Đăng ký Đăng nhập

Tài liệu Kiến trúc máy tính

.PDF
128
288
101

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Biên Soạn: TS. Nguyễn Văn Mùi ThS. Cao Trần Bảo Thương www.hutech.edu.vn KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Ấn bản 2014 MỤC LỤC I MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. I HƯỚNG DẪN .......................................................................................................... IV BÀI 1: TỔNG QUAN...................................................................................................... 1 1.1 KHÁI NIỆM ......................................................................................................... 1 1.2 CHỨC NĂNG, CẤU TRÚC ...................................................................................... 1 1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ......................................................................................... 2 1.4 KIẾN TRÚC VON-NEUMANN ................................................................................ 9 TÓM TẮT ................................................................................................................ 12 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 12 BÀI 2: BIỂU DIỄN THÔNG TIN TRÊN MÁY TÍNH ......................................................... 13 2.1 KHÁI NIỆM HỆ THỐNG SỐ ................................................................................ 13 2.2 HỆ THỐNG SỐ ĐẾM ........................................................................................... 15 2.2.1 Hệ thập phân (Decimal system) ..................................................................... 15 2.2.2 Hệ nhị phân (Binary system).......................................................................... 16 2.2.3 Hệ bát phân (Octal Number System) ............................................................... 18 2.2.4 Hệ thập lục phân (Hexadecimal Number System) .............................................. 18 2.3 CÁCH CHUYỂN ĐỔI ........................................................................................... 19 2.4 SỐ ÂM .............................................................................................................. 22 2.4.1 Dấu lượng ................................................................................................... 23 2.4.2 Bù 1 ........................................................................................................... 24 2.4.3 Bù 2 ........................................................................................................... 24 2.4.4 Cách biểu diễn số thừa K ............................................................................... 25 2.5 DẤU CHẤM TĨNH .............................................................................................. 26 2.6 DẤU CHẤM ĐỘNG ............................................................................................. 27 2.7 KHOẢNG GIÁ TRỊ BIỂU DIỄN ........................................................................... 29 2.8 CÁC PHÉP TOÁN TRÊN NHỊ PHÂN ..................................................................... 30 2.8.1 Phép cộng, trừ ............................................................................................. 30 2.8.2 Phép nhân, chia ........................................................................................... 31 2.9 CÁC MÃ KHÁC ................................................................................................... 31 TÓM TẮT ................................................................................................................ 33 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 34 BÀI 3: ĐẠI SỐ BOOLE VÀ MẠCH SỐ ........................................................................... 36 3.1 GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 36 3.1.1 Đại số Boole và các cổng logic ........................................................................ 36 3.1.2 Quy trình chế tạo ......................................................................................... 38 3.1.3 Biểu thức logic ............................................................................................. 