KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

H C VI N CÔNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG

KI N TRÚC MÁY TÍNH
(Dùng cho sinh viên h đào t o đ i h c t xa)
L u hành n i b

HÀ N I - 2008


H C VI N CÔNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG

KI N TRÚC MÁY TÍNH
Biên so n :

TS. LÊ H U L P


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

L I NÓI

U

KI N TRÚC MÁY TÍNH là môn h c n m trong ch
ngành Công ngh thông tin và ngành

ng trình đào t o đ i h c

i n t Vi n thông c a H c vi n công ngh B u

chính Vi n thông. M c tiêu c a môn h c là: kh o sát c u trúc và ch c n ng c a máy
tính. Môn h c này giúp sinh viên hi u rõ b n ch t và nh ng đ c tr ng c a các h th ng
máy tính hi n đ i. ây là m t nhi m v không đ n gi n vì:
- Các lo i máy tính hi n nay là t
ng d ng, kích th

ng đ i đa d ng v ch ng lo i: kh n ng v n hành,

c, giá c là r t khác nhau. Có các máy đ n chip ch vài ch c đô la

đ n các siêu máy tính có giá c t i hàng tri u đô la v i hi u xu t và ng d ng trên
ph m vi r ng l n.
- S thay đ i nhanh chóng v công ngh máy tính, t k thu t m ch tích h p dùng đ
xây d ng nên các thành ph n máy tính cho đ n vi c gia t ng s d ng nh ng khái ni m
v t ch c song song trong vi c k t h p các thành ph n đó.
M c dù có s hi n di n c a tính đa d ng và t c đ thay đ i công ngh trong l nh v c
máy tính, nhi u khái ni m c b n v n đ

c áp d ng r ng kh p. Trong sách h

ng d n

h c t p này, các y u t c b n v ki n trúc và t ch c máy tính, m i quan h gi a
chúng c ng nh nhi u bài toán g p ph i trong thi t k máy tính hi n nay s đ

cđ

c p.
Sách này gi i thi u các n i dung ch y u sau:

- Khái ni m v Ki n trúc và T ch c máy tính
- L ch s phát tri n c a máy tính, các th h máy tính và cách phân lo i máy tính.
- Gi i thi u các thành ph n c b n c a m t h th ng máy tính. Ki n trúc thông d ng
c a các lo i máy tính hi n nay: Ki n trúc von-Neumann
- Gi i thi u c u trúc c a b x lý trung tâm: t ch c, ch c n ng và nguyên lý ho t đ ng
c a các b ph n bên trong b vi x lý.
- Gi i thi u v t p l nh máy tính bao g m : Chu trình th c hi n m t l nh; m t s d ng
l nh thông d ng; các toán h ng; các ch đ đ a ch .
1


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

- Gi i thi u ch c n ng và nguyên lý ho t đ ng c a các c p b nh máy tính; B nh
trong; B nh ngoài.
- H th ng BUS và thi t b ngo i vi.
PH

NG PHÁP H C T P

Do sách ch mang tính ch t gi i thi u t ng quát nên sinh viên c n tham kh o thêm các
tài li u gi i thi u v ki n trúc c th c a các b x lý. Sinh viên c n tìm hi u thêm các
tài li u liên quan đ th y đ

c sâu h n v n đ đ

c đ t ra ( M c tài li u tham kh o)
Hà n i, tháng 4 n m 2008

TÁC GI

2


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

CH

NG 1: GI I THI U CHUNG

A. TÓM T T N I DUNG CHÍNH C A CH

NG:

- Ki n trúc máy tính: là nh ng thu c tính h th ng mà ng
đ

i l p trình có th nhìn th y

c nh : t p l nh, s bit đ bi u di n d li u, k thu t đ nh đ a ch b nh , nguyên

t c vào ra…Ki n trúc máy tính g m: Ki n trúc ph n m m; T ch c c a máy tính và
L p đ t ph n c ng
- T ch c máy tính: nghiên c u các đ n v v n hành và s k t n i gi a chúng nh m
th c hi n các đ c t v ki n trúc nh : Tín hi u đi u khi n; Giao di n v i các thi t b
ngo i vi; K thu t b nh đ

- C u trúc c a máy tính: Ph

c s d ng…
ng th c các thành ph n h th ng liên h v i nhau, bao

g m: B nh trong; B x lý trung tâm (Vi x lý); Các thành ph n nh p/xu t; Các
thành ph n k t n i h th ng (BUS)
- Ch c n ng máy tính: X lý d li u; L u tr d li u; Di chuy n d li u; i u khi n.
- L ch s phát tri n c a các th h máy tính: Tr i qua 5 th h t n m 1946 đ n nay,
các th h này đ

c phân chia ph thu c vào s phát tri n c a công ngh đi n t :

èn đi n t ; Transistor, M ch IC, M ch t h p LSI-VLSI; X lý song song.
- Ki n trúc von-Neumann: Nguyên t c c a ki n trúc này là ch

ng trình đ

c l u tr ;

cho phép nhi u thu t toán khác nhau có th th c hi n trong máy tính mà không ph i
n i dây l i nh các máy th h tr

c đó : ENIAC. Khi đó máy tính ch c n l y ch th

đ c t b nh và th c hi n x lý d li u.
B. N I DUNG
1.1 Khái ni m Ki n trúc và T ch c máy tính
Ki n trúc máy tính và T ch c máy tính là hai thu t ng c n đ

c phân bi t khi mô

t m t h th ng máy tính.
a) Ki n trúc máy tính đ c p đ n nh ng thu c tính h th ng mà l p trình viên có th
quan sát đ

c. Nói cách khác, đó là các thu c tính có nh h
3

ng tr c ti p đ n vi c


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

th c thi m t ch

ng trình, ví d nh t p l nh c a máy tính, s bit đ

c s d ng đ

bi u di n d li u, c ch nh p/xu t, k thu t đ nh đ a ch b nh , v.v...
Ki n trúc máy tính bao g m ba ph n: Ki n trúc ph n m m, t ch c c a máy tính và
l p đ t ph n c ng.
Ki n trúc ph n m m c a máy tính ch y u là ki n trúc ph n m m c a b x lý,
bao g m: t p l nh, d ng các l nh và các ki u đ nh v : Trong đó, t p l nh là t p h p
các l nh mã máy (mã nh phân) hoàn ch nh có th hi u và đ
trung tâm, thông th

ng các l nh trong t p l nh đ

c x lý b i b x lý

c trình bày d

i d ng h p ng .

