Giáo trình Cấu trúc máy tính (Nghề Quản trị mạng)

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

GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: CẤU TRÚC MÁY TÍNH
NGHỀ : QUẢN TRỊ MẠNG
TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG MẠNG
Ban hành kèm theo Quyết định số:

/QĐ-CĐN… ngày…….tháng….năm .........

…………........... của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề tỉnh BR - VT

Bà Rịa

1


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng 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 Cơng nghệ thơng 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 mơn học cơ sở chun ngành trong chương trình đào tạo cơng nghệ
thơng 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 khn khổ của tài liệu có tính chất là bài giảng
mơn 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 trị là bộ não của máy tính. Thơng qua việc thực hiện các lệnh của chương
trình bởi khối xử lý trung tâm, máy tính có thể thực thi các u 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 thơng dụng kèm ví dụ minh hoạ. 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
3


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 ngồi là dạng bộ nhớ thường có dung lượng lớn và dùng để lưu trữ thông tin ổn
định, khơng phụ thuộc nguồn điện ni.
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 PCI-Express. 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
thơng tin. Trong q trình biên soạn, mặc dù tác giả đã rất cố gắng song khơng 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, hồn thiện nội dung
của tài liệu.

4


MỤC LỤC
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN..................................................................................................2
CHƯƠNG 1 : ĐẠI CƯƠNG................................................................................................8

5


CHƯƠNG TRÌNH MƠN 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 MƠN HỌC:
- Vị trí:Mơn 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 mơn học chun ngành bắt buộc.
II. MỤC TIÊU MƠN 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: mơ 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 tồn 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
I
1
2
3
4
5

Tên chương mục
Tổng quan
Các thế hệ máy tính
Phân loại máy tính
Thành quả của máy tính

Thơng tin và sự mã hoá
Kiểm tra chương

Thời gian
Tổng
Lý
Thực
số
15
4
2
1
7
1

thuyết hành
7
7
2
2
2
0
1
0
2
5
1
6

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

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 Cache

V
1
2
3
4
5
6
7

trong CPU
Kiểm tra chương
Thiết bị nhập xuất
Đĩa từ

Đĩa quang
RAID (Redundant Array of Independent Disks)
Băng từ
Các chuẩn về BUS
An toàn dữ liệu trong lưu trữ
Kiểm tra chương

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
1
2
4
2

8
2
1
1
0.25
1.5
0.25
0.5
1.5
6
1
1
1
1
1
1
9
4
2
1

2

10
2
2
1
1
2
2

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
1
6
1
1
2
0
0
2
2

7


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 được khái niệm về thơng 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 (1946-1957)

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
8


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 tốn trên số thập phân). Có khả năng thực hiện 5.000 phép
tốn cộng trong một giây. Cơng 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 tốn
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 cịn 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 (1958-1964)
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, 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 (1965-1971)
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
9


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 cơng 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 khơng 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 thế hệ
thứ 5 của máy tính, thế hệ của những máy tính thơng minh, dựa trên các ngơn 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 cơng ty, viện
nghiên cứu của Nhật th Asimo tiếp khách và hướng dẫn khách tham quan như:
10


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 đốn 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 từ cơ
học lượng tử như thế nào? Đó là mối quan tâm của khơng chỉ người sử dụng máy
tính mà cịn 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 tốn trên dữ liệu đưa vào. Khác với máy tính kỹ
thuật số dựa trên tranzitor địi 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 tốn lượng tử sử dụng các
bit lượng tử ở trong trạng thái chồng chập để tính tốn. Điều này có nghĩa là ở cùng một
thời điểm, 1 bit lượng tử - đơn vị cơ bản của thông tin trong điện tốn, 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 vơ cùng lớn như tính tốn 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 thơng thường.
Hiện nay, nhiều phịng 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
11


tại Canada đã cơng bố chiếc máy tính lượng tử đầu tiên có khả năng thương mại hóa mang
tên D-Wave One. Tiếp theo, D-Wave cho ra đời phiên bản thứ 2 của máy tính lượng tử
mang tên D-Wave 2. Tháng 6/2011, Công ty D-Wave Systems, Inc., đã bán chiếc máy tính
lượng tử thương mại đầu tiên cho đối tác là cơng ty quốc phịng Lockheed Martin
(Bethesda,Maryland, Hoa Kỳ). Theo lý thuyết, D-Wave có khả năng giải quyết được
những vấn đề mà các siêu máy tính chưa làm được trên nhiều lĩnh vực, như mật mã, cơng
nghệ nano, trí tuệ nhân tạo...

