giáo trình kiến trúc máy tính 2 - phan văn nghĩa

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑAØ LAÏT

F 7 G

GIAÙO TRÌNH

KIEÁN TRUÙC MAÙY TÍNH 02

PHAN VAÊN NGHÓA

1998

Kieán truùc maùy tính 02

MUÏC LUÏC

MUÏC LUÏC.......................................................................................................................... 2

CHÖÔNG 1: CAÁU TRUÙC CÔ BAÛN CUÛA PHAÀN CÖÙNG & PHAÀN MEÀM MAÙY TÍNH

............................................................................................................................................. 4

1.1 CAÙC THAØNH PHAÀN CUÛA MAÙY TÍNH ............................................................... 4

a) Thieát bò nhaäp (input device).................................................................................. 5

b) Boä nhôù (memory)................................................................................................... 5

c) Boä logic vaø soá hoïc (Arithmetic and logic unit - ALU) ........................................ 6

d) Thieát bò ra (output device)..................................................................................... 7

e) Boä ñieàu khieån (control unit - CU) ......................................................................... 7

1.2 HOAÏT ÑOÄNG CUÛA MAÙY TÍNH........................................................................... 7

1.3 CAÁU TRUÙC BUS .................................................................................................. 10

1.4 PHAÀN MEÀM (SOFTWARE) ................................................................................. 11

1.5 ÑAËC TRÖNG CUÛA MAÙY TÍNH ...................................................................... 13

1.6 ÑOÂI NEÙT VEÀ LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN CUÛA MAÙY TÍNH................................. 15

CHÖÔNG 2: BIEÅU DIEÃN SOÁ LIEÄU ............................................................................... 17

2.1 CAÙC LOAÏI SOÁ LIEÄU............................................................................................. 17

2.2 HEÄ THOÁNG SOÁ THAÄP PHAÂN (DECIMAL NUMBER SYSTEM).................... 17

2.3 HEÄ THOÁNG SOÁ NHÒ PHAÂN (BINARY NUMBER SYSTEM) .......................... 18

2.4 HEÄ THOÁNG SOÁ BAÙT PHAÂN (OCTAL NUMBER SYSTEM) .......................... 19

2.5 HEÄ THOÁNG SOÁ THAÄP LUÏC PHAÂN ( HEXADECIMAL NUMBER SYSTEM)20

2.6 MAÕ BCD................................................................................................................ 21

2.7 MAÕ ALPHANUMERIC....................................................................................... 22

2.8 HEÄ THOÁNG SOÁ COÙ DAÁU CHAÁM ÑOÄNG (FLOATING-POINT NUMBER

SYSTEM) ..................................................................................................................... 24

2.9 PHÖÔNG PHAÙP CHAÚN LEÛ ( PARITY METHODE )........................................ 26

CHÖÔNG 3 : COÅNG LOGIC & MAÏCH SOÁ................................................................... 27

3.1 ÑAÏI SOÁ BOOL..................................................................................................... 27

3.2 BAÛNG SÖÏ THAÄT (TRUTH TABLE)................................................................... 28

3.3 PHEÙP COÄNG LOGIC (OR)................................................................................... 29

3.4 PHEÙP AND LOGIC............................................................................................... 29

3.5 PHEÙP BUØ (NOT OPERATION)........................................................................... 30

3.6 MOÂ TAÛ MAÏCH LOGIC BAÈNG ÑAÏI SOÁ BOOL............................................... 31

3.7 TÍNH GIAÙ TRÒ CUÛA MOÄT BIEÅU THÖÙC BOOL............................................... 32

3.8 THÖÏC HIEÄN MAÏCH LOGIC TÖØ BIEÅU THÖÙC BOOL ..................................... 32

3.9 COÅNG NOR, NAND VAØ XOR............................................................................ 33

3.10 CAÙC ÑÒNH LYÙ BOOL......................................................................................... 35

3.11 ÑÒNH LYÙ DE MORGAN................................................................................... 36

3.12 THIEÁT KEÁ MAÏCH LOGIC TOÅ HÔÏP ................................................................. 37

3.13 ÑÔN GIAÛN HAØM BOOL BAÈNG PHÖÔNG PHAÙP ÑAÏI SOÁ ........................... 39

3.14 CAÙC MAÏCH SOÁ.................................................................................................. 40

Phan Vaên Nghóa Khoa Vaät Lyù

Kieán truùc maùy tính 02

3.15 FLIP - FLOP ........................................................................................................ 40

