ máy khổng lồ, nặng 30 tấn và sử dụng 18.000 bóng đèn chân không. Mặc dù có khả năng tính toán vượt trội vào thời điểm đó, việc lập trình cho nó là một quy trình cực kỳ nặng nề và tốn thời gian. Thay vì viết mã lệnh bằng phần mềm, các kỹ sư phải lập trình bằng cách "nối dây phần cứng" (hardwired programming). Điều này có nghĩa là để thực hiện một phép tính mới, người ta phải cấu hình lại toàn bộ hệ thống bằng cách cắm và rút hàng ngàn dây cáp và công tắc. Quá trình này có thể mất nhiều ngày hoặc thậm chí nhiều tuần cho một bài toán phức tạp. Sự thiếu linh hoạt này khiến ENIAC và các máy tính tương tự trở nên không hiệu quả cho các tác vụ đa mục đích. Mỗi khi có một yêu cầu tính toán mới, một "chương trình" phần cứng mới phải được thiết kế và triển khai thủ công. Đây chính là rào cản lớn nhất, hạn chế tiềm năng của máy tính. Nhu cầu về một phương pháp lập trình linh hoạt hơn, nơi các chỉ thị có thể được nạp và thay đổi dễ dàng, đã trở nên cấp thiết. Đây chính là bối cảnh lịch sử đã thúc đẩy nhà toán học John von Neumann đề xuất một mô hình kiến trúc đột phá, thay đổi vĩnh viễn ngành khoa học máy tính.

2.1. Lập trình phần cứng Thách thức của máy tính ENIAC

Máy tính ENIAC, một trong những máy tính điện tử đầu tiên, không có khái niệm về chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ. Để thực hiện một tác vụ, các kỹ sư phải thiết kế một cấu hình kết nối vật lý giữa các thành phần logic. Quá trình này được gọi là lập trình phần cứng. Mỗi chương trình là một sơ đồ đi dây phức tạp. Việc thay đổi chương trình đồng nghĩa với việc phải thiết kế lại và đi dây lại toàn bộ hệ thống. Sự cồng kềnh và thiếu hiệu quả của phương pháp này là động lực chính cho việc tìm kiếm một mô hình tổ chức máy tính linh hoạt và mạnh mẽ hơn.

2.2. Sự bất tiện và thiếu linh hoạt của chương trình hardwired

Chương trình "hardwired" về cơ bản là cố định và không thể thay đổi một cách nhanh chóng. Điều này làm cho máy tính chỉ hiệu quả cho một loại nhiệm vụ cụ thể mà nó được thiết kế ban đầu. Việc tái sử dụng máy tính cho một mục đích khác là cực kỳ tốn kém về thời gian và công sức. Hạn chế này đã thôi thúc các nhà khoa học, tiêu biểu là John von Neumann và Alan Turing, phát triển một ý tưởng mang tính cách mạng: lưu trữ cả chương trình (instructions) và dữ liệu (data) trong cùng một bộ nhớ, cho phép máy tính trở thành một cỗ máy đa năng thực sự.

III. Giải Mã Chi Tiết Cấu Trúc Máy Tính Von Neumann IAS

Từ những hạn chế của ENIAC, nhà toán học John von Neumann đã đề xuất một thiết kế máy tính mới gọi là IAS (Institute for Advanced Studies), trở thành khuôn mẫu cho hầu hết các máy tính đa năng sau này. Cấu trúc này, ngày nay được biết đến rộng rãi với tên gọi kiến trúc Von Neumann, dựa trên khái niệm chương trình lưu trữ (stored-program). Điểm đột phá cốt lõi là cả dữ liệu (data) và chỉ thị (instructions) đều được lưu trữ trong cùng một bộ nhớ chính (RAM) và có thể truy cập theo địa chỉ. Máy máy tính Von Neumann bao gồm bốn thành phần chính. Đầu tiên là bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ não của hệ thống, chịu trách nhiệm thực thi các lệnh. Thứ hai là bộ nhớ chính, nơi lưu trữ cả chương trình và dữ liệu. Thứ ba là thiết bị vào/ra (I/O), cầu nối giữa máy tính và người dùng hoặc các thiết bị khác. Cuối cùng là hệ thống bus (System Interconnection), cung cấp cơ chế truyền thông, liên kết ba thành phần trên lại với nhau. Bên trong CPU lại có các thành phần nhỏ hơn nhưng cực kỳ quan trọng: Đơn vị Số học và Logic (ALU) thực hiện các phép toán, Đơn vị Điều khiển (CU) diễn giải các lệnh từ bộ nhớ và điều khiển hoạt động của toàn hệ thống, và các thanh ghi (registers) để lưu trữ tạm thời dữ liệu và địa chỉ. Hoạt động của máy tính dựa trên một chu trình lệnh lặp đi lặp lại, gọi là chu trình tìm nạp - thực thi (fetch-execute cycle), trong đó CU tìm nạp lệnh từ bộ nhớ, giải mã và ra lệnh cho ALU hoặc các bộ phận khác thực thi.

3.1. Các thành phần chính CPU bộ nhớ chính và thiết bị I O

Mô hình máy tính Von Neumann được xây dựng dựa trên sự tương tác của ba khối chức năng cơ bản được kết nối bởi hệ thống bus. Bộ xử lý trung tâm (CPU) là nơi diễn ra mọi hoạt động tính toán và điều khiển. Bộ nhớ chính (RAM) đóng vai trò là không gian làm việc, lưu trữ chương trình đang chạy và dữ liệu cần xử lý. Các thiết bị vào/ra (I/O), chẳng hạn như bàn phím, màn hình, ổ cứng, cho phép máy tính giao tiếp với môi trường bên ngoài. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa ba thành phần này là nền tảng cho mọi hoạt động của máy tính hiện đại.

