Giáo trình Kiến trúc máy tính - Chuyên ngành: Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính

UBND TỈNH HẢI PHÒNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HẢI PHÒNG

...................................................

GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính

(Lưu hành nội bộ)

HẢI PHÒNG

1

LỜI GIỚI THIỆU

”Cấu trúc máy tính” là môn học bắt buộc trong các trường nghề. Tuỳ thuộc vào

đối tượng người học và cấp bậc học mà trang bị cho học sinh, sinh viên những kiến

thức cơ bản nhất.

Để thống nhất chương trình và nội dung giảng dạy trong các nhà trường chúng

tôi biên soạn cuốn giáo trình: Cấu trúc máy tính. Giáo trình được biên soạn phù hợp

với các nghề trong các trường đào tạo nghề phục vụ theo yêu cầu của thực tế xã hội

hiện nay.

Tài liệu tham khảo để biên soạn gồm:

[1]. Nguyễn Kim Khánh, Bài giảng kiến trúc máy tính, ĐH Bách Khoa Hà Nội,

2010.

[2]. Trần Quang Vinh, Cấu trúc máy vi tính, nxb ĐH Quốc gia Hà Nội, 2009.

[3]. Hoàng Xuân Dậu, Bài giảng kiến trúc máy tính, Học viện Công nghệ Bưu

chính viễn thông, 2010.

[4]. Willian Stallings, Computer Organization and ArchitectureDesigning for

Performance –2009 (8thedition).

Kết hợp với kiến thức mới có liên quan môn học và những vấn đề thực tế

thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo trình có tính thực tế cao, giúp cho người

học dễ hiểu, dễ dàng lĩnh hội được kiến thức môn học.

Trong quá trình biên soạn giáo trình kinh nghiệm còn hạn chế, chúng tôi rất

mong nhận được ý kiến đóng góp của bạn đọc để lần hiệu đính sau được hoàn chỉnh

hơn.

Tổ bộ môn Kỹ thuật hệ thống và

mạng máy tính

2

Mục lục

L Ờ I GI Ớ I THI Ệ U .............................................................................................................................................1

Chương 1: HỆ TH Ố NG MÁY TÍNH..................................................................................................................6

1.1. Các thành ph ần cơ bả n c ủ a máy tính.......................................................................................................6

1.2. Ho ạt động cơ bả n c ủ a máy tín h ..............................................................................................................13

1.3. LIÊN K Ế T H Ệ TH Ố NG.........................................................................................................................16

Chương 2: BỘ VI X Ử LÝ TRUNG TÂM ........................................................................................................25

2.1. C ấ u trúc c ủ a CP U ...................................................................................................................................25

2.2. T ậ p l ệ nh..................................................................................................................................................32

2.3. Ho ạt độ ng c ủ a CPU................................................................................................................................36

2.4. Ki ế n trúc Intel.........................................................................................................................................38

2.5. C ấ u trúc chung c ủ a các b ộ x ử lý tiên ti ế n ..............................................................................................46

2.6. B ộ x ử lý đa lõ i ........................................................................................................................................48

CHƯƠNG 3: HỆ TH Ố NG NH Ớ .......................................................................................................................52

3.1. T ổ ng quan v ề h ệ th ố ng nh ớ ....................................................................................................................52

3.2. B ộ nh ớ bán d ẫ n.......................................................................................................................................55

3.3. B ộ nh ớ đệ m Cache .................................................................................................................................67

CHƯƠNG IV: HỆ TH Ố NG VÀO RA..............................................................................................................88

4.1. T ổ ng quan v ề h ệ th ố ng vào ra ................................................................................................................88

4.2. Các phương pháp điề u khi ể n vào r a .......................................................................................................90

4.4. Các c ổ ng vào ra thông d ụ ng trên máy tính.............................................................................................96

3

CẤU TRÚC MÁY TÍNH

I. Vị trí, tính chất của môn học:

- Vị trí: Được bố trí học sau các môn học chung, các môn tin học đại cương, tin

học văn phòng.

- Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở thuộc môn học đào tạo nghề bắt buộc.

