Giáo trình Cấu trúc máy tính - Nghề: Quản trị mạng - CĐ Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa-Vũng Tàu

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BR – VT
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ

GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: CẤU TRÚC MÁY TÍNH
NGHỀ : QUẢN TRỊ MẠNG
TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG MẠNG
Ban hành kèm theo Quyết định số:        /QĐ­CĐN…  
ngày…….tháng….năm ......... …………........... của Hiệu trưởng trường Cao đẳng  
nghề tỉnh BR ­ VT

Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2015

1


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể  được 
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về  đào tạo và tham 
khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử  dụng với mục đích kinh 
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

2


LỜI GIỚI THIỆU
Cấu trúc máy tính là một trong các lĩnh vực khoa học cơ sở của ngành Khoa 
học máy tính nói riêng và Công nghệ  thông tin nói chung. Cấu trúc máy tính là 
khoa học về lựa chọn và ghép nối các thành phần phần cứng của máy tính nhằm 
đạt được các mục tiêu về  hiệu năng cao, tính năng đa dạng và giá thành thấp.  

Môn học Cấu trúc máy tính là môn học cơ  sở  chuyên ngành trong chương trình  
đào tạo công nghệ  thông tin hệ  đại học và cao đẳng. Mục tiêu của môn học là 
cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ  sở  của cấu trúc máy tính, bao gồm bao  
gồm cấu trúc máy tính tổng quát, cấu trúc bộ  xử  lý trung tâm và các thành phần 
của bộ  xử  lý trung tâm, cấu trúc tập lệnh máy tính, cơ  chế   ống lệnh; hệ  thống  
phân cấp của bộ  nhớ, bộ  nhớ trong, bộ nhớ cache và các loại bộ  nhớ  ngoài; hệ 
thống bus và các thiết bị  vào ra. Cấu trúc máy tính là một lĩnh vực đã được phát 
triển trong một thời gian tương đối dài với lượng kiến thức đồ  sộ, nhưng do 
khuôn khổ  của tài liệu có tính chất là bài giảng môn học, tác giả  cố  gắng trình  
bày những vấn đề cơ sở  nhất phục vụ mục tiêu môn học. Nội dung của tài liệu  
được biên soạn thành sáu chương: Chương 5 là phần đại cương giới thiệu các  
khái niệm cơ sở của cấu trúc máy tính, như  lịch sử  máy tính, cách phân loại, các 
thành quả của máy tính và khái niệm thông tin , các hệ  đếm và cách tổ  chức dữ 
liệu trên máy tính cũng được trình bày trong chương này. Chương 2 giới thiệu về 
khối xử lý trung tâm, nguyên tắc hoạt động và các thành phần của nó. Khối xử lý 
trung tâm là thành phần quan trọng và phức tạp nhất trong máy tính, đóng vai trò 
là bộ não của máy tính. Thông qua việc thực hiện các lệnh của chương trình bởi  
khối xử  lý trung tâm, máy tính có thể  thực thi các yêu cầu của người sử  dụng. 
Chương 3 giới thiệu về tập lệnh của máy tính, bao gồm các khái niệm về  lệnh,  
dạng lệnh, các thành phần của lệnh; các dạng địa chỉ  và các chế  độ  địa chỉ.  
Chương cũng giới thiệu một số  dạng lệnh thông dụng kèm ví dụ  minh hoạ.  
3


Ngoài ra, cơ chế ống lệnh – xử lý xen kẽ các lệnh cũng được đề cập. Chương 4  
trình bày về  bộ  nhớ  trong: khái quát về  hệ  thống bộ  nhớ  và cấu trúc phân cấp 
của hệ thống nhớ; giới thiệu các loại bộ nhớ ROM và RAM. Một phần rất quan 
trọng của chương là phần giới thiệu về bộ nhớ cache ­ một bộ nhớ đặc biệt có 
khả năng giúp tăng tốc hệ thống nhớ nói riêng và cả hệ thống máy tính nói chung. 
Chương 4 giới thiệu về bộ nhớ ngoài, bao gồm các loại đĩa từ, đĩa quang, các hệ 

thống RAID, NAS và SAN. Bộ nhớ ngoài là dạng bộ nhớ thường có dung lượng  
lớn và dùng để lưu trữ thông tin ổn định, không phụ thuộc nguồn điện nuôi.   
Chương 5 trình bày về hệ thống bus và các thiết bị ngoại vi. Phần trình bày về hệ 
thống bus đề cập đến các loại bus như ISA, EISA, PCI, AGP và PCI­Express. Tài  
liệu được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy môn học Cấu trúc máy tính,  
kết hợp tiếp thu các đóng góp của đồng nghiệp và phản hồi từ sinh viên. Tài liệu  
có thể  được sử  dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên hệ  cao đẳng các ngành 
công nghệ  thông tin. Trong quá trình biên soạn, mặc dù tác giả  đã rất cố  gắng  
song không thể tránh khỏi có những thiếu sót. Tác giả rất mong muốn nhận được  
ý kiến phản hồi và các góp ý cho các thiếu sót, cũng như ý kiến về việc cập nhật, 
hoàn thiện nội dung của tài liệu. 