3.2. Cấu trúc bên trong bộ xử lý trung tâm CPU ALU và CU

Bộ xử lý trung tâm (CPU) là thành phần phức tạp nhất. Nó chứa Đơn vị Số học và Logic (ALU), có chức năng thực hiện các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia) và các phép toán logic (AND, OR, NOT). Bên cạnh đó là Đơn vị Điều khiển (CU), có vai trò như một "nhạc trưởng", đọc các chỉ thị từ bộ nhớ, giải mã chúng và tạo ra các tín hiệu điều khiển để chỉ đạo hoạt động của ALU, bộ nhớ và các thiết bị I/O. Các thanh ghi là các bộ nhớ nhỏ, tốc độ cao nằm ngay trong CPU để lưu trữ tạm thời thông tin quan trọng.

3.3. Tìm hiểu chu trình lệnh Chu trình tìm nạp thực thi

Hoạt động cơ bản của một CPU theo nguyên lý Von Neumann là thực hiện liên tục chu trình lệnh. Chu trình này bắt đầu bằng bước "Tìm nạp" (Fetch), khi Đơn vị Điều khiển (CU) lấy một lệnh từ bộ nhớ chính (RAM). Sau đó là bước "Giải mã" (Decode), CU phân tích lệnh để xác định thao tác cần thực hiện. Cuối cùng là bước "Thực thi" (Execute), CU gửi tín hiệu điều khiển đến các bộ phận thích hợp (thường là ALU) để thực hiện lệnh đó. Chu trình tìm nạp - thực thi này lặp lại liên tục, xử lý hết lệnh này đến lệnh khác, tạo thành dòng chảy thực thi của một chương trình.

IV. Đánh Giá Ưu Nhược Điểm Vấn Đề Thắt Cổ Chai Von Neumann

Mặc dù kiến trúc Von Neumann đã tạo ra một cuộc cách mạng và trở thành tiêu chuẩn cho máy tính đa năng, nó vẫn tồn tại một nhược điểm cố hữu được gọi là vấn đề thắt cổ chai Von Neumann (Von Neumann bottleneck). Vấn đề này phát sinh từ việc sử dụng chung một bus dữ liệu duy nhất cho cả việc truy xuất lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ chính. Vì CPU xử lý nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ truy cập bộ nhớ, nó thường xuyên phải ở trong trạng thái chờ đợi bộ nhớ cung cấp lệnh hoặc dữ liệu tiếp theo. Đường bus chung này trở thành một "nút thắt cổ chai", giới hạn hiệu năng tổng thể của hệ thống, bởi vì CPU không thể đồng thời vừa đọc một lệnh mới, vừa ghi kết quả của lệnh trước đó vào bộ nhớ. Tình trạng này càng trở nên nghiêm trọng khi khoảng cách về tốc độ giữa CPU và bộ nhớ ngày càng lớn theo Định luật Moore. Để giải quyết hạn chế này, các nhà thiết kế đã đưa ra nhiều giải pháp cải tiến. Một trong những giải pháp phổ biến nhất là sử dụng bộ nhớ đệm (cache), một bộ nhớ nhỏ, tốc độ cao nằm giữa CPU và RAM. Một hướng tiếp cận khác triệt để hơn là sử dụng một kiến trúc khác, tiêu biểu là kiến trúc Harvard. Kiến trúc này giải quyết trực tiếp vấn đề bằng cách sử dụng các bộ nhớ và các đường bus riêng biệt cho lệnh và dữ liệu, cho phép CPU truy cập cả hai cùng một lúc, từ đó tăng đáng kể thông lượng và hiệu suất hệ thống.

4.1. Phân tích nguyên nhân gây ra hiện tượng bottleneck

Vấn đề thắt cổ chai Von Neumann xuất phát từ việc chia sẻ một đường truyền (bus) duy nhất giữa bộ xử lý trung tâm (CPU) và bộ nhớ chính. CPU chỉ có thể thực hiện một thao tác với bộ nhớ tại một thời điểm: hoặc là đọc một lệnh, hoặc là đọc/ghi một dữ liệu. Trong khi đó, tốc độ xử lý của CPU tăng nhanh hơn nhiều so với tốc độ của bộ nhớ và bus. Kết quả là hệ thống bus trở thành điểm nghẽn, làm chậm toàn bộ hệ thống vì CPU phải liên tục chờ đợi.

4.2. So sánh kiến trúc Harvard Giải pháp cho thắt cổ chai

Để khắc phục nhược điểm của mô hình Von Neumann, kiến trúc Harvard đã được đề xuất. Điểm khác biệt cơ bản là kiến trúc Harvard có các bộ nhớ và các đường bus riêng biệt cho lệnh và dữ liệu. Điều này cho phép CPU có thể tìm nạp lệnh tiếp theo trong khi đang thực thi lệnh hiện tại (liên quan đến truy cập dữ liệu). Khả năng truy cập đồng thời này giúp loại bỏ vấn đề thắt cổ chai Von Neumann, làm cho kiến trúc này rất phổ biến trong các hệ thống yêu cầu hiệu suất cao như bộ xử lý tín hiệu số (DSP) và vi điều khiển.

