›
›

Tài liệu môn Kiến trúc máy tính (computer architecture)

pdf 238 trang vanle 9070
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu môn Kiến trúc máy tính (computer architecture)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdftai_lieu_mon_kien_truc_may_tinh_computer_architecture.pdf

Nội dung text: Tài liệu môn Kiến trúc máy tính (computer architecture)

  1. KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (Computer architecture)  Thời gian: - Lý Thuyết: 45 tiết (3 ĐVHT) - Thực hành : 30 tiết  Điểm Lý thuyết: - Điểm thi giữa HK: 30% - Điểm thi cuối kỳ: 60% -Điểm chuyên cần 10%  Điểm Thực hành :  Điểm chung “ (LT *70%) + (TH * 30) 1
  2. Mục đích môn học Nhằm trang bị cho sinh viên các kiến thức cơ bản nhất về kiến trúc một máy tính.  Lịch sử phát triển máy tính.  Chức năng và nguyên lý hoạt động của các bộ phận máy tính.  Cách biểu diễn dữ liệu, tính toán trong máy tính  Cách chế tạo, thiết kế các mạch Logic số cơ bản  Phương pháp bảng Carno để rút gọn mạch số.  Các kiến trúc bộ lệnh trong các loại máy tính CISC và RICS  Các nguyên lý hoạt động của bộ xử lý  Sơ lược hệ thống lệnh mã máy 2
  3. TTààii liliệệuu hhọọcc ttậậpp && thamtham khkhảảoo 1. TS Vũ Đức Lung . Kiến trúc máy tính . ĐH CNTT thuộc ĐH Quốc gia HCM . 2010 2. Nguyễn Minh Tuấn. Kiến trúc máy tính (Giáo trình lược giản). Trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQG TP.HCM, V3.7 3. Cấu trúc máy tính cơ bản, tổng hợp và biên dịch VN-Guide, nhà xuất bản thống kê, 2005. 4. Võ Văn Chín, Nguyễn Hồng Vân, Phạm Hữu Tài. Giáo trình kiến trúc máy tính. ĐH Cần Thơ, 2005. 5. M. Abd-El-Barr, H. El-Rewini, Fundamentals of Computer Organization and Architecture, Wiley, 2005 6. Patterson, D. A., and J. L. Hennessy. Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, 3rd ed. San Mateo, CA: Morgan Kaufman, 2004 3
  4. Chương I : Giới thiệu Mục đích - nắm bắt cơ bản về: - Lịch sử phát triển của máy tính qua các thế hệ máy tính: - - - - Khuynh hướng hiện tại cho phát triển ngành máy tính - Phân loại máy tính - Các dòng CPU Intel 4
  5. Kiến trúc máy tính  Kiến trúc máy tính đề cập đến những thuộc tính hệ thống mà lập trình viên có thể quan sát được. Đó là các thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp đến việc thực thi một chương trình, ví dụ như tập chỉ thị của máy tính, số bit được sử dụng để biểu diễn dữ liệu, cơ chế nhập/xuất, kỹ thuật định địa chỉ bộ nhớ, v.v 5
  6. Tổ chức máy tính  Tổ chức máy tính quan tâm đến các đơn vị vận hành và sự kết nối giữa chúng nhằm hiện thực 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 6
  7. Học Kiến trúc máy tính để làm gì? 7
  8. Máy tính là gì? Là máy xử lý dữ liệu, thực thi tự động dưới sự điều khiển của một danh sách các câu lệnh lưu trong bộ nhớ 8
  9. Thị phần bộ vi xử lý 9
  10. 1.1.Lịch sử phát triển máy tính 1.1.1.Thế hệ zero –máy tính cơ học (1642-1945) Năm 1642 Pascal phát minh ra máy tính đầu tiên với 2 phép tính + và - 10
  11. 1.1.1.Thế hệ zero –máy tính cơ học (1642-1945) Năm 1672 Gotfrid vilgelm Leibnits chế tạo • 1834 Babbage (Anh) – máy tính ra máy tính với 4 phép có 4 bộ phận: bộ nhớ, bộ tính tính cơ bản (+ - * /) toán, thiết bị nhập, thiết bị xuất • 1936 К. Zuse (Đức) máy trên cơ sở rơle (relay) • 1944 G. Iken (Mỹ) – Mark I - nặng 5 tấn, - cao 2.4 m, - dài 15 m, - chứa 800 km dây điện 11
  12. 1.1.1.Thế hệ zero –máy tính cơ học (1642-1945) 12
  13. 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) 1. 1943 máy tính COLOSSUS (Anh) - 2000 đèn chân không - Giữ bí mật suốt 30 năm Bóng đèn chân không 13
  14. 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) COLOSSUS 14
  15. 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) 2. Dự án chế tạo máy ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer) được BRL (Ballistics Research Laboratory – Phòng nghiên cứu đạn đạo quân đội Mỹ) bắt đầu vào năm 1943 dùng cho việc tính toán chính xác và nhanh chóng các bảng số liệu đạn đạo cho từng loại vũ khí mới. Các thông số: -18000 bóng đèn chân không - nặng hơn 30 tấn - Tiêu thụ một lượng điện năng vào khoảng 140kW và chiếm một diện tích xấp xỉ 1393 m2 . - 5000 phép cộng/ 1s - Đặc biệt sử dụng hệ đếm thập phân 15
  16. 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) Bộ nhớ của ENIAC - 20 "bộ tích lũy", - Mỗi bộ có khả năng lưu giữ một số thập phân có 10 chữ số. -Mỗi chữ số được thể hiện bằng một vòng gồm 10 đèn chân không. Điểm khác biệt giữa ENIAC & các máy tính khác: ENIAC sử dụng hệ đếm thập phân chứ không phải nhị phân như ở tất cả các máy tính khác • Máy ENIAC bắt đầu hoạt động vào tháng 11/1945 16
  17. 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) 17
  18. 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) 3. Nhà toán học John von Neumann(Hungary), một cố vấn của dự án ENIAC, đưa ra 1945, trong một bản đề xuất về một loại máy tính mới có tên gọi EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) - 2500 đèn điện tử - Chương trình lưu trong bộ nhớ (không cần phải nối dây lại như máy ENIAC). 18
  19. 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) John von Neumann 19
  20. 1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955) 1952 ra đời IAS (Institute for Advanced Studies) tại học viện nghiên cứu cao cấp Princeton, Mỹ. Bộ Logic-số học ALU Thiết Bộ bị nhớ nhập chính xuất Bộ điều khiển CU Cấu trúc của máy IAS 1952 máy tính Von Neumann ra đời – cơ sở cho kiến trúc máy tính hiện đại (bit 1,0). 20
  21. Đặc tính của IAS Kỹ thuật stored-program Chương trình được đưa vào bộ nhớ chính đã được địa chỉ hóa và máy tính dùng bộ đếm chương trình để thi hành tuần tự các lệnh. Bộ nhớ - 1000 vị trí lưu trữ, gọi là word, - 1 word = 40 bit. - Mỗi số được biểu diễn bằng 1 bit dấu và một giá trị 39 bit. -Một word có thể chứa 2 chỉ thị 20 bit, với mỗi chỉ thị gồm một mã thao tác 8 bit (op code) đặc tả thao tác sẽ được thực hiện và một địa chỉ 12 bit định hướng đến một word trong bộ nhớ (địa chỉ này đi từ 0 đến 999). 21
  22. Các dạng thức bộ nhớ của máy IAS 22
  23. 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965) Sự thay đổi đầu tiên trong lĩnh vực máy tính điện tử xuất hiện khi có sự thay thế đèn chân không bằng đèn bán dẫn. Đèn bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn, tỏa nhiệt ít hơn trong khi vẫn có thể được sử dụng theo cùng cách thức của đèn chân không để tạo nên máy tính Năm 1947 - Bardeen, Brattain và Shockley của phòng thí nghiệm Bell Labs đã phát minh ra transistor và đã được giải Nobel vật lý năm 1956. 23
  24. 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965) 24
  25. 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965) Trong thế hệ này nổi tiếng nhất là 2 máy: PDP-1 của DEC là máy tính nhỏ gọn nhất thời bấy giờ. DEC (Digital Equipment Corporation) được thành lập vào năm 1957 và cũng trong năm đó cho ra đời sản phẩm đầu tiên của mình là PDP-1. - 4 K word (1 word= 18 bit) - chu kỳ 5 ms - giá 120000$ và IBM 7094. - 32 K word (1 word = 16 bit) - chu kỳ 2 ms - giá 1 triệu USD 25
  26. 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965) máy IBM 7094 26
  27. 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965) An IBM 7094 console 27
  28. 1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965) Một cấu trúc máy IBM 7094 28
  29. 1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965-1980) 1958 Jack Kilby và Robert Noyce đã cho ra đời một công nghệ mới, công nghệ mạch tích hợp (Integrated circuit – IC) 29