4


MỤC LỤC
 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN                                                                                                  
 
.................................................................................................
   
 2
 CHƯƠNG 1 : ĐẠI CƯƠNG                                                                                               
 
..............................................................................................
   
 9

5

 CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC CẤU TRÚC MÁY TÍNH
Mã số của môn học: MH 13
Thời gian của môn học: 75 giờ ;     (Lý thuyết: 40 giờ; Thực hành: 35 giờ)
I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT MÔN HỌC: 
­ Vị  trí:Môn học được bố  trí sau khi sinh viên học xong các môn học chung, các 
môn   học   cơ   sở   chuyên   ngành   đào   tạo   chuyên   môn   nghề   trước   các   môn   học 
chuyên môn nghề như lắp ráp; Sửa chữa máy tính…
­ Tính chất: Là môn học chuyên ngành bắt buộc.
II. MỤC TIÊU MÔN HỌC: 
- Trình  bày được lịch sử của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại  

máy tính. 
- Trình  bày được các thành phần cơ bản của kiến trúc máy tính, các tập lệnh. 

Các kiểu kiến trúc máy tính: mô tả kiến trúc, các kiểu định vị. 
- Trình   bày được cấu trúc của bộ  xử  lý trung tâm: tổ  chức, chức năng và 

nguyên lý hoạt động của các bộ  phận bên trong bộ  xử  lý. Mô tả  diễn tiến thi 
hành một lệnh mã máy và một số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, 
siêu vô hướng. 
- Nêu được chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ. 
- Trình bày được phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài. 
- Vận dụng các kiến thức khi tiếp cận những công nghệ phần cứng mới.

III. NỘI DUNG MÔN HỌC: 
1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian: 
Số
TT

Tên chương mục

Tổn
g số

Thời gian
Lý 
Thự
thuyế

c 

t

hành
6


I
1
2
3
4
5
II
1
2
3
4
5
6

7
8
9
III
1
2
3
4
5
6
IV
1
2
3
4

Tổng quan
Các thế hệ máy tính
Phân loại máy tính
Thành quả của máy tính
Thông tin và sự mã hoá
Kiểm tra chương 
Kiến trúc phần mềm bộ xử lý
Thành phần cơ bản của một máy tính
Định nghĩa kiến trúc máy tính
Kiểu thi hành một lệnh
Kiểu kiến trúc thanh ghi đa dụng
Tập lệnh
Toán hạng
Kiến trúc RISC( Reduced Instruction Set Computer)

Kiểu định vị trong các bộ xử lý RISC
Kiểm tra chương
Tổ chức bộ xử lý
Đường đi dữ liệu 
Bộ điều khiển
Diễn tiến thi hành lệnh mã máy
Ngắt
Kỹ thuật ống dẫn
Ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng
Kiểm tra chương 
Bộ nhớ
Các loại bộ nhớ
Các cấp bộ nhớ
Cách truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ
Hiểu về bộ nhớ Cache và cách tổ chức bộ nhớ 

V
1
2
3

Cache trong CPU
Kiểm tra chương
Thiết bị nhập xuất
Đĩa từ
Đĩa quang
RAID (Redundant Array of Independent Disks)

15
4

2
1
7
1
15
3
1
2
0.25
3
0.25
0.5
3
2
12
1
1
2
2
2
2
2
15
4
4
3
3
1
18
3

3
3

7
2
2
1
2

9
4
2
1
2

7
2
0
0
5
1
7
1
0
1
0
1.5
0
0
1.5

2
4
0
0
1
1
1
1
2
5
0
2
2
1

10
2
2
1

1
6
1
1
2

8
2
1
1

0.25
1.5
0.25
0.5
1.5
6
1
1
1
1
1
1

7


4
5
6
7

Băng từ
Các chuẩn về BUS
An toàn dữ liệu trong lưu trữ
Kiểm tra chương 

1
2
4
2

1
2
2

0
0
2
2

8


CHƯƠNG 1 : ĐẠI CƯƠNG
Giới thiệu
Mục tiêu:
-

Trình bày được lịch sử phát triển của máy tính.

-

Trình bày được các thành phần cơ bản của một máy vi tính.

-

Trình bày được các thành tựu của máy tính.

-

Trình bày đ ượ c khái ni ệ m v ề  thông tin.

-

Trình bày các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông 

dụng được dùng để biểu diễn các ký tự.
Nội dung
1. Các thế hệ máy tính.
1.1.

