Kiến trúc máy tính

ĐH Sư phạm Kỹ thuật Vinh

5 August 2010

Nội dung

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH

KHOA ĐIỆN TỬ

Bài giảng

1.
2.

Kiến trúc máy tính

3.

Computer Organization And Architecture

Giới thiệu
Bộ vi xử lý
Ghép nối máy tính với các T.Bị

Tài liệu tham khảo:
[1]. Nguyễn Đình Việt, Kiến trúc máy tính, NXB Giáo dục, 2000
[2]. Võ Văn Chín, BG Kiến trúc máy tính, ĐH Cần thơ, 1997
[3]. Trần Thị Kim Huệ, BG Kiến trúc máy tính, ĐH Sư phạm Hà Nội, 2008
[4]. Trần Quang Vinh, Cấu trúc máy tính, NXB Giáo dục, 2003
[5]. M. Morris Mano (Atmiya Infotech), Computer Organization & Architecture, E-book
[6]. MIT, Computer System Architecture, 2005, OpenCourseWare

TS. Lê Thế Vinh

5 August 2010

1

5 August 2010

1. Giới thiệu

2

1. Giới thiệu

1.1. Kiến trúc máy tính

1.1. Máy tính

+ Kiến trúc máy tính nói về thiết kế, các khái niệm, cấu trúc hoạt
động căn bản của một hệ thống máy tính (wiki)

Personal Computer -PC

+ "Computer Systems and Architecture" is a study of the
evolution of computer architecture and the factors
influencing the design of hardware and software elements of
computer systems. Topics may include: instruction set
design; processor micro-architecture and pipelining; cache
and virtual memory organizations; protection and sharing;
I/O and interrupts; in-order and out-of-order superscalar
architectures; VLIW machines; vector supercomputers;
multithreaded architectures; symmetric multiprocessors; and
parallel computers. (MIT)
5 August 2010

3

5 August 2010

1. Giới thiệu

4

1. Giới thiệu

1.1. Máy tính

1.1. Máy tính

Vector supercomputers

Symmetric multiprocessors

5 August 2010

L.T.Vinh

5

5 August 2010

6

1


5 August 2010

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu

1.1. Máy tính


Computer
CPU
System
interconnection

Computer

Main
memory

I/O
unit

CPU
Registers

Sơ đồ khối

ALU
Internal CPU
Interconnection

CU

CU
Sequencing
logic

Parallel computers
5 August 2010

Control
memory

7

5 August 2010

8

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu



7 lớp chức năng

+

+

9

5 August 2010

10

1. Giới thiệu

+

+

+

+

5 August 2010

L.T.Vinh


Mức transistor và dây
nối
Là mức thấp nhất của
kiến trúc chức năng của
máy tính.
Các ống bán dẫn là
thành phần tích cực
chính cùng với mạch
nối dây tạo nên các
mạch logic số ở mức
trên



5 August 2010

CU register &
decoders

1. Giới thiệu


Mức mạch logic số
Các mạch logic số thực
hiện các hàm logic cơ bản
của đại số Boolean
Là các mạch cổng:
AND,OR, XOR, NOT…
Mạch chốt, mạch mã
(Coder), mạch giải mã
(Decoder).
Mạch phần tử nhớ
(Flip_Flop)




Mức mạch logic số: Ví dụ
Collector

Base High (+5v hay 1): Tạo kết nối
Base Low (0v hay 0): Ngắt kết nối
50 tỉ transistor trên một chip 1cm2

Base
Switch

11

5 August 2010

Emitter

12

2


5 August 2010

1. Giới thiệu


1. Giới thiệu





Để thiết kế các IC: Ta dùng các thành phần logic
gọi là cổng (gate)
Cổng được chế tạo từ một hoặc nhiều transistor tùy
theo công nghệ chế tạo
Ta có các cổng AND, OR, NOT, NAND, NOR,
XOR, Mạch giải mã, mạch mã hóa, mạch ưu tiên,
mạch dồn, mạch phân, mạch cộng toàn phần, mạch
lật SR

1.

_
A

A

2.

Input
Input High (+5v or 1) Output Low (0v or 0)
Input Low (0v or 0) Output High (+5v or 1)
Ground Output ngược lại với Input
5 August 2010

13

3.

5 August 2010

14

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu


Mức kiến trúc vi mô
Bao gồm các khối chức
năng như đơn vị số học
logic
Ví dụ: ALU, thanh ghi (khối
thanh ghi), tệp thanh ghi
(Register file).
Các bộ nhớ: Cache (Bộ nhớ
đệm), Main (ROM, RAM).
Các đường dẫn thông tin
(Bus bên trong)
Đơn vị điều khiển CU


+

+

+

+

+
5 August 2010


+

+
©

©

©
©

15




16


+

CHẲNG HẠN TẬP LỆNH GỒM:
1 - Gán trị
2 - Lệnh có điều kiện
3 - Vòng lặp
4 - Thâm nhập bộ nhớ ngăn xếp
5 - Các thủ tục

+
+
+

VD: Bật đèn LED

5 August 2010

L.T.Vinh

Mức kiến trúc tập lệnh
Xác định giao tiếp phần
mềm_phần cứng mà người lập
trình nhìn nhận được ở mức
ngôn ngữ máy
ISA bao gồm:
Tập lệnh máy (Instructions
Set)
Kiểu lấy địa chỉ (Addressing
Models)
Khuôn dạng dữ liệu (Format)
Các nguyên tắc vận hành
(Operation prescripts)

1. Giới thiệu

Mức kiến trúc tập lệnh: Ví dụ

ORG
MOV
MOV
CLR
END


5 August 2010

1. Giới thiệu


Mạch tổ hợp

Cổng NOT

+5
v Output


2000h
SP,#50h
PSW,#0 ; Bank 0
P1.3
; Led on

+

17

5 August 2010


Hệ điều hành
Bộ nhớ ảo (Virtual
Memory)
BIOS: Hệ thống vào ra cơ
bản
Các lệnh ảo, máy tính ảo
mô phỏng quá trình xử lý
Quản lý các các quá trình
(Process)
Tập lệnh ảo để kết nối
mạng hay xử lý song song

18

3


5 August 2010

1. Giới thiệu

+
+

+

1. Giới thiệu


Hợp ngữ
Là ngôn ngữ máy phụ thuộc
vào phần cứng
Dạng ký tự tượng trưng của
ngôn ngữ máy dùng với một số
vi lệnh (Micro Instruction) và
các thủ tục (Procedure)
Các chương trình viết ở dạng
hợp ngữ có thể can thiệp vào
phần cứng của máy tính

Hợp ngữ: Ví dụ



Ví dụ:
ORG 2000H
Ngôn ngữ
MOV SP,#50H
lập trình
MOV PSW,#00H
CLR P1,00H
; LED on
; SETB
P1,0FH ;LED off
END

5 August 2010

19

5 August 2010

20

1. Giới thiệu


+

1. Giới thiệu


Ngôn ngữ hướng đối tượng,
hướng bài toán ứng dụng
Là các ngôn ngữ bậc cao C,
C++,Pascal...
Các ngôn ngữ mô tả: HTML,
XML…
Các ngôn ngữ thủ tục (scripts):
Java scripts, Visual Basic, C#...



5 August 2010

1.
2.

Sù kiÖn (Event)

3.

21

§èi t-îng (Object)

Thuéc tÝnh (Properties)
Ph-¬ng thøc (Method)

5.

+

Líp (Class)

5 August 2010

1. Giới thiệu







L.T.Vinh

22

1. Giới thiệu

Trao đổi

5 August 2010


Ngôn ngữ hướng đối tượng: Ví dụ

4.