II. Mục tiêu môn học:

Kiến thức:

- Trình bày đúng chức năng của các thành phần cơ bản trên Máy tính, cấu trúc và

nguyên tắc làm việc của Bộ xử lý trung tâm-CPU, cấu trúc một số dòng CPU tiên tiến

ngày nay;

- Chỉ ra được chức năng và phân biệt được các loại bộ nhớ khác nhau được sử

dụng trong máy tính. Mô tả được cách thức quản lý và làm việc của Cache, HDD,

CDROM;

- Nhắc lại được vai trò của hệ thống vào-ra trong hoạt động của máy tính, các

phương pháp điều khiển vào-ra mà CPU sử dụng trong trao đổi thông tin.

Kỹ năng:

- Nhận biết được các thành phần cơ bản của máy tính;

- Phân biệt được CPU 2 hãng Intel và AMD;

- Phân biệt RAM và ROM;

- Kiểm tra được thông số máy tính;

- Lắp ráp máy tính bằng phần mềm giả lập.

- Phân biệt được các kiểu ghép nối, nhận biết được các cổng vào ra thông dụng

trên máy tính.

Năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- Cẩn thận tỷ mỉ, tuân thủ nội quy phòng học;

- Linh hoạt vận dụng kiến thức vào thực tế.

III. Nội dung môn học:

1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:

Số TT

Tên chương/mục

Chương 1: Hệ thống máy tính

I

II

Chương 2: Bộ vi xử lý trung tâm

Chương 3: Hệ thống nhớ

Chương 4: Hệ thống vào ra

Bài tập lớn

III

IV

V

VI

Ôn tập

4

Chương 1: HỆ THỐNG MÁY TÍNH

1.1. Các thành phần cơ bản của máy tính

1.1.1. Mô hình cơ bản của máy tính

1.1.2. Bộ vi xử lý trung tâm - CPU

1.1.3. Hệ thống nhớ

1.1.4. Hệ thống vào-ra

1.1.5. Hệ thống BUS

1.2. Hoạt động cơ bản của máy tính

1.2.1. Thực hiện chương trình

1.2.2. Hoạt động ngắt

1.3. Liên kết hệ thống

1.3.1. Hệ thống BUS

1.3.2. Mainboard

5

Chương 1: HỆ THỐNG MÁY TÍNH

1.1. Các thành phần cơ bản của máy tính

1.1.1. Mô hình cơ bản của máy tính

 Chức năng của máy tính

- Xử lý dữ liệu: là chức năng quan trọng nhất của máy tính. Dữ liệu có thể có rất

nhiều dạng khác nhau và có yêu cầu xử lý khác nhau.

- Lưu trữ dữ liệu: Dữ liệu đưa vào máy tính được xử lý ngay hoặc có thể được lưu

trong bộ nhớ. Khi cần chúng sẽ được lấy ra xử lý.

- Trao đổi dữ liệu: Trao đổi dữ liệu giữa các thành phần bên trong và bên ngoài

máy tính -> Quá trình vào ra (input-output). Các thiết bị vào-ra: nguồn cung cấp

dữ liệu hoặc nơi tiếp nhận dữ liệu. Dữ liệu được vận chuyển trên khoảng cách xa

gọi là truyền dữ liệu (data communication).

- Điều khiển: Máy tính cần phải điều khiển ba chức năng trên.

6

 Cấu trúc cơ bản của máy tính

- Bộ xử lý trung tâm - CPU (Central Processor Unit): Điều khiển các hoạt động

của máy tính và thực hiện xử lý dữ liệu.

- Hệ thống nhớ: Lưu trữ chương trình và dữ liệu

- Hệ thống vào ra (Input-Output System): Trao đổi thông tin giữa máy tính và thế

giới bên ngoài.

- Hệ thống BUS: Kết nối và vận chuyển thông tin giữa CPU, bộ nhớ chính và hệ

thống vào ra của máy tính với nhau.

1.1.2. Bộ vi xử lý trung tâm - CPU

 Chức năng:

- Điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống máy tính

- Xử lý dữ liệu

 Nguyên tắc hoạt động: CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính,

bằng cách:

- Nhận lệnh từ bộ nhớ chính

- Giải mã lệnh và phát các tín hiệu điều khiển thực thi lệnh

7

- CPU có thể trao đổi dữ liệu với bộ nhớ chính hay hệ thống vào-ra.

