Đề cương ôn tập kiến trúc máy tính

Đề cương ơn tập
Kiến trúc máy tính
Câu 1: Trình bày khái niệm kiến trúc máy tính và các thành phần của kiến trúc máy
tính
Kiến trúc máy tính là một khoa học trong việc lựa chọn và kết nối các thành
phần phần cứng của máy tính để đạt được các yêu cầu về chức năng, hiệu
năng và giá thành. Kiến trúc máy tính là một khái niệm cơ bản của ngành
Cơng nghệ máy tính.
Các thành phần: kiến trúc tập lệnh, vi kiến trúc, thiết kế hệ thống.
Câu 2: Nêu các thành phần cơ bản của tổ chức máy tính
Các thành phần của tổ chức máy tính là:
- Khối xử lý trung tâm
- Bộ nhớ trong
- Các thiết bị vào ra
- Bus hệ thống

Câu 3: Trình bày cấu trúc bộ xử lý trung tâm


Câu 4: Phân biệt kiến trúc máy tính Von Neuman và Harvard
Kiến trúc máy tính Von Neuman được xây dựng dựa trên 3 khái niệm cơ
sở:


-

Lệnh và dữ liệu được lưu và cùng một bộ nhớ đọc, ghi chia sẻ. Sử dụng
một bộ nhớ duy nhất để lưu cả lệnh và dữ liệu
Bộ nhớ được đánh địa chỉ theo vùng và không phụ thuộc vào nội dung nó
lưu trữ
Các lệnh được thực hiện tuần tự

Quá trình xử lý lệnh gồm 3 giai đoạn:
-

CPU đọc lệnh
CPU giải mã và thực hiện lệnh, nếu lệnh yêu cầu dữ liệu thì CPU đọc dữ
liệu
CPU ghi kết quả thực hiện lệnh vào bộ nhớ (nếu có)

Sơ đồ khối:


Khối xử lí trung tâm CPU

Bộ nhớ chính

Các thiết bị vào ra I/O

Đơn vị điều khiển CU

Main memory

Đơn vị số học – logic
ALU
Các thanh ghi

BUS hệ thống

Kiến trúc máy tính
Havard:

Kiến trúc máy tính Havard có bộ nhớ được chia thành hai thành phần riếng biệt là
bộ nhớ lưu chương trình (program memory) và bộ nhớ lưu dữ liệu (data memory).
Có hai hệ thống BUS riêng biệt để kết nối CPU với hai bộ nhớ và mỗi hệ thống
BUS đều có đủ ba thành phần truyền dẫn chương trình, lệnh và dữ liệu. Máy tính
dựa trên kiến trúc Havard có khả năng đạt được tốc độ xử lí cao hơn máy tính dựa
trên kiến trúc Von Neuman do được hỗ trợ hai hệ thống BUS độc lập với băng
thông lớn hơn. Ngồi ra nhờ có hai hệ thống BUS độc lập, nên hệ thống nhớ trong
kiến trúc Havard hỗ trợ nhiều lệnh truy nhập tại một thời điểm giúp giảm xung đột
truy nhập, đặc biệt là khi CPU xử dụng kĩ thuật đường ống

Sơ đồ khối :
Bộ nhớ chương
trình
(program memory)

Bộ nhớ dữ liệu

Program 14bits

CPU

Data 8bits

(data memory)


Address 12 bits

address 9 bits

Câu 5: Trình bày các loại thanh ghi điển hình trong bộ vi xử lý
1. Thanh ghi tích lũy A
2. Bộ đếm chương trình PC
3. Thanh ghi địa chỉ MRA
4. Thanh ghi đệm MRB
5. Thanh ghi tạm thời
6. Thanh ghi cờ
Câu 6: Phân biệt hai loại máy tính CISC và RISC
CISC là kiến trúc máy tính với tập lệnh phức tạp
RISC là kiến trúc máy tính với tập lệnh đơn giản
Trong kiến trúc CISC, mỗi lệnh thực hiện cần số chu kì lớn hơn do mỗi lệnh trong
CISC có thể gồm nhiều bước, thực hiện nhiều tác vụ khác nhau, trong khi đó, mỗi
lệnh trong kiến trúc RiSC chỉ thực hiện một tác vụ cụ thể.