Lịch sử máy tính
Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ 

chế  tạo các linh kiện cơ  bản của máy tính như: bộ  xử  lý, bộ  nhớ, các ngoại  
vi,.. .Ta có thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển  
từ thế hệ trước sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về 
công nghệ.
Thế hệ đầu tiên (1946­1957)

9


Hình 1.1: Máy tính ENIAC
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính điện tử  số 
đầu tiên do Giáo sư  Mauchly và người học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania  
thiết kế vào năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946. Đây là một máy tính 
khổng lồ với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét. ENIAC bao gồm: 
18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự động, cân nặng 30 tấn, và tiêu thụ 140KW 
giờ. Nó có 20 thanh ghi 10 bit (tính toán trên số  thập phân). Có khả  năng thực  

hiện 5.000 phép toán cộng trong một giây. Công việc lập trình bằng tay bằng  
cách đấu nối các đầu cắm điện và dùng các ngắt điện.
Giáo sư  toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế  máy tính IAS 
(Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình được lưu trong bộ  nhớ, 
bộ điều khiển sẽ lấy lệnh và biến đổi giá trị của dữ liệu trong phần bộ nhớ, bộ 
làm toán và luận lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) được điều khiển để  tính 
toán trên dữ liệu nhị phân, điều khiển hoạt động của các thiết bị  vào ra. Đây là 
một ý tưởng nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay. Máy tính  này còn 
được gọi là máy tính Von Neumann.
Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiên 
được đưa ra thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được 
bán ra.
Thế hệ thứ hai (1958­1964)
Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947 và do đó thế  hệ  thứ 
hai của máy tính được đặc trưng bằng sự  thay thế  các đèn điện tử  bằng các  
transistor lưỡng cực. Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại  
dùng transistor mới xuất hiện trên thị trường. Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền  
hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn. Vào thời điểm này, mạch in và bộ  nhớ  bằng 
xuyến từ  được dùng. Ngôn ngữ  cấp cao xuất hiện (như  FORTRAN năm 1956, 
10


COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) và hệ  điều hành  kiểu tuần tự  (Batch 
Processing) được dùng. Trong hệ  điều hành này, chương trình của người dùng  
thứ  nhất được chạy, xong đến chương trình của người dùng thứ  hai và cứ  thế 
tiếp tục.
Thế hệ thứ ba (1965­1971)
Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các  mạch kết (mạch 
tích hợp ­ IC: Integrated Circuit). Các mạch kết độ  tích hợp mật độ  thấp (SSI:  
Small Scale Integration) có thể  chứa vài chục linh kiện và kết độ  tích hợp mật 

độ  trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên  
mạch tích hợp.
Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ  nhớ  bán dẫn bắt đầu thay thế  bộ  nhớ 
bằng xuyến từ. Máy tính đa chương trình và hệ  điều hành chia thời gian được 
dùng.
Thế hệ thứ tư (1972­????)
Thế  hệ  thứ  tư  được đánh dấu bằng các IC có mật độ  tích hợp cao (LSI: 
Large Scale Integration) có thể  chứa hàng ngàn linh kiện. Các IC mật độ  tích  
hợp rất cao (VLSI: Very Large Scale Integration) có thể  chứa hơn 10 ngàn linh 
kiện trên mạch. Hiện nay, các chip VLSI chứa hàng triệu linh kiện.
Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện  
và phần điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các 
máy vi tính đã được chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân.
Các bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi.
Các kỹ  thuật cải tiến tốc độ  xử  lý của máy tính không ngừng được phát 
triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,...
Việc chuyển từ  thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ 5 còn chưa rõ ràng. Người 
Nhật đã và đang đi tiên phong trong các chương trình nghiên cứu để  cho ra đời  
11


thế hệ thứ 5 của máy tính, thế hệ của những máy tính thông minh, dựa trên các 
ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG,... và những giao diện người ­  
máy thông minh. Đến thời điểm này, các nghiên cứu đã cho ra các sản phẩm 
bước đầu và gần đây nhất (2004) là sự ra mắt sản phẩm người máy thông minh  
gần giống với  con  người   nhất:  ASIMO   (Advanced  Step Innovative  Mobility:  
Bước chân tiên tiến của đổi mới và chuyển động).  Với hàng trăm nghìn máy 
móc điện tử  tối tân đặt trong cơ  thể, ASIMO có thể  lên/xuống cầu thang một  
cách uyển chuyển, nhận diện người, các cử  chỉ  hành động, giọng nói và đáp 
ứng một số mệnh lệnh của con người. Thậm chí, nó có thể bắt chước cử động, 

gọi tên người và cung cấp thông tin ngay sau khi bạn hỏi, rất gần gũi và thân 
thiện. Hiện nay có nhiều công ty, viện nghiên cứu của Nhật thuê Asimo tiếp 
khách và hướng dẫn khách tham quan như: Viện Bảo tàng Khoa học năng lượng 
và Đổi   mới   quốc  gia,  hãng IBM  Nhật  Bản, Công  ty  điện lực  Tokyo.  Hãng  
Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý chuyển động 
bằng hai chân. Cho tới nay, hãng đã chế tạo được 50 robot ASIMO.
Các tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSI đã cho phép thực hiện  
các mạch vi xử  lý ngày càng mạnh (8 bit, 16 bit, 32  bit và 64 bit với việc xuất 
hiện các bộ  xử  lý RISC năm 1986 và các bộ  xử  lý siêu vô hướng năm 1990).  
Chính các bộ xử lý này giúp thực hiện các máy tính song song với từ vài bộ  xử 
lý đến vài ngàn bộ xử lý. Điều này làm các chuyên gia về kiến trúc máy tính tiên  
đoán thế hệ thứ 5 là thế hệ các máy tính xử lý song song.
1.2.