M i l nh ch a thông tin yêu c u b x lý th c hi n, bao g m: mã tác v , đ a ch toán
h ng ngu n, đ a ch toán h ng k t qu , l nh k ti p (thông th

ng thì thông tin này

n). Ki u đ nh v ch ra cách th c thâm nh p toán h ng. Ki n trúc ph n m m là ph n
mà các l p trình viên h th ng ph i n m v ng đ vi c l p trình hi u qu , ít sai sót.
Ph n t ch c c a máy tính liên quan đ n c u trúc bên trong c a b x lý, c u
trúc các bus, các c p b nh và các m t k thu t khác c a máy tính. Ph n này s đ
trình bày

các ch

c

ng sau.

L p đ t ph n c ng c a máy tính chính là vi c l p ráp m t máy tính dùng các
linh ki n đi n t và các b ph n ph n c ng c n thi t. Trong tài li u này không đ c p
đ n v n đ này.
b)T ch c máy tính quan tâm đ n các đ n v v n hành và s k t n i gi a chúng
nh m hi n th c hóa nh ng đ c t v ki n trúc, ch ng h n nh v tín hi u đi u khi n,

giao di n
gi a máy tính v i các thi t b ngo i vi, k thu t b nh đ

c s d ng, v.v..

minh h a rõ h n v hai khái ni m này, chúng ta hãy xét đ n phép toán nhân. Vi c
máy tính có trang b phép toán này hay không là v n đ thu c v ki n trúc máy tính.
Trong khi đó, vi c cài đ t phép toán thông qua m t đ n v nhân đ c bi t hay qua c
ch s d ng l p đi l p l i đ n v c ng c a h th ng là v n đ thu c v t ch c máy
tính.

đây s ch n l a s d ng c ch nào ph thu c vào các y u t nh t n s s

d ng phép toán, t c đ t

ng đ i c a c hai cách ti p c n, giá c và kích th

c a m t đ n v nhân đ c bi t.
4

c v t lý


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

K t lúc ngành công nghi p máy tính ra đ i cho đ n nay, s phân bi t gi a ki n trúc
và t ch c máy tính là m t y u t quan tr ng. Nhi u hãng s n xu t máy tính cho ra
đ i c m t h máy ch khác nhau v t ch c còn ki n trúc hoàn toàn gi ng nhau. K t

qu là các ki u máy trong cùng m t h có giá c và hi u su t v n hành khác nhau.
H n th n a, m t ki n trúc máy có th t n t i qua nhi u n m li n trong khi t ch c
máy d a trên đó s thay đ i theo b
ví d tr

c ti n c a công ngh .

đây chúng ta có th l y

ng h p ki n trúc máy IBM System/370. Ki n trúc này đ

c gi i thi u l n

đ u vào n m 1970 v i m t s ki u máy khác nhau. Khách hàng v i nhu c u khiêm
t n có th mua ki u máy r h n, ch m h n và nâng c p lên ki u máy đ t ti n h n,
nhanh h n khi nhu c u s d ng t ng lên. i m quan tr ng trong vi c nâng c p này là
khách hàng không ph i b đi nh ng ph n m m đang đ

c s d ng trên máy c c a

h . Tr i qua n m tháng, hãng IBM đã cho ra đ i thêm nhi u ki u máy m i d a trên
công ngh c i ti n nh m thay th nh ng ki u máy l i th i, mang l i cho khách hàng
l i ích v t c đ và chi phí th p, trong khi v n b o toàn s đ u t c a h v ph n m m
nh có s dùng chung m t ki n trúc máy cho t t c ki u máy trong cùng m t h .
B ng cách t ch c đ nh h

ng ng

i s d ng nh v y, ki n trúc IBM System/370,

qua m t vài tinh ch nh không đáng k , v n t n t i cho đ n ngày nay v i vai trò ng n
c đ u trong dòng s n ph m IBM.
Trong l p các máy tính đ

c g i là máy vi tính, hai y u t t ch c và ki n trúc có m i

quan h r t g n g i. Nh ng thay đ i v công ngh không ch

nh h

ng đ n t ch c

mà còn d n đ n s ra đ i c a nh ng ki n trúc m nh h n, phong phú h n. Nói chung
thì s đòi h i v tính t

ng thích t th h này sang th h khác kém gay g t h n đ i

v i nh ng chi c máy nh này. Do v y, các quy t đ nh thi t k có tính ki n trúc và
thi t k có tính t ch c th

ng có s t

ng tác l n nhau.

5


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

1.2 C u trúc và ch c n ng c a máy tính
Máy tính là m t h th ng ph c t p v i hàng tri u thành ph n đi n t c s . Chìa
khóa chính đ mô t máy tính rõ ràng là s nh n th c v b n ch t phân c p c a h u h t
các h th ng ph c t p. M t h th ng phân c p là m t t p h p g m các h th ng con có
liên quan v i nhau, trong đó m i h th ng con l i có tính phân c p v c u trúc, c th
ti p t c cho đ n c p th p nh t ch a nh ng h th ng con c s .
B n ch t phân c p c a m t h th ng ph c t p gi vai trò chính trong vi c thi t
k và mô t nó. T i m i c p, h th ng bao g m m t t p h p các thành ph n con cùng
v i nh ng m i liên h gi a chúng.

