Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Giáo trình kiến trúc máy vi tính
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
v u CHÂ N HƯN G
Giá o trìn h
KIẾ N TRÚ C
M Á Y V I TÍN H
/ t
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
v ũ CHẤ N HƯN G
Giá o trìn h
KIẾ N TRÍÍ C
M Á Y V I TÍN H
Ị ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Ị
TRUN G TẮ M HỌ C LIỀ U
N H À XUẤ T BẢ N GIA O THÔN G VẬ N TẢ I
H À NỘ I - 2004
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
L Ờ I NÓ I Đ Ầ U
Ngày nay máy vi tính được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực
hoạt động của đời sống con người. Để có thể ứng dụng linh hoạt và có
hiệu quả máy vi tính vào các lĩnh vực khác nhau của đời sống, cần phải
có những hiểu biết sâu sắc hơn về kiến trúc phần cứng của nó. Những
vấn đề liên quan đến kiến trúc máy tính rất rộng lớn. Trong khuôn khổ
giáo trình giảng dạy môn "Kiến trúc máy tính ", tài liệu này chỉ trình
bày những vấn đề cơ bản về kiến trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động
của máy vi tính, đặc biệt là máy vi tính PC, dòng máy đang được sử
dụng rộng rãi ở nước ta hiện nay.
Tài liệu này gồm hai phần :
Phần ì trình bày về kiến trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của
máy tính, phần li trình bày về máy vi tính dòng PC.
Phần ì gồm 5 chương :
- Chương Ì mô tả những thành phần cơ bản, phương pháp biểu
diễn thông tin và nguyên lý hoạt động của máy tính số.
- Chương 2 và 3 trình bày về kỹ thuật BUS chung và bộ nhớ.
- Chương 4 và 5 trình bày về các phương pháp vào-ra dữ liệu và cơ
chế thực hiện chương trình con.
Phần l i gồm 5 chương :
- Chương Ì trình bày về kiến trúc máy vi tính PC, bộ xử lý trung
tâm và các chế độ hoạt động của nó.
- Chương 2 trình bày về tổ chức bộ nhớ của máy vi tính.
- Chương 3 trình bày về các thiết bị điều khiển và thiết bị giao diện,
cấu trúc, chức năng cũng như cơ chế làm việc của chúng trong hệ thống
máy tính.
- Chương 4 trình bày về nguyên lý hoạt động của hai thiết bị
nhập-xuất dữ liệu cơ bản là bàn phím và màn hình.
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Chương 5 được dành riêng để trình bày về thiết bị đĩa từ, nguyên
lý lưu trữ thông tin, tổ chức lưu trữ thông tin ở mức vật lý và mức logic
trên đĩa từ.
Tài liệu này đã được dùng để giảng dạy cho sinh viên ngành Công
nghệ thông tin và các ngành có liên quan tại Trường Đại học Giao
thông vận tải, Viện Đại học Mở Hà Nội, khoa Toán ứng dụng Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội. Bạn đọc và những sinh viên khác quan tăm
có thể dùng tài liệu này như một tài liệu tham khảo có ích.
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Đặng Thành Phu, TS. Vũ Như
Lân, PGS. TS. Nguyễn Văn Tam, PGS. TS. Nguyễn Gia Hiểu - Viện
Công nghệ thông tin đã đọc và đóng góp ý kiến.
Dù đã cố gắng rất nhiều khi soạn thảo, nhưng chắc chắn không
tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi mong nhận được ý kiến đóng góp của
bạn đọc.
Hà Nội, tháng 4 năm 2003
TÁC GIẢ
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phầ n I
Cơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Chương ì
KIẾN TRÚC Cơ BẢN CỦA MÁY TÍNH so
1. NHỮN G THÀN H PHẦ N c ơ BẢ N CỦ A MÁ Y TÍN H s ố
Chức năng cơ bản của máy tính số là thực hiện chương trình. Chương trình
là một chuỗi cá c chỉ thị được đặt trong bộ nhớ. Chỉ thị và các dữ liệ u khá c
trong má y tính đều được thể hiện dưới dạng các con số.
Máy tính số gồm các khối chức năng chính như sau (h.l) :
Thiết bị đầu ra
(Màn hình, Máy in v.v.)