+


23

5 August 2010

Mô hình kiến trúc
máy tính

Các máy tính điện tử số
thường có 2 loại kiến
trúc
Von Neumann
Harvard

24

4


5 August 2010

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu

1.2. Các thế hệ máy tính

Máy tính ENIAC

Sự phát triển của máy tính chia ra 4 thế hệ: 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,…- đặc trưng bằng một sự thay
đổi cơ bản về công nghệ

(Electronic Numerical Integrator and
Computer)

Tg xây dựng: 1943-1946,
được sử dụng đến 1955 (thầy
trò Eckert và Mauchly, ĐH
Pennsylvania, USA)
Đặc điểm chính:
- Nặng 30 tấn, V~160m3
(20x2x2m) và P= 140kW.
- 5000 nghìn phép cộng/s.
- Sử dụng hệ thập phân.
- Lập trình bằng công tắc.
- Sử dụng 18000 bóng đèn => Sau đó: GS toán học John Von Neumann đã
điện tử (vacuum tubes)
đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính IAS (Princeton
Institute for Advanced Studies)

• Thế hệ 1: (1946-1955) Máy tính dùng đèn chân không
(Vacumm Tube)
• Thế hệ 2: (1955-1965) Máy tính dùng Transitor
• Thế hệ 3: (1966 – 1980) Máy tính dùng mạch tích hợp IC
(Intergrated Circuit)
• Thế hệ 4: (1980 - nay) Máy tính dùng mạch tích hợp cực lớn
VLSI (Very Large Scale Intergrated )
5 August 2010

25

5 August 2010

1. Giới thiệu

26

1. Giới thiệu


Máy tính Harvard
Tách

bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ
chương trình=> CPU có thể vừa đọc
một lệnh, vừa truy cập dữ liệu từ bộ
nhớ cùng lúc.
Bus riêng để truy cập vào bộ nhớ
dữ liệu và bộ nhớ chương trình.
Các bus điều hành độc lập
Chạy nhanh hơn, bởi vì nó có thể
thực hiện ngay lệnh tiếp theo khi
vừa kết thúc lệnh trước đó.

Máy tính Von Neumann
• Máy tính IAS
• Máy có mô hình cơ bản là máy tính này nay
• Thế kế 1947 hoàn thành 1952
5 August 2010

27

5 August 2010

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu


Máy tính thế hệ 4 (1980- nay):
• Các sản phẩm của công nghệ VLSI(Very Large Scale
Integrated)
• Bộ vi xử lý được chế tạo trên một con chip
• Vi mạch điều khiển tổng hợp (Chipset)
• Bộ nhớ bán dẫn độc lập( ROM, RAM) thiết kế thành Module
• Các bộ vi điều khiển chuyên dụng.
• Bộ vi xử lý đầu tiên của Intel 4004 năm1971
• Bộ xử lý được coi hoàn thiện nhất là 8088/8086 năm
1978,1979 đây được coi là ngày sinh nhật của các máy tính sau
này

So sánh:
Mô hình kiến trúc
Harvard
và Von Neumann?

5 August 2010

L.T.Vinh

28

29

5 August 2010

30

5


5 August 2010

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu


5 August 2010


31

5 August 2010

1. Giới thiệu

32

1. Giới thiệu



Intel 8088 (1979)
This is the chip used in the
first PC. It was 16-bit, but
it talked to the cards via a
8-bit connection. It ran at a
whopping 4 MHz and
could address only 1 MB of
RAM.

5 August 2010

Intel 80286 (1980)
A 16-bit processor capable of
addressing up to 16 MB of RAM.

33

5 August 2010

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu



386 (1988)

Intel 486 (1991)
The 486 initially ran at clock speeds of
25 MHz (SX only) and 33 MHz. As it
was developed the 486 was enhanced
with a clock doubled processor core
(486 DX-2) allowing it to run at speeds
of 50, 66 and 75 MHz, and then tripled
(DX-4) which ran up to 100 MHz.

It could only access 16 megabytes of memory.
The 386 processor was manufactured in many
different versions and ran at speeds from 16
Mhz through to 40 Mhz.

5 August 2010

L.T.Vinh

34

35

5 August 2010

36

6


5 August 2010

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu


Một số đặc điểm của VXL Intel

Tên thương mại là, không hàm ý nghĩa gì khác ngoài
pent tiếng Hy lạp là số 5

Intel Pentium
This was the first Intel
processor not to use the
x86 naming system.

5 August 2010

37

5 August 2010

1. Giới thiệu

38

1. Giới thiệu


1.3. Phân loại máy tính
Phân loại theo phương pháp truyền thống
• Máy vi tính ( Microcomputer)
• Máy tính nhỏ (Minicomputer)
• Máy tính lớn (Mainframe Computer)
• Siêu máy tính (Super Computer)
•Phân loại theo phương pháp hiện đại
• Máy tính để bàn (Desktop Computer)
• Máy chủ (Servers)
• Máy tính nhúng (Embedded Computer)

5 August 2010

39

5 August 2010

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu



Máy để bàn:
• là loại máy thông dụng nhất hiện nay.
• bao gồm máy tính cá nhân (PC: Persional Computer) và trạm
(Workstation Computer).
• giá mua 100$ đến 10.000$
Máy chủ
• là máy phục vụ(server)
• dùng trong mạng theo mô hình Clent/Server
• có tốc độ, hiệu năng, bộ nhớ và độ tin cậy cao
• giá vài chục nghìn đến vài chục triệu đô

5 August 2010

L.T.Vinh

40

Máy tính nhúng
• được đặt trong nhiều thiết bị khác nhau để điều khiển
thiết bị làm việc
• được thiết kế chuyên dụng
• ví dụ: điện thoại di động, bộ điều khiển các thiết gia
đinh, Router định tuyến,…

41

5 August 2010

42

7


5 August 2010

Nội dung

1. Giới thiệu
1.4. Thông tin và sự mã hóa

Giới thiệu
Bộ vi xử lý

1.
2.
3.


5 August 2010

43

Một số khái niệm
- Thông tin: được hiểu là nội dung chứa
đựng bên trong một sự kiện
- Tín hiệu: mô tả các biểu hiện vật lý của
tin tức
t/h tương tự: liên tục cả về biên độ
và thời gian
t/h số: gián đoạn cả về biên độ và
thời gian
5 August 2010

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu


a) Hệ đếm
Hệ 2, hệ 10, hệ 16 v.v.
Ví dụ:

a) Hệ đếm





Hệ thập phân, cơ số 10 (Decimal System): Con người sử
dụng
Hệ nhị phân, cơ số 2 (Binary System): Máy tính sử dụng
Hệ mười sáu, cơ số 16 (Hexadecimal System): Dùng để
viết gọn số nhị phân

5 August 2010

(1011)2 = 1x23 + 0x22 + 1x21 + 1x20 = 8 + 2 + 1 =11
(4F)16 = 4FH = 4x161 + 15x160 = 64 + 15 = 79

45

5 August 2010

1. Giới thiệu

L.T.Vinh

46

1. Giới thiệu

a) Hệ đếm
Để đổi một số X hệ 10 sang hệ cơ số a (Y),
ta chia liên tiếp X cho a, ghi lại số dư b0, b1,
..., bn, khi đó Y=bn ... bi... b1b0

5 August 2010

44

b) Mã hóa (do con người định nghĩa, quy định)
Ví dụ: Mã ASCII, mã BCD, mã nhị phân v.v
Mã ASCII dùng 8 bit (binary digit) để mã hoá
256 ký tự
số 5 có mã ASCII là 35H = 0011 0101
Mã BCD dùng 4 bit để mã hoá 1 chữ số thập
phân
số 73 có mã BCD là 0111 0011
Mã nhị phân dùng n bit để mã hoá 2n phần tử
tin tức
47

5 August 2010

48

8


5 August 2010

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu



5 August 2010

49

5 August 2010

50

1. Giới thiệu

1. Giới thiệu




Mã hoá và lưu trữ dữ liệu trong máy tính

16 chữ số: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9, A,B,C,D,E,F
Dùng để viết gọn cho số nhị phân: cứ một nhóm 4 bit
sẽ được thay thế bằng 1 chữ số Hexa

Nguyên

tắc chung về mã hoá dữ liệu
Mọi dữ liệu đưa vào máy tính đều được mã hoá thành số nhị
phân
Độ dài từ dữ liệu (word)
Độ dài từ dữ liệu là số bit được sử dụng để mã hoá loại dữ
liệu tương ứng
Thường là bội của 8 bit
VD: 8, 16, 32, 64 bit
8 bits = 1 Byte (1 keyboard character)
1,024 bytes = 1 Kilobyte (1K) = 210 characters
1,024 K = 1 Megabyte (MB) = 220 characters
1,024 MB = 1 Gigabyte (GB) = 230 characters

5 August 2010

51

5 August 2010

Biểu diễn số nguyên

Byte, bit MSB, LSB và trạng thái 0, trạng thái 1
MSB



LSB

+
+

8 Bits = 1 Byte

52


+
+

Với một Byte/Word
1 bit MSB (Most Significant Bit): là bit cuối cùng bên trái (bit 7
đối với Byte, và 15 với Word).
1 bit LSB (Least Significant Bit): ngược lại, nằm cuối cùng bên
phải
Biểu diễn một số nguyên dùng hết 1 word (16 bits) mà không
cần sử dụng bit xác định dấu.
Số nguyên lớn nhất ta có là 1111 1111 1111 1111 = 65535. LSB
mang giá trị 0 cho số chẵn và 1 cho số lẻ
Đối với số nguyên có dấu, sử dụng msb làm bit xác định dấu (0:
Dương). Giá trị này lưu trên máy tính dạng số bù 2 (với số âm).

