Bài giảng Kiến trúc máy tính - Tuần 1: Máy tính các khái niệm và công nghệ

 : C hương trình dịch các câu lệnh ở ngôn ngữ cấp cao sang hợp ngữ (ngôn ngữ assembly). 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên dưới chương trình ứng dụng 
 Hệ điều hành 
 Hệ điều hành đóng vai trò giao tiếp giữa chương trình của người dùng và phần cứng, đồng thời cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau và các chức năng quản lý. Một số chức năng quan trọng như: 
Điều khiển các hoạt động nhập xuất cơ bản 
Cấp phát bộ nhớ và vùng lưu trữ 
Quản lý chia sẻ tài nguyên máy tính khi có nhiều ứng dụng cùng chạy đồng thời 
Một số hệ điều hành được sử dụng hiện nay: Windows, Linux, and MacOS. 
 Trình biên dịch 
 Trình biên dịch thực hiện một chức năng quan trọng khác: dịch chương trình được viết bằng ngôn ngữ cấp cao (C, Java) thành tập các lệnh mà phần cứng máy tính có thể thực thi. Với sự phức tạp của các ngôn ngữ lập trình hiện đại và tính đơn giản của các lệnh thực thi bởi phần cứng, việc biên dịch từ chương trình ngôn ngữ cấp cao thành các lệnh phần cứng là khá phức tạp. 
14 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên dưới chương trình ứng dụng 
 Từ ngôn ngữ cấp cao đến ngôn ngữ phần cứng 
Bảng chữ cái cho máy tính: 0 và 1 
	Để giao tiếp với một máy điện tử, ta cần gởi đi các tín hiệu điện. Các tín hiệu dễ dàng nhất cho máy hiểu là tín hiệu on (0) và off (1) (mở và tắt). 
Bảng chữ cái tiếng Anh có 26 kí tự 
Bảng chữ cái cho máy tính có 2 kí tự số nhị phân ( binary number) ; mỗi kí tự là một kí số nhị phân ( binary digit) hay còn gọi là bit 
Ngôn ngữ máy tính 
	Lệnh (Instruction): Một yêu cầu được đưa ra mà phần cứng máy tính có thể hiểu và đáp ứng: 
	Ví dụ: 1000110010100000 – yêu cầu máy tính cộng hai số 
 Cách thức nhà lập trình giao tiếp với máy tính 
	Những nhà lập trình đầu tiên giao tiếp với máy tính thông qua các số nhị phân, một công việc khá buồn tẻ, và họ nhanh chóng tìm ra những cách viết mới gần gũi hơn với cách thức suy nghĩ của con người. 
15 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên dưới chương trình ứng dụng 
 Từ ngôn ngữ cấp cao đến ngôn ngữ phần cứng 
Cách thức nhà lập trình giao tiếp với máy tính 
16 
Ngôn ngữ Assembly (Hợp ngữ): Ngôn ngữ mô tả lệnh của máy tính thông qua kí hiệu biểu diễn (symbol) 
Assembler : C hương trình dịch lệnh hợp ngữ sang lệnh nhị phân. 
Ngôn ngữ lập trình cấp cao: Các ngôn ngữ có tính linh động (portable) như C, Fortran, Java; bao gồm các từ và kí hiệu số học, có thể được dịch sang ngôn ngữ Assembly bởi một trình biên dịch 
Chú ý : Việc dịch từ ngôn ngữ cấp cao sang ngôn ngữ máy nhị phân gồm 2 bước (Hình 2), tuy nhiên một số trình biên dịch cắt giảm bước trung gian và dịch trực tiếp sang ngôn ngữ nhị phân. 
Hình 2 Một chương trình C được dịch sang ngôn ngữ Assembly và sau đó là ngôn ngữ máy nhị phân 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM và CÔNG NGHỆ 
Giới thiệu 
Bên dưới chương trình ứng dụng 
Bên trong máy tính 
17 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
Phần cứng của một máy tính bất kỳ thực hiện những chức năng cơ bản sau: 
Nhập dữ liệu 
Xuất dữ liệu 
Xử lý dữ liệu 
Lưu trữ dữ liệu 
Năm thành phần căn bản của máy tính bao gồm: 
Ngõ nhập (Input) 
Ngõ xuất (Output) 
Bộ nhớ (Memory) 
Đường dữ liệu 
 (Data path) 
Khối điều khiển 
 (Control) 
(Data path và Control thường được kết hợp lại với tên gọi bộ xử lý (Processor)) 
18 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
19 
Hình 3. Tổ chức của một máy tính, bao gồm 5 thành phần căn bản. 