Hãng D-Wave mơ tả đó là một cỗ máy hoạt động theo phương pháp lượng tử và có
thể thực hiện tính tốn. Tuy nhiên, D-Wave có rất ít các khách hàng do tính rủi ro. Bên
cạnh đó, chưa có ai có thể sử dụng D-Wave để thực hiện tính tốn cụ thể như các máy tính
cổ điển. Gần đây, Google cũng đã bắt tay với NASA nhằm thực hiện nghiên cứu điện tốn
lượng tử bằng cỗ máy D-Wave. 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 D-Wave.
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 tốn
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.
2.1.

Theo kích thước, cơng dụng ( tính năng và giá tiền)

- 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 Tốn 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
12


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 3-3,8 gigaflop).

-

Siêu máy tính cỡ nhỏ

Siêu máy tính cỡ nhỏ (minisupercomputers) là một dịng máy tính xuất hiện
vào giữa thập kỉ 1980. Khi việc tính tốn 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 phịng ban thay
vì ở cấp độ doanh nghiệp mang đến cơ hội cho các nhà kinh 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 (small-scale).
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 xố bỏ nhu
cầu của dịng 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
13

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 khốn cấp quốc
gia có trục trặc, chỉ cần ngưng hoạt động trong vịng vài phút có thể cho thấy việc
thay thế tồn 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 được 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
cơng 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 mơ phỏng trong thiết kế, vẽ và
tạo ra các hình ảnh động, các logic tốn học. Thơng thường các bộ phận giao tiếp
với máy trạm bao gồm: màn hình với độ phân giải cao, bàn phím và chuột. Đơi 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 ơng 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

14


+ Thiết bị kỹ thuật số PDA
2.2

Theo kiến trúc
- Kiến trúc máy tính von-neumann

Sơ đồ kiến trúc máy tính von-Neumann Kiến trúc máy tính von-Neumann được nhà
tốn học John von-Neumann đưa ra vào năm 1945 trong một báo cáo về máy tính
EDVAC như minh hoạ trên Hình 1.2 - Kiến trúc máy tính von-Neumann ngun
thuỷ.

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

Hình 1.3: Kiến trúc máy tính von-Neumann hiện đại
15


Các đặc điểm của kiến trúc von-Neumann Kiến trúc von-Neumann 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 von-Neumann do
kiến trúc Harvard hỗ trợ hai hệ thống bus độc lập với băng thơng lớn hơn. Ngồi 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 giảm xung đột truy nhập bộ nhớ, đặc
biệt khi CPU sử dụng kỹ thuật đường ống (pipeline).
16


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
hỗn trên mỗi cổng I xung nhịp giảm 25% cho mỗi năm .

17


Sự phát triển của cơng 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.
18


Moore đã đưa ra dự đốn: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 cơng suất tính tốn của mỗi
mạch): được tính bằng tích của mật độ tích hợp và tần số xung nhịp. Công suất này
19


cũng tăng theo hàm mũ đối với thời gianCác IC thay thế cho các linh kiện rời.
4. Thông tin và sự mã hố.
4.1.

Khái niệm thơng tin

Khái niệm về thơng 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
thơng 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 thơng tin và sự mã hóa thơng tin.