Câu 7: Trình bày khái niệm lệnh và quá trình thực hiện lệnh
1. Khái niệm lệnh
Lệnh là một từ nhị phân được gán cho một nhiệm vụ cụ thể
2. Quá trình thực hiện lệnh
- Đọc lệnh
- Giải mã lệnh
- Thực hiện lệnh
- Lưu kết quả
Câu 8: Trình bày các loại tốn hạng và cho ví dụ minh họa
1. Tốn hạng 3 địa chỉ
VD: ADD R1, R2, R3  R1 = R2 + R3
2. Toán hạng 2 địa chỉ
VD: ADD R1,R2  R1 = R1 + R2
3. Toán hạng 1 địa chỉ
VD: ADD R1  Racc = Racc + R1 (với Racc là thanh ghi tích lũy của CPU)

4.

5.

Toán hạng 1.5 địa chỉ
VD: ADD R1, A  R1 = R1 + A (trong đó, R1 là thanh ghi của CPU, cịn A
là địa chỉ ơ nhớ)
Tốn hạng 0 địa chỉ
VD thao tác push, pop với stack

Câu 9: Trình bày khái niệm chế độ định địa chỉ, phân loại các chế độ định địa chỉ,
cho ví dụ
1. Khái niệm chế độ định địa chỉ
Chế độ địa chỉ là phương thức hoặc cách thức mà CPU tổ chức các toán
hạng của lệnh. Chế độ địa chỉ cho phép CPU kiểm tra dạng lệnh và tìm
các tốn hạng của lệnh
2. Phân loại các chế độ định địa chỉ
- Chế độ địa chỉ tức thì:
Giá trị hằng số của một tốn hạng được đặt ngay sau mã lệnh, tốn
hạng cịn lại có thể là một thanh ghi hoặc một địa chỉ ô nhớ
VD: LOAD R1, #1000  nạp giá trị 1000 vào thanh ghi R1
- Chế độ địa chỉ trực tiếp
Một toán hạng được tạo nên bởi một hằng số chỉ địa chỉ của tốn
hạng, tốn hạng cịn lại có thể là một thanh ghi hoặc một địa chỉ ô nhớ
VD: LOAD R1, 100  R1  M[100] (nạp giá trị ô nhớ 100 vào
thanh ghi R1
- Chế độ địa chỉ gián tiếp
Một toán hạng được tạo nên bởi một thanh ghi hoặc một địa chỉ ơ nhớ
chứa địa chỉ của tốn hạng, tốn hạng cịn lại có thể là một hằng số, một

thanh ghi hoặc một địa chỉ ô nhớ
VD: LOAD R1, (R2)  R1  M[R2]
LOAD R1, (1000)  R1  M[M[1000]]
-

-

Chế độ địa chỉ chỉ số
Địa chỉ một toán hạng được tạo nên bởi một phép cộng giữa một hằng
số và một thanh ghi chỉ số, tốn hạng cịn lại có thể là một hằng số, một
thanh ghi hoặc một địa chỉ ô nhớ
VD: LOAD R1, X(Rind)  R1  M[X+Rind ]
Rind là thanh ghi chỉ số
Chế độ địa chỉ tương đối


Địa chỉ một toán hạng được tạo nên bởi phép cộng của một hằng số và
bộ đếm chương trình, tốn hạng cịn lại có thể là một hằng số, một thanh
ghi hoặc một địa chỉ ô nhớ
VD: LOAD R1, X(PC)  R1  M[X+PC]

Câu 10: Trình bày các nhóm lệnh thơng dụng và cho ví dụ bằng lệnh hợp ngữ
1. Lệnh vận chuyển dữ liệu
- Chức năng: vận chuyển dữ liệu giữa các bộ phận của máy tính
- Ví dụ:
o MOV cx, ax : Vận chuyển dữ liệu từ thanh ghi ax vào thanh ghi cx
2. Lệnh toán học và logic
- Chức năng: thực hiện các thao tác tính tốn trên nội dung các thanh ghi
hoặc ơ nhớ
- Ví dụ:

o ADD cx, ax : cộng giá trị trong thanh ghi cx với giá trị trong
thanh ghi ax, kết quả lưu vào cx
3. Lệnh điều khiển chương trình
- Chức năng: thay đổi trật tự thực hiện các lệnh trong chương trình hay làm
thay đổi logic chương trình
- Ví dụ:
mov cx, 5
CONG: add ax, 1
Loop CONG
(thực hiện ax + 1 năm lần)
4.