Thiết bị
giao diện
Thiết bị
giao diện
r ~ ~
Thiết bị đầu vào
(Bàn phím, Bàn
điều khiển, chuột v.v.)
Đơn vị
số học-logic
ALU
Đơn vị
điều khiển
CU
C PU
Hình ì
Bộ nhớ
tỉ
Bộ nhớ
đìa từ
V A| Bộ nhớ
bán dẫn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì Cơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
• Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit)
Đơn vị xử lý trung tâm gồm 2 phần chính : đơn vị đi ểu khiể n c u (Control
Unit) và đơn vị số học-logi c AL U (Arithmetic-Logi c Unit). Đơn vị xử lý
trung tâm thực hiện các chức năng :
- Đi ều khiển ghi/đọc thông tin lên bộ nhớ.
- Hiể u và thực hiện được một tập hữu hạn các chỉ thị (lệnh) được thể hiện
dưới dạng mã số.
- Nhập tuần tự các chỉ thị từ bộ nhớ và thực thi cá c chỉ thị này (chức năng
thực hiện chương trình đang có trong bộ nhớ).
Ị
-Đi ề u khiển quá trình nhập thông tin từ thiết bị đầu vào và điều khiển
quá trình xuất thông tin qua thiết bị đầu ra. V
• Bộ nhớ
Chức năng của bộ nhớ là lưu trữ thông tin (chương trình và các dữ liệ u có
liên quan). Các thông tin được truyền tả i dưới dạng các con số.
• Thiết bị đầu vào
Thiết bị đầu vào thực hiện chức năng nhập các thông tin nguyên thủy cho
máy tính. Thiết bị đầu vào có thể là bàn phím, chuột hoặc bàn đi ều khiển v.v.
• Thiết bị đầu ra
Thiết bị đầu ra hiển thị các thông tin đưa ra từ má y tính, ở dạng con người
có thể hiểu được. Thiế t bị đầu ra có thể là mà n hình hiển thị, máy in, thiết bị
âm thanh v.v.
Các thiết bị đầu vào/đầu ra (được g ọ i chung là các thiết bị ngoại vi) không
được kết nố i trực tiếp với đơn vị xử lý trung tâm CPU mà phải qua thiết bị
giao diện. Sự có mặt của thiết bị giao diện là do có sự khá c biệ t rất lớn về
dạng thức truyền tả i và tốc độ xử lý thông tin giữa đơn vị xử lý trung tâm và
các thiết bị ngoại vi. Bên trong má y tính con số được sử dụng làm phương tiện
truyền tả i thông tin, t h ế giới bên ngoà i máy tính thông tin được truyền tả i dưới
dạng ký tự, ánh sáng, âm thanh v.v. Đơn vị xử lý trung tâm CPU xử lý thông
tin với tốc độ rất cao, các thiết bị bên ngoài má y tính xử lý thông tin với tốc
độ chậm hơn nhiều. Do vậy thiết bị giao diện thực hiện chức năng ghép nố i để
thực hiện được việc trao đ ổ i thông tin giữa đơn vị xử lý trung tâm và các thiết
bị ngoại vi.
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần Ị Cơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
2. H Ệ Đ Ế M NH Ị PHẢ N V À PHƯƠN G PHÁ P BI Ể U DIÊ N
THÔN G TI N TRON G MÁ Y TÍN H s ố
Trong quá trình phát triển, loài người có nhu cầu đếm các vật. Hai bàn tay
là một công cụ tự nhiên được sử dụng cho việc đ ế m. H ệ đ ếm thập phân (hệ
cơ số 10) là kế t quả tự nhiên của hệ thống đ ếm này.
H ệ đ ếm nhị phân là hệ đ ếm được dùng trong má y tính số. Đi ều này xuất
phát từ kh ả năng công nghệ c h ế tạo các thiết bị lưu trữ thông tin và xử lý
thông tin dạng nhị phân (các bộ giả i mã , các bộ đ ế m, thiết bị thực hiện các
phép tính số học và logic v.v.)
H ệ đ ếm nhị phân được dùng để mang tả i và thể hiện thông tin. H ệ đ ếm
nhị phân được xây dựng trên cơ sở các chữ số nhị phân "0 " và "Ì" .