Máy tính hiện tại và tương lai
Các nhà khoa học về máy tính đều thừa nhận máy tính lượng tử  hứa hẹn  

sẽ  tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ  máy tính tương lai. Vậy máy 
tính lượng tử đang phát triển ở mức độ nào và con người sẽ khai thác năng lượng  

12


từ  cơ  học lượng tử  như  thế  nào? Đó là mối quan tâm của không chỉ  người sử 
dụng máy tính mà còn là mối quan tâm của các nhà nghiên cứu và hãng máy tính.
Ý tưởng máy tính lượng tử được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1980 bởi nhà 
toán học người Đức gốc Nga Yuri Manin bằng cách sử dụng các hiệu ứng chồng chập 
và vướng víu lượng tử để thực hiện các tính toán trên dữ liệu đưa vào. Khác với máy 
tính kỹ thuật số dựa trên tranzitor đòi hỏi cần phải mã hóa dữ liệu thành các chữ số nhị 
phân, mỗi số được gán cho 1 trong 2 trạng thái nhất định là 0 hoặc 1, tính toán lượng tử 

sử dụng các bit lượng tử ở trong trạng thái chồng chập để tính toán. Điều này có nghĩa  
là ở cùng một thời điểm, 1 bit lượng tử ­ đơn vị cơ bản của thông tin trong điện toán, 
viết tắt là qubit ­ có thể có giá trị 0 và 1. Về mặt lý thuyết, một máy tính có nhiều qubit 
có khả năng xử lý một lượng tác vụ vô cùng lớn như tính toán số học hoặc thực hiện 
tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu lớn (Big data) trong thời gian nhanh hơn nhiều so với các 
máy tính thông thường.
Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đã chế tạo ra các thiết bị có  
khả năng thực hiện các phép tính lượng tử trên một số nhỏ qubit. Năm 2007, công ty D­
Wave tại Canada đã công bố chiếc máy tính lượng tử đầu tiên có khả năng thương mại 
hóa mang tên D­Wave One. Tiếp theo, D­Wave cho ra đời phiên bản thứ 2 của máy tính  
lượng tử  mang tên D­Wave 2. Tháng 6/2011, Công ty D­Wave Systems, Inc.,  đã bán 
chiếc máy tính lượng tử  thương mại đầu tiên cho đối tác là công ty quốc phòng  
Lockheed Martin (Bethesda,Maryland, Hoa Kỳ). Theo lý thuyết, D­Wave có khả năng 
giải quyết được những vấn đề  mà các siêu máy tính chưa làm được trên nhiều lĩnh  
vực, như mật mã, công nghệ nano, trí tuệ nhân tạo...
Hãng D­Wave mô tả đó là một cỗ máy hoạt động theo phương pháp lượng tử và  
có thể thực hiện tính toán. Tuy nhiên, D­Wave có rất ít các khách hàng do tính rủi ro. 
Bên cạnh đó, chưa có ai có thể sử dụng D­Wave để thực hiện tính toán cụ thể như các  
máy tính cổ điển. Gần đây, Google cũng đã bắt tay với  NASA nhằm thực hiện nghiên 
13


cứu điện toán lượng tử bằng cỗ máy D­Wave. Do đó, cho tới hiện tại, cỗ máy trên chỉ 
phục vụ cho công tác nghiên cứu nhằm tiếp tục phát triển lý thuyết hơn là được sử 
dụng thực tiễn. Smelyanskiy, nhà nghiên cứu cho dự án hợp tác nghiên cứu điện toán 
lượng tử giữa  NASA và Google, cho biết rằng dự án vẫn chưa đạt được thành tựu đột 
phá và vẫn cần ít nhất là từ 15 đến 25 năm nữa để chứng minh khả năng ứng dụng  
thực tế của D­Wave.
 Vậy khi nào chúng ta có thể sử dụng máy tính lượng tử như với máy tính cá nhân 
hiện nay? Theo Smelyanskiy, chúng ta sẽ khó có thể sở  hữu một máy tính lượng tử 

trong vài thập kỷ tới. Hơn nữa, chức năng của máy tính lượng tử là giải quyết các vấn  
đề tính toán lớn và rất phức tạp, chứ không giống như cách chúng ta sử dụng như máy  
tính cá nhân truyền thống.
2. Phân loại máy tính.     
Theo kích thước, công dụng ( tính năng và giá tiền)