- Thực hiện lệnh

- Ghi kết quả

 Các thành phần cơ bản:

- Đơn vị điều khiển (Control Unit- CU): điều khiển hoạt động của máy tính theo

chương trình đã định sẵn.

- Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit- ALU): thực hiện các phép

toán số học và phép toán logic.

- Tập thanh ghi (Register File- RF): lưu giữ các thông tin tạm thời phục vụ cho

hoạt động của CPU.

- Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit-BIU) kết nối và trao đổi thông tin giữa

bus bên trong (internal bus) và bus bên ngoài (external bus).

 Tốc độ của bộ xử lý:

- Số lệnh được thực hiện trong 1 giây, MIPS (Million of Instructions per Second).

- Khó đánh giá chính xác (còn phụ thuộc bộ nhớ, bo mạch đồ họa…).

 Tần số xung nhịp của bộ xử lý:

8

- Bộ xử lý hoạt động theo một xung nhịp (Clock) có tần số xác định.

- Tốc độ của bộ xử lý được đánh giá gián tiếp thông qua tần số của xung nhịp.

Dạng

xung

nhịp:

T₀: chu kỳ xung

nhịp

Mỗi thao tác của bộ xử lý mất một số nguyên lần chu kỳ T₀=> T₀càng nhỏ thì bộ xử

lý chạy càng nhanh.

Tần số xung nhịp: f₀= 1/T₀gọi là tần số làm việc của CPU.

Ví dụ: Máy tính dùng bộ xử lý Intel Pentium IV 2 GHz

Ta có: f₀= 2 GHz = 2 x 10⁹Hz ---> T₀= 1/f₀= 1/(2x10⁹) = 0,5 ns

1.1.3. Hệ thống nhớ

 Chức năng: Lưu trữ chương trình và dữ liệu.

 Các thao tác cơ bản với bộ nhớ: Thao tác ghi (Write) và thao tác đọc (Read).

 Các thành phần chính của bộ nhớ:

- Bộ nhớ trong (Internal Memory)

- Bộ nhớ ngoài (External Memory)

1.1.3.1. Bộ nhớ trong

 Chức năng và đặc điểm:

9

- Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp

- Tốc độ rất nhanh

- Dung lượng không lớn

- Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM và RAM

 Các loại bộ nhớ trong:

- Bộ nhớ chính (Main Memory)

- Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm)

 Bộ nhớ chính (Main Memory)

- Là thành phần nhớ tồn tại trên mọi hệ thống máy tính.

- Chứa các chương trình và dữ liệu đang được CPU sử dụng.

- Tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa chỉ.

- Ngăn nhớ thường được tổ chức theo Byte.

- Nội dung của ngăn nhớ có thể thay đổi, song địa chỉ vật lý của ngăn nhớ luôn cố

định.

- Thông thường, bộ nhớ chính gồm 2 phần: RAM và ROM

+ ROM (Read Only Memory), hay Bộ nhớ chỉ đọc, lưu trữ các chương trình

mà khi mất nguồn điện cung cấp sẽ không bị (xóa) mất. Ngày nay còn có

công nghệ FlashROM tức bộ nhớ ROM không những chỉ đọc mà còn có thể

ghi lại được, nhờ có công nghệ này BIOS được cải tiến thành Flash BIOS.

+ RAM (Random Access Memory), hay Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên có tốc độ

truy cập nhanh, lưu trữ dữ liệu tạm thời, dữ liệu sẽ bị mất vĩnh viễn khi

không còn nguồn điện cung cấp.

 Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm)

- Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc

độ CPU truy cập bộ nhớ.

- Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính. Tốc độ nhanh hơn.

- Cache thường được chia thành một số mức: Cache L1, L2, L3

- Cache có thể được tích hợp trên cùng chip bộ xử lý.

10

- Cache có thể có hoặc không.

1.1.3.2. Bộ nhớ ngoài

 Chức năng và đặc điểm:

- Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính, bao gồm: Hệ điều hành, các chương

trình và dữ liệu.

- Bộ nhớ ngoài được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào ra

- Dung lượng lớn

- Tốc độ chậm

 Các loại bộ nhớ ngoài:

- Bộ nhớ từ: Đĩa cứng, đĩa mềm

- Bộ nhớ quang: Đĩa CD, DVD,…

- Bộ nhớ bán dẫn: Thẻ nhớ, USB flash.

