Giáo trình Kiến trúc máy tính và hệ điều hành: Phần 1

BỘ TÀI CHÍNH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI CHÍNH - MARKETING

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

GIÁO TRÌNH

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH

LƯU HÀNH NỘI BỘ


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY TÍNH
1. Máy tính và phân loại
1.1. Máy tính
•

Máy tính (Computer) là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau:
o Nhận thông tin vào
o Xử lý thông tin theo dãy các lệnh được nhớ sẵn bên trong,
o Đưa thông tin ra.
• Dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện công việc cụ thể gọi
là chương trình (program)
Máy tính hoạt động theo chương trình.
Máy tính ....

Mô hình phân lớp của máy tính:
Người
sử dụng

Người
Lập trình

Phần cứng (Hardware): hệ thống vật lý của máy tính.
Phần mềm (Software): các chương trình và dữ liệu.
1.2. Phân loại máy tính
•

Phân loại truyền thống:
o Máy vi tính (Microcomputers)

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 1


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

o Máy tính nhỏ (Minicomputers)
o Máy tính lớn (Mainframe Computers)
o Siêu máy tính (Supercomputers)
• Phân loại máy tính hiện đại
o Máy tính cá nhân (Personal Computers)
o Máy chủ (Server Computers)

o Máy tính nhúng (Embedded Computers)
Máy tính cá nhân PC
Là loại máy tính phổ biến nhất
• Các loại máy tính cá nhân:
Máy tính để bàn (Desktop)
Máy tính xách tay (Laptop)
• 1981 IBM giới thiệu máy tính IBM-PC sử dụng bộ xử lý Intel 8088
• 1984 Apple đưa ra Macintosh sử dụng bộ xử lý Motorola 68000
• Giá thành: hàng trăm đến hàng nghìn USD
Máy chủ (Server)
Thực chất là máy phục vụ
• Dùng trong mạng theo mô hình Client/Server (Khách hàng/Người phục vụ)
• Tốc độ và hiệu năng tính toán cao
• Dung lượng bộ nhớ lớn
• Độ tin cậy cao
• Giá thành: hàng nghìn đến hàng chục triệu USD.
Máy tính nhúng (Embedded Computer)
Được đặt trong thiết bị khác để điều khiển thiết bị đó làm việc
• Được thiết kế chuyên dụng
• Ví dụ:
o Điện thoại di động
o Máy ảnh số
o Bộ điều khiển trong máy giặt, điều hoà nhiệt độ
o Router – bộ định tuyến trên mạng
• Giá thành: vài USD đến hàng trăm nghìn USD.
2. Kiến trúc máy tính
Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh:
• Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn
của người lập trình
• Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính

Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi rất nhanh.
Ví dụ:
Các máy tính PC dùng các bộ xử lý Pentium III và Pentium 4:
• cùng chung kiến trúc tập lệnh (IA-32)
• có tổ chức khác nhau
Kiến trúc tập lệnh
Kiến trúc tập lệnh của máy tính bao gồm:
• Tập lệnh: tập hợp các chuỗi số nhị phân mã hoá cho các thao tác mà máy tính có thể
thực hiện
• Các kiểu dữ liệu: các kiểu dữ liệu mà máy tính có thể xử lý
Cấu trúc cơ bản của máy tính

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 2


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Các thành phần cơ bản của máy tính
• Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit): Điều khiển hoạt động của máy tính và
xử lý dữ liệu.
• Bộ nhớ chính (Main Memory): Chứa các chương trình và dữ liệu đang được sử dụng.
• Hệ thống vào ra (Input/Output System): Trao đổi thông tin giữa máy tính với bên
ngoài.
• Liên kết hệ thống (System Interconnection): Kết nối và vận chuyển thông tin giữa các
thành phần với nhau.
3. Lịch sử phát triển và hiệu suất của máy tính

•
•
•
•
•

Thế hệ thứ nhất: Máy tính dùng đèn điện tử chân không (1950s)
Thế hệ thứ hai: Máy tính dùng transistor (1960s)
Thế hệ thứ ba: Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI (1970s)
Thế hệ thứ tư: Máy tính dùng vi mạch VLSI (1980s)
Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch ULSI, SoC (1990s)

3.1. Máy tính dùng đèn điện tử
•

ENIAC- Máy tính điện tử đầu tiên
o Electronic Numerical Intergator And Computer
o Dự án của Bộ Quốc phòng Mỹ
o Do John Mauchly và John Presper Eckert ở Đại học Pennsylvania thiết kế.
o Bắt đầu từ năm 1943, hoàn thành năm 1946
o Nặng 30 tấn
o 18000 đèn điện tử và 1500 rơle
o 5000 phép cộng/giây
o Xử lý theo số thập phân
o Bộ nhớ chỉ lưu trữ dữ liệu
o Lập trình bằng cách thiết lập vị trí của các chuyển mạch và các cáp nối.
Đèn điện tử

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 3


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

ENIAC

Máy tính von Neumann
• Đó là máy tính IAS:
o Princeton Institute for Advanced Studies
o Được bắt đầu từ 1947, hoàn thành1952
o Do John von Neumann thiết kế
o Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình được lưu trữ” (stored-program
concept) của von Neumann/Turing (1945)
Đặc điểm chính của máy tính IAS:
Bao gồm các thành phần: đơn vị điều khiển, đơn vị số học và logic (ALU), bộ nhớ chính và
các thiết bị vào-ra.
o Bộ nhớ chính chứa chương trình và dữ liệu
o Bộ nhớ chính được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ, không phụ thuộc vào nội
dung của nó.
o ALU thực hiện các phép toán với số nhị phân
o Đơn vị điều khiển nhận lệnh từ bộ nhớ, giải mã và thực hiện lệnh một cách
tuần tự.
o Đơn vị điều khiển điều khiển hoạt động của các thiết bị vào-ra
o Trở thành mô hình cơ bản của máy tính
John von Neumann và máy tính IAS:

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 4


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Alan Turing

Các máy tính thương mại ra đời
• 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation
• UNIVAC I (Universal Automatic Computer)
• 1950s - UNIVAC II
o Nhanh hơn
o Bộ nhớ lớn hơn
UNIVAC I:

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 5


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

UNIVAC II:

Hãng IBM

• IBM - International Business Machine
• 1953 - IBM 701
o Máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên của IBM
o Sử dụng cho tính toán khoa học
• 1955 – IBM 702
o Các ứng dụng thương mại
IBM 701:

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 6


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

3.2. Máy tính dùng transistor
• Máy tính PDP-1 của DEC (Digital Equipment Corporation) máy tính mini đầu tiên
• IBM 7000
• Hàng trăm nghìn phép cộng trong một giây.
• Các ngôn ngữ lập trình bậc cao ra đời.
Máy tính DEC PDP-1 (1960):

IBM 7030 (1961):

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 7

Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

3.3. Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI
•

Vi mạch (Integrated Circuit - IC): nhiều transistor và các phần tử khác được tích hợp
trên một chip bán dẫn.
o SSI (Small Scale Integration)
o MSI (Medium Scale Integration)
o LSI (Large Scale Integration)
o VLSI (Very Large Scale Integration) (thế hệ thứ tư)
o ULSI (Ultra Large Scale Integration) (thế hệ thứ năm)
o SoC (System on Chip)
• Siêu máy tính xuất hiện: CRAY-1, VAX
• Bộ vi xử lý (microprocessor) ra đời
o Bộ vi xử lý đầu tiên Intel 4004 (1971).
Luật Moore:
• Gordon Moore – người đồng sáng lập Intel
• Số transistors trên chip sẽ gấp đôi sau 18 tháng
• Giá thành của chip hầu như không thay đổi
• Mật độ cao hơn, do vậy đường dẫn ngắn hơn
• Kích thước nhỏ hơn dẫn tới độ phức tạp tăng lên
• Điện năng tiêu thụ ít hơn
• Hệ thống có ít các chip liên kết với nhau, do đó tăng độ tin cậy
Tăng trưởng số transistor trong chip CPU:

IBM 360 Family:

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 8


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

PDP-11 (1973):

VAX-11 (1981):

Micro VAX:

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 9


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Siêu máy tính CRAY-1:

3.4. Máy tính dùng vi mạch VLSI/ULSI
Các sản phẩm chính của công nghệ VLSI/ULSI:
• Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên một chip.

• Vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset): một hoặc một vài vi mạch thực hiện được
nhiều chức năng điều khiển và nối ghép.
• Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory): ROM, RAM
• Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy tính chuyên dụng được chế tạo trên 1
chip.
Intel 4004 - bộ vi xử lý 4-bit :

Intel 8080 - bộ vi xử lý 8-bit :

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 10


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Intel 80286 - bộ vi xử lý 16-bit :

80386 - bộ vi xử lý 32-bit đầu tiên của Intel :

Intel Pentium (32-bit):

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 11


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Pentium III và Pentium 4 (32-bit):

Pentium III
Itanium (64-bit):

Pentium 4

Các hệ thống máy tính hiện đại:
• Máy tính nhúng
• Máy tính cá nhân (PC)
• Máy trạm làm việc
• Máy chủ (Servers)
• Mạng máy tính
• Internet - Mạng máy tính toàn cầu
Ví dụ máy chủ HP:

Ví dụ máy chủ Sun:

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 12


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

4. Các dòng Intel
Do ở thị trường Việt Nam chủ yếu sử dụng bộ vi xử lý của hãng này, nên ở phần
này sẽ trình bày kỹ hơn về quá trình phát triển các bộ xử lý của Intel.
Intel là nhà tiên phong trong việc sản xuất bộ vi xử lý (BVXL) khi tung ra Intel
4004 vào năm 1971. Khả năng tính toán của Intel 4004 chỉ dừng lại ở hai phép toán: cộng
hoặc trừ và nó chỉ có thể tính toán được 4 bits tại một thời điểm. Điều đáng kinh ngạc ở
đây là toàn bộ "cỗ máy" tính toán được tích hợp "nằm" gọn trên một chip đơn duy nhất.
Trước khi cho ra đời Intel 4004, các kỹ sư đã chế tạo ra máy tính hoặc là từ một tổ hợp
nhiều chip hoặc là từ các thành phần linh kiện rời rạc.
Thế nhưng BVXL đầu tiên "đặt chân" vào ngôi nhà số của chúng ta hiện nay lại
không phải là Intel 4004 mà là BVXL thế hệ kế tiếp của nó - Intel 8080, một máy tính 8-bit
hoàn hảo trên một chip duy nhất, đ ược giới thiệu vào năm 1974. Trong khi đ ó, Intel 8088
mới là thế hệ BVXL đầu tiên "loé sáng" thực sự trên thị trường. Được giới thiệu năm 1979
và sau đó được tích hợp vào các máy tính cá nhân IBM xuất hiện trên thị trường vào
năm 1982, Intel 8088 có thể được xem như "người tiền nhiệm chính" của các bộ xử lý
thế hệ tiếp theo: Intel 80286, 80386, 80486 rồi đến Intel Pentium, Pentium Pro, Pentium II,
III và IV. Do tất cả đều được cải tiến dựa trên thiết kế cơ bản của Intel 8088. Ngày nay,
BVXL Intel Pentium 4 có thể thực hiện bất kỳ đoạn mã nào đã chạy trên BVXL Intel 8088
nguyên thuỷ nhưng với tốc đ ộ nhanh hơn gấp nhiều nghìn lần.

Bộ vi xử lý 4004 đầu tiên của Intel
Để có cái nhìn bao quát hơn, chúng ta xem quá trình phát triển của CPU Intel
trong các thời kỳ như sau:
Năm 1971: Bộ vi xử lý 4004
4004 là bộ vi xử lý đ ầ u tiên của Intel. Phát minh đ ột phá này nhằm tăng sức
mạnh cho máy tính Busicom và dọn đường cho khả năng nhúng trí thông minh của con
người vào trong các thiết bị vô tri cũng như các hệ thống máy tính cá nhân.
Số lượng bóng bán dẫn: 2.300

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 13


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Tốc độ: 108KHz
Năm 1972: Bộ vi xử lý 8008
Bộ vi xử lý 8008 mạnh gấp đôi bộ vi xử lý 4004. Thiết bị Mark-8 đ ược biết đ ến
như là một trong những hệ thống máy tính đầu tiên dành cho người sử dụng gia đình –
một hệ thống mà theo các tiêu chuẩn ngày nay thì rất khó để xây dựng, bảo trì và vận
hành.
Số lượng bóng bán dẫn: 3.500
Tốc độ: 200KHz
Năm 1974: Bộ vi xử lý 8080
Bộ vi xử lý 8080 đã trở thành bộ não của hệ thống máy tính cá nhân đầu tiên –
Altair.
Số lượng bóng bán dẫn: 6.000
Tốc độ: 2MHz
Năm 1978: Bộ vi xử lý 8086-8088
Một hợp đồng cung cấp sản phẩm quan trọng cho bộ phận máy tính cá nhân mới
thành lập của IBM đã biến bộ vi xử lý 8088 trở thành bộ não của sản phẩm chủ đạo mới của
IBM - máy tính IBM PC.
Số lượng bóng bán dẫn: 29.000
Tốc độ: 5MHz, 8MHz, 10MHz
Năm 1982: Bộ vi xử lý 286
Bộ vi xử lý 286, còn được biết đến với cái tên là 80286, là bộ vi xử lý Intel đầu tiên
có thể chạy tất cả các phần mềm được viết cho những bộ vi xử lý trước đó. Tính tương thích