39 3.2 RÚT GỌN BIỂU THỨC LOGIC ............................................................................. 40 II MỤC LỤC 3.2.1 Giản đồ Karnaugh ........................................................................................ 41 3.2.2 Quine McCluskey .......................................................................................... 43 3.3 MẠCH TÍNH TOÁN SỐ HỌC ............................................................................... 44 3.3.1 Mạch cộng/trừ ............................................................................................. 44 3.3.2 Mạch nhân .................................................................................................. 47 3.4 MẠCH SO SÁNH, ĐA HỢP/GIẢI ĐA HỢP ........................................................... 48 3.4.1 Mạch so sánh .............................................................................................. 48 3.4.2 Mạch đa hợp/giải đa hợp ............................................................................... 49 3.5 ALU (ARITHMETIC LOGIC UNIT) ...................................................................... 50 TÓM TẮT ................................................................................................................ 51 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 51 BÀI 4: BỘ VI XỬ LÝ ................................................................................................... 54 4.1 BỘ VI XỬ LÝ - CPU ........................................................................................... 54 4.1.1 Tốc độ của bộ vi xử lý ................................................................................... 55 4.1.2 Bộ xử lý luận lý số học - ALU ......................................................................... 57 4.1.3 Bộ điều khiển - CU ....................................................................................... 57 4.1.4 Thanh ghi - Register ..................................................................................... 58 4.1.5 Lịch sử ....................................................................................................... 58 4.2 GIAO TIẾP GIỮA CPU VÀ NGOẠI VI .................................................................. 60 4.2.1 Phân loại bus ............................................................................................... 60 4.2.2 Chu kỳ bus .................................................................................................. 61 4.2.3 Mô hình tổng quát ........................................................................................ 63 4.3 CẤU TRÚC CỦA VI XỬ LÝ 8088/ 8086............................................................... 64 4.3.1 Sơ đồ khối .................................................................................................. 64 4.3.2 Bộ thanh ghi................................................................................................ 66 4.3.3 Quản lý bộ nhớ của vi xử lý 8086/8088 ........................................................... 69 4.4 CÁC HOẠT ĐỘNG CHÍNH CỦA VI XỬ LÝ 8086/8088 .......................................... 72 4.4.1 Nạp lệnh ..................................................................................................... 72 4.4.2 Đọc bộ nhớ ................................................................................................. 73 4.4.3 Ghi bộ nhớ .................................................................................................. 74 4.4.4 Nhập .......................................................................................................... 74 4.4.5 Xuất ........................................................................................................... 75 4.4.6 Đáp ứng ngắt .............................................................................................. 75 TÓM TẮT ................................................................................................................ 77 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................. 77 BÀI 5: KIẾN TRÚC BỘ NHỚ MÁY TÍNH ....................................................................... 78 5.1 KHÁI NIỆM VỀ BỘ NHỚ MÁY TÍNH ................................................................... 