  30. 1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965-1980) Máy IBM System 360 được IBM đưa ra vào năm 1964 là họ máy tính công nghiệp đầu tiên được sản xuất một cách có kế hoạch. Đặc biệt khái niệm họ máy tính bao gồm các máy tính tương thích nhau là một khái niệm mới và hết sức thành công. Nhờ đó mà một chương trình được viết cho máy này cũng sẽ dùng được trên những máy khác cùng họ với nó. Khái niệm này đã được dùng cho đến ngày nay. 30
  31. 1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965-1980) Máy DEC PDP-8 PDP-8 đã sử dụng một cấu trúc rất phổ dụng hiện nay cho các máy mini và vi tính: cấu trúc đường truyền. Đường truyền PDP- 8, được gọi là Omnibus, gồm 96 đường tín hiệu riêng biệt, được sử dụng để mang chuyển tín hiệu điều khiển, địa chỉ và dữ liệu. Cấu trúc PDP-8 31
  32. 1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965-1980) 1975 máy tính cá nhân đầu tiên (Portable computer) IBM 5100 ra đời, tuy nhiên máy tính này đã không gặt hái được thành công nào. - Băng từ - Nặng 23 Kg - 10000$ - Khả năng lập trình trên Basic -Màn hình 16 dòng, 64 ký tự - Bộ nhớ <=64Kbyte -1979 chương trình Sendmail ra đời bởi 1 sinh viên ĐHTH California, Berkely university cho ra đời BSD UNIX (Berkely Software Distribution) 32
  33. 1.1.5. Thế hệ IV – máy tính cá nhân (1980-?) Sự xuất hiện của công nghệ VLSI (very large scale integrated) cho phép trên một bản mạch có thể sắp sếp hàng triệu transistor. Từ đây bắt đầu kỷ nguyên của máy tính cá nhân 33
  34. 1.1.5. Thế hệ IV – máy tính cá nhân (1980-?) 1981 ra đời máy IBM PC trên cơ sở CPU Intel 8088 và dùng hệ điều hành MS-DOS của Microsoft. - 1983 PC/XT (Extended Technology) với HDD 10 MB hoặc 20 MB với giá chỉ có 1995$ 34
  35. Khối các nước XHCN -1950 tại trường cơ khí chính xác và quang học (CNTT bây giờ): máy tính toán điện cỡ lớn đầu tiên ra đời với mục đích giải quyết các bài toán khoa học và kỹ thuật phức tạp. - 1953 tại đại học toán, viện hàn lâm – máy Strela - 1954 PC – Ural 1-16 Minsk, Kiev -Nói chung trong thời kỳ đầu tuy có ra sau một thời gian, nhưng hầu hết đều có máy tính tương đương với xu hướng của thế giới. EC-1840 35
  36. Khối các nước XHCN  EC-1840,41- tương đương với 8086  EC-1842,1843-tương đương 80286  Từ 1849 trở đi các máy tính dùng CPU của Intel. PC Năm bắt đầu SX Năm kết thúc SX Số lượng ЕС-1840 1986 1989 7461 ЕС-1841 1987 1995 83937 ЕС-1842 1988 1996 10193 ЕС-1843 1990 1993 3012 ЕС-1849 1990 1997 4966 ЕС-1851 1991 1997 3142 ЕС-1863 1991 1997 3069 ВМ2001 1994 - 1074 36
  37. 1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai - Tăng tần số xung đồng hồ - Xử lý song song - Đa lõi CPU - Máy tính thông minh, trí tuệ nhân tạo: LISP và PROLOG - ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility) 37
  38. 1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai Các bộ sử lý đa lõi - 1999 – CPU 2 lõi kép đầu tiên ra đời (IBM Power4 cho máy chủ) - 2001 – bắt đầu bán ra thị trường Power4 - 2002 – AMD và Intel cùng thông báo về việc thành lập CPU đa lõi của mình. - 2004 – CPU lõi kép của Sun ra đời UltraSPARS IV - 2005 – Power5 - 03/2005 – CPU Intel lõi kép x86 ra đời, AMD – Opteron, Athlon 64X2 - 20-25/05/2005 – AMD bắt đầu bán Opteron 2xx, 26/05 Intel Pentium D, 31/05 AMD – bán Athlon 64X2 38
  39. 1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai Presler 65nm 39
  40. Yonah Dual Core 40
  41. CPU Power5 41
  42. 1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai Một trong những siêu máy tính hàng đầu của thế giới (8192 CPU, 7,3 Tfops) 26/06/2007: supercomputer Blue Gene/L với 128 dãy, 130 ngàn CPU, 360 Tfops, 267 triệu USD. (MDGRAPE-3: 1PFlops) 42
  43. 1.3. Phân loại máy tính -a) Các siêu máy tính (Super Computer): - b) Các máy tính lớn (Mainframe) - c) Máy tính mini (Minicomputer) - d) Máy vi tính (Microcomputer) 43
  44. 1.4. Các dòng Intel -1970 bộ CPU 4004 (4 bit) của Intel trên 1 chip đầu tiên ra đời - 1972 CPU Intel 8008 (8 bit) - 1974 CPU 8080, 1978 CPU 8086 (16 bit) - 1979 CPU 8088 (8 bit) - 1981 máy tính IBM PC đầu tiên ra đời trên cơ sở CPU Intel 8088 và hệ điều hành MS DOS - 1982 CPU 80286 (16 bit) -1985 CPU 80386 (32 bit), 89-486, 93-Pentium 44
  45. 1.4. Các dòng CPU Intel 45
  46. 1.4. Các dòng CPU Intel (tt) Pentium D, Core 2 Duo, Intel® Core™2 Quad processor , Intel® Core™2 Extreme processor Intel® Core™ i7 processor Intel® Core™ i7 processor Extreme Edition Corei7 • 45nm • 4 nhân • Turbo Boost • Intel® Quickpath • Cache L3 8MB • Intel® Desktop Board DX58SO Extreme Series • chipset Intel® X58 Express • Gia 330$ 46
  47. Chương II:Các bộ phận cơ bản của máy tính  2.1. Bộ xử lý (CPU)  2.2. Bản mạch chính (Mainboard)  2.3. Ổ đĩa mềm (FDD)  2.4. Ổ đĩa cứng (HDD)  2.5. Ổ CD và DVD  2.6. Bộ nhớ RAM và ROM  2.7. Bàn phím (Keyboard)  2.8. Chuột (Mouse)  2.9. Card màn hình (VGA Card)  2.10. Màn hình (Monitor)  2.11. Card mạng (Network adapter) và Modem 47
  48. 2.1. Bộ vi xử lý (CPU) - Bộ vi xử lý CPU (central processing unit) là cốt lõi của một máy vi tính - CPU 8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit - Công ty sản xuất CPU – Intel, AMD, Cyrix, IBM, HP 48
  49. 2.1. Bộ vi xử lý (CPU) Central Processing Unit - CPU Control Block ALU I/O devices Main Registers Disk Printer memory Bus Tổ chức máy tính theo hướng BUS đơn giản 49
  50. 2.1. Bộ vi xử lý (CPU)  Các thông số chính – Hãng sản xuất và model (Processor make and model) – Dạng Socket (Socket type): Socket 370 Socket 478 Socket 775 – Tốc độ đồng hồ xung (Clock Speed - CS) – Tốc độ đường truyền chủ (host-bus speed, front-side bus (FSB) ) – Kính thước bộ nhớ đệm (Cache size) 50
  51. Các loại Socket Khả năng Socket CPU gốc CPU có thể nâng cấp nâng cấp Celeron, Celeron D, 478 có Celeron D, Pentium 4 Pentium 4 754 tốt Sempron, Athlon 64 Sempron, Athlon 64 Celeron D, Pentium 4, Celeron D, Pentium 4, 775 rất tốt DuoCore, Core2Duo Pentium D Athlon 64, Athlon 64/FX, 939 rất tốt Athlon 64, Athlon 64/FX Athlon 64 X2 940 rất tốt Athlon 64 FX, Opteron Athlon 64 FX, Opteron 51
  52. 2.1. Bộ vi xử lý (CPU) AMD ATHLON 64 x2 - Bus Socket AM2 2x1152KB 140/ 5200+ (2.6) 2000 73 AMD ATHLON 64 x2 - Bus Socket AM2 2x1152KB 162/ 5600+ (2.8) 2000 97 AMD ATHLON 64 x2 - Bus 183/ Socket AM2 2x1152KB 6000+ (3.0) 2000 101 INTEL P 4 925 – 3.0D Bus Socket 775 2x2MBK 77/69 GHz. 800 INTEL Duo Core- 1M Duo Bus Socket 775 100/62 E2180(2.0GHz) Core 800 INTEL Core2 Duo- 2M Core 2 Bus Socket 775 151 E4500(2.2GHz) Duo 800 INTEL Core2 Duo- 4M Core 2 Bus Socket 775 182 E6320(1.86GHz) Duo 1066 INTEL Core2 Duo- 4M Core 2 Bus Socket 775 202 E6420(2.13GHz) Duo 1066 52
  53. 2.1. Bộ vi xử lý (CPU) VÍ DỤ: P4 2.8Ghz (511)/Socket 775/ Bus 533/ 1024K/ Prescott CPU - P4 - CPU Pentium 4, 2.8 Ghz - tốc độ xung đồng hồ của vi xử lý, 511 - chất lượng và vị thế của con CPU trong toàn bộ các sản phẩm thuộc cùng dòng. - Socket 775, chỉ loại khe cắm của CPU. - Bus 533, chỉ tốc độ "lõi" của đường giao tiếp giữa CPU và mainboard. - 1024K, chỉ bộ nhớ đệm của vi xử lý. Đây là vùng chứa thông tin trước khi đưa vào cho vi xử lý trung tâm (CPU) thao tác. - Prescott chính là tên một dòng vi xử lý của Intel. Dòng vi xử lý này có khả năng xử lý video siêu việt nhất trong các dòng vi xử lý cùng công nghệ của Intel. Tuy nhiên, đây là dòng CPU tương đối nóng, tốc độ xung đồng hồ tối đa đạt 3.8 Ghz. 53
  54. 2.1. Bộ vi xử lý (CPU)  Sự khác biệt cơ bản giữa AMD và Intel – a) Cách đặt tên • AMD: Athlon 64 X2 4800+, Athlon X2 BE-2350 [2 ký tự biểu thị nhóm]-[ký tự biểu thị dòng][3 ký tự biểu thị model] • Intel : Pentium 4 3GHz , Pentium 4 630, Core2 Duo-E4500 – b)Các công nghệ tiêu biểu Bố trí memory kiểu AMD Bố trí memory kiểu Intel 54