On
ON bits are said to be in a 1 state
OFF bits are said to be in a 0 state
5 August 2010

L.T.Vinh

Off
53

5 August 2010

54

9


5 August 2010

Vì sao bù 2 là biểu diễn số âm?

Số bù 1 và bù 2
* Số bù 1: Là kết quả phép đảo bits.
0000 0000 0000 0101
Bù 1: 1111 1111 1111 1010
 Số bù 2: Kết quả phép cộng số bù 1 và 1
 Bù
1:
1111
1111
1111
1010
+
1
 Bù
2:
1111
1111
1111
1011







55

5 August 2010

1 ký tự theo bảng mã ASCII
 ‘a’  97 = 61Hex = 01100001
 ‘A’  65 = 41Hex = 01000001
 Ví dụ cho dạng byte 10111000
 Số nguyên không dấu tương ứng
 10111000 = 128 + 32 + 16 + 8 = 184
 Số nguyên có dấu (xét bit dấu = bit 7 = 1)
 Lấy bù:
01000111
+
1
01001000 = 64 + 8 = 72
Số nguyên có dấu là: -72
Nhận xét: 256 – 184 = 72

 Có giá trị từ 0  28-1=255
Số nguyên có dấu

7

6

5

4

3

1

0

0: Số dương

bit dấu



2

1: Số âm


Có giá trị từ: -27  27-1 (-128 127)

57

5 August 2010

1.4. Thông tin và sự mã hóa – Ví dụ

5 August 2010

58


Dạng word – 16 bit



56



Có thể biểu diễn dạng:
 Số nguyên không dấu 8bit



5 August 2010


Dạng byte – 8 bit


Lấy con số gốc + bù 2 = 0
msb sẽ bị mất do word chỉ có khả năng lưu giá
trị 16 bits.
Nếu ta lấy bù 2 thêm lần nữa sẽ cho ra giá trị
gốc.
Biểu diễn dạng không dấu đơn giản chỉ là phép
tính chuyển cơ số.
Dạng có dấu chuyển tính dưới dạng bits, lấy
bù 2.

Có thể biễu diễn dạng:
 Số nguyên không dấu 16bit:



 Có giá trị: 0  216-1=65535
Số nguyên có dấu 16bit
15

14 13 12

11

10

9

8

8 bit cao (byte cao)

7

6

5

4

3

2

1

0

8 bit thấp (byte thấp)

bit dấu = bit cao nhất = bit 15



 Có giá trị: -215215-1 (-3276832767)
word = (byte cao)x28 + (byte thấp)

5 August 2010

L.T.Vinh

59

5 August 2010

60

10


5 August 2010

1. Bộ mã ASCII

61

5 August 2010

5 August 2010

62

63

5 August 2010

64

Các ví dụ
Ví dụ 1:
 Biểu diễn các số nguyên có dấu sau
đây bằng 8 bit: A = +58 ; B = -80

5 August 2010

1. Giới thiệu
1.5. Mạch logic cơ bản
Hµm logic

PhÇn tö logic

B¶ng Ch©n lý

1/ NOT

2/ AND

3/ OR
4
5 August 2010

L.T.Vinh

65

5 August 2010

66

11


5 August 2010

3- C¸c phÐp to¸n, phÇn tö logic c¬ b¶n

Cổng AND
+5v



Input-1


Output là 1 nếu và chỉ nếu
 Input-1 là 1 và
 Input-2 là 1
Output = Input1 AND
Input2

4/ NAND
5/ NOR
7/ Hµm
t-¬ng

A
B

Hµm logic

6/ XOR

AND Gate
Input-2

PhÇn tö logic

®-¬ng

AB

Output

5
67

5 August 2010

68

5 August 2010

4- BiÓu diÔn hµm logic b»ng s¬ ®å
Mét sè vÝ dô:

Bé céng 2 sè nhÞ ph©n 1 bit
6
69

5 August 2010

15b
70

5 August 2010

1. Giới thiệu
1.6. Liên kết hệ thống
niệm chung về bus: Là tập hợp các đường kết nối
dùng để vận chuyển thông tin giữa các thành phần của
máy tính với nhau.
Độ rộng bus: Là số đường dây của bus có thể truyền
các bit thông tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa chỉ và
bus dữ liệu)
Phân loại cấu trúc bus:
Cấu trúc đơn bus
Cấu trúc đa bus
Khái

Bé so s¸nh 2 sè nhÞ ph©n 1 bit
15c
5 August 2010

L.T.Vinh

71

5 August 2010

72

12


5 August 2010

Minh họa hệ thống Bus

Bus đồng bộ và bus không đồng bộ

+
+


+
+

Bus đồng bộ
Bus có đường tín hiệu Clock
Các sự kiện trên bus được xác định bởi
xung nhịp Clock.
Bus không đồng bộ
Không có đường tín hiệu Clock
Kết thúc một sự kiện này trên bus sẽ
kích hoạt cho một sự kiện tiếp theo.
73

5 August 2010

Bus dữ liệu

Bus địa chỉ




Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác định ngăn nhớ
hay cổng vào-ra.
Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng bộ nhớ cực
đại của hệ thống.

75

5 August 2010





Chức năng: vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU vận
chuyển dữ liệu giữa CPU, các môđun nhớ và môđun
vào-ra.
Độ rộng bus dữ liệu: xác định số bit dữ liệu có thể
được trao đổi đồng thời.


+

+

Chu kỳ bus

Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển
Các loại tín hiệu điều khiển
Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển
môđun nhớ và môđun vào-ra
Các tín hiệu từ môđun nhớ hay môđun vào-ra
gửi đến yêu cầu CPU.






+
+

5 August 2010

L.T.Vinh

76

5 August 2010

Bus điều khiển


74

5 August 2010

77

Mỗi chu kỳ bus là 1 tác vụ xảy ra trên bus để truyền tải
data.
Mỗi lần CPU cần lệnh (hoặc data) từ bộ nhớ hoặc I/O,
chúng phải thực thi 1 chu kỳ bus để có được thông tin
hoặc ghi thông tin ra bộ nhớ hoặc ra I/O.
Mỗi chu kỳ bus gồm 2 bước :
Bước 1 : gửi địa chỉ
Bước 2 : truyền data từ địa chỉ đã được định vị.

5 August 2010

78

13


5 August 2010

Chu kỳ Bus

+
+
+
+




Chu kỳ Bus

4 chu kỳ bus cơ bản :
Đọc bộ nhớ (memory Read)
Ghi bộ nhớ (memory Write)
Đọc I/O (I/O Read)
Ghi I/O (I/O Write)
Các tín hiệu cần thiết để thực hiện các chu kỳ bus được sinh ra
bởi CPU hoặc DMA Controller hoặc bộ làm tươi bộ nhớ
Mỗi chu kỳ Bus đòi hỏi tối thiểu trọn vẹn 2 xung đồng hồ hệ
thống.
Đây là mốc tham chiếu theo thời gian để đồng bộ hoá tất cả các
tác vụ bên trong máy tính.
79

5 August 2010

Nội dung

Chu kỳ Bus






80

5 August 2010

Xung đầu tiên gọi là Address time, địa chỉ truy
xuất sẽ được gửi đi cùng với tín hiệu xác định loại
tác vụ sẽ được thực thi (đọc/ghi/đến mem/đến
I/O).
Cuối xung thứ 2, CPU sẽ kiểm tra đường tín hiệu
Ready. Nếu thiết bị cần truy xuất sẵn sàng đáp
ứng tác vụ, thiết bị này sẽ kích 1 tín hiệu lên đường
Ready để báo cho CPU biết và chu kỳ bus hoàn tất.

