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

BỘ LAO ĐỘNG -THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI

TỔNG CỤC DẠY NGHỀ

-----  -----

:

GIÁO TRÌNH

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

NGHỀ: KỸ THUẬT SỬA CHỮA, LẮP

RÁP MÁY TÍNH

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

(Ban hành theo Quyết định số: 120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của

Tổng cục trưởng Tổng cục dạy nghề)

NĂM 2013

(mặt sau trang bìa)

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN:

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được

phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh

thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

LỜI GIỚI THIỆU

Kiến trúc máy tính là một mảng kiến thức không thể thiếu đối với sinh viên

chuyên ngành điện tử viễn thông và công nghệ thông tin. Đây là nền tảng để nghiên

cứu chuyên sâu trong chuyên ngành này. Chúng ta đều biết rằng không có kiến thức

cơ sở vững vàng sẽ không có phát triển ứng dụng vì vậy tài liệu này sẽ giúp cho sinh

viên trang bị cho mình những kiến thức căn bản nhất, thiết thực nhất. Cuốn sách này

không chỉ hữu ích đối với sinh viên ngành viễn thông và công nghệ thông tin, mà còn

cần thiết cho cả các cán bộ kỹ thuật đang theo học các lớp bổ túc hoàn thiện kiến thức

của mình.

Môn học Kiến trúc máy tính là một môn học chuyên môn của học viên ngành

sửa chữa máy tính và quản trị mạng. Môn học này nhằm trang bị cho học viên các

trường công nhân kỹ thuật và các trung tâm dạy nghề những kiến thức về Kiến trúc

máy tính. Với các kiến thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản

xuất cũng như đời sống. Môn học này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán

bộ kỹ thuật, các học viên của các nghành khác quan tâm đến lĩnh vực này.

Mặc dù đã có những cố gắng để hoàn thành giáo trình theo kế hoạch, nhưng do

hạn chế về thời gian và kinh nghiệm soạn thảo giáo trình, nên tài liệu chắc chắn còn

những khiếm khuyết. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong

Khoa cũng như các bạn sinh viên và những ai sử dụng tài liệu này.

Hà Nội, 2013

Tham gia biên soạn

Khoa Công Nghệ Thông Tin

Trường Cao Đẳng Nghề Kỹ Thuật Công Nghệ

Địa Chỉ: Tổ 59 Thị trấn Đông Anh – Hà Nội

Tel: 04. 38821300

Chủ biên: Phùng Sỹ Tiến

Mọi góp ý liên hệ: Phùng Sỹ Tiến – Trưởng Khoa Công Nghệ Thông Tin

Mobible: 0983393834

Email: [email protected] – [email protected]

MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................ 4

KIẾN TRÚC MÁY TÍNH.................................................................................... 6

YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ HOÀN THÀNH MÔN HỌC... Error! Bookmark not

defined.

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN................................................................................. 7

1. Các thế hệ máy tính....................................................................................... 7

1.1 Thế hệ đầu tiên (1946-1957) ......................................................................... 8

1.2 Thế hệ thứ hai (1958-1964)........................................................................... 8

1.3 Thế hệ thứ ba (1965-1971)............................................................................ 9

1.4 Thế hệ thứ tư (1972)...................................................................................... 9

1.5 Khuynh hướng hiện tại.................................................................................. 9

2. Phân loại máy tính....................................................................................... 10

2.1 Các siêu máy tính (Super Computer): ......................................................... 10

2.2 Các máy tính lớn (Mainframe):................................................................... 10

2.3 Máy tính mini (Minicomputer):................................................................... 10

2.4 Máy vi tính (Microcomputer) ...................................................................... 10

3. Thành quả của máy tính, qui luật Moore về sự phát triển của máy tính . 11

4. Thông tin và sự mã hóa thông tin............................................................... 13

4.1 Khái niệm thông tin..................................................................................... 13

4.2 Lượng thông tin và sự mã hoá thông tin...................................................... 13

4.3 Biểu diễn các số:......................................................................................... 14

4.4 Số nguyên có dấu ........................................................................................ 16

4.5 Cách biểu diễn số thập phân....................................................................... 18

4.6 Biểu diễn các ký tự...................................................................................... 19

Chương 2: GIAO TIẾP VẬT LÝ...................................................................... 22

1. Các thành phần cơ bản của máy tính......................................................... 23

1.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU) ........................................................................... 23