  55. 2.1. Bộ vi xử lý (CPU)  Sự khác biệt cơ bản giữa AMD và Intel – b)Các công nghệ tiêu biểu: • Memory Controller • HyperTransport • Hyper Threading – c) Tỏa nhiệt 55
  56. 2.2. Bản mạch chính (mainboard) - Bản mạch chính chứa đựng những linh kiện điện tử và những chi tiết quan trọng nhất của một máy tính cá nhân như: bộ vi xử lý CPU (central processing unit), hệ thống bus và các vi mạch hỗ trợ. Bản mạch chính là nơi lưu trữ các đường nối giữa các vi mạch, đặc biệt là hệ thống bus. -Chuẩn AT, ATX, BTX - Các loại Socket: 478, 775, 939 56
  57. 2.2. Mainboard 57
  58. 2.2. Mainboard  Form factor – ATX: 30,5 x 24,4 cm – MiniATX: 20,8 x 18,5 cm  Chipset Giao tiếp với CPU: - Slot - Socket (CPU Socket) 58
  59. 2.2. Mainboard AGP Slot 59
  60. 2.2. Mainboard  RAM slot – Công dụng: Dùng để cắm RAM và main. – Nhận dạng: Khe cắm RAM luôn có cần gạt ở 2 đầu. – Lưu ý: Tùy vào loại RAM (SDRAM, DDRAM, RDRAM) mà giao diện khe cắm khác nhau 60
  61. 2.2. Mainboard  PCI Slot – PCI - Peripheral Component Interconnect - khe cắm mở rộng – Công dụng: Dùng để cắm các loại card như card mạng, card âm thanh, – Nhận dạng: khe màu trắng sử nằm ở phía rìa mainboard. 61
  62. 2.2. Mainboard  PCI (màu trắng) và PCI Express x16 (màu đen) 62
  63. 2.2. Mainboard  IDE Header – Intergrated Drive Electronics - 40 chân, cắm các loại ổ cứng, CD – IDE1: chân cắm chính, để cắm dây cáp nối với ổ cứng chính – IDE2: chân cắm phụ, để cắm dây cáp nối với ổ cứng thứ 2 hoặc các ổ CD, DVD  SATA 63
  64. 2.2. Mainboard  ROM BIOS – Là bộ nhớ sơ cấp của máy tính. ROM chứa hệ thống lệnh nhập xuất cơ bản (BIOS - Basic Input Output System) để kiểm tra phần cứng, nạp hệ điều hành nên còn gọi là ROM BIOS. . 64
  65. 2.2. Mainboard  PIN CMOS – Là viên pin 3V nuôi những thiết lập riêng của người dùng như ngày giờ hệ thống, mật khẩu bảo vệ  Power Connector. Dây nối với vỏ máy (case) 65
  66. 2.2. Mainboard  Bên ngoài của mainboard VÍ DỤ: Mainboard :ASUS Intel 915GV P5GL-MX, Socket 775/ s/p 3.8Ghz/ Bus 800/ Sound& Vga, Lan onboard/PCI Express 16X/ Dual 4DDR400/ 3 PCI/ 4 SATA/ 8 USB 2.0. 66
  67. Ví dụ về mainboard Chip INTEL 945G S/P775 3.8Ghz Bus 1066, ASUS P5L-VM PCI Ex16X,, 2PCI & PCI Ex 1X ATA 100, 4 1394 36 SataII(3Gb/s), 4DDR2-667, VGA+ 98 (s/p Core 2 T Sound(8ch)+Lan1G Onboard 8USB 2.0, 2IEEE Duo) 1394a Chip INTEL P965, S/P 775 3.8Ghz, Bus1333, ASUS P5B PCI Ex 16X, 3PCI & 3PCI Ex 1X, ATA 133, 36 (s/p Core 2 4SataII 3Gb/s, 1Sata II (3Gb) Raid (0,1,JBOD), 118 T Duo) Ext Sata II (3Gb/s) 4DDR2-800, Sound(8ch)+ Lan 1G Onboard, 10USB2.0 Chip INTEL P35/ICH9, S/P 775 3.8Ghz, ASUS P5K SE Bus1333, 1xPCI Ex 16X, 2PCI & 3xPCI Ex 36 (s/p Core 2 Duo- 1X, ATA 133, 4SataII 3Gb/s, Ext Sata II 110 T Core 2 Quad) (3Gb/s) 4DDR2-1066(DC), Sound(8ch)+ Lan 1G Onboard, 12 USB 2.0 67
  68. 2.3. Ổ mềm (FDD) OÅ ñóa meàm bao goàm phaàn cô khí vaø phaàn ñieän töû ñieàu khieån ñoäng cô, cuõng nhö boä phaän ghi ñoïc vaø giaûi maõ. Ñóa phaûi quay chính xaùc(300 hoaëc 360 voøng/phuùt vôùi sai soá1- 2%). Noù khaû naêng ñònh vò ñaàu töø chính xaùc vaøi micro meùt trong tôøi gian raát ngaén vaøi mili giaây 68
  69. 2.3. Ổ mềm (FDD) Có 2 loại đĩa mềm: 5,25 inch và 3,5 inch. Cả hai đều có thể tích hợp mật độ ghi thấp (Low Density - LD), hoặc cao (High Density - HD). Đặc tính LD 5,25 HD 5,25 LD 3,5 HD 3,5 Kính thước 5,25 5,25 3,5 3,5 Dung lượng 360Kbyte 1,2 MB 720 Kbyte 1,44MB Số đường 40 80 80 80 Số sector trong 1 đường 9 15 9 18 Số đầu đọc 2 2 2 2 Số vòng quay/ 1 phút 300 300 300 300 Tốc độ truyền dữ liệu 250 500 250 500 Kbit/s Những thông số chính của 4 loại đĩa mềm 69
  70. 2.3. Ổ cứng (HDD) Ðĩa cứng được làm từ vật liệu nền cứng như nhôm, thủy tinh hay gốm. Lớp vật liệu nền được phủ một lớp tiếp xúc bám (nickel) phía trên lớp tiếp xúc bám là màng từ lưu trữ dữ liệu (Cobalt). Bề mặt trên cùng được phủ một lớp chống ma sát (graphit hay saphia ). Thời gian truy nhập được phân loại như sau: - Chậm: t > 40ms, - Trung bình: 28ms < t < 40ms. - Nhanh: 18ms < t <28ms. - Cực nhanh: t < 18ms. 70
  71. 2.3. Ổ cứng (HDD) Cấu tạo của HDD 71
  72. 2.3. Ổ cứng (HDD) Nguyên tắc hoạt động của đĩa cứng hoàn toàn tương tự đĩa mềm. Ðiểm khác nhau căn bản là đĩa cứng có dung lượng lưu trữ lớn hơn nhiều so với đĩa mềm. Các thông số chính: -Tốc độ quay - dung lượng - tốc độ đọc/ghi 72
  73. 2.3. Ổ cứng (HDD) Ví dụ các thông số chính của HDD Các chuẩn giao tiếp đĩa cứng thông dụng . Intergrated Drive Electronics (IDE) . Small Computer System Interface (SCSI) . Serial ATA (SATA) 73
  74. 2.4. Ổ CD, CDR/W, DVD và DVD R/W Thông tin dược lưu trữ trên đĩa quang dưới dạng thay đổi tính chất quang trên bề mặt đĩa. Tính chất này được phát hiện qua chất lượng phản xạ một tia sáng của bề mặt đĩa. Tia sáng này thường là một tia LASER với bước sóng cố định (790nm đến 850nm). Bề mặt đĩa được thay đổi khi ghi để có thể phản xạ tia laser tốt hoặc kém. • CD-ROM (compact disk read only memory): • CD-R(RECORDABLE COMPACT DISK) • CD-WR (writeable/readable compact disk) • DVD (Digital versatile disc) và DVD R/W Các tốc độ đọc/ghi: 24X, 32X, 48X, 52X 74
  75. 2.6. Bộ nhớ RAM và ROM  RAM (Random Access Memory) – Lưu trữ những chỉ lệnh của CPU, những ứng dụng đang hoạt động, những dữ liệu mà CPU cần – Đặc trưng: • Dung lượng tính bằng MB, GB. • Tốc độ truyền dữ liệu (Bus) tính bằng Mhz. – Phân loại: • Giao diện SIMM - Single Inline Memory Module. • Giao diện DIMM - Double Inline Memory Module  Các tế bào nhớ (storage cell):  RAM slot  Interface 75
  76. 2.6. Bộ nhớ RAM và ROM  Các loại DIMM thông dụng hiện nay: – SDRAM • Nhận dạng: SDRAM có 168 chân, 2 khe cắt ở phần chân cắm. • Tốc độ (Bus): 100Mhz, 133Mhz. • Dung lượng: 32MB, 64MB, 128MB -DDRAM: -184 chân, chỉ có 1 khe cắt ở giữa phần chân cắm. - Tốc độ (Bus): 266 Mhz, 333Mhz, 400Mhz - Dung lượng: 128MB, 256MB, 512MB 76
  77. 2.6. Bộ nhớ RAM và ROM  DDRAM2 – Tốc độ gấp đôi DDRAM, – không dùng được khe DDRAM. – Tốc độ (Bus): 400 Mhz – Dung lượng: 256MB, 512MB  RDRAM – 184 chân, có 2 khe cắt gần nhau ở phần chân cắm. – bọc tôn giải nhiệt – Tốc độ (Bus): 800Mhz. – Dung lượng: 512MB 77
  78. 2.7. Bàn phím (Keyboard) Bàn phím (keyboard) - Thông dụng nhất là các loại MF 101, MF102 - Các cổng bàn phím: COM, PS/2, USB  Phân loại: – Theo dạng cổng: • Bàn phím cắm cổng PS/2. • Bàn phím cắm cổng USB • Bàn phím không dây. – Theo tính chất: • Phím cảm biến điện trở • Phím cảm biến điện dung • Phím cảm biến điện từ 78
  79. 2.7. Bàn phím (Keyboard)  Bàn phím chuẩn của Microsoft 79
  80. 2.8. Chuột (mouse)  Phân loại – Theo nguyên lý: • cơ, • quang • cơ quang – Theo cổng giao tiếp: • LPT, • COM, • PS/2, • USB • Không dây – Sóng radio – Bluetooth – RFID Chuột cơ 80
  81. 2.8. Chuột (mouse)  Chuột quang – Nguyên lý hoạt động Chuột laser: - Giới thiệu năm 2004 - Logitech MX1000 81
  82. 2.9. Card màn hình (VGA Card) Các mốc lịch sử Năm Chuẩn ý nghĩa Kích thước Số màu 1981 CGA Colour Graphics Adaptor 640 x 200 Không, 160 x 200 16 1984 EGA Enhanced Graphics Adaptor 640 x 350 6 VGA Video Graphics Array 640 x 480 16 320 x 200 256 1987 XGA Extended Graphics Array 800 x 600 16.7 triệu 1024x768 65536 1990 SXGA Super Extended Graphics 1280x 1024 65,536 UXGA Array 1600 x 1200 65,536 Ultra XGA 82
  83. 2.9. Card màn hình (VGA Card)  Dung lượng bộ nhớ video và khả năng hiển thị màn hình Dung lượng bộ Kích thước màn Chiều sâu số màu nhớ hình màu 1 Mb 1024x768 8-bit 256 800 x 600 16-bit 65,536 2Mb 1024 x 768 8-bit 256 1284 x 1024 16-bit 65,536 800x600 24-bit 16.7 million 4Mb 1024x768 24-bit 16.7 million 6Mb 1280x1024 24-bit 16.7 million 8Mb 1600x1200 32-bit 16.7 million 83