2.1.
­

 Siêu máy tính 
Một siêu máy tính là một máy tính vượt trội trong khả năng và tốc độ  xử 

lý. Thuật ngữ Siêu Tính Toán được dùng lần đầu trong báo New York World vào 
năm 1920 để   nói   đến   những   bảng   tính   (tabulators)   lớn   của IBM làm   cho 
trường Đại   học   Columbia.   Siêu   máy   tính   hiện   nay   có   tốc   độ   xử   lý   hàng 
nghìn teraflop (một   teraflop   tương   đương   với   hiệu   suất   một   nghìn   tỷ   phép 
tính/giây) hay bằng tổng hiệu suất của 6.000 chiếc máy tính hiện đại nhất hiện 
nay gộp lại (một máy có tốc độ khoảng từ 3­3,8 gigaflop).
­

 Siêu máy tính cỡ nhỏ 

Siêu   máy  tính  cỡ  nhỏ (minisupercomputers) là  một  dòng máy tính xuất 
hiện vào giữa thập kỉ 1980. Khi việc tính toán khoa học dùng bộ  xử  lí vector trở 
nên phổ  biến hơn, nhu cầu sử  dụng hệ thống giá thành thấp để  dùng  ở  cấp độ 
phòng ban thay vì  ở  cấp độ  doanh nghiệp mang đến cơ  hội cho các nhà kinh 
14


doanh máy tính mới bước vào thị trường. Nhìn chung, mục tiêu về giá cả của các  

máy tính nhỏ  hơn này là 1/10 các siêu máy tính lớn hơn. Đặc trưng của các máy 
tính này là sự kết hợp giữa xử lí vector và đa xử lí cỡ nhỏ (small­scale).
Sự   xuất   hiện   của máy   trạm khoa   học   với   giá   còn   thấp   hơn   nữa   dựa  
trên bộ  vi xử  lí cùng với đơn vị  dấu chấm động (floating point unit, FPU) hiệu 
năng   cao   vào   thập   kỉ 1990 (nhưR8000 của   hãng MIPS và POWER2 của 
hãng IBM) đã xoá bỏ nhu cầu của dòng máy tính này.
­  Mainframe 

Máy   tính   lớn (tiếng   Anh: Mainframe)   là   loại máy   tính có   kích   thước   lớn 
được sử  dụng chủ  yếu bởi các công ty lớn như  các ngân hàng, các hãng bảo  
hiểm... để chạy các ứng dụng lớn xử lý khối lượng lớn dữ liệu như kết quả điều 
tra dân số, thống kê khách hàng và doanh nghiệp, và xử  lý các giao tác thương  
mại.
Hiện nay thị trường máy tính lớn do IBM chiếm 99%, với máy IBM ZSeries 
(hệ  điều hành MVS). Z có nghĩa Zero, Zero downtime, có nghĩa là máy có thể 
hoạt động 24/24 giờ mỗi ngày, 7/7 ngày mỗi tuần, và 365/365 ngày không ngừng. 
So với các máy tính loại nhỏ như máy tính cá nhân, máy tính lớn cũng như 1 chiếc 
xe tăng: vững chắc, có thể  nhận hàng ngàn lệnh cùng 1 lúc. Ví dụ  máy IBM Z9 
(2008) có thể được cài 20 processor và đáp ứng 8000.000.000 (8 tỉ) lệnh 1 giây
­

 Máy chủ doanh nghiệp 

Là một hệ thống máy tính chủ yếu dùng để phục vụ cho một doanh nghiệp  
lớn. Ví dụ các loại máy chủ như máy chủ web, máy chủ in ấn, và máy chủ cơ sở 
dữ liệu. Tính chất chủ yếu để phân biệt một máy chủ doanh nghiệp là ở  tính ổn  
định vì ngay cả một sự cố ngắn hạn cũng có thể  gây thiệt hại hơn cả  việc mua 
mới và cài đặt mới hệ thống. Lấy ví dụ, một hệ thống máy tính trong  thị trường 
chứng khoán cấp quốc gia có trục trặc, chỉ  cần ngưng hoạt động trong vòng vài 
15

phút có thể cho thấy việc thay thế toàn bộ hệ thống hiện tại bằng một hệ thống  
đáng tin cậy hơn vẫn là giải pháp tốt hơn.
­

 Máy trạm  (workstation)

