Bài giảng Kiến trúc máy tính 1 - Chương 1: Giới thiệu - Vũ Đức Lung

Khoa KTMT Vũ Đức Lung 1
KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 1
(Computer architecture)
 Khoa Kỹ thuật máy tính
 GV: Vũ Đức Lung
 Email: lungvd@uit.edu.vn
 Thời gian:
- Lý Thuyết: 45 tiết (3 ĐVHT)
 Điểm số:
- Điểm chuyên cần: 10%
- Điểm thi giữa HK: 30%
- Điểm thi cuối kỳ: 60%
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 2
Mục đích môn học
Nhằm trang bị cho sinh viên các kiến thức
cơ bản nhất về kiến trúc một máy tính.
 Lịch sử
 Chức năng và nguyên lý hoạt động của các bộ phận
 Cách biểu diễn dữ liệu, tính toán trong máy tính
 Cách chế tạo, thiết kế các mạch Logic số cơ bản
 Các kiến trúc bộ lệnh trong các loại máy tính CISC và RICS
 Các nguyên lý hoạt động của bộ xử lý
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 3
Chương 1 : Giới thiệu
Chương 2 : Các bộ phận cơ bản của máy tính 
Chương 3 : Biểu diễn dữ liệu 
Chương 4 : Mạch Logic số 
Chương 5 : Mạch tuần tự
Chương 6 : Kiến trúc bộ lệnh
Chương 7 : Tổ Chức bộ xử lý 
Nội dung môn học
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 4
Tài liệu tham khảo
1. Nguyễn Minh Tuấn. Kiến trúc máy tính (Giáo trình lược giản). Trường 
ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQG TP.HCM, V3.7
2. Cấu trúc máy tính cơ bản, tổng hợp và biên dịch VN-Guide, nhà xuất bản 
thống kê, 2005.
3. Võ Văn Chín, Nguyễn Hồng Vân, Phạm Hữu Tài. Giáo trình kiến trúc 
máy tính. ĐH Cần Thơ, 2005.
4. M. Abd-El-Barr, H. El-Rewini, Fundamentals of Computer Organization 
and Architecture, Wiley, 2005 
5. Patterson, D. A., and J. L. Hennessy. Computer Organization and Design: 
The Hardware/Software Interface, 3rd ed. San Mateo, CA: Morgan 
Kaufman, 2004
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 5
Chương I : Giới thiệu
- Lịch sử phát triển của máy tính qua các thế hệ 
máy tính
- Khuynh hướng hiện tại cho phát triển nghành 
máy tính
- Phân loại máy tính
- Các dòng CPU Intel
Mục đích - nắm bắt cơ bản về:
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 6
Năm 1642 Pascal phát 
minh ra máy tính đầu 
tiên với 2 phép tính + 
và -
1.1.Lịch sử phát triển máy tính
1.1.1.Thế hệ zero –máy tính cơ 
học (1642-1945)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 7
Năm 1672 Gotfrid 
vilgelm Leibnits chế tạo 
ra máy tính với 4 phép 
tính cơ bản (+ - * /)
1.1.1.Thế hệ zero –máy tính cơ học (1642-1945)
• 1834 Babbage (Anh) – máy tính 
có 4 bộ phận: bộ nhớ, bộ tính 
toán, thiết bị nhập, thiết bị xuất
• 1936 К. Zuse (Đức) máy trên cơ 
sở rơle (relay)
• 1944 G. Iken (Mỹ) – Mark I
- nặng 5 tấn,
- cao 2.4 m, 
- dài 15 m, 
- chứa 800 km dây điện
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 8
1.1.1.Thế hệ zero –máy tính cơ học (1642-1945)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 9
1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955)
1. 1943 máy tính COLOSSUS (Anh)
Bóng đèn chân 
không 
- 2000 đèn chân không
- Giữ bí mật suốt 30 năm
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 10
COLOSSUS
1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 11
2. Dự án chế tạo máy ENIAC(Electronic Numerical Integrator 
and Computer) được BRL (Ballistics Research Laboratory –
Phòng nghiên cứu đạn đạo quân đội Mỹ) bắt đầu vào năm 
1943 dùng cho việc tính toán chính xác và nhanh chóng các 
bảng số liệu đạn đạo cho từng loại vũ khí mới. 
Các thông số:
-18000 bóng đèn chân không 
- nặng hơn 30 tấn 
- Tiêu thụ một lượng điện năng vào khoảng 140kW và chiếm một diện tích 
xấp xỉ 1393 m2 .
- 5000 phép cộng/ 1s 
- Đặc biệt sử dụng hệ đếm thập phân
1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 12
- 20 "bộ tích lũy", 
- Mỗi bộ có khả năng lưu giữ một số thập phân có 10 chữ số. 