V. Tương Lai Kiến Trúc Máy Tính Di Sản Từ Slide Nguyễn Hoàng Sơn

Những kiến thức nền tảng trong slide Nguyễn Hoàng Sơn không chỉ có giá trị lịch sử mà còn là kim chỉ nam để hiểu được sự phát triển của kiến trúc máy tính hiện đại. Di sản của nguyên lý Von Neumann vẫn còn hiện hữu trong hầu hết các máy tính cá nhân và máy chủ ngày nay, nhưng đã được bổ sung và cải tiến bằng vô số kỹ thuật để vượt qua các giới hạn vốn có. Một trong những giải pháp quan trọng nhất được đề cập trong tài liệu là việc sử dụng bộ nhớ đệm (cache) đa cấp (L1, L2, L3). Cache là một bộ nhớ nhỏ nhưng cực nhanh, lưu trữ các lệnh và dữ liệu được sử dụng thường xuyên, giúp giảm đáng kể số lần CPU phải truy cập vào bộ nhớ chính (RAM) chậm chạp, qua đó giảm thiểu tác động của vấn đề thắt cổ chai Von Neumann. Bên cạnh đó, các kỹ thuật như dự đoán nhánh (branch prediction), thực thi ngoại thứ tự (out-of-order execution), và đặc biệt là kiến trúc song song (parallelism) đã trở thành tiêu chuẩn. Thay vì chỉ có một bộ xử lý trung tâm (CPU), các máy tính hiện đại thường có CPU đa lõi (multi-core), cho phép thực thi nhiều luồng lệnh đồng thời. Việc nghiên cứu các bài giảng kiến trúc máy tính cung cấp một cái nhìn sâu sắc về sự cân bằng tinh tế giữa hiệu suất, chi phí và công suất tiêu thụ mà các kỹ sư phải đối mặt. Những nguyên lý được trình bày trong tài liệu vẫn là cốt lõi, giúp định hình nên các thế hệ bộ vi xử lý tiếp theo, từ thiết bị di động đến các siêu máy tính.

5.1. Các giải pháp cải tiến hiệu suất Cache và kiến trúc song song

Để cân bằng hiệu suất hệ thống, các nhà thiết kế đã triển khai nhiều giải pháp. Hệ thống bộ nhớ đệm (Cache) phân cấp là một cơ chế hiệu quả để giảm độ trễ truy xuất bộ nhớ. Ngoài ra, việc chuyển sang kiến trúc song song với các CPU đa lõi cho phép xử lý đồng thời nhiều tác vụ. Các kỹ thuật tiên tiến khác như dự đoán nhánh và phân tích luồng dữ liệu cũng giúp tối ưu hóa chu trình lệnh, tăng tốc độ thực thi chương trình một cách đáng kể.

5.2. Tầm quan trọng của bài giảng kiến trúc máy tính trong kỷ nguyên số

Trong kỷ nguyên số, việc hiểu rõ kiến trúc máy tính không chỉ dành cho các kỹ sư phần cứng. Lập trình viên phần mềm, chuyên gia an ninh mạng, và nhà khoa học dữ liệu đều có thể hưởng lợi từ kiến thức này. Hiểu được cách máy tính hoạt động ở mức độ thấp giúp viết mã hiệu quả hơn, tối ưu hóa hiệu năng ứng dụng và khai thác tối đa tiềm năng của phần cứng. Những tài liệu như slide Nguyễn Hoàng Sơn trên tài liệu cuuduongthancong vì thế vẫn giữ nguyên giá trị, là nền tảng vững chắc cho bất kỳ ai muốn đi sâu vào lĩnh vực công nghệ.

Nội dung chính

{
  "document_type": "textbook",
  "confidence": 0.95,
  "reasoning": "Tài liệu có cấu trúc slide bài giảng/giáo trình đại học ('Bài 1 GIỚI THIỆU Kiến trúc & Tổ chức máy tính', tác giả/giảng viên 'Nguyễn Hoàng Sơn', danh mục sách giáo trình tham khảo của William Stallings, Murdocca & Heuring). Nội dung phục vụ mục đích giảng dạy với các khái niệm cơ bản, tổng quan về cấu trúc, chức năng của máy tính và sơ lược lịch sử phát triển."
}

---

Tổng Quan Giáo Trình Kiến Trúc Máy Tính: Tổng Quan & Lịch Sử Phát Triển

Tổng quan về giáo trình

Học phần Kiến trúc Máy tính (Computer Architecture) giữ vị trí then chốt trong khối kiến thức cơ sở ngành bắt buộc thuộc chương trình đào tạo Cử nhân và Kỹ sư các ngành Khoa học Máy tính, Kỹ thuật Máy tính, Công nghệ Thông tin và Kỹ thuật Phần mềm. Tài liệu bài giảng do tác giả Nguyễn Hoàng Sơn biên soạn, được xây dựng dựa trên hai bộ giáo trình chuẩn quốc tế gồm Computer Organization and Architecture – Designing for Performance (Ấn bản lần thứ 8) của William Stallings và Principles of Computer Architecture của Miles Murdocca và Vincent Heuring.

Mục tiêu học tập trọng tâm của giáo trình bao gồm:

• Phân biệt rành mạch hai khái niệm nền tảng: Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) và Tổ chức máy tính (Computer Organization).
• Nắm vững bốn chức năng vận hành cơ bản (xử lý dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, vận chuyển dữ liệu, điều khiển) cùng bốn khối cấu trúc chính của một hệ thống tính toán (CPU, Bộ nhớ chính, Hệ thống Vào/Ra, Liên kết hệ thống).
• Hiểu rõ lịch sử tiến hóa phần cứng qua bốn thế hệ công nghệ từ đèn chân không, transistor, vi mạch tích hợp (IC) đến các bộ vi xử lý đa nhân hiện đại (Pentium III, Intel Core 2 Duo).
• Nắm vững nguyên lý hoạt động của mô hình máy tính có chương trình lưu trữ (Stored-Program Concept) và mô hình kiến trúc máy tính IAS / Von Neumann.

