Cấu trúc máy tính và nguyên lý Von Neumann

BÁO CÁO

Câu 1: Trình bày các thành phần của máy tính và
chức năng của từng thành phần.
Câu 2: Trình bày nguyên lý Von Neumann.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2019


Câu 1: Trình bày các thành phần của máy tính và chức năng của từng thành phần.
Memory
CPU

Input/Output
Devices

Hình 1.1 – Sơ đồ cấu trúc cơ bản
của máy tính
1- Các thành phần cơ bản của máy tính.
a. Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit/CPU): Điều khiển hoạt động của
máy tính và xử lý số liệu.
b. Hệ thống bộ nhớ: chứa chương trình và dữ liệu đang được xử lý.
c. Hệ thống vào/ra (Input/Output): Trao đổ thông tin giữa bên ngoài và bên trong
máy tính.
d. Liên kết hệ thống (Interconnetion): Kết nối và vận chuyển thông tin giữa các
thành phần với nhau.
2- Chức năng của các thành phần.
a. Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit/CPU) hay còn gọi là bộ xử lý trung
tâm có chức năng là:
i. Điều khiển toàn bộ hoạt động của máy tính.
ii. Xử lý dữ liệu (vd: Các phép toán số học và logic).

 Nó là bộ não của một chiếc máy tính đóng vai trò chỉ huy, xử lý các lệnh, thông tin
nhận được và đưa ra lệnh để điều khiển mọi hoạt động của máy tính. Là phần tử cốt
lõi nhất, không thể thiếu của một chiếc máy tính.
Hình 1.2 là ví dụ về một chiếc CPU. Bộ vi xử
lý được đặt và bảo mật vào một đế cắm CPU
được gọi là CPU socket tương thích được tìm
trên bo mạch chủ (main). CPU khi sử dụng sẽ
sản sinh nhiệt, vì thế chúng thường được phủ
một lớp tản nhiệt để làm mát giúp sử dụng trơn
tru hơn.
Hình 1.2 – Hình dạng CPU Intel
dòng I - Core i9

Hầu hết ngày nay các loại CPU đều giống với
ảnh ở trên.


b. Hệ thống bộ nhớ máy tính có chức năng lưu trữ chương trình và dữ liệu gồm 2
thao tác:
 Thao tác đọc dữ liệu (Real)
 Thao tác ghi dữ liệu (Write)

Hình 1.3 – Mô hình về bộ nhớ máy tính
 Các thành phần chính
i. Bộ nhớ trong (Internal Memory)
 Chức năng và đặc điểm:
 Chứa thông tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp
 Tốc độ rất nhanh
 Dung lượng không lớn
 Sử dụng bộ nhớ bán dẫn RAM, ROM

 Các loại bộ nhớ trong:
 Bộ nhớ chính (Main memory): Chứa chương trình và dữ liệu đang
được sử dụng bởi CPU. Được tổ chức thành các ngăn nhớ (ngăn
nhớ được tổ chức theo byte) và được đánh dấu địa chỉ. Nội dung
ủa ngăn nhớ có thể thay đổi nhưng địa chỉ thì không.
 Bộ nhớ Cache (Cache memory) hay còn gọi là bộ nhớ đệm. Là bộ
nhớ bán dẫn có tốc độ nhanh và chúng được đặt đệm giữa CPU và
bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ truy xuất của CPU tới bộ nhớ chính.
Dung lượng nhở hơn bộn nhớ chính rất nhiều, nhưng tốc độ xử lý
lại nhanh hơn. Ngày nay Cache được tích hợp và trong bộ vi xử lý
và nó trong suốt với người sử dụng.
ii. Bộ nhớ ngoài (External Memory)
 Chức năng và đặc điểm
 Lưu trữ tài nguyên phần mềm của máy tính.


