Kiến trúc máy tính

Hình 5. 24. Khe AGP và PCI Express 195

Hình 5. 25. Khe PCI 196

Hình 5. 26. Khe RAM 196

Hình 5. 27. Ba cổng IDE và bốn cổng SATA 196

Hình 5. 28. Chân cắm cấp nguồn điện cho Mainboard 196

Hình 5. 29. Chân cắm cấp nguồn điện cho CPU 197

Hình 5. 30. Chân cắm quạt của CPU 197

Hình 5. 31. Các dây tín hiệu nối với Case 197

Hình 5. 32. Giao diện chính của phần mềm CPU-Z 198

Hình 5. 33. Thông tin về Cache 199

Hình 5. 34. Thông tin về Mainboard 200

Hình 5. 35. Thông tin về RAM 201

Hình 5. 36. Thông tin chi tiết về RAM 201

Hình 5. 37. Thông tin chi tiết về Card đồ họa 202

Hình 5. 38. Thông tin về phiên bản phần mềm 203

Hình 5. 39. Giao diện chính của phần mềm GPU-Z 204

Hình 5. 40. System Properties trên Windows 205

Hình 5. 41. Mở tiện ích DirectX Diagnostic 205

Hình 5. 42. Giao diện chính của DirectX Diagnostic 206

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. 1. Lịch sử phát triển máy tính thế hệ thứ 4 (Intel) 6

Bảng 1. 2. Các thế hệ máy tính 8

Bảng 1. 3. Hệ thập lục phân 19

Bảng 1. 4. Bảng mã ASCII - Một số ký tự điều khiển 32

Bảng 1. 5. Bảng mã ASCII - Các ký tự in được 32

Bảng 1. 6. Bảng chân lý của hàm f(A,B)=A+B 36

Bảng 1. 7. Một số định luật của đại số logic 36

Bảng 1. 8. Bảng chân lý và bảng trạng thái của hàm f(A,B)=A+B 40

Bảng 1. 9. Bảng chân lý của hàm Z = F(A, B, C) = 41

Bảng 1. 10. Bảng chân lý của hàm 42

Bảng 1. 11. Bảng chân lý của hàm 43

Bảng 1. 12. Bảng chân lý của bộ cộng bán tổng 46

Bảng 1. 13. Bảng trạng thái của bộ cộng toàn phần 46

Bảng 1. 14. Bảng sự thật mạch mã hóa nhị phân từ 8 sang 3 48

Bảng 1. 15. Bảng bảng sự thật mạch mã hóa nhị phân từ 10 sang 4 49

Bảng 1. 16. Bảng chân lý mạch giải mã 3 sang 8 50

Bảng 2. 1. Cách chọn lựa vị trí các toán hạng 57

Bảng 2. 2. Chuỗi lệnh dùng thực hiện phép tính C := A + B 57

Bảng 2. 3. Điểm lợi và bất lợi của 3 kiểu kiến trúc phần mềm 58

Bảng 2. 4. Kiểu định vị của một bộ xử lý có kiến trúc phần mềm kiểu thanh ghi đa dụng. 72

Bảng 2. 5. Đặc tính của một vài máy CISC 74

Bảng 2. 6. Đặc tính của ba mẫu đầu tiên máy RISC 74

Bảng 3. 1. Bảng thông số kỹ thuật của CPU core i3, i5, i7 95

Bảng 3. 2. Các thông số kỹ thuật của CPU ghi trên báo giá các công ty máy tính 95

Bảng 3. 3. Bảng mã hoá tập hợp các ánh xạ trong trường mẫu. 108

Bảng 4. 1. Bảng chân lý của MROM 125

Bảng 4. 2. Kích thước cache của một số hệ thống 144

CHƯƠNG 1: NHẬP MÔN

1.1. Khái niệm và phân loại máy tính

1.1.1. Khái niệm máy tính và kiến trúc máy tính

Máy tính (Computer) là thiết bị điện tử thực hiện các công việc sau:

- Nhận dữ liệu vào (Input).

- Xử lý dữ liệu theo chương trình được nhớ sẵn bên trong bộ nhớ (Processing).

- Đưa dữ liệu ra (Output).

Máy tính thực hiện được các công việc trên thông qua:

- Chương trình (Program): là dãy các câu lệnh nằm trong bộ nhớ, nhằm mục đích hướng dẫn máy tính thực hiện một công việc cụ thể nào đấy. Máy tính thực hiện theo lệnh trong chương trình. Máy tính không tự thực hiện được nếu không có chương trình.

- Phần mềm (Software): bao gồm chương trình và dữ liệu.

- Phần cứng (Hardware): baao gồm tất cả các thành phần vật lý cấu thành lên hệ thống máy tính.

