Tin học đại cương - Chương 2: Kiến trúc máy tính

Chương 1.2. Kiến trúc máy tính 02/03/2007 Đặng Xuân Hà 1 Tin học đại cương (Ch2. Kiến trúc máy tính) Đặng Xuân Hà Department of Software Engineering, Faculty of Information Technology, Hanoi Agricultural University. Web: Email: dxha at hau1.edu.vn; dangxuanha at gmail.com Chương 2. Kiến trúc máy tính 202/03/2007 Chương 2. Kiến trúc máy tính 1. Máy tính là gì? 2. Mô hình kiến trúc cơ bản của máy tính 3. Central processing unit 4. Computer memory 5. Computer bus 6. Peripheral devices 7. Software Chương 2. Kiến trúc máy tính 302/03/2007 1. Máy tính là gì? „ Xử lý dữ liệu để có thông tin mong muốn … Nhận dữ liệu vào … Xử lý dữ liệu theo chương trình lập sẵn … Đưa thông tin ra „ Máy tính tạo nên bởi … Phần cứng (hardware): các thiết bị vật lý của máy tính … Phần mềm (software): chương trình lập sẵn „ Thế hệ hiện tại của MT là thế hệ 4 „ Các loại máy tính: super, mainframe, mini, micro, handheld... Chương 2. Kiến trúc máy tính 402/03/2007 Đây là một chiếc máy vi tính Chương 2. Kiến trúc máy tính 502/03/2007 2. Mô hình kiến trúc cơ bản của máy tính Chương 2. Kiến trúc máy tính 602/03/2007 3. Central Processing Unit (CPU) „ Chức năng … Điều khiển MT hoạt động theo chương trình … Xử lý dữ liệu „ Nguyên tắc … Nhận lệnh từ chương trình nằm trong bộ nhớ chính … Giải mã lệnh … Thực hiện lệnh tuần tự „ Bao gồm … CU – Control Unit … ALU – Arithmetic and Logic Unit … Registers (thanh ghi) là nơi chứa số liệu và kết quả đang tính toán … Bus Interface Unit - Bus nội bộ Chương 1.2. Kiến trúc máy tính 02/03/2007 Đặng Xuân Hà 2 Chương 2. Kiến trúc máy tính 702/03/2007 Khối điều khiển (CU - Control Unit) „ Điều khiển hoạt động của CPU và các thành phần khác …Đọc lệnh từ chương trình trong bộ nhớ chính (instruction fetch) …Giải mã lệnh (instruction decode) …Thực thi lệnh đã giải mã một cách tuần tự (instruction excution) Chương 2. Kiến trúc máy tính 802/03/2007 Khối tính toán (ALU - Arithmetic Logic Unit) „ Thực hiện các phép toán số học và logic …Các phép toán số học: +,-,*,/ …Các phép toán logic: NOT, AND, OR, …Các phép so sánh „ Dữ liệu …Số nguyên (integer) …Số dấu phảy tĩnh (fixed point number) …Số dấu phảy động (floating point number) Chương 2. Kiến trúc máy tính 902/03/2007 Tập thanh ghi (Registers) „ Lưu trữ toán hạng, kết quả và các thông số khác trong quá trình tính toán của CPU „ Bao gồm …Con trỏ chương trình (PC - Program Counter) …Các thanh ghi đa chức năng …Thanh ghi chỉ số (index register) …Thanh ghi cờ (flag register) Chương 2. Kiến trúc máy tính 1002/03/2007 Một vài bộ vi xử lý „ Intel processor „ AMD processor Đây là các bộ vi xử lý (microprocessor) chứa trong nó CPU và các thiết bị khác nữa Chương 2. Kiến trúc máy tính 1102/03/2007 4. Computer memory „ Bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ chương trình, dữ liệu. „ Bao gồm: … Bộ nhớ đệm (cache) … Bộ nhớ chính (main memory) … Bộ nhớ ngoài (auxiliary or external memory) „ Bộ nhớ nào càng “gần” CPU thì tốc độ và giá thành chế tạo càng cao Chương 2. Kiến trúc máy tính 1202/03/2007 Bộ nhớ chính (main memory) „ Chứa chương trình và dữ liệu đang xử lý „ Được kết nối và có thể trao đổi dữ liệu trực tiếp với CPU „ Được tổ chức thành các ngăn nhớ, đánh địa chỉ trực tiếp bởi CPU „ Bao gồm … ROM (Read Only Memory) „ CPU chỉ đọc bộ nhớ này „ Chứa các chương trình, dữ liệu cơ bản của máy tính „ Không bị mất dữ liệu khi tắt máy tính hay mất điện … RAM (Random Access Memory) „ CPU có thể đọc và ghi bộ nhớ này „ Chứa dữ liệu, chương trình được nạp, đang thực hiện „ Dữ liệu bị xoá sạch khi tắt máy tính hay mất điện Chương 1.2. Kiến trúc máy tính 02/03/2007 Đặng Xuân Hà 3 Chương 2. Kiến trúc máy tính 1302/03/2007 Một vài thanh nhớ RAM Chương 2. Kiến trúc máy tính 1402/03/2007 Bộ nhớ đệm (cache) „ Đặt giữa CPU là bộ nhớ chính „ Tốc độ rất cao „ Dung lượng nhỏ „ Mục đích: Tăng tốc độ trao đổi thông tin giữa CPU và RAM „ Được chia thành nhiều mức …Cache L1 (Level 1) …Cache L2 …Càng gần CPU thì tốc độ càng cao „ Ví dụ: CPU Intel Petium III 256KB Cache Chương 2. Kiến trúc máy tính 1502/03/2007 Tổng kết bộ nhớ máy tính Magnetic Disk Optical Disk Electronic disk Magnetic Tape Cache Main memory (RAM+ROM) Tốc độ tăng dần Dung lượng tăng dần Chương 2. Kiến trúc máy tính 1602/03/2007 5. Computer bus „ Tập hợp các đường dây kết nối các thành phần của máy tính lại với nhau „ Độ rộng bus: số lượng dây có khả năng vận chuyển thông tin đồng thời (dùng cho bus địa chỉ và dữ liệu) „ Bao gồm … Bus địa chỉ (address bus): Vận chuyển địa chỉ từ CPU đến mô-đun nhớ (bộ nhớ trong được tạo bởi nhiều mô-đun). … Bus dữ liệu (data bus) vận chuyển: „ Lệnh từ bộ nhớ tới CPU „ Dữ liệu giữa các thành phần … Bus điều khiển (control bus): vận chuyển tín hiệu điều khiển (đọc, ghi, ngắt,) Chương 2. Kiến trúc máy tính 1702/03/2007 Hình ảnh bên trong một chiếc máy tính Chương 2. Kiến trúc máy tính 1802/03/2007 6. Thiết bị ngoại vi „ Thiết bị ngoại vi (peripheral devices) hay thiết bị vào/ra (I/O - Input/Output devices), có chức năng: … Trao đổi thông tin giữa máy tính và thế giới bên ngoài „ Vào: Nhập chương trình, dữ liệu „ Ra: Xuất thông tin, kết quả „ Hệ thống vào/ra bao gồm … Thiết bị ngoại vi …Ghép nối vào/ra (các cổng vào/ra,) „ Ví dụ … Thiết bị vào: bàn phím … Thiết bị ra: màn hình Chương 1.2. Kiến trúc máy tính 02/03/2007 Đặng Xuân Hà 4 Chương 2. Kiến trúc máy tính 1902/03/2007 6.1. Thiết bị vào ra cơ sở „ Là các thiết bị vào ra tối cần thiết „ Phục vụ các nhu cầu vào ra cơ bản „ Bao gồm … Bàn phím (keyboard): Thiết bị nhập dữ liệu thông qua gõ phím … Chuột (mouse)???: Thiết bị nhập dữ liệu thông qua việc di chuyển/trực quan …Màn hình (monitor) : Thiết bị hiển thị thông tin/dữ liệu „ Loại màn hình: CRT, LCD „ Độ phân giải: kích thước (số điểm) được hiển thị (800x600,) „ Card màn hình (display adapter) là thiết bị kết nối màn hình và hệ thống. Chương 2. Kiến trúc máy tính 2002/03/2007 6.2. Bộ nhớ ngoài (external memory) „ Lưu trữ tài nguyên … Chương trình: hệ điều hành, chương trình ứng dụng, … Dữ liệu: văn bản, âm thanh, hình ảnh, „ Được kết nối với máy tính dưới dạng thiết bị vào ra „ Các loại bộ nhớ ngoài … Băng từ (magnetic tape) … Đĩa từ (magnetic disk): floppy/hard disk (đĩa mềm/cứng) … Đĩa quang (optical disk): CD/DVD … Flash memory/electronic disk: USB drive, memory card Chương 2. Kiến trúc máy tính 2102/03/2007 Một vài thiết bị nhớ ngoài Dung lượng „ Đĩa mềm 3 ½ inch: 1.44 MB „ Đĩa cứng: 10 - 80GB „ Đĩa CDROM: 200 - 700MB „ Đĩa DVD: 2GB – 15GB „ Đĩa: truy cập trực tiếpÆ nhanh „ Băng: truy cập tuần tựÆ chậm Chương 2. Kiến trúc máy tính 2202/03/2007 Picture taken from Wikipedia 1. Write-protect tab 2. Hub 3. Shutter 4. Plastic housing 5. Paper ring 6. Magnetic disk 7. Disk sector (512B). Chương 2. Kiến trúc máy tính 2302/03/2007 6.3. Một số thiết bị ngoại vi khác „ Máy in (printer): Xuất thông tin, dữ liệu ra giấy „ Máy quét ảnh (scaner): Nhập dữ liệu bằng cách quét hình ảnh „ Thiết bị quay số (điện thoại): …Modem (Modulation-Demodulation) „ Các thiết bị mạng: … Network Inteface Card (NIC) …Wireless Adapter „ Bút điện tử (light pen) „ Máy ảnh số, quay phim số (digital camera) „ Optical Charater Reader (OCR): Nhận dạng chữ „ Barcode Reader: Đọc mã vạch Chương 2. Kiến trúc máy tính 2402/03/2007 Một số hình ảnh Camera Printer Scaner Barcode Reader Modem NICLight pen Chương 1.2. Kiến trúc máy tính 02/03/2007 Đặng Xuân Hà 5 Chương 2. Kiến trúc máy tính 2502/03/2007 7. Phần mềm máy tính „ Máy tính được tạo nên bởi … Phần cứng … Phần mềm „ Phần cứng … Phần xác của máy tính … Các linh kiện điện tử: vi mạch, … Các thiết bị vật lý: vỏ máy, „ Phần mềm … Là các chương trình do con người lập sẵn … Điều khiển, khai thác tài nguyên phần cứng phục vụ nhu cầu (tính toán) của con người … Là phần hồn của máy tính Chương 2. Kiến trúc máy tính 2602/03/2007 So sánh phần cứng và phần mềm PHẦN CỨNG „ Vật “cứng” „ Vật liệu: kim loại, polyme „ Vật chất „ Hữu hình „ Sản xuất công nghiệp bởi máy móc là chính „ Định lượng là chính „ Chịu hỏng hóc, hao mòn theo thời gian PHẦN MỀM „ Vật “mềm” „ Kỹ thuật sử dụng „ Trừu tượng „ Vô hình „ Sản xuất bởi con người là chính (lập trình) „ Định tính là chính „ Không hao mòn Chương 2. Kiến trúc máy tính 2702/03/2007 Chi phí cho phần cứng và phần mềm % 100 80 60 40 20 0 - - - - + 1955 + 1970 + 2000 + 1985 Phần cứng Phần mềm Chương 2. Kiến trúc máy tính 2802/03/2007 Phân loại phần mềm „ Phần sụn (firmware) … Các dịch vụ cơ bản của máy tính … Được cài đặt sẵn trong bộ nhớ ROM „ Phần mềm hệ thống (system application) … Hệ điều hành (operating system) „ Phần mềm tầng trung gian (middleware) … Các công cụ phát triển phần mềm … Hệ quản trị cơ sở dữ liệu, „ Phần mềm ứng dụng (application software) … Các ứng dụng nghiệp vụ (kế toán, tài chính,) … Chương trình soạn thảo văn bản,