Giáo trình kiến trúc máy tính (nghề kỹ thuật sửa chữa, lắp ráp máy tính trình độ trung cấp) trường cao đẳng nghề an giang

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 thơng 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 tồn 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 q trình biên soạn khơng thể tránh khỏi những sai sót. Chúng
tơi 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 cơng
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................................................................................... 7

I. CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH ............................................................................. 7
II. PHÂN LOẠI MÁY TÍNH .............................................................................. 9
III. THÀNH QUẢ CỦA MÁY TÍNH............................................................... 10
IV. THƠNG TIN VÀ SỰ MÃ HĨA THƠNG TIN ......................................... 12
1. Khái niệm thơng tin.................................................................................... 12
2. Lƣợng thơng tin và sự mã hố thơng tin .................................................. 13
3. Hệ thống số .................................................................................................. 13
CÂU HỎI ÔN TẬP ............................................................................................ 19
CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ ...................................... 20
I. THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MỘT MÁY TÍNH .................................... 20
II. ĐỊNH NGHĨA KIẾN TRÚC MÁY TÍNH .................................................. 22
III. TẬP LỆNH .................................................................................................. 23
1. Gán trị.......................................................................................................... 23
2. Lệnh có điều kiện........................................................................................ 24
3. Vòng lặp....................................................................................................... 26
4. Thâm nhập bộ nhớ ngăn xếp..................................................................... 26
5. Các thủ tục .................................................................................................. 27
IV. KIẾN TRÚC RISC ...................................................................................... 28
V. TỐN HẠNG ................................................................................................ 30
CÂU HỎI ƠN TẬP ............................................................................................ 31
CHƢƠNG 3: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ .................................................................. 32
I. ĐƢỜNG ĐI DỮ LIỆU ................................................................................... 32
II. BỘ ĐIỀU KHIỂN ......................................................................................... 34
1. Bộ điều khiển mạch điện tử ....................................................................... 34
2. Bộ điều khiển vi chƣơng trình................................................................... 35
III. DIỄN TIẾN THI HÀNH LỆNH MÃ MÁY .............................................. 35
1. Đọc lệnh ....................................................................................................... 36
2. Giải mã lệnh và đọc các thanh ghi nguồn ................................................ 36
3. Thi hành lệnh .............................................................................................. 36
4. Thâm nhập bộ nhớ trong hoặc nhảy lần cuối .......................................... 36

3


5. Lƣu trữ kết quả .......................................................................................... 37
IV. NGẮT............................................................................................................ 37
V. KỸ THUẬT ỐNG DẪN ............................................................................... 37
1. Kỹ thuật ống dẫn (Pipeline)....................................................................... 37
2. Khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn ............................................................ 39
VI. SIÊU ỐNG DẪN .......................................................................................... 41
CÂU HỎI ÔN TẬP ............................................................................................ 42
CHƢƠNG 4: BỘ NHỚ ......................................................................................... 43
I. CÁC LOẠI BỘ NHỚ ..................................................................................... 43
II. CÁC CẤP BỘ NHỚ ..................................................................................... 45
III. TRUY CẬP DỮ LIỆU TRONG BỘ NHỚ................................................ 46
IV. BỘ NHỚ CACHE........................................................................................ 47
1. Vận hành của cache.................................................................................... 47
2. Hiệu quả của Cache.................................................................................... 52
3. Cache duy nhất hay cache riêng lẻ ........................................................... 53
4. Các mức cache ............................................................................................ 53
CÂU HỎI ÔN TẬP ............................................................................................ 54
CHƢƠNG 5: THIẾT BỊ NHẬP XUẤT .............................................................. 55
I. ĐĨA TỪ ............................................................................................................ 55
II. ĐĨA QUANG ................................................................................................. 57
III. CÁC LOẠI THẺ NHỚ ............................................................................... 58
IV. BĂNG TỪ..................................................................................................... 59
V. CÁC CHUẨN VỀ BUS ................................................................................. 59
VI. 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 MƠN HỌC/MƠ ĐUN
Tên mơn học: Kiến trúc máy tính
Mã mơn học: MH12
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơ đun:
-Vị trí: Mơn học được bố trí sau khi học sinh học xong các mơn học chung
và sau mơn học Tin học văn phịng.
-Tính chất: Là mơn học cơ sở bắt buộc.
-Ý nghĩa và vai trị 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 hồn chỉnh.
Mục tiêu của mơ 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: mơ 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 thơng 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
TT
I