  84. 2.9. Card màn hình (VGA Card)  Bộ gia tốc (accelerator)  Bộ vi xử lý đồ họa GPU(Graphics Processing Unit)  Bộ nhớ video (VRAM)  Bộ Chuyển số/tưong tự RAMDAC 84
  85. 2.9. Card màn hình (VGA Card)  VGA AGP 4x 85
  86. 2.9. Card màn hình (VGA Card)  Công ty sản xuất GPU – ATI (AMD), nVIDIA  Các thông số – VRAM: 64MB?128MB? – DVI-out, S-Video out/in, Firewire (IEEE 1394) – Dual display hay Dual head – Quadro Plex 1000 của Nvidia được bán với giá 18.000USD 128MB ASUS DVI, Ati EAX1300HM TD/ 16X 64bit Out PCI 57 RX1300 512 TV Express 256MB ASUS Geforce 64bit DVI, PCI 16X 76 EN7300GS/HTD 7300GS DDR2 Out TV Express 256MB ASUS Radeon 128bit DVI, PCI 16X 75 EAX1550/TD RX1550 DDR2 Out TV Express 86
  87. 2.10. Màn hình (Monitor)  Các loại màn hình: – Màn hình tia âm cực (CRT - cathode ray tube), – Màn hình tinh thể lỏng (LCD - liquid crystal display), – Màn hình plasma (PD - plasma display), – Màn hình công nghệ mới:LED, Laser, SED, OLED  Các đặc tính chung: – Vùng hiển thị hình ảnh (Viewable area) – Ðộ phân giải (Resolution )- Số lượng các điểm trên trục ngang và dọc 640x480, 1024x768, 1280x1024 – Mật độ điểm ảnh - số điểm ảnh trên một đơn vị chiều dài (dpi - dot per inch). 87
  88. 2.10. Màn hình (Monitor) Các đặc tính chung (tt): – Khoảng cách giữa tâm các điểm ảnh (Dot pitch): 0.28mm, 0.27mm, 0.26mm, 0.25mm, – Độ sâu của màu (Colour Depth): 16,8 triệu màu, 65.000 màu, – Tốc độ làm tươi hình ảnh hay tần số quét của màn hình (Refresh Rate): 50 Hz, 60 Hz, 72 Hz, 85 Hz, 90 Hz, 100 Hz ). – Tỉ số giữa chiều rộng và chiều cao (Respect ratio): 4:3 – Power Consumption: công suất tiêu thụ điện của màn hình  Ðộ phân giải được phân loại như sau: • Phân giải thấp ( l20 dpi) 88
  89. 2.10. Màn hình (Monitor) Kích thước màn hình thường là 640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024, . Một màu bất kỳ có thể biểu diễn qua ba màu cơ bản: đỏ, xanh lục, xanh nước biển tuỳ theo độ đậm nhạt (gray scale). Ðộ sâu màu (color depth) là số màu có thể hiển thị được cho một điểm ảnh. Tuỳ theo số bit được dùng để hiển thị màu ta phân loại màn hình theo màu như sau: • Ðen trắng 1 bit (2 màu), • Màu CGA 4 bit (16 màu), • Màu giả (pseudo color) 8 bit (256 màu), • Màu cao(high color) 16 bit, • Màu thật (true color) 24 bit • Màu siêu thật (highest color) 32 bit 89
  90. 2.10. Màn hình (Monitor)  Cấu tạo màn hình CRT 90
  91. 2.10. Màn hình (Monitor)  Ánh sáng phân cực: Ánh sáng phân cực là ánh sáng chỉ có một phương dao động duy nhất, gọi là phương phân cực.  Kính lọc phân cực: là loại vật liệu chỉ cho ánh sáng phân cực đi qua. Lớp vật liệu phân cực có một phương đặc biệt gọi là quang trục phân cực  Tinh thể lỏng: – Không có cấu trúc mạng tinh thể cố định như các vật rắn, – Các phân tử có thể chuyển động tự do trong một phạm vi hẹp như một chất lỏng. – Các phân tử trong tinh thể lỏng liên kết với nhau theo từng nhóm – Giữa các nhóm có sự liên kết và định hướng nhất định, – Cấu trúc của chúng có phần giống cấu trúc tinh thể. 91
  92. 2.10. Màn hình (Monitor)  Cấu tạo màn hình LCD – 1-lớp kính lọc phân cực có quang trục phân cực dọc, – 2-tấm thủy tinh mỏng, – 3-lớp tinh thể lỏng, – 4-tấm thủy tinh mỏng, – 5-lớp kính lọc phân cực có quang trục phân cực ngang, – 6- lớp đèn nền, cung cấp ánh sáng nền Các lớp cấu tạo màn hình LCD 92
  93. 2.10. Màn hình (Monitor)  Các điểm cần chú ý khi mua LCD – 1. Kích thước màn hình (screen size): 17” CRT ~ 15” LCD. – 2. Độ phân giải (resolution) – Tốc độ làm tươi (refresh rate): 60Hz, 75Hz – Tần số đáp ứng (response rate): 25ms = 9ms (rising) + 16ms (falling), 20ms, 16ms. – Độ tương phản (contrast):200:1 tới 700:1 – Góc nhìn (viewing angles): theo chiều dọc và ngang, nên chọn trên 160 độ – Giao tiếp tương tự (D-Sub) và giao tiếp số (DVI) – Độ sáng (brightness): 50-60 đến 100% 93
  94. 2.11. Card mạng & Modem Card mạng (Network adapter) Dùng để kết nối 1 máy tính vào 1 mạng LAN Modem Kết nối máy tính với Internet thông qua đường dây điện thoại 94
  95. Ví dụ máy tính bộ & notebook ROBO VICTOR-VB 12.130.000 VNĐ - Mainboard chipset Intel P35, Sound & Lan Onboard, Bus 1333, USB 2.0, PCI Express, 4 SATA-II, 4 DDR2-1066. - CPU Intel Core Quad E4400 (2.0GHz). - DDR-II 1GB x 2 = 2GB - Bus 667. - HDD 250.0GB SATA-II (ATA/300, 7200rpm). - VGA Palit Geforce 8600GT 256MB/DDR3 - Monitor LCD 15". - Case ROBO ATX 450W. - Keyboard & Mouse ROBO PS/2. - DVD COMBO 16X. LX.AXMOC.026 DDRII 128MB Acer 5573 Centrino Core 1GB Gforce DVD RW AWXMi Duo 160GB 5.1 Webcam T2350 2x1.86Ghz SATA Reader 2.4Kg 6cell Vista 14” WXGA 10/100 Bluetooth Home 999 Mirror 56K -WL Finger print Pre Webcam 95
  96. Chương 3 – Biểu diễn dữ liệu 3.1. Khái niệm thông tin 3.2. Lượng thông tin và sự mã hóa thông tin 3.3. Hệ thống số 3.4. Các phép tính số học cho hệ nhị phân 3.5. Số quá n (excess-n) 3.6. Cách biểu diễn số với dấu chấm động 3.7. Biểu diễn số BCD 3.8. Biểu diễn các ký tự 96
  97. Mục tiêu  Hiểu các hệ cơ số thông dụng và cách chuyển đổi.  Hiểu phương pháp biểu diễn số nguyên và số chấm động.  Hiểu các phương pháp tính đơn giản với các số.  Hiểu các phương pháp biểu diễn số BCD và ký tự 97
  98. Hình dung về “biểu diễn dữ liệu”  Mọi thứ trong máy tính đều là 0 và 1  Thế giới bên ngoài có nhiều khái niệm như con số, chữ cái, hình ảnh, âm thanh,  → biểu diễn dữ liệu = quy tắc “gắn kết” các khái niệm trong thế giới thật với một dãy số 0 và 1 trong máy tính 98
  99. 3.1. Khái niệm thông tin  Dùng các tín hiệu điện thế  Phân thành các vùng khác nhau 5 V Nhị phân 1 2 V Không sử 0.8 V dụng Nhị phân 0 0 V Hình 3.1. Biểu diễn trị nhị phân qua điện thế 99
  100. 3.2. Lượng thông tin và sự mã hoá thông tin  Thông tin được đo lường bằng đơn vị thông tin mà ta gọi là bit.  Lượng thông tin được định nghĩa bởi công thức: I = Log2(N) – Trong đó: • I: là lượng thông tin tính bằng bit • N: là số trạng thái có thể có – Ví dụ, để biểu diễn một trạng thái trong 8 trạng thái có thể có, ta cần một số bit ứng với một lượng thông tin là: I = Log2(8) = 3 bit 100
  101. 3.3. Hệ Thống Số  Dạng tổng quát để biểu diễn giá trị của một số: n 1 i Vk bi .k i m – Trong đó: • Vk: Số cần biểu diễn giá trị • m: số thứ tự của chữ số phần lẻ (phần lẻ của số có m chữ số được đánh số thứ tự từ -1 đến -m) • n-1: số thứ tự của chữ số phần nguyên (phần nguyên của số có n chữ số được đánh số thứ tự từ 0 đến n-1) • bi: giá trị của chữ số thứ i • k: hệ số (k=10: hệ thập phân; k=2: hệ nhị phân; ). 101
  102. 3.3. Hệ Thống Số  Các hệ đếm (cơ số) thông dụng – Thập phân (Decimal) • 10 chữ số : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 – Nhị phân (Binary) • 2 chữ số: 0, 1 – Bát phân (Octal) • 8 chữ số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 – Thập lục phân (Hexadecimal) • 16 chữ số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E. – A=10, B=11, C=12, D=13, E=14, F=15 102
  103. Chuyển đổi từ cơ số 10 sang b  Quy tắc: Chia số cần đổi cho b, lấy kết quả chia tiếp cho b cho đến khi kết quả bằng 0. Số ở cơ số b chính là các số dư (của phép chia) viết ngược.  Ví dụ: 41 ÷ 2 = 20 dư 1 20 ÷ 2 = 10 dư 0 10 ÷ 2 = 5 dư 0 5 ÷ 2 = 2 dư 1 2 ÷ 2 = 1 dư 0 1 ÷ 2 = 0 dư 1 4110 = 1010012 103