2.1 Các số nhị phân
M á y tính số được xây dựng trên cơ sở các mạch đi ện. Hai trạng thái của
mạch đi ệ n được dùng để thể hiện các con số nhị phân Ì và 0 là :
- có hoặc khôn g có dòng đi ện trong mạch
- đi ện áp cao hoặc đi ện áp thấp
Ví dụ : con số Ì được thể hiện bằng trạng thái trong mạch có dòng đi ện
hoặc có hiệu đi ện t h ế trên một đi ện kháng, con số 0 được thể hiện bằng trạng
thái ngược l ạ i.
2.2 Bít
Bít (Binary Digit) là một chữ số của hệ nhị phân, được biểu di ễ n bằng cá c
con số "0 " hoặc "Ì" . Bít là đơn vị nhỏ nhất biểu di ễ n dữ liệ u (đơn vị nhỏ nhất
mang thông tin) trong má y tính. Mỗ i bít chỉ mang được một thông tin.
Ví dụ : con số "Ì " m ô tả mạch đi ện được đóng , đèn sáng, trạng thái "cho
phép " v.v. Con số "0 " mô tả mạch điện hở , đèn tắt, trạng thái "c ấ m " v.v.
2.3 Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính
2.3.1 Hệ thống số, cơ số và trọng số
Đ ể biểu di ễ n số lượng bằng con số thì có thể dùng các hệ đ ếm khá c nhau.
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì Cơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Thông thường ta sử dụng các ký hiệu (chữ số) 0 Ì 2 3 4 5 6 7 8 9 để ghi
l ạ i các số lượng đ ếm được. Muố n ghi l ạ i các trị lớn hơn phải sử dụng ký pháp
vị trí. Trong ký pháp này vị trí của mỗ i chữ số xá c định giá trị của nó trong
con số.
Ký pháp vị trí tổng quát của một số là :
a n
_ ja n
- 2- aia 0
. \>ị\>2
... *m-ibm
= a n
_ !*E n _ 1
+ a n
_ 2*E n
"
2
+ ... +
+...+ a^E 1
+ a 0 * E ° + b^E - 1
+ b 2 *E~ 2
+ ... + b m _j*E~ (m_1 )
+ b m * E _ m
trong đó E là cơ số .
E
n 1 , E 2
, E 1
, E° , E 1
, E 2
, E
( m l \ E m là cá c trọng số.
a
n - Ì ' a n - 2' ••'
a i ' a 0 ' b i ' b 2 ' ••'
b m - i ' b m là
cá c
sà nằm à vị trí tương ứng
với trọng số.
• H ệ đ ếm thập phân (H ệ cơ số 10)
H ệ thập phân dùng mư ờ i chữ số từ "0 " đ ế n " 9 " và ký pháp vị trí để thể
hiện số đếm.
Ví dụ : con số 126.5 có ý nghĩa là Mộ t trăm Ha i chục Sáu đơn vị và Năm
phần mười đơn vị.
Con số 126.5 là thể hiện của giá trị:
126.51 0
= 1*102
+ 2*101
+ 6*10° + 5*l(f 1
trong đó 10 là cơ số
l o 2
, lo 1
, 10°, lo" 1
là cá c trọng số
Ì, 2, 6, 5 là cá c chữ số được đặt ở vị trí tương ứng với trọng số.