về phần mềm này vẫn luôn là một tiêu chuẩn bắt buộc trong họ các bộ vi xử lý của Intel
Số lượng bóng bán dẫn: 134.000
Tốc độ: 6MHz, 8MHz, 10MHz, 12,5MHz
Năm 1985: Bộ vi xử lý Intel 386
Bộ vi xử lý Intel 386 có 275.000 bóng bán dẫn – nhiều hơn 100 lần so với bộ vi xử
lý 4004 ban đầu. Đây là một chip 32 bit và có khả năng xử lý “đa tác vụ”, nghĩa là nó có thể
chạy nhiều các chương trình khác nhau cùng một lúc.
Số lượng bóng bán dẫn: 275.000
Tốc độ: 16MHz, 20MHz, 25MHz, 33MHz
Năm 1989: Bộ vi xử lý CPU Intel 486 DX
Thế hệ bộ vi xử lý 486 thực sự có ý nghĩa khi giúp chúng ta thoát khỏi một máy tính
phải gõ lệnh thực thi và chuyển sang điện toán chỉ và nhấn (point-and-click).
Số lượng bóng bán dẫn: 1,2 triệu
Tốc độ: 25MHz, 33MHz, 50MHz
Năm 1993: Bộ vi xử lý Pentium®
Bộ vi xử lý Pentium® cho phép các máy tính dễ dàng hơn trong việc tích hợp
những dữ liệu “thế giới thực” như giọng nói, âm thanh, ký tự viết tay và các ảnh đồ họa
Số lượng bóng bán dẫn: 3,1 triệu
Tốc độ: 60MHz, 66MHz
Năm 1997: Bộ vi xử lý Pentium® II

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 14


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Bộ vi xử lý Pentium® II có 7,5 triệu bóng bán dẫn này được tích hợp công nghệ Intel
MMX, một công nghệ được thiết kế đặc biệt để xử lý các dữ liệu video, audio và đồ họa một
cách hiệu quả.
Số lượng bóng bán dẫn: 7,5 triệu
Tốc độ: 200MHz, 233MHz, 266MHz, 300MHz
Năm 1999: Bộ vi xử lý Pentium® III
Bộ vi xử lý Pentium® III có 70 lệnh xử lý mới – những mở rộng Internet Streaming
SIMD – giúp tăng cường mạnh mẽ hiệu suất hoạt động của các ứng dụng xử lý ảnh tiên
tiến, 3-D, streaming audio, video và nhận dạng giọng nói. Bộ vi xử lý này được giới thiệu
sử dụng công nghệ 0,25 micron.
Số lượng bóng bán dẫn: 9,5 triệu
Tốc độ: 650MHz tới 1,2GHz
Năm 2000: Bộ vi xử lý Pentium® 4
Bộ vi xử lý này đ ược giới thiệu với 42 triệu bóng bán dẫn và các mạch 0,18
micron. Bộ vi xử Pentium® 4 có tần số hoạt động là 1,5 gigahertz (1,5 tỷ hertz), nhanh
hơn gấp 10 nghìn lần so với bộ vi xử lý đầu tiên của Intel, bộ vi xử lý 4004, chạy ở tốc độ
108 kilohertz (108.000 hertz).
Số lượng bóng bán dẫn: 42 triệu
Tốc độ: 1.30GHz, 1.40GHz, 1.50GHz, 1.70GHz, 1.80Ghz
Tháng 8 năm 2001: Bộ vi xử lý Pentium 4 đạt mốc 2 GHz
Tháng 11 năm 2002: Bộ vi xử lý Intel Pentium 4 hỗ trợ Công nghệ Siêu phân luồng
Intel giới thiệu Công nghệ Siêu phân luồng đột phá cho bộ vi xử lý Intel®
Pentium® 4 mới có tốc độ 3,06 GHz. Công nghệ Siêu phân luồng có thể tăng tốc hiệu
suất hoạt đ ộng của máy tính lên tới 25%. Intel đạt mốc tốc độ mới cho máy tính với việc
giới thiệu bộ vi xử lý Pentium 4 tốc độ 3,06 GHz. Đây là bộ vi xử lý thương mại đầu tiên
có thể xử lý 3 tỷ chu trình một giây và được hiện thực hóa thông qua việc sử dụng công
nghệ sản xuất 0,13 micron tiên tiến nhất của ngành công nghiệp.
Tháng 11 năm 2003: Bộ vi xử lý Intel® Pentium® 4 Extreme Edition hỗ trợ Công nghệ
Siêu phân luồng tốc độ 3,20 GHz được giới thiệu. Sử dụng công nghệ xử lý 0,13 micron
của Intel, bộ vi xử lý Intel Pentium 4 Extreme Edition có bộ nhớ đệm L2 dung lượng 512