Lệnh vào, ra
- Chức năng: vận chuyển dữ liệu giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi
- Ví dụ:
Mov ah,1
Int 21h
(nhập vào một kí tự từ bàn phím)

Câu 11: trình bày kĩ thuật đường ống 5 giai đoạn trong hệ thống máy tính. Tranh
chấp dữ liệu là gì và cách khắc phục


-

-

-

-

Kĩ thuật đường ống là phương pháp mà việc thực hiện mỗi lệnh được
chia thành nhiều giai đoạn, trong đó mỗi giai đoạn được thực hiện bởi
một đơn vị chức khác nhau của CPU. Nhờ đó, CPU có thể tận dụng tối đa
năng lực xử lí của các đơn vị chức năng của mình.
5 giai đoạn của cơ chế ống lệnh:
o IF:
đọc lệnh từ bộ nhớ
o ID:
giải mã lệnh và đọc các toán hạng
o EX:
thực hiện lệnh, nếu lệnh là truy cập bộ nhớ thì tính tốn
địa chỉ bộ nhớ
o MEM: đọc/ ghi bộ nhớ
o WB:
ghi kết quả vào thanh ghi
Tranh chấp dữ liệu là khi một lệnh dự kiến khơng thể thực thi trong đúng
chu kì pipeline của nó do dữ liệu nó yêu cầu vẫn chưa sẵn sang. Loại
tranh chấp dữ liệu phổ biến nhất là (Read After Write - RAW)
Cách khắc phục xung đột kiểu RAW:
o Nhập dạng tranh chấp RAW khi nó diễn ra
o Khi RAW xảy ra, tạm dừng ống lệnh cho đến khi lệnh trước đó
hồn thành giai đoạn WB
o Sử dụng trình biên dịch để nhận dạng tranh chấp RAW và thực
hiện:
 Chèn các lệnh rỗng vào giữa hai lệnh có thể tranh chấp
RAW
 Chèn các lệnh độc lập vào giữa hai lệnh có thể tranh chấp
RAW
o Sử dụng phần cứng để nhận dạng tranh chấp RAW và dự đoán

trước giá trị dữ liệu phụ thuộc

Câu 13: Trình bày hệ thống bộ nhớ phân cấp trong các hệ thống máy tính.
Hệ thống bộ nhớ phân cấp trong các hệ thống máy tính gồm lần lượt:
Các thanh ghi CPU
Bộ nhớ Cache
Bộ nhớ chính
Bộ nhớ thứ cấp
Hệ thống bộ nhớ có dung lượng tăng theo chiều từ các thanh ghi CPU tới
bộ nhớ thứ cấp, nhưng có giá thành và tốc độ truy cập tăng theo chiều
ngược lại.
Các thanh ghi CPU thường được xử dụng để lưu các toán hạng đầu và
cuối phục vụ cho việc thực hiện các lệnh của CPU
o
o
o
o

-

-


-

Bộ nhớ Cache đoán và tải trước các lệnh, dữ liệu mà CPU cần, nhờ đó
giảm thời gian truy cập hệ thống nhớ, tăng tốc độ xử lí
Bộ nhớ chính gồm ROM và RAM dùng để lưu lệnh và dữ liệu của hệ
thống và người dùng
Bộ nhớ thứ cấp gồm các đĩa từ, đĩa quang, băng từ, dùng để lưu trữ dữ

liệu lâu dài dưới dạng các tệp

Câu 14: Trình bày các phương pháp phân loại bộ nhớ
Có 3 phương pháp phân loại bộ nhớ dựa theo:
Kiểu truy cập
Khả năng duy trì dữ liệu
Cơng nghệ chế tạo
Phân loại theo kiểu truy cập: (3 loại)
- Truy cập ngẫu nhiên
- Truy cập tuần tự
- Bộ nhớ chỉ đọc
Phân loại theo khả năng duy trì dữ liệu: (2 loại)
- Bộ nhớ ổn định
- Bộ nhớ không ổn định
Phân loại theo công nghệ chế tạo: (3 loại)
- Bộ nhớ bán dẫn
- Bộ nhớ từ tính
- Bộ nhớ quang học
1.