Giáo trình tiếp cận kiến thức theo phương pháp phân tầng có cấu trúc, đi từ việc trừu tượng hóa các khái niệm phần cứng, phân tích chi tiết các thông số kỹ thuật định lượng (như cấu tạo máy ENIAC, định dạng từ nhớ máy IAS), đến việc khảo sát các rào cản vật lý và giải pháp cân đối hiệu năng trong vi xử lý hiện đại.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được tổ chức thành các bài giảng chuyên đề với tính liên kết logic chặt chẽ:

• Bài 1: Giới thiệu Kiến trúc & Tổ chức máy tính: Phân định ranh giới giữa Kiến trúc (các thuộc tính hiển thị đối với lập trình viên, ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực thi chương trình như tập lệnh, số bit biểu diễn dữ liệu, cơ chế định địa chỉ, cơ chế I/O) và Tổ chức máy tính (các đơn vị phần cứng hoạt động và cách thức ghép nối để hiện thực hóa đặc tả kiến trúc, như tín hiệu điều khiển, giao diện bus, công nghệ bộ nhớ). Khảo sát bốn khối chức năng của máy tính (Data processing, Data storage, Data movement, Control) và cấu trúc bốn thành phần trung tâm gồm CPU (chứa Control Unit, ALU, Registers, CPU Interconnection), Main Memory, I/O và System Interconnection.
• Tổng quan Lịch sử và Tiến hóa phần cứng: Trình bày diễn tiến bốn thế hệ máy tính:
  • Thế hệ 1: Sử dụng đèn chân không (Vacuum tubes), tiêu biểu là máy tính ENIAC (thiết kế bởi Mauchly và Eckert tại Đại học Pennsylvania giai đoạn 1943–1946; dài 20m, cao 2,8m; nặng 30 tấn; tiêu thụ 140 kW; chứa 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc; 20 thanh ghi 10-bit số thập phân; tốc độ 5.000 phép cộng/giây; lập trình thủ công bằng việc cắm nối cáp và chuyển mạch ngắt).
  • Thế hệ 2: Ứng dụng Transistor, Multiplexer, đánh dấu sự ra đời của ngôn ngữ lập trình bậc cao và phần mềm hệ thống (sự xuất hiện của thiết bị chuột năm 1964).
  • Thế hệ 3: Mạch tích hợp (SSI, MSI, IC), máy tính vi mô, kiến trúc IBM System/360, DEC PDP-8 (máy tính mini đầu tiên dùng cấu trúc bus) và Định luật Moore (Gordon Moore: số lượng transistor và tốc độ vi xử lý tăng gấp đôi sau mỗi 18–24 tháng, giá thành giảm một nửa).
  • Thế hệ 4: Vi mạch tích hợp quy mô lớn và siêu lớn (LSI, VLSI, ULSI), bộ nhớ bán dẫn, bộ vi xử lý đơn và đa nhân (Intel Pentium III, Intel Core 2 Duo).
• Các yếu tố nâng cao chất lượng và cân đối hiệu suất: Phân tích các giải pháp cải thiện hiệu năng vi xử lý như kỹ thuật dự đoán nhánh (branch prediction), phân tích luồng số liệu (data flow analysis), thực thi có dự báo (speculative execution), hệ thống bộ nhớ phân cấp (Cache memory, mở rộng liên kết CPU–Memory tốc độ cao), đồng thời xử lý các giới hạn vật lý về công suất nhiệt, trễ tín hiệu đường truyền (RC delay) và trễ truy xuất bộ nhớ (Memory latency).
• Bài 2: Máy tính mục đích tổng quát (General-Purpose Computer) và Chương trình lưu trữ (Stored-Program): Đối chiếu giữa phương pháp lập trình nối dây phần cứng cứng nhắc (Hardwired programming) và lập trình bằng phần mềm (mã lệnh instruction code điều khiển mạch logic tổng quát). Ba nguyên lý nền tảng của Stored-Program: dữ liệu và lệnh cùng được lưu trữ trong bộ nhớ đọc-ghi; nội dung bộ nhớ được định vị theo địa chỉ vật lý độc lập với kiểu dữ liệu; thực thi chương trình tuần tự từ lệnh này sang lệnh kế tiếp. Cơ chế hoạt động của các thanh ghi giao tiếp bộ nhớ và I/O: MAR (Memory Address Register), MBR (Memory Buffer Register), I/O AR (I/O Address Register), I/O BR (I/O Buffer Register).
• Bài 3: Kiến trúc Von Neumann và Kiến trúc Harvard: Phân tích máy tính IAS (Institute for Advanced Studies) do John von Neumann thiết kế làm khuôn mẫu cho các hệ thống máy tính hiện đại. Mô tả cấu tạo máy tính Von Neumann gồm Main Memory, ALU, Control Unit (PCU) và thiết bị I/O. Phân tích chi tiết định dạng từ nhớ IAS: bộ nhớ có dung lượng 1.000 từ nhớ (words), mỗi word có độ dài 40 bit. Dữ liệu số gồm 1 bit dấu và 39 bit giá trị. Mỗi từ nhớ chứa được hai lệnh 20 bit (lệnh trái và lệnh phải), trong đó mỗi lệnh bao gồm 8 bit mã thao tác (Opcode) và 12 bit địa chỉ bộ nhớ (Address).