kilobyte, một bộ nhớ đệm L3 dung lượng 2 megabyte và một kênh truyền hệ thống tốc độ
800 Mhz. Bộ vi xử lý này tương thích với họ chipset hiện tại Intel® 865 và Intel® 875
cũng như bộ nhớ hệ thống chuẩn.
Tháng 6 năm 2004: Bộ vi xử lý Intel Pentium 4 hỗ trợ Công nghệ Siêu phân luồng đạt
mốc 3,4 GHz
Tháng 4 năm 2005: Giới thiệu nền tảng sử dụng bộ vi xử lý hai nhân đầu tiên của Intel
gồm bộ vi xử lý Intel® Pentium® Extreme Edition 840 chạy ở tốc độ 3,2 GHz và một
chipset Intel® 955X Express. Các bộ vi xử lý hai nhân hoặc đa nhân được phát triển bằng
cách đưa hai hay nhiều nhân xử lý hoàn chỉnh vào trong một bộ vi xử lý đơn nhất giúp
quản lý đồng thời nhiều tác vụ.
Tháng 5 năm 2005: Bộ vi xử lý Intel® Pentium® D với hai nhân xử lý – hay còn gọi là
“các bộ não” – được giới thiệu cùng với họ chipset Intel® 945 Express có khả năng hỗ trợ
những tính năng của các thiết bị điện tử tiêu dùng như âm thanh vòm, video có độ phân giải
cao và các khả năng xử lý đồ họa tăng cường.

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 15


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Tháng 5 năm 2006: Nhãn hiệu Intel Core 2 Duo được công bố ra thế giới và sau đó 5
tháng chính hãng Intel đã đến Việt Nam để quảng bá cho sản phẩm mới này.
Tháng 7 năm 2006: Tập đoàn Intel công bố 10 bộ vi xử lý mới Intel Core 2 Duo và
Core Extreme cho các hệ thống máy tính đ ể bàn và máy tính xách tay. Những bộ vi xử
lý mới này nâng cao tới 40% hiệu suất hoạt động và nhiều hơn 40% hiệu quả tiết kiệm
điện năng so với bộ vi xử lý Intel® Pentium® tốt nhất. Các bộ vi xử lý Core 2 Duo có 291

triệu bóng bán dẫn.
Bảng dưới đây sẽ giúp chúng ta hiểu được sự khác biệt giữa các bộ xử lý mà Intel
đã giới thiệu qua các năm:

Bảng Tổng quan về CPU Intel
Micros: là chiều rộng, tính bằng Microns, của dây dẫn nhỏ nhất trên chip. Để dễ hình
dung, chúng ta hãy liên tưởng đến tóc người có độ dày là 100 microns. Và như chúng ta
thấy thì kích thước đặc trưng của các phần tử giảm xuống thì số lượng transistor sẽ được tăng
lên.
Data Width: là chiều rộng của bộ tính toán Logic-Số học ALU. Một ALU 8 bit có thể
cộng/trừ/nhân/… 2 số 8 bit, trong khi một ALU 32 bit có thể tính toán các số 32 bit. Một
ALU 8 bit sẽ phải thực hiện 4 chỉ lệnh để cộng hai số 32 bit, trong khi một ALU 32 bit có
thể làm việc này chỉ với một chỉ lệnh duy nhất. Trong đa số trường hợp, tuyến dữ liệu ngoại
có cùng độ rộng với ALU, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Trong khi các CPU Pentium
mới tìm nạp dữ liệu 64 bit tại cùng một thời điểm cho các ALU 32 bit của chúng
MIPS: viết tắt của cụm "millions of instructions per second", là thước đo tương đối cho
hiệu năng của CPU. Các CPU thế hệ mới hiện nay có thể làm rất nhiều việc khác nhau khiến
việc đánh giá bằng các giá trị MIPS mất dần ý nghĩa của chúng. Thay thế bằng MIPS, ngày