  104. Chuyển đổi hệ 10 sang Nhị phân Quy tắc: Người ta chuyển đổi từng phần nguyên và lẻ theo quy tắc sau Phần nguyên: Chia liên tiếp phần nguyên cho 2 giữ lại các số dư, Số nhị phân được chuyển đổi sẽ là dãy số dư liên tiếp tính từ lần chia cuối về lần chia đầu tiên. Phần lẻ: Nhân liên tiếp phần lẻ cho 2, giữ lại các phần nguyên được tạo thành. Phần lẻ của số Nhị phân sẽ là dãy liên tiếp phần nguyên sinh ra sau mỗi phép nhân tính từ lần nhân đầu đến lần nhân cuối 104
  105. Chuyển đổi hệ 10 sang Nhị phân Ví dụ: Chuyển sang hệ Nhị phân số: 13,6875 Thực hiện: Phần nguyên: 13:2 = 6 dư 1 6:2 = 3 dư 0 3:2 = 1 dư 1 1:2 = 0 dư 1 Phần nguyên của số Nhị phân là 1101 Phầnlẻ: 0,6875 x 2 = 1,375 Phần nguyên là 1 0,375 x 2 = 0,750 Phần nguyên là 0 0,750 x 2 = 1,500 Phần nguyên là 1 0,5 x 2 = 1,00 Phần nguyên là 1 Phần lẻ của số Nhị phân là: 0,1011 Ta viết kết quả là: (13,6875)10 = (1101,1011)2 105
  106. Chuyển đổi từ cơ số 10 sang b  Quy tắc: Chia số cần đổi cho b, lấy kết quả chia tiếp cho b cho đến khi kết quả bằng 0. Số ở cơ số b chính là các số dư (của phép chia) viết ngược.  Ví dụ: 41 ÷ 16 = 2 dư 9 2 ÷ 16 = 0 dư 2 4110 = 2916 106
  107. Ví dụ: Chuyển số (3287,5100098)10 sang Cơ số 8.  Phần nguyên: 3287:8 = 410dư 7 410:8 = 51 dư 2 51:8= 6 dư 3 6:8 = 0 dư 6 Vậy (3287)10=(6327)8  Phần lẻ: 0,5100098x8 = 4,0800784 phần nguyên là 4 0,0800784x8= 0,6406272 phần nguyên là 0 0,6406270x8= 5,1250176 phần nguyên là 5 0,1250176x8= 1,0001408 phần nguyên là 1 Vậy (0,5100098)10=(0,4051)8 Kết quả chung là: (3287,5100098)10 =(6327,4051)8 107
  108. Chuyển đổi hệ 2 sang hệ 10 Ví dụ: Chuyển đổi sang hệ Thập phân số: m = 1101,011 Thực hiện: Ta lập tổng theo trọng số của từng Bit nhị phân: m = 1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20 + 0.2-1 + 1.2-2 + 1.2-3 m = 8 + 4 + 0 + 1 + 0 + 1/4 + 1/8 m = 13,075 108
  109. Chuyển đổi cơ số 2-8-16  Quy tắc: Từ phải sang trái, gom 3 chữ số nhị phân thành một chữ số bát phân hoặc gom 4 chữ số nhị phân thành một chữ số thập lục phân 109
  110. Ví dụ: Chuyển số M = (574,321)8 sang biễu diễn nhị phân. Thực hiện: Thay mỗi chữ số bằng nhóm nhị phân 3 bit tương ứng: M = 101 111 100 , 011 010 001 5 7 4 3 2 1 Ví dụ: Chuyển số M = (1001110,101001)2 sang cơ số 8. Thực hiện: M = 1 001 110 , 101 001 M = 1 1 6 , 5 1 M = (116,51)8 110
  111. Số bù  Quy tắc chung (r: cơ số, n: số chữ số) – Bù (r-1) của N = (rn – 1) – N – Bù r của N = rn – N • Bù r của (bù r của N) = N • Nhận xét: Có tính chất giống – (– N) = N  Đối với hệ nhị phân: – Bù 1 = đảo n bit của N • Bù 1 của (1100) = 0011 – Bù 2 = bù 1 + 1 • Bù 2 của (1100) = 0011 + 1 = 0100 • Mẹo: giữ nguyên các số 0 bên phải cho đến khi gặp số 1, sau đó đảo 1100 0100 111
  112. Số quá n (excess-n) 0 1 2 3 4 5 6 7 Nguyên dương 000 001 010 011 100 101 110 111 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Quá 3 000 001 010 011 100 101 110 111 Quy tắc chung: Biểu diễn quá n của N = biểu diễn nguyên dương của (N + n) Ví dụ: Biểu diễn (quá 127) của 7 là: 127+7 = 134 = 100001102 112
  113. Cộng trừ số nhị phân nguyên  Quy tắc: -A = bù 2 của A  A – B = A + (-B) = A + (bù 2 của B)  Ví dụ: 13 – 6 = 13 + (-6) -Nếu số nhớ cuối cùng là 1 thì số đó là số dương. Kết quả là 6 = 00000110 những bit không kể đến bit -6 = 11111010 nhớ cuối cùng đó. 13 = 00001101 - Nếu số nhớ cuối cùng bằng 0 = 100000111 (7) (không có nhớ) thì số đó là số âm và dãy bit mới chỉ là bù 2 của kết quả. Muốn có kết quả Bỏ bit tràn (nếu có) thật ta lấy Bù 2 một lần nữa Số nhớ là 1 => kết quả là số dương, ta bỏ qua số nhớ không ghi trong số kết quả 113
  114. Cộng trừ số nhị phân nguyên  Các ví dụ: Ta thực 0111 chuyển 0111 hiện: thành -0101 +1011 (Số bù 2 của 0101) 10010 Suy ra kết quả là 0010 Ta thực hiện: 0101(5) Chuyển 0101 thành -0111(-7) +1001 (Số bù 2 của 0111) 1110 114
  115. BCD (Binary Coded Decimal)  Biểu diễn một chữ số thập phân bằng 4 chữ số nhị phân (ít dùng) 0 = 0000 1 = 0001 9 = 1001 27 0010 0111 + 36 0011 0110 63 0101 1101 Ký số vượt quá => kết quả sai 0000 0110 Sửa sai kết quả 0110 0011 Kết quả = 63 115
  116. Ví dụ tính toán với BCD 28 0010 1000 + 59 0101 1001 87 1000 0001 Có nhớ 1 => kết quả sai 0000 0110 Sửa sai kết quả 1000 0111 Kết quả = 87 61 0110 0001 - 38 0011 1000 23 0010 1001 Ký số bên phải mượn 1 khi trừ 0000 0110 Sửa sai kết quả 0010 0011 Kết quả = 23 116
  117. Biểu diễn ký tự  Sử dụng bộ mã ASCII mở rộng (8 bit) – 00 – 1F: ký tự điều khiển – 20 – 7F: ký tự in được – 80 – FF: ký tự mở rộng (ký hiệu tiền tệ, vẽ khung, )  Ngày nay dùng bộ mã Unicode (16 bit) (UTF-8) 117
  118. Biểu diễn số nguyên có dấu  +2510 = 000110012  -2510 = 100110012  Một Byte (8 bit) có thể biểu diễn các số có dấu từ -127 tới +127.  Có hai cách biểu diễn số không là 0000 0000 (+0) và 1000 0000 (-0). 118
  119. Biểu diễn chấm động  F = (-1)S × M × RE – S: dấu – M: định trị – R: cơ số – e: mũ  Ví dụ: 2006 = (-1)0 × 2.006 × 103 119
  120. Biểu diễn chấm động  Biểu diễn chấm động được gọi là chuẩn hóa khi phần định trị chỉ có duy nhất một chữ số bên trái dấu chấm thập phân và chữ số đó khác không → một số chỉ có duy nhất một biểu diễn chấm động được chuẩn hóa. 2.006 × 103 (chuẩn) 20.06 × 102 (không) 0.2006 × 104 (không) 120
  121. Biểu diễn chấm động trên hệ nhị phân  Sử dụng dạng chuẩn hóa  Dùng 1 bit cho phần dấu: 0-dương, 1-âm  Không biểu diễn cơ số (R) vì luôn bằng 2  Phần định trị chỉ biểu diễn phần lẻ (bên phải dấu chấm) vì chữ số bên trái dấu chấm luôn là 1 121
  122. Biểu diễn chấm động trên hệ nhị phân  Ví dụ: 31 30 23 22 0 – Dấu 1 bit – Mũ: 8 bit (từ bit 23 đến bit 30) là một số quá 127 (sẽ có trị từ -127 đến 128) – Định trị: 23 bit (từ bit 0 đến bit 22) 122
  123. Biểu diễn chấm động trên hệ nhị phân  Ví dụ:  209.812510 = 11010001.11012 = 1.10100011101 × 27 Biểu diễn (quá-127) của 7 là: 127+7 = 134 = 100001102 Kết quả: 31 30 23 22 0 0 10000110 1010001110100000000000 Lưu ý không có số 1 bên trái dấu chấm 123
  124. Chương 4 – Mạch Logic số 4.1. Cổng và đại số Boolean 4.1.1. Cổng (Gate) 4.1.2. Đại số Boolean 4.2. Bản đồ Karnaugh 4.3. Những mạch Logic số cơ bản 4.3.1. Mạch tích hợp (IC-Intergrate Circuit) 4.3.2. Mạch kết hợp (Combinational Circuit) 4.3.3. Bộ dồn kênh-bộ phân kênh 4.3.4. Mạch cộng (Adder) 4.3.5. Mạch giải mã và mã hóa 124
  125. 4.1. Cổng và đại số Boolean Cổng – cơ sở phần cứng, từ đó chế tạo ra mọi máy tính số Gọi là cổng luận lý vì nó cho kết quả lý luận của đại số logic như nếu A đúng và B đúng thì C đúng (cổng A AND B = C) Mạch số là mạch trong đó chỉ hiện diện hai giá trị logic. Thường tín hiệu giữa 0 và 1 volt đại diện cho số nhị phân 0 và tín hiệu giữa 2 và 5 volt – nhị phân 1. 125
  126. 4.1.1. Cổng (Gate)  Bộ chuyển đổi transistor – cổng (gate): Cực góp (collector), cực nền Cổng NAND (base), cực phát (emitter) b) a) Cổng INV (NOT) 2 +Vcc 2 2 Vout 1 Collector V1 1 2 Vout 1 2 3 Vin 1 V2 1 Emiter 3 3 Base GND U5 GND 126
  127. 4.1.1. Cổng (Gate)  Cổng NOR +Vcc 2 3 Vout 1 3 3 V1 2 V2 2 1 1 127
  128. Các cổng cơ bản của logic số  AND A  OR x  Inverter B  Buffer  NAND A B x  NOR 0 0 0  XOR (exclusive-OR)  NXOR 0 1 0 1 0 0 1 1 1 AND 128
  129. Các cổng cơ bản của logic số NAND OR NOR A A A x x x B B B A B x A B x A B x 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 129
  130. Các cổng cơ bản của logic số  Cổng INVERTER (NOT) và cổng XOR A x B A x A B f A x 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 130
  131. 4.1.2. Đại số Boolean (Boolean Algebra) - Đại số Boolean được lấy theo tên người khám phá ra nó, nhà toán học người Anh George Boole. - Đại số Boolean là môn đại số trong đó biến và hàm chỉ có thể lấy giá trị 0 và 1. -Đại số boolean còn gọi là đại số Logic 0 Logic 1 Sai Đúng chuyển mạch (switching algebra) Tắt Mở Thấp Cao Không Có Công Công tắc tắc đóng mở 131