Bộ vi xử lý:
1. Cấu trúc phần mềm
2. Thi hành lệnh
3. Tập lệnh

Khi 1 thiết bị không sẵn sàng, không có tín hiệu
trên đường Ready, CPU phải chờ, có thể phải tiêu
tốn thêm 1 hay nhiều xung clock

81

5 August 2010

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

82

2. Bộ vi xử lý

2.1. Kiến trúc phần mềm – ghi chú về phần cứng

Chương trình, bộ nhớ,thanh ghi,ngăn xếp
+Thanh ghi dữ
liệu:AX 16 bit
(AH, AL), BX,
…
+Thanh ghi
đoạn: CS, DS,
SS, ES
+ Th. Ghi con
trỏ và chỉ số:
SP (ngăn xếp),
BP, IP, SI, DI

5 August 2010

L.T.Vinh

Cấu trúc của một hệ máy tính đơn giản

83

5 August 2010

84

14


5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

2. Bộ vi xử lý

2.1. Kiến trúc phần mềm

2.2. Thi hành lệnh
Chu trình lệnh

Kiến trúc phần mềm của bộ xử lý, bao gồm: tập lệnh,
dạng các lệnh và các kiểu định vị.
+ Tập lệnh là tập hợp các lệnh mã máy (mã nhị phân)
hoàn chỉnh có thể hiểu và được xử lý bới bộ xử lý
trung tâm, thông thường các lệnh trong tập lệnh
được trình bày dưới dạng hợp ngữ. Mỗi lệnh chứa
thông tin yêu cầu bộ xử lý thực hiện, bao gồm: mã
tác vụ, địa chỉ toán hạng nguồn, địa chỉ toán hạng
kết quả, lệnh kế tiếp.
+ Kiểu định vị chỉ ra cách thức thâm nhập toán hạng.
5 August 2010









85

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

5 August 2010

CPU thực hiện lệnh theo từng bước

86

Minh họa quá trình nhận lệnh

Bước 1
 Đọc lệnh tiếp theo vào bộ nhớ chính vào thanh ghi
lệnh IR (Lệnh IR nằm trong bộ nhớ chính)
Bước 2
 Thay đổi bộ đếm chương trình để trỏ tới lệnh tiếp
theo
MOV A, (M)
ADD A, (M+)
Bước 3
 Giải mã lệnh: CPU xác định kiểu lệnh đọc vào bộ nhớ

5 August 2010

87

88

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý
CPU thực hiện lệnh theo từng bước

2.3. Tập lệnh

Bước 4
 Nếu lệnh sử dụng một từ trong một bộ nhớ phải xác
định xem từ đó nằm ở đâu
Bước 5
 Nếu tồn tại, đọc từ đó vào một thanh ghi bên trong
CPU, đa phần đọc vào thanh ghi A
Bước 6
 Thực hiện lệnh
Bước 7
 Cất giữ kết quả lệnh
Bước 8
 Quay lại bước đầu tiên

5 August 2010

L.T.Vinh

89

Giới thiệu chung
+ Mỗi bộ xử lý có tập lệnh xác định.
+ Một tập lệnh thường có vài chục đến vài nghìn lệnh
+ Mỗi lệnh là chuỗi nhị phân mà bộ xử lý có thể phân tích và
hiểu để thực hiện thao tác mà lệnh đó yêu cầu.
+ Các lệnh khi viết được ánh xạ ra thành các ký hiệu gợi nhớ.
ADD, MOV, IN, OUT, SHL, ROL,…
+ Giống câu lệnh của hợp ngữ (Lập trình ASSEMBLY)

5 August 2010

90

15


5 August 2010

Các kiểu thao tác

Các lệnh chuyển dữ liệu
+

Thao tác chuyển dữ liệu
Thao tác xử lý số học và logic
Thao tác vào ra dữ liệu qua cổng
Thao tác điều khiển rẽ nhánh
Thao tác điều khiển hệ thống
Thao tác xử lý số dấu chấm động
Thao tác chuyên dụng khác: xử lý ảnh, âm thanh,
tiếng nói,…

•
•
•
•
•
•
•

+
+
+
+
+

91

5 August 2010

Một số lệnh

+

+
+
+
+

+
+
+
+
+

Các lệnh số học
Lệnh ADD: cộng
Lệnh SUB: trừ
Lệnh MUL: nhân
Chia DIV: chia
Các lệnh logic
Lệnh Test Thực hiện lệnh AND thiết lập cờ
Lệnh Shift Dịch trái, hoặc phải
Lệnh Rotate Quay trái hoặc quay phải
Lệnh Convert Chuyển đổi dữ liệu từ dạng này sang dạng khác
Lệnh AND, OR, XOR, NOT,….

+

+
+
+

+
+

+
+
+

93

5 August 2010

92

5 August 2010

Một số lệnh


Lệnh Mov Sao chép dữ liệu từ toán hạng nguồn -> đích
Lệnh Load Nạp dữ liệu từ bộ nhớ -> bộ xử lý
Lệnh XCHG Trao đổi nội dung của hai toán hạng cho
nhau
Lệnh PUSP Cất nội dung của một toán hạng nguồn vào
stack
Lệnh POP Lấy nội dung ở đỉnh Stack ra toán hạng đích
Lệnh Set, Clear

Các lệnh vào ra
Lệnh Input
Lệnh Output
Các lệnh chuyển điều khiển
Lệnh Jump
Lệnh Call
Lệnh Return : trở về từ chương trình con
Các lệnh điều khiển hệ thống
Lệnh Halt : dừng thực hiện chương trình
Lệnh Wait : tạm dừng thực hiện chương trình, lặp kiểm tra cho đến
khi thoả mãn thì tiếp tục thực hiện
Lệnh NOP (No Operation): không thực hiện gì cả
Lệnh Lock : Cấm không cho chuyển nhượng BUS
Lệnh Unlock: cho phép chuyển nhượng BUS

2. Bộ vi xử lý

Ví dụ lập trình cho LED nhấp nháy
(Cho 8051)
ORG
MOV
MOV
LOOP: CLR
CALL
SETB
CALL
JMP
DELAY: PUSH
MOV
MOV
DLY1:MOV
DLY2:NOP
NOP
NOP
DJNZ
DJNZ
POP
RET
END
5 August 2010

L.T.Vinh

2000h
SP,#50h
PSW,#0
P1.3
DELAY
P1.3
DELAY
LOOP

94

5 August 2010

; Bank 0
; Led on

Sử dụng ngăn xếp
khi gọi chương
trình con (thủ tục,
hàm)

; Led off

PSW
PSW,#18h; Bank 3
R7,#0
R6,#0

R6,DLY2
R7,DLY1
PSW

95

5 August 2010

96

16


5 August 2010

Nội dung

2. Bộ vi xử lý
2.1. Tổ chức phần cứng
CPU 8088

2. Bộ vi xử lý (tiếp):
1. Tổ chức phần cứng
2. Xử lý và truyền dữ liệu
3. Một số máy tính lớn

EU : khối thực hiện
lệnh(Execution Unit)
ALU : khối số học và
logic(Arithmetic anh Logic
Unit)
CU: Khối điều khiển
BIU : khối phối ghép
bus(Bus Interface Unit)

5 August 2010

97

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

98

2. Bộ vi xử lý

CPU:

Thực hiện lệnh gồm:
+ Đọc mã lệnh,
+ Giải mã lệnh
+ Thực hiện lệnh.
(Sau đó lưu kết quả và ô nhớ)
Khi CPU hoạt động, EU sẽ cung cấp
thông tin về địa chỉ cho BIU để khối
này đọc lệnh và dữ liệu, còn bản thân
EU thì giải mã lệnh và thực hiện lệnh.