3.16 ÑOÀNG HOÀ VAØ FF COÙ ÑOÀNG HOÀ.................................................................... 42

a) Khaùi nieäm ñoàng hoà .............................................................................................. 42

b) FF coù ñoàng hoà (Clocked Flip - Flops) ................................................................ 43

c) Caùc loái vaøo khoâng ñoàng boä.................................................................................. 45

3.17 ÖÙNG DUÏNG CUÛA FF......................................................................................... 45

a)Löu tröõ vaø truyeàn soá lieäu:..................................................................................... 45

b) Maïch ñeám (counter) ............................................................................................ 48

CHÖÔNG 4: BOÄ LOGIC SOÁ HOÏC (ALU) .................................................................... 51

4.1 CAÁU TRUÙC CUÛA ALU ......................................................................................... 51

4.2 BOÄ COÄNG NHÒ PHAÂN ......................................................................................... 51

a) Boä coäng nhò phaân moät nöûa (half-adder).............................................................. 52

b) Boä coäng ñaày ñuû ( Full - adder)............................................................................ 53

4.3 BIEÅU DIEÃN SOÁ COÙ DAÁU .................................................................................... 54

4.4 BIEÅU DIEÃN SOÁ COÙ DAÁU DUØNG HEÄ BUØ 2 ....................................................... 55

4.5 PHEÙP COÄNG TRONG HEÄ BUØ 2.......................................................................... 57

4.6 PHEÙP TRÖØ TRONG HEÄ BUØ 2 .......................................................................... 58

4.7 COÄNG VAØ TRÖØ BCD.......................................................................................... 58

a) Coäng BCD ............................................................................................................ 58

b) Tröø BCD............................................................................................................... 59

4.8 COÄNG VAØ TRÖØ HEX........................................................................................ 59

a) Coäng hai soá HEX ................................................................................................. 59

b) Tröø hai soá hex ..................................................................................................... 60

BAØI TAÄP CHÖÔNG 2,3 & 4............................................................................................ 61

Phan Vaên Nghóa Khoa Vaät Lyù

Kieán truùc maùy tính 02

CHÖÔNG 1: CAÁU TRUÙC CÔ BAÛN CUÛA PHAÀN CÖÙNG &

PHAÀN MEÀM MAÙY TÍNH

1.1 CAÙC THAØNH PHAÀN CUÛA MAÙY TÍNH

Maùy tính soá (digital computer) hay maùy tính (computer) laø thieát bò tính toaùn

ñieän töû coù toác ñoä raát cao. Maùy tính nhaän caùc thoâng tin ñaõ ñöôïc soá hoùa (digitized), xöû lyù

chuùng theo theo moät danh saùch caùc leänh chöùa saün beân trong maùy tính vaø cho keát quaû laø

thoâng tin ra. Danh saùch caùc leänh goïi laø chöông trình maùy tính (computer program).

Chöông trình maùy tính ñöôïc löu tröõ taïi moät boä phaän beân trong maùy tính goïi laø boä nhôù

(memory).

Coù nhieàu loaïi maùy tính. Chuùng khaùc nhau veà kích thöôùc, toác ñoä vaø giaù thaønh.