- Phần dẻo (Firmware): Là thành phần chứa cả hai thành phần trên.

Kiến trúc máy tính đề cập đến những thuộc tính hệ thống mà lập trình viên có thể quan sát được. Nói cách khác, đó là các thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực thi một chương trình, ví dụ như tập lệnh của máy tính, số bit được sử dụng để biểu diễn số liệu, cơ chế nhập/ xuất, kỹ thuật định địa chỉ bộ nhớ…

Kiến trúc máy tính bao gồm ba phần: Kiến trúc phần mềm, tổ chức máy tính và lắp đặt phần cứng.

- Kiến trúc phần mềm của máy tính: chủ yếu là kiến trúc phần mềm của bộ xử lý, bao gồm: tập lệnh, dạng các lệnh và các kiểu định vị. Trong đó, tập lệnh là tập hợp các lệnh mã máy (mã nhị phân) hoàn chỉnh có thể hiểu và được xử lý bởi bộ xử lý trung tâm. Thông thường các lệnh trong tập lệnh được trình bày dưới dạng hợp ngữ.. Kiến trúc phần mềm là phần mà các lập trình viên hệ thống phải nắm vững để việc lập trình hiệu quả.

- Tổ chức của máy tính (Computer Organization): liên quan đến cấu trúc bên trong của bộ xử lý, cấu trúc các bus, các cấp bộ nhớ và các mặt kỹ thuật khác của máy tính. Tổ chức máy tính quan tâm đến các đơn vị vận hành và sự kết nối giữa chúng nhằm thực hiện hóa những đặc tả về kiến trúc, chẳng hạn như về tín hiệu điều khiển, giao diện giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi, kỹ thuật bộ nhớ được sử dụng…

- Lắp đặt phần cứng của máy tính: chính là việc lắp ráp một máy tính dùng các linh kiện điện tử và các bộ phận phần cứng cần thiết.

Cấu trúc máy tính (Computer Structure): là những thành phần của máy tính và những liên kết giữa các thành phần.

Kể từ lúc ngành công nghiệp máy tính ra đời cho đến nay, sự phân biệt giữa kiến trúc và tổ chức máy tính là một yếu tố quan trọng. Nhiều hãng sản xuất máy tính cho ra đời cả một họ máy chỉ khác nhau về tổ chức còn kiến trúc hoàn toàn giống nhau. Kết quả là các kiểu máy trong cùng một họ có giá cả và hiệu suất vận hành khác nhau. Hơn thế nữa, một kiến trúc máy có thể tồn tại qua nhiều năm liền trong khi tổ chức máy dựa trên đó sẽ thay đổi theo bước tiến của công nghệ.

Tất cả họ Intel*86 đều có kiến trúc cơ bản giống nhau. IBM System/370 đều có kiến trúc cơ bản giống nhau.

Hình 1. 1. Máy tính

1.1.2. Phân loại máy tính

Máy tính là một khái niệm tương đối rộng, tuỳ theo cấu trúc, chức năng, hình dáng... mà có thể phân ra nhiều loại khác nhau. Về căn bản máy tính được phân làm các loại chính sau:

Phân loại theo tín hiệu xử lý:

+ Máy tính tương tự (Analog Computer): xử lý dữ liệu tương tự, dùng trong nghiên cứu khoa học, y học, đo lường khí tượng thuỷ văn…

+ Máy tính số (Digital Computer): xử lý tín hiệu số, dùng rộng rãi trong việc lưu trữ dữ liệu, giáo dục, thương mại, giải trí…

Phân loại theo khả năng xử lý:

+ SuperComputer: Siêu máy tính, khả năng tính toán, tốc độ xử lý, khả năng lưu trữ rất lớn. Dùng để chứa cơ sở dữ liệu trong các mạng an ninh quốc phòng, các tập đoàn đa quốc gia…

+ MiniComputer: máy tính nhỏ, khả năng lưu trữ, tốc độ … kém hơn siêu máy tính. Thường dùng để chứa cơ sở dữ liệu trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

+ MicroComputer: máy vi tính, khả năng xử lý, lưu trữ… phù hợp với cá nhân, nên còn được gọi là máy tính cá nhân hay PC (Personal Computer).

Phân loại theo công dụng:

+ Mainframe (máy chính) - Terminate (máy trạm): máy chính dùng để chứa toàn bộ cơ sở dữ liệu và được cài đặt một hệ điều hành đa xử lý (Multiproccessor

Operating System) như MAC OS, Unix… Máy trạm đơn giản chỉ là một thiết bị đầu cuối (gồm bàn phím để nhập, màn hình hoặc máy in để xuất) nối vào Mainframe dùng làm hệ thống nhập xuất. Mọi công việc xử lý đều thuộc về máy chính.