2.

3.

Câu 15: Trình bày khái niệm và đặc điểm hoạt động của bộ nhớ Cache
1. Khái niệm
Cache hay bộ nhớ đệm là một phần trong hệ thống phân cấp bộ nhớ nằm
giữa CPU và bộ nhớ chính. Cache có chức năng trung chuyển dữ liệu từ bộ
nhớ chính về CPU và ngược lại

2.

Đặc điểm hoạt động
Cache có khả năng đốn trước được u cầu về dữ liệu và lệnh của CPU.
Lệnh và dữ liệu cần thiết được tải trước từ bộ nhớ chính vào Cache, nhờ đó,
CPU chỉ cần truy cập vào Cache, giúp giảm thời gian CPU truy cập hệ thống
nhớ. Để làm điều đó, Cache dựa theo hai nguyên lý là nguyên lý lân cận về
không gian và nguyên lý lân cận về thời gian.


-

Nguyên lý lân cận về không gian: Nếu một ô nhớ đang được truy cập thì
xác suất các ơ nhớ lân cận được truy cập trong tương lai là rất cao
Nguyên lý lân cận về thời gian: Nếu một ô nhớ đang được truy cập thì
xác suất nó được truy cập lại trong tương lai là rất cao.

Câu 16: Trình bày hai loại kiến trúc Cache Look Aside và Look Through
1. Kiến trúc Look Aside
Trong kiến trúc Look Aside, cả cache và bộ nhớ chính cùng được kết nối với
bus hệ thống, nhờ đó, chúng cùng thấy chu kì bus của CPU tại một thời
điểm. Kiến trúc Look Aside có thiết kế đơn giản, tuy nhiên các sự kiện hit
của kiến trúc này thường chậm do cache kết nối với CPU sử dụng bus hệ
thống – thường có tần số làm việc không cao và băng thông hẹp. Tuy nhiên
các sự kiện miss lại nhanh hơn do CPU khơng tìm thấy mục tin trong cache,
nó đồng thời tìm trong bộ nhớ chính trong cùng 1 chu kỳ xung nhịp
Sơ đồ khối:

CPU

SRAM

CACHE CONTROLLER

TAG RAM

MAIN MEMORY

2.

Kiến trúc Look Through
Trong kiến trúc Look Through, cache được đặt nằm giữa CPU và bộ nhớ
chính. Cache kết nối với CPU bằng bus riêng tốc độ cao, thường là bus mặt
trước. Cache kết nối với bộ nhớ chính qua bus hệ thống, cịn gọi là bus mặt
sau.


Với kiến trúc này, các sự kiện hit thường nhanh hơn do cache kết nối với
CPU qua bus tốc độ cao, còn các sự kiện miss lại chậm hơn do CPU khơng
tìm thấy tin trong cache, nó phải tìm trong bộ nhớ chính ở một xung nhịp
khác.
SRAM
CPU

CACHE CONTROLLER

MAIN
MEMORY

TAG RAM

Câu 17: Trình bày phương pháp ánh xạ trực tiếp của tổ chức bộ nhớ Cache
1.

2.

3.