Loaïi maùy tính thoâng duïng nhaát laø maùy tính caù nhaân (personal computer - PC). PC ñöôïc

söû duïng roäng raõi ôû nhaø, trong caùc cô quan hay tröôøng hoïc. Maùy tính xaùch tay

(notebook computer) coù kích thöôùc raát beù coù theå ñaët goïn trong vali. Traïm laøm vieäc

(workstations) laø caùc maùy tính trong 1 maïng maùy tính. Mainframe vaø Supercomputer

laø nhöõng maùy tính coù coâng suaát tính toaùn cöïc maïnh. Mainframe duøng ñeå xöû lyù caùc baøi

toaùn trong thöông maïi. Super computer duøng trong caùc öùng duïng maø ôû ñoù soá pheùp toaùn

phaûi tieán haønh trong 1 giaây laø soá raát lôùn (côõ 1013 pheùp tính/s) nhö döï baùo thôøi tieát, ñieàu

khieån caùc chuyeán bay vuõ truï, thieát keá maùy bay, nghieân cöùu haït nhaân ...

ÔÛ daïng ñôn giaûn nhaát, moät maùy tính bao goàm 5 thaønh phaàn chính ñoäc laäp

(hình 1-1): thieát bò nhaäp (input), thieát bò xuaát (output), boä nhôù (memory), boä logic soá

hoïc (ALU) vaø boä ñieàu khieån (Control Unit) .

Hình 1-1 : Caùc thaønh phaàn cuûa moät maùy tính

CU

ALU

MEMORY

OUTPUT

INPUT

Thieát bò nhaäp nhaän thoâng tin ñaõ ñöôïc maõ hoaù töø caùc hoaït ñoäng cuûa con ngöôøi,

töø caùc thieát bò cô ñieän (chaúng haïn baøn phím) hay töø moät maùy tính khaùc thoâng qua

ñöôøng truyeàn tin kyõ thuaät soá. Thoâng tin nhaän ñöôïc hoaëc ñöôïc löu tröõ trong thieát bò nhôù

ñeå söû duïng sau naøy hoaëc ñöôïc xöû lyù tröïc tieáp ñeå thu ñöôïc keát quaû nhö mong muoán.

Caùc böôùc xöû lyù thoâng tin ñöôïc quy ñònh bôûi chöông trình chöùa trong boä nhôù. Cuoái cuøng

Phan Vaên Nghóa Khoa Vaät Lyù

Kieán truùc maùy tính 02

keát quaû ñöôïc göûi trôû laïi theá giôùi beân ngoaøi thoâng qua thieát bò xuaát. Taát caû caùc hoaït

ñoäng treân ñaây ñöôïc chæ daãn bôûi boä ñieàu khieån.

ALU vaø CU ñöôïc cheá taïo trong 1 chip goïi laø boä xöû lyù trung taâm (Central

Processing Unit = CPU) hay ñôn giaûn laø Processor. Töø trung taâm xuaát hieän vaøo thôøi kyø

ñaàu môùi khai sinh maùy tính, ôû ñoù caùc tính toaùn ñeàu taäp trung trong moät chip. Caùc maùy

tính hieän ñaïi thöôøng chöùa nhieàu Processor, nhöng thuaät ngöõ CPU vaãn ñöôïc duøng roäng

raõi. Cuõng caàn noùi theâm raèng, trong PC, Processor ñöôïc goïi laø boä vi xöû lyù (Micro

Processor Unit =MPU). Caùc thieát bò duøng ñeå nhaäp vaø xuaát döõ lieäu ñöôïc goïi chung laø

thieát bò vaøo ra (IO unit).

Leänh (Instructions) hay leänh maùy (machine instructions) laø chæ daãn ñeå:

• Truyeàn thoâng tin giöõa caùc maùy tính hay trong phaïm vi moät maùy tính vaø

caùc ngoaïi vi cuûa noù.

• Chæ ra caùc pheùp toaùn logic soá hoïc phaûi thöïc hieän treân soá lieäu.

Moät taäp caùc leänh ñeå thöïc hieän moät nhieäm vuï goïi laø moät chöông trình

(program). Thoâng thöôøng chöông trình ñöôïc löu tröõ trong trong boä nhôù. Boä xöû lyù laáy

(fetches) leänh töø boä nhôù. Leänh phaûi ñöôïc giaûi maõ (decoded), sau ñoù noù ñöôïc thöïc hieän.