5 August 2010

99

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

2. Bộ vi xử lý

+ BIU đưa ra địa chỉ, đọc mã lệnh từ bộ nhớ, đọc/ghi
dữ liệu từ/vào cổng hoặc bộ nhớ. BIU chịu trách nhiệm
đưa địa chỉ ra bus và trao đổi dữ liệu với bus.
+ EU có khối điều khiển(CU - Control Unit), có mạch
giải mã lệnh. Mã lệnh đọc vào từ bộ nhớ được đưa đến
đầu vào của bộ giải mã, các thông tin thu được từ đầu
ra được đưa đến mạch tạo xung điều khiển, kết quả là ta
thu được các dãy xung khác nhau (tuỳ theo mã lệnh) để
điều khiển hoạt động của các bộ phận bên trong và bên
ngoài CPU. Trong EU còn có khối số học và
logic(ALU) dùng để thực hiện các thao tác khác nhau
với các toán hạng của lệnh.
5 August 2010

L.T.Vinh

100

101

CU:

ALU:

5 August 2010

102

17


5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

2. Bộ vi xử lý

CU: sơ đồ khối

Bộ thanh ghi

5 August 2010

103

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

104

2. Bộ vi xử lý

Thanh ghi truy cập bộ nhớ

Thanh ghi chuyển tải lệnh

Thanh ghi trạng thái

5 August 2010

105

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

2. Bộ vi xử lý

2.2. Xử lý và truyền dữ liệu


5 giai đoạn thực hiện lệnh:

5 August 2010

L.T.Vinh

106

5 giai đoạn thực hiện lệnh:

107

5 August 2010

108

18


5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

2. Bộ vi xử lý

Đọc lệnh:


Giải mã lệnh và thi hành lệnh
Lưu kết quả:

5 August 2010

109

5 August 2010

110

Cấu trúc mã lệnh


+
+
+
+
+
+
+

Một lệnh mô tả bằng mã nhị phân có thể dài từ 1 đến 6 byte.
Cấu trúc chung của một mã lệnh bao gồm:
Prefix đi trước mã lệnh.
Mã toán (Operation Code: Opcode): Mã chỉ ra thao tác mà bộ
vi xử lý cần phải thực hiện, phân biệt đó là lệnh gì.
Ví dụ với lệnh dịch chuyển MOV có mã toán là 100010.
Địa chỉ toán hạng (Operand Address): Chỉ ra nơi chứa các
toán hạng mà mã thao tác sẽ tác động.
Toán hạng (operand) cho biết cái gì được xử lý (nội dung của
thanh ghi hay bộ nhớ). Địa chỉ trực tiếp (2 byte).
Toán hạng nguồn: dữ liệu vào của thao tác
Toán hạng đích: dữ liệu ra của thao tác

111

5 August 2010

5 August 2010

112

Cấu trúc mã lệnh
Nội dung của mã lệnh được quy định khá chặt chẽ.
Ví dụ: dưới đây cho thấy cấu trúc nhị phân của một lệnh dịch
chuyển MOV đích, nguồn dùng để truyền dữ liệu giữa 2 thanh
ghi hoặc giữa ô nhớ và thanh ghi.


+
+




5 August 2010

L.T.Vinh

113

Bit D (direction) chỉ hướng cho thanh ghi REG.
D=1 chỉ dữ liệu đi đến REG.
D=0 thì chỉ dữ liệu đi từ REG.
Bit W (Word) chỉ xem thanh ghi được dùng là 8 bit
hay 16 bit (1 word). W=1 có nghĩa là thanh ghi 16 bit
được dùng.
Hai bit MOD (mode, chế độ) và Ba bit R/M
(register/memory, thanh ghi/bộ nhớ) tạo ra 5 bit, dùng
để chỉ chế độ địa chỉ của lệnh.

5 August 2010

114

19


5 August 2010

Bảng mã thanh ghi

Bảng mã thanh ghi

115

5 August 2010

116

5 August 2010

Ví dụ

Ví dụ
Mã hoá các lệnh:
a/ MOV CL,[BX];
b/ MOV 0F3H[SI],CL;


5 August 2010

117

118

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý
Cơ chế xử lý xen kẽ liên tục dòng mã lệnh
(instruction pipelining)

BIU có thêm một bộ nhớ đệm lệnh với
dung lượng 4 byte dùng để chứa các mã
lệnh đọc được nằm sẵn để chờ EU xử lý
(còn được gọi là hàng đợi lệnh - Queue)

5 August 2010

L.T.Vinh

119

5 August 2010

120

20


5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

Kỹ thuật pipelining





2.3. Máy tính lớn

Bộ xử lý gồm các phần tử xử lý độc lập Processing
Elements/Stage
Được ứng dụng để thiết kế quá trình xử lý lệnh
song song từng công đoạn (Instruction pipelining)

121

5 August 2010

5 August 2010

122

2. Bộ vi xử lý

Phân loại theo Flynn








Phân 4 nhóm dựa trên số lượng chuỗi lệnh và
số lượng chuỗi dữ liệu
SISD (Single Instruction, Single Data): Một
chuỗi lệnh, một chuỗi dữ liệu
SIMD (Single Instruction, Multiple Data):
Máy tính mảng, máy tính xử lý vector (tính
toán vector, các bài toán Vector)
MISD: Nhiều lệnh 1 dữ liệu
MIMD: Nhiều chuỗi lệnh và nhiều chuỗi dữ
liệu ->kiến trúc song song
 MultiProcessor  Parallel Computer
 Multicomputer  Distributed system
123

5 August 2010

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

2. Bộ vi xử lý


5 August 2010

L.T.Vinh

124


125

5 August 2010

126

21


5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

2. Bộ vi xử lý



5 August 2010

127

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

2. Bộ vi xử lý



5 August 2010

129

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

L.T.Vinh

130

2. Bộ vi xử lý


5 August 2010

128


131

5 August 2010

132

22


5 August 2010

Phân loại kiến trúc máy tính song song

Các cấp kiến trúc máy tính song song

(a)
(b)
(c)
5 August 2010

133

+
+

+
+


+


+

135

L.T.Vinh

134

137

Máy tính chia sẻ bộ nhớ
Hệ thống máy tính có một
bộ nhớ chung và n bộ XL
kết nối với nhau qua mạng
N

Máy tính phân tán bộ nhớ
Mỗi một bộ XL kết nối với
một bộ nhớ riêng biệt

136

5 August 2010

Bộ nhớ dùng chung (tt)

Bộ nhớ dùng chung (shared memory)

5 August 2010

(e) Grid

Phân loại theo cấu trúc kết nối máy tính

Một hệ thống máy tính có thể được xem như:
Một tập hợp n>=1 bộ xử lý, hay đơn vị xử lý trung tâm (CPU):
P1,P2,P3…Pn
M>=0 (đơn vị nhớ chia sẻ) M1, M2…Mn kết nối trong mạng N
Chia thành hai loại
Máy tính chia sẻ bộ nhớ ( Share Memory Computer)
Máy tính phân tán bộ nhớ ( Distributed Memory Computer)

5 August 2010

(d) Multicomputer

5 August 2010

Phân loại theo cấu trúc kết nối máy tính


On-chip parallelism
Coprocessor
Multiprocessor

5 August 2010

138

23


5 August 2010

Distributed system

Multicomputer

a.
b.
139

5 August 2010

Multicomputer với 16 CPU, mỗi CPU có bộ nhớ riêng-> máy tính
bộ nhớ phân tán
Một hình ảnh được chia thành 16 phần trên 16 bộ nhớ
140

5 August 2010

Multiprocessor

NUMA multiprocessor

Máy tính NUMA dựa trên hai cấp bus
a.
b.