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 16


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

nay người ta dùng MFLOPS (Mera Floating Point Operations Per Second) hoặc TFLOPS
(Tera Floating Point Operations Per Second) để đánh giá hiệu năng của máy tính. Tuy

nhiên, chúng ta có thể có đ ược phán đoán chung về sức mạnh tương đối của các CPU
từ cột cuối trong bảng trên.

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 17


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

CHƯƠNG II. HỆ THỐNG MÁY TÍNH
1. Các thành phần cơ bản của máy tính
•
•
•
•

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit)
Bộ nhớ (Memory)
Hệ thống vào ra (Input/Output System)
Liên kết hệ thống (System Interconnection)

1.1. Bộ xử lý trung tâm (CPU)
•

Chức năng:
o điều khiển hoạt động của máy tính
o xử lý dữ liệu

• Nguyên tắc hoạt động cơ bản:
CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính.
Cấu trúc cơ bản của CPU

Các thành phần cơ bản của CPU:
• Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU): điều khiển hoạt động của máy tính theo
chương trình đã định sẵn.
• Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit - ALU): thực hiện các phép toán
số học và phép toán logic.
• Tập thanh ghi (Register File - RF): lưu giữ các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt
động của CPU.
• Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU) kết nối và trao đổi thông tin giữa bus
bên trong (internal bus) và bus bên ngoài (external bus).
Tốc độ của bộ xử lý:
• Tốc độ của bộ xử lý:
• Số lệnh được thực hiện trong 1 giây
• MIPS (Million 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 được đánh giá gián tiếp thông qua tần số của xung nhịp
•

Dạng xung nhịp

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 18

Trường ĐH Tài Chính - Marketing

•
•
•
•
•
•

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

T0: chu kỳ xung nhịp
Tần số xung nhịp: f0 = 1/T0
Mỗi thao tác của bộ xử lý cần kT0
T0 càng nhỏ bộ xử lý chạy càng nhanh
Ví dụ: Máy tính dùng bộ xử lý 2GHz
Ta có f0 = 2GHz = 2x109Hz
T0 = 1/f0 = 1/(2x109) = 0,5 ns.

1.2. Bộ nhớ máy tính (Memory)
•
•

Chức năng: lưu trữ chương trình và dữ liệu.
Các thao tác cơ bản với bộ nhớ:
o Thao tác ghi (Write)
o Thao tác đọc (Read)
• Các thành phần chính:
o Bộ nhớ trong (Internal Memory)
o Bộ nhớ ngoài (External Memory)

Các thành phần của bộ nhớ máy tính:

Bộ nhớ trong:
• Chức năng và đặc điểm:
o Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi trực
tiếp
o Tốc độ rất nhanh
o Dung lượng không lớn
o Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM và RAM
• Các loại bộ nhớ trong:
o Bộ nhớ chính
o Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm)
Bộ nhớ chính (Main Memory):
• Chứa các chương trình và dữ liệu đang được CPU sử
dụng.
• Tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa chỉ.
• Ngăn nhớ thường được tổ chức theo byte.
• Nội dung của ngăn nhớ có thể thay đổi, song địa chỉ
vật lý của ngăn nhớ luôn cố định
Bộ nhớ cache:
• Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa CPU và bộ

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 19


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy cập bộ nhớ
• Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính
• Tốc độ nhanh hơn
• Cache thường được chia thành một số mức
• Cache có thể được tích hợp trên chip vi xử lý.
• Cache có thể có hoặc không
Bộ nhớ ngoài (External Memory):
• Chức năng và đặc điểm
o Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính
o Được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào-ra
o Dung lượng lớn
o Tốc độ chậm
• Các loại bộ nhớ ngoài
o Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm
o Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD
o Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card
1.3. 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:
o Vào dữ liệu (Input)
o Ra dữ liệu (Output)
• Các thành phần chính:
o Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)
o Các mô-đun vào-ra (IO Modules)
Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra:

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
o Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét ...
o Thiết bị ra: màn hình, máy in ...
o Thiết bị nhớ: các ổ đĩa ...
o Thiết bị truyền thông: MODEM ...
Mô-đun vào-ra:
• Chức năng: nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính
• Mỗi mô-đun vào-ra có một hoặc một vài cổng vào-ra (I/O Port).