  132. 4.1.2. Đại số Boolean (Boolean Algebra) Tên Dạng AND Dạng OR Định luật thống nhất 1A = A 0 + A = A Định luật không OA = O 1+ A = 1 Định luật Idempotent AA = A A + A = A Định luật nghịch đảo AA 0 A A 1 Định luật giao hoán AB = BA A + B = B + A Định luật kết hợp (AB)C = A(BC) (A+B)+C = A + (B+C) Định luật phân bố A + BC = (A + B)(A + C) A(B+C) = AB + AC Định luật hấp thụ A(A + B) = A A + AB = A Định luật De Morgan AB A B A B AB 132
  133. 4.1.2. Đại số Boolean (Boolean Algebra)  Quy tắc về phủ định: X X  Hàm Logic: y A OR B A B  Bảng chân trị (truth table) A B y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 133
  134. Phép toán OR và cổng OR  Bảng chân trị (truth table), ký hiệu phép toán, ký hiệu cổng A B x=A+B 0 0 0 A x 0 1 1 B 1 0 1 1 1 1  Phép toán cho 3 biến, 4 biến,  Phép toán AND, NOT, XOR 134
  135. Phép toán OR và cổng OR  Biểu đồ (Sơ đồ) thời gian. VD: A x B 135
  136. 4.1.2. Đại số Boolean (Boolean Algebra)  Phép toán AND với cổng AND  Phép toán INVerter (NOT) với cổng NOT  Phép toán XOR với cổng XOR  Ví dụ: – Xác định đầu ra x từ cổng AND, nếu các tín hiệu đầu vào có dạng hình 4.4: Hàm của n biến logic sẽ có 2n tổ hợp biến, 136
  137. 4.1.2. Đại số Boolean (Boolean Algebra)  Định lý DeMorgan AB A B A B AB  Dạng tổng quát: x1 x2 xn x1.x2 xn x1 x2 xn x1 x2 xn  Ví dụ: 137
  138. 4.1.2. Đại số Boolean (Boolean Algebra)  Các cổng tương đương từ định lý DeMorgan 138
  139. 4.1.2. Đại số Boolean (Boolean Algebra)  Một số ví dụ: – Đơn giản hàm Boolean – Đơn giản mạch – Thiết kế mạch A AND3 B C 1 AND3 OR3 NOT F 2 4 8 NOT AND2 9 3 F ABC ABC AC Đơn giản??? 139
  140. 4.1.2. Đại số Boolean (Boolean Algebra)  Ví dụ 1: Dùng bảng chân trị để biểu diễn hàm f = (A AND B) OR (C AND NOT B), vẽ sơ đồ mạch cho hàm f.  Ví dụ 2: Dùng Boolean Algebra đơn giản các biểu thức sau: a) y = A + AB b) y = A B D + A B D c) x = (A B)(A B) d) z (BC AD)(AB CD) 140
  141. 4.1.2. Đại số Boolean (Boolean Algebra)  Ví dụ 3: Để làm một bộ báo hiệu cho lái xe biết một số điều kiện, người ta thiết kế 1 mạch báo động như sau: Tín hiệu từ : Cửa lái Cửa lái: 1- cửa mở, Báo động Bộ phận đánh lửa Mạch 0 – cửa đóng; Logic Bộ phận đánh lửa: Đèn pha 1 – bật, 0 – tắt; Đèn pha: 1 – bật, 0 – tắt. 141
  142. 4.2. Bản đồ Karnaugh B Khái niệm: A 0 1 - Ô kế cận 0 0 1 - Các vòng gom chung 1 2 3 - Ô không xác định hay tùy định a) Bản đồ 2 biến f(A,B,C) = (0,2,4,5,6)  BC A 00 01 11 10 n khi gom 2 Ô kế cận sẽ loại được n 0 0 1 3 2 biến. Những biến bị loại là những biến khi ta đi vòng qua các ô kế cận 1 4 5 7 6 mà giá trị của chúng thay đổi. b) Bản đồ 3 biến 142
  143. 4.2. Bản đồ Karnaugh  Những điều cần lưu ý: – Vòng gom được gọi là hợp lệ – biểu diễn hàm Boolean theo dạng tổng các tích (dạng 1) hay theo dạng tích các tổng (dạng 2) – Các vòng phải được gom sao cho số ô có thể vào trong vòng là lớn nhất và nhớ là để đạt được điều đó, thường ta phải gom cả những ô đã gom vào trong các vòng khác 143
  144. 4.2. Bản đồ Karnaugh CD AB 00 01 11 10 00 0 1 3 2 01 4 5 7 6 11 12 13 15 14 10 8 9 11 10 c) Bản đồ 4 biến 144
  145. 4.2. Bản đồ Karnaugh  Ví dụ 1: Dùng bản đồ Karnaugh đơn giản hàm f(A,B,C) = (0,2,4,5,6)  Ví dụ 2: Dùng bản đồ Karnaugh rút gọn hàm f (A, B,C, D) (0,2,3,4,6,7,9,12,13) và vẽ sơ đồ mạch của hàm f dùng các cổng AND, OR và NOT.  Ví dụ 3: f (A, B,C, D) (0,1,2,3,4,6,7,8,9,10,11,13)  Ví dụ 4: Cực tiểu các hàm trên ở dạng tích các tổng 145
  146. 4.3. Những mạch logic số cơ bản Mạch tích hợp IC (Intergrated Circuit) Mạch kết hợp (Combinational circuit) Mạch Giải Mã & Mã Hóa Mạch Tuần Tự • Mạch số là mạch điện tử hoạt động ở hai mức cao và thấp. Thường biểu diễn trạng thái cao là 1, trạng thái thấp là 0. 146
  147. Mạch Tích hợp IC (Intergrated Circuit) Mạch Tích hợp Các linh kiện điện tử được gắn trên cùng một bản mạch và nối với nhau thông qua các đường khắc dẫn tín hiệu trên bản mạch này. Các mạch này ngày càng thu nhỏ lại gọi là mạch tích hợp – Integrated circuit (IC) IC được chia thành các loại dưới đây tùy thuộc vào khả năng chứa và sắp xếp các cổng trên cùng một chip gọi là mức tích hợp: Mạch SSI (cỡ nhỏ): 1-10 cổng Mạch MSI (trung bình): 10-100 cổng Mạch LSI (cỡ lớn): 100-100.000 cổng Mạch VLSI (rất lớn): > 100.000 cổng 147
  148. Một số vi mạch SSI 148
  149. CHIPCHIP Các IC được nén lại và đóng gói vào trong 1 vỏ bọc bằng gốm (Ceramic), hoặc chất dẻo có các chân ra ngoài gọi là CHIP. 149
  150. Các kiểu đóng gói CHIP  Dual Inline Package (DIP)  Pin Grid Array (PGA)  Plastic Quad Flat Pack 150
  151. Mạch kết hợp (tổ hợp) (Combinational circuit) 1. Định nghĩa Mạch kết hợp là tổ hợp các cổng luận lý kết nối với nhau tạo thành một bản mạch có chung một tập các ngõ vào và ra. n input m output Combinational variables variables circuit Lược đồ khối mạch kết hợp 151
  152. Combinational circuit 2. Các bước thiết kế mạch kết hợp  1. Xác định bài toán để đi đến kết luận có những đầu nhập, xuất nào  2. Lập bảng chân trị xác định mối quan hệ giữa nhập và xuất  3. Dựa vào bảng chân trị, xác định hàm cho từng ngõ ra  4. Dùng đại số boolean hoặc bản đồ Karnaugh để đơn giản các hàm ngõ ra  5. Vẽ sơ đồ mạch theo các hàm đã đơn giản. 152
  153. Bộ dồn kênh (Multiplexer)  Bộ dồn kênh hay còn gọi là mạch chọn kênh là mạch có chức năng chọn lần lượt 1 trong N kênh vào để đưa đến ngõ ra duy nhất c1 c2 y 0 0 x1 0 1 x2 1 0 x3 1 1 x4 153
  154. Bộ dồn kênh (Multiplexer)  Sơ đồ bộ dồn kênh 4 đầu vào, 1 đầu ra x1 x2 AND31 AND32 y x3 OR45 x4 AND33 AND34 c1 NOT 6 NOT 7 c2 154
  155. Bộ dồn kênh (Multiplexer) 8 đầu vào 155
  156. Bộ phân kênh (Demultiplexer) 156
  157. Mạch cộng (adder) bộ nửa cộng (half adder) A B Sum Carry A XOR 0 0 0 0 Sum 0 1 1 0 B 1 1 0 1 0 1 1 0 1 AND2 Carry 2 Bảng chân trị và mạch cho bộ nửa cộng 157
  158. Mạch cộng (adder)  Bộ cộng đầy đủ(Full Adder) 158
  159. Bộ cộng n bit 159
  160. Mạch giải mã và mã hóa  Mạch mã hoá (Encoder) 2n ngõ nhập  n ngõ xuất x7 x6 x5 x4 x3 x2 x1 x0 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 160
  161. Mạch giải mã và mã hóa  Phương trình logic tối giản:  A0 = x1 + x3 + x5 + x7  A1 = x2 + x3 + x6 + x7  A2 = x4 + x5 + x6 + x7 ENCODER 83 161
  162. Mạch giải mã (Decoder) n ngõ nhập  2n ngõ xuất . Nếu ngõ nhập có một số tổ hợp không dùng thì số ngõ ra có thể ít hơn 2n . Khi đó mạch giải mã gọi là mạch giải mã n-m, với m 2 n 162
  163. Mạch giải mã (Decoder)  phương trình logic tối giản B A U6 U5 INV INV y0 AB U1 2 1 3 y0 y1 AB AND2 y AB U2 2 2 1 3 y1 y3 AB AND2 U3 2 1 3 y2 AND2 U4 2 1 3 y3 AND2 163
  164. 3.2.Mạch Giải Mã & Mã Hóa Mạch giải mã 3-8 A B C D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 164
  165. Sơ đồ mạch giải mã 3-8 165
  166. 2. Mạch giải mã dùng cổng NAND U4 U10 D0 A0 INV E A1 A0 D0 D1 D2 D3 NAND3 U4 U11 D1 0 0 0 0 1 1 1 INV NAND3 0 0 1 1 0 1 1 A1 U12 0 1 0 1 1 0 1 D2 0 1 1 1 1 1 0 NAND3 U13 1 x x 1 1 1 1 U4 D3 E NAND3 INV Mạch giải mã 2-4 với cổng NAND 166
  167. Mở rộng mạch giải mã Trong trường hợp cần mạch giải mã với kích cỡ lớn ta có thể ghép 2 hay nhiều mạch nhỏ hơn lại để được mạch cần thiết Ký hiệu Decoder 24 167
  168. Chương 5 – Mạch Tuần tự 5.1. Xung đồng hồ 5.2. Mạch lật (chốt – latch) 5.2.1. Mạch lật SR (SR-latch) 5.2.2. Mạch lật D 5.2.3. Mạch lật IK 5.3.4. Mạch lật T 5.3. Mạch lật lề (Flip-flop) 5.4. Mạch tuần tự 168
  169. Xung đồng hồ h.a) Đồng hồ (clock) – bộ phát tần (impulse generator) - thời gian chu kỳ đồng hồ (clock cycle time) h.b – giản đồ thời gian của tín hiệu đồng hồ (4 tín hiệu thời gian cho các sự kiện khác nhau) Sự sinh tín hiệu đồng hồ không cân xứng?? 169
