Bài Giảng Kiến Trúc Máy Tính ( Combo Full Slides 6 Chương )

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH


Giới thiệu
p  Là

khoa học cơ sở của ngành CNTT
p  Khoa học về chọn lựa các thành phần phần cứng à
hiệu năng cao, giá thành rẻ à chính là cơ sở của các
công ty công nghệ mới (Apple, IoT Misfit, …)
p  Rất nhiều sản phẩm từ IoT (giá vài đô), đến các hệ
thống lớn (nhiều triệu đô) -> Đều gọi là máy tính
p  Học về các khốI chức năng cơ bản cho một hệ thống
máy tính hồn chỉnh.

2


Các nội dung chính
p  Chương

1: Giới thiệu chung
p  Chương 2: Khối xử lý trung tâm – CPU
p  Chương 3: Tập lệnh máy tính
p  Chương 4: Bộ nhớ trong
p  Chương 5: Bộ nhớ ngoài
p  Chương 6: Hệ thống bus và thiết bị ngoại vi

5

Tài liệu tham khảo
p  Bài

giảng “Kiến trúc máy tính” – Hoàng Xuân Dậu
p  Stallings W., Computer Organization and
Architecture, Prentice – Hall 2013.
p  Hennesy J.L. and Patterson D.A., Computer
Architecture. A Quantitative Approach, Morgan
Kaufmann, 2003.
p  Trần Quang Vinh, Cấu trúc máy vi tính, Nhà xuất bản
Giáo dục, 1999.
p  Hồ Khánh Lâm, Kỹ thuật vi xử lý, Nhà xuất bản Bưu
điện, 2005
3


Kiến trúc máy tính
There are four
main structural
components
of the
computer:

ª  CPU – điều khiển và xử lý dữ
liệu máy tính

ª  Bộ nhớ chính – Lưu dữ liệu
ª  Cổng vào ra (I/O) – chuyển

dữ liệu giữa máy tính và mơi

trường bên ngồi

ª  Kết nối hệ thống – Các cơ chế
đảm bảo thông tin thông suốt
giữa CPU, bộ nhớ trung tâm,
và cổng vào ra (I/O)


Chương 1: Giới thiệu chung


Chương 1: Nội dung chính
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 

Khái niệm kiến trúc và tổ chức máy tính
Cấu trúc và chức năng của máy tính
Lịch sử phát triển máy tính
Kiến trúc Von Neumann
Kiến trúc Harvard
Biểu diễn dữ liệu trong máy tính

8


1. Kiến trúc và tổ chức máy tính

p  Kiến

trúc máy tính (computer architecture): là khoa
học về lựa chọn và kết nối các thành phần phần cứng
của máy tính nhằm đạt yêu cầu:
Hiệu năng: càng nhanh càng tốt
n  Chức năng: nhiều chức năng
n  Giá thành: càng rẻ càng tốt
n 

p  Tổ

chức máy tính (computer organization): là khoa
học nghiên cứu các thành phần của máy tính và
phương thức làm việc của chúng dựa trên kiến trúc
cho trước
9


Ví dụ
p  Computer

Architecture: IBM Thinkpad, Iphone,
Android Phones à Thiết kế hệ thống dòng sản phẩm
p  Computer Organization à Các thế hệ máy khác nhau
với cùng kiến trúc phần cứng
Các đời Thinkpad khác nhau: T40, T50, ..
n  Iphone 4, 4s, 5, 5s, 6, 6s, 7, 7s, ….
n  Samsung S2, S3, S4, S5, S6,…
n 

10


1. Kiến trúc và tổ chức máy tính
p  3

thành phần cơ bản của kiến trúc máy tính

1. 