đây có hai y u t đ

c quan tâm đ n là c u trúc

và ch c n ng:
C u trúc: cách th c các thành ph n h th ng liên h v i nhau.
Ch c n ng : ho t đ ng c a m i thành ph n riêng l v i t cách là m t ph n c a c u
trúc.
1.2.1 CH C N NG
M t cách t ng quát, m t máy tính có th th c hi n b n ch c n ng c b n sau, nh đ
th hi n trong hình 1.1:

Hình 1.1 Các ch c n ng c b n c a máy tính

6

c

Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

a) X lý d li u: máy tính ph i có kh n ng x lý d li u. D li u có th có r t nhi u
d ng và ph m vi yêu c u x lý c ng r t r ng.
b) L u tr d li u: máy tính c ng c n ph i có kh n ng l u tr d li u. Ngay c khi
máy tính đang x lý d li u, nó v n ph i l u tr t m th i t i m i th i đi m ph n d li u
đang đ

c x lý. Do v y ít nh t thì máy tính c n có ch c n ng l u tr ng n h n. Tuy

nhiên, ch c n ng l u tr dài h n c ng có t m quan tr ng t
đ

ng đ

ng, vì d li u c n

c l u tr trên máy cho nh ng l n c p nh t và tìm ki m k ti p.

c) Di chuy n d li u: máy tính ph i có kh n ng di chuy n d li u gi a nó và th gi i
bên ngoài. Kh n ng này đ

c th hi n thông qua vi c di chuy n d li u gi a máy tính

v i các thi t b n i k t tr c ti p hay t xa đ n nó. Tùy thu c vào ki u k t n i và c ly di
chuy n d li u, chúng ta có ti n trình nh p xu t d li u hay truy n d li u:
- Th c hi n nh p xu t d li u: là di chuy n d li u trong c ly ng n gi a máy tính và
thi t b n i k t tr c ti p.

- Th c hi n truy n d li u: là di chuy n d li u trong c ly xa gi a máy tính và thi t
b n i k t t xa.
d) i u khi n: bên trong h th ng máy tính, đ n v đi u khi n có nhi m v qu n lý các
tài nguyên máy tính và đi u ph i s v n hành c a các thành ph n ch c n ng phù h p
v i yêu c u nh n đ

c t ng

i s d ng. T

ng ng v i các ch c n ng t ng quát nói

trên, có b n lo i ho t đ ng có th x y ra g m:
* Máy tính đ

c dùng nh m t thi t b di chuy n d li u, có nhi m v đ n gi n là

chuy n d li u t b ph n ngo i vi hay đ
đ

ng liên l c này sang b ph n ngo i vi hay

ng liên l c khác.

* Máy tính đ

c dùng đ l u tr d li u, v i d li u đ

vào l u tr trong máy (quá trình đ c d li u) và ng

7

c chuy n t môi tr

ng ngoài

c l i (quá trình ghi d li u)


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

* Máy tính đ

c dùng đ x lý d li u thông qua các thao tác trên d li u l u tr

* Máy tính đ

c dùng đ x lý d li u k t h p gi a vi c l u tr và liên l c v i môi

tr

ng bên ngoài.

1.2.2 C U TRÚC
m c đ n gi n nh t, máy tính có th đ
m t cách th c nào đó v i môi tr
c a nó v i môi tr

c xem nh m t th c th t

ng tác theo

ng bên ngoài. M t cách t ng quát, các m i quan h

ng bên ngoài có th phân lo i thành các thi t b ngo i vi hay đ

liên l c.Trong hình 1.2 máy tính đ

ng

c mô t v i b n thành ph n chính:

a) B nh trong: dùng đ l u tr d li u. ây là m t t p h p các ô nh , m i ô nh có
m t s bit nh t đ nh và ch c m t thông tin đ

c mã hoá thành s nh phân mà không

quan tâm đ n ki u c a d li u mà nó đang ch a. Các thông tin này là các l nh hay s
li u. M i ô nh c a b nh trong đ u có m t đ a ch . Th i gian thâm nh p vào m t ô
nh b t k trong b nh là nh nhau. Vì v y, b nh trong còn đ

c g i là b nh truy

c p ng u nhiên (RAM: Random Access Memory).

dài c a m t t

máy tính

(Computer Word) là 32 bit (hay 4 byte), tuy nhiên dung l

ng m t ô nh thông th

ng

là 8 bit (1 Byte).
b) B x lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit): đi u khi n ho t đ ng c a
máy tính và th c hi n các ch c n ng x lý d li u.

ây là b ph n thi hành l nh. CPU

l y l nh t b nh trong và l y các s li u mà l nh đó x lý. B x lý trung tâm g m có
hai ph n: ph n thi hành l nh và ph n đi u khi n. Ph n thi hành l nh bao g m b làm
toán và lu n lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) và các thanh ghi. Nó có nhi m v
làm các phép toán trên s li u. Ph n đi u khi n có nhi m v đ m b o thi hành các l nh
m t cách tu n t và tác đ ng các m ch ch c n ng đ thi hành các l nh.
c) Các thành ph n nh p xu t (vào/ra) dùng đ di chuy n d li u gi a máy tính và
môi tr

ng bên ngoài (ngo i vi).

ây là b ph n xu t nh p thông tin, b

th c hi n s giao ti p gi a máy tính và ng
th ng m ng (đ i v i các máy tính đ

ph n này

i dùng hay gi a các máy tính trong h

c k t n i thành m t h th ng m ng). Các b ph n
8


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

xu t nh p th

ng g p là: b l u tr ngoài, màn hình, máy in, bàn phím, chu t, máy

quét nh, các giao di n m ng c c b hay m ng di n r ng...B t o thích ng là m t vi
m ch t ng h p (chipset) k t n i gi a các h th ng bus có các t c đ d li u khác nhau.
d) Các thành ph n n i k t h th ng (BUS) cung c p c ch liên l c gi a CPU, b
nh chính và các thành ph n nh p xu t ( vào/ra).