Workstation   (một   số   tài   liệu   gọi   là máy   trạm)   được   sử   dụng   theo   các   nghĩa: 
Workstation   là   một    thiết   kế 
dành để chạy các ứng dụng kỹ thuật hoặc khoa học.Mục đích chính cho việc tạo  
ra máy tính này là để  phục vụ  cho 1 người tại 1 thời điểm. có thể  kết nối với  
nhau qua mạng máy tính và phục vụ  nhiều User cùng lúc. Một nhóm các máy 
trạm có thể xử lý các công việc của một máy tính lớn Main Frame nếu như được 
kết nối mạng với nhau. Các máy trạm cung cấp hiệu suất cao hơn máy tính để 
bàn, đặc biệt là về CPU, đồ  họa, bộ  nhớ  và khả  năng xử  lý đa nhiệm. Nó được  
tối ưu hóa cho việc xử lý các loại dữ liệu phức tạp như các bản vẽ 3D trong cơ 
khí, các mô phỏng trong thiết kế, vẽ và tạo ra các hình  ảnh động, các logic toán  
học. Thông thường các bộ  phận giao tiếp với máy trạm bao gồm: màn hình với  
độ  phân giải cao, bàn phím và chuột. Đôi khi cũng cấp kết nối với nhiều màn 
hình, máy tính bảng đồ  họa và chuột 3D. Hiện nay, thị  trường máy trạm do các  
ông lớn trong ngành máy tính như  DELL,HP... và bán cũng các bản Windows/ 
Linux chạy trên CPU Intel Xeon/AMD Opteron.
­  Máy tính cá nhân  (PC_ personal computer ) là một loại máy vi tính nhỏ 

với giá cả, kích thước và sự tương thích của nó khiến nó hữu dụng cho từng cá 
nhân.
+ Máy tính để bàn( Desktop)
+ Máy tính xách tay ( laptop).
+ Máy tính bản 

+ Thiết bị kỹ thuật số PDA

16


2.2

Theo kiến trúc
­

Kiến trúc máy tính von­neumann 

 Sơ  đồ  kiến trúc máy tính von­Neumann Kiến trúc máy tính von­Neumann được 
nhà toán học John von­Neumann đưa ra vào năm 1945 trong một báo cáo về máy 
tính EDVAC như  minh hoạ  trên Hình 1.2 ­ Kiến trúc máy tính von­Neumann 
nguyên thuỷ.   

Hình 1.2: Kiến trúc máy tính von­Neumann nguyên thuỷ
Các máy tính hiện đại ngày nay sử  dụng kiến trúc máy tính von­Neumann 
cải tiến – còn gọi là kiến trúc máy tính von­Neumann hiện đại, như minh hoạ trên 
Hình 1.3.   

Hình 1.3: Kiến trúc máy tính von­Neumann hiện đại
17


Các đặc điểm của kiến trúc von­Neumann Kiến trúc von­Neumann dựa trên 
3 khái niệm cơ sở: (1) Lệnh và dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ đọc ghi chia sẻ 
­ một bộ nhớ duy nhất được sử dụng để lưu trữ cả lệnh và dữ  liệu, (2) Bộ nhớ 
được đánh địa chỉ theo vùng, không phụ thuộc vào nội dung nó lưu trữ và (3) Các 

lệnh của một chương trình được thực hiện tuần tự. Quá trình thực hiện lệnh  
được chia thành 3 giai đoạn (stages) chính: (1) CPU đọc (fetch) lệnh từ  bộ  nhớ,  
(2) CPU giải mã và thực hiện lệnh; nếu lệnh yêu cầu dữ  liệu, CPU đọc dữ  liệu 
từ bộ nhớ; và (3) CPU ghi kết quả thực hiện lệnh vào bộ nhớ (nếu có). 
­

Kiến trúc máy tính Harvard: 

Kiến trúc máy tính Harvard là một kiến trúc tiên tiến như minh hoạ trên Hình 6.   

Hình 1.4:  Kiến trúc máy tính Harvard
Kiến trúc máy tính Harvard chia bộ nhớ trong thành hai phần riêng rẽ: Bộ nhớ 
lưu chương trình (Program Memory) và Bộ  nhớ  lưu dữ liệu (Data Memory). Hai 
hệ  thống bus riêng được sử  dụng để  kết nối CPU với bộ  nhớ  lưu chương trình  
và bộ nhớ lưu dữ liệu. Mỗi hệ thống bus đều có đầy đủ ba thành phần để truyền  
dẫn các tín hiệu địa chỉ, dữ  liệu và  điều khiển. Máy tính dựa trên kiến trúc  
Harvard có khả  năng đạt được tốc độ  xử  lý cao hơn máy tính dựa trên kiến trúc 
von­Neumann do kiến trúc Harvard hỗ  trợ  hai hệ  thống bus độc lập với băng  
thông lớn hơn. Ngoài ra, nhờ  có hai hệ  thống bus độc lập, hệ  thống nhớ  trong  
kiến trúc Harvard hỗ  trợ  nhiều lệnh truy nhập bộ  nhớ  tại một thời điểm, giúp 
18


giảm xung đột truy nhập bộ nhớ, đặc biệt khi CPU sử dụng kỹ thuật đường ống  
(pipeline).
3. Thành quả của máy tính 
Qui luật Moore về sự phát triển của máy tính