Mô hình định dạng từ nhớ máy tính IAS (40-bit Word)
-------------------------------------------------------------------------
1. Định dạng Dữ liệu (Number Word):
[Bit 0: Dấu (+/-)] [Bits 1 - 39: Giá trị dữ liệu (39 bits)]

2. Định dạng Lệnh (Instruction Word):
[Bits 0-7: Opcode (8b)] [Bits 8-19: Địa chỉ (12b)] | [Bits 20-27: Opcode (8b)] [Bits 28-39: Địa chỉ (12b)]
<---------- Lệnh bên trái (20 bits) ------------> | <---------- Lệnh bên phải (20 bits) ------------>
-------------------------------------------------------------------------

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Nguyên lý Stored-Program & Von Neumann: Cơ chế nạp đồng thời dữ liệu và mã chỉ thị vào bộ nhớ đọc-ghi, cho phép chương trình thay đổi trạng thái và logic điều khiển mà không cần tái cấu hình vật lý.
• Phân định ranh giới Phần cứng – Phần mềm: Cơ chế biên dịch tập mã lệnh (Instruction set) thành chuỗi tín hiệu điều khiển kích hoạt các khối chức năng số học và luận lý (ALU) trong phần cứng tổng quát.
• Cơ chế truyền thông tin hệ thống: Mô hình trao đổi thông tin qua hệ thống thanh ghi trung gian (MAR, MBR, I/O AR, I/O BR) và kiến trúc bus điều khiển/địa chỉ/dữ liệu giữa CPU, Bộ nhớ và Ngoại vi.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật: Đọc hiểu sơ đồ khối kiến trúc vi xử lý; phân tích luồng tín hiệu giữa Control Unit, ALU và hệ thống thanh ghi; giải mã cấu trúc từ lệnh nhị phân (phân tách trường Opcode và Address).
• Kỹ năng phân tích hệ thống: Đánh giá sự đánh đổi (trade-offs) giữa hiệu năng xung nhịp (clock rate), kích thước bộ nhớ đệm (Cache), mức tiêu thụ công suất và độ trễ truy xuất bộ nhớ; phân biệt đặc tính kiến trúc ISA và vi kiến trúc (Microarchitecture).
• Kỹ năng thiết kế tính toán: Tính toán không gian địa chỉ bộ nhớ dựa trên số bit trường địa chỉ; xác định thông số phần cứng tối ưu cho các bài toán xử lý dữ liệu và vận chuyển I/O.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình triển khai phương pháp tiếp cận kết hợp giữa diễn dịch cấu trúc từ trên xuống (Top-down) và tổng hợp chức năng từ dưới lên (Bottom-up). Quá trình giảng dạy bắt đầu bằng việc khảo sát các nhu cầu xử lý dữ liệu tổng quát, sau đó đi sâu vào từng khối logic phần cứng và cơ chế điều khiển mức thanh ghi.

Các bài tập và nghiên cứu tình huống điển hình được tích hợp xuyên suốt:

• Nghiên cứu trường hợp thiết kế lệnh: Xem xét ví dụ xây dựng lệnh nhân (multiply instruction) thông qua mạch phần cứng chuyên dụng hoặc thông qua thuật toán phần mềm lặp chuỗi phép cộng và dịch bit để thấy rõ sự khác biệt giữa tối ưu phần cứng và tiết kiệm tài nguyên.
• Phân tích ca lịch sử phần cứng: Mổ xẻ các thông số vận hành và hạn chế vật lý của máy tính ENIAC so với cỗ máy IAS để hiểu rõ bước chuyển dịch sang kiến trúc chương trình lưu trữ.
• Bài tập phân tích định dạng lệnh và địa chỉ: Thực hành tính toán trên khuôn dạng 40-bit word của IAS (1.000 từ nhớ, 8-bit opcode, 12-bit address) để rèn luyện kỹ năng định dạng bộ nhớ mức nhị phân.

Phương pháp đánh giá học phần bao gồm: kiểm tra lý thuyết định kỳ về các khối cấu trúc CPU, bài tập phân tích định lượng hiệu năng xung nhịp và dung lượng bộ nhớ, cùng bài thi kết thúc học phần đánh giá toàn diện khả năng giải mã sơ đồ khối và luồng dữ liệu hệ thống.

Về phương pháp tự học: Người học cần chủ động đối chiếu nội dung bài giảng với các chương tương ứng trong sách giáo khoa của William Stallings, thực hành vẽ lại sơ đồ khối các luồng tín hiệu (Control signals) và bảng thanh ghi nội bộ để hiểu rõ chu trình xử lý lệnh.