Kiến trúc tập lệnh (ISA): là hình ảnh trừu tượng của máy
tính ở mức ngôn ngữ máy (hoặc hợp ngữ), bao gồm:
p 
p 
p 
p 

Tập lệnh
Các chế độ địa chỉ bộ nhớ
Các thanh ghi
Khuôn dạng địa chỉ và dữ liệu

11


1. Kiến trúc và tổ chức máy tính
2. 

Vi kiến trúc (microarchitecture): cịn được gọi là tổ chức

máy tính, mơ tả về hệ thống ở mức thấp, liên quan tới:
p 
p 

Các thành phần phần cứng kết nối với nhau như thế nào
Các thành phần phần cứng phối hợp, tương tác với nhau như thế
nào để thực hiện tập lệnh

12


1. Kiến trúc và tổ chức máy tính
3. 

Thiết kế hệ thống, bao gồm tất cả các thành phần phần
cứng khác trong hệ thống máy tính, ví dụ:
p 
p 
p 
p 

Các hệ thống kết nối như bus và chuyển mạch
Mạch điều khiển bộ nhớ, cấu trúc phân cấp bộ nhớ
Các kỹ thuật giảm tải cho CPU như truy cập trực tiếp bộ nhớ
Các vấn đề như đa xử lý

13


2. Cấu trúc và các thành phần chức năng

Bộnhớtrong
ROMRAM

CPU

Bushệthống
Ghépnốivào

Ghépnốira

Thiếtbịvào
Bànphím
chuột
Ổđĩa
Máyqt

Thiếtbịra
Mànhình
Máyin
Ổđĩa


Cácthiếtbịngoạivi
14


2. Cấu trúc và các thành phần chức năng
p 

Bộ xử lý trung tâm (CPU):

n 

Chức năng:
p 
p 

n 

Đọc lệnh từ bộ nhớ
Giải mã và thực hiện lệnh

Bao gồm:
p 
p 
p 
p 

Khối điều khiển (CU: Control Unit)
Khối tính tốn số học và logic (ALU: Arithmetic and Logic Unit)
Các thanh ghi (Registers)
Bus trong CPU

15


CPU
Vi xử lý Intel
8086 (1978)

Vi xử lý Intel

Core 2 Duo
(2006)

16


2. Cấu trúc và các thành phần chức năng
p  Bộ

nhớ trong:

n  Lưu

trữ lệnh và dữ liệu để CPU xử lý
n  Bao gồm:
p  ROM

– Read Only Memory:

§  Lưu trữ lệnh và dữ liệu của hệ thống
§  Thơng tin trong ROM vẫn tồn tại khi mất nguồn ni
p  RAM

– Random Access Memory:

§  Lưu trữ lệnh và dữ liệu của hệ thống và người dùng
§  Thơng tin trong RAM sẽ mất khi mất nguồn nuôi

17

Các thành phần chính – bộ nhớ trong

18


Các thành phần chính – Bộ nhớ ngồi
Bộ nhớ ngồi - ổ đĩa cứng HDD

19


2. Cấu trúc và các thành phần chức năng
p  Các
n 

thiết bị vào ra:

Thiết bị vào (input devices): nhập dữ liệu và điều khiển
Bàn phím
p  Chuột
p  ổ đĩa
p  Máy quét
p 

n 

Thiết bị ra: kết xuất dữ liệu
Màn hình
p  Máy in

p  ổ đĩa
p 

20


Các thành phần chính – bus hệ thống
n  Tập

các đường dây kết nối CPU với các thành
phần khác của máy tính
n  Bao gồm 3 loại:
p  Bus

địa chỉ (gọi là bus A)
p  Bus dữ liệu (gọi là bus D)
p  Bus điều khiển (bus C)

21


PCI bus

22


Lịch sử phát triển máy tính

23

Lịch sử phát triển máy tính
p  Chia

thành 5 thế hệ dựa trên sự phát triển mạch điện

tử
p  Thế hệ 1 (1944-1959):
n  Sử dụng bóng đèn điện tử
Dùng băng từ làm các thiết bị đầu vào/ ra
n  Mật độ tích hợp linh kiện: 1000 linh kiện/ foot3 (1 foot=
30.48 cm)
n  Ví dụ: ENIAC - Electronic Numerical Integrator and
Computer, 1946, giá 500,000 USD.
n 

24


Lịch sử phát triển máy tính - ENIAC

25


Lịch sử phát triển máy tính
p  Thế

hệ thứ 2(1960-1964):

Sử dụng transistors

n  ~ 100,000 linh kiện/ foot3
n  Ví dụ: UNIVAC 1107, UNIVAC III, IBM 7070, 7080,
7090, 1400 series, 1600 series. (1951, đầu tiên giá $159K,
sau đó UNIVAC 1 giá hơn 1 triệu $)
n 

26