  170. Mạch lật (Chốt - Latch) Sơ đồ và ký hiệu chốt SR không dùng tín hiệu đồng hồ S R Q(t+1) 0 0 Q(t) No change 0 1 0 Clear to 0 1 0 1 Set to 1 1 1 X Indeterminate 170
  171. SR-latch b) Mạch lật SR dùng tín hiệu đồng hồ 171
  172. D latch D Q D Q(t+1) 0 0 Clear to 0 C Q 1 1 Set to 1 U1 2 U3 D 1 2 3 1 _ 3 Q AND2 NOR2 C U4 U2 2 U5 2 1 1 3 Q 2 1 3 NOR2 AND2 NOT 172
  173. JK latch  Từ mạch lật SR  Khắc phục nhược điểm của SR J K Q(t+1) J Q 0 0 Q(t) No change C Q 0 1 0 Clear to 0 K 1 0 1 Set to 1 1 1 Q (t) Complement 173
  174. T latch  Từ JK latch  Nối J với K T Q T Q(t+1) 0 Q(t) No change C Q 1 Q (t) Complement 174
  175. Mạch lật lề (Flip-flop)  Mạch lật kích thích bằng mức (level triggered),còn mạch lật lề kích thích bằng biên (edge triggered)  Flip-flop D với chuyển tiếp dương: D Q Clock C Q Output Chuyển tiếp lề cannot dương change 175
  176. Flip-flop D Biểu đồ trạng thái Time Đồ thị dạng tín hiệu 176
  177. Flip-flop D  Flip-flop D với chuyển tiếp âm D Q C Q 177
  178. 4. Bảng kích thích Bảng kích thích của bốn mạch lật lề Q(t) Q(t+1) S R D Q(t) Q(t+1) D SR 0 0 0 X 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 X 0 1 1 1 Q(t) Q(t+1) J K Q(t) Q(t+1) T JK 0 0 0 X 0 0 0 0 1 1 x T 0 1 1 1 0 x 1 1 0 1 1 1 X 0 1 1 0 178
  179. Mạch tuần tự Input Combinational Output circuit Flip-flops Clock  Qui trình thiết kế mạch tuần tự – Bước 1: Chuyển đặc tả mạch sang lược đồ trạng thái – Bước 2: lược đồ trạng thái => bảng trạng thái – Bước 3: Từ bảng trạng thái viết hàm cho các ngõ nhập của Flip-flops – Bước 4: vẽ sơ đồ mạch 179
  180. Ví dụ thiết kế mạch tuần tự  Thiết kế mạch tuần tự dùng mạch lật SR. Khi ngõ nhập x=0, trạng thái mạch lật lề không thay đổi, ngõ xuất y=0. Khi x=1, dãy trạng thái là 11,10,01,00 và lặp lại còn ngõ xuất y sẽ có giá trị là 1 khi số bit trạng thái mạch lật lề bằng 1 là lẻ, các trường hợp còn lại thì bằng 0. 180
  181. THANH GHI - Thanh ghi là một nhóm các mạch lật (mỗi mạch lưu 1 bit dữ liệu) và các cổng tác dộng đến chuyển tiếp của nó - Thanh ghi đơn giản nhất -chốt RS Sơ đồ, ký hiệu chốt RS S R Q(t+1) 0 0 Q(t) No change 0 1 0 Clear to 0 1 0 1 Set to 1 1 1 X Indeterminate 181
  182. I0 D Q A0 Clock CLK CLR • Thanh ghi nạp song song I1 D Q A1 CLK CLR I2 D Q A2 CLK CLR I3 D Q A3 Thanh ghi nạp song song CLK - Thanh ghi 4 bit CLR Clear 182
  183. Thanh ghi dịch 4 bit • Thanh ghi có khả năng dịch thông tin nhị phân theo một hoặc cả 2 hướng được gọi là thanh ghi dịch Serial input Serial D Q D Q D Q D Q output CLK CLK CLK CLK Clock • Serial input – cho dữ liệu đi vào • Serial ouput – cho dữ liệu ra • Clock – xung đồng hồ để điều khiển các thao tác dịch 183
  184. - IC Flip-Flop từ đó có thể tạo các thanh ghi 184
  185. BỘ NHỚ  Bộ nhớ (memory) là thành phần lưu trữ chương trình và dữ liệu trong máy tính.  Bit – Đơn vị cơ bản của bộ nhớ là số nhị phân, gọi là bit.  Địa chỉ bộ nhớ - Bộ nhớ gồm một số ô (hoặc vị trí), mỗi ô (cell) có thể chứa một mẩu thông tin. Mỗi ô gắn một con số gọi là địa chỉ (address), qua đó chương trình có thể tham chiếu nó. – Tất cả các ô trong bộ nhớ đều chứa cùng số bit. – Các ô kế cận có địa chỉ liên tiếp nhau.  Ô là đơn vị có thể lập địa chỉ nhỏ nhất -> chuẩn hóa ô 8 bit, gọi là byte. Byte nhóm lại thành từ (word) – hầu hết các lệnh được thực hiện trên từ. 185
  186. Tổ chức bộ nhớ 186
  187. Chương 6 – Kiến trúc bộ lệnh 6.1. Phân loại kiến trúc bộ lệnh 6.2. Địa chỉ bộ nhớ 6.3. Mã hóa tập lệnh 6.3.1. Các tiêu chuẩn thiết kế dạng thức lệnh 6.3.2. Opcode mở rộng 6.3.3. Ví dụ về dạng thức lệnh 6.3.4. Các chế độ lập địa chỉ 6.4. Bộ lệnh 6.4.1. Nhóm lệnh truyền dữ liệu 6.4.2. Nhóm lệnh tính toán số học 6.4.3. Nhóm lệnh Logic 6.4.4. Nhóm các lệnh dịch chuyển 6.4.5. Nhóm các lệnh có điều kiện và lệnh nhảy 6.5. Cấu trúc lệnh CISC và RISC 187
  188. 6.1. Phân loại kiến trúc bộ lệnh  kiến trúc ngăn xếp (stack),  kiến trúc thanh ghi tích lũy (Accumulator)  kiến trúc thanh ghi đa dụng GPRA(general-purpose register architecture). Ví dụ phép tính C = A + B được dùng trong các kiểu kiến trúc: 188
  189. Kiểu kiến trúc GPR  Ưu điểm – Dùng thanh ghi, một dạng lưu trữ trong của CPU có tốc độ nhanh hơn bộ nhớ ngoài – Trình tự thực hiện lệnh có thể ở mọi thứ tự – Dùng thanh ghi để lưu các biến và như vậy sẽ giảm thâm nhập đến bộ nhớ => chương trình sẽ nhanh hơn  Nhược điểm – Lệnh dài – Số lượng thanh ghi bị giới hạn  Ngăn xếp (Stack) ?  Thanh ghi tích luỹ (Accumulator Register) ? 189
  190. Kiểu kiến trúc thanh ghi đa dụng  lệnh có 2 toán hạng ADD A, B  lệnh có 3 toán hạng ADD A, B, C  Số toán hạng bộ nhớ có thể thay đổi từ 0 tới 3  Các loại toán hạng • thanh ghi-thanh ghi (kiểu này còn được gọi nạp - lưu trữ), • thanh ghi - bộ nhớ • bộ nhớ - bộ nhớ. 190
  191. 6.2. Địa chỉ bộ nhớ  Các khái niệm: – Memory, bit, cell, address, byte, word  Sắp xếp thứ tự byte – Có vấn đề gì không trong cách sắp xếp thứ tự byte 191
  192. 6.3. Mã hóa tập lệnh  Các trường mã hóa: – mã tác vụ (operation code): Opcode – Địa chỉ 192
  193. Các tiêu chuẩn thiết kế dạng thức lệnh  Có 4 tiêu chuẩn thiết kế: – Mã lệnh ngắn ưu việt hơn mã lệnh dài – Độ dài mã lệnh đủ đế biểu diễn tất cả phép toán mong muốn – độ dài word của máy bằng bội số nguyên của độ dài ký tự – số BIT trong trường địa chỉ càng ngắn càng tốt Ví dụ thiết kế máy với ký tự 8 bit và bộ nhớ chính chứa 216 ký tự + Ô nhớ kích thước 8 bit => trường địa chỉ cần 16 bit + Ô nhớ kích thước 32 bit => trường địa chỉ cần 14 bit 193
  194. Opcode mở rộng ví dụ một máy tính có lệnh dài 16 bit :  Lệnh (n+k) bit với opcode chiếm k bit và địa chỉ chiếm n bit. VD: 15 lệnh ba địa chỉ 194
  195. Opcode mở rộng  14 lệnh hai địa chỉ 195
  196. dạng thức lệnh PDP-11  Mã hóa lệnh trên máy PDP-11  tám cách trên PDP-11  opcode mở rộng có dạng x111  các lệnh một toán hạng – opcode 10 bit: 4 bit opcode và 6 bit của trường toán hạng nguồn – mode/register 6 bit 196
  197. Họ lntel 8088/80286/80386/Pentium  Dạng thức lệnh của các máy tính Intel: – Cấu tạo phức tạp – kế thừa từ nhiều thế hệ – bốn cách lập địa chỉ toán hạng (so với tám cách trên PDP-11) PREFIX byte: - LOCK prefix: để đảm bảo việc dành riêng vùng nhớ chia sẻ trong môi trường đa bộ xử lý - REPeat prefix: đặc trưng cho một chuỗi phép toán được lập đi lập lại 197
  198. Format lệnh Pentium 198
  199. Các chế độ lập địa chỉ  Địa chỉ tức thời – Immediate  Địa chỉ trực tiếp – Direct  Địa chỉ gián tiếp – Indirect  Địa chỉ thanh ghi – Register  Địa chỉ gián tiếp thanh ghi – Register inderect  Địa chỉ dịch chuyển – Displacement  Địa chỉ ngăn xếp - Stack 199
  200. Các chế độ lập địa chỉ 200
  201. Cách tính địa chỉ thực 201
  202. Các chế độ lập địa chỉ  Lập địa chỉ tức thời (Immediate Addressing): – OPERAND = A – MOV R1, #4  Lập địa chỉ trực tiếp (Direct Addressing): – EA = A  Lập địa chỉ gián tiếp (Indirect Addressing) – EA = (A) – một con trỏ (trong C++)  Lập địa chỉ thanh ghi (Register Addressing) – trỏ tới một thanh ghi – Các máy ngày nay được thiết kế có các thanh ghi vì lý do? 202
  203. Các chế độ lập địa chỉ  Địa chỉ gián tiếp thanh ghi (Register Indirect) – EA = (R)  Địa chỉ Địa chỉ dịch chuyển – Displacement – EA = A + (R)  Địa chỉ ngăn xếp – Stack – FILO (first in last out) 203
  204. VD: 204
  205. Ví dụ lệnh Add với tham chiếu bộ nhớ  Add R1, @(R3) 205
  206. 6.4. Bộ lệnh  Quá trình biên dịch ra ngôn ngữ máy 206
  207. Nhóm lệnh truyền dữ liệu  MOVE Ri, Rj  Một số ví dụ lệnh MOVE: 207