 Được kết nối với hệ thống như thiết bị vào ra.
 Dung lượng rất lớn (lên đến Gb hoặc Tb)
 Tốc độ xử lí chậm.
 Các loại bộ nhớ ngoài.
Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa
mềm, …

Bộ nhớ quang CD, VCD,
DVD, …

Bộ nhớ bán dẫn: flash
Disk, memory Card ,…

Bảng 1 – Các loại ổ nhớ ngoài

c. Hệ thống vào/ra (Input/Output) có chức năng trao đổi thông ti giữa máy tính với
thế giới bên ngoài.
i. Các thao tác cơ bản
 Nhập dữ liệu (In)
 Xuất dữ liệu (Out)
ii. Các thành phần chính
 Thiết bị ngoại vi: Có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ bên ngoài
thành dữ liệu đi vào máy tính và ngược lại: Thiết bị vào ( bàn
phím, chuột, máy Scan,…), Thiết bị ra ( màn hình, máy in, máy
chiếu,….), Thiết bị nhớ( đĩa từ, đĩa quang,…), thiết bị truyền
thông( Modem,…).
 Các Module I/O (IO module): có nhiệm vụ ghép nối thiết bị ngoại
vi với máy tính, mỗi module có 1 hay nhiều cổng ra –vào, mỗi


cổng được đánh địa chỉ xác định. Ví dụ: COM, LPT, USB, VGA,
Module Remote I/O, Wireless Sensing, …
d. Liên kết hệ thống (Interconnetion): là một hệ thống phụ chuyển dữ liệu giữa các
thành phần bên trong máy tính, hoặc giữa các máy tính với nhau.
 Các bus máy tính đầu tiên theo nghĩa đen là các dây điện song song với đa
kết nối, nhưng thuật ngữ này bây giờ được sử dụng cho bất cứ sắp xếp vật
lýcung cấp cùng một chức năng như các bus điện tử song song.
 Các bus máy tính hiện đại có thể dùng cả thông tin liên lạc song song và
các kết nối chuỗi bit, và có thể được đi dây trong một multidrop (dòng điện
song song) hoặc chuỗi Daisy (kỹ thuật điện tử) có cấu trúc liên kết, hoặc
kết nối với các hub chuyển mạch, như USB.

Hình 1.3 – Mô hình về bộ nhớ máy tính

Câu 2: Trình bày nguyên lý Von Neumann.

-

-

Kiến trúc von Neumann - còn được gọi là mô hình von Neumann hoặc kiến trúc
Princeton - là kiến trúc máy tính dựa trên mô tả năm 1945 của nhà toán học và vật
lý John von Neumann và những người khác trong Bản thảo đầu tiên của Báo cáo về
EDVAC.
Đặc điểm về kiến trúc của Von Neumann:
o Dữ liệu và chương trình chứa trong bộ nhớ đọc ghi.
o Bộ nhớ được đánh địa chỉ cho các ngăn nhớ không phụ thuộc và nội dung của
chúng.
o Các lệnh được máy tính thực hiện một cách tuần tự.


-

Von Neumann chia hoạt của máy tính thành 5 thành phần chính là:
1. CPU (Bộ xử lý trung tâm) – Là thành phần chính của máy tính, đây là nơi sẽ thực
hiện các phép tính số học và logic của quá trình xử lý thông tin, đồng thời là nơi
sinh ra các tín hiệu để đồng bộ và điều khiển toàn bộ mọi hoạt động của máy tính.
2. Bộ nhớ làm việc (RAM) – Là nơi tạo ra môi trường làm việc cho Hệ điều hành và
các chương trình ứng dụng.
3. Bộ nhớ vĩnh cửu (ROM) – Là nơi chứa các chương trình điều hành hoạt động máy
máy tính ở mức độ cơ sở.
4. Thiết bị vào (Input) – là các ngoại vi như bàn phím, con chuột Scanner.v.v. giúp
cho máy tính có nhiều khả năng phong phú khi thu thập số liệu và giao tiếp người
máy.
5. Thiết bị ra (Output) - là các ngoại vi như Màn hình, máy in, máy vẽ, loa bộ nhớ
ngoài.v.v. giúp cho máy tính có khả năng phong phú khi xứ lý và lưu trữ số liệu

cũng như giao tiếp người máy và các thiết bị chuyên dụng khác.