Hình 1.5: Đánh giá thành quả của máy tính
Hình 1.5 cho thấy diễn biến của thành quả tối đa của máy tính. Thành quả 

này tăng theo hàm số  mũ, độ  tăng trưởng các máy vi tính là 35% mỗi năm, còn 
đối với các loại máy khác, độ  tăng trưởng là 20% mỗi năm. Điều này cho thấy 
tính năng các máy vi tính đã vượt qua các loại máy tính khác vào đầu thập niên  
90 .
Máy tính dùng thật nhiều bộ xử lý song song rất thích hợp khi phải làm tính  
thật nhiều.
Sự tăng trưởng theo hàm số mũ của công nghệ chế tạo transistor  MOS là nguồn 
gốc của thành quả các máy tính.
Hình 1.4 cho thấy sự tăng trưởng về tần số xung nhịp của các bộ xử lý MOS. Độ 
tăng trưởng của tần số xung nhịp bộ xử lý tăng gấp đôi sau mỗi thế hệ và độ trì  
hoãn trên mỗi cổng I xung nhịp giảm 25% cho mỗi năm .

19


Sự phát triển của công nghệ máy tính và đặc biệt là sự phát triển của bộ vi xử lý 
của các máy vi tính làm cho các máy vi tính có tốc độ  vượt qua tốc độ  bộ  xử lý  
của các máy tính lớn hơn.

Hình 1.6: Sự phát triển của bộ xử lý Intel dựa vào số lượng 
Transistor trong một mạch tích hợp theo quy luật Moore
Từ năm 1965, Gordon Moore (đồng sáng lập công ty Intel) quan sát và nhận 
thấy số  transistor trong mỗi mạch tích hợp có thể  tăng gấp đôi sau mỗi năm, G. 
20


Moore đã đưa ra dự đoán:Khả năng của máy tính sẽ tăng lên gấp đôi sau 18 tháng  
với giá thành là như nhau.
Kết quả của quy luật Moore là:
Chi phí cho máy tính sẽ giảm. 

Giảm kích thước các linh kiện, máy tính sẽ giảm kích thước
Hệ thống kết nối bên trong mạch ngắn: tăng độ tin cậy, tăng tốc độ
Tiết kiệm năng lượng cung cấp, toả nhiệt thấp.
Một số khái niệm liên quan:

Hình 1.7: Xung nhịp các bộ xử lý MOS
Mật độ  tích hợp là số  linh kiện tích hợp trên một diện tích bề  mặt tấm 
silicon cho sẵn, cho biết số nhiệm vụ và mạch có thực hiện. 
• Tần số xung nhịp bộ xử lý cho biết 
• Tần số thực hiện các nhiệm vụ. 
• Tốc độ  xử  lý của máy tính trong một giây (hay công suất tính toán của 
21


mỗi mạch): được tính bằng tích của mật độ  tích hợp và tần số  xung nhịp. Công 
suất này cũng tăng theo hàm mũ đối với thời gianCác IC thay thế cho các linh kiện 
rời.
4. Thông tin và sự mã hoá. 
4.1.

Khái niệm thông tin

Khái niệm về thông tin gắn liền với sự hiểu biết một trạng thái cho sẵn trong 
nhiều trạng thái có thể có vào một thời điểm cho trước.
Trong hình này, chúng ta quy ước có hai trạng thái có ý nghĩa: trạng thái thấp  
khi hiệu điện thế  thấp hơn VL và trạng thái cao khi hiệu điện thế  lớn hơn VH. 
Để có thông tin, ta phải xác định thời điểm ta nhìn trạng thái của tín hiệu. Thí dụ,  
tại thời điểm t1 thì tín hiệu  ở  trạng thái thấp và tại thời điểm t2 thì tín hiệu  ở 
trạng thái cao.
4.2.

Lượng thông tin và sự mã hóa thông tin.

Thông tin được đo lường bằng đơn vị thông tin mà ta gọi là bit. Lượng thông 
tin được định nghĩa bởi công thức:
I= Log2(N)
Trong đó: I: là lượng thông tin tính bằng bit
N: là số trạng thái có thể có
Vậy một bit  ứng với sự  hiểu biết của một trạng thái trong hai trạng thái có 
thể có. Thí dụ,sự  hiểu biết của một trạng thái trong 8 trạng thái có thể  ứng với 
một lượng thông tin là:
I= Log2(8) = 3 bit
Tám trạng thái được ghi nhận nhờ 3 số nhị  phân (mỗi số  nhị  phân có thể  có 
giá trị 0 hoặc 1).
22


Như  vậy lượng thông tin là số  con số  nhị  phân cần thiết để  biểu diễn số 
trạng thái có thể có. Do vậy, một con số nhị phân được gọi là một bit. Một từ n 
bit có thể tượng trưng một trạng thái trong tổng số 2 n trạng thái mà từ đó có thể 
tượng trưng. Vậy một từ n bit tương ứng với một lượng thông tin n bit.
Trạng thái
0
1
2
3
4
5
6
7

X2
0
0
0
0
1
1
1
1

X1
0
0
1
1
0
0
1
1

X0
0
1
0
1
0
1
0
1

Bảng 1.1: Tám trạng thái khác nhau ứng với 3 số nhị phân
4.3.