Multiprocessor với 16 CPU dùng chung 1 bộ nhớ -> máy tính chia
sẻ bộ nhớ
Một hình ảnh được chia thành 16 phần cho 16 CPU xử lý
141

5 August 2010

Kiến trúc Cluster

5 August 2010

So sánh giữa Multiprocessor và MultiComputer









5 August 2010

L.T.Vinh

142

143

Giống nhau: Cùng thực hiện một nhiệm vụ chung, hay
những nhiệm vụ được chia sẻ
Khác nhau:
Đa xử lý (Multiprocessor): là một máy tính nhiều lệnh,
nhiều dữ liệu (MIMD)
Nâng cao hiệu suất xử lý, khi thực hiện một nhiệm vụ quá
lớn, thời gian kéo dài các tác vụ được chia sẻ và các
PE(CPU) thực hiện song song.
Tăng độ tin cậy, độ sẵn sàng của máy tính, là sự sẵn sàng
hoạt động liên tục của máy tính khi có bất kỳ sự cố nào
trong hệ thống.

5 August 2010

144

24


5 August 2010


+






Kiến trúc song song đều cho khả năng tăng
tốc độ tính toán của máy tính hoặc VXL
Tăng độ tin cậy vì khi có một bộ XL hay khi
bộ nhớ bị hỏng thì quá trình tính toán chung
vẫn thực hiện bình thường do các thành phần
còn lại vẫn đảm nhiệm chức năng của thành
phần bị hỏng
Nhược điểm là phức tạp về cấu trúc và khó
khăn cho quản lý

+








145

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

Một số câu hỏi, bài tập

Một số câu hỏi, bài tập

147

5 August 2010

Nội dung
1.
2.
3.


L.T.Vinh

148

3. Ghép nối máy tính với thiết bị

Giới thiệu
Bộ vi xử lý

5 August 2010

146

5 August 2010

2. Bộ vi xử lý

5 August 2010

Các CPU cũ đã xử lý mỗi lúc một lệnh
Lệnh trước đã được lấy về và được xử lý hoàn toàn rồi
một lệnh mới mới được đọc về.
Việc xử lý một lệnh có thể được hoàn tất trong vài chu
kỳ xung nhịp (số chu kỳ xung nhịp đích xác bao nhiêu
là tuỳ thuộc vào lệnh cụ thể)
Kỹ thuật xử lý theo đường ống (pipelining)
Xử lý lệnh liên tiếp (Intruction Pipelining) cho phép
lệnh mới bắt đầu được xử lý trong khi các lệnh hiện tại
vẫn đang được xử lý.
CPU có thể được thực hiện vài lệnh trong cùng một
chu kì xung nhịp.
Đối với một chu kì xung nhịp cho trước bất kỳ, có thể
có vài lệnh “In the pipeline” cùng một lúc.
Xử lý theo đường ống cho phép CPU tận dụng các tài
nguyên xử lý trong khi một lệnh nào đó đang được
hoàn tất.

149

Thiết bị ngoại vi
Thiết bị ngoại vi là tên chung nói đến một số
loại thiết bị bên ngoài thùng máy được gắn
kết với máy tính với tính năng nhập xuất (IO)
hoặc mở rộng khả năng lưu trữ (như một
dạng bộ nhớ phụ).
 Thiết bị ngoại vi của máy tính có thể là:
Thiết bị cấu thành lên máy tính và không thể
thiếu được ở một số loại máy tính.
Thiết bị có mục đích mở rộng tính năng hoặc khả
năng của máy tính.


5 August 2010

150

25


5 August 2010


Common System Components

Một số loại thiết bị ngoại vi
Có nhiều các thiết bị ngoại vi của máy tính, dưới đây liệt kê một
số thiết bị ngoại vi thường gặp hoặc quan trọng cấu thành
lên máy tính như sau:
Màn hình máy tính
Ổ cứng gắn ngoài hoặc ổ cứng di động
Các loại thiết bị nhớ mở rộng: Bút nhớ USB...
Ổ quang (CD, DVD)
Chuột (máy tính)
Bàn phím máy tính
Máy in
video camera cho mục đích an ninh, giám sát được khi được kết nối với
máy tính. Webcam
Modem các loại (cho quay số, ADSL...)
Loa máy tính

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.

5 August 2010

This figure shows
several devices that
are common components of a computer system.

151

152

5 August 2010

Các thiết bị ngoại vi
Hệ thống vào-ra (Input/Output System)

+

Chức

năng
Trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên
ngoài.
Các thao tác cơ bản
Vào dữ liệu (Input)
Ra dữ liệu (Output)
Các thành phần chính
Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)
Các môđun vào-ra (IO Modules)


+
+
+
+

5 August 2010

153

Chức năng
Chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên
ngoài máy tính.
Các loại thiết bị ngoại vi (TBNV) cơ bản
Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét …
Thiết bị ra: màn hình, máy in …
Thiết bị nhớ: các ổ đĩa …
Thiết bị truyền thông: MODEM …
154

5 August 2010

Modul vào-ra

+
+

+
+

Bộ nhớ máy tính

Chức năng
Nối ghép các TBNV với máy
tính.
Mỗi môđun vào-ra có một
hoặc một vài cổng vào-ra (I/O
Port).
Mỗi cổng vào-ra được đánh
một địa chỉ xác định.
Các TBNV được kết nối và
trao đổi dữ liệu với máy tính
thông qua các cổng vào-ra.



+
+

+
+

5 August 2010

L.T.Vinh

155

5 August 2010

Chức năng: lưu trữ chương trình và dữ liệu.
Các thao tác cơ bản với bộ nhớ:
Đọc (Read)
Ghi (Write)
Các thành phần chính:
Bộ nhớ trong (Internal Memory)
Bộ nhớ ngoài (External Memory)
156

26


5 August 2010

Phân lớp hệ thống nhớ

Bộ nhớ trong (Internal memory)

+

+
+
+

+
+
157

5 August 2010

Chức năng và đặc điểm
Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi
trực tiếp
Tốc độ rất nhanh
Dung lượng không lớn
Sử dụng bộ nhớ bán dẫn
Các loại bộ nhớ trong
Bộ nhớ chính
Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh)

Bộ nhớ chính (Main memory)
+

+
+
+

Bộ nhớ chính

Chứa các chương trình và
dữ liệu đang được CPU sử
dụng.
Tổ chức thành các ngăn
nhớ được đánh địa chỉ.
Ngăn nhớ thường được tổ
chức theo byte.
Nội dung của ngăn nhớ có
thể thay đổi, song địa chỉ
vật lý của ngăn nhớ luôn cố
định.


+
+
+

+
+

159

5 August 2010

Bộ nhớ RAM (Random access memory)
Tốc độ truy cập nhanh
Lưu trữ giữ liệu tạm thời,
Dữ liệu sẽ bị mất vĩnh viễn khi không còn nguồn điện
cung cấp.
Bộ nhớ ROM (Read Only Memory)
Lưu trữ các chương trình mà khi mất nguồn điện
cung cấp sẽ không bị (xóa) mất.
Ngày nay còn có công nghệ FlashROM tức bộ nhớ
ROM không những chỉ đọc mà còn có thể ghi lại
được, nhờ có công nghệ này BIOS được cải tiến
thành FlashBIOS.