-Mỗi chữ số được thể hiện bằng một vòng gồm 10 đèn chân 
không.
Bộ nhớ của ENIAC
Điểm khác biệt giữa ENIAC & các máy tính khác: 
ENIAC sử dụng hệ đếm thập phân chứ không phải nhị 
phân như ở tất cả các máy tính khác
• Máy ENIAC bắt đầu hoạt động vào tháng 11/1945
1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 13
1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 14
3. Nhà toán học John von Neumann(Hungary), một 
cố vấn của dự án ENIAC, đưa ra 1945, trong một bản 
đề xuất về một loại máy tính mới có tên gọi EDVAC
(Electronic Discrete Variable Computer)
- 2500 đèn điện tử
- Chương trình lưu trong bộ nhớ (không cần phải nối 
dây lại như máy ENIAC).
1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 15
John von Neumann
1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 16
1952 ra đời IAS (Institute for Advanced Studies) tại học viện nghiên 
cứu cao cấp Princeton, Mỹ. 
Cấu trúc của máy IAS 
1952 máy tính Von Neumann ra đời – cơ sở cho kiến trúc 
máy tính hiện đại (bit 1,0).
1.1.2.Thế hệ I – bóng đèn điện (1945-1955)
Bộ 
Logic-số học 
ALU 
Bộ 
điều khiển 
CU 
Bộ 
nhớ 
chính 
Thiết 
bị 
nhập 
xuất 
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 17
Kỹ thuật stored-program
Chương trình được đưa vào bộ nhớ chính đã được địa chỉ 
hóa và máy tính dùng bộ đếm chương trình để thi hành tuần 
tự các lệnh.
Bộ nhớ
- 1000 vị trí lưu trữ, gọi là word, 
- 1 word = 40 bit.
- Mỗi số được biểu diễn bằng 1 bit dấu và một giá trị 39 bit. 
-Một word có thể chứa 2 chỉ thị 20 bit, với mỗi chỉ thị gồm 
một mã thao tác 8 bit (op code) đặc tả thao tác sẽ được thực 
hiện và một địa chỉ 12 bit định hướng đến một word trong bộ 
nhớ (địa chỉ này đi từ 0 đến 999).
Đặc tính của IAS
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 18
1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965)
Sự thay đổi đầu tiên trong lĩnh vực máy tính điện tử xuất hiện khi có sự 
thay thế đèn chân không bằng đèn bán dẫn. Đèn bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn, 
tỏa nhiệt ít hơn trong khi vẫn có thể được sử dụng theo cùng cách thức của 
đèn chân không để tạo nên máy tính 
Năm 1947 - Bardeen, 
Brattain và Shockley của 
phòng thí nghiệm Bell Labs
đã phát minh ra transistor và 
đã được giải Nobel vật lý 
năm 1956.
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 19
1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 20
Trong thế hệ này nổi tiếng nhất là 2 máy:
PDP-1 của DEC là máy tính nhỏ gọn nhất thời bấy giờ. DEC 
(Digital Equipment Corporation) được thành lập vào năm 1957 
và cũng trong năm đó cho ra đời sản phẩm đầu tiên của mình là 
PDP-1.
- 4 K word (1 word= 18 bit)
- chu kỳ 5 ms
- giá 120000$
và IBM 7094.
- 32 K word (1 word = 16 bit)
- chu kỳ 2 ms
- giá 1 triệu USD
1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 21
máy IBM 7094
1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 22
An IBM 7094 console
1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 23
Một cấu trúc máy IBM 7094
1.1.3.Thế hệ II – transistor (1955-1965)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 24
1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965-1980)
1958 Jack Kilby và Robert Noyce đã cho ra đời một công 
nghệ mới, công nghệ mạch tích hợp (Integrated circuit – IC)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 25
Máy IBM System 360 được IBM đưa ra vào năm 1964 là họ máy tính 
công nghiệp đầu tiên được sản xuất một cách có kế hoạch. 
Đặc biệt khái niệm họ máy tính bao gồm các máy tính tương thích nhau 
là một khái niệm mới và hết sức thành công. Nhờ đó mà một chương 
trình được viết cho máy này cũng sẽ dùng được trên những máy khác 
cùng họ với nó. 
Khái niệm này đã được dùng cho đến ngày nay.
1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965-1980)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 26
PDP-8 đã sử dụng một cấu trúc rất phổ dụng hiện nay cho các 
máy mini và vi tính: cấu trúc đường truyền. Đường truyền PDP-
8, được gọi là Omnibus, gồm 96 đường tín hiệu riêng biệt, được 
sử dụng để mang chuyển tín hiệu điều khiển, địa chỉ và dữ liệu. 
Máy DEC PDP-8
1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965-1980)
Cấu trúc PDP-8
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 27
1975 máy tính cá nhân đầu tiên (Portable computer) IBM 5100 ra 
đời, tuy nhiên máy tính này đã không gặt hái được thành công nào.