78 5.2 KIẾN TRÚC TỔNG THỂ BỘ NHỚ ........................................................................ 80 5.3 QUẢN LÝ BỘ NHỚ (MMU, Memory Management Unit) ...................................... 82 5.4 BỘ NHỚ TRONG - BỘ NHỚ BÁN DẪN ................................................................ 83 5.4.1 Bộ nhớ của vi xử lý ....................................................................................... 83 MỤC LỤC III 5.4.2 Bộ nhớ RAM................................................................................................. 84 5.4.3 Bộ nhớ ROM ................................................................................................ 86 5.4.4 Bộ nhớ cache ............................................................................................... 86 5.5 BỘ NHỚ NGOÀI ................................................................................................ 87 5.5.1 Đĩa từ - Ổ cứng ............................................................................................ 87 5.5.2 Redundant Array of Independent Disks (RAID) ................................................. 91 5.5.3 Đĩa Quang ................................................................................................... 95 5.5.4 Thẻ nhớ ...................................................................................................... 97 5.5.5 Băng từ ...................................................................................................... 98 5.5.6 Cấu trúc MBR và EBR .................................................................................... 99 5.5.7 Quá trình khởi động của máy tính ................................................................. 100 TÓM TẮT .............................................................................................................. 102 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 102 BÀI 6: HỆ THỐNG BUS ............................................................................................. 103 6.1 BUS LIÊN KẾT ................................................................................................ 103 6.2 CÁC CHUẨN BUS............................................................................................. 106 6.3 GIAO DIỆN ..................................................................................................... 106 TÓM TẮT .............................................................................................................. 109 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 109 BÀI 7: HỆ THỐNG VÀO/RA – CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀO/RA ................. 110 7.1 HỆ THỐNG VÀO/RA ........................................................................................ 110 7.1.1 Thiết bị ngoại vi ......................................................................................... 111 7.1.2 Các phương pháp định địa chỉ cổng vào/ra ..................................................... 112 7.2 PHƯƠNG PHÁP VÀO/RA DỮ LIỆU ................................................................... 113 7.3 GIAO DIỆN NỐI GHÉP VỚI THIẾT BỊ NGOẠI VI .............................................. 117 7.3.1 Cổng nối tiếp ............................................................................................. 117 7.3.2 Cổng song song ......................................................................................... 118 7.3.3 Giao diện USB và IEEE1394 ......................................................................... 118 TÓM TẮT .............................................................................................................. 119 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................................................... 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 120 IV HƯỚNG DẪN HƯỚNG DẪN MÔ TẢ MÔN HỌC Môn học này cung cấp cho sinh viên những khái niệm tổng quan về Kiến trúc máy tính, chủ yếu nhằm phục vụ cho sinh viên ngành Công Nghệ Thông Tin và ngành Điện tử - Máy Tính. Nội dung môn học nhấn mạnh đến các nguyên tắc, các chủ đề, các phương pháp tiếp cận và giải quyết vấn đề liên quan đến các công nghệ và kiến trúc cơ bản của lĩnh vực này. NỘI DUNG MÔN HỌC  Bài 1: TỔNG QUAN. Giới thiệu các khái niệm cơ bản liên quan đến kiến trúc máy tính và lịch sử hình thành.  