Maùy tính thöïc hieän caùc leänh trong chöông trình moät caùch laàn löôït, tröø khi noù bò ngaét

(interrupt) bôûi ngöôøi ñieàu khieån hoaëc bôûi caùc thieát bò ngoaïi vi noái vôùi maùy tính.

Döõ lieäu (data) laø caùc soá hoaëc kyù töï ñaõ ñöôïc maõ hoùa maø noù ñöôïc duøng nhö laø

caùc toaùn haïng (operand) cuûa leänh. Data bao goàm moïi thoâng tin ñaõ ñöôïc soá hoùa. Ñoâi

khi data cuõng ñöôïc hieåu laø moät chöông trình hoaøn chænh maø moät chöông trình khaùc söû

duïng noù. Ví duï khi bieân dòch moät chöông trình nguoàn (source program) ngoân ngöõ caáp

cao thaønh chöông trình ngoân ngöõ maùy thì chöông trình nguoàn ñöôïc xem laø data cuûa

trình bieân dòch (compiler).

Thoâng tin ñöa vaøo maùy tính phaûi ñöôïc maõ hoùa ôû daïng thích hôïp. Caùc soá, caùc kyù

töï hoaëc leänh ñöôïc maõ hoùa thaønh moät chuoãi soá nhò phaân goïi laø caùc bits. Moãi bit chæ

nhaän moät trong 2 giaù trò khaû dó 0 hoaëc 1.

Caùc kyù töï Alphanumeric cuõng ñöôïc bieãu dieãn bôûi maõ nhò phaân. Maõ kyù töï duøng

phoå bieán trong maùy tính laø maõ ASCII.

a) Thieát bò nhaäp (input device)

Maùy tính nhaän thoâng tin ñaõ ñöôïc maõ hoùa thoâng qua thieát bò nhaäp. Quaù trình naøy

goïi laø ñoïc soá lieäu. Thieát bò nhaäp thöôøng duøng nhaát laø baøn phím (keyboard). Keyboard

ñöôïc noái sao cho khi moät phím ñöôïc nhaán, kyù töï hoaëc soá töông öùng ñöôïc töï ñoäng

chuyeån thaønh maõ nhò phaân vaø ñöôïc göûi tröïc tieáp tôùi boä nhôù hoaëc vi xöû lyù. Coù nhieàu

thieát bò nhaäp khaùc nhö: chuoät (mouse), maùy queùt (scanner), ADC.

b) Boä nhôù (memory)

Chöùc naêng cuûa boä nhôù laø löu giöõ chöông trình vaø soá lieäu. Coù 2 loaïi boä nhôù:

boä nhôù sô caáp (boä nhôù chính – boä nhôù trong - Primary Memory – Main Memory￾Phan Vaên Nghóa Khoa Vaät Lyù

Kieán truùc maùy tính 02

Internal Memory) vaø boä nhôù thöù caáp (boä nhôù ngoaøi - boä nhôù phuï -Secondary Memory -

Auxiliary Memory - External Memory).

Boä nhôù sô caáp hay boä nhôù chính (Main memory) laø boä nhôù nhanh. Caùc chöông

trình ñöôïc naïp leân boä nhôù chính trong khi chuùng ñang ñöôïc thöïc hieän. Boä nhôù chính

bao goàm moät soá lôùn caùc oâ nhôù baùn daãn. Moãi oâ nhôù chöùa ñöôïc moät bit thoâng tin. Vieäc

ñoïc hoaëc vieát thoâng thöôøng ñöôïc tieán haønh vôùi nhieàu oâ nhôù goïi laø töø nhôù (memory

word). Boä nhôù chính ñöôïc toå chöùc sao cho noäi dung cuûa moät töø (n bit) coù theå ñöôïc truy

xuaát baèng leänh ñoïc hoaëc vieát boä nhôù. Soá caùc bit treân moät töø nhôù goïi laø ñoä daøi töø (word

length) cuûa maùy tính. Ñoä daøi töø cuûa caùc maùy tính coù theå laø 8,16, 32 hoaëc 64 bit.