Bộ xử lý (Processor): Nhận lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ để xử lý. 
Ngõ nhập (input) ghi dữ liệu vào bộ nhớ, và ngõ xuất (output) đọc dữ liệu ra từ bộ nhớ. 
Khối điều khiển (Control): Gởi các tín hiệu điều khiển hoạt động của đường dữ liệu, bộ nhớ, ngõ nhập và ngõ xuất. 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
20 
Hình 4. Máy tính để bàn 
(Desktop computer) 
Màn hình (Screen): Thiết bị xuất 
Bàn phím (Keyboard) và chuột (Mouse): Thiết bị nhập 
Thùng máy (Case) chứa bộ xử lý và các thiết bị I/O khác 
Chuột cơ điện (Electromechanical mouse, original mouse) 
Chuột quang (Optical mouse) 
LCD – Liquid Crystal Displays 
CRT - Cathode Ray Tube 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
21 
Hình 4. Máy tính để bàn 
(Desktop computer) 
Tóm lại, các thành phần ngoại vi (peripherals hoặc I/O) thường gặp của máy tính gồm: 
Thiết bị nhập (Input device): chuột (mouse), bàn phím (keyboard) 
 Thiết bị xuất (Output device): màn hình (screen) 
* Một số thiết bị vừa xuất vừa nhập: ổ đĩa (disk), card mạng 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
Opening the Box 
22 
Hình 5. Bên trong máy tính để bàn 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
23 
Hình 6 . Bên trong máy tính xách tay 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
Bên trong thùng máy 
Board mạch chủ (Mother-board/Main-board) : Là một bảng mạch bằng plastic, chứa các khối mạch tích hợp (Integrated circuits hay chips), gồm có bộ xử lý, cache, bộ nhớ, và kết nối cho các thiết bị I/O. 
	 Mạch tích hợp (Integrated circuits) : Còn được gọi là chip, chứa đựng hàng chục đến hàng triệu transistors 
Bộ nhớ (Memory) : Là vùng lưu trữ chứa đựng chương trình đang chạy và chứa dữ liệu mà chương trình chạy cần dùng 
RAM (Random access memory): Khác với các bộ nhớ truy cập tuần tự, như đĩa từ (magnetic tapes - sequential access memory), thời gian truy cập vào bất kì vị trí nào trong bộ nhớ RAM cơ bản là như nhau. 
DRAM (Dynamic random access memory), SRAM (Static random access memory ), flash. 
DIMM (dual inline memory module): Một board nhỏ chứa chip DRAM trên cả hai mặt của board. SIMM (single inline memory module) có DRAM chỉ trên một mặt. 
24 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
Bên trong thùng máy 
Đơn vị xử lý trung tâm (Central processor unit - CPU) : cũng gọi là bộ xử lý (Processor), bộ phận hoạt động tích cực của máy tính, chứa đường dữ liệu (data path) và khối điều khiển (control), thực hiện việc như cộng số, kiểm tra số, kích hoạt các thiết bị I/O , v.v 
Datapath : Thành phần của bộ xử lý, thực hiện các tính toán toán học 
Control : Thành phần của bộ xử lý, điều khiển đường dữ liệu, bộ nhớ, và các thiết bị I/O tùy theo lệnh nào đang thực thi của chương trình. 
 Khối Datapath thực hiện các tính toán toán học, và khối Control sẽ hướng dẫn đường dữ liệu, bộ nhớ, và các thiết bị I/O những việc cần làm dựa trên yêu cầu của từng lệnh trong chương trình. 
Datapath và Control, lần lượt giống như cơ bắp và bộ não của bộ xử lý 
25 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
Chi tiết một vi xử lý 
26 
Hình 7. Bên trong bộ vi xử lý AMD Barcelona. Hình bên trái là ảnh vi mô của chip xử lý AMD Barcelona, hình bên phải thể hiện các khối chính trong bộ xử lý. Chip này có 4 nhân xử lý, hay còn gọi là 4 “core”. 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
Chi tiết một vi xử lý 
Cache: 
Bên trong bộ xử lý còn có một dạng bộ nhớ, gọi là bộ nhớ đệm (Cache memory) 
Bộ nhớ Cache là một bộ nhớ nhỏ, nhanh, hoạt động như một bộ đệm cho bộ nhớ DRAM. 