Bài 2: BIỂU DIỄN THÔNG TIN TRÊN MÁY TINH. Trình bài các hệ cơ số đếm, cách chuyển đổi giữa các hệ cơ số và các phép toán cơ bản.  Bài 3: ĐẠI SỐ BOOLE VÀ MẠCH SỐ. Cách biến đổi các biểu thức logic và các phương pháp rút gọn. Cách thiết kế một số các mạch số cơ bản sử dụng các cổng logic.  Bài 4: BỘ VI XỬ LÍ. Cấu trúc của CPU. Các thành phần bên trong một máy tính, chức năng, nhiệm vụ và cách hoạt động. Khái quát về vi xử lý 8088/8086.  Bài 5: KIẾN TRÚC BỘ NHỚ MÁY TÍNH. Giới thiệu về cấu tạo, cách hoạt động của các bộ nhớ bán dẫn (bộ nhớ trong) và bộ nhớ ngoài.  Bài 6: HỆ THỐNG BUS. Trình bày về các chuẩn bus giao tiếp trong máy tính.  Bài 7: HỆ THỐNG VÀO RA – CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀO RA. Trình bài tổng thể các hệ thống vào/ra dữ liệu và các phương pháp vào ra dữ liệu giữa hệ thống máy tính và thiết bị ngoại vi. HƯỚNG DẪN V KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ Sinh viên có kiến thức khái quát về máy tính. YÊU CẦU MÔN HỌC Người học phải dự học đầy đủ các buổi lên lớp và làm bài tập đầy đủ ở nhà. CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC Để học tốt môn này, người học cần đọc trước các nội dung chưa được học trên lớp; tham gia đều đặn và tích cực trên lớp; hiểu các khái niệm, tính chất và ví dụ tại lớp học. Sau khi học xong, cần ôn lại bài đã học, làm các bài tập và câu hỏi. Tìm đọc thêm các tài liệu khác liên quan đến bài học và làm thêm bài tập. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC Môn học được đánh giá gồm:  Điểm thi thực hành: 30%. Hình thức và nội dung do GV quyết định, phù hợp với quy chế đào tạo và tình hình thực tế tại nơi tổ chức học tập.  Điểm thi lý thuyết: 70%. Hình thức bài thi tự luận trong 90 phút, không được mang tài liệu vào phòng thi. Nội dung gồm các câu hỏi và bài tập tương tự như các câu hỏi và bài tập về nhà. BÀI 1: TỔNG QUAN 1 BÀI 1: TỔNG QUAN Sau khi học xong bài này, sinh viên có thể: - Nắm được chức năng, cấu trúc cơ bản của máy tính - Nắm được lịch sử hệ thống máy tính. - Nắm được các xu hướng phát triển các hệ thống máy tính hiện đại ngày nay. - Hiểu được mô hình máy tính tiêu chuẩn Von Neumann 1.1 KHÁI NIỆM Kiến trúc máy tính là môn học nhằm cung cấp kiến thức về cấu tạo bên trong của máy tính (CPU, bộ nhớ…), các thành phần ngoại vi và cách hoạt động của hệ thống. Chức năng cơ bản nhất của một hệ thống máy tính đó chính là xử lý (process) các tín hiệu đầu vào (input) và đưa ra các tín hiệu đầu ra (output) phục vụ cho một mục đích xác định (application) nào đó. Ngày nay, cùng với sự phát triển của máy tính cá nhân (desktop và laptop), điện thoại thông minh, cuộc sống của con người ngày càng được “số hóa”, tiện nghi và gần gũi hơn. 1.2 CHỨC NĂNG, CẤU TRÚC Hệ thống máy tính hoạt động dựa trên việc thực hiện tuần tự các lệnh liên tiếp nhau. Tập hợp các lệnh này được gọi là tập lệnh. Người viết các lệnh này theo thứ tự nhất định để thực hiện một ứng dụng được gọi là lập trình viên. Hình 1.1 là mô hình hoạt động của máy tính. Các lệnh được nạp tuần tự vào bộ giải mã lệnh. Bộ giải mã lệnh sẽ tạo ra các tín hiệu điều khiển đi vào từng khối chức năng tương ứng. Các khối này sẽ lấy dữ liệu vào và xử lý. Sau khi xử lý xong sẽ trả về kết quả. 2 BÀI 1: TỔNG QUAN Hình 1.1 Mô hình hoạt động của máy tính Các hệ thống máy tính ngày nay được chia thành 2 loại chính: đa nhiệm và đơn nhiệm. Đa nhiệm là các hệ thống máy tính có thể kiêm nhiệm nhiều chức năng, ví dụ soạn thảo văn bản, xem phim, nghe nhạc, lướt web . . . Đây chính là các máy tính cá nhân (desktop và laptop), điện thoại thông minh. Đơn nhiệm là các hệ thống máy tính chỉ thực hiện một nhiệm vụ duy nhất. Các hệ thống này được gọi chung là hệ thống nhúng (embedded system) và thường có ở trên máy chụp hình, quay phim, máy chiếu, máy giặt, hệ thống điều khiển xe hơi. . . Có 4 khối phần cứng chính trong cấu trúc một hệ thống máy tính tiêu chuẩn là đơn vị tính toán luận lý số học (ALU - Arithmetic Logic Unit), đơn vị điều khiển (CU – Control Unit), bộ nhớ (memory), và đơn vị xuất nhập (I/O – input/output unit). 