  208. Nhóm lệnh truyền dữ liệu  LOAD đích, nguồn – ví dụ: LOAD Ri, M (địa chỉ) // RiM[địa chỉ]  STORE đích, nguồn – ví dụ: STORE M(địa chỉ), Ri // M[địa chỉ] ←Ri 208
  209. Nhóm lệnh tính toán số học  ADD đích, nguồn // đích  đích + nguồn  SUB đích, nguồn // đích  đích – nguồn  Ví dụ: ADD AX, BX // AX AX + BX ADD AL,74H // AL  AL + [74H] SUB CL, AL // CL  CL – AL SUB AX, 0405H // AX  AX – 0405H 209
  210. Nhóm lệnh tính toán số học  Các lệnh tính toán số học cơ bản 210
  211. Nhóm lệnh logic  AND đích, nguồn  OR đích, nguồn  Ví dụ: AND AL, BL AL = 00001101B BL = 00110011B => AL = 00000001B 211
  212. Nhóm các lệnh dịch chuyển số học hoặc logic (SHIFT )  SRL (Shift Right Logical - dịch phải logic)  SLL (Shift Left Logical - dịch trái logic)  SRA (Shift Right Arithmetic - dịch phải số học)  SLA (Shift Left Arithmetic – dịch trái số học) 212
  213. Các lệnh dịch chuyển 213
  214. Các lệnh dịch chuyển 214
  215. Các lệnh có điều kiện và lệnh nhảy Nếu thì nếu không (IF THEN ELSE ) 215
  216. Các lệnh có điều kiện và lệnh nhảy Ví dụ: LOAD R1, #100 Loop: ADD R0, (R2)+ DECREMENT R1 BEQZ R1, Loop 216
  217. Cấu trúc lệnh CISC và RISC RISC CISC – Độ dài lệnh cố định (32 bit) – Kích thước tập lệnh thay đổi – Sử dụng kiến trúc load-store các lệnh xử – Giá trị trong bộ nhớ được dùng như như lý dữ liệu hoạt động chỉ trong thanh ghi và toán hạng trong các chỉ lệnh xử lý dữ liệu cách ly với các lệnh truy cập bộ nhớ – Có rất nhiều thanh ghi, nhưng hầu hết chỉ để – Một số lớn các thanh ghi đa dụng 32 bit sử dụng cho một mục đích riêng biệt nào đấy – Có một số ít lệnh (thường dưới 100 lệnh) – Có rất nhiều lệnh (khoảng 500) – Có một số ít các kiểu định vị – Có nhiều kiểu định vị (xem phần 6.3.4) – Có một số ít dạng lệnh (một hoặc hai) – Có nhiều dạng lệnh – Chỉ có các lệnh ghi hoặc đọc ô nhớ mới – Có nhiều lệnh khác cũng thâm nhập vào bộ thâm nhập vào bộ nhớ. nhớ được – Giải mã lệnh logic bằng kết nối phần cứng – Sử dụng rất nhiều code trong ROM giải mã – Thực thi chỉ lệnh theo cấu trúc dòng chảy các chỉ lệnh (xem hình 7.9 trong chương sau) – Các máy cũ phải tuần tự hết dòng lệnh này – Một lệnh thực thi trong 1 chu kì xung mới đến dòng lệnh khác nhịp – Cần nhiều chu kì xung nhịp để hoàn thành một lệnh 217
  218. Chương 7 – Tổ chức bộ xử lý 7.1. Tổ chức bộ xử lý trung tâm 7.2. Bộ điều khiển 7.3. Bộ thanh ghi 7.4. Đường đi dữ liệu (Datapath) 7.4.1. Tổ chức One-Bus 7.4.2. Tổ chức Two-Bus, Three-Bus 7.5. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy 7.6. Xử lý ngắt (Interrupt Handling) 7.7. Kỹ thuật ống dẫn (Pipeline) 218
  219. 7.1. Tổ chức bộ xử lý trung tâm  đòi hỏi ở bên trong CPU: – Tìm nạp lệnh (Fetch Instruction) – Diễn giải lệnh (Interpret Instruction) – Tìm nạp dữ liệu (Fetch data) – Xử lý dữ liệu (Process data) – Ghi dữ liệu (Write data) 219
  220. Cấu trúc bên trong của CPU 220
  221. 7.2. Bộ điều khiển  Bộ điều khiển mạch điện tử – nguyên lý hoạt động như một mạch tuần tự hay Automate (mạch tự động hóa) trạng thái hữu hạn – Ưu điểm : • chỉ có một số hữu hạn các trạng thái • tối ưu để tạo ra chế độ nhanh cho tác vụ  Bộ điều khiển vi chương trình – dùng một vi chương trình lập sẵn nằm trong bộ nhớ điều khiển để khởi động dãy vi tác vụ theo yêu cầu. – dùng rộng rãi trong các bộ xử lý CISC 221
  222. 7.2. Bộ điều khiển  sơ đồ khối một bộ điều khiển cơ bản 222
  223. 7.2. Bộ điều khiển (tt)  Ví dụ điều khiển thực hiện một lệnh: ADD R0,R1,R2 Các bước thực hiện Cài đặt phần cứng 223
  224. 7.3. Bộ thanh ghi  Thanh ghi mục đích chung  Thanh ghi có mục đích đặc biệt  Chiều dài của thanh ghi  Số lượng thanh ghi  Thanh ghi truy cập bộ nhớ – Thanh ghi dữ liệu bộ nhớ (memory data register - MDR) – Thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (memory address regiater – MAR)  Thanh ghi chuyển tải lệnh – Bộ đếm chương trình (program counter – PC) – Thanh ghi lệnh (instruction register – IR)  Thanh ghi từ trạng thái của chương trình (program status word – PSW). 224
  225. Các thanh ghi họ 80x86 – Thanh ghi mục đích chung – Thanh ghi segment – Thanh ghi đếm chương trình PC và thanh ghi cờ trạng thái 225
  226. 7.4. Đường đi dữ liệu (Datapath)  Đường đi dữ liệu gồm có – bộ logic-số học (ALU: Arithmetic and Logic Unit), – các mạch dịch, – các thanh ghi – các đường nối kết các bộ phận trên  Nhiệm vụ chính của phần đường đi dữ liệu – đọc các toán hạng từ các thanh ghi tổng quát – thực hiện các phép tính trên toán hạng này trong ALU – lưu trữ kết quả trong các thanh ghi tổng quát 226
  227. 7.4.1. Tổ chức One-Bus Một BUS chỉ có thể sử dụng một dữ liệu di chuyển trong một chu kỳ đồng hồ => một phép toán có hai toán hạng cần hai chu kỳ đồng hồ 227
  228. 7.4.2. Tổ chức Two-Bus 228
  229. Three-Bus  Tổ chức đường truyền dữ liệu dạng three-bus 229
  230. 7.5. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy(CPU instruction cycle)  Việc thi hành một lệnh mã máy có thể chia thành 5 giai đoạn – Đọc lệnh (IF: Instruction Fetch) – Giải mã lệnh (ID: Instruction Decode) – Thi hành lệnh (EX: Execute) – Thâm nhập bộ nhớ trong hoặc nhảy (MEM: Memory access) – Lưu trữ kết quả (RS: Result Storing). 230
  231. Đọc lệnh  Đọc lệnh (fetch instruction): – Dữ liệu trong PC được load vào MAR: MAR ← PC – Giá trị trong thanh ghi PC tăng lên 1: PC ← PC+1 – Kết quả của lệnh đọc từ bộ nhớ, dữ liệu được load vào MDR: MDRM[MAR] – Dữ liệu trong MDR được load vào IR: IR ← M[MAR]  Thứ tự thực hiện lệnh theo thời gian đối với loại one-bus: 231
  232. Đọc lệnh - Giải mã lệnh  Thứ tự thực hiện lệnh theo thời gian đối với loại three-bus:  Giải mã lệnh và đọc các thanh ghi nguồn: – A ← Rs1 – B ← Rs2 – PC ← PC + 4 232
  233. Thi hành một lệnh số học đơn giản  Ví dụ: ADD R1,R2,R0  Các bước thi hành lệnh:  Trong cấu trúc one-bus và two-bus 233
  234. Thi hành một lệnh số học đơn giản  Ví dụ lệnh: ADD R0,X  Đối với cấu trúc one-bus Two-bus Three-bus 234
  235. 7.6. Xử lý ngắt (Interrupt Handling)  Ngắt là một sự kiện xảy ra một cách ngẫu nhiên trong máy tính và làm ngưng tính tuần tự của chương trình (nghĩa là tạo ra một lệnh nhảy)  ngắt quãng được dùng cho các công việc: – Ngoại vi đòi hỏi nhập hoặc xuất số liệu. – Người lập trình muốn dùng dịch vụ của hệ điều hành. – Cho một chương trình chạy từng lệnh. – Làm điểm dừng của một chương trình. – Báo tràn số liệu trong tính toán số học. – Trang bộ nhớ thực sự không có trong bộ nhớ. – Báo vi phạm vùng cấm của bộ nhớ. – Báo dùng một lệnh không có trong tập lệnh. – Báo phần cứng máy tính bị hư. – Báo điện bị cắt. 235
  236. 7.6. Xử lý ngắt (Interrupt Handling)  Khi một ngắt xảy ra, bộ xử lý thi hành các bước: – 1. Thực hiện xong lệnh đang làm. – 2. Lưu trữ trạng thái hiện tại. – 3. Nhảy đến chương trình phục vụ ngắt – 4. Khi chương trình phục vụ chấm dứt, bộ xử lý khôi phục lại trạng thái cũ của nó và tiếp tục thực hiện chương trình mà nó đang thực hiện khi bị ngắt.  Thực hiện các vi tác vụ khi ngắt 236
  237. 7.7. Kỹ thuật ống dẫn (PIPELINE)  Thực hiện lệnh trong kỹ thuật pipeline:  Một số ràng buộc trong pipeline – Cần phải có một mạch điện tử để thi hành mỗi giai đoạn của lệnh – Phải có nhiều thanh ghi khác nhau dùng cho các tác vụ đọc và viết – Cần phải giải mã các lệnh một cách đơn giản – Cần phải có các bộ làm tính ALU hữu hiệu để có thể thi hành lệnh số học dài nhất 237
  238. Những khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn  Khó khăn do cấu trúc  Khó khăn do điều khiển  Khó khăn do số liệu – ví dụ trường hợp các lệnh liên tiếp sau: Lệnh 1: ADD R1, R2, R3 Lệnh 2: SUB R4, R1, R5 Lệnh 3: AND R6, R1, R7 Lệnh 4: OR R8, R1, R9 238