• H ệ đ ếm nhị phân (H ệ cơ số 2)
H ệ nhị phân dùng hai chữ số "0 " và "Ì " và ký pháp vị trí để thể hiện số
đ ếm với
2 là cơ số
.... 2 2
, 2 1
, 2 ° , 2 ỉ
, 2
2
, v.v. là các trọng số
Các chữ số "0 " và "Ì " được đặt ở vị trí tương ứng với trọng số
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ĩ Cơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Ví dụ : một giá trị 126.5 hệ thập phân sẽ được biểu di ễ n ở hệ nhị phân
d ưới dạng :
1111110.12
= 1*26
+ 1*25
+ 1*24
+ 1*23
+ 1*22
+ 1*2* +0*2 ° + 1*2_ 1
• Byte
M ộ t byte là tổ hợp của 8 bít, vị trí mỗ i bít tương ứng vớ i trọng số của bít
đ ó . Mộ t byte dữ liệ u có thể mang tả i Ì trong 256 thông tin khá c nhau, với
những thể hiện như :
00000000
00000001
11111111
2.3.2 Các phép tính với số nhị phân
- Phé p cộng :
0 + 0 = 0
0 + 1 = 1
1+0= 1
1 + 1= 0 dư Ì
Ví dụ : 11 0
+ 0 1 1
Ị Ị Ọ phần dư
1 0 0 1
-Phé p tr ừ :
0 - 0 = 0
0 - 1 = 1 nợ 1
1 - 0 = 1
1 - 1 = 0
1 1 0
0 1 1
1 1 phần nợ
0 1 1
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì Cơ SỞ KIÊN TRÚC MÁY TÍNH
2.3.3 Chuyển đổi hệ cơ số lo sang hệ cơ số 2
Quy tắc chuyển đổi :
Để chuyển một số ở hệ cơ số 10 sang hệ cơ số 2 trước hết cần tách số đó
làm hai phần, phần nguyên và phần sau dấu thập phân, và thực hiện chuyển
đ ổ i từng phần theo hai cách khá c nhau, sau đó cộng hai con số kế t quả tạm đó
l ạ i thành con số nhị phân kế t quả của chuyển đ ổ i.
Quy tắc chuyển đổi phẩn nguyên :
Lấy số phần nguyên chia cho 2, được phần thương số và phần dư. Phần dư
được dùng làm kế t quả chuyển đ ổ i, phần thương số được dùng để tiếp tục chia
2. Quá trình này được thực hiện cho đến khi thương số bằng 0 thì dừng.
Quy tắc chuyển đổi phần sau dấu thập phân :
Thực hiện nhân đôi phần sau dấu thập phân, ở tích số nếu có số Ì xuất
hiện ở bên trái dấu thập phân thì thêm Ì vào bên phải của số nhị phân, nếu có
số 0 xuất hiện ở bên trái dấu thập phân thì thêm 0 vào bên phải của số nhị
phân. Quá trình này được lặp l ạ i cho đến khi tích số thập phân là Ì thì dừng.
Ví dụ : chuyển đổi con số 19.62510 ở hệ cơ số 10 sang hệ cơ số 2.
Con số này được tách ra làm hai phần. Phần nguyên là 19, phần sau dấu
thập phân là 0.625.
Chuyển đổi phần nguyên :
Thương số Dư
19 : 2 = 9 1
9 : 2 = 4 1
4 : : 2 = 2 0
2 : 2 = 1 0
1 : 2 = 0 1
K ế t quả chuyển đ ổ i phần nguyên : 19 1 0
= 10011
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ì Cơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Chuyển đ ổ i phần sau dấu thập phân :
Tích số
2 X 0.625 1.25 0.1
2 X 0.25 0.50 0.10
2x0.5 0 LO 0.101
K ế t quả chuyển đ ổ i phần sau dấu thập phân : 0.625 1 0
= 0.101 2
K ế t quả chuyển đ ổ i toàn phần :
19.6251 0
= 10011 + 0.101 = 10011.1012
2.3.4 Biểu diễn số âm trong máy tính số bằng số bù 2
Số âm trong hệ cơ số 10 được biểu di ễ n bằng cách thêm một ký hiệu "- "
vào trước số đó, ví dụ : âm 88 là -88 .
Trong máy tính các con số được biểu di ễ n bởi các chữ số nhị phân, ví dụ
11111102
là một con số nhị phân 7 bít. Con số nhị phân 7 bít biểu di ễ n được
các giá trị trong khoảng 0000000 đến 1111111. Đ ể biểu di ễ n được các giá trị
trong khoảng từ 0000000 đ ế n - l i 11111 cần thêm bít thứ tám, gọi là bít dấu.
Bít dấu nằm ở vị trí bít cao nhất trong số nhị phân. Theo quy ước chung số
dượng có bít dấu là 0, số âm có bít dấu là 1. Ví dụ -126 1 0
khi biểu di ễ n ở hệ
cơ số 2 là 111111102
.