+
+

SRAM

Các ô nhớ có thể đọc hoặc ghi trong khoảng thời
gian bằng nhau cho dù chúng ở bất kỳ vị trí nào
trong ô nhớ.
Mỗi ô nhớ có một địa chỉ ghi 1byte, nhưng hệ
thống nhớ có thể đọc ra hay viết vào nhiều byte
Phân loại
SRAM (Static RAM): Chế tạo theo công nghệ
CMOS, vẫn lưu dữ liệu nếu có điện
DRAM (Dynamic RAM): Dùng nguyên tắc tích
điện của tụ điện C được tạo ra bởi bản mạch
Transistor và đế của vi mạch

Dung lượng của SRAM 2n x m (bit)
n : là số bit địa chỉ
m: là số bit dữ liệu
+ Bộ nhớ SRAM thường được tổ
chức theo ma trận vuông số hàng
và số cột bằng nhau, giao điểm
của hàng và cột chính là 1 ô bit
nhớ






5 August 2010

L.T.Vinh

160

5 August 2010

RAM


158

5 August 2010

161

Mỗi bit trong 1 thanh SRAM được chứa trong 4 transistor tạo
thành 2 cặp chéo nhau. Ô chứa có 2 trạng thái 0 và 1.
Ngoài ra còn 2 transistor được sử dụng điều khiển quyền truy
cập tới 1 ô nhớ trong quá trình đọc và ghi. Tổng cộng, cần 6
transistor để chứa 1 bit bộ nhớ.
Truy cập tới cell được kích hoạt bởi word line (WL) điều khiển 2
transistor truy cập M5 và M6, được kết nối tới các đường bit: BL
và BL đảo.
Đường bit được sử dụng để truyền dữ liệu cho cả đọc và ghi (có
thể có một trong hai)

5 August 2010

162

27


5 August 2010

DRAM






DRAM

Dùng kỹ thuật CMOS mỗi
bit nhớ, mỗi bit nhớ có một
transistor và một tụ điện
Việc ghi nhớ dựa vào việc
duy trì nạp vào tụ điện và
việc đọc một bit nhớ làm nội
dung bit này bị hủy
Sau mỗi lần đọc ô nhớ, bộ
phận điều khiển bộ nhớ viết
lại ô nhớ đó nội dung vừa
đọc do đó chu kỳ bộ nhớ
động ít nhất gấp đôi thời
gian thâm nhập ô nhớ





+
+
+

163

5 August 2010



+
+

+
+


+
+

Được chế tạo bằng công nghệ bán dẫn, chương trình trong ROM
được viết vào lúc chế tạo
ROM chứa chương trình khởi động máy tính
PROM (Programable ROM)
Chế tạo bằng các mối nối (cầu chì - có thể làm đứt bằng điện).
Chương trình nằm trong PROM có thể được viết vào bởi người
sử dụng bằng thiết bị đặc biệt và không thể xóa được.
EPROM (Erasable Programable ROM)
Chế tạo bằng nguyên tắc phân cực tĩnh điện.
Chương trình nằm trong ROM có thể được viết vào (bằng điện)
và có thể xóa (bằng tia cực tím - trung hòa tĩnh điện) để viết lại
bởi người sử dụng.
EEPROM (Electrically Erasable Programable ROM)
Chế tạo bằng công nghệ bán dẫn.
Chương trình nằm trong ROM có thể được viết vào và có thể xóa
(bằng điện) để viết lại bởi người sử dụng.

5 August 2010


+
+

+

+

5 August 2010

L.T.Vinh

5 August 2010

164

Bộ nhớ đệm nhanh (Cache memory)

ROM


Việc lưu giữ thông tin trong bit nhớ chỉ là tạm thời vì tụ
điện sẽ phóng hết điện tích vào và làm tươi bộ nhớ sau
mỗi 2µs
Làm tươi bộ nhớ là đọc ô nhớ và viết lại nội dung đó
vào ô nhớ. Việc làm tươi bộ nhớ được thực hiện tự
động bởi một vi mạch bộ nhớ.
SDRAM (Synchronous DRAM)
DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM
RDRAM (Rambus RAM): Hoạt động đồng bộ theo một
hệ thống lặp và truyền dữ liệu theo một hướng.

+
+
+
+

165

Cache thường được chia thành một số mức.
Cache L1: On-chip cho VXL, nằm bên trong CPU.
Cache L2: Off-chip của hệ thống nhớ phân lớp, nằm
bên ngoài CPU.
Cache L3 (L3 chỉ có ở một số CPU) có tốc độ truy
xuất gần bằng tốc độ truyền dữ liệu trong CPU, mức
trung gian giữa cache L2 và bộ nhớ.
Cache có thể có (hoặc không) được tích hợp trên chip
vi xử lý

167

Bộ nhớ có tốc độ nhanh, dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính được đặt
đệm giữa CPU và bộ nhớ chính
Thường nằm trong CPU, một số cache cũ có thể nằm ngoài CPU
Các cache trên đế cắm kiểu slot 1,
Cache dạng thanh, có thể tháo rời giống các thanh RAM ngày nay.

5 August 2010








166

Thao tác đọc bộ nhớ, bộ xử lý gởi một địa chỉ
và nhận một dữ liệu từ bộ nhớ trong.
Thao tác ghi bộ nhớ, bộ xử lý viết một dữ liệu
vào một ô nhớ với một địa chỉ được chỉ ra
trong bộ nhớ.
Để cho chương trình vận hành bình thường
thì cache phải chứa một phần con của bộ nhớ
trong để bộ xử lý có thể thâm nhập vào các
lệnh hoặc dữ liệu thường dùng từ bộ nhớ
cache.
Do dung lượng của bộ nhớ cache nhỏ nên nó
chỉ chứa một phần chương trình nằm trong
bộ nhớ trong.

5 August 2010

168

28


5 August 2010

Auxiliary Storage

Bộ nhớ ngoài (External memory)


+
+
+
+

+
+
+

Hard (fixed) disk








No longer standard
30 Gb and higher
5400rpm, 7200 rpm

Removable storage
CD-ROM
CD-R/CD-RW
 DVD/DVD-R/DVD-RW
(Digital Video Disk HD)
 Zip disks
 Tape
 USB



169

5 August 2010

Floppy Disk



Chức năng và đặc điểm
Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính
Được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị
vào-ra
Dung lượng lớn
Tốc độ chậm
Các loại bộ nhớ ngoài (SAM: Sequential Access
Memory)
Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm
Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD
Bộ nhớ bán dẫn: Flash disk, memory card

Disk Storage





Disk Storage

Based on bytes per track
per sector
1 track on 1 Sector
contains 512 bytes
Track-sector on each
surface (top & bottom)
Storage = 1,024 bytes per
track-sector (top &
bottom) = 1K

5 August 2010






171

Cylinder
Same track on each
surface make up a
cylinder

All data in one
cylinder can be read
without moving
read/write arm

5 August 2010

Thiết bị ngoại vi là tên chung nói đến một số
loại thiết bị bên ngoài thùng máy được gắn
kết với máy tính với tính năng nhập xuất (IO)
hoặc mở rộng khả năng lưu trữ (như một
dạng bộ nhớ phụ).
 Thiết bị ngoại vi của máy tính có thể là:
Thiết bị cấu thành lên máy tính và không thể
thiếu được ở một số loại máy tính.
Thiết bị có mục đích mở rộng tính năng hoặc khả
năng của máy tính.

L.T.Vinh

172




5 August 2010

170

5 August 2010

173

Một số loại thiết bị ngoại vi
Có nhiều các thiết bị ngoại vi của máy tính, dưới đây liệt kê một
số thiết bị ngoại vi thường gặp hoặc quan trọng cấu thành
lên máy tính như sau:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.

5 August 2010

Màn hình máy tính
Ổ cứng gắn ngoài hoặc ổ cứng di động
Các loại thiết bị nhớ mở rộng: Bút nhớ USB...
Ổ quang (CD, D+D)
Chuột (máy tính)
Bàn phím máy tính
Máy in
video camera cho mục đích an ninh, giám sát được khi được kết nối với
máy tính. Webcam
Modem các loại (cho quay số, ADSL...)
Loa máy tính

174

29


5 August 2010


Common System Components

Hệ thống vào-ra (Input/Output System)
Chức

năng
Trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên
ngoài.
Các thao tác cơ bản
vào dữ liệu (Input)
Ra dữ liệu (Output)
Các thành phần chính
Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)
Các môđun vào-ra (IO Modules)

This figure shows
se+eral devices that
are common components of a computer system.

175

5 August 2010

5 August 2010

176



Modul vào-ra

Chức năng: phương tiện chuyển đổi thông tin giữa bên
trong và bên ngoài máy tính
 Đặc điểm các thiết bị
Trên thị trường tồn tại rất nhiều các thiết bị ngoại
vi khác nhau về: Nguyên tắc hoạt động, tốc độ, định
dạng dữ liệu truyền, v.v. Đồng thời các thiết bị này có
tốc độ làm việc chậm hơn CPU và RAM rất nhiều. Chính
vì lý do trên cần có Module vào ra để ghép nối các thiết
bị ngoại vi vào hệ thống của máy tính.…


177

5 August 2010


+
+

+

+

Chức năng
Nối ghép các TBNV với máy tính.
Mỗi môđun vào-ra có một hoặc một vài cổng
vào-ra (I/O Port).
Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác
định.
Các TBNV được kết nối và trao đổi dữ liệu với
máy tính thông qua các cổng vào-ra.