.
B X LÝ
TRUNG TÂM
(CPU)
n v đi u
khi n (CU)

B NH
TRONG

VÀO/RA

(I/O)

n v s h clogic (ALU)
Các thanh ghi
(Registers)

BUS H TH NG

Hình 1.2 C u trúc c a m t h máy tính

H th ng bus bao g m: bus đ a ch , bus d li u và bus đi u khi n. Bus đ a ch và bus d
li u dùng trong vi c chuy n d li u gi a các b ph n trong máy tính. Bus đi u khi n
làm cho s trao đ i thông tin gi a các b ph n đ

c đ ng b . Thông th

ng ng

i ta

phân bi t m t bus h th ng dùng trao đ i thông tin gi a CPU và b nh trong (thông
qua cache), và m t bus vào-ra dùng trao đ i thông tin gi a các b ph n vào-ra và b
nh trong.
Máy tính có th có m t ho c nhi u thành ph n nói trên, ví d nh m t ho c nhi u
CPU. Tr

c đây đa ph n các máy tính ch có m t CPU, nh ng g n đây có s gia t ng
9

Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

s d ng nhi u CPU trong m t h th ng máy đ n. CPU luôn luôn là đ i t
tr ng c n đ

ng quan

c kh o sát vì đây là thành ph n ph c t p nh t c a h th ng. Trong hình

1.2 c ng th hi n c u trúc c a CPU v i các thành ph n chính g m:
n v đi u khi n (CU- Control Unit): đi u khi n ho t đ ng c a CPU và c ng là đi u
khi n ho t đ ng c a máy tính.
n v s h c và logic (ALU – Arithmetic and Logic Unit): th c hi n các ch c n ng
x lý d li u c a máy tính.
T p thanh ghi ( Registers ): cung c p n i l u tr bên trong CPU.
Thành ph n n i k t n i CPU: c ch cung c p kh n ng liên l c gi a đ n v đi u
khi n, ALU và t p thanh ghi.
Trong các thành ph n con nói trên c a CPU, đ n v đi u khi n l i gi vai trò quan tr ng
nh t. S cài đ t đ n v này d n đ n m t khái ni m n n t ng trong ch t o b vi x lý
máy tính.

ó là khái ni m vi l p trình. Hình 1.3 mô t t ch c bên trong m t đ n v

đi u khi n v i ba thành ph n chính g m:

Hình 1.3:

.

n v đi u khi n (CU) c a CPU
10


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

B l p dãy logic
T p thanh ghi và b gi i mã
B nh đi u khi n
Trong ch

ng 2 chúng ta s tìm hi u sâu h n v Kh i X lý trung tâm (CPU)

11


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

1.3 L ch s phát tri n c a máy tính
S phát tri n c a máy tính đ

c mô t d a trên s ti n b c a các công ngh ch t o các

linh ki n c b n c a máy tính nh : b x lý, b nh , các ngo i vi,…Ta có th nói máy
tính đi n t s tr i qua b n th h liên ti p. Vi c chuy n t th h tr

đ

c sang th h sau

c đ c tr ng b ng m t s thay đ i c b n v công ngh .

1.3.1 Th h đ u tiên (1945-1958): Máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator
and Computer) là máy tính đi n t s đ u tiên do Giáo s Mauchly và ng
Eckert t i

i h c Pennsylvania thi t k vào n m 1943 và đ

i h c trò

c hoàn thành vào n m

1946. ây là m t máy tính kh ng l v i th tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và r ng vài mét.
ENIAC bao g m: 18.000 đèn đi n t , 1.500 công t c t đ ng, cân n ng 30 t n, và tiêu th
140KW gi . Nó có 20 thanh ghi 10 bit (tính toán trên s th p phân). Có kh n ng th c
hi n 5.000 phép toán c ng trong m t giây. Công vi c l p trình b ng tay b ng cách đ u
n i các đ u c m đi n và dùng các ng t đi n.
Giáo s toán h c John Von Neumann đã đ a ra ý t
(Princeton Institute for Advanced Studies): ch

ng trình đ

ng thi t k máy tính IAS
c l u trong b nh , b đi u

khi n s l y l nh và bi n đ i giá tr c a d li u trong ph n b nh , b làm toán và lu n lý

(ALU: Arithmetic And Logic Unit) đ

c đi u khi n đ tính toán trên d li u nh phân,

đi u khi n ho t đ ng c a các thi t b vào ra.
tính hi n đ i ngày nay. Máy tính này còn đ

ây là m t ý t

ng n n t ng cho các máy

c g i là máy tính Von Neumann.

Vào nh ng n m đ u c a th p niên 50, nh ng máy tính th
đ a ra th tr

ng m i đ u tiên đ

ng: 48 h máy UNIVAC I và 19 h máy IBM 701 đã đ

c

c bán ra.

1.3.2 Th h th hai (1958-1964)
Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào n m 1947 và do đó th h th hai c a
máy tính đ

c đ c tr ng b ng s thay th các đèn đi n t b ng các transistor l

Tuy nhiên, đ n cu i th p niên 50, máy tính th
th tr

ng. Kích th

ng m i dùng transistor m i xu t hi n trên

c máy tính gi m, r ti n h n, tiêu t n n ng l

đi m này, m ch in và b nh b ng xuy n t đ

ng c c.

ng ít h n. Vào th i

c dùng. Ngôn ng c p cao xu t hi n (nh

FORTRAN n m 1956, COBOL n m 1959, ALGOL n m 1960) và h đi u hành ki u tu n
12


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

t (Batch Processing) đ
th nh t đ

c dùng. Trong h đi u hành này, ch

c ch y, xong đ n ch

ng trình c a ng

ng trình c a ng

i dùng

i dùng th hai và c th ti p t c.