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 20


Trường ĐH Tài Chính - Marketing
•
•

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác định.
Các thiết bị ngoại vi được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thông qua các cổng
vào-ra.

2. Các hoạt động cơ bản của máy tính
2.1. Nhận lệnh và thực hiện lệnh
Thực hiện chương trình:
• Là hoạt động cơ bản của máy tính

• Máy tính lặp đi lặp lại hai bước:

Nhaän leänh

 chu trình leänh
Thöïc hieän leänh 
• Thực hiện chương trình bị dừng nếu thực hiện lệnh bị lỗi hoặc gặp lệnh dừng.
Chu trình lệnh:

Nhận lệnh:
• Bắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ bộ nhớ chính.
• Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) của CPU giữ địa chỉ của lệnh sẽ được
nhận.
• CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi PC.
• Lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh IR (Instruction Register).
• Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp.

Minh họa quá trình nhận lệnh:

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 21


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Thực hiện lệnh:
• Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao tác mà

lệnh yêu cầu.
• Các kiểu thao tác của lệnh:
• Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính
• Trao đổi dữ liệu giữa CPU và mô-đun vào-ra
• Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học hoặc phép toán logic với các dữ liệu.
• Điều khiển rẽ nhánh
• Kết hợp các thao tác trên.
2.2. Ngắt (Interrupt)
•

Khái niệm chung về ngắt: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang
thực hiện để chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là chương trình con
phục vụ ngắt.
• Các loại ngắt:
o Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho 0.
o Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ lỗi bộ nhớ RAM.
o Ngắt do mô-đun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu.
Hoạt động ngắt:
• Sau khi hoàn thành mỗi một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt
• Nếu không có ngắt bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của chương trình hiện tại
• Nếu có tín hiệu ngắt:
o Tạm dừng chương trình đang thực hiện
o Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt)
o Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt
o Chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt
o Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh và tiếp tục chương
trình đang bị tạm dừng

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 22


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

Chu trình lệnh với ngắt:

Xử lý với nhiều tín hiệu yêu cầu ngắt:
• Xử lý ngắt tuần tự
o Khi một ngắt đang được thực hiện, các ngắt khác sẽ bị cấm.
o Bộ xử lý sẽ bỏ qua các ngắt tiếp theo trong khi đang xử lý một ngắt
o Các yêu cầu ngắt vẫn đang đợi và được kiểm tra sau khi ngắt đầu tiên được xử
lý xong
o Các ngắt được thực hiện tuần tự
• Xử lý ngắt ưu tiên
o Các ngắt được định nghĩa mức ưu tiên khác nhau
o Ngắt có mức ưu tiên thấp hơn có thể bị ngắt bởi ngắt ưu tiên cao hơn
o Xảy ra ngắt lồng nhau
2.3. Hoạt động vào-ra
•
•

Hoạt động vào-ra: là hoạt động trao đổi dữ liệu giữa mô-đun vào-ra với bên trong máy
tính.
Các kiểu hoạt động vào-ra:
o CPU trao đổi dữ liệu với mô-đun vào-ra
o Mô-đun vào-ra trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ chính (DMA- Direct
Memory Access).

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 23


Trường ĐH Tài Chính - Marketing

Giáo Trình kiến trúc máy tính và hệ điều hành

3. Liên kết hệ thống
3.1. Luồng thông tin trong máy tính
•

Các mô-đun trong máy tính:
o CPU
o Mô-đun nhớ
o Mô-đun vào-ra
cần được kết nối với nhau
Kết nối mô-đun nhớ:

•
•

Địa chỉ đưa đến để xác định cổng vào-ra
Ra dữ liệu (Output)
o Nhận dữ liệu từ CPU hoặc bộ nhớ chính
o Đưa dữ liệu ra thiết bị ngoại vi
• Vào dữ liệu (Input)
o Nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi

o Đưa dữ liệu vào CPU hoặc bộ nhớ chính
• Nhận các tín hiệu điều khiển từ CPU
• Phát các tín hiệu điều khiển đến thiết bị ngoại vi
• Phát các tín hiệu ngắt đến CPU
Kết nối CPU:

Nguyễn Thanh Trường - Khoa Công nghệ thông tin

Trang 24