1.1.4. Hệ thống vào-ra

 Chức năng: Trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài.

 Các thao tác cơ bản: Vào dữ liệu (Input), Ra dữ liệu (Output)

 Các thành phần chính:

- Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)

- Các mô-đun vào-ra (IO Modules).

Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra

11

 Các thiết bị ngoại vi

Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính.

Các loại thiết bị ngoại vi cơ bản:

- Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét ...

- Thiết bị ra: màn hình, máy in ...

- Thiết bị nhớ: các ổ đĩa ...

- Thiết bị truyền thông: MODEM ..

 Các mô-đun vào-ra

- Chức năng: nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính

- Mỗi mô-đun vào-ra có một hoặc một vài cổng vào-ra (I/O Port).

- Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác định.

- Các thiết bị ngoại vi được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thông qua các

cổng vào-ra.

1.1.5. Hệ thống BUS

 Hệ thống BUS (Bus system) làm nhiệm vụ vận chuyển thông tin giữa các phần

khác nhau trong máy tính.

12

 Hệ thống Bus bao gồm:

- Bus dữ liệu dùng để vận chuyển dữ liệu từ bộ nhớ tới CPU hoặc ngược lại.

- Bus địa chỉ dùng để vận chuyển tín hiệu địa chỉ (ô nhớ hay cổng vào/ra do CPU

phát ra).

- Bus điều khiển dùng để vận chuyển tín hiệu điều khiển do CPU phát ra để điều

khiển các khối trong hệ thống hoặc do thiết bị ngoại vi gửi tới CPU yêu cầu thực

hiện một công việc nào đó.

1.2. Hoạt động cơ bản của máy tính

1.2.1. Thực hiện chương trình

Là hoạt động cơ bản của Máy tính. Máy tính lặp đi lặp lại quá trình thực hiện

lệnh gồm hai bước cơ bản:

- Nhận lệnh (Fetch)

- Thực hiện lệnh (Execute)

 Chương trình dừng khi:

- Mất nguồn

- Gặp lệnh dừng

- Gặp tình huống không giải quyết được(lỗi)

Chu

trình

lệnh:

13

 Nhận lệnh (Fetch)

- Bắt đầu mỗi chu kỳ lệnh là CPU tiến hành lấy lệnh từ bộ nhớ chính. Trong quá

trình lấy và thực hiện lệnh có 2 thanh ghi bên trong CPU mà ta quan tâm đó là

PC (Program Counter) và thanh ghi IR (Instruction Register).

- CPU lấy lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi thanh ghi PC đưa vào thanh ghi lệnh IR

lưu giữ.

- Sau mỗi lệnh được nhận thì nội dung của thanh ghi PC tự động tăng để trỏ tới

lệnh kế tiếp sẽ được thực hiện.

 Thực hiện lệnh (Execute)

- Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao

tác mà lệnh yêu cầu thông qua khối điều khiển CU.

- Thực hiện trao đổi giữa CPU và bộ nhớ chính.

- Thực hiện trao đổi giữa CPU và mô-đun I/O.

- Xử lý dữ liệu thực hiện các phép toán số học và logic.

- Điều khiển rẽ nhánh.

- Kết hợp các thao tác trên.

Một số ví dụ về quá trình thực hiện lệnh, với giả thiết cấu trúc lệnh có dạng

như sau:

14

1.2.2. Hoạt động ngắt

Khái niệm chung về ngắt: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình

đang thực hiện chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là chương trình con

phục vụ ngắt.

Các loại ngắt:

- Ngắt do lỗi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho 0

- Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi bộ nhớ RAM

- Ngắt do mô-đun vào-ra phát ra tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu.

Hoạt động của ngắt: Sau khi hoàn thành một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu

ngắt.

15

- Nếu không có ngắt thì bộ xử lý tiếp tục nhận lệnh tiếp theo.

- Nếu có tín hiệu ngắt:

+ Tạm dừng chương trình đang thực hiện. Cất ngữ cảnh (thông tin có liên

quan đến chương trình đang thực hiện).

+ Thiết lập bộ đếm chương trình PC trỏ đến chương trình con phục vụ

ngắt.

+ Thực hiện chương trình con phục vụ ngắt.

+ Cuối chương trình con phục vụ ngắt. Khôi phục lại ngữ cảnh và tiếp tục

chương trình đang bị tạm dừng.

1.3. LIÊN KẾT HỆ THỐNG

1.3.1. Hệ thống Bus

1.3.1.1. Các luồng thông tin trong máy tính

Một máy tính bao gồm một tập hợp các thành phần hay mô-đun thuộc 3 kiểu cơ bản:

- CPU

- Mô-đun nhớ

- Mô-đun vào-ra

Trong thực tế, máy tính được xem như một mạng gồm nhiều thành phần cơ bản.

16

Do đó, để máy tính hoạt động được cần phải có các đường dẫn kết nối các mô-đun lại

với nhau.

a) Kết nối mô-đun nhớ:

- Địa chỉ đưa đến để xác định ngăn nhớ

- Dữ liệu được đưa đến khi ghi

- Dữ liệu hoặc lệnh được đưa ra khi đọc (lưu ý: bộ nhớ không phân biệt lệnh và

dữ liệu).

- Nhận các tín hiệu điều khiển: Điều khiển đọc (Read), điều khiển ghi (Write).

b) Kết nối mô-đun vào-ra:

- Địa chỉ đưa đến để xác định cổng vào-ra

- Ra dữ liệu (Output)

+ Nhận dữ liệu từ CPU hoặc bộ nhớ chính

+ Đưa dữ liệu ra thiết bị ngoại vi

- Vào dữ liệu (Input)

+ Nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi

17

+ Đưa dữ liệu vào CPU hoặc bộ nhớ chính

- Nhận các tín hiệu điều khiển từ CPU

- Phát các tín hiệu điều khiển đến thiết bị ngoại vi

- Phát các tín hiệu ngắt đến CPU

c) Kết nối CPU:

- Phát địa chỉ đến các mô-đun nhớ hay các mô-đun vào-ra

- Đọc lệnh và dữ liệu

- Đưa dữ liệu ra (sau khi xử lý)

- Phát tín hiệu điều khiển đến các mô-đun nhớ và các mô-đun vào-ra

- Nhận các tín hiệu ngắt

1.3.1.2. Cấu trúc Bus cơ bản

Chức năng vận chuyển thông tin giữa các thành phần trong máy tính, như thông

tin từ CPU tới bộ nhớ, từ CPU tới bộ điều khiển vào ra I/O.

- Khái niệm BUS: Bus là tập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông

tin giữa các mô-đun của máy tính với nhau.

- Độ rộng của BUS: Là số đường dây của Bus có thể truyền các bit thông tin

đồng thời (chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu).

- Phân loại BUS: Theo chức năng ta chia bus ra làm 3 loại là BUS địa chỉ, BUS

dữ liệu và BUS điều khiển.

18

a) BUS địa chỉ :

- Chức năng: Dùng để vận chuyển địa chỉ từ CPU đến các mô-đun nhớ hay các

mô-đun vào ra, nhằm để xác định ngăn nhớ hay cổng vào ra nào cần truy xuất trao đổi

thông tin (đây là BUS một chiều).

- Độ rộng của BUS địa chỉ (A0, A1,…, An-1). Cho biết khả năng quản lý cực đại

số các ngăn nhớ. Nếu sử dụng độ rộng bus địa chỉ n đường thì dung lượng cực đại của

bộ nhớ có thể quản lý là 2ⁿngăn nhớ hay tương đương với 2ⁿByte nhớ (nếu mỗi ngăn

nhớ 1 Byte)

b) BUS dữ liệu:

- Chức năng: Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU, vận chuyển dữ liệu giữa

CPU, mô-đun nhớ, mô-đun vào-ra với nhau.

- Độ rộng của Bus dữ liệu (D0, D1, ….Dm-1). Cho biết số bit dữ liệu có thể

được trao đổi đồng thời, m=8, 16, 32, 64, 128 bit.

c) BUS điều khiển:

Tập hợp các tín hiệu điều khiển gồm có:

- Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển mô-đun nhớ và mô-đun vào ra.

- Các tín hiệu từ mô-đun nhớ, mô-đun vào ra gửi đến CPU yêu cầu.

19

- Ngoài ra còn là BUS cung cấp nguồn tín hiệu xung nhịp (clock) với các BUS

đồng bộ.

20