+ Server (Máy chủ) – Client (Máy khách): Máy chủ và máy khách được dùng trong mô hình Client- Server. Máy chủ là máy cung cấp các dịch vụ mạng, cài đặt một hệ điều hành chạy được trên nền Server (Windows NT, Windows 2000 server…). Máy khách có thể hiểu đơn giản là một PC, cài đặt một hệ điều hành Client (Win9x, 2000, XP ), sử dụng các dịch vụ do máy chủ cung cấp.

+ Máy tính nhúng (Embedded Computer): được đặt trong thiết bị khác để điều khiển thiết bị đó làm việc và được thiết kế chuyên dụng. Ví dụ: điện thoại di động, máy ảnh số, bộ điều khiển trong máy giặt, điều hoà nhiệt độ, router - bộ định tuyến trên mạng.

Theo kiểu thiết kế họ phần cứng máy tính cá nhân IBM, các đặc tính kỹ thuật và các chuẩn dành cho PC vào thời gian ban đầu đều do IBM đưa ra. Từ những hệ thống đời đầu như IBM PC, XT (eXTended) và AT (Advanced Technology) cùng với nhiều chuẩn mà các hệ thống ngày nay sử dụng đều phải phù hợp với chuẩn mà IBM đã đưa ra. Bao gồm các nhân tố về bo mạch chủ, cách thiết kế thùng máy và bộ nguồn, cấu trúc bus, cách thức sử dụng tài nguyên hệ thống, cấu trúc và cách thức ánh xạ bộ nhớ, các giao tiếp hệ thống, bộ nối, chân cắm...

1.2. Lịch sử phát triển của 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.

1.2.1. Thế hệ đầu tiên (1946-1955)

Hình 1. 2. Máy tính ENIAC

Hình 1. 3. Đèn điện tử

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính điện tử số đầu tiên do Giáo sư Mauchly và người học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania thiết kế vào năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946. Đây là một máy tính khổng lồ với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét. ENIAC bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự động, cân nặng 30 tấn, và tiêu thụ 140KW giờ. Nó có 20 thanh ghi 10 bit (tính toán trên số thập phân). Có khả năng thực hiện 5.000 phép toán cộng trong một giây. Công việc lập trình bằng tay bằng cách đấu nối các đầu cắm điện và dùng các ngắt điện.

Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính Von- Neumann. Đây là một ý tưởng nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay.

Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiên được đưa ra thị trường như 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được bán ra.

Đặc điểm:

- Tiêu thụ nhiều điện năng, toả nhiều nhiệt và hệ thống ít tin cậy.

- Xuất hiện băng giấy và phiếu đục lỗ. Chỉ có 1 loại máy mainframe.

- Sử dụng ngôn ngữ máy.

- Các máy điển hình: ENIAC, EDVAC, IAS

- Tính toán chậm, kích thức lớn.

- Chế tạo đơn lẻ.

1.2.2. Thế hệ thứ hai (1955-1965)

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.

IBM 360 -1960s (Transistors) Máy PDP-1

Hình 1. 4. Máy tính thế hệ thứ 2

1.2.3. Thế hệ thứ ba (1966-1980)

Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạch kết (mạch tích hợp - IC: Integrated Circuit). Mạch tích hợp hay còn gọi là vi mạch, là các chip bán dẫn trong đó chứa các transistor và các linh kiện khác.

Hình 1.5. Mạch tích hợp

Micro VAX Siêu máy tính CRAY-1

Hình 1. 6. Các máy tính thế hệ thứ 3

Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale Integration) có thể chứa vài chục linh kiện và kết độ tích hợp mật độ trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp.

Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ. Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng.

1.2.4. Thế hệ thứ tư (1980- đến nay)

Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large Scale Integration) có thể chứa hàng nghìn linh kiện. Các IC mật độ tích hợp rất cao (VLSI: Very Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiện trên mạch. Hiện nay, các chip VLSI chứa hàng triệu linh kiện.

Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và phần điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy vi tính đã được chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân.

Các bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi.

Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý của máy tính không ngừng được phát triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,…

Vi xử lý 8088 ra đời đánh dấu thời kỳ phát triển máy tính cá nhân PC (Personal Computer).

Bảng 1. 1. Lịch sử phát triển máy tính thế hệ thứ 4 (Intel)

Năm

Vi xử lý
1979	8088 (Intel)
1978	8086 (Intel)
1980	80286 (Intel)
1993	Pentium (Intel)
1997	Pentium II (Intel), Celeron
1999	Pentium III (Intel), Celeron
2003	Pentium IV (Intel), Celeron