1.2 Bo mạch chủ (Mainboard) .......................................................................... 24

1.3 Bộ nhớ trong............................................................................................... 26

1.4 Thiết bị lưu trữ............................................................................................ 27

1.5 Thiết bị nhập xuất ....................................................................................... 27

2. Định nghĩa kiến trúc máy tính .................................................................... 27

3. Tập lệnh ..................................................................................................... 28

3.1 Tập các thanh ghi (của bộ vi xử lý 8086) .................................................... 28

4. Kiến trúc RISC ............................................................................................ 31

4.1 Giới thiệu.................................................................................................... 32

4.2 Các kiểu định vị trong các bộ xử lý ............................................................. 34

5. Toán hạng .................................................................................................... 36

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ............................................... 36

Chương 3: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ .................................................................... 37

1. Đường đi của dữ liệu ................................................................................... 37

2. Bộ điều khiển ............................................................................................... 39

2.1 Bộ điều khiển mạch điện tử. ........................................................................ 39

2.2 Bộ điều khiển vi chương trình:.................................................................... 41

3. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy.................................................................. 41

4. Ngắt (INTERRUPT)................................................................................... 43

5. Kỹ thuật ống dẫn (PIPELINE)...................................................................... 44

5.1 Ống dẫn ...................................................................................................... 44

5.2 Khó khăn trong kỹ thuật ống dẫn ................................................................ 45

5. Siêu ống dẫn................................................................................................. 47

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 3 ............................................... 48

Chương 4: BỘ NHỚ........................................................................................... 49

1. Các loại bộ nhớ ............................................................................................ 49

1.1 Bộ nhớ trong............................................................................................... 49

2. Các cấp bộ nhớ ............................................................................................ 55

3. Truy cập dữ liệu trong bộ nhớ.................................................................... 57

3.1 Truy nhập bộ nhớ và thiết bị vào/ ra ........................................................... 58

3.2 Truy nhập bộ nhớ chính .............................................................................. 58

4. Bộ nhớ CACHE ........................................................................................... 61

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 4 ............................................... 67

Chương 5:THIẾT BỊ NHẬP XUẤT.................................................................. 68

1. Đĩa từ............................................................................................................ 68

2. Đĩa quang..................................................................................................... 70

3. Các loại thẻ nhớ........................................................................................... 72

4. Băng từ......................................................................................................... 73

5. Các chuẩn về BUS ...................................................................................... 73

6. An toàn dữ liệu trong lưu trữ...................................................................... 75

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 5 ............................................... 79

Chương 6: NGÔN NGỮ ASSEMBLY .............................................................. 80

1. Tổng quan .................................................................................................... 80

1.1 Cấu trúc chung của một chương trình......................................................... 80

1.2 Biến và khai báo biến.................................................................................. 85

1.3 Các chế độ địa chỉ....................................................................................... 88

2. Các Lệnh cơ bản.......................................................................................... 90

2.1 Các lệnh tính toán....................................................................................... 90

2.2 Lệnh nhập và xuất....................................................................................... 91

3. Các lệnh điều khiển ..................................................................................... 91

3.1 Các lệnh điều kiện, lặp................................................................................ 91

3.3 Lệnh chuyển hướng chương trình.............................................................. 100

4. Ngăn xếp và thủ tục................................................................................... 102

4.1 Ngăn xếp (stack) ....................................................................................... 103

4.2 Chương trình con...................................................................................... 103

4.3 Truyền tham số cho chương trình con....................................................... 105

4.4 Một số hàm của ngắt 21h.......................................................................... 106

CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 6 ............................................. 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH ................................................................. 112

MÔN HỌC: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

Mã môn học: MH12

Vị trí, ý nghĩa, vai trò môn học:

- Vị trí:

+ Môn học được bố trí sau khi sinh viên học xong các môn học chung, các

môn học cơ sở chuyên ngành đào tạo chuyên môn nghề.

- Tính chất:

+ Là môn học chuyên ngành.

- Ý nghĩa và vai trò của môn học

+ Là môn học không thể thiếu của nghề Sửa chữa lắp ráp máy tính. Môn Kiến

trúc máy tính cung cấp cho học sinh, sinh viên cấu tạo, nguyên lý hoạt động

của toàn bộ linh kiện máy tính phục vụ chính cho học tập và công việc của

học sinh, sinh viên của nghề này.