Toång soá oâ nhôù treân boä nhôù goïi laø dung löôïng (capacity) cuûa boä nhôù. Dung löôïng

boä nhôù trong cuûa PC coù theå laø vaøi MB ñeán haøng traêm MB.

Ñeå coù theå truy xuaát tôùi moïi töø nhôù treân boä nhôù, moãi töø nhôù ñöôïc gaùn moät ñòa

chæ (Address) rieâng bieät. Töø nhôù trong boä nhôù coù theå ñöôïc truy xuaát baèng caùch chæ ra

ñòa chæ vaø leänh ñoïc vieát töông öùng. Soá lieäu ñöôïc xöû lyù theo moät töø, boäi cuûa töø hoaëc

moät phaàn cuûa töø. Khi boä nhôù ñöôïc truy xuaát, thoâng thöôøng moät töø cuûa soá lieäu ñöôïc ñoïc

töø boä nhôù hoaëc ñöôïc vieát vaøo boä nhôù.

Chöông trình phaûi naèm treân boä nhôù khi ñang thi haønh. Leänh vaø soá lieäu coù theå

ñöôïc vieát vaøo boä nhôù hay ñoïc ra döôùi söï ñieàu khieån cuûa vi xöû lyù. Thôøi gian caàn thieát

ñeå truy xuaát tôùi moät vò trí nhôù trong boä nhôù goïi laø thôøi gian truy xuaát boä nhôù

(memory access time = Tacc). Caùc boä nhôù coù Tacc khoâng phuï thuoäc vò trí nhôù goïi laø

boä nhôù truy xuaát ngaãu nhieân (Random Access Memories = RAM). Tacc coù giaù trò vaøi

chuïc ns (nano second) trong caùc maùy tính hieän ñaïi.

Maëc duø boä nhôù chính raát quan troïng, nhöng giaù thaønh laïi quaù cao. Vì vaäy ngöôøi

ta duøng theâm boä nhôù phuï (secondary memory) khi muoán löu giöõ moät löôïng lôùn thoâng

tin khoâng söû duïng thöôøng xuyeân. Boä nhôù phuï coù theå laø ñóa töø (magnetic disks) hay ñóa

quang (Compact Disc).

c) Boä logic vaø soá hoïc (Arithmetic and logic unit - ALU)

Haàu heát caùc hoaït ñoäng tính toaùn cuûa maùy tính ñöôïc thöïc hieän taïi boä logic soá

hoïc coù trong vi xöû lyù. Giaû söû raèng caàn phaûi coäng 2 soá treân boä nhôù chính. Hai soá naøy

phaûi ñöôïc chuyeån vaøo ALU, ôû ñaây pheùp coäng ñöôïc thöïc hieän. Keát quaû cuûa pheùp coäng

coù theå löu tröõ trong boä nhôù hoaëc vaãn giöõ laïi trong vi xöû lyù ñeå söû duïng ngay laäp töùc .

Moïi pheùp toaùn logic vaø soá hoïc, ví duï: nhaân, chia hay so saùnh 2 soá ñeàu ñöôïc

thöïc hieän taïi ALU. Khoâng phaûi taát caû caùc toaùn haïng caàn cho tính toaùn phaûi ôû trong boä

nhôù chính. Vi xöû lyù coù nhöõng phaàn töû nhôù toác ñoä cao, goïi laø caùc thanh ghi (registers).

Caùc thanh ghi ñöôïc duøng ñeå löu giöõ nhöõng toaùn haïng ñöôïc duøng thöôøng xuyeân trong

khi tính toaùn . Moãi thanh ghi coù theå löu giöõ moät töø soá lieäu. Thôøi gian truy xuaát thanh

ghi laø töø 5 ñeán 10 ns (nhanh hôn thôøi gian truy xuaát boä nhôù chính)

ALU vaø boä ñieàu khieån thöôøng laø caùc thaønh phaàn coù toác ñoä hoaït ñoäng nhanh

hôn caùc thaønh phaàn khaùc noái vôùi heä maùy tính. Ñieàu naøy cho pheùp söû duïng chæ moät vi

Phan Vaên Nghóa Khoa Vaät Lyù