1.3.3 Th h th ba (1964-1974)
Th h th ba đ

c đánh d u b ng s xu t hi n c a các m ch k t (m ch tích h p -

IC: Integrated Circuit). Các m ch k t đ

tích h p m t đ

th p (SSI: Small Scale

Integration) có th ch a vài ch c linh ki n và k t đ tích h p m t đ trung bình (MSI:
Medium Scale Integration) ch a hàng tr m linh ki n trên m ch tích h p.
M ch in nhi u l p xu t hi n, b nh bán d n b t đ u thay th b nh b ng xuy n t .
Máy tính đa ch

ng trình và h đi u hành chia th i gian đ

c dùng.

1.3.4 Th h th t (1974- nay)
Th h th t đ

c đánh d u b ng các IC có m t đ tích h p cao (LSI: Large Scale

Integration) có th ch a hàng ngàn linh ki n. Các IC m t đ tích h p r t cao (VLSI: Very
Large Scale Integration) có th ch a h n 10 ngàn linh ki n trên m ch. Hi n nay, các chip
VLSI ch a hàng tri u linh ki n.
V i s xu t hi n c a b vi x lý (microprocessor) ch a c ph n th c hi n và ph n
đi u khi n c a m t b x lý, s phát tri n c a công ngh bán d n các máy vi tính đã đ

c

ch t o và kh i đ u cho các th h máy tính cá nhân.
Các b nh bán d n, b nh cache, b nh

ođ

c dùng r ng rãi.

Các k thu t c i ti n t c đ x lý c a máy tính không ng ng đ
thu t ng d n, k thu t vô h

c phát tri n: k

ng, x lý song song m c đ cao,… Hai thành t u tiêu bi u

v công ngh c a máy tính th h th 4 s đ

c gi i thi u m t cách tóm l

c nh sau:

a) B nh bán d n
Vào kho ng nh ng n m 50 đ n 60 c a th k này, h u h t b nh máy tính đ u
đ

c ch t o t nh ng vòng nh làm b ng v t li u s t t , m i vòng có đ

kho ng 1/16 inch. Các vòng này đ
máy tính. Khi đ
khi đ

c treo trên các l

i

ng kính

trên nh ng màn nh bên trong

c t hóa theo m t chi u, m t vòng (g i là m t lõi) bi u th giá tr 1, còn

c t hóa theo chi u ng

c l i, lõi s đ i di n cho giá tr 0. B nh lõi t ki u này
13


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

làm vi c khá nhanh. Nó ch c n m t ph n tri u giây đ đ c m t bit l u trong b nh .
Nh ng nó r t đ t ti n, c ng k nh, và s d ng c ch ho t đ ng lo i tr : m t thao tác đ n
gi n nh đ c m t lõi s xóa d li u l u trong lõi đó. Do v y c n ph i cài đ t các m ch
ph c h i d li u ngay khi nó đ

c l y ra ngoài.

N m 1970, Fairchild ch t o ra b nh bán d n có dung l
Chip này có kích th

ng t

ng đ i đ u tiên.

c b ng m t lõi đ n, có th l u 256 bit nh , ho t đ ng không theo

c ch lo i tr và nhanh h n b nh lõi t . Nó ch c n 70 ph n t giây đ đ c ra m t bit
d li u trong b nh . Tuy nhiên giá thành cho m i bit cao h n so v i lõi t .
K t n m 1970, b nh bán d n đã đi qua tám th h : 1K, 4K, 16K, 64K, 256K,
1M, 4M, và gi đây là 16M bit trên m t chip đ n (1K = 210, 1M = 220). M i th h cung
c p kh n ng l u tr nhi u g p b n l n so v i th h tr

c, cùng v i s gi m thi u giá

thành trên m i bit và th i gian truy c p.
b) B vi x lý
Vào n m 1971, hãng Intel cho ra đ i chip 4004, chip đ u tiên có ch a t t c m i

thành ph n c a m t CPU trên m t chip đ n. K nguyên b vi x lý đã đ

c khai sinh t

đó. Chip 4004 có th c ng hai s 4 bit và nhân b ng cách l p l i phép c ng. Theo tiêu
chu n ngày nay, chip 4004 rõ ràng quá đ n gi n, nh ng nó đã đánh d u s b t đ u c a
m t quá trình ti n hóa liên t c v dung l

ng và s c m nh c a các b vi x lý. B

c

chuy n bi n k ti p trong quá trình ti n hóa nói trên là s gi i thi u chip Intel 8008 vào
n m 1972. ây là b vi x lý 8 bit đ u tiên và có đ ph c t p g p đôi chip 4004.
n n m 1974, Intel đ a ra chip 8080, b vi x lý đa d ng đ u tiên đ

c thi t k

đ tr thành CPU c a m t máy vi tính đa d ng. So v i chip 8008, chip 8080 nhanh h n,
có t p ch th phong phú h n và có kh n ng đ nh đ a ch l n h n.
C ng trong cùng th i gian đó, các b vi x lý 16 bit đã b t đ u đ

c phát tri n.

M c dù v y, mãi đ n cu i nh ng n m 70, các b vi x lý 16 bit đa d ng m i xu t hi n
trên th tr

ng. Sau đó đ n n m 1981, c Bell Lab và Hewlett-packard đ u đã phát tri n
14

Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

các b vi x lý đ n chip 32 bit. Trong khi đó, Intel gi i thi u b vi x lý 32 bit c a riêng
mình là chip 80386 vào n m 1985.
1.3.5 Khuynh h

ng hi n t i

Vi c chuy n t th h th t sang th h th 5 còn ch a rõ ràng. Ng
đang đi tiên phong trong các ch

i Nh t đã và

ng trình nghiên c u đ cho ra đ i th h th 5 c a máy

tính,
th h c a nh ng máy tính thông minh, d a trên các ngôn ng trí tu nhân t o nh LISP
và PROLOG,... và nh ng giao di n ng
nghiên c u đã cho ra các s n ph m b
ph m ng

i - máy thông minh.