Thơng tin được đo lường bằng đơn vị thông tin mà ta gọi là bit. Lượng thông tin
được định nghĩa bởi cơng thức:
I= Log2(N)
Trong đó: I: là lượng thơng 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 thơng 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).
Như vậy lượng thơng 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 2n 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

X2
0
0
0
0

X1
0
0
1
1

X0
0
1
0

1
20


4
5
6
7

1
1
1
1

0
0
1
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 + Cn-1Sn-1 +Cn-2Sn-2 +Cn-3Sn-3 + … + C0S0
Hay NS = Σ CiSi

trong đó 0 ≤ Ci ≤ S -1( i là thứ tự vị trí các chữ số )

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
21


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 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
22

Có nhiều cách để biểu diễn một số n bit có dấu. Trong tất cả mọi cách thì bit cao
nhất ln tượng trưng cho dấu.
Khi đó, bit dấu có giá trị là 0 thì số ngun 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 ngun dương, bit dấu có giá trị là 0 thì số ngun âm).
dn-1

dn-3

dn-3

d2

d1

d0

………
bit dấu
Số ngun có bit dn-1 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).
Vídụ: (+25)10= (00011001)2(-25)10= (11100110)2 -Một Byte cho phép biểu diễn
tất cảcác sốcódấu từ-127 (1000 0000)2 đến 127 (0111 1111) 2 -Cóhai cách biểu diễn
cho 0 là0000 0000 (+0) và 1111 1111 (-0).
Cách biểu diễn bằng sốbù2
Để có số bù 2 của một số nào đó, người ta lấy số bù 1 rồi cộng thêm 1. Vậy một từ

n bit (dn-1....... d0) có trị thập phân.
Một từ n bit có thể biểu diễn các số có dấu từ-2n-1 đến 2n-1-1. Chỉ có một
cách duy nhất để biểu diễn cho số khơng là tất cả các bit của số đó đều bằng khơng.
Vídụ: (+25)10= (00011001)2 (-25)10= (11100111)2 -Dùng 1 Byte (8 bit) để
biểu diễn một số có dấu lớn nhất là +127 và số nhỏ nhất là–128. -Chỉ có một giá trị
0: +0 = (00000000)2, -0 = (00000000)2
4.4.1. Số thực: Số thực dấu chấm động.
- Tổng quát: một số thực X được biểu diễn theo kiểu số dấu phẩy động như sau:
X = M * RE
M là phần định trị (Mantissa),
23


R là cơ số (Radix),
E là phần mũ (Exponent).
- Chuẩn IEEE754/85
+ Cơ số R = 2
+ Các dạng:
Dạng 32-bit

Hình 1.8: Biểu diễn dạng 32 bít
S là bit dấu:
S = 0 -> số dương
S = 1 -> số âm
e (8 bit) là mã excess-127 của phần mũ E:
e = E+127 <==> E = e – 127
giá trị 127 gọi là là độ lệch (bias)
m (23 bit) là phần lẻ của phần định trị M:
M = 1.m
Công thức xác định giá trị của số thực:

X = (-1)S*1.m * 2e-127
Giải giá trị biểu diễn: 10-38 đến 10+38
Dạng 64-bit

Hình 1.8: Biểu diễn dạng 64 bít
S là bit dấu
e (11 bit): mã excess-1023của phần mũ E => E=e–1023
m (52 bit): phần lẻ của phần định trị M
Giá trị số thực:
24


X = (-1)S *1.m * 2e-1023
Dải giá trị biểu diễn: 10-308 đến 10+308
•

Dạng 80-bit

Hình 1.8: Biểu diễn dạng 80 bít
S là bit dấu
e (15 bit): mã excess-16383của phần mũ
E => E = e – 16383
m (64 bit): phần lẻ của phần định trị M
Giá trị số thực:
X = (-1)S*1.m * 2e-16383
Dải giá trị biểu diễn: 10-4932đến 10+4932
4.4.2. Kí tự: ASCII, Unicode
Tuỳ theo các hệ thống khác nhau, có thể sử dụng các bảng mã khác nhau:
ASCII, EBCDIC, UNICODE,....Các hệ thống trước đây thường dùng bảng mã
ASCII (AmericanStandardCodesforInformationInterchange) để biểu diễn các chữ,

số và một số dấu thường dùng mà ta gọi chung là ký tự. Mỗi ký tự được biểu diễn
bởi 7 bit trong một Byte. Hiện nay, một trong các bảng mã thông dụng được dùng là
Unicode, trong bảng mã này, mỗi ký tự được mã hoá bởi 2 Byte.

25