Cache được xây dựng trên một công nghệ thiết kế bộ nhớ khác biệt, dựa trên static random access memory (SRAM). SRAM có tốc độ truy cập nhanh hơn và ít dày đặc hơn, do đó mắc hơn DRAM. 
27 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
Nơi lưu dữ liệu an toàn 
Bộ nhớ khả biến/bay hơi (Volatile memory) : Chỉ lưu dữ liệu khi có nguồn điện (vd: DRAM) 
Bộ nhớ bất biến/không bay hơi (Nonvolatile memory): Có thể lưu dữ diệu ngay cả khi không được cấp nguồn điện, dùng để lưu trữ chương trình giữa các lần chạy. Đĩa từ (Magnetic disk) là một dạng bộ nhớ bất biến. 
 Bộ nhớ chính (Main/Primary memory): Là bộ nhớ khả biến, dùng để lưu chương trình đang chạy, điển hình là DRAM trong các máy tính ngày nay. 
 Bộ nhớ thứ cấp (Secondary memory): Là bộ nhớ bất biến, dùng để lưu chương trình và dữ liệu giữa các lần chạy, điển hình là đĩa từ trong các máy tính ngày nay 
Đĩa từ (Magnetic disk, cũng gọi là hard disk ): Bộ nhớ thứ cấp bất biến, bao gồm các đĩa quay được phủ bởi vật liệu ghi bằng từ. 
Gigabyte: theo truyền thống, tương đương 1.073.741.824 (2 30 ) bytes, tuy nhiên một số hệ thống lưu trữ và giao tiếp hiện nay định nghĩa bằng 1.000.000.000 (10 9 ) bytes. Tùy thuộc ngữ cảnh, Gigabyte hoặc là 10 9 hoặc là 2 30 bytes. 
Đa số ổ đĩa cứng (hard drive) nằm bên trong máy tính, ngoài ra cũng có các dạng được kết nối vào máy tính sử dụng những kết nối ngoài như thông qua cổng USB (universal serial bus). 
Đĩa quang Optical disks : CDs (Compact disks) và DVDs (Digital video disks) 
28 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
Nơi lưu dữ liệu an toàn 
Bộ nhớ Flash: 
Bộ nhớ bán dẫn dạng nonvolatile , dùng để thay thế cho bộ nhớ đĩa (disk) trong các thiết bị di động như điện thoại, máy chơi nhạc, và hướng đến cho laptop. 
Rẻ hơn và chậm hơn DRAM nhưng mắc và nhanh hơn đĩa từ 
29 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
 Giao tiếp với các máy tính khác 
Mạng máy tính: Kết nối tất cả máy tính, cho phép người dùng máy tính mở rộng năng lực tính toán thông qua giao tiếp giữa các máy tính. Mạng máy tính ngày càng trở nên phổ biến và là xương sống cho các hệ thống máy tính hiện nay. 
Máy tính được kết nối mạng có nhiều thuận lợi: 
Giao tiếp: Thông tin được trao đổi giữa các máy tính với tốc độ cao. 
Chia sẻ tài nguyên: Khác với máy tình riêng lẻ xài riêng các thiết bị I/O, máy tính bên trong một mạng kết nối có thể chia sẻ các thiết bị này cho nhau . 
Truy cập từ xa: Bằng cách kết nối máy tính từ xa, người dùng không cần ở gần máy tính mà họ đang sử dụng. 
30 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
 Giao tiếp với các máy tính khác 
Mạng máy tính khác nhau về độ dài và hiệu năng, theo đó chi phí sẽ tăng tương ứng với tốc độ truyền tải và khoảng cách mà thông tin có thể được truyển tới. 
Ethernet (hình thức mạng phổ biến nhất): Có thể dài 1 km và tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 10 gigabits trên giây 
 hữu ích khi kết nối các máy tính trong cùng một tầng của tòa nhà, là một ví dụ của dạng mang cục bộ ( local area network . ) 
	 Local area network (LAN) : mạng được thiết kế để truyền dữ liệu trong một vùng địa lý giới hạn, điển hình là mạng trong một tòa nhà. 