Điểm nổi bật và cập nhật

• Khung tham chiếu học thuật chuẩn hóa: Nội dung được đối chiếu và xây dựng trực tiếp từ giáo trình kinh điển của William Stallings (Ấn bản 8) và Miles Murdocca & Vincent Heuring, đảm bảo sự chính xác tuyệt đối về thuật ngữ kỹ thuật chuyên ngành và chuẩn mực kiến trúc.
• Cập nhật các thách thức vật lý của vi xử lý hiện đại: Giáo trình không giới hạn ở lý thuyết cổ điển mà đề cập trực tiếp đến các vấn đề cốt lõi trong công nghệ bán dẫn đương đại: giới hạn công suất nhiệt, hiện tượng trễ RC trên đường mạch liên kết siêu nhỏ, và bài toán khoảng cách tốc độ giữa CPU và bộ nhớ (Memory Wall).
• Phân tích kiến trúc vi xử lý đa nhân: Cung cấp sơ đồ khối và phân tích cấu trúc của các vi xử lý thế hệ mới như Intel Pentium III và Intel Core 2 Duo, làm rõ xu hướng chuyển đổi từ tăng tần số xung nhịp đơn nhân sang khai thác kiến trúc xử lý song song trên chip.
• Làm rõ bản chất mối quan hệ Phần mềm - Tín hiệu điều khiển: Trình bày rõ ràng cơ chế ánh xạ từ mã lệnh phần mềm thành các chuỗi tín hiệu điều khiển phần cứng cụ thể, tạo cầu nối trực quan giữa môn học Lập trình hệ thống và Thiết kế mạch số.

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên chuyên ngành: Tài liệu được thiết kế cho sinh viên năm 2 hoặc năm 3 thuộc các ngành Khoa học Máy tính, Kỹ thuật Máy tính, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Phần mềm, An toàn Thông tin và Điện tử - Viễn thông.
• Điều kiện tiên quyết: Người học cần hoàn thành các học phần: Kỹ thuật số / Thiết kế Logic số (nắm vững đại số Boolean, cổng logic, mạch tổ hợp, mạch tuần tự, thanh ghi), Cấu trúc dữ liệu & Giải thuật cơ sở, và Nhập môn Lập trình (C/C++).
• Giảng viên: Sử dụng làm đề cương bài giảng và tài liệu hướng dẫn trên lớp cho học phần Kiến trúc Máy tính hoặc Tổ chức Máy tính (thời lượng tương đương 2–3 tín chỉ lý thuyết).
• Kỹ sư và người tự học: Tài liệu là tài liệu tham khảo cho các lập trình viên hệ thống, kỹ sư nhúng (Embedded Engineers), và chuyên viên tối ưu hóa phần mềm muốn hiểu rõ cơ chế vận hành bên dưới của phần cứng và tập lệnh vi xử lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với những ai?

Giáo trình được biên soạn phục vụ sinh viên đại học khối ngành Công nghệ thông tin và Kỹ thuật máy tính, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ sư phần mềm muốn nắm vững nguyên lý hoạt động của phần cứng và hệ thống vi xử lý.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi tiếp cận tài liệu?

Người học cần có kiến thức cơ bản về mạch logic số (cổng logic, flip-flop, thanh ghi, bộ ghép kênh), hệ thống số nhị phân/thập lục phân, và tư duy lập trình căn bản để hiểu cơ chế thực thi mã lệnh.

3. Điểm khác biệt cốt lõi giữa "Kiến trúc máy tính" và "Tổ chức máy tính" là gì?

Kiến trúc máy tính (Architecture) đề cập đến các thuộc tính mà lập trình viên có thể nhận thấy và tác động trực tiếp đến việc chạy chương trình (tập lệnh, số bit dữ liệu, cơ cấu định địa chỉ). Tổ chức máy tính (Organization) là việc hiện thực hóa phần cứng cụ thể để đáp ứng kiến trúc đó (tín hiệu điều khiển, công nghệ bộ nhớ, mạch ghép nối).

4. Làm thế nào để tự học giáo trình này đạt kết quả tốt nhất?

Người học nên học tuần tự theo tiến trình: nắm vững nguyên lý chương trình lưu trữ (Stored-Program), vẽ lại sơ đồ cấu trúc các khối CPU, giải bài tập định dạng từ nhớ máy IAS, và đọc mở rộng các chương tương ứng trong sách Computer Organization and Architecture của William Stallings.

5. Giáo trình sử dụng những tài liệu tham khảo chính nào?

Tài liệu sử dụng hai nguồn tham khảo học thuật chính gồm:

1. William Stallings, Computer Organization and Architecture – Designing for Performance, 8th Edition, Prentice-Hall International, Inc.
2. Miles Murdocca and Vincent Heuring, Principles of Computer Architecture.

Kết luận

Giáo trình Kiến Trúc Máy Tính: Tổng Quan & Lịch Sử Phát Triển của tác giả Nguyễn Hoàng Sơn cung cấp bức tranh hoàn chỉnh và chuẩn xác về mặt học thuật đối với các nguyên lý thiết kế và tổ chức hệ thống tính toán. Từ các mốc lịch sử kỹ thuật như ENIAC, Định luật Moore, đến cấu trúc chi tiết của cỗ máy Von Neumann / IAS và các kỹ thuật cân đối hiệu năng trong vi xử lý hiện đại, tài liệu thiết lập nền tảng lý thuyết vững chắc cho sinh viên ngành công nghệ. Người học được khuyến nghị kết hợp nghiên cứu giáo trình cùng các tài liệu tham khảo quốc tế của William Stallings và Miles Murdocca để đạt hiệu quả học tập toàn diện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

