Cấu trúc máy tính chương 3 hệ thống máy tính

Kiến trúc máy tính

Chƣơng 3
HỆ THỐNG MÁY TÍNH

167


Nội dung chƣơng 3

3.1. Cấu trúc và hoạt động cơ bản của máy tính
3.2. Bộ xử lý trung tâm
3.3. Bộ nhớ máy tính
3.4. Hệ thống vào ra
3.5. Giới thiệu hệ điều hành

168


Cấu trúc và hoạt động cơ bản của máy tính






Cấu trúc cơ bản của máy tính
Liên kết hệ thống
Hoạt động cơ bản của máy tính
Cấu trúc một máy tính cá nhân điển hình

169


3.1.1 Cấu trúc cơ bản của máy tính





Bộ xử lý trung tâm
Bộ nhớ
Hệ thống vào-ra
Liên kết hệ thống

(Central Processing Unit)
(Memory)
(Input-Output System)
(System Interconnection)

170


Bộ xử lý trung tâm (CPU)
 Chức năng:



Điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống máy tính
Xử lý dữ liệu

 Nguyên tắc hoạt động cơ bản: CPU hoạt động theo
chƣơng trình nằm trong bộ nhớ chính, bằng cách:





Nhận lần lƣợt từng lệnh từ bộ nhớ chính,
Sau đó tiến hành giải mã lệnh và phát các tín hiệu điều
khiển thực thi lệnh.
Trong quá trình thực thi lệnh, CPU có thể trao đổi dữ liệu
với bộ nhớ chính hay hệ thống vào-ra.

171


Cấu trúc cơ bản của CPU

Đơn vị điều khiển
(CU)

Đơn vị số học và logic
(ALU)

Tập các thanh ghi
(RF)

Bus bên trong
Đơn vị nối ghép bus (BIU)

Bus bên ngoài
172


Các thành phần cơ bản của CPU
 Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU): điều khiển hoạt
động của máy tính theo chƣơng trình đã định sẵn.
 Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU):
thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic trên
các dữ liệu cụ thể.
 Tập thanh ghi (Register File - RF): lƣu giữ các thông tin
tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU.
 Bus bên trong (Internal Bus): kết nối các thành phần bên
trong CPU với nhau.
 Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU) kết nối và
trao đổi thông tin với nhau giữa bus bên trong (internal bus)
với bus bên ngoài (external bus).
173


Tốc độ của bộ xử lý
 Tốc độ của bộ xử lý:




Số lệnh đƣợc thực hiện trong 1 giây
MIPS (Millions of Instructions per Second)
Khó đánh giá chính xác

 Tần số xung nhịp của bộ xử lý:




Bộ xử lý hoạt động theo một xung nhịp (Clock) có tần số
xác định
Tốc độ của bộ xử lý đƣợc đánh giá gián tiếp thông qua
tần số của xung nhịp

174


Tốc độ của bộ xử lý (tiếp)
 Dạng xung nhịp:
T0

 T0: chu kỳ xung nhịp
 Mỗi thao tác của bộ xử lý mất một số nguyên lần chu kỳ T0
 T0 càng nhỏ thì bộ xử lý chạy càng nhanh
 Tần số xung nhịp: f0=1/T0 gọi là tần số làm việc của CPU
 VD: Máy tính dùng bộ xử lý Pentium IV 2GHz
Ta có: f0 = 2GHz = 2 x 109Hz
 T0 = 1/f0 = 1 / (2 x 109) = 0,5 ns

175


Bộ nhớ máy tính
 Chức năng: lƣu trữ chƣơng trình và dữ liệu

 Các thao tác cơ bản với bộ nhớ:



Thao tác đọc (Read)
Thao tác ghi (Write)

 Các thành phần chính:



Bộ nhớ trong (Internal Memory)
Bộ nhớ ngoài (External Memory)

176


Các thành phần bộ nhớ máy tính

CPU

Bộ nhớ
trong

Bộ nhớ
ngoài

177

Bộ nhớ trong
 Chức năng và đặc điểm:





Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp
Tốc độ rất nhanh
Dung lƣợng không lớn
Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM và RAM

 Các loại bộ nhớ trong:



Bộ nhớ chính
Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh)