c đ u và g n đây nh t (2004) là s ra m t s n

i máy thông minh g n gi ng v i con ng

Innovative Mobility: B

n th i đi m này, các

i nh t: ASIMO (Advanced Step

c chân tiên ti n c a đ i m i và chuy n đ ng). V i hàng tr m

nghìn máy móc đi n t t i tân đ t trong c th , ASIMO có th lên/xu ng c u thang m t
cách uy n chuy n, nh n di n ng
m nh l nh c a con ng

i, các c ch hành đ ng, gi ng nói và đáp ng m t s

i. Th m chí, nó có th b t ch

c c đ ng, g i tên ng

i và cung

c p thông tin ngay sau khi b n h i, r t g n g i và thân thi n. Hi n nay có nhi u công ty,
vi n nghiên c u c a Nh t thuê Asimo ti p khách và h
Vi n B o tàng Khoa h c n ng l

ng và

ng d n khách tham quan nh :

i m i qu c gia, hãng IBM Nh t B n, Công ty

đi n l c Tokyo. Hãng Honda b t đ u nghiên c u ASIMO t n m 1986 d a vào nguyên lý
chuy n đ ng b ng hai chân. Cho t i nay, hãng đã ch t o đ

c 50 robot ASIMO.

Các ti n b liên t c v m t đ tích h p trong VLSI đã cho phép th c hi n các
m ch vi x lý ngày càng m nh (8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit v i vi c xu t hi n các b x
lý RISC n m 1986 và các b x lý siêu vô h

ng n m 1990). Chính các b x lý này

giúp th c hi n các máy tính song song v i t vài b x lý đ n vài ngàn b x lý.

i u

này làm các chuyên gia v ki n trúc máy tính tiên đoán th h th 5 là th h các máy
tính x lý song song.

15


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

Th

N m

K thu t

S n ph m m i

Hãng s n xu t và máy

h

tính

1

èn đi n t

1946-1957

Máy tính đi n t
tung ra th tr

2

1958-1964

Transistors

IBM 701. UNIVAC

ng

Máy tính r ti n

Burroughs

6500,

NCR,

CDC 6600, Honeywell
3

1964-1974

Mach IC

Máy tính mini

50 hãng m i: DEC PDP11, Data general ,Nova

4

1974-

LSI - VLSI

và tr m làm vi c

nay
5

Nay và
T

ng lai

Máy tính cá nhân Apple II, IBM-PC, Appolo
DN 300, Sun 2

lý song Máy tính đa x lý. Thinking

X
song

a máy tính

Machine

Inc.

Honda, Casio

B ng 1.1: Các th h máy tính
1.4 Ki n trúc von-Neumann
Nh đã đ c p

trên, vi c l p trình trên máy ENIAC là m t công vi c r t t nh t

và t n kém nhi u th i gian. Công vi c này s đ n gi n h n n u ch
bi u di n d

ng trình có th đ

i d ng thích h p cho vi c l u tr trong b nh cùng v i d li u c n x lý.

Khi đó máy tính ch c n l y ch th b ng cách đ c t b nh , ngoài ra ch
đ

c

ng trình có th

c thi t l p hay thay đ i thông qua s ch nh s a các giá tr l u trong m t ph n nào đó

c a b nh .
Ýt

ng này, đ

c bi t đ n v i tên g i "khái ni m ch

do nhà toán h c John von Neumann, m t c

v n c a d

ng trình đ

c l u tr ",

án ENIAC, đ a ra ngày

8/11/1945, trong m t b n đ xu t v m t lo i máy tính m i có tên g i EDVAC
(Electronic Discrete Variable Computer). Máy tính này cho phép nhi u thu t toán khác

nhau có th đ

c ti n hành trong máy tính mà không c n ph i n i dây l i nh máy

ENIAC. Ti p t c v i ý t

ng c a mình, vào n m 1946, von Neuman cùng các đ ng
16


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

nghi p b t tay vào thi t k m t máy tính m i có ch

ng trình đ

c l u tr v i tên g i

IAS (Institute for Advanced Studies) t i h c vi n nghiên c u cao c p Princeton, M . M c
dù mãi đ n n m 1952 máy IAS m i đ

c hoàn t t, nó v n là mô hình cho t t c các máy

tính đa n ng sau này. C u trúc t ng quát c a máy IAS, nh đ

c minh h a trên hình 2.1,

g m:

a) M t b nh chính đ l u tr d li u và ch

ng trình.

b) M t đ n v s h c – Logic (ALU – Arithmetic and Logic Unit) có kh n ng thao tác
trên d li u nh phân.
c) M t đ n v đi u khi n có nhi m v thông d ch các ch th trong b nh và làm cho
chúng đ

c th c thi.

d) Thi t b nh p/xu t đ

c v n hành b i đ n v đi u khi n.

H u h t các máy tính hi n nay đ u có chung c u trúc và ch c n ng t ng quát nh trên.
Do v y chúng còn có tên g i chung là các máy von Neumann.

nv
S h c
và Logic
B
nh
chính

Thi t b
vào/ra
nv
đi u khi n
ch ng

trình

Hình 2.1 C u trúc c a máy IAS
17


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

C. CÂU H I ÔN T P
Hãy ch n câu tr l i thích h p nh t ( v i nh ng câu h i tr c nghi m )
1. Ki n trúc máy tính là khái ni m có liên quan đ n
(a) Cài đ t ph n c ng c th
(b) Ý t

ng thi t k

(c) Các thu c tính có nh h

ng tr c ti p đ n vi c th c thi m t ch

ng trình

(d) C (b) và (c) đ u đúng
2. T ch c máy tính là khái ni m có liên quan đ n
(a) Cài đ t ph n c ng c th
(b) Ý t