KIEÁN TRUÙC MAÙY TÍNH Nguyeãn Hoàng Sôn 1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu tham khảo 1. William Stallings, Computer Organization and Architecture – Designing for Performance, 8th Edition, Prentice-Hall International, Inc 2. Principles of Computer Architecture, Miles Murdocca and Vincent Heuring 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Baøi 1 GIÔÙI THIEÄU Kieán truùc & Toå chöùc maùy tính 3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Toå chöùc vaø Kieán truùc Hai thuaät ngöõ nhaèm moâ taû moät heä thoáng maùy tính.  Kieán truùc ñeà caäp ñeán caùc thuoäc tính maø ngöôøi laäp trình nhaän thaáy ñöôïc, aûnh höôûng tröïc tieáp ñeán thöïc thi chöông trình (Instruction set, soá bit bieåu dieãn data type, cô caáu I/O, addressing)  Toå chöùc maùy tính ñeà caäp ñeán caùc ñôn vò hoaït ñoäng vaø sự lieân keát giöõa chuùng, thöïc hieän caùc ñaëc taû kieán truùc (chi tieát phaàn cöùng, control signals, interfaces, memory technology)  Ví duï xaây döïng multiply instruction 4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Caáu truùc vaø Chöùc naêng  Caáu truùc: cuï theå hoùa caùc thaønh phaàn vaø các mối lieân heä giữa các thành phần, laø hieän thöïc cụ thể cuûa toå chöùc maùy tính.

 Chöùc naêng: hoaït ñoäng, thể hiện vai trò cụ thể cuûa moãi thành phần trong caáu truùc.com https://fb.com/tailieudientucntt Chöùc naêng maùy tính  Data processing  Data storage  Data movement (I/O, peripheral, communication)  Control 6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nguoàn vaø ñích cuûa data Cô caáu vaän chuyeån data Cô caáu ñieàu kieån Phöông tieän Phöông tieän löu tröõ data xöû lyù data 7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Caùc thaønh phaàn chính Coù boán thaønh phaàn chính: •CPU: Ñieàu khieån caùc hoaït ñoäng vaø thöïc hieän caùc chöùc naêng xöû lyù data •Main memory: Löu tröõ data •I/O: vaän chuyeån data giöõa maùy tính vôùi beân ngoaøi •System interconnection: cung caáp cô cheá truyeàn thoâng giöõa ba thaønh phaàn treân 9 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MT Communication line CPU Ngoaïi vi Main memory System Interconnection Maùy tính •Löu tröõ •Xöû lyù I/O 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Moät maùy tính coù theå coù moät hay nhieàu CPU  Dung löôïng boä nhôù laø tuøy choïn  Cô caáu I/O coù qui moâ khaùc nhau tuøy theo nhu caàu 11 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Thaønh phaàn phöùc taïp nhaát laø CPU  Control unit ALU (Arithmetic and Logic Unit) Register CPU Interconnection 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CU CPU Sequencing Control unit ALU logic Control Unit Regisers CPU bus vaø Decoders Conrol Registers memory 13 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sô löôïc lòch söû phaùt trieån 3000 BC 4000 BC 14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sô löôïc lòch söû phaùt trieån (tt)  Theá heä thöù nhaát:  Ñeøn chaân khoâng (vacuum tubes)  ENIAC  Von Neumann/ Alan Turing 15 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Máy tính ENIAC 16 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sô löôïc lòch söû phaùt trieån: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 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.com https://fb.com/tailieudientucntt Sô löôïc lòch söû phaùt trieån(tt)  Theá heä thöù hai:  Transistor  Multiplexer  Laäp trình möùc cao  Phaàn meàm heä thoáng 18 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mouse (1964) 19 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sô löôïc lòch söû phaùt trieån (tt)  Theá heä thöù 3:  Maïch tích hôïp (Integrated Circuits)  SSI, MSI  Microelectronics  IBM/360, PDP-8( minicomputer ñaàu tieân, duøng bus)  Luaät Moore  Số lượng transistors trên một microchip tăng lên gấp đôi sau mỗi 18-24 tháng.  Tốc độ microprocessor tăng lên gấp đôi sau mỗi 18-24 tháng.  Giá thành trên một microchip giảm một nửa sau mỗi 18-24 tháng Tham khảo: http://www.com/intel/museum/25anniv/hof/moore.com https://fb.com/tailieudientucntt Sô löôïc lòch söû phaùt trieån (tt)  Theá heä thöù 4:  LSI, VLSI, ULSI  Semiconductor Memory  Microprocessor  Caùc theá heä sau 21 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 22 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 23 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sơ đồ kiến trúc của PIII 24 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 25 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 26 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Intel Core 2 Dual 27 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Naâng cao chaát löôïng  Toác ñoä boä vi xöû lyù  Döï ñoaùn nhaùnh  Phaân tích luoàng soá lieäu  Thöïc thi coù döï baùo  Caân ñoái hieäu suaát  Caûi thieän toå chöùc vaø caáu truùc chip.com https://fb.com/tailieudientucntt 29 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 30 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giaûi phaùp caân ñoái hieäu suaát  Boä nhôù lôùn hôn  Cache  Lieân keát CPU-memory toác ñoä cao  Thieát keá  Toác ñoä giöõa caùc thieát bò  Caùc öùng duïng vaø thieát bò ngoaïi vi 31 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Caûi thieän toå chöùc vaø caáu truùc chip  Toác ñoä vaø clock rate  Kích thöôùc vaø toác ñộ cache  Kieán truùc song song  Caùc heä quaû  Coâng suaát  Treã (RC delay)  Treã truy xuaát boä nhôù (Memory latency) 32 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Baøi 2 GENERAL-PURPOSE COMPUTER VÀ STORED-PROGRAM 33 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Söï xuaát hieän stored-program vaø general-purpose hardware  Moät taäp nhoû caùc linh kieän logic cô baûn coù theå keát hôïp vôùi nhau theo caùc caùch khaùc nhau ñeå löu tröõ döõ lieäu nhò phaân vaø thöïc hieän caùc pheùp toaùn soá hoïc vaø luaän lyù treân döõ lieäu ñoù.