178


Bộ nhớ chính (Main Memory)
 Là thành phần nhớ tồn tại trên mọi hệ
thống máy tính
 Chứa các chƣơng trình và dữ liệu đang
đƣợc CPU sử dụng
 Tổ chức thành các ngăn nhớ đƣợc đánh
địa chỉ
 Ngăn nhớ thƣờng đƣợc tổ chức theo Byte

 Nội dung của ngăn nhớ có thể thay đổi,
song địa chỉ vật lý của ngăn nhớ luôn cố
định
 Thông thƣờng, bộ nhớ chính bao gồm 2
phần:



Bộ nhớ RAM
Bộ nhớ ROM

Néi dung

§Þa chØ

00101011
11010101
00001010
01011000
11111011
00001000
11101010
00000000
10011101
00101010
11101011
00000010
00101011
00101011
11111111

10101010

0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
179


Bộ nhớ đệm nhanh (Cache memory)
 Là thành phần nhớ tốc độ nhanh đƣợc đặt đệm
giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ truy
cập bộ nhớ của CPU.
 Tốc độ của cache nhanh hơn bộ nhớ chính nhƣng
dung lƣợng nhỏ hơn.
 Cache thƣờng đƣợc chia ra thành một số mức:
cache L1, cache L2, ...
 Hiện nay cache đƣợc tích hợp trên các chip vi xử

lý.
 Cache có thể có hoặc không.
180


Bộ nhớ ngoài
 Chức năng và đặc điểm:







Lƣu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính, bao gồm:
hệ điều hành, các chƣơng trình và các dữ liệu
Bộ nhớ ngoài đƣợc kết nối với hệ thống dƣới dạng các
thiết bị vào-ra
Dung lƣợng lớn
Tốc độ chậm

 Các loại bộ nhớ ngoài:




Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm
Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD
Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card
181

Hệ thống vào-ra (Input-Output)
 Chức năng: Trao đổi thông tin giữa máy tính với
thế giới bên ngoài.
 Các thao tác cơ bản:



Vào dữ liệu (Input)
Ra dữ liệu (Output)

 Các thành phần chính:



Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)
Các mô-đun nối ghép vào-ra (IO Modules)

182


Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra

nèi ghÐp
víi CPU
vµ
bé nhí
chÝnh

Cæng
vµora

ThiÕt bÞ
ngo¹i vi

Cæng
vµora

ThiÕt bÞ
ngo¹i vi

M«-®un
vµo-ra

Cæng
vµora

ThiÕt bÞ
ngo¹i vi

183


Các thiết bị ngoại vi
 Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và
bên ngoài máy tính
 Các loại thiết bị ngoại vi cơ bản:






Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét ...
Thiết bị ra: màn hình, máy in ...
Thiết bị nhớ: các ổ đĩa ...
Thiết bị truyền thông: modem ...

184


Mô-đun vào-ra
 Chức năng: nối ghép thiết bị ngoại vi với máy tính
 Khái niệm cổng vào-ra:






Trong mỗi mô-đun vào-ra có một hoặc một vài cổng vàora (I/O Port).
Mỗi cổng vào-ra cũng đƣợc đánh một địa chỉ xác định.
Thiết bị ngoại vi đƣợc kết nối và trao đổi dữ liệu với bên
trong máy tính thông qua các cổng vào-ra.

185


Liên kết hệ thống

 Luồng thông tin trong máy tính
 Cấu trúc bus cơ bản
 Phân cấp bus trong máy tính

186


Luồng thông tin trong máy tính
 Các mô-đun trong máy tính:




CPU
Mô-đun nhớ
Mô-đun vào-ra

 cần đƣợc kết nối với nhau

187


Kết nối mô-đun nhớ

Địa chỉ
Dữ liệu
T/h đ/khiển đọc

Dữ liệu hoặc lệnh

Module nhớ

T/h đ/khiển ghi

188


Kết nối mô-đun vào-ra
Địa chỉ
DL đến TBNV
DL từ bên trong MT
DL từ TBNV
T/h đ/khiển đọc

…

DL đến bên trong MT

Module
vào-ra
Các t/h đ/khiển ngắt

T/h đ/khiển ghi

189


Kết nối CPU

Lệnh

Địa chỉ

Dữ liệu

Dữ liệu
CPU

Các t/h đ/khiển ngắt

Các t/h đ/khiển
bộ nhớ và vào-ra

190


Nhận xét
 Có 4 loại thông tin:





Địa chỉ
Dữ liệu
Lệnh
Thông tin điều khiển

191