ng thi t k

(c) Các đ n v v n hành trong máy tính và s k t n i gi a chúng
(d) C (a) và (c) đ u đúng
3. Khi xem xét đ n vi c m t máy tính có trang b phép toán nhân hay không, chúng ta
đang th o lu n trên quan đi m
(a) T ch c máy tính
(b) Ki n trúc máy tính
(c) Ph n c ng máy tính
(d) Ph n m m máy tính
4. T n m 1946 đ n nay v i s phát tri n c a ngành công nghi p máy tính, hai y u t
ki n trúc máy tính và t ch c máy tính
(a) Luôn luôn tách bi t
(b) K t h p l n nhau
(c) Luôn luôn đ

c phân bi t rõ ràng

(d) C (b) và (c) đ u đúng
18


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

5. Tính t
đ n

ng thích ph n m m, khi xét trên quan đi m ki n trúc máy tính, mu n đ c p

(a) Kh n ng s d ng ph n m m c trên máy m i
(b) Kh n ng s d ng ph n m m m i trên máy c
(c) Kh n ng s d ng ph n m m c trên máy m i thu c cùng ki n trúc v i máy
c
(d) Kh n ng s d ng ph n m m m i trên máy c thu c cùng ki n trúc v i máy
m i
6. D a vào tiêu chu n nào ng

i ta phân chia máy tính thành các th h ?

7. Trình bày các đ c tr ng c b n c a t ng th h máy tính
8. Xu h

ng phát tri n c a máy tính hi n nay là gì?

9. Trong khái ni m "ch
ch th t

ng trình đ

c l u tr " do von Neumann đ a ra, máy tính l y

(a) B nh
(b) Vi c đóng/m các công t c đi n do ng
(c)

i v n hành máy th c hi n

a c ng

(d) Ch

ng trình

10. Khái ni m "ch

ng trình đ

c l u tr " cho phép

(a) Nhi u thu t toán có th đ
dây l i
(b) Ch
nh

ng trình có th đ

c th c hi n bên trong máy mà không c n ph i n i

c thay đ i tr c ti p thông qua các giá tr l u trong b

(c) Gi m th i gian th c thi ch

ng trình

(d) C (a), (b) và (c) đ u đúng

19

Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

CH

NG II: KH I X

LÝ TRUNG TÂM (CPU)

A. TÓM T T N I DUNG CHÍNH C A CH

NG:

- Các thành ph n ch c n ng chính c a kh i x lý trung tâm (B vi x lý CPU): Tr
h t là h th ng các thanh ghi g m : Thanh ghi tích l y A; b đ m ch

c

ng trình PC;

Thanh ghi tr ng thái hay g i là thanh ghi c FR; Con tr ng n x p SP; Các thanh ghi đa
n ng ( B,C,D,E,H,L); Thanh ghi đ a ch b nh và logic MAR; Thanh ghi l nh IR và
các thanh ghi d li u t m th i.
Thành ph n ti p theo c a CPU là: Kh i đi u khi n hay còn g i là đ n v đi u khi n
(CU): có nhi m v chuy n các tín hi u đi u khi n ra ngoài CPU nh m tác đ ng vi c
trao đ i d li u v i b nh và thi t b vào/ra đ ng th i nó c ng đ a ra các thanh ghi và
tác đ ng vào ALU th c hi n các nhi m v c th .
M t trong các thành ph n ch c n ng quan tr ng c a CPU là kh i logic và s h c
(ALU): bao g m các B c ng, b tr , b d ch, các b so sánh, B bù 2, B t ng, B

gi m, Ho c, Và, C ng Module 2,

o, Ho c đ o... nh m th c hi n các phép tính logic

và s h c
- Sinh viên đã có ki n th c t
Do v y ch

ng đ i sâu v k thu t vi x lý, trong môn h c Vi x lý.

ng này ch nh c l i m t s ki n th c c b n nh t v c u trúc ph n c ng c a

CPU liên quan đ n ki n trúc máy tính nói chung mà không đ c p đ n ph n l p trình vi
x lý.

B. N I DUNG

2.1 Các thành ph n ch c n ng c a CPU
Hình 2.1 là m t c u trúc t ng quan bên trong m t kh i x lý trung tâm c a m t máy
tính có ki n trúc Von Neumann.

20


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

n v đi u
khi n (CU)

Thanh ghi l nh (IR)

Thanh ghi
tích l y (A)

Bus

Thanh ghi
t m th i (Y)

bên
B đ m ch ng
trình (PC)
Các
đ ng
đ a ch

trong

c a
ALU
CPU

Thanh ghi đ a ch
b nh (MAR)

Thanh ghi
t m th i Z

Các
đ ng
d li u

Thanh ghi
nh đ m

Hình 2.1 C u trúc bên trong c a kh i x lý trung tâm (CPU)
Kh i x lý trung tâm (CPU) c a máy tính th

ng g m có các thanh ghi, đ n v

s h c- logic (ALU) và đ n v đi u khi n (CU). Các thành ph n bên trong CPU k t n i
thông tin v i nhau thông qua bus trong. Các th h vi x lý 8-bít c a Intel, Motorola,
Zilog đã m t th i làm m u đ tìm hi u c u trúc và ho t đ ng chung c a các lo i vi x
lý. Các th h vi x lý 16-bít và 32-bít sau này v n k th a nh ng ch c n ng c b n
nh t trong c u trúc c a vi x lý 8-bít. Các ch

ng trình vi t cho th h vi x lý 8-bít

v n có th ch y trên các h th ng vi x lý 16 –bít và 32-bit c a cùng m t hãng s n xu t.
S đ kh i không mô t chi ti t ph n c ng mà ch mô t các ch c n ng logic đ
x lý và đi u khi n d li u. Nó c ng ch ra t ng ch c n ng logic k t n i v i các ch c
n ng khác nh th nào.
2.2 Các thanh ghi c a CPU
Các thanh ghi bên trong vi x lý có nh ng ch c n ng khác nhau. M t s thanh
ghi có th dùng cho nhi u m c đích, đa n ng. Chúng đ
21

c g i là nh ng thanh ghi đa

Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

n ng (general-purpose). M t s khác l i có nh ng nhi m v riêng. Trong h u h t các
lo i vi x lý đ u có các thanh ghi c b n, đó là: thanh ghi tích lu (A), con tr ng n
x p (SP), thanh ghi tr ng thái (SR), thanh ghi đ a ch b nh (MAR: Memory Address
Register), thanh ghi l nh (IR), b đ m ch

ng trình (PC), các thanh ghi đa n ng, và các

thanh ghi t m th i. Không ph i t t c các thanh ghi bên trong vi x lý đ
trong s đ t ng quát, b i vì có m t s thanh ghi ng
vào đ

c. T t c nh ng thanh ghi mà ng

đ cđ

c) th

ng đ

c trình bày

i l p trình không th can thi p

i l p trình có th can thi p vào đ

c (ghi/

c trình bày trong mô hình l p trình c a vi x lý.