 Khi caàn moät tính toaùn naøo ñoù, moät caáu hình keát noái caùc thaønh phaàn logic ñöôïc thieát keá vaø thöïc hieän. Coù theå hieåu ñoù chính laø daïng laäp trình.com https://fb.com/tailieudientucntt Phaàn cöùng ñöôïc xaây döïng töø caùc thaønh phaàn logic Tuaàn töï caùc chöùc naêng Caùc Data soá hoïc vaø luaän lyù keát quaû Laäp trình phaàn cöùng (hardware programming) 35 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Söï xuaát hieän stored-program vaø general-purpose hardware (tt)  Neáu taát caû caùc öùng duïng ñeàu thöïc hieän baèng hardwired progam => baát tieän vaø khaû naêng cuûa maùy tính raát haïn cheá  Xaây döïng caùc chöùc naêng soá hoïc vaø luaän lyù toång quaùt (general-purpose hardware)  Hoaït ñoäng döïa vaøo tín hieäu ñieàu khieån 36 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Caùc maõ leänh (instruction codes) Bieân dòch Taäp tín hieäu ñieàu khieån DATA Caùc chöùc naêng Caùc keát quaû soá hoïc vaø luaän lyù toång quaùt 37 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phaùt sinh tín hieäu ñieàu khieån  Toaøn boä chöông trình laø moät tuaàn töï goàm nhieàu böôùc.  Moãi böôùc caàn tieán haønh moät vaøi pheùp soá hoïc vaø luaän lyù treân data naøo ñoù.  Moãi böôùc caàn moät taäp tín hieäu töông öùng  Moät code duy nhaát cho moät taäp tín hieäu coù theå  Moät segment töông öùng trong phaàn cöùng toång quaùt chaáp nhaän moät taäp tín hieäu ñieàu khieån ñöôïc phaùt ra.com 38 https://fb.com/tailieudientucntt Phaùt sinh tín hieäu ñieàu khieån(tt)  Laäp trình baây giôø: thay vì noái daây phaàn cöùng cho moãi chöông trình môùi, chæ caàn cung caáp moät tuaàn töï môùi cuûa caùc code  Moãi code thöïc ra laø moät instruction, ñöôïc phaàn bieân dòch tieáp nhaän vaø phaùt ra taäp tín hieäu ñieàu khieån töông öùng.

 Tuaàn töï caùc instruction ñoù laø software 39 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ba khaùi nieäm cô baûn veà stored-program  Data vaø instruction ñöôïc löu tröõ trong moät boä nhôù ñoïc-ghi.  Noäi dung trong boä nhôù ñöôïc ñònh vò theo vò trí, khoâng caàn bieát kieåu data laø gì.  Thöïc thi chöông trình theo kieåu tuaàn töï, töø instruction naøy ñeán instruction keá tieáp.com https://fb.com/tailieudientucntt I/O module  Data vaø instruction phaûi ñöôïc ñöa vaøo trong heä thoáng qua module nhaäp  Caàn laáy hay thoâng baùo keát quaû tính toaùn thoâng qua module xuaát  Goïi chung laø I/O module 41 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Boä nhôù chính  Thieát bò nhaäp ñöa data vaø inst vaøo theo tuaàn töï, nhöng chöông trình khoâng phaûi thöïc thi theo tuaàn töï moät caùch cöùng nhaéc.  Hoaït ñoäng tính toaùn coù theå phaûi truy xuaát nhieàu döõ kieän hôn taïi moät thôøi ñieåm theo moät tuaàn töï khoâng theå döï ñoaùn ñöôïc.

=>caàn coù nôi löu tröõ taïm thôøi caû data vaø inst, ñoù laø boä nhôù chính 42 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Boä nhôù 0 : 1 Instruction CPU 2 MAR Instruction : Instruction MBR : Data I/O AR Data I/O BR I/O module Buffer 43 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Bài 3 KIẾN TRÚC VON NEUMANN VÀ KIẾN TRÚC HARVARD 44 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt KIẾN TRÚC VON NEUMANN  ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) laø maùy tính ñieän töû daïng general- purpose ñaàu tieân.  ENIAC toû ra naëng neà vaø ñôn ñieäu  Caûi tieán töø yù töôûng stored-program, nhaø toaùn hoïc John von Neumann thieát keá ra maùy tính môùi goïi laø IAS (Institute for Advanced Studies) laø khuoân maãu cho taát caû caùc maùy tính general-purpose sau naøy.com https://fb.com/tailieudientucntt 46 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ALU Boä nhôù Thieát bò chính I/O Program Control Unit Caáu truùc cuûa maùy tính IAS 47 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Maùy von Neumann  Main memory: löu tröõ caû data vaø instruction  ALU: thao taùc treân soá lieäu nhò phaân  PCU: bieân dòch vaø taïo ñieàu kieän thöïc thi caùc inst  Thieát bò I/O ñöôïc ñieàu khieån bôûi CU 48 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Maùy von Neumann  Boä nhôù chöùa 1000 vò trí hay töø nhôù (word), moãi word coù 40 bit.  Moãi soá (data)ñöôïc bieåu dieãn goàm 1bit daáu vaø 39 bit giaù trò  Moãi word coù theå chöùa hai inst 20 bit  Moät inst goàm 8 bit op code vaø 12 bit ñòa chæ 49 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 0 1 39 Giaù trò Sign Number word bit Instruction traùi Instruction phaûi 0 7 8 19 20 28 39 Op code addr Op code addr Instruction word 50 CuuDuongThanCong.com https://fb.