Nguyên lý
- Cache được chia thành n dịng, bộ nhớ chính chia thành m trang, mỗi
trang chia thành n dịng, mỗi dịng có kích thước bằng một dòng trong
cache.
- Dòng thứ i của trang thứ j sẽ ánh xạ đến dòng thứ i của cache
Ưu điểm
- Thiết kế đơn giản
- Khơng tốn nhiều thời gian tìm địa chỉ ô nhớ trong cache
Nhược điểm
- Dễ gây xung đột
- Hiệu quả tận dụng không gian cache không cao
- Hệ số hit thấp

Câu 18: Trình bày phương pháp ánh xạ kết hợp đầy đủ của tổ chức bộ nhớ cache.
1. Nguyên lý
- Cache được chia thành n dòng, bộ nhớ chính được chia thành m dịng,
mỗi dịng có kích thước bằng một dòng trong cache.
- Mỗi dòng trong bộ nhớ chính sẽ ánh xạ đến một dịng bất kì trong cache.
2. Ưu điểm
- Giảm xung đột sử dụng dòng cache
- Hiệu quả tận dụng không gian cache cao
- Hệ số hit cao

3. Nhược điểm
- Việc truy tìm dịng cache tốn nhiều thời gian
- Thiết kế phức tạp.


Câu 19: Trình bày phương pháp ánh xạ tập kết hợp của tổ chức bộ nhớ cache.
1. Nguyên lý
- Cache được chia thành k đường (way), mỗi way chia thành n dịng (line)
- Bộ nhớ chính chia thành m trang (page), mỗi trang có kích thước bằng
một đường trong cache và chia thành n dịng, mỗi dịng có kích thước
bằng một dịng trong cache.
- Mỗi trang trong bộ nhớ chính ánh xạ đến một đường bất kì trong cache
- Dịng thứ i của trang sẽ ánh xạ đến dòng thứ i của đường.
2. Ưu điểm
- Kết hợp hài hòa giữa ánh xạ mềm và ánh xạ cố định
- Dễ dàng xác định vị trí dịng nhớ trong đường cache
- Tốc độ nhanh
- Ít xung đột
- Phân bố khơng gian cache đồng đều, đạt tỉ lệ hit cao
3. Nhược điểm
- Thiết kế phức tạp.

Câu 20: Trình bày các chính sách thay thế khối của bộ
nhớ cache
Có 3 chính sách thay thế:
1. Thay thế ngẫu nhiên
- Các dòng cache được lựa chọn và thay thế một cách ngẫu nhiên, không theo một quy luật
nào
- Đơn giản, dễ cài đặt
- Hệ số miss cao

2. Thay thế kiểu vào trước ra trước
- Các dòng cache được nạp vào cache trước sẽ được thay ra trước
- Hệ số miss thấp hơn so với thay thế ngẫu nhiên
- Chưa xem xét đến các dòng cache già nhưng vẫn đang được sử dụng
- Thiết kế cài đặt phức tạp hơn
3. Thay thế các dịng ít được xử dụng gần đây nhất
- Các dòng cache được lựa chọn để thay thế là các dịng ít được sử dụng gần đây nhất
- Cho hệ số miss thấp nhất
- Có xem xét đến các dòng đang được sử dụng
- Thiết kế và cài đặt phức tạp

Câu 21: Trình bày các phương thức ghi dữ liệu trong bộ
nhớ cache
1. Khi Hit
Có hai chính sách chính là “ghi thẳng” và “ghi trễ”


-

Với “ghi thẳng”: dữ liệu sẽ được ghi đồng thời vào cache và bộ nhớ chính. Chính sách này
tạo sự nhất quán giữa cache và bộ nhớ chính nhưng gây chậm và tốn nhiều băng thông
- Với “ghi trễ”: dữ liệu được ghi vào cache rồi sẽ được ghi vào bộ nhớ chính ghi nó bị thay ra.
Phương pháp này hiệu quả hơn về tốc độ
2. Khi Miss
Có hai chính sách là “ghi có đọc lại” và “ghi khơng đọc lại”
- Với “ghi có đọc lại”: dữ liệu được ghi vào bộ nhớ chính, sau đó đọc lại vào cache
- Với “ghi không đọc lại”: dữ liệu được ghi vào bộ nhớ chính mà khơng đọc lại vào cache