Hình 2.1 Mô hình Von Neumann
-

Các thiết bị kể trên được kết nối với nhau thông qua hệ thống Bus bao gồm các tín hiệu:
 Tín hiệu địa chỉ: Tín hiệu này được sinh ra từ CPU hướng đến bộ nhớ và các
ngoại vi. Cho phép CPU có khả năng địa chỉ hóa và quản lý được các ô nhớ, các
cổng vào và các cổng ra. Số lượng dây dẫn tạo nên các tín hiệu địa chỉ (độ rộng bus
địa chỉ) cho thấy khả năng địa chỉ hóa được các ô nhớ và các cổng vào/ra trên máy
tính. Nếu độ rộng của Bus địa chỉ là k bits thì máy tính đó có khả năng địa chỉ hóa
được 2k ô nhớ và tối đa 2k cổng vào và 2k cổng ra.
 Tín hiệu số liệu: Là tín hiệu 2 chiều cho phép CPU trao đổi thông tin với bộ nhớ
hay cổng vào và cổng ra. Trên máy tính thường xuyên diễn ra 2 quá trình cơ bản là
quá trình đọc và quá trình ghi. Ở quá trình đọc số liệu sẽ xuất phát từ bộ nhớ hay các


cổng vào hướng đến CPU. Ở quá trình ghi, số liệu sẽ xuất phát từ CPU hướng đến
bộ nhớ hay các cống ra.
 Tín hiệu điều khiển: là các tín hiệu cho phép điều khiển khi nào thì CPU đọc
hay ghi số liệu, cho phép máy tính thực hiện hay không thực hiện các chức năng như
ngắt, DMA, biểu diễn trạng thái của máy tính hay mã hóa các quá trình thực hiện
lệnh trên máy tính.
 Có 3 tín hiệu điều khiển xuất phát từ CPU để điều khiển quá trình đọc/ghi trên
máy tính: M/IO, RD, WR. Từ 3 tín hiệu này máy tính có thể tạo được các tín hiệu
điều khiển để đọc bộ nhớ, ghi bộ nhớ hay đọc và ghi vào/ra.
Tại một thời điểm trên bus điều khiển chỉ tồn tại một trong số 4 tín hiệu trên, đồng thời bus
địa chỉ cũng chỉ tồn tại 1 giá trị, do đó tại 1 thời điểm máy chỉ có thể thực hiện 1 thao tác trong
số 4 thao tác cơ bản của máy tính. Hay nói cách khác CPU chỉ có thể thực hiện trao đổi thông
tin với 1 ô nhớ, 1 cổng vào ra hay 1 cổng ra trên máy tính. Nói về quá trình thực hiện lệnh thì

CPU tại một thời điểm chỉ có thể thực hiện được 1 lệnh mà thôi. Quá trình này gọi là quá trình
xử lý tuần tự (step-by-step). Đây là nhược điểm lớn nhất của máy tính hoạt động theo nguyên
lý Voneumann. Vì trong các bài toán xử lý thông tin trong thực tế, tại 1 thời điểm, máy tính
thường xuyên cần phải đồng thời trao đổi thông tin với nhiều ngoại vi, nguyên lý Voneumann
như đã trình bày ở trên không cho phép máy tính thực hiện được nhiệm vụ này. Để khắc phục
nhược điểm này người ta phải tăng tốc độ làm việc của máy tính, xây dựng các mạng máy tính
xử lý song song và đưa ra một mô hình máy tính mới hoạt động theo nguyên lý xứ lý song
song – máy tính mạng nơron (Neural network).


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Slide bài giảng: Giới thiệu chung về công nghệ thông tin – HV Kỹ Thuật quân sự
2. Giáo trình tin học cơ sở, Hồ Sỹ Đàm, Đào Kiến Quốc, Hồ Đắc Phương. Đại học
Sư phạm, 2004
3. Giáo trình: Thông tin – Xử lý thông tin tổng quan về hệ thống máy tính – TT
Quản trị mạng ATHENA