2.2.1 Thanh ghi tích lu A (Accumulator)
Thanh ghi tích lu A tham gia vào ph n l n các phép tính. Nó c t gi toán h ng
(operand) ho c các k t qu phép tính c a ALU. Các phép tính s h c và logic ph i s
d ng ALU và thanh ghi tích lu A. Vì v y, thanh ghi tích lu A là m t thanh ghi chính
c a vi x lý, và là m t thành ph n trong mô hình l p trình c a vi x lý.

dài t x lý

c a vi x lý ph thu c vào đ dài c a thanh ghi tích lu . Cho nên, thanh ghi tích lu
c a các lo i vi x

lý 8-bit có đ dài 8-bit (1 byte). Tuy nhiên,

m t s lo i vi x lý có

th có nh ng thanh ghi tích lu có ghi tích lu đ dài kép. Th m chí m t s lo i vi x lý
còn có m t s thanh ghi tích lu , ví d m t thanh ghi tích lu A, thanh ghi tích lu khác
g i là B. Trong tr

ng h p này ph i có l nh ch cho b vi x lý chuy n k t qu tính c a

ALU vào thanh ghi tích lu A, và m t l nh chuy n d li u vào thanh ghi tích lu B.
T

ng t , có l nh xoá thanh ghi tích lu A và l nh xoá thanh ghi tích lu B.

Ví d m t phép c ng hai toán h ng: C = A + B đ

c thanh ghi tích lu A th c

hi n nh sau :
1. Toán h ng A đ

c đ a vào thanh ghi tích lu A;

2. Toán h ng B t m t ng n nh bên ngoài ( h c t m t thanh ghi khác) đ

c

c ng v i toán h ng ch a trong thanh ghi tích lu A;
3. K t qu phép công C = A + B n m l i thanh ghi tích lu A (toán h ng A b k t
qu C thay th trong thanh ghi tích lu A (toán h ng A b kêtá qu C thay th trong
thanh ghi tích lu A). Nh v y, v i đa s các phép tính s h c, thanh ghi tích lu ban
đ u ch a m t toán h ng và sau đó ch a k t qu phép tính. K t qu trong thanh ghi tích
22


Sách h

ng d n h c t p môn h c: KI N TRÚC MÁY TÍNH

lu A có th đ

c chuy n đ n thanh ghi khác ho c đ a ra m t ng n nh

ngoài vi x lý, ho c đ a ra m t ng n nh

b nh bên

b nh bên ngoài vi x lý, ho c ra m t c ng

vào/ ra d li u nào đó.
Nh ng l nh vào/ra (I/O) v i ngo i vi th

ng là nh ng l nh trao đ i byte d li u

gi a thanh ghi tích lu A v i các thanh ghi c a đi u khi n ngo i vi thông qua bus h
th ng và bus duq li u bên trong c a x lý. Ví d , l nh :IN port, là l nh đ c d li u t
c ng (port) c a ngo i vi (đ a ch port) vào thanh ghi tích lu A. và OUT port- đ c n i
dung c a thanh ghi tích lu A ra c ng ngo i vi.
2.2.2 B đ m ch

ng trình (PC: Program Counter)

B đ m ch
lý. Ch

ng trình là m t trong nh ng thanh ghi quan tr ng nh t trong vi x

ng trình là t p h p liên t c các ch d n (instructions) l u gi trong b nh bên

ngoài vi x lý. M i m t ch d n (l nh máy) trong ch
hi n theo m t th t mong mu n c a ng
ng trình, b đ m ch

i l p trình. B đ m ch

c vi x lý th c

ng trình có nhi m v

ng trình theo mong mu n đó. Tromg ti n trình th c

gín gi ti n trình th c hi n ch
hi n ch

ng trình ph i đ

ng trình luôn ch a đ a ch ng n nh l u gi ch d n ti p

theo mà vi x lý ph i th c hi n.
B đ m ch

ng trình th

ng có đ dài l n h n đ dài t mà vi x lý th c hi n.

i v i vi x lý 8-bit, b đ m ch

ng trình có đ dài 16-bit. Vì nó dùng đ ch a đ a

ch ng n nh nên không gian mà có th đ a ch đ
nh v i dung l
b đ m ch
ch

c là 64 kbyte t 8-bit, t c là m t b

ng 64 Kbyte = 216 (hay 65.536). Ch có m t s ít ch d n làm vi c v i

ng trình. Tr

ng trình ph i đ

c khi vi x lý có th th c hi n m t ch

ng trình, b đ m

c n p m t giá tr . Giá tr này là đ a ch c a ng n nh ch a l nh

đ u tiên ph i th c hi n trong ch

ng trình. Th

ng thì giá tr này là toàn các bit 0, hay

toàn các bit 1. Toàn các bit 0 ngh a là đ a ch ng n nh đ u tiên c a b nh (0000h).
Toàn các bit 1 ngh a là đ a ch c a ng n nh cu i cùng c a b nh (FFFFh). Trong
ng n nh này ph i ch a n i dung c a l nh đ u tiên c a ch
ng n nh còn l i c a ch
trúc ch

ng trình. T t c nh ng

ng trình có th ch a l nh hay d li u là tu thu c vào c u

ng trình.
23