Mục tiêu của môn học:

- Biết về lịch sử của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính.

- Hiểu các thành phần cơ bản của kiến trúc máy tính, các tập lệnh. Các kiểu kiến

trúc máy tính: mô tả kiến trúc, các kiểu định vị.

- Hiểu cấu trúc của bộ xử lý trung tâm: tổ chức, chức năng và nguyên lý hoạt

động của các bộ phận bên trong bộ xử lý. Mô tả diễn tiến thi hành một lệnh mã

máy và một số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng.

- Hiểu chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ.

- Hiểu phương pháp an toàn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài.

- Lập trình được trên các tập lệnh cơ bản của Assembly.

- Tự tin khi tiếp cận những công nghệ phần cứng mới.

Nội dung của môn học:

Thời gian

Lý Thực Kiểm

thuyết hành

tra^*

Mã môn

học

Tên chương mục

Tổng

số

MH12-01 Tổng quan

Các thế hệ máy tính

4

0

Phân loại máy tính

Thành quả của máy tính

MH12-02 Kiến trúc phần mềm bộ xử lý

12

8

2

Thành phần cơ bản của một máy

tính

Định nghĩa kiến trúc máy tính

Tập lệnh

Thủ tục

Toán hạng

MH12-03 Tổ chức bộ xử lý

Đường đi dữ liệu

12

6

4

2

Bộ điều khiển

Diễn tiến thi hành lệnh mã máy

Ngắt

Kỹ thuật ống dẫn

Ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô

hướng

MH12-04 Bộ nhớ

16

11

4

1

Các loại bộ nhớ

Các cấp bộ nhớ

Cách truy xuất dữ liệu trong bộ

nhớ

Hiểu về bộ nhớ Cache và cách tổ

chức bộ nhớ Cache trong CPU

MH12-05 Thiết bị nhập xuất

Đĩa từ

Đĩa quang

Các loại thẻ nhớ

Băng tử

Các chuẩn về BUS

An toàn dữ liệu trong lưu trữ

MH12-06 Ngôn ngữ Assembly

30

90

16

56

12

26

2

8

Tổng quan

Các lệnh cơ bản

Các lệnh điều khiển

Ngăn xếp và các thủ tục

Cộng

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN

Mã chương: MH12 – 01.

Mục đích:

- Giới thiệu lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân

loại máy tính. Giới thiệu các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng

mã thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự.

1. Các thế hệ máy tính

Mục đích:

- Giới thiệu lịch sử phát triển của máy tính

- Trình bày được các thế hệ máy tính

Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ

chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các ngoại vi,…Ta có

thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển từ thế hệ trước

sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về công nghệ.

1.1 Thế hệ đầu tiên (1946-1957)

Hình 1- 1. Thế hệ đầu tiên (1946-1957)

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính điện tử số

đầu tiên do Giáo sư Mauchly và người học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania thiết

kế vào năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946. Đây là một máy tính khổng lồ

với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét. ENIAC bao gồm: 18.000 đèn

điện tử, 1.500 công tắc tự động, cân nặng 30 tấn, và tiêu thụ 140KW giờ. Nó có 20

thanh ghi 10 bit (tính toán trên số thập phân). Có khả năng thực hiện 5.000 phép toán

cộng trong một giây. Công việc lập trình bằng tay bằng cách đấu nối các đầu cắm

điện và dùng các ngắt điện.

Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính IAS

(Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình được lưu trong bộ nhớ, bộ

điều khiển sẽ lấy lệnh và biến đổi giá trị của dữ liệu trong phần bộ nhớ, bộ làm toán

và luận lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) được điều khiển để tính toán trên dữ

liệu nhị phân, điều khiển hoạt động của các thiết bị vào ra. Đây là một ý tưởng nền

tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay. Máy tính này còn được gọi là máy tính Von

Neumann.

Vào những năm đầu của thập niên 50, những máy tính thương mại đầu tiên

được đưa ra thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được bán ra.

1.2 Thế hệ thứ hai (1958-1964)

Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947 và do đó thế hệ thứ hai

của máy tính được đặc trưng bằng sự thay thế các đèn điện tử bằng các transistor

lưỡng cực. Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor

mới xuất hiện trên thị trường. Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng

lượng ít hơn. Vào thời điểm này, mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ được dùng. Ngôn

ngữ cấp cao xuất hiện (như FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959, ALGOL năm

1960) và hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing) được dùng. Trong hệ điều

hành này, chương trình của người dùng thứ nhất được chạy, xong đến chương trình

của người dùng thứ hai và cứ thế tiếp tục.

1.3 Thế hệ thứ ba (1965-1971)

Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạch kết (mạch tích

hợp - IC: Integrated Circuit). Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale

Integration) có thể chứa vài chục linh kiện và kết độ tích hợp mật độ trung bình (MSI:

Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp.

Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng

xuyến từ. Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng.

1.4 Thế hệ thứ tư (1972)

Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large

Scale Integration) có thể chứa hàng ngàn linh kiện. Các IC mật độ tích hợp rất cao

(VLSI: Very Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiện trên mạch.

Hiện nay, các chip VLSI chứa hàng triệu linh kiện.

Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và

phần điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy vi

tính đã được chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân. Các bộ nhớ bán

dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi. Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý

của máy tính không ngừng được phát triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử

lý song song mức độ cao,…

1.5 Khuynh hướng hiện tại

Việc chuyển từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ 5 còn chưa rõ ràng. Người Nhật

đã và đang đi tiên phong trong các chương trình nghiên cứu để cho ra đời thế hệ thứ 5

của máy tính, thế hệ của những máy tính thông minh, dựa trên các ngôn ngữ trí tuệ

nhân tạo như LISP và PROLOG,... và những giao diện người - máy thông minh. Đến

thời điểm này, các nghiên cứu đã cho ra các sản phẩm bước đầu và gần đây nhất

(2004) là sự ra mắt sản phẩm người máy thông minh gần giống với con người nhất:

ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: Bước chân tiên tiến của đổi mới và

chuyển động). Với hàng trăm nghìn máy móc điện tử tối tân đặt trong cơ thể, ASIMO

có thể lên/xuống cầu thang một cách uyển chuyển, nhận diện người, các cử chỉ hành

động, giọng nói và đáp ứng một số mệnh lệnh của con người. Thậm chí, nó có thể bắt

chước cử động, gọi tên người và cung cấp thông tin ngay sau khi bạn hỏi, rất gần gũi

và thân thiện. Hiện nay có nhiều công ty, viện nghiên cứu của Nhật thuê Asimo tiếp

khách và hướng dẫn khách tham quan như: Viện Bảo tàng Khoa học năng lượng và

Đổi mới quốc gia, hãng IBM Nhật Bản, Công ty điện lực Tokyo.

Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý

chuyển động bằng hai chân. Cho tới nay, hãng đã chế tạo được 50 robot ASIMO.

Các tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSI đã cho phép thực hiện các mạch vi

xử lý ngày càng mạnh (8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit với việc xuất hiện các bộ xử lý

RISC năm 1986 và các bộ xử lý siêu vô hướng năm 1990). Chính các bộ xử lý này

giúp thực hiện các máy tính song song với từ vài bộ xử lý đến vài ngàn bộ xử lý.

Điều này làm các chuyên gia về kiến trúc máy tính tiên đoán thế hệ thứ 5 là thế hệ

các máy tính xử lý song song.

Bảng 1-1. Các thế hệ máy tính

Thế

hệ

Năm

Kỹ thuật

Sản phẩm

mới

Hãng sản xuất và máy tính

1

1946-1957 Đèn điện tử Máy tính điện IBM 701. UNIVAC

tử tung ra thị

trường

2

3

4

1958-1964 Transistors Máy tính rẻ Intel,Burroughs 6500, NCR,

tiền

CDC 6600, Honeywell

1965-1971 Mach IC

1972

Máy tính mini 50 hãng mới: DEC PDP-11,

Data general ,Nova

LSI - VLSI Máy tính cá Apple II, IBM-PC, Appolo

nhân và trạm DN 300, Sun 2

làm việc

5

Xử lý song Máy tính đa Sequent

…

Thinking

song

xử lý. Đa máy Machine Inc. Honda, Casio

tính

2. Phân loại máy tính

Mục đích:

- Trình bày được cách phân loại máy tính.

Thông thường máy tính được phân loại theo tính năng kỹ thuật và giá tiền.

2.1 Các siêu máy tính (Super Computer):

Là các máy tính đắt tiền nhất và tính năng kỹ thuật cao nhất. Giá bán một siêu

máy tính từ vài triệu USD. Các siêu máy tính thường là các máy tính vectơ hay các

máy tính dùng kỹ thuật vô hướng và được thiết kế để tính toán khoa học, mô phỏng

các hiện tượng. Các siêu máy tính được thiết kế với kỹ thuật xử lý song song với rất

nhiều bộ xử lý (hàng ngàn đến hàng trăm ngàn bộ xử lý trong một siêu máy tính).

2.2 Các máy tính lớn (Mainframe):

Là loại máy tính đa dụng. Nó có thể dùng cho các ứng dụng quản lý cũng như

các tính toán khoa học. Dùng kỹ thuật xử lý song song và có hệ thống vào ra mạnh.

Giá một máy tính lớn có thể từ vài trăm ngàn USD đến hàng triệu USD.

2.3 Máy tính mini (Minicomputer):

Là loại máy cỡ trung, giá một máy tính mini có thể từ vài chục USD đến vài

trăm ngàn USD.

2.4 Máy vi tính (Microcomputer)

Là loại máy tính dùng bộ vi xử lý, giá một máy vi tính có thể từ vài trăm USD

đến vài ngàn USD.

3. Thành quả của máy tính, qui luật Moore về sự phát triển của máy tính

Hình 1-2 cho thấy diễn biến của thành quả tối đa của máy tính. Thành quả này

tăng theo hàm số mũ, độ tăng trưởng các máy vi tính là 35% mỗi năm, còn đối với

các loại máy khác, độ tăng trưởng là 20% mỗi năm. Điều này cho thấy tính năng các

máy vi tính đã vượt qua các loại máy tính khác vào đầu thập niên 90.

Hình 1- 2. Đánh giá thành quả của máy tính

Máy tính dùng thật nhiều bộ xử lý song song rất thích hợp khi phải làm tính

thật nhiều.

Sự tăng trưởng theo hàm số mũ của công nghệ chế tạo transistor MOS là

nguồn gốc của thành quả các máy tính.

Hình 1-4 cho thấy sự tăng trưởng về tần số xung nhịp của các bộ xử lý MOS.

Độ tăng trưởng của tần số xung nhịp bộ xử lý tăng gấp đôi sau mỗi thế hệ và độ trì

hoãn trên mỗi cổng / xung nhịp giảm 25% cho mỗi năm .

Sự phát triển của công nghệ máy tính và đặc biệt là sự phát triển của bộ vi xử

lý của các máy vi tính làm cho các máy vi tính có tốc độ vượt qua tốc độ bộ xử lý của

các máy tính lớn hơn.

Hình 1-3. Sự phát triển của bộ xử lý Intel

Bảng 1-2 Sự phát triển của bộ xử lý Intel

dựa vào số lượng transistor trong một mạch tích hợp theo qui luật Moore

Bộ xử lý Intel

Năm sản xuất Số lượng transistor tích

hợp

4004

8008

8080

8086

80286

1971

1972

1974

1978

1982

1985

1989

1993

1997

1999

2.250

2.500

5.000

29.000

120.000

275.000

1.180.000

3.100.000

7.500.000

24.000.000

Intel 386 ^TMprocessor

Intel 486 ^TMprocessor

Intel ®Pentium ® processor

Intel ®Pentium ® II processor

Intel ®Pentium ® III

processor

Intel ®Pentium ® 4 processor

Intel ® Itanium ® processor

Intel ® Itanium ® 2 processor

2000

2002

2003

42.000.000

220.000.000

410.000.000

Từ năm 1965, Gordon Moore (đồng sáng lập công ty Intel) quan sát và nhận

thấy số transistor trong mỗi mạch tích hợp có thể tăng gấp đôi sau mỗi năm, G.

Moore đã đưa ra dự đoán: Khả năng của máy tính sẽ tăng lên gấp đôi sau 18 tháng

với giá thành là như nhau.

Kết quả của quy luật Moore là:

+ Chi phí cho máy tính sẽ giảm.

+ Giảm kích thước các linh kiện, máy tính sẽ giảm kích thước

+ Hệ thống kết nối bên trong mạch ngắn: tăng độ tin cậy, tăng tốc độ .

+ Tiết kiệm năng lượng cung cấp, toả nhiệt thấp.

+ Các IC thay thế cho các linh kiện rời.

Hình 1-4. Xung nhịp các bộ xử lý MOS

Một số khái niệm liên quan:

+ Mật độ tích hợp là số linh kiện tích hợp trên một diện tích bề mặt tấm silicon

cho sẵn, cho biết số nhiệm vụ và mạch có thực hiện.

+ Tần số xung nhịp bộ xử lý cho biết tần số thực hiện các nhiệm vụ.

+ Tốc độ xử lý của máy tính trong một giây (hay công suất tính toán của mỗi

mạch): được tính bằng tích của mật độ tích hợp và tần số xung nhịp. Công suất này

cũng tăng theo hàm mũ đối với thời gian.

4. Thông tin và sự mã hóa thông tin

Mục đích:

- Giới thiệu các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng

được dùng để biểu diễn các ký tự.

4.1 Khái niệm thông tin

Hình 1-5. Thông tin về 2 trạng thái có ý nghĩa của hiệu điện thế

Khái niệm về thông tin gắn liền với sự hiểu biết một trạng thái cho sẵn trong

nhiều trạng thái có thể có vào một thời điểm cho trước.

Trong hình này, chúng ta quy ước có hai trạng thái có ý nghĩa: trạng thái thấp

khi hiệu điện thế thấp hơn V_Lvà trạng thái cao khi hiệu điện thế lớn hơn V_H. Để có

thông tin, ta phải xác định thời điểm ta nhìn trạng thái của tín hiệu. Thí dụ, tại thời

điểm t₁thì tín hiệu ở trạng thái thấp và tại thời điểm t₂thì tín hiệu ở trạng thái cao.

4.2 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

Vậy một bit ứng với sự hiểu biết của một trạng thái trong hai trạng thái có thể

có. Thí dụ, sự hiểu biết của một trạng thái trong 8 trạng thái có thể ứng với một lượng

thông tin là:

I = Log₂(8) = 3 bit

Tám trạng thái được ghi nhận nhờ 3 số nhị phân (mỗi số nhị phân có thể có giá

trị 0 hoặc 1).

Như vậy lượng thông tin là số con số nhị phân cần thiết để biểu diễn số trạng

thái có thể có. Do vậy, một con số nhị phân được gọi là một bit. Một từ n bit có thể

tượng trưng một trạng thái trong tổng số 2ⁿtrạng thái mà từ đó có thể tượng trưng.

Vậy một từ n bit tương ứng với một lượng thông tin n bit.

Bảng 1-3. Tám trạng thái khác nhau ứng với 3 số nhị phân

Trạng thái

X2

0

X1

0

1

X0

0

1

0

1

0

1

2

3

4

5

6

7

1

0

1

0

1

0

1

4.3 Biểu diễn các số:

Khái niệm hệ thống số: Cơ sở của một hệ thống số định nghĩa phạm vi các giá

trị có thể có của một chữ số. Ví dụ: trong hệ thập phân, một chữ số có giá trị từ 0-9,

trong hệ nhị phân, một chữ số (một bit) chỉ có hai giá trị là 0 hoặc 1.

Dạng tổng quát để biểu diễn giá trị của một số:

Trong đó:

V_k: 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)

b_i: giá trị của chữ số thứ i

k: hệ số (k=10: hệ thập phân; k=2: hệ nhị phân;...).

Ví dụ: biểu diễn số 541.25 ₁₀

541.25₁₀= 5 * 10²+ 4 * 10¹+ 1 * 10⁰+ 2 * 10-1 + 5 * 10^-2

= (500)₁₀+ (40)₁₀+ (1)₁₀+ (2/10)₁₀+ (5/100)₁₀

Một máy tính được chủ yếu cấu tạo bằng các mạch điện tử có hai trạng thái. Vì

vậy, rất tiện lợi khi dùng các số nhị phân để biểu diễn số trạng thái của các mạch điện

hoặc để mã hoá các ký tự, các số cần thiết cho vận hành của máy tính.

Để biến đổi một số hệ thập phân sang nhị phân, ta có hai phương thức biến đổi:

Phương thức số dư để biến đổi phần nguyên của số thập phân sang nhị phân.

Ví dụ: Đổi 23.37510 sang nhị phân. Chúng ta sẽ chuyển đổi phần nguyên dùng

phương thức số dư:

- Phương thức nhân để biến đổi phần lẻ của số thập phân sang nhị phân

Kết quả cuối cùng nhận được là: 23.375₁₀= 10111.011₂

Tuy nhiên, trong việc biến đổi phần lẻ của một số thập phân sang số nhị phân

theo phương thức nhân, có một số trường hợp việc biến đổi số lặp lại vô hạn bit có

trọng số lớn nhất bit có trọng số nhỏ nhất

Ví dụ

Trường hợp biến đổi số nhị phân sang các hệ thống số khác nhau, ta có thể nhóm một

số các số nhị phân để biểu diễn cho số trong hệ thống số tương ứng.

(Base 2)

0000

0001

0010

Octal

(Base 8)

Decimal

(Base 10)

Hexadecimal

(Base 16)

0

1

2

0

1

2

0

1

2

(Base 2)

0011

Octal

(Base 8)

Decimal

(Base 10)

Hexadecimal

(Base 16)

3

4

5

6

3

4

5

6

7

3

4

5

6

7

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

7

10

11

12

13

14

15

16

17

8

9

8

9

10

11

12

13

14

15

A

B

C

D

E

F

Thông thường, người ta nhóm 4 bit trong hệ nhị phân hệ để biểu diễn số dưới dạng

thập lục phân (Hexadecimal).

Như vậy, dựa vào cách biến đổi số trong bảng nêu trên, chúng ta có ví dụ về cách

biến đổi các số trong các hệ thống số khác nhau theo hệ nhị phân:

• 1011₂= (10₂)(11₂) = 23₄

• 23₄= (2₄)(3₄) = (10₂)(11₂) = 1011₂

• 101010₂= (101₂)(010₂) = 52₈

• 01101101₂= (0110₂)(1101₂) = 6D₁₆

Một từ n bit có thể biểu diễn tất cả các số dương từ 0 tới 2ⁿ-1. Nếu d_ilà một số nhị

phân thứ i, một từ n bit tương ứng với một số nguyên thập phân.

Một Byte (gồm 8 bit) có thể biểu diễn các số từ 0 tới 255 và một từ 32 bit cho phép

biểu diễn các số từ 0 tới 4294967295.

4.4 Số nguyên có dấu

Có nhiều cách để biểu diễn một số n bit có dấu. Trong tất cả mọi cách thì bit

cao nhất luôn tượng trưng cho dấu.

Khi đó, bit dấu có giá trị là 0 thì số nguyên dương, bit dấu có giá trị là 1 thì số

nguyên âm. Tuy nhiên, cách biểu diễn dấu này không đúng trong trường hợp số được

biểu diễn bằng số thừa K mà ta sẽ xét ở phần sau trong chương này (bit dấu có giá trị

là 1 thì số nguyên dương, bit dấu có giá trị là 0 thì số nguyên âm).

d_n-1d_n-2d_n-3

…

d₂

d₁

d0

…

Bít dấu

Số nguyên có bit d_n-1là bit dấu và có trị số tượng trưng bởi các bit từ d₀tới d_n-2.

a. Cách biểu diễn bằng trị tuyệt đối và dấu

Trong cách này, bit d_n-1là bit dấu và các bit từ d₀tới d_n-2cho giá trị tuyệt đối. Một

từ n bit tương ứng với số nguyên thập phân có dấu.

Ví dụ: +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).

b. Cách biểu diễn hằng số bù 1

Trong cách biểu diễn này, số âm -N được có bằng cách thay các số nhị phân d_icủa số

đương N bằng số bù của nó (nghĩa là nếu d_i= 0 thì người ta đổi nó thành 1 và ngược

lại).

Ví dụ: +25₁₀= 00011001₂-25₁₀= 11100110₂

- Một Byte cho phép biểu diễn tất cả các số có dấu từ -127 (1000 0000₂) đến 127

(0111 1111₂)

- Có hai cách biểu diễn cho 0 là 0000 0000 (+0) và 1111 1111 (-0).

c. Cách biểu diễn bằng số bù 2

Để có số bù 2 của một số nào đó, người ta lấy số bù 1 rồi cộng thêm 1.

Vậy một từ n bit (d_n-1....... d₀) có trị thập phân.

Một từ n bit có thể biểu diễn các số có dấu từ - 2^n-1đến 2^n-1- 1. Chỉ có một cách duy

nhất để biểu diễn cho số không là tất cả các bit của số đó đều bằng không.

Ví dụ: +25₁₀= 00011001₂-25₁₀= 11100111₂

- Dùng 1 Byte (8 bit) để biểu diễn một số có dấu lớn nhất là +127 và số nhỏ nhất

là –128.

- Chỉ có một giá trị 0: +0 = 00000000₂, -0 = 00000000₂

Bảng 1-4. Số 4 bit có dấu theo cách biểu diễn số âm bằng số bù 2

d₃d₂d₁d₀

N

d₃d₂d₁d₀

N

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

2

3

4

5

6

7

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

d. Cách biểu diễn bằng số thừa K

Trong cách này, số dương của một số N có được bằng cách “cộng thêm vào” số

thừa K được chọn sao cho tổng của K và một số âm bất kỳ luôn luôn dương. Số âm -

N của số N có được bằng cáck lấy K-N (hay lấy bù hai của số vừa xác định).

Ví dụ: (số thừa K=128, số “cộng thêm vào” 128 là một số nguyên dương. Số

âm là số lấy bù hai số vừa tính, bỏ qua số giữ của bit cao nhất) :

+25₁₀= 10011001₂-25₁₀= 01100111₂

- Dùng 1 Byte (8 bit) để biểu diễn một số có dấu lớn nhất là +127 và số nhỏ

nhất là (âm) –128.

- Chỉ có một giá trị 0: +0 = 10000000₂, -0 = 10000000₂

Cách biểu diễn số nguyên có dấu bằng số bù 2 được dùng rộng rãi cho các

phép tính số nguyên. Nó có lợi là không cần thuật toán đặc biệt nào cho các phép tính

cộng và tính trừ, và giúp phát hiện dễ dàng các trường hợp bị tràn.

Các cách biểu diễn bằng "dấu , trị tuyệt đối" hoặc bằng "số bù 1" dẫn đến việc

dùng các thuật toán phức tạp và bất lợi vì luôn có hai cách biểu diễn của số không.

Cách biểu diễn bằng "dấu , trị tuyệt đối" được dùng cho phép nhân của số có dấu

chấm động.

Cách biểu diễn bằng số thừa K được dùng cho số mũ của các số có dấu chấm

động. Cách này làm cho việc so sánh các số mũ có dấu khác nhau trở thành việc so

sánh các số nguyên dương.

4.5 Cách biểu diễn số thập phân

Một vài ứng dụng, đặc biệt ứng dụng quản lý, bắt buộc các phép tính thập phân

phải chính xác, không làm tròn số. Với một số bit cố định, ta không thể đổi một cách

chính xác số nhị phân thành số thập phân và ngược lại. Vì vậy, khi cần phải dùng số

thập phân, ta dùng cách biểu diễn số thập phân mã bằng nhị phân (BCD: Binary

Coded Decimal) theo đó mỗi số thập phân được mã với 4 số nhị phân (bảng I.6).

Bảng 1-5. Số thập phân mã bằng nhị phân

Số thập d₃

phân

d₂

d₁

d₀Số thập

phân

d₃

d₂

d₁

d₀

0

1

0

1

5

6

0

1

0

1

0

2

3

4

0

1

0

1

0

7

8

9

0

1

0

1

0

1

0

1

Để biểu diễn số BCD có dấu, người ta thêm số 0 trước một số dương cần tính,

ta có số âm của số BCD bằng cách lấy bù 10 số cần tính.

Ví dụ: biểu diễn số +079₁₀bằng số BCD: 0000 0111 1001

Bù 9

1001 0010 0000

+1

1001 0010 0001

Bù 10

Vây, ta có: Số - 079₁₀trong cách biểu diễn số BCD: 1001 0010 0001_BCD

.

Cách tính toán trên tương đương với cách sau:

o Trước hết ta lấy số bù 9 của số 079 bằng cách: 999 - 079 = 920.

o Cộng 1 vào số bù 9 ta được số bù 10: 920 + 1 = 921.

o Biểu diễn số 921 dưới dạng số BCD, ta có: 1001 0010 0001_BCD

4.6 Biểu diễn các ký tự

Tuỳ theo các hệ thống khác nhau, có thể sử dụng các bảng mã khác nhau:

ASCII, EBCDIC, UNICODE,....Các hệ thống trước đây thường dùng bảng mã ASCII

(American Standard Codes for Information Interchange) để biểu diễn các chữ, số và

một số dấu thường dùng mà ta gọi chung là ký tự. Mỗi ký tự được biểu diễn bởi 7 bit

trong một Byte. Hiện nay, một trong các bảng mã thông dụng được dùng là Unicode,

trong bảng mã này, mỗi ký tự được mã hoá bởi 2 Byte.

Bảng mã ASCII