BM/QT10/P.ĐTSV/04/04
Ban hành lần: 3

UBND TỈNH BÀ RỊA – VŨNG TÀU
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ

GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: CẤU TRÚC MÁY TÍNH
NGHỀ: KỸ THUẬT LẮP RÁP, SỬA CHỮA MÁY TÍNH
TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP
(Ban hành kèm theo Quyết định số:

/QĐ-CĐKTCN ngày…….tháng….năm ...................

của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ BR – VT)

BÀ RỊA – VŨNG TÀU



TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Nhằm đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu cho giảng viên và học sinh
nghề Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính trong trường Cao đẳng Kỹ thuật Công
nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu. Chúng tôi đã thực hiện biên soạn tài liệu Cấu trúc máy
tính .
Tài liệu được biên soạn thuộc loại giáo trình phục vụ giảng dạy và học tập,
lưu hành nội bộ trong nhà trường nên các nguồn thơng 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.

1


LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình Cấu trúc máy tính là mơn học chun mơn. Mục đích của giáo
trình Cấu trúc máy tính này là nhằm chuẩn hóa tài liệu giảng dạy và học tập cho
học sinh trung cấp, đồng thời cũng là tài liệu tham khảo đối với các chuyên
ngành khác trong lĩnh vực công nghệ thông tin, Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy
tính.
Mục được xây dựng và biên soạn trên cơ sở Chương trình khung đào tạo
nghề Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính đã được Hiệu trưởng trường Cao đẳng
kỹ thuật công nghệ Bà Rịa - Vũng Tàu phê duyệt.
Giáo trình Cấu trúc máy tính dùng để giảng dạy ở trình độ trung cấp được
biên soạn theo nguyên tắc quan tâm đến: tính định hướng thị trường lao động,
tính hệ thống và khoa học, tính ổn định và linh hoạt, hướng tới liên thông, chuẩn
đào tạo nghề khu vực và thế giới, tính hiện đại và sát thực với thực tế.
Nội dung giáo trình gồm 5 chương:
Chương I : Bảo hộ lao động
Chương II : Vệ sinh lao động trong sản xuất
Chương III: Kỹ thuật an toàn điện
Chương IV: Kỹ thuật an toàn dữ liệu và điện
Áp dụng việc đổi mới trong phương pháp dạy và học, giáo trình đã biên
soạn cả phần lý thuyết và thực hành. Giáo trình được biên soạn theo hướng mở,
kiến thức rộng và cố gắng chỉ ra tính ứng dụng của nội dung được trình bày.
Trên cơ sở đó tạo điều kiện để các giáo viên và học sinh, sinh viên sử dụng
thuận tiện trong việc giảng dạy cũng như làm tài liệu học tập, tham khảo và
nghiên cứu.
Trong quá trình biên soạn khơng tránh khỏi sai sót, ban biên soạn rất
mong được sự góp ý của các thầy cơ, học sinh, sinh viên và bạn đọc để giáo
trình được hồn thiện hơn.

Bà Rịa - Vũng Tàu, ngày tháng năm ………
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Phạm Đình Trịnh

2


MỤC LỤC

3


GIÁO TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: Cấu trúc máy tính
Mã mơn học: MH12
Vị trí, tính chất và vai trị của mơn đun:
- Vị trí: là mơ đun mơn học cơ sở chuyên ngành được bố trí sau khi sinh viên học
xong môn đun Tin học và học trước môn lắp ráp cài đặt máy tính là mơn học cơ sở
chun ngành đào tạo chun mơn nghề.
- Tính chất: Là mơn học chun ngành bắt buộc.
- Vai trị của mơn học: Là cơ sở ngành trang bị nhũng kiến thức về các thành phần
của máy tính như Mainboard, CPU, Ram, Ổ cứng, Ổ CD/DVC, Card mạng, Card màn
hình, Màn hình… và cách thức, cơ chế hoạt động của chúng.
Mục tiêu môn học:
- Về kiến thức:
+ Trình bày được lịch sử của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại
máy tính.
+ Trình bày được các thành phần cơ bản của kiến trúc máy tính, các tập lệnh.
Các kiểu kiến trúc máy tính: mơ tả kiến trúc, các kiểu định vị.
+ Trình bày được 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 vơ hướng.
+ Trình bày được chức năng và nguyên lý hoạt động của các cấp bộ nhớ.
+ Trình bày được phương pháp an tồn dữ liệu trên thiết bị lưu trữ ngoài
- Về kỹ năng: Vận dụng các kiến thức đã học chọn được các thiết bị cho một bộ
máy tính bàn hồn chỉnh đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Có thể làm việc một cách độc lập hay làm
việc theo nhóm.

Nội dung mơn học:

4


CHƯƠNG 1: MỞ DẦU
Mã chương : 12.01
Giới thiệu :
Trong chương này giới thiệu về lịch sử máy tính, cách phân loại máy tính theo
cơng dụng hay chức năng, khái niệm về thông tin, dữ liệu và các hệ thống số và
cách biểu diễn thơng tin.
Mục tiêu :
- Trình bày được khái niệm máy tính
-Trình bày được ngun lý xây dựng máy tính
- Trình bày được lịch sử phát triển của máy tính
- Trình bày được các thành phần cơ bản của một máy vi tính
- Trình bày được các thành tựu của máy tính.
- Phân biệt được các loại máy tính
Nội dung chính:
1.Những khái niệm cơ bản
1.1 Máy tính

Máy tính là công cụ cho phép xử lý thông tin một cách tự động theo những
chương trình (program) đã được lập sẵn từ trước.
Mục đích làm việc của máy tính là xử lý thơng tin, trong đó chương trình đã
được lập sẵn quy định máy tính sẽ tiến hành xử lý thơng tin như thế nào.
Chương trình là một dãy các lệnh (tập các lệnh: set of instructions) theo một
trình tự nhất định để thực hiện một cơng việc nào đó từng bước một theo ý muốn
của người lập trình.
Như vậy, chương trình là một tập các chỉ thị để ra lệnh cho máy tính thực hiện
cơng việc nhằm đạt đến mục tiêu hay kết quả của việc thực hiện chương trình.
Muốn máy tính thực hiện chương trình tự động thì máy tính phải có chức năng
“nhớ” tập lệnh của chương trình.

5


1.2. Các nguyên lý xây dựng và sự phân loại máy tính
1.2.1. Các nguyên lý xây dựng máy tính điện tử
Máy tính có thể làm việc thơng qua sự chuyển động của các bộ phận cơ
khí, điện tử (electron), photon, hạt lượng tử hay các hiện tượng vật lý khác đã
biết. Mặc dù máy tính được xây dựng từ nhiều công nghệ khác nhau song gần
như tất cả các máy tính hiện nay đều là máy tính điện tử.
Máy tính có thể trực tiếp mơ hình hóa các vấn đề cần được giải quyết,
trong khả năng của nó các vấn đề cần được giải quyết sẽ được mô phỏng gần
giống nhất với những hiện tượng vật lý đang khai thác. Ví dụ, dịng chuyển động
của các điện tử có thể được sử dụng để mơ hình hóa sự chuyển động của nước
trong đập. Những chiếc máy tính tương tự (analog computer) giống như thế đã
rất phổ biến trong thập niên 1960 nhưng hiện nay cịn rất ít.
Trong phần lớn các máy tính ngày nay, trước hết, mọi vấn đề sẽ được
chuyển thành các yếu tố toán học bằng cách diễn tả mọi thông tin liên quan
thành các số theo hệ nhị phân (hệ thống đếm dựa trên các số 0 và 1 hay còn gọi

là hệ đếm cơ số 2). Sau đó, mọi tính tốn trên các thơng tin này được tính tốn
bằng đại số Boole (Boolean algebra).
Các mạch điện tử được sử dụng để miêu tả các phép tính Boole. Vì phần
lớn các phép tính tốn học có thể chuyển thành các phép tính Bool nên máy tính
điện tử đủ nhanh để xử lý phần lớn các vấn đề tốn học (và phần lớn thơng tin
của vấn đề cần giải quyết đã được chuyển thành các vấn đề toán học). [cần
nguồn]

dẫn

Ý tưởng cơ bản này, được nhận biết và nghiên cứu bởi Claude E. Shannon -

người đã làm cho máy tính kỹ thuật số (digital computer) hiện đại trở thành hiện
thực.
Máy tính khơng thể giải quyết tất cả mọi vấn đề của toán học. Alan
Turing đã sáng tạo ra khoa học lý thuyết máy tính trong đó đề cập tới những vấn
đề mà máy tính có thể hay khơng thể giải quyết.

6


Khi máy tính kết thúc tính tốn một vấn đề, kết quả của nó được hiển thị
cho người sử dụng thấy thơng qua thiết bị xuất như: bóng đèn, màn hình, máy
in, máy chiếu...
Những người mới sử dụng máy tính, đặc biệt là trẻ em, thường cảm thấy
khó hiểu về ý tưởng cơ bản là máy tính chỉ là một cái máy, nó khơng thể "suy
nghĩ" hay "hiểu" những gì nó hiển thị. Máy tính chỉ đơn giản thi hành các tìm
kiếm cơ khí trên các bảng màu và đường thẳng đã lập trình trước, rồi sau đó
thơng qua các thiết bị đầu ra (màn hình, máy in,...) chuyển đổi chúng thành
những ký hiệu mà con người có thể cảm nhận được thơng qua các giác quan

(hình ảnh trên màn hình, chữ trên văn bản được in ra). Chỉ có bộ não của con
người mới nhận thức được những ký hiệu này tạo thành các chữ hay số và gắn ý
nghĩa cho chúng. Trong quan điểm của máy tính thì mọi thứ mà nó "nhận thấy"
(kể cả khi máy tính được coi là có khả năng tự nhận biết) chỉ là các hạt electron
tương đương với các số 0 và 1. Xem thêm trí tuệ nhân tạo (artificialintelligence)
và robot.
1.2.2. Phân loại máy tính
1.2.2.1. Theo kích thước, cơng dụng ( tính năng và giá tiền)
- Siêu máy tính
Một siêu máy tính là một máy tính vượt trội trong khả năng và tốc độ xử lý.
Thuật ngữ Siêu Tính Tốn được dùng lần đầu trong báo New York World vào
năm 1920 để nói đến những bảng tính (tabulators) lớn của IBM làm cho
trường Đại học Columbia. Siêu máy tính hiện nay có tốc độ xử lý hàng
nghìn teraflop (một teraflop tương đương với hiệu suất một nghìn tỷ phép
tính/giây) hay bằng tổng hiệu suất của 6.000 chiếc máy tính hiện đại nhất hiện
nay gộp lại (một máy có tốc độ khoảng từ 3-3,8 gigaflop).
-

Siêu máy tính cỡ nhỏ

Siêu máy tính cỡ nhỏ (minisupercomputers) là một dịng máy tính xuất hiện
vào giữa thập kỉ 1980. Khi việc tính tốn khoa học dùng bộ xử lí vector trở nên
phổ biến hơn, nhu cầu sử dụng hệ thống giá thành thấp để dùng ở cấp độ phòng
7


ban thay vì ở cấp độ doanh nghiệp mang đến cơ hội cho các nhà kinh doanh máy
tính mới bước vào thị trường. Nhìn chung, mục tiêu về giá cả của các máy tính
nhỏ hơn này là 1/10 các siêu máy tính lớn hơn. Đặc trưng của các máy tính này
là sự kết hợp giữa xử lí vector và đa xử lí cỡ nhỏ (small-scale).

Sự xuất hiện của máy trạm khoa học với giá còn thấp hơn nữa dựa trên bộ vi
xử lí cùng với đơn vị dấu chấm động (floating point unit, FPU) hiệu năng cao
vào thập kỉ 1990 (nhưR8000 của hãng MIPS và POWER2 của hãng IBM) đã
xoá bỏ nhu cầu của dịng máy tính này.
-

Mainframe

Máy tính lớn (tiếng Anh: Mainframe) là loại máy tính có kích thước lớn được
sử dụng chủ yếu bởi các công ty lớn như các ngân hàng, các hãng bảo hiểm... để
chạy các ứng dụng lớn xử lý khối lượng lớn dữ liệu như kết quả điều tra dân số,
thống kê khách hàng và doanh nghiệp, và xử lý các giao tác thương mại.
Hiện nay thị trường máy tính lớn do IBM chiếm 99%, với máy IBM ZSeries
(hệ điều hành MVS). Z có nghĩa Zero, Zero downtime, có nghĩa là máy có thể
hoạt động 24/24 giờ mỗi ngày, 7/7 ngày mỗi tuần, và 365/365 ngày khơng
ngừng. So với các máy tính loại nhỏ như máy tính cá nhân, máy tính lớn cũng
như 1 chiếc xe tăng: vững chắc, có thể nhận hàng ngàn lệnh cùng 1 lúc. Ví dụ
máy IBM Z9 (2008) có thể được cài 20 processor và đáp ứng 8000.000.000 (8
tỉ) lệnh 1 giây.
- Máy chủ doanh nghiệp
Là một hệ thống máy tính chủ yếu dùng để phục vụ cho một doanh nghiệp
lớn. Ví dụ các loại máy chủ như máy chủ web, máy chủ in ấn, và máy chủ cơ sở
dữ liệu. Tính chất chủ yếu để phân biệt một máy chủ doanh nghiệp là ở tính ổn
định vì ngay cả một sự cố ngắn hạn cũng có thể gây thiệt hại hơn cả việc mua
mới và cài đặt mới hệ thống. Lấy ví dụ, một hệ thống máy tính trong thị trường
chứng khốn cấp quốc gia có trục trặc, chỉ cần ngưng hoạt động trong vịng vài
phút có thể cho thấy việc thay thế toàn bộ hệ thống hiện tại bằng một hệ thống
đáng tin cậy hơn vẫn là giải pháp tốt hơn.
- Máy trạm (workstation)
8



Workstation (một số tài liệu gọi là máy trạm) được sử dụng theo các nghĩa:
Workstation là một được thiết kế
dành để chạy các ứng dụng kỹ thuật hoặc khoa học.Mục đích chính cho việc tạo
ra máy tính này là để phục vụ cho 1 người tại 1 thời điểm. có thể kết nối với
nhau qua mạng máy tính và phục vụ nhiều User cùng lúc. Một nhóm các máy
trạm có thể xử lý các cơng việc của một máy tính lớn Main Frame nếu như được
kết nối mạng với nhau. Các máy trạm cung cấp hiệu suất cao hơn máy tính để
bàn, đặc biệt là về CPU, đồ họa, bộ nhớ và khả năng xử lý đa nhiệm. Nó được
tối ưu hóa cho việc xử lý các loại dữ liệu phức tạp như các bản vẽ 3D trong cơ
khí, các mô phỏng trong thiết kế, vẽ và tạo ra các hình ảnh động, các logic tốn
học. Thơng thường các bộ phận giao tiếp với máy trạm bao gồm: màn hình với
độ phân giải cao, bàn phím và chuột. Đơi khi cũng cấp kết nối với nhiều màn
hình, máy tính bảng đồ họa và chuột 3D. Hiện nay, thị trường máy trạm do các
ơng lớn trong ngành máy tính như DELL, HP, SONY,... và bán cũng các bản
Windows/ Linux chạy trên CPU Intel Xeon/AMD Opteron.
- Máy tính cá nhân (PC_ personal computer ) là một loại máy vi tính nhỏ
với giá cả, kích thước và sự tương thích của nó khiến nó hữu dụng cho từng cá
nhân.
+ Máy tính để bàn (Desktop)
+ Máy tính xách tay (Laptop).
+ Máy tính bản
+ Thiết bị kỹ thuật số PDA
1.2.2.2. Theo kiến trúc
- Kiến trúc máy tính von-neumann
Sơ đồ kiến trúc máy tính von-Neumann Kiến trúc máy tính von-Neumann
được nhà tốn học John von-Neumann đưa ra vào năm 1945 trong một báo cáo
về máy tính EDVAC như minh hoạ trên Hình 1.1 - Kiến trúc máy tính vonNeumann nguyên thuỷ.


9


Hình 1.1. Kiến trúc máy tính von-Neumann ngun thuỷ
Các máy tính hiện đại ngày nay sử dụng kiến trúc máy tính von-Neumann
cải tiến – cịn gọi là kiến trúc máy tính von-Neumann hiện đại, như minh hoạ
trên Hình 1.2.

Hình 1.2. Kiến trúc máy tính von-Neumann hiện đại
Các đặc điểm của kiến trúc von-Neumann Kiến trúc von-Neumann dựa trên
3 khái niệm cơ sở: (1) Lệnh và dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ đọc ghi chia sẻ
- một bộ nhớ duy nhất được sử dụng để lưu trữ cả lệnh và dữ liệu, (2) Bộ nhớ
được đánh địa chỉ theo vùng, khơng phụ thuộc vào nội dung nó lưu trữ và (3)
Các lệnh của một chương trình được thực hiện tuần tự. Quá trình thực hiện lệnh
được chia thành 3 giai đoạn (stages) chính: (1) CPU đọc (fetch) lệnh từ bộ nhớ,
(2) CPU giải mã và thực hiện lệnh; nếu lệnh yêu cầu dữ liệu, CPU đọc dữ liệu từ
bộ nhớ; và (3) CPU ghi kết quả thực hiện lệnh vào bộ nhớ (nếu có).
- Kiến trúc máy tính Harvard:
10


Kiến trúc máy tính Harvard là một kiến trúc tiên tiến như minh hoạ trên
Hình 6.

Hình 1.3. Kiến trúc máy tính Harvard
Kiến trúc máy tính Harvard chia bộ nhớ trong thành hai phần riêng rẽ: Bộ
nhớ lưu chương trình (Program Memory) và Bộ nhớ lưu dữ liệu (Data Memory).
Hai hệ thống bus riêng được sử dụng để kết nối CPU với bộ nhớ lưu chương
trình và bộ nhớ lưu dữ liệu. Mỗi hệ thống bus đều có đầy đủ ba thành phần để
truyền dẫn các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển. Máy tính dựa trên kiến

trúc Harvard có khả năng đạt được tốc độ xử lý cao hơn máy tính dựa trên kiến
trúc von-Neumann do kiến trúc Harvard hỗ trợ hai hệ thống bus độc lập với
băng thơng lớn hơn. Ngồi ra, nhờ có hai hệ thống bus độc lập, hệ thống nhớ
trong kiến trúc Harvard hỗ trợ nhiều lệnh truy nhập bộ nhớ tại một thời điểm,
giúp giảm xung đột truy nhập bộ nhớ, đặc biệt khi CPU sử dụng kỹ thuật đường
ống (pipeline).
1.3. Ngôn ngữ máy, mức, máy ảo.
Giữa ngơn ngữ và máy ảo có một mối liên hệ quan trọng. Mỗi một máy có
một ngôn ngữ máy bao gồm tất cả các chỉ thị mà máy có thể thực thi. Một máy
xác định một ngôn ngữ. Tương tự một ngôn ngữ xác định một máy, máy thực thi
được tất cả các chương trình viết bằng ngôn ngữ nàỷ. Dĩ nhiên máy được xác
định bởi một ngơn ngữ nào đó có thể q phức tạp và quá đắt để xây dựng trực
tiếp bằng các mạch điện tử, tuy vậy ta có thể tưởng tượng được. Một máy với C,
Pascal hoặc Cobol là ngôn ngữ máy sẽ thật sự phức tạp nhưng chắc chắn có thể
nhận biết được và có lẽ trong tương lai một máy như vậy sẽ được khảo sát để
dàng đế thiết kế.
11


Một máy tính có n cấp được xem như n máy ảo khác nhau, mỗi máy ảo có
một ngơn ngữ máy riêng. Các thuật ngữ “cấp” và “máy ảo” có thể dùng thay thế
cho nhau. Chỉ có các chương trình viết bằng ngôn ngữ L1 mới được thực hiện
trực tiếp bởi các mạch điện tử mà không cần sự can thiệp của dịch hoặc phiên
dịch. Các chương trình viết bằng L2, L3, ... , Ln hoặc phải được phiên dịch bởi
một trình phiên dịch chạy trên cấp thấp hơn hoặc phải được dịch sang ngôn ngữ
khác tương ứng với cấp thấp hơn.
Một người viết các chương trình cho máy ảo cấp n khơng cần biết các trình
phiên dịch và dịch này cấu trúc máy đảm bảo các chương trình này sẽ được thực
thi bằng cách này hoặc bằng cách khác. Hoặc chúng được thực thi từng chỉ thị
một bởi một trình phiên dịch, rồi đến lượt trình phiên dịch này được thực thi bởi

một trình phiên dịch khác, hoặc chứng được thực thi trực tiếp bới các mạch đỉện
tử. Kết quả là trong cả 2 trường hợp, các chương trình đều dược thực thi.
Hầu hết các lập trình viên sử dụng máy n cấp chỉ quan tấm đến cấp cao nhất,
ít người quan tâm đến ngơn ngữ ở cấp thấp nhất. Tuy nhiên, những ai cần tìm
hiểu cách thức một máy tính làm việc thực sự đều phải nghiên cứu tất cả các
cấp. Những người quan tâm đến việc thiết kế các máy tính mới hoặc các cấp
mới cũng phải làm quen với các cấp máy khác ngoài cấp cao nhất. Các khái
niệm và kỹ thuật xây dựng các máy như là một chuỗi các cấp và chi tiết của một
số cấp quan trọng tạo thành chủ đề chính của giáo trình này.
Máy tính được xem xét như là một hệ thống các cấp có thứ bậc cho ta một cấu
trúc hoặc một cơ cấu tổ chức tốt nhằm tìm hiểu cách tổ chức các máy tính. Hơn
nữa, việc thiết kế một hệ thống máy tính như là một chuỗi các cấp giúp ta đảm
bảo được thành quả sẽ có câu trúc tơt.
1.4. Các mức máy tính
Hầu hết các máy tính hiện nay bao gồm 2 hay nhiều cấp. Thơng thường các máy,
có 6 cấp hay hơn như trong hình 1.2.

12


Hình 1.5. Sáu cấp trên các máy tính hiện nay. Phương pháp hỗ trợ cho mỗi cấp chỉ ra
ở phía dưới cấp, cùng với tên của chương trình hỗ trợ trong dấu ngoặc đơn.

Cấp 0, ở đáy của hình vẽ, thật sự là phần cứng của máy. Các mạch điện tử
của cấp này thực thi các chương trình ngơn ngữ máy cửa cấp 1. Để được hoàn
chỉnh, ta cũng cần bàn đến một cấp khác dưới cấp 0. Cấp này khơng được vẽ
trong hình 1.5 do bởi thuộc lĩnh vực kỹ thuật điện không nằm trong phạm vi
quyến sách này. Ta gọi cấp này là cấp linh kiện ( device level ). Các nhà thiết kế
tìm thấy ở cấp này các transistor riêng rẽ, chúng là các thành phần có cấp thấp
nhất đối với các nhà thiết kế máy tính ( dĩ nhiên có người sẽ hỏi các transistor

làm việc ra sao, nhưng điều này thuộc lĩnh vực vật lý chất rắn ). ở cấp thấp nhất
chúng ta khảo sát, cấp logic số ( digital logic level ), đối tượng được quan tâm là
cổng logic ( logic gat^ ). Mặc dù được xây dựng từ các thành phần tương đồng
( analog component ) như là các transistor, các cổng mô hình hóa một cách
chính xác các linh kiện sơ' ( digital device ■). Mỗi một cổng có một hoặc nhiều
ngõ vào sơ' ( các tín hiệu biểu diến bởi 0 hoặc 1 1 và ngõ ra là hàm đơn giản của
các ngõ vào này. Các cổng được xây dựng tô'i đa từ một nhóm nhỏ các
transistor. Cấp logic số được khảo sát chi tiết ở chương 3. Dù rằng kiến thức về
13


cấp linh kiện là kiến thức mang tính chuyên sâu, nhưng với sự ra đời của các bộ
vi xử lý và các máy vi tính, ngày càng có nhiều người tiếp xúc với cấp logic số.
Từ lý do này, ta dành trọn một chương để đề cập đến chúng.
Cấp trên kế tiếp là cấp 1, cấp ngôn ngữ máy thật sự. Trái ngược với cấp 0, ở đó
khơng có khái niệm một chương trình là một chuỗi các chỉ thị được thực thi, ở
cấp 1 có một chương trình gọi là vi chương trình ( microprogram ) làm nhiệm vụ
phiên dịch cẩc chỉ thị của cấp 2. Chúng ta gọi cấp 1 là cấp vi lập trình ( micro
programming level ). Mặc dù khơng có 2 máy tính có các cấp vi lập trình hồn
tồn như nhau, sự tương đồng của chúng đủ cho phép ta rút ra các đặc trưng cần
thiết và thảo luận về cấp này như thể đây là cấp được định nghĩa đầy đủ. Một vài
máy có nhiều hơn 20 chỉ thị ở câp này và hầu hết là các chỉ thị di chuyên dữ liệu
từ phần này đến phần khác của máy, hoặc thực hiện một sô' việc kiểm tra đơn
giản.
Mỗi một máy cấp 1 có một hoặc nhiều vi chương trình chạy trên chúng.
Mỗi một vi chương trình xác định hồn tồn một ngơn ngữ cấp 2 (hoặc một máy
ảo với ngôn ngữ máy là ngôn ngữ cấp 2 này ). Các máy cấp 2 cũng có nhiều
điểm chung, thậm chí các máy cấp 2 của các hãng khác nhau cũng có nhiều
điểm tương đồng hơn là khác biệt. Trong quyển sách này chúng ta gọi cấp này là
cấp máy qui ước ( conventional machine level 1 do khơng có một tên gọi tổng

qt.
Các nhà sản xuất máy tính đều cho xuất bản các quyển số tay kèm theo
các máy tính họ bán ra. Các quyển sổ tay này thường có tựa đề “ sổ tay tham
khảo ngôn ngữ máy ” ( machine language reference manual ) hoặc “ các nguyên
tắc hoạt động của máy tính Western Wombat kiểu 100X “ ( principles of
operation of the Western Wombat model 100X ) hoặc các tựa đề tương tự. Các
quyên sổ tay này nói về máy ảo cấp 2, không phải máy thực cấp 1. Tập các chỉ
thị của máy được mô tả là các chỉ thị được thực thi bằng cách phiên dịch bởi vi
chương trình, khơng phải các chỉ thị được thực thi trực tiếp bởi phần cứng. Nếu
một nhà sản xuất máy tính cung câp 2 trình phiên dịch cho một máy nhằm phiên
14


dịch 2 ngón ngữ máy cấp 2 khác nhau, nhà sản xuất này cần cúng cấp 2 loại số
tay tham khảo ngơn ngữ máy ứng với 2 trình phiên dịch.
Cũng cần lưu ý, một sơ' máy tính khơng có cấp vi lập trình.
Trên các máy này, các chỉ thị cửa cạp máy qui ước được thực thi trực tiếp
bởi các mạch điện tử ( cấp 0 ), khơng có trình phiên dịch của máy cấp 1, kết quả
cấp 1 ( không phải cấp 2 ) là cấp máy qui ước. Tuy nhiên ta vẫn gọi cấp 2 là cấp
máy qui ước bất chấp các ngoại lệ này.
Cấp thứ ba thường là cấp hỗn hợp ( hybrid level ). Hầu hết các chỉ thị trong
ngôn ngữ của cấp máy nàỵ cũng ở trong ngơn ngữ câp 2 ( khơng có lý do tại sao
một chỉ thị xuất hiện ở một cấp này lại không thể hiện diện ở các cấp khác ).
Thêm vào đó lại có một tập các chỉ thị mới, một tổ chức bộ nhớ khác, khả năng
chạy 2 hay nhiều chương trình song song và nhiều đặc trưng khác. Sự thay đổi
hiện hữu nhiều giữa các máy cấp 3 hơn là giữa các máy cấp 1 hay cấp 2.
Các tiện nghi mới thêm vào ở cấp 3 được thực thi bởi một trình phiên dịch
chạy trên cấp 2, gọi là hệ điều hành (operating system).
Nhiều chỉ thị cấp 3 khác, giống như các chỉ thị cấp 2 được thực thi trực
tiếp bởi vi chương trình, khơng phải bởi hệ điều hành. Nói cách khác, một số chỉ

thị cấp 3 được phiên dịch bởi hệ điều hành và một sô chỉ thị cấp 3 được phiên
dịch trực tiếp bởi vi chương trình, do vậy ta gọi là cấp hỗn hợp. Chúng ta gọi
cấp này là cấp máy hệ điều hành ( operating system machine level ).
Có một bước ngoặt cơ bản giữa cấp 3 và câp 4. Ba câp thâ’p nhất không
được thiết kế đẻ 'sư dụng trực tiếp bới những ngưịi lập trình thơng thường mà
được dự định chu yếu để chạy các trinh dịch và trình phiên dịch cần hỗ trợ cho
các cấp cao hơn. Các trình dịch và trình phiên dịch được viết bởi các lập trình
viên hệ thống ( system programmer ), những người chuyên thiết kê và hiện thực
các máy ảo mới. Câ'p 4 và các cấp trên nữa được dự định dành cho những người
lập trình ứng dụng ( applications programmer ) nhằm giải quyết một ván đề nào
đó.

15


Một thay đổi khác xuất hiện ở cấp 4, đó là phương pháp hỗ trợ cho các
cấp cao hơn. Các cấp 2 và 3 luôn luôn được phiên dịch. Các cấp 4, 5 và cao hơn
thông thường, nhưng không phải luôn luôn, được hỗ trợ bởi dịch.
Sự khác nhau khác nữa giữa các cap 1, 2 và 3 trên mặt này và các cấp 4, 5 và
cao hơn trên mặt khác là bản chất của ngôn ngữ được cung cấp. Các ngôn ngữ
máy ớ các cấp 1, 2 và 3 có dạng số.
Chương trình trong các ngơn ngữ này bao gồm những chuỗi dài các số,
chúng tốt với máy nhưng xấu đối với người. Bắt đầu từ cấp 4, ngôn ngữ chứa
các từ và các chữ viết tắt mang ý nghĩa đối với con người.
Cấp 4, cấp ngôn ngữ hợp dịch hay cấp hợp ngữ ( assembly language
level ) thật sự là dạng tượng trưng cho một trong các ngôn ngữ. Cấp này cung
cấp một phương pháp viết các chương trình cho các cấp 1, 2 và 3 dưới dạng
khơng gây khó chịu như chính các ngơn ngữ máy của chúng. Các chương trình
viết bằng hợp ngữ trước tiên được dịch sang ngôn ngữ của cấp 1, 2 hoặc 3, sau
đó được phiên dịch' bởi máy ảo hoặc thực tương ứng. Chương trình thực hiện

việc dịch gọi là trình dịch hợp ngữ ( assembler ).
Cấp 5 bao gồm các ngồn ngữ được thiết kế dành cho những người lập
trình ứng đụng nhằm giải quyêt các vấn đề nào đó. Các ngơn ngữ này gọi là các
ngón ngữ cấp cao ( high level language ).
Theo nghĩa đen có vài trăm ngơn ngữ khác nhau. Một vài ngôn ngữ nổi
tiếng là BASIC, c, COBOL, FORTRAN, LISP, Mođula 2 và PASCAL và các
ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng ( object- oriented programming language )
sau này như C++, J++, v.v... .
Các chương trình được viết bằng các ngôn ngữ này thường được dịch
sang cấp 3 hoặc cấp 4 bằng các trình dịch gọi là trình biên dịch ( compiler ) dù
rằng đơi khi chúng cũng được phiên dịch.
Cấp 6 và các cấp trên nữa bao gồm những tập hợp các chương trình được
thiết kế đê tạo ra các máy dành riêng cho các ứng dụng đặc biệt, Chúng chứa
một lượng-lớn thông tin về các ứng dụng đó.
16


Có thế tưởng tượng ra các máy ảo dành cho các ứng dụng trong quản lý,
giáo dục, thiết kê' máy tính, v.v.... Các cấp này là lĩnh vực đang được nghiên
cứu.
Tóm lại, vấn đề chính cần nhớ là các máy tính được thiết kế thành một
chuồi các cấp, mỗi một câ'p được xây dựng trên cấp trước đó. Mỗi cấp biểu thị
một quan điểm trừu tượng riêng, với các đôi tượng và các thao tác khác nhau.
Bằng cách thiết kế và phân tích máy tính theo cách này, chúng ta tạm thời bỏ
qua các chi tiết khơng thích hợp và do vậy làm cho một vấn đề phức tạp được
hiểu dễ dàng hơn.
Tập các loại dữ liệu, các thao tác và các đặc trứng của một cấp được gọi là
cấu trúc ( architecture ) của câ'p đó. Cấu trúc xử lý các khía cạnh nhìn thấy được
đốì với người sử dụng cấp đó. Các đặc trưng người lập trình thấy được như có
bao nhiêu bộ nhớ có giá trị là một phạn của cấu trúc. Các khía cạnh thực hiện

( implemen tation aspect ) như loại công nghệ chip nào được sử dụng để thực
hiện bộ nhớ không phải là một phần của cấu trúc. việc nghiên cứu cách thiết kế
các phần của một hệ thống máy tính mà người lập trình nhìn thấy được gọi là
cấu trúc máy tính.
Trong thực tế, cấu trúc máy tính ( computer architecture ) và tố chức máy
tính ( computer organisation ) về bản chất muốn nói đến cùng một sự việc.
2. Các thế hệ máy tính
2.1. Lịch sử máy tính
Sự phát triển của máy tính được mơ 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.
Thế hệ đầu tiên (1946-1957)

17


Hình 1.6. Máy tính ENIAC
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 tốn trên số thập phân).
Có khả năng thực hiện 5.000 phép tốn cộng trong một giây. Cơng 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
tốn 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 cịn
được gọi là máy tính Von Neumann.

18


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.
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.
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.

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.
19


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 khơng ngừng được phát triển:
kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,...
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 thơng minh, dựa trên các ngơn
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 vơ 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 đốn
thế hệ thứ 5 là thế hệ các máy tính xử lý song song.
2.2. Máy tính hiện tại và tương lai
Các nhà khoa học về máy tính đều thừa nhận máy tính lượng tử hứa hẹn sẽ
tạo nên một cuộc cách mạng trong cơng nghệ máy tính tương lai. Vậy máy tính
20


lượng tử đang phát triển ở mức độ nào và con người sẽ khai thác năng lượng từ
cơ học lượng tử như thế nào? Đó là mối quan tâm của khơng chỉ người sử dụng
máy tính mà cịn là mối quan tâm của các nhà nghiên cứu và hãng máy tính.
Ý tưởng máy tính lượng tử được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1980 bởi nhà toán
học người Đức gốc Nga Yuri Manin bằng cách sử dụng các hiệu ứng chồng chập và
vướng víu lượng tử để thực hiện các tính tốn trên dữ liệu đưa vào. Khác với máy tính
kỹ thuật số dựa trên tranzitor địi hỏi cần phải mã hóa dữ liệu thành các chữ số nhị
phân, mỗi số được gán cho 1 trong 2 trạng thái nhất định là 0 hoặc 1, tính tốn lượng
tử sử dụng các bit lượng tử ở trong trạng thái chồng chập để tính tốn. Điều này có
nghĩa là ở cùng một thời điểm, 1 bit lượng tử - đơn vị cơ bản của thơng tin trong điện
tốn, viết tắt là qubit - có thể có giá trị 0 và 1. Về mặt lý thuyết, một máy tính có nhiều
qubit có khả năng xử lý một lượng tác vụ vô cùng lớn như tính tốn số học hoặc thực
hiện tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu lớn (Big data) trong thời gian nhanh hơn nhiều so
với các máy tính thơng thường.
Hiện nay, nhiều phịng thí nghiệm trên khắp thế giới đã chế tạo ra các thiết bị có khả
năng thực hiện các phép tính lượng tử trên một số nhỏ qubit. Năm 2007, công ty DWave tại Canada đã công bố chiếc máy tính lượng tử đầu tiên có khả năng thương mại
hóa mang tên D-Wave One. Tiếp theo, D-Wave cho ra đời phiên bản thứ 2 của máy

tính lượng tử mang tên D-Wave 2. Tháng 6/2011, Công ty D-Wave Systems, Inc., đã
bán chiếc máy tính lượng tử thương mại đầu tiên cho đối tác là cơng ty quốc phịng
Lockheed Martin (Bethesda, Maryland, Hoa Kỳ). Theo lý thuyết, D-Wave có khả
năng giải quyết được những vấn đề mà các siêu máy tính chưa làm được trên nhiều
lĩnh vực, như mật mã, cơng nghệ nano, trí tuệ nhân tạo...
Hãng D-Wave mơ tả đó là một cỗ máy hoạt động theo phương pháp lượng tử và có
thể thực hiện tính tốn. Tuy nhiên, D-Wave có rất ít các khách hàng do tính rủi ro. Bên
cạnh đó, chưa có ai có thể sử dụng D-Wave để thực hiện tính tốn cụ thể như các máy
tính cổ điển. Gần đây, Google cũng đã bắt tay với NASA nhằm thực hiện nghiên cứu
điện toán lượng tử bằng cỗ máy D-Wave. Do đó, cho tới hiện tại, cỗ máy trên chỉ phục
vụ cho công tác nghiên cứu nhằm tiếp tục phát triển lý thuyết hơn là được sử dụng
thực tiễn. Smelyanskiy, nhà nghiên cứu cho dự án hợp tác nghiên cứu điện toán lượng
21


tử giữa NASA và Google, cho biết rằng dự án vẫn chưa đạt được thành tựu đột phá và
vẫn cần ít nhất là từ 15 đến 25 năm nữa để chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của
D-Wave.
Vậy khi nào chúng ta có thể sử dụng máy tính lượng tử như với máy tính cá nhân
hiện nay? Theo Smelyanskiy, chúng ta sẽ khó có thể sở hữu một máy tính lượng tử
trong vài thập kỷ tới. Hơn nữa, chức năng của máy tính lượng tử là giải quyết các vấn
đề tính tốn lớn và rất phức tạp, chứ khơng giống như cách chúng ta sử dụng như máy
tính cá nhân truyền thống.
3. Thành quả của máy tính
Qui luật Moore về sự phát triển của máy tính

Hình 1.7. Đánh giá thành quả của máy tính
Hình 1.7 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, cịn
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 .
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.

22


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 đơi sau mỗi thế hệ và độ
trì hỗn trên mỗi cổng I xung nhịp giảm 25% cho mỗi năm .
Sự phát triển của cơng 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 1.8. Sự phát triển của bộ xử lý Intel dựa vào số lượng
Transistor trong một mạch tích hợp theo quy luật Moore
Từ năm 1965, Gordon Moore (đồng sáng lập công ty Intel) quan sát và
23