Wide area networks (mạng xuyên lục địa, là xương sống của mạng Internet, hỗ trợ World Wide Web): Có thể dài tới hàng trăm km và tốc độ truyền lên tới hàng gigabits trên giây. 
 thường được xây dựng trên công nghệ sợi quang (optical fibers) và được cung cấp bởi các công ty viễn thông. 
Wireless technology (mạng không dây, được phát triển rộng rãi, đa số laptop sử dụng công nghệ mạng này): Mạng không dây phổ biến hiện nay theo chuẩn IEEE 802.11, cho phép tốc độ truyền dữ liệu trong khoảng 1 – 100 triệu bit trên giây. 
31 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
 Công nghệ xây dựng Bộ xử lý và Bộ nhớ 
Transistor : Công tắc đóng/mở được điều khiển bằng điện. 
Very large scale integrated circuit (VLSI) : Mạch tích hợp chứa hàng trăm ngàn đến hàng triệu transistor. 
Moore’s law : Số lượng transistor của mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi trong khoảng thời gian mỗi 18–24 tháng 
 	(Gordon Moore, một trong những nhà sáng lập Intel vào những năm1960s.) 
32 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
 Công nghệ xây dựng Bộ xử lý và Bộ nhớ 
33 
Hình 8. Định luật Moore [Nguồn: http:// en.wikipedia.org/wiki/Moore’s_law] 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
 Ảnh màu 
Để biểu diễn được ảnh màu trên màn hình máy tính, ảnh và màn hình đều được chia thành các hàng và cột, tạo thành một ma trận các ô. Mỗi ô như vậy gọi là 1 pixel. 
	 Pixel : Phần tử ảnh nhỏ nhất. Màn hình bao gồm hàng trăm, hoặc ngàn, hoặc triệu pixel được tổ chức thành một ma trận. 
Tùy vào kích cỡ màn hình và độ phân giải (resolution), ma trận hiển thị có thể có độ lớn từ 640 × 480 đến 2560 × 1600 pixels (trong năm 2008) 
Ví dụ: Màn hình với độ phân giải Full HD 1920 × 1080 , tức độ rộng nó 1920 (1920 cột) và cao là 1080 (1080 hàng), và có tổng cộng 1920 × 1080 = 2073600 pixels tồn tại trên màn hình , hay 2.07 36 Megapixels (1 Megapixels = 1 triệu pixels). 
34 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
 Ảnh màu 
Mỗi pixel mang một màu và sẽ dùng một số bit nào đó để thể hiện màu này. Vì vậy, một hình ảnh trong máy tính sẽ được thể hiện như một ma trận các bit, gọi là “ bit map ”. 
Khi hình ảnh được thể hiện ra màn hình, trong máy tính sẽ có một phần cứng tên “raster refresh buffer” , hay còn gọi là “frame buffer” , để lưu nội dung bitmap trước khi nó được thể hiện ra màn hình. 
35 
	 Hình 9. Ví dụ thiết kế đơn giản của Frame buffer với chỉ 4 bits cho một pixel . 
Pixel (X0, Y0) chứa thông tin bit 0011 , quy định tương ứng với màu xanh nhạt trên màn hình ; 
Pixel (X1, Y1) chứa thông tin bit 1101, quy định tương ứng với màu xanh đậm trên màn hình . 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Bên trong máy tính 
 Ảnh màu 
Một màu tương ứng trong hầu hết các máy tính hiện tại là tổ hợp từ ba màu cơ bản: đỏ (Red), xanh lá (Green) và xanh dương (Blue). Dùng bao nhiêu bit để hiển thị cho mỗi màu cơ bản này tùy vào từng hệ thống 
Ví dụ: Màn hình máy tính có độ phân giải 640×480, sử dụng 8 bits để biểu diễn cho mỗi màu cơ bản Red hoặc Green hoặc Blue. Nếu một hình biểu diễn lên hệ thống này, mỗi pixel sẽ cần tới 3 × 8 = 24 bit, và frame buffer phải có kích thước tối thiểu 640 × 480 × 24 = 7372800 bits để lưu được trọn một hình. 
36 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM và CÔNG NGHỆ 
Giới thiệu 
Bên dưới chương trình ứng dụng 
Bên trong máy tính 
37 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM và CÔNG NGHỆ 
Tổng kết: 