Hệ thống số

4.3.1. Các hệ thống số: Nhị phân, thập phân, thập lục phân
Hệ đếm nhị phân : là hệ đếm cơ số 2, chỉ sử dụng 2 chữ số: 0 và 1. 
Hệ đếm thập phân:  là hệ đếm cơ số 10, sử dụng 10 chữ số: 0, 1, 2, 3, 4, 
5, 6, 7, 8, 9. 
Hệ đếm thập lục phân:  là hệ đếm cơ số 16, sử dụng 16 chữ số: 0, 1, 2, 
3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. 
Hình 2  Giá trị các số thập lục phân theo hệ thập phân và nhị phân
4.3.2. Chuyển đổi giữa các hệ thống số
­

Chuyển từ hệ nhị phân và thập lục phân sang hệ thập phân:

Ta có thể biểu diễn bất kỳ một số N nào trong hệ cơ số S bằng đa thức sau:
NS = CnSn + Cn­1Sn­1 +Cn­2Sn­2 +Cn­3Sn­3 + … + C0S0 
Hay NS =   CiSi     trong đó   0   Ci   S ­1( i là thứ tự vị trí các chữ số )
23


Ví dụ:
* Đổi số nhị phân sau sang số thập phân:
1101 = 1x23 +1x22 + 0x21+ 1x20   = 13
* Đổi số thập lục phân sau sang số thập phân:
A2F = 10x162 + 2x161+ 15x160  = 2607
Chuyển từ hệ thập phân sang hệ nhị phân và thập lục phân

­

Tổng quát: 
Muốn đổi một số  nguyên trong hệ thập phân sang hệ cơ  số  S ta thực hiện như 
sau: Lấy phần nguyên chia cho cơ số S, ghi lại số dư của phép chia. Đem kết quả của  
phép chia ( thương số tiếp tục chia cho cơ số S, qua 1trình cứ tiếp tục cho đến khi kết  
quả  phép chia bằng 0. Số  đã cho trong hệ  phân tương đương trong hệ  cơ  số  S là tập  
hợp các số dư của phép chia, trong đó số dư đầu tiên có trọng số nhỏ nhất.
Ví dụ:
* Đổi số 17 sang nhị phân ( cơ số 2  S=2)
Phép chia

Số dư

17 : 2  = 8

1  trọng số nhỏ nhất

8   :  2  = 4 

0

4   :  2  = 2 

0

2   :  2  = 1 

0

1   :  2  = 0 

1

Kết quả : 100012
*Đổi số 169 sang thập lục phân ( cơ số 16  S=16)
Phép chia

Số dư

169 : 16  = 10

9  trọng số nhỏ nhất

10   :  16  = 0 

10

Kết quả : 10916
Lưu ý: Mỗi chữ số trong hệ thập lục phân tương đương một nhóm bốn chữ số trong 
hệ nhị phân, do đó, ngoài những quy tắc chuyển đổi như đã nêu trên, người ta có thể đổi 
24


số trên cơ sở hệ nhị phân làm trung gian. Khi đổi từ hệ nhị phân sang hệ thập lục phân, 
các số nhị phân được gom thành 4 chữ số tính tư phải sang trái, mỗi nhóm này được 
thay bằng một chữ số thập lục phân tương ứng và ngược lại.
Quan hệ giữa các số trong một số hệ thông dụng

Bảng 1.2: Quan hệ giữa các số trong một số hệ thông dụng
4.4.

Biểu diễn thông tin

Số nguyên có dấu: Trị tuyệt đối, bù 1, bù 2, thừa k, BCD

Số nguyên có dấu
Có nhiều cách để biểu diễn một số n bit có dấu. Trong tất cả mọi cách thì bit cao  
nhất luôn tượng trưng cho dấu.
Khi đó, bit dấu có giá trị  là 0 thì số  nguyên dương, bit dấu có giá trị  là 1 thì số 
nguyên âm. Tuy nhiên, cách biểu diễn dấu này không đúng trong trường hợp số 
được biểu diễn bằng số  thừa K mà ta sẽ  xét  ở  phần sau trong chương này (bit 
dấu có giá trị là 1 thì số nguyên dương, bit dấu có giá trị là 0 thì số nguyên âm).
dn­1

dn­3

dn­3

d2

d1

d0

………
 bit dấu
Số nguyên có bit dn­1 là bit dấu và có trị số tượng trưng bởi các bit từ d0 tới dn­
2 .

Cách biểu diễn hằng số bù 1 
 Trong cách biểu diễn này, số âm ­N được cóbằng cách thay các số nhị phân di 
của số đương N bằng số bù của nó(nghĩa là nếu di = 0 thì người ta đổi nó thành 1 
và ngược lại). 

25