Trên thực t ế còn một cách biểu di ễ n số âm khá c nữa, đó là cách biểu di ễ n
bằng số bù. K ỹ thuật biểu di ễ n số âm bằng số bù có thể được dùng cho cả hai
hệ thống cơ số 10 và cơ số 2. Vớ i cách biểu di ễ n số âm bằng số bù, má y tính
có thể thực hiện cả hai phép tính cộng và trừ chỉ bằng một phép tính cộng.
• Ở hộ cơ số 10 một số âm có thể biểu di ễ n qua số bù LO. Số bù 10 của một
số được tạo ra bằng cách l ấ y 9 trừ mỗ i chữ số và cộng Ì vào chữ số có ý nghĩa
thấp nhất của số vừa được tạo ra, ví dụ số bù 10 của 88 là 12.
Để thực hiện phép trừ một số dương (số bị trừ) cho một số dương (số trừ),
người ta thực hiện phép cộng số bị trừ với số bù 10 của số trừ. N ế u có nhớ ở
chữ số cao nhất thì chữ số đó bị bỏ đi và kế t quả là dương. N ế u không nhớ thì
kế t quả là âm, để nhận được kế t quả thật cần l ấ y bù 10 của số đó và thêm dấu
" - " vào đằng trước.
l i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ỉ Cơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Ví dụ :
Phép trừ bình thường
97
- 8 8
Phé p trừ bù 10
97
+12
09 109
Bò phần cố nhớ,
k ế t quả thật là số dương 09
53 53
- 6 7 +33
- 14 86
một số nhị phân được tạo ra bằng cách l ấ y Ì trừ mỗ i chữ số và cộng Ì vào chữ
số có ý nghĩa thấp nhất của số vừa được tạo ra. Phương pháp tạo số bù 2 của
một số trên thực t ế được thực hiện bằng cách đ ổ i số 0 thành số Ì, đ ổ i số Ì
thành số 0 và cộng Ì vào chữ số có ý nghĩa thấp nhất của số vừa được tạo ra.
Ví dụ số bù 2 cua 11000 là 01000.
V ớ i hệ thống bù 2 các phép tính cộng và trừ hai số nhị phân được thực
hiện qua chỉ một phép tính cộng. Trong hệ thống bù 2 kh i thực hiện cộng hai
số có thể có bốn tình huống xảy ra :
- Cả hai số là dương .
K h i thực hiện phép cộng thì cộng từng số từ phải qua trái, kể cả bít dấu.
Ví dụ cộng hai số dương 4 bít:
Ký pháp bình thường Dạng dữ liệ u trong má y tính
+ + 0101
+ 1000
(sử dụng hệ thống bù 2, thêm một bít dấu.
Bít có gạch chân là bít dấu)
01000
+
00101
+1101 OI lo i K ế t quả là số dương
K ế t quả thật là+110 1
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần ỉ c ơ SỞ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
- Mộ t số là dương, một số là âm và số âm có trị tuyệt đ ố i nhỏ hơn. Bù 2
của số âm được tạo và thêm bít dấu vào vị trí cao nhất.
K h i thực hiện phép cộng, một bít nhớ sẽ được tạo ra từ bít dấu. Cần bỏ bít
nhớ đi. K ế t quả là một số dương.
V í dụ cộng hai số khá c dấu 4 bít:
Ký phá p bình thường Dạng dữ liệ u trong má y tính (bù 2)
(sử dụng hệ thống bù 2, thêm một bít dấu.
Bít có gạch chân là bít dấu)
+ 1000 01000
4
-010 1
+ no n
+ 0011 100011
Bít nhớ được bỏ,
k ế t quả là số dương
K ế t quả thật là +0011
- Mộ t số là dương, một số là âm và số âm có trị tuyệt đ ố i lớn hơn.
K h i thực hiện phé p cộng, không có nhớ từ bít dấu. K ế t quả là một số âm ở
dạng bù 2 . Cần bỏ bít dấu ở kế t quả và phải tạo số bù 2 với số đó để nhận
được kế t quả thật.
Ví dụ cộng hai số khá c dấu 4 bít:
Ký pháp bình thường Dạng dữ liệ u trong má y tính (bù 2)
(sử dụng hệ thống bù 2, thêm một bít dấu.
Bít có gạch chân là bít dấu)
+ 0101 00101
+ +
- 1000 11000
-001 1 11101
K ế t quả là số âm dạng bù 2.
K ế t quả thật là-001 1
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn