TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH

VŨ NGỌC THANH SANG
TRỊNH TẤN ĐẠT

KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN
ĐẠI HỌC SÀI GỊN
Email:

Website: />

Nội dung
• Các khái niệm cơ bản

• Phân loại
• Cấu trúc tổng qt

• Lịch sử phát triển
• Bài tập

Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


I - Khái niệm cơ bản về kiến trúc máy tính

• Máy tính (computer) là một thiết bị điện tử xử lý dữ liệu, thông qua thực
thi tự động danh sách các lệnh hay gọi là chương trình (program) đã được
lưu trữ vào bộ nhớ chính.
• Thiết bị ngoại vị (peripherals): những thiết bị có thể nhập, xuất thơng tin

và bộ nhớ thứ cấp (second memory).
• Hệ thống máy tính (Computer system): bao gồm máy tính và các thiết bị

ngoại vi.
• Kiến trúc máy tính (Computer architecture): bao gồm cấu trúc hệ thống,
các thuộc tính của hệ thống kết nối với nhau. Các thuộc tính có thể thấy
được bởi người lập trình hoặc có ảnh hưởng trực tiếp đến logic thực hiện
chương trình.
Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


I - Khái niệm cơ bản về kiến trúc máy tính
❑ Các thuộc tính Kiến trúc máy tính (KTMT):
• Tập lệnh
• Các phương pháp biểu diễn dữ liệu cơ bản
• Cơ chế xuất/nhập
• Các khối cơ bản trong CPU
• Chức năng của các thành phần chính
• Sự thực hiện lệnh
• Tố chức bộ nhớ (các kỹ thuật định vị bộ nhớ)

• Các cách mà các thành phần cơ bản kết nối với nhau

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính



II - Phân loại máy tính – Theo kiến trúc

Theo kiến trúc (RISC, CISC):
• RISC (Reduced Instructions Set Computer)
• Là bộ kiến trúc vi xử lý được thiết kế theo hướng đơn giản hóa tập lệnh.
• Phần cứng đơn giản và nhanh hơn

• CISC (Complex Instructions Set Computer)
• Là một kiến trúc vi xử lý được thiết kế với các tập lệnh phức tạp (có thể đảm nhiệm nhiều
chức năng).
• Phần cứng phức tạp và chậm hơn

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


II - Phân loại máy tính – Theo khảo năng xử lý

• Mainframe Computer (Máy tính lớn):
o Là những máy tính có hiệu suất tính tốn cao với chiều dài bus

dữ liệu là 64 bit hoặc hơn.
o Có lượng bộ nhớ lớn và các bộ vi xử lý có thể thực thi lượng
phép tính lớn, thực thi các giao dịch trong thời gian thực.
o Xây dựng cho cơ sở dữ liệu, các server giao dịch.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính



II - Phân loại máy tính – Theo khảo năng xử lý
• Mini Computer (Máy tính con):
o Là loại có kích thước nhỏ hơn với chiều rộng bus dữ liệu từ
32 đến 64 bit.

• Micro Computer (Máy vi tính):
o Là loại máy tính sử dụng bộ xử lý trung tâm (Central
Processing Unit - CPU) làm vi xử lý 32 đến 64 bit.

o Tích hợp quy mơ lớn (Very large scale integration) cùng công
nghệ CMOS (complementary metal oxide silicon) để chế tạo
các mạch logic.
Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


III. Cấu trúc tổng quát và tổ chức máy tính
Cấu trúc hệ thống máy tính

• Bộ xử lý trung tâm (Central
Processing Unit - CPU): Điều
khiển hoạt động của máy tính
và xử lý dữ liệu.
• Bộ nhớ chính (Main Memory):
Chứa các chương trình và dữ
liệu đang được sử dụng.
• Hệ thống vào ra (Input/Output

System): Trao đổi thơng tin
giữa máy tính với bên ngồi.
• Bus liên kết hệ thống (System
Interconnection Bus): Kết nối
và vận chuyển thông tin giữa
các thành phần với

Khoa Công Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


III. Cấu trúc tổng qt và tổ chức máy tính

• Tổ chức máy tính (Computer Organization): thực hiện hóa những đặc

tả của kiến trúc máy tính. Các chức năng, thuộc tính hoạt động được
liên kết với nhau dựa trên kiến trúc máy tính: chi tiết phần cứng, tín
hiệu, thiết bị ngoại vi.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


III. Cấu trúc tổng quát và tổ chức máy tính

❑ CPU (Central Processing Unit): Điều khiển mọi hoạt động của máy tính và xử lý dữ liệu.
• Thành phần cơ bản:
CU (Control Unit) điều khiển hoạt động của máy tính theo chương trình đã định sẵn.

ALU (Arithmetic & Logc Unit)thực hiện các phép toán số học và logic trên các dữ liệu cụ thể.
RF (Register File) lưu trữ dữ liệu tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU
BIU (Bus Interface Unit) kết nối và trao đổi dữ liệu giữa Bus bên trong và Bus bên ngồi CPU

Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


III. Cấu trúc tổng quát và tổ chức máy tính

Arithmetic/Logic Unit (ALU) là một phần của bộ xử lý CPU
• Chứa các mạch số học: Cộng, trừ, nhân và chia
• Chứa các mạch để so sánh và logic: so sánh (=), và (and), hoặc (or), khơng (not)
• Chứa thanh ghi: bộ nhớ tốc độ cao, chuyên dụng được kết nối với mạch điện

• Đường dẫn dữ liệu: cách thơng tin chảy trong ALU
• Từ thanh ghi đến mạch
• Từ mạch trở lại thanh ghi

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


III. Cấu trúc tổng quát và tổ chức máy tính

Bộ nhớ - đơn vị chức năng, nơi dữ liệu được lưu trữ/truy xuất
• Bộ nhớ trong (Internal Memory)
• Bộ nhớ ngoài (External Memory)

Tổ chức : bộ nhớ được chia thành các ơ nhớ có kích thước bằng nhau và được đánh địa chỉ. Mổi ơ
nhớ có thể là 1 byte hoặc 1 từ máy (word). 1 word có thể là 1,2,4 hay 8 byte tùy theo nhà sản xuất
máy tính.
Thao tác cơ bản :
Đọc dữ liệu (Read)

Ghi dữ liệu(write)

Khoa Công Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


III. Cấu trúc tổng quát và tổ chức máy tính
❑ Bộ nhớ trong (Internal Memory) : bộ nhớ chính (RAM, ROM) và bộ nhớ cache
• Chức năng và đặc điểm:
• Chứa thơng tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp.
• Tốc độ rất nhanh.
• Dung lương khơng lớn.
• Sử dụng bộ nhớ bán dẫn
Random access memory (RAM)

• Được tổ chức thành các ô nhớ với các địa chỉ riêng biệt
• Thời gian truy cập tới các ơ nhớ là như nhau
• Giá trị của từng ơ nhớ có thể được đọc và thay đổi
Read-only memory (ROM)

• Một hình thức của RAM để chứa thông tin được ghi sẵn, không thể sửa đổi
Cache Memory (hay bộ nhớ đệm)
•


Đây là bộ nhớ bán dẫn có tốc độ nhanh và chúng được đặt giữa CPU và bộ nhớ chính nằm tăng tốc truy xuất của CPU tới bộ nhớ
chính. Dung lượng nhỏ hơn nhiều so với bộ nhớ chính. Tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


III. Cấu trúc tổng quát và tổ chức máy tính
❑ Bộ nhớ ngồi
• Chức năng và đặc điểm:

Lưu trữ tài nguyên phần mềm máy tính.
Được kết nối với hệ thống như thiết bị vào ra.
Dung lượng rất lớn ( vài trăm GB).

Tốc độ chậm.
• Các loại bộ nhớ:
Bộ nhớ từ : đĩa cứng, đĩa mềm,…
Bộ nhớ quang: CD, VCD, DVD,…
Bộ nhớ bán dẫn: flash disk,…

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


III. Cấu trúc tổng quát và tổ chức máy tính
❑ Phân cấp bộ nhớ: Dung lượng, tốc độ truy cập, giá thành.


Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


III. Cấu trúc tổng quát và tổ chức máy tính

Thiết bị vào ra (I/O): liên kết bộ vi xử lý với thế giới bên ngồi
• Liên kết với con người thơng qua bàn phím, máy chiếu
• Với bộ nhớ: HDD. SSD, USB, DVD
• Với các máy tính khác: mạng
RAM = volatile memory (bộ nhớ dễ bay hơi)
Bộ nhớ không dễ bay hơi

• Thiết bị nhớ truy cập trực tip (direct access storate devices, DASDs)
• Thiết bị nhớ truy cập tuần tự (Sequential access storage device (SASDs)

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


IV. Lịch sử phát triển
Thế hệ III:
Mạch tính hợp

Thế hệ I:
Bóng đèn điện
1955 - 1965


1642 - 1945

1965 - 1980

1945 - 1955
Thế hệ II:
Transistor

Thế hệ zero: Máy
tính cơ học

Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


IV. Lịch sử phát triển - thế hệ zero - máy tính cơ học

Phát minh máy tính với 2
phép tính + và -

Blaise Pascal

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


IV. Lịch sử phát triển - Thế hệ zero - máy tính cơ học


• Năm 1672: Gotfrid vilgelm Leibnits chế tạo máy tính với 4 phép tính

+, -, *, /.
• 1834 Babbage (Anh) – máy tính có 4 bộ phận: bộ nhớ, bộ tính tồn,
thiết bị nhập, thiết bị xuất.
• 1944 G.Iken (Mỹ) – Mark I: nặng 5 tấn, cao 2.4m, dài 15m, chứa
800km dây điện.

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


IV. Lịch sử phát triển - Thế hệ I – bóng đèn điện

Bóng đèn chân khơng
(Vacuum tube)
Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gòn

Dự án Colossus (Anh) vào năm 1943
Kiến Trúc Máy Tính


IV. Lịch sử phát triển – Thế hệ I – bóng đèn điện

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer): máy tính hiện đại đầu tiên được xây
dựng từ năm 1943 - 1955
Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn


Kiến Trúc Máy Tính


IV. Lịch sử phát triển – Thế hệ I – bóng đèn điện

ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer)
• Gs Ecket và Mauchly ở ĐH Pennsylvania
• Bắt đầu 1943 hồn thành 1946 được dùng đến 1955
• 20 thanh ghi 10 bit (thập phân ko có nhi phân)
• Cơng việc lập trình bằng tay bởi nối hoặc ngắt điện
• 18 000 đèn điện tử (vacuum tubes)
• 1500 cơng tắc
• Cân nặng 30 tấn
• 140 KW
• Thực hiện 5 000 phép cộng trong 1 giây

Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


IV. Lịch sử phát triển – Thế hệ I – bóng đèn điện

John von Neumann với dự án EDVAC (năm 1945)
Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


IV. Lịch sử phát triển – Máy tính Von Neumann – Turring


❑ Máy tính Von Neumann/Turring

• Máy tính IAS (Institute for Advanced Studies)
• Máy có mơ hình cơ bản của máy tính ngày nay:
• Bộ nhớ chính lưu chương trình và dữ liệu

• Hoạt động của ALU trên dữ liệu nhị phân
• CU thơng dịch các lệnh từ bộ nhớ và thực thi

• Thiết kế 1947 hồn thành 1952
• Xây dựng trên ý tường của Turring (Mỹ) và Von Neumann(Anh)

Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính


IV. Lịch sử phát triển – Máy tính Von Neumann – Turring

Cấu trúc của IAS
Khoa Công Nghệ Thông Tin – Đại học Sài Gịn

Kiến Trúc Máy Tính