- Băng từ
- Nặng 23 Kg
- 10000$
- Khả năng lập trình trên 
Basic
-Màn hình 16 dòng, 64 
ký tự
- Bộ nhớ <=64Kbyte
-1979 chương trình Sendmail ra đời bởi 1 sinh viên ĐHTH 
California, Berkely university cho ra đời BSD UNIX (Berkely 
Software Distribution) 
1.1.4. Thế hệ III – mạch tích hợp (1965-1980)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 28
1.1.5. Thế hệ IV – máy tính cá nhân (1980-?)
Sự xuất hiện của công nghệ VLSI (very large 
scale integrated) cho phép trên một bản mạch có 
thể sắp sếp hàng triệu transistor. Từ đây bắt đầu 
kỷ nguyên của máy tính cá nhân
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 29
1981 ra đời máy IBM PC trên cơ sở CPU Intel 8088 
và dùng hệ điều hành MS-DOS của Microsoft.
- 1983 PC/XT (Extended 
Technology) với HDD 10 
MB hoặc 20 MB với giá 
chỉ có 1995$ 
1.1.5. Thế hệ IV – máy tính cá nhân (1980-?)
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 30
-1950 tại trường cơ khí chính xác và quang học (CNTT bây giờ): 
máy tính toán điện cỡ lớn đầu tiên ra đời với mục đích giải quyết 
các bài toán khoa học và kỹ thuật phức tạp. 
- 1953 tại đại học toán, viện hàn lâm – máy Strela
- 1954 PC – Ural 1-16
Minsk, Kiev
-Nói chung trong thời kỳ đầu tuy có ra sau 
một thời gian, nhưng hầu hết đều có máy
tính tương đương với xu hướng của thế giới.
Khối các nước XHCN
EC-1840
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 31
Khối các nước XHCN
 EC-1840,41- tương đương với 8086
 EC-1842,1843-tương đương 80286
 Từ 1849 trở đi các máy tính dùng CPU của Intel.
PC Năm bắt đầu SX Năm kết thúc SX Số lượng
ЕС-1840 1986 1989 7461 
ЕС-1841 1987 1995 83937 
ЕС-1842 1988 1996 10193 
ЕС-1843 1990 1993 3012 
ЕС-1849 1990 1997 4966 
ЕС-1851 1991 1997 3142 
ЕС-1863 1991 1997 3069 
ВМ2001 1994 - 1074
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 32
- Tăng tần số xung đồng hồ
- Xử lý song song
- Đa lõi CPU
- Máy tính thông minh, trí tuệ nhân tạo: LISP và PROLOG
- ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility
1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 33
Các bộ sử lý đa lõi
- 1999 – CPU 2 lõi kép đầu tiên ra đời (IBM Power4 cho máy chủ)
- 2001 – bắt đầu bán ra thị trường Power4
- 2002 – AMD và Intel cùng thông báo về việc thành lập CPU đa lõi của 
mình.
- 2004 – CPU lõi kép của Sun ra đời UltraSPARS IV
- 2005 – Power5
- 03/2005 – CPU Intel lõi kép x86 ra đời, AMD – Opteron, Athlon 64X2
- 20-25/05/2005 – AMD bắt đầu bán Opteron 2xx, 26/05 Intel Pentium D, 
31/05 AMD – bán Athlon 64X2
1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 34
Presler 65nm
1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 35
Yonah Dual Core
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 36
CPU Power5
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 37
Một trong những siêu máy tính hàng đầu của thế giới
(8192 CPU, 7,3 Tfops)
26/06/2007: supercomputer Blue Gene/L với 128 dãy, 130 ngàn 
CPU, 360 Tfops, 267 triệu USD. (MDGRAPE-3: 1PFlops)
1.2. Khuynh hướng hiện tại và tương lai
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 38
-a) Các siêu máy tính (Super Computer):
- b) Các máy tính lớn (Mainframe)
- c) Máy tính mini (Minicomputer)
- d) Máy vi tính (Microcomputer)
1.3. Phân loại máy tính
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 39
-1970 bộ CPU 4004 (4 bit) của Intel 
trên 1 chip đầu tiên ra đời
- 1972 CPU Intel 8008 (8 bit)
- 1974 CPU 8080, 1978 CPU 8086 (16 bit)
- 1979 CPU 8088 (8 bit)
- 1981 máy tính IBM PC đầu tiên ra đời trên cơ sở CPU Intel 8088 
và hệ điều hành MS DOS
- 1982 CPU 80286 (16 bit)
-1985 CPU 80386 (32 bit), 89-486, 93-Pentium
1.4. Các dòng Intel
Khoa KTMT Vũ Đức Lung 40
1.4. Các dòng CPU Intel