Câu 22: Trình bày các phương thức đọc dữ liệu trong bộ
nhớ cache

1. Khi Hit
Mẩu tin được đọc trực tiếp từ bộ nhớ Cache vào CPU, bộ nhớ chính khơng tham gia. Với phương
pháp này, thời gian đọc bằng thời gian truy cập cache của CPU
2. Khi Miss
Mẩu tin được đọc từ bộ nhớ chính vào cache, rồi được đọc từ cache vào CPU. Với phương pháp
này, thời gian đọc bằng thời gian CPU truy cập cache cộng thời gian cache truy cập bộ nhớ chính

Câu 23: Trình bày các tham số hiệu năng bộ nhớ cache và
cách cải thiện hiệu năng.
Có ba vấn đề ảnh hưởng đến hiệu năng cache
-

Kích thước cache:
Cache có kích thước càng lớn thì hiệu năng xử lí càng cao.
Chia tách cache:
Để cải thiện hiệu năng cache, người ta chia cache thành cache dữ liệu và cache lệnh
Tạo cache nhiều mức:
Việc tạo cache nhiều mức với kích thước tăng dần và tốc độ giảm dần giúp dung hòa tốt hơn
tốc độ của CPU và tốc độ bộ nhớ chính.

Câu 24: RAID là gì? Trình bày các kĩ thuật cơ bản tạo RAID
1. RAID là gì?
- RAID là một công nghệ chế tạo thiết bị lưu trữ tiên tiến trên cơ sở các ổ đĩa cứng, nhằm đạt
hiệu quả về tốc độ cao, tính tin cậy và dung lượng lưu trữ lớn
2. Các kỹ thuật cơ bản tạo RAID
có hai kỹ thuật cơ bản là tạo lát đĩa và soi gương đĩa
- Kỹ thuật tạo lát đĩa:
computer

RAID

CONTROLLER

A1

A2

B1

B2

C1

C2


- Kỹ thuật soi gương đĩa
- computer
RAID
CONTROLLER

A1

A1

B1

B1

C1

C1

Trong khi kỹ thuật tạp lát đĩa hướng đến tốc độ cao thì soi gương đĩa hướng đến độ tin cậy cao cho hệ
thống lưu trữ

Câu 25: Trình bày 3 loại RAID cơ bản
1. RAID 0
RAID 0 dựa trên kỹ thuật tạo lát đĩa và cần tối thiểu hai ổ đĩa
Tốc độ truy cập của RAID 0 tỷ lệ thuận với số lượng đĩa độc lập
Dung lượng của RAID 0 tương đương tổng dung lương các ổ đĩa tham gia
Hạn chế của RAID 0 là tính tin cậy chỉ tương đương 1 ổ đĩa đơn
2. RAID 1
RAID 1 dựa trên kĩ thuật soi gương đĩa, cần tối thiểu 2 ổ đĩa
Tốc độ truy cập và dung lượng của RAID 1 bằng một ổ đĩa đơn
Ưu điểm chính là tính tin cậy cao
3. RAID 10
RAID 10 là sự kết hợp của RAID 1 và RAID 0, cần tối thiểu 4 ổ đĩa


Tốc độ truy cập tỷ lệ với số ổ đĩa tham gia
Dung lượng bằng tổng dung lượng của một nửa số ổ đĩa
Độ tin cậy cao
Hạn chế lớn nhất của RAID 10 là giá thành cao

Câu 26: NAS là gì? Đặc điểm của NAS
1. Khái niệm
Là một máy chủ chuyên dùng làm thiết bị lưu trữ, được kết nối vào mạng, cung cấp các dịch vụ
lưu trữ thông qua mạng, thường là mạng cục bộ
2. Đặc điểm
- Thường dựa trên nền tảng một RAID tốc độ cao, dung lượng lớn, độ tin cậy cao

- Có thể cung cấp dịch vụ lưu trữ cho hầu hết các loại máy chủ với cấu hình phần cứng và hệ
điều hành khác nhau.

Câu 27: SAN là gì? Đặc điểm của SAN
-

Là một mạng của các máy chủ chuyên dụng, cung cấp các dịch vụ lưu trữ với các đặc điểm:
o Tốc độ truy cập rất cao
o Dung lượng cực lớn
o Độ an toàn rất cao
o An toàn dữ liệu cục bộ
o An toàn dữ liệu với các bản copy được đồng bộ ở khoảng cách xa về địa lý