Bài giảng Kiến trúc máy tính - Tuần 1: Máy tính các khái niệm và công nghệ

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Tuần 1

MÁY TÍNH

CÁC KHÁI NIỆM VÀ CÔNG NGHỆ

03/2017

1

MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM và CÔNG NGHỆ

Mục tiêu:

Giới thiệu các khái niệm cơ bản về máy tính và các

công nghệ liên quan.

Slide được dịch và cá c hì nh được lấy từ sá ch tham khảo:

Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface,

Patterson, D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition,

2011.

03/2017

2

MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM và CÔNG NGHỆ

1. Giới thiệu

2. Bên dưới chương trình ứng dụng

3. Bên trong máy tính

03/2017

3

MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM và CÔNG NGHỆ

1. Giới thiệu

2. Bên dưới chương trình ứng dụng

3. Bên trong máy tính

03/2017

4

Giới thiệu

✓ Máy tính – cuộc cách mạng thứ ba của nền văn minh

(cùng với cuộc cách mạng về nông nghiệp và công nghiệp)

✓ Xu hướng nghiên cứu khoa học mới:

Các nhà khoa học tính toán, lý thuyết và thực nghiệm cùng hợp tác nhau

trong việc khám phá ra những thành tựu mới trong thiên văn học, sinh

học, hóa học, vật lý, v.v…

✓ Những ứng dụng được xem là “khoa học viễn tưởng” trước đây:

➢ Máy tính trong ô tô (Computers in automobiles)

➢ Điện thoại (Cell phones)

➢ Dự án di truyền học người (Human genome project)

➢ World Wide Web

➢ Công cụ tìm kiếm (Search engines)

03/2017

5

Giới thiệu

✓ Máy tính được sử dụng trong 3 lớp ứng dụng chính:

▪ Máy tính để bàn (Desktop computers)

▪ Máy chủ (Servers)

▪ Máy tính nhúng (Embedded computers)

03/2017

6

Giới thiệu

✓ Máy tính được sử dụng trong 3 lớp ứng dụng chính:

▪ Máy tính để bàn (Desktop computers)

- Sử dụng bởi cá nhân, thường tích hợp màn hình hiển thị (graphic display), chuột

(mouse) và bàn phím (keyboard).

- Hiệu năng tốt đối với người dùng đơn lẻ, mức chi phí thấp, và thường được

dùng để thực thi các phần mềm của hãng thứ ba, hay còn goi là shrink-wrap

software.

- Là máy tính phổ biến nhất, cũng được biết đến với tên gọi máy tính cá nhân

(personal computer) hay máy tính đa dụng (general-purpose computer).

▪ Máy chủ (Servers)

▪ Máy tính nhúng (Embedded computers)

03/2017

7

Giới thiệu

✓ Máy tính được sử dụng trong 3 lớp ứng dụng chính:

▪ Máy tính để bàn (Desktop computers)

▪ Máy chủ (Servers)

- Dùng để chạy các chương trình lớn hoặc có nhiều người dùng đồng thời và

thường được truy cập qua hình thức mạng.

- Máy chủ có thể chạy ứng dụng đơn có tính phức tạp cao (như ứng dụng kĩ

thuật và khoa hoc), hoặc điều khiển nhiều công việc nhỏ (như khi xây dựng một

máy chủ Web lớn)

- Những ứng dụng này thường dựa trên các phần mềm phát triển từ một nguồn

khác (như hệ thống cơ sở dữ liệu hoặc mô phỏng), và thường được hiệu chỉnh để

phù hợp với một chức năng cụ thể.

- Máy chủ được xây dựng theo cùng công nghệ như máy tính để bàn, nhưng

cung cấp khả năng mở rộng lớn về mặt tính toán và số lượng các ngõ nhập xuất

(hiệu năng của máy chủ được đo bằng nhiều cách, tùy thuộc vào ứng dụng được

dùng).

▪ Máy tính nhúng (Embedded computers)

03/2017

8

Giới thiệu

✓ Máy tính được sử dụng trong 3 lớp ứng dụng chính:

▪ Máy tính để bàn (Desktop computers)

▪ Máy chủ (Servers)

Có nhiều loại khác nhau về chi phí và công suất:

• Low-end servers: được sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ, ứng dụng cho doanh

nghiệp nhỏ, dịch vụ web, có thể không kèm màn hình và bàn phím, chi phí khoảng

1000$.

• Supercomputers:

➢ Thường dùng cho các công việc tính toán kĩ thuật và khoa học phức tạp và

cao cấp, ví dụ như dự báo thời tiết, khai phá dầu mỏ, tìm ra cấu trúc của

protein v.v… với hiệu năng cao nhất.

➢ Bao gồm hàng trăm đến hàng ngàn bộ xử lý, cùng với bộ nhớ kích cỡ

gigabytes đến terabytes và khả năng lưu trữ dữ liệu terabytes đến petabytes,

chi phí hàng triệu đến hàng trăm triệu đôla.

• Datacenter: mặc dù không được gọi với tên supercomputers, các Internet

datacenters được sử dụng bởi những công ty như eBay, Google cũng chứa hàng

ngàn bộ xử lý, với bộ nhớ hàng terabytes, và khả năng lưu trữ hàng petabytes.

Datacenter thường được xem như là các cụm máy tính lớn.

▪ Máy tính nhúng (Embedded computers)

03/2017

9

Giới thiệu

✓ Máy tính được sử dụng trong 3 lớp ứng dụng chính:

▪ Máy tính để bàn (Desktop computers)

▪ Máy chủ (Servers)

▪ Máy tính nhúng (Embedded computers)

• Là máy tính bên trong một thiết bị nào đó, được dùng để chạy một ứng dụng hay

một tập hợp các phần mềm định trước; là lớp máy tính phổ biến nhất và trải rộng

nhất về mặt ứng dụng và hiệu năng

• Máy tính nhúng: bao gồm các vi xử lý (microprocessor) được tìm thấy trong

máy giặt, xe hơi, điện thoại, ti vi kĩ thuật số,…

• Hệ thống tính toán nhúng: được thiết kế để chạy một ứng dụng hoặc một tập các

ứng dụng có liên quan, thường được tích hợp với phần cứng và phân phối như một

hệ thống đơn; theo đó, mặc dù các máy tính nhúng rất phổ biến, đa số người dùng

không bao giờ thật sự nhận ra họ đang dùng một máy tính.

• Yêu cầu quan trọng nhất của ứng dụng nhúng là đạt được hiệu năng hoạt động cần

thiết tối thiểu với chi phí và năng lượng tiêu thụ thấp nhất

• Trong nhiều năm vừa qua, tốc độ phát triển máy tính nhúng là nhanh hơn nhiều so

với máy tính để bàn và máy chủ.

03/2017

10

Giới thiệu

✓ Máy tính được sử dụng trong 3 lớp ứng dụng chính:

▪ Máy tính để bàn

▪ Máy chủ

▪ Máy tính nhúng

➔ Nội dung môn học này và sách tham khảo chính chủ yếu trình bày về

máy tính đa dụng (general-purpose computer), tuy nhiên đa số các khái niệm

đều có thể áp dụng trực tiếp (hoặc với một số hiệu chỉnh nhỏ) cho các máy

tính nhúng.

03/2017

11

MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM và CÔNG NGHỆ

1. Giới thiệu

2. Bên dưới chương trình ứng dụng

3. Bên trong máy tính

03/2017

12

Bên dưới chương trình ứng dụng

- Operating system

- Compiler, etc.

Phần mềm hệ thống (System Software):

Phần mềm nằm giữa tầng ứng dụng và

phần cứng, làm cầu nối (có nhiệm vụ giao

tiếp trực tiếp phần cứng nhằm hỗ trợ cho

các ứng dụng)

Có nhiều phần mềm hệ thống, nhưng hai loại

điển hình nhất cho hầu hết mọi hệ thống máy

tính ngày nay là:

• Hệ điều hành

• Trình biên dịch

Hệ điều hành (Operating System): Điều

hành chương trình, dùng để quản lý các nguồn

tài nguyên của máy tính nhằm hỗ trợ các

chương trình chạy trên máy tính đó.

Hình 1 Các lớp phân cấp phần cứng

và phần mềm của máy tính

Phân làm 3 cấp:

• Ứng dụng (Application)

• Phần mềm hệ thống (System software)

• Phần cứng (Hardware)

Trình biên dịch (Compiler): Chương

trình dịch các câu lệnh ở ngôn ngữ cấp cao

sang hợp ngữ (ngôn ngữ assembly).

03/2017

13

Bên dưới chương trình ứng dụng

❖ Hệ điều hành

Hệ điều hành đóng vai trò giao tiếp giữa chương trình của người dùng và phần cứng,

đồng thời cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau và các chức năng quản lý. Một số chức

năng quan trọng như:

▪ Điều khiển các hoạt động nhập xuất cơ bản

▪ Cấp phát bộ nhớ và vùng lưu trữ

▪ Quản lý chia sẻ tài nguyên máy tính khi có nhiều ứng dụng cùng chạy đồng

thời

Một số hệ điều hành được sử dụng hiện nay: Windows, Linux, and MacOS.