1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 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, … Việc chuyển từ thế hệ trước sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về công nghệ. Cho đến ngày nay, máy tính đã có những sự phát triển vượt bậc, ứng dụng trong hầu hết các hoạt động của xã hội với rất nhiều chủng loại thế hệ tùy theo công việc. Tuy nhiên kể từ đó đến nay có thể phân máy tính thành các thế hệ sau: Thế hệ zero (1642 – 1945): Là loại máy tính vận hành hoàn toàn bằng cơ khi. Người đầu tiên sáng chế ra máy tính thế hễ này là nhà bác học người Pháp, Blaise Pascal (1623 – 1662), vào năm BÀI 1: TỔNG QUAN 3 1942 khi ông mới 19 tuổi. Máy tính này được vận hành bằng tay, truyền động qua các kết cấu cơ khí (đòn bẩy, bánh răng) và chỉ làm được các phép toán cộng và trừ. Sau đó khoảng 30 năm, nhà toán hoc Đức Von Leibniz (1646 – 1761) đã chế tạo một máy tính cơ học khác có thể thực hiện thêm được cả phép nhân và phép chia. Ý tưởng về một máy tính số hoàn chỉnh ra đời năm 1834. Khi đó một nhà toán học người Anh tên là Charles Babbage (1792 – 1871) đã chế tạo ra một máy tính gọi là Analytical Engine. Máy tính của ông gồm có bốn bộ phận là: khối nhớ, khối tính toán, khối thiết bị vào (máy đọc card đục lỗ) và khối thiết bị ra (máy in hoặc máy đục lỗ). Bộ nhớ của Analytical Engine gồm 1000 từ, mỗi từ có 50 chữ số thập phân để chứa các giá trị biến và các kết quả tính toán. Khối tính toán có thể nhận các toán hạn từ khối nhớ, thực hiện các phép tính cộng, trừ, nhân hoặc chia và cất kết quả tính vào khối nhớ. Mặt dù, Analytical Engine hoạt động hoàn toàn bằng cơ khí, nhưng ở đây đã bắt đầu xuất hiện khái niệm về hoạt động theo chương trình. Nó đọc các lệnh từ card đục lỗ và thực hiện chúng. Một số lệnh thực hiện việc đọc các toán hạng từ khối nhớ đưa về khối tính toán để thực hiện phép tính sau đó cất kết quả vài khối nhớ; một số lệnh khác kiểm tra kết quả tính toán để thực hiện phép tính đó cất kết quả vào khối nhớ; một số lệnh khác kiểm tra kết quả tính để quyết định chiều hướng rẽ nhánh chương trình. Hình 1.2 Máy tính Analytical Engine 4 BÀI 1: TỔNG QUAN Thế hệ 1: (1946 – 1957): Năm 1943, John Mauchley và các học trò của ông đã chế tạo ra chiếc máy tính điện tử đầu tiên ở Mỹ - máy tính được đặt tên là ENIAC (Electronic Numerial Itergrator And Calculator). Đây là một máy tính khổng lồ, nó gồm 18.000 đèn điện tử, 1.500 rơ le, nặng 30 tấn, có chiều dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét, công suất điện tiêu thụ 140KW. 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. Chiếc máy này mục đích phục vụ quân đội trong chiến tranh thế giới thứ 2 nhưng đến năm 1946 nó mới hoàn thành. Hình 1.3 Máy tính ENIAC Chiếc máy tính tiếp theo sử dụng bóng đèn chân không là Colossus của Anh (hình 1.4). Chiếc máy này được chế tạo vào năm 1943. Tác giả của nó là Alan Turing. Chiếc máy này được xem là thế hệ đầu tiên của những chiếc máy tính hiện đại ngày nay. BÀI 1: TỔNG QUAN 5 Hình 1.4 Máy tính Colossus và Alan Turing Đặc trưng của bóng đèn chân không là công suất tiêu thụ lớn, hiệu suất thấp, tuổi thọ ngắn. Đây chính là những khuyết điểm của máy tính thời kỳ này. Thế hệ thứ hai (1958 – 1964) Máy tính thế hệ II đã khắc phục được những khuyết điểm của bóng đèn chân không bằng cách sử dụng transistor thay thế (transistor cấu tạo từ chất bán dẫn). Thế hệ này nổi tiếng nhất là 2 máy PDP-1 (đây là sản phẩm đầu tiên của DEC) và IBM 7094 (hình 1.5). Đèn bán dẫn hay transistor nhỏ hơn, rẻ hơn, khả năng tích hợp cao (trọng lượng và thể tích máy nhỏ lại), tỏa nhiệt ít hơn và rất bền. Đây là những ưu điểm chính của chất bán dẫn và nó được sử dụng cho đến các thế hệ máy tính hiện đại sau này. Hình 1.5 IBM 7094 (1962) 6 BÀI 1: TỔNG QUAN 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) Máy tính thế hệ III đã phát triển khả năng của chất bán dẫn và bắt đầu sử dụng vi mạch tích hợp (Integrated Circuit). Tiêu biểu cho dòng này chính là chiếc IBM 5100 ra đời vào năm 1975 (hình 1.6). Chiếc máy tính này cũng hình thành nên khái niệm máy tính cá nhân (Personal Computer). 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. Hình 1.6 IBM 5100 (1975) Năm 1976, Apple I ra đời với 4K RAM (hình 1.7). Hình 1.7 Apple I, Steve Jobs và Steve Wozniak BÀI 1: TỔNG QUAN 7 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. Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor). 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, … Các sản phẩm chính của công nghệ VLSI: - Bộ vi xử lý (Microprocessor): CPU được chế tạo trên một chíp. - Vi mạch điều khiển tổng hợp (chipset): một hoặc một vài vi mạch thực hiện được nhiều chức năng điều khiển và nói ghép. - Bộ nhớ bán dẫn (Semiconductor Memory): ROM, RAM - Các bộ vi điều khiển (Microcontroller): máy tính chuyên dụng được chế tạo trên một chíp. Máy tính thế hệ IV chính là các máy tính hiện đại ngày nay. Năm 1981, máy IBM PC trên cơ sở CPU Intel 8088 và dùng hệ điều hành MS-DOS của Microsoft ra đời (hình 1.8). Hình 1.8 IBM PC Các máy tính hiện đại ngày nay đều theo xu hướng đơn giản hóa, đẹp hơn, bền hơn và khả năng di động cao. Đặc trưng cho các dòng máy hiện nay chính là các dòng AiO (All in One) và máy tính bảng (Tablet) (hình 1.9). 8 BÀI 1: TỔNG QUAN Hình 1.9 ASUS Transformer AiO và iPAD Xu hướng tương lại Việc chuyển từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ năm 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 năm 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. Tính đê Một hướng của máy tính thế hệ tiếp theo chính là các robot thông minh có khả năng cũng như hình dáng giống con người, có thể thực hiện các hành vi như của con người. Tiêu biểu cho dòng này chính là robot ASIMO của Honda (hình 1.10). Một hướng khác chính là các máy tính được tích hợp vào trong một tòa nhà, một căn hộ theo mô hình Smarthome (hình 1.11). Và hướng cuối cùng chính là các máy tính lượng tử với khả năng thực hiện hàng loạt các phép tính phức tạp trong cùng 1 lúc (thay vì từng phép tính một như các máy thông thường). Hình 1.10 ASIMO BÀI 1: TỔNG QUAN 9 Hình 1.11 Mô hình Smarthome Các tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSO 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 tạo nên 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 các máy tính xử lý song song. 1.4 KIẾN TRÚC VON-NEUMANN Hình 1.12 là kiến trúc máy tính tiêu biểu theo mô hình Von Neumann. Trong mô hình này có đủ các thành phần cơ bản như bộ nhớ, ALU, CU, I/O. Máy tính hiện đại ngày nay được thiết kế dựa trên mô hình Von Neumann. Nguyên lý cơ bản của mô hình này như sau: Nguyên lý điều khiển bằng chương trình: máy tính thực hiện một công việc theo chương trình được đưa vào bộ nhớ. Nguyên lý này đảm bảo khả năng thực hiện tự động để giải quyết một bài toán của máy tính điện tử. Nguyên lý truy cập qua địa chỉ: đữ liệu trong chương trình không chỉ định bằng giá trị mà thông qua địa chỉ trong bộ nhớ. Nguyên lý đảm bảo tính mềm dẻo của 10 BÀI 1: TỔNG QUAN chương trình, có thể thể hiện thuật toán không phụ thuộc vào các giá trị phát sinh trong chương trình. Kiến trúc Von-Neumann nói trên chính là kiến trúc máy tính thực hiện phù hợp với nguyên lý Von Neumann Hình 1.12 Mô hình Von Neumann 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 Máy tính gồm CPU, Memory, I/O. CPU gồm: - Thanh ghi (regiser) - ALU (Arithmetic Logical Unit) - CU (Control Unit) BÀI 1: TỔNG QUAN 11 Đặc điểm: - Thực hiện lần lượt từng lệnh một - Tốc độ chậm Còn được gọi là kiến trúc SISD (Single Instruction Stream – Single Data Stream) Một số nhược điểm của mô hình Von Neumann: - Dữ liệu và lệnh được lưu trữ cùng trong một bộ nhớ dễ gây ra hiện tượng nghẽn cổ chai. - Không có sự phân biệt rõ ràng giữa dữ liệu và lệnh trong bộ nhớ. - Không phù hợp với các ngôn ngữ lập trình cấp cao sử dụng mảng đa chiều, danh sách liên kết. - Không thể phân biệt kiểu dữ liệu (kiểu biến) được lưu trữ trong bộ nhớ. 12 BÀI 1: TỔNG QUAN TÓM TẮT Lịch sử máy tính - Thế hệ máy tính đầu tiên là máy tính cơ khi - Tiếp theo có 4 thế hệ máy tính cho đến ngày nay. - Máy tính thế hệ I sử dụng bóng đèn chân không. - Máy tính thế hệ II sử dụng transistor (chất bán dẫn) - Máy tính thế hệ III sử dụng vi mạch tích hợp. - Máy tính thế hệ IV tương tự như các máy tính hiện đại ngày nay, có CPU và hệ điều hành. - Thế hệ máy tính tương lai có rất nhiều hướng phát triển. - Giới thiệu mô hình Von Neumann và nhược điểm CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Câu 1: Hãy tóm tắt quá trình phát triển của các hệ thống máy tính. Câu 2: Mục đích của hệ thống máy tính đầu tiên (thế hệ I) ra đời là gì? Câu 3: Vẽ mô hình máy tính Von Neumann và trình bày khuyết điểm của mô hình này.
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan

thumb
Văn hóa anh mỹ...
200
20326
146