Module I/O
Chức năng: Nối ghép thiết bị ngoại vi với máy tính.
+ Điều khiển và định thời
+ Trao đổi thông tin với CPU
+ Trao đổi thông tin với thiết bị ngoại vi
+ Đệm giữa máy tính với thiết bị ngoại vi
+ Phát hiện lỗi của các thiết bị ngoại vi.
5 August 2010

L.T.Vinh

178

5 August 2010

Cấu trúc chung:
Thanh ghi đệm dữ liệu: đệm dữ liệu trong quá trình trao đổi
Cổng nối ghép vào ra: kết nối thiết bị ngoại vi, mỗi cổng có địa
chỉ xác định và chuẩn kết nối riêng phụ thuộc sơ đồ chân.
Thanh ghi trạng thái/điều khiển: lưu trữ thông tin trạng thái cho
các cổng vào ra
Khối logic điều khiển: điều khiển Module vào ra
179

5 August 2010

180

30


5 August 2010



Ví dụ cổng LPT:
• Các đường dẫn của cổng song được nối với 3 thanh
ghi 8 bit khác nhau:
+ Thanh ghi dữ liệu (Địa chỉ cơ sở)
+ Thanh ghi trạng thái (Địa chỉ cơ sở +1)
+ Thanh ghi điều khiển (Địa chỉ cơ sở +2)
• Các đại chỉ cổng có thể là:
LPT1: 378h (379h ; 37Ah)
LPT2: 3BCh
LPT3: 278h
LPT4: 2BCh

Cấu trúc tổng quát của thiết bị ngoại vi:
+ Bộ chuyển đổi tín hiệu: chuyển đổi dữ liệu giữa bên
trong và bên ngoài Máy tính
+ Bộ đệm dữ liệu: nơi lưu trữ dữ liệu trung gian giữa Máy
tính và thiết bị ngoại vi, đặt bên trong thiết bị ngoại vi.
+ Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt động của thiết bị
ngoại vi theo tín hiệu từ Module I/O gởi tới thiết bị.
181

5 August 2010

182

5 August 2010



Lập trình cho thiết bị:
• Hợp ngữ:
Để xuất ra dữ liệu: OUT DX, AL hoặc OUT DX, AX
Để nhập vào dữ liệu: IN AL, DX hoặc IN AX, DX
(DX chứa địa chỉ; AL chứa giá trị)
• Turbo C
Để xuất ra dữ liệu: outportb(đia_chỉ, giá_trị)
Để nhập vào dữ liệu: bien = inportb(địa_chỉ)
• Turbo Pascal
Để xuất ra dữ liệu: port[đia_chỉ]:= giá_trị
Để nhập vào dữ liệu: bien:=port[địa_chỉ]

Ví dụ cổng COM:
• Các thanh ghi chính:
+ Thanh ghi đệm (Buffer Register) Địa chỉ cơ sở
+ Thanh ghi trạng thái (Status Register) ĐCCS+5
+ Thanh ghi điều khiển (Control Register) ĐCCS+3
• Các địa chỉ cổng có thể là:
COM1: 3F8h (3FDh ; 3FBh)
COM2: 2F8h
COM3: 3E8h
COM4: 2E8h

183

5 August 2010

184

5 August 2010



Các phương pháp ĐK vào/ra

1. vào ra bằng chương trình
Nguyên tắc chung:
+ Sử dụng lệnh vào ra trong chương trình để trao đổi dữ liệu với
cổng vào ra.
+ Khi CPU thực hiện chương trình gặp lệnh vào ra thì CPU điều
khiển trao đổi dữ liệu với cổng vào ra.

• Phân loại:
1. Vào ra bằng chương trình
2. Vào ra bằng ngắt
3. Truy cập bộ nhớ trực tiếp DMA

5 August 2010

L.T.Vinh

Lệnh I/O:
+ với không gian địa chỉ vào ra riêng biệt: sử dụng các lệnh vào
ra chuyên dụng
+ với không gian vào ra dùng chung bộ nhớ thì các lệnh trao đổi
dữ liệu sử dụng như ngăn nhớ.
185

5 August 2010

186

31


5 August 2010




Hoạt động vào ra bằng chương trình

Nhận xét:
+ CPU trực tiếp điều
khiển vào ra: đọc trạng
thái, kiểm tra trạng
thái, thực hiện trao đổi.
+ Trong trường hợp
nhiều thiết bị cùng cần
trao đổi dữ liệu và
thiết bị chưa sẵn sàng
tốn rất nhiều thời gian
CPU
+ việc thực hiện trao đổi
đơn giản

+ CPU gặp lệnh trao đổi vào ra, yêu cầu thao tác vào ra
+ Module vào ra thao tác vào ra
+ Module vào ra thiết lập các bit trạng thái(State)
+ CPU kiểm tra các bit trạng thái:
Nếu chưa sẵn sàng thì quay lại kiểm tra lại
Nếu sẵn sàng thì chuyển sang trao đổi dữ liệu với Module
vào ra

187

5 August 2010

188

5 August 2010





2. Vào ra bằng ngắt

3. Truy nhập bộ nhớ trực tiếp

Nguyên tắc chung:
+ CPU không phải đợi trạng thái sẵn sàng của
Module vào ra.
+ Module vào ra khi nó sẵn sàng phát ra tín hiệu
yêu cầu ngắt CPU
+ CPU thực hiện chương trình vào ra tương ứng để
trao đổi dữ liệu.
+ CPU trở lại chương trình đang bị ngắt.

(DMA: Direct Memory Access)
Với nhược điểm chính của hai phương pháp trên là:
CPU tham gia trực tiếp vào trao đổi dữ liệu và việc trao đổi
lượng dữ liệu nhỏ. Để khắc phục hai phương pháp trên một
phương pháp mới có tên DMA sẽ sử dụng thêm một
Module phần cứng có DMAC (DMA Controller). Vì vậy
khi trao đổi dữ liệu không qua CPU.

189

5 August 2010

190

5 August 2010





Truy nhập bộ nhớ trực tiếp

5 August 2010

L.T.Vinh

Các thành phần của DMAC
+ Thanh ghi dữ liệu: chứa dữ
liệu trao đổi.
+ Thanh ghi địa chỉ: chứa địa
chỉ của ngăn nhớ dữ liệu
+ Bộ đếm dữ liệu: chứa số từ dữ
liệu cần trao đổi
+ Khối logic điều khiển: điều
khiển hoạt động của
DMAC

191

5 August 2010

192

32


5 August 2010





Hoạt động của DMA
Khi cần vào ra dữ liệu thì CPU nhờ DMAC tiến hành vào
ra dữ liệu với thông tin cho biết như sau:
1. Địa chỉ thiết bị vào ra
2. Địa chỉ đầu của mảng nhớ chứa dữ liệu và DMAC nạp
thanh ghi địa chỉ
3. Số từ dữ liệu cần truyền và DMAC nạp vào bộ đếm dữ
liệu
4. CPU sẽ thực hiện việc khác
5. DMAC điều khiển việc trao đổi dữ liệu sau khi truyền
một từ dữ liệu thì nội dung thanh ghi địa chỉ tăng lên và
nội dung bộ đếm dữ liệu giảm xuống một đơn vị.
6. Khi bộ đếm bằng dữ liệu bằng 0, DMAC gởi tín hiệu
ngắt CPU để báo kết thúc DMA
193

5 August 2010



195

5 August 2010

L.T.Vinh

196

5 August 2010


5 August 2010

194

5 August 2010


197

5 August 2010

198

33


5 August 2010

Chúc các anh chị học tốt

5 August 2010

L.T.Vinh

199

34

Kiến trúc máy tính

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Destacado

Destacado (20)

Similar a Kiến trúc máy tính

Similar a Kiến trúc máy tính (20)

Más de LE The Vinh

Más de LE The Vinh (10)

Kiến trúc máy tính