❖ Trình biên dịch

Trình biên dịch thực hiện một chức năng quan trọng khác: dịch chương trình được

viết bằng ngôn ngữ cấp cao (C, Java) thành tập các lệnh mà phần cứng máy tính có thể

thực thi. Với sự phức tạp của các ngôn ngữ lập trình hiện đại và tính đơn giản của các

lệnh thực thi bởi phần cứng, việc biên dịch từ chương trình ngôn ngữ cấp cao thành các

lệnh phần cứng là khá phức tạp.

03/2017

14

Bên dưới chương trình ứng dụng

❖ Từ ngôn ngữ cấp cao đến ngôn ngữ phần cứng

Bảng chữ cái cho máy tính: 0 và 1

Để giao tiếp với một máy điện tử, ta cần gởi đi các tín hiệu điện. Các tín hiệu dễ

dàng nhất cho máy hiểu là tín hiệu on (0) và off (1) (mở và tắt).

• Bảng chữ cái tiếng Anh có 26 kí tự

• Bảng chữ cái cho máy tính có 2 kí tự ➔ số nhị phân (binary number); mỗi kí

tự là một kí số nhị phân (binary digit) hay còn gọi là bit

Ngôn ngữ máy tính

Lệnh (Instruction): Một yêu cầu được đưa ra mà phần cứng máy tính có thể hiểu

và đáp ứng:

Ví dụ: 1000110010100000 – yêu cầu máy tính cộng hai số

Cách thức nhà lập trình giao tiếp với máy tính

Những nhà lập trình đầu tiên giao tiếp với máy tính thông qua các số nhị phân, một

công việc khá buồn tẻ, và họ nhanh chóng tìm ra những cách viết mới gần gũi hơn với

cách thức suy nghĩ của con người.

03/2017

15

Bên dưới chương trình ứng dụng

❖ Từ ngôn ngữ cấp cao đến ngôn

ngữ phần cứng

Cách thức nhà lập trình giao tiếp

với máy tính

Ngôn ngữ Assembly (Hợp ngữ): Ngôn ngữ mô tả

lệnh của máy tính thông qua kí hiệu biểu diễn

(symbol)

Assembler: Chương trình dịch lệnh hợp ngữ sang

lệnh nhị phân.

Ngôn ngữ lập trình cấp cao: Các ngôn ngữ có tính

linh động (portable) như C, Fortran, Java; bao gồm

các từ và kí hiệu số học, có thể được dịch sang ngôn

ngữ Assembly bởi một trình biên dịch

Chú ý: Việc dịch từ ngôn ngữ cấp cao sang ngôn ngữ máy

nhị phân gồm 2 bước (Hình 2), tuy nhiên một số trình biên

dịch cắt giảm bước trung gian và dịch trực tiếp sang ngôn

ngữ nhị phân.

Hình 2 Một chương trình C được dịch sang

ngôn ngữ Assembly và sau đó là ngôn ngữ máy

nhị phân

03/2017

16

MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM và CÔNG NGHỆ

1. Giới thiệu

2. Bên dưới chương trình ứng dụng

3. Bên trong máy tính

03/2017

17

Bên trong máy tính

Phần cứng của một máy tính bất kỳ thực hiện những chức năng cơ bản sau:

✓ Nhập dữ liệu

✓ Xuất dữ liệu

✓ Xử lý dữ liệu

✓ Lưu trữ dữ liệu

Năm thành phần căn bản của máy tính bao gồm:

✓ Ngõ nhập (Input)

✓ Ngõ xuất (Output)

✓ Bộ nhớ (Memory)

✓ Đường dữ liệu

(Data path)

✓ Khối điều khiển

(Control)

(Data path và Control thường được kết hợp lại với tên gọi bộ xử lý (Processor))

03/2017

18

Bên trong máy tính

Bộ xử lý (Processor): Nhận

lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ để

xử lý.

Ngõ nhập (input) ghi dữ

liệu vào bộ nhớ, và ngõ xuất

(output) đọc dữ liệu ra từ bộ

nhớ.

Khối điều khiển (Control):

Gởi các tín hiệu điều khiển

hoạt động của đường dữ

liệu, bộ nhớ, ngõ nhập và

ngõ xuất.

Hình 3. Tổ chức của một máy tính, bao gồm 5 thành phần căn bản.

03/2017

19

Bên trong máy tính

✓Màn hình (Screen): Thiết bị

xuất

✓Bàn phím (Keyboard) và

chuột (Mouse): Thiết bị nhập

✓Thùng máy (Case) chứa bộ

xử lý và các thiết bị I/O khác

o Chuột cơ điện

(Electromechanical mouse,

original mouse)

o Chuột quang (Optical mouse)

LCD – Liquid Crystal Displays

CRT - Cathode Ray Tube

Hình 4. Máy tính để bàn

(Desktop computer)

03/2017

20