II

Tên các bài trong mô đun
Chƣơng 1: Tổng quan
I. Các thế hệ máy tính
II. Phân loại máy tính
III. Thành quả của máy tính
IV. Thơng tin và sự mã hóa thơng tin
Chƣơng 2: Kiến trúc phần mềm bộ
xử lý
I. Thành phần cơ bản của một máy
Tính
II. Định nghĩa kiến trúc máy tính
III. Tập lệnh
IV. Kiến trúc RISC
V. Toán hạng

Tổng
số
16

13

Thời gian (giờ)
Tổng

Thực
số
hành
5
11
1
1
1
2
11
6

5

1

2

1
2
1
1

2
1

Kiểm
tra

2

5


III

IV

V

VI

Kiểm tra
Chƣơng 3: Tổ chức bộ xử lý
I. Đường đi dữ liệu
II. Bộ điều khiển
III. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy
IV. Ngắt
V. Kỹ thuật ống dẫn
VI. Siêu ống dẫn
Chƣơng 4: Bộ nhớ
I. Các loại bộ nhớ
II. Các cấp bộ nhớ
III. Truy cập dữ liệu trong bộ nhớ
IV. Bộ nhớ Cache
Chƣơng 5: Thiết bị nhập xuất
I. Đĩa từ
II. Đĩa quang
III. Các loại thẻ nhớ
IV. Băng từ

V. Các chuẩn về BUS
VI. An tồn dữ liệu trong lưu trữ
Kiểm tra
Chƣơng 6: Ơn tập
Cộng

2
15

15

12

6
1
1
1
1
1
1
4
1
1
1
1
2
0.5
0.5
0.5
0.5

9
1
1
1
2
2
2
11
3
3
2
3
8
1
2
2
1
1
1

2

2
4
75

2
25

2
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 thơng 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 mơ 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 cơng nghệ.
- Thế hệ đầu tiên (1946-1957)

Hình I.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 tốn trên số thập phân). Có khả năng thực hiện
5.000 phép tốn cộng trong một giây. Cơng 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
tốn 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 cịn 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-????)
+ Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp cao (LSI:
Large Scale Integration) có thể chứa hàng ngàn linh kiện. Các IC mật độ tích hợp
rất cao (VLSI: Very Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiện
trên mạch. Hiện nay, các chip VLSI chứa hàng triệu linh kiện.
+ Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện
và phần điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy
vi tính đã được chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân.
+ Các bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi.
+ Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý của máy tính khơng ngừng được phát
triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,…
- Khuynh hƣớng hiện tại
+ Việc chuyển từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ 5 còn chưa rõ ràng. Người
Nhật đã và đang đi tiên phong trong các chương trình nghiên cứu để cho ra đời thế
hệ thứ 5 của máy tính, thế hệ của những máy tính thơng minh, dựa trên các ngơn
8


ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG,... và những giao diện người - máy
thông minh. Đến thời điểm này, các nghiên cứu đã cho ra các sản phẩm bước đầu
và gần đây nhất (2004) là sự ra mắt sản phẩm người máy thông minh gần giống với
con người nhất: ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: Bước chân tiên tiến

của đổi mới và chuyển động). Với hàng trăm nghìn máy móc điện tử tối tân đặt
trong cơ thể, ASIMO có thể lên/xuống cầu thang một cách uyển chuyển, nhận diện
người, các cử chỉ hành động, giọng nói và đáp ứng một số mệnh lệnh của con
người. Thậm chí, nó có thể bắt chước cử động, gọi tên người và cung cấp thông tin
ngay sau khi bạn hỏi, rất gần gũi và thân thiện. Hiện nay có nhiều cơng ty, viện
nghiên cứu của Nhật thuê Asimo tiếp khách và hướng dẫn khách tham quan như:
Viện Bảo tàng Khoa học năng lượng và Đổi mới quốc gia, hãng IBM Nhật Bản,
Công ty điện lực Tokyo. Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986
dựa vào nguyên lý chuyển động bằng hai chân. Cho tới nay, hãng đã chế tạo được
50 robot ASIMO.
+ Các tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSI đã cho phép thực hiện
các mạch vi xử lý ngày càng mạnh (8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit với việc xuất hiện
các bộ xử lý RISC năm 1986 và các bộ xử lý siêu vơ hướng năm 1990). Chính các
bộ xử lý này giúp thực hiện các máy tính song song với từ vài bộ xử lý đến vài
ngàn bộ xử lý. Điều này làm các chuyên gia về kiến trúc máy tính tiên đốn thế hệ
thứ 5 là thế hệ các máy tính xử lý song song.

Hình I.I.2: Các thế hệ máy tính
II. PHÂN LOẠI MÁY TÍNH
Thơng thường máy tính được phân loại theo tính năng kỹ thuật và giá tiền.
- Các siêu máy tính (Super Computer): là các máy tính đắt tiền nhất và tính
năng kỹ thuật cao nhất. Giá bán một siêu máy tính từ vài triệu USD. Các siêu máy
tính thường là các máy tính vectơ hay các máy tính dùng kỹ thuật vơ hướng và
được thiết kế để tính tốn khoa học, mơ phỏng các hiện tượng. Các siêu máy tính
được thiết kế với kỹ thuật xử lý song song với rất nhiều bộ xử lý (hàng ngàn đến
hàng trăm ngàn bộ xử lý trong một siêu máy tính).
9


- Các máy tính lớn (Mainframe) là loại máy tính đa dụng. Nó có thể dùng cho

các ứng dụng quản lý cũng như các tính tốn khoa học. Dùng kỹ thuật xử lý song
song và có hệ thống vào ra mạnh. Giá một máy tính lớn có thể từ vài trăm ngàn
USD đến hàng triệu USD.
- Máy tính mini (Minicomputer) là loại máy cở trung, giá một máy tính mini
có thể từ vài chục USD đến vài trăm ngàn USD.
- Máy vi tính (Microcomputer) là loại máy tính dùng bộ vi xử lý, giá một máy
vi tính có thể từ vài trăm USD đến vài ngàn USD.
III. THÀNH QUẢ CỦA MÁY TÍNH
Qui luật moore về sự phát triển của máy tính
- Hình I.III.1cho thấy diễn biến của thành quả tối đa của máy tính. Thành quả
này tăng theo hàm số mũ, độ tăng trưởng các máy vi tính là 35% mỗi năm, còn đối
với các loại máy khác, độ tăng trưởng là 20% mỗi năm. Điều này cho thấy tính
năng các máy vi tính đã vượt qua các loại máy tính khác vào đầu thập niên 90.

Hình I.III.1: Đánh giá thành quả của máy tính
- Máy tính dùng thật nhiều bộ xử lý song song rất thích hợp khi phải làm tính
thật nhiều.
- Sự tăng trưởng theo hàm số mũ của công nghệ chế tạo transistor MOS là
nguồn gốc của thành quả các máy tính.
- Hình I.4 cho thấy sự tăng trưởng về tần số xung nhịp của các bộ xử lý MOS.
Độ tăng trưởng của tần số xung nhịp bộ xử lý tăng gấp đôi sau mỗi thế hệ và độ trì
hỗn trên mỗi cổng / xung nhịp giảm 25% cho mỗi năm.
- Sự phát triển của công nghệ máy tính và đặc biệt là sự phát triển của bộ vi
xử lý của các máy vi tính làm cho các máy vi tính có tốc độ vượt qua tốc độ bộ xử
lý của các máy tính lớn hơn.

10


Hình I.III.2: Sự phát triển của bộ xử lý Intel

- Từ năm 1965, Gordon Moore (đồng sáng lập công ty Intel) quan sát và nhận
thấy số transistor trong mỗi mạch tích hợp có thể tăng gấp đơi sau mỗi năm, G.
Moore đã đưa ra dự đoán: Khả năng của máy tính sẽ tăng lên gấp đơi sau 18 tháng
với giá thành là như nhau.
- Kết quả của quy luật Moore là:
+ Chi phí cho máy tính sẽ giảm.
+ Giảm kích thước các linh kiện, máy tính sẽ giảm kích thước
+ Hệ thống kết nối bên trong mạch ngắn: tăng độ tin cậy, tăng tốc độ .
+ Tiết kiệm năng lượng cung cấp, toả nhiệt thấp.
+ Các IC thay thế cho các linh kiện rời.

11


Hình I.III.3: Xung nhịp các bộ xử lý MOS
- Một số khái niệm liên quan:
+ Mật độ tích hợp là số linh kiện tích hợp trên một diện tích bề mặt tấm
silicon cho sẵn, cho biết số nhiệm vụ và mạch có thực hiện.
+ Tần số xung nhịp bộ xử lý cho biết tần số thực hiện các nhiệm vụ.
+ Tốc độ xử lý của máy tính trong một giây (hay cơng suất tính tốn của mỗi
mạch): được tính bằng tích của mật độ tích hợp và tần số xung nhịp. Công suất này
cũng tăng theo hàm mũ đối với thời gian.
IV. THƠNG TIN VÀ SỰ MÃ HĨA THƠNG TIN
1. Khái niệm thơng tin

Hình I.IV.1: Thơng tin về 2 trạng thái có ý nghĩa của hiệu điện thế
- Khái niệm về thông tin gắn liền với sự hiểu biết một trạng thái cho sẵn trong
nhiều trạng thái có thể có vào một thời điểm cho trước.

12

- Trong hình này, chúng ta quy ước có hai trạng thái có ý nghĩa: trạng thái
thấp khi hiệu điện thế thấp hơn VL và trạng thái cao khi hiệu điện thế lớn hơn VH.
Để có thơng tin, ta phải xác định thời điểm ta nhìn trạng thái của tín hiệu. Thí dụ,
tại thời điểm t1 thì tín hiệu ở trạng thái thấp và tại thời điểm t2 thì tín hiệu ở trạng
thái cao.
2. Lƣợng thông tin và sự mã hố thơng tin
- Thơng tin được đo lường bằng đơn vị thông tin mà ta gọi là bit. Lượng thông
tin được định nghĩa bởi cơng thức:
I = Log2 (N)
Trong đó:
I: là lượng thơng tin tính bằng bit
N: là số trạng thái có thể có
- Vậy một bit ứng với sự hiểu biết của một trạng thái trong hai trạng thái có
thể có. Thí dụ, sự hiểu biết của một trạng thái trong 8 trạng thái có thể ứng với một
lượng thông tin là:
I = Log2 (8) = 3 bit
- Tám trạng thái được ghi nhận nhờ 3 số nhị phân (mỗi số nhị phân có thể có
giá trị 0 hoặc 1).
- Như vậy lượng thông tin là số con số nhị phân cần thiết để biểu diễn số trạng
thái có thể có. Do vậy, một con số nhị phân được gọi là một bit. Một từ n bit có thể
tượng trưng một trạng thái trong tổng số 2n trạng thái mà từ đó có thể tượng trưng.
Vậy một từ n bit tương ứng với một lượng thơng tin n bit.

Hình I.IV.2: Tám trạng thái ứng với 3 số nhị phân
3. Hệ thống số
a) Hệ nhị phân (Binary)
- Khái niệm: Hệ nhị phân hay hệ đếm cơ số 2 chỉ có hai con số 0 và 1. Đó là
hệ đếm dựa theo vị trí. Giá trị của một số bất kỳ nào đó tuỳ thuộc vào vị trí của nó.

Các vị trí có trọng số bằng bậc lũy thừa của cơ số 2. Chấm cơ số được gọi là chấm
nhị phân trong hệ đếm cơ số 2. Mỗi một con số nhị phân được gọi là một bit
(Binary digit). Bit ngoài cùng bên trái là bit có trọng số lớn nhất (MSB, Most
Significant Bit) và bit ngoài cùng bên phải là bit có trọng số nhỏ nhất (LSB, Least
Significant Bit) như dưới đây:

Chú ý: dùng dấu ngoặc đơn và chỉ số dưới để ký hiệu cơ số của hệ đếm.
13


- Biến đổi từ nhị phân sang thập phân
Ví dụ : Biến đổi số nhị phân (11001)2 thành số thập phân:

- Biến đổi thập phân thành nhị phân
Để thực hiện việc đổi từ thập phân sang nhị phân, ta áp dụng phương pháp
chia lặp như sau: lấy số thập phân chia cho cơ số để thu được một thương số và số
dư. Số dư được ghi lại để làm một thành tố của số nhị phân. Sau đó, số thương lại
được chia cho cơ số một lần nữa để có thương số thứ 2 và số dư thứ 2. Số dư thứ
hai là con số nhị phân thứ hai. Quá trình tiếp diễn cho đến khi số thương bằng 0.
Ví dụ 1: Biến đổi số thập phân (29)10 thành nhị phân:
29/2 = 14 + 1(LSB)
14/2 = 7 + 0
7/2 = 3 + 1
3/2 = 1 + 1
1/2 = 0 + 1(MSB)
Vậy (29)10 = (1101)2.
Đối với phần lẻ của các số thập phân, số lẻ được nhân với cơ số và số nhớ
được ghi lại làm một số nhị phân. Trong q trình biến đổi, số nhớ đầu chính là bit
MSB và số nhớ cuối là bit LSB.
Ví dụ 2: Biến đổi số thập phân (0.625)10 thành nhị phân:

0.625*2 = 1.250. Số nhớ là 1, là bit MSB.
0.250*2 = 0.500. Số nhớ là 0
0.500*2 = 1.000. Số nhớ là 1, là bit LSB.
Vậy : (0.625)10 = (0.101)2.
b) Hệ thập lục phân (Hexadecima).
- Khái niệm: Các hệ máy tính hiện đại thường dùng một hệ đếm khác là hệ
thập lục phân. Hệ thập lục phân là hệ đếm dựa vào vị trí với cơ số là 16. Hệ này
dùng các con số từ 0 đến 9 và các ký tự từ A đến F như trong bảng sau:
Thập lục phân
Thập phân
Nhị phân
0
0
0000
1
1
0001
2
2
0010
3
3
0011
4
4
0100
5
5
0101
6

6
0110
7
7
0111
8
8
1000
9
9
1001
A
10
1010
B
11
1011
C
12
1100
14


D
E
F

13
1101
14

1110
15
1111
Bảng I.IV.1: Hệ thập lục phân
- Biến đổi thập lục phân thành thập phân.
Các số thập lục phân có thể được biến đổi thành thập phân bằng cách tính
tổng của các con số nhân với giá trị vị trí của nó.
Ví dụ : Biến đổi các số (5B)16, (2AF)16 thành thập phân.
(5B)16 = 5*161 + B*160 = (91)10.
(2AF)16 = 2*162 + 2*161 + 2*160 = (687)10.
- Biến đổi thập phân thành thập lục phân.
Để biến đổi các số thập phân thành thập lục phân, ta sử dụng phương pháp
chia lặp, với cơ số 16.
Ví dụ : Biến đổi (1776)10 thành thập lục phân.
1776/16 = 111 + 0 (LSB).
111/16 = 6 + 15 hoặc F.
6/16 = 0 + 6 (MSB).
Số thập lục phân: (6F0)16.
- Biến đổi thập lục phân thành nhị phân.
Các số thập lục phân rất dễ đổi thành nhị phân. Thực ra các số thập lục phân
cũng chỉ là một cách biểu diễn các số nhị phân thuận lợi hơn mà thôi (bảng 2-1).
Để đổi các số thập lục phân thành nhị phân, chỉ cần thay thế một cách đơn giản
từng con số thập lục phân bằng bốn bit nhị phân tương đương của nó.
Ví dụ: Đổi số thập lục (DF6)16 thành nhị phân:

- Biến đổi nhị phân thành thập lục phân.
Để biến đổi một số nhị phân thành số thập lục phân tương đương thì chỉ cần
gộp lại thành từng nhóm gồm 4 bit nhị phân, bắt đầu từ dấu chấm nhị phân.
Ví dụ: Biến đổi số nhị phân (1111101000010000)2 thành thập lục phân.

c) Hệ BCD (Binary Code decimal).
Giữa hệ thập phân và hệ nhị phân còn tồn tại một hệ lai: hệ BCD cho các số
hệ thập phân mã hố bằng hệ nhị phân, rất thích hợp cho các thiết bị đo có thêm
phần hiển thị số ở đầu ra dùng các loại đèn hiện số khác nhau. Ở đây dùng bốn số
hệ nhị phân (bốn bit) để mã hố một số hệ thập phân có giá trị nằm trong khoảng
từ 0..9. Như vậy ở đây ta khơng dùng hết các tổ hợp có thể có của 4 bit; vì tầm
quan trọng của các số BCD nên các bộ vi xử lý thường có các lệnh thao tác với
chúng.
Ví dụ: (35)10 = (00110101)2.
d) Biểu diễn giá trị số trong máy tính.
15


- Biểu diễn số nguyên không dấu:
Tất cả các số cũng như các mã ... trong máy vi tính đều được biểu diễn bằng
các chữ số nhị phân. Để biểu diễn các số nguyên không dấu, người ta dùng n bit.
Tương ứng với độ dài của số bit được sử dụng, ta có các khoảng giá trị xác định
như sau:

- Biểu diễn số nguyên có dấu:
Người ta sử dụng bit cao nhất biểu diễn dấu; bit dấu có giá trị 0 tương ứng với
số nguyên dương, bit dấu có giá trị 1 biểu diễn số âm. Như vậy khoảng giá trị số
được biểu diễn sẽ được tính như sau:
Số bit
Khoảng giá trị:
n bit
2n-1-1
8 bit
-128.. 127 Short integer
16 bit

-32768.. 32767 Integer
32 bit -231.. 231-1 (-2147483648.. 2147483647) Long integer
- Biểu diễn số thực(số có dấu chấm (phẩy) động).
+ Có hai cách biểu diễn số thực trong một hệ nhị phân: số có dấu chấm cố
định (fied point number) và số có dấu chấm động (floating point number). Cách
thứ nhất được dùng trong những bộ VXL(micro processor) hay những bộ vi điều
khiển (micro controller) cũ. Cách thứ 2 hay được dùng hiện nay có độ chính xác
cao. Đối với cách biểu diễn số thực dấu chấm động có khả năng hiệu chỉnh theo
giá trị của số thực. Cách biểu diễn chung cho mọi hệ đếm như sau:
R = m.Be.
Trong đó m là phần định trị, trong hệ thập phân giá trị tuyệt đối của nó phải
ln nhỏ hơn 1. Số e là phần mũ và B là cơ số của hệ đếm.
+ Có hai chuẩn định dạng dấu chấm động quan trọng là: chuẩn MSBIN của
Microsoft và chuẩn IEEE. Cả hai chuẩn này đều dùng hệ đếm nhị phân.
+ Thường dùng là theo tiêu chuẩn biểu diễn số thực của IEEE 7541985(Institute of Electric & Electronic Engineers), là chuẩn được mọi hãng chấp
nhận và được dùng trong bộ xử lý toán học của Intel. Bit dấu nằm tại vị trí cao
nhất; kích thước phần mũ và khuôn dạng phần định trị thay đổi theo từng loại số
thực.
Giá trị số thực IEEE đƣợc tính nhƣ sau:
R = (-1)S*(1+M1*2-1 + ... +Mn*2-n)*2E 7...E 0 -127.
Chú ý: giá trị đầu tiên M0 luôn mặc định là 1.
+ Dùng 32 bit để biểu diễn số thực, được số thực ngắn: -3,4.1038 < R <
3,4.1038
31 30 23 22
S
E7 - E0

0
|Định trị (M1 - M23)
16

+ Dùng 64 bit để biểu diễn số thực, được số thực dài: -1,7.10308 < R <
1,7.10308
63 62 52 51
S
E10 - E0

0
Định trị (M1 - M52)

+ Ví dụ tính số thực:

- Phƣơng pháp đổi số thực sang số dấu phẩy động 32 bit:
+ Đổi số thập phân thành số nhị phân.
+ Biểu diễn số nhị phân dưới dạng 1, xxxBy (B: cơ số 2).
+ Bit cao nhất 31: lấy giá trị 0 với số dương, 1 với số âm.
+ Phần mũ y đổi sang mã excess -127 của y, được xác định bằng cách:
y + (7F)16.
+ Phần xxx là phần định trị, được đưa vào từ bit 22..0.
Ví dụ: Biểu diễn số thực (9,75)10 dưới dạng dấu phẩy động.
Ta đổi sang dạng nhị phân: (9,75)10 = (1001.11)2 = 1,00111B3.
Bit dấu: bit 31 = 0.
Mã excess - 127 của 3 là: 7F + 3 = (82)16 = 82H = (10000010)2. Được đưa
vào các bit tiếp theo: từ bit 30 đến bit 23.
Bit 22 luôn mặc định là 0.
Cuối cùng số thực (9,75)10 được biểu diễn dưới dạng dấu phẩy động 32 bit
như sau:
0100 0001 0001 1100 0000 0000 0000 0000
e) Bảng mã ASCII (American Standard Code for Information

Interchange).
- Người ta đã xây dựng bộ mã để biểu diễn cho các ký tự cũng như các con số
Và các ký hiệu đặc biệt khác. Các mã đó gọi là bộ mã ký tự và số. Bảng mã
ASCII là mã 7 bit được dùng phổ biến trong các hệ máy tính hiện nay. Với mã 7
bit nên có 27 = 128 tổ hợp mã. Mỗi ký tự (chữ hoa và chữ thường) cũng như các
con số thập phân từ 0..9 và các ký hiệu đặc biệt khác đều được biểu diễn bằng một
mã số như bảng 2-2.
- Việc biến đổi thành ASCII và các mã ký tự số khác, tốt nhất là sử dụng mã
tương đương trong bảng.

17


R
O
W
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D

E
F

Bits(row)
B4 B3 B2

B1

Column bits(B7B6B5)
000 001 010 011 100 101 110 111
0
1
2
3
4
5

6

7

0
0
0
0
NUL DLE SP 0
@ P
\
p
0

0
0
1
SOH DC1 !
1
A Q
a
q
0
0
1
0
STX DC2 “
2
B R
b
r
0
0
1
1
ETX DC3 #
3
C S
c
s
0
1
0
0

EOT DC4 $
4
D T
d
t
0
1
0
1
ENQ NAK %
5
E U
e
u
0
1
1
0
ACK SYN &
6
F V
f
v
0
1
1
1
BEL ETB „
7
G W

g
w
1
0
0
0
BS
CAN (
8
H X
h
x
1
0
0
1
HT
EM
)
9
I
Y
i
y
1
0
1
0
LF
SUB *

:
J
Z
j
z
1
0
1
1
VT
ESC +
;
K [
k
{
1
1
0
0
FF
FS
< L \
l
|
1
1
0
1
CR
GS

,
= M ]
m
}
1
1
1
0
SO
RS
.
> N ^
n
~
1
1
1
1
SI
US
/
?
O _
o
DEL
Control characters:
NUL = Null; DLE = Data link escape; SOH = Start Of Heading;
DC1 = Device control 1; DC2 = Device control 2; DC3 = Device control 3.
DC4 = Device control 4; STX = Start of text; ETX = End of text;
EOT = End of transmission; ENQ = Enquiry; NAK = Negative acknowlege.

ACK = Acknowlege; SYN = Synidle; BEL = Bell.
ETB = End od transmission block; BS = Backspace; CAN = Cancel.
HT = Horizontal tab; EM = End of medium; LF = Line feed; SUB =
Substitute.
VT = Vertical tab; ESC = Escape; FF = From feed; FS = File separator.
SO = Shift out; RS = Record separator; SI = Shift in; US = Unit separator.

18


CÂU HỎI ÔN TẬP
1- Dựa vào tiêu chuẩn nào người ta phân chia máy tính thành các thế hệ?
2- Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ nhất?
3- Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ hai?
4- Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ ba?
5- Đặc trưng cơ bản của các máy tính thế hệ thứ tư?
6- Khuynh hướng phát triển của máy tính điện tử ngày nay là gì?
7- Việc phân loại máy tính dựa vào tiêu chuẩn nào?
8- Khái niệm thơng tin trong máy tính được hiểu như thế nào?
9- Lượng thơng tin là gì ?
10- Sự hiểu biết về một trạng thái trong 4096 trạng thái có thể có ứng với
lượng thơng tin là bao nhiêu?
11- Điểm chung nhất trong các cách biểu diễn một số nguyên n bit có dấu là
gì?
12- Số nhị phân 8 bit (11001100)2 , số này tương ứng với số nguyên thập phân
có dấu là bao nhiêu nếu số đang được biểu diễn trong cách biểu diễn:
a. Dấu và trị tuyệt đối.
b. Số bù 1.
c. Số bù 2.
13- Đổi các số sau đây:

a. (011011)2 ra số thập phân.
b. (-2005)10 ra số nhị phân 16 bits.
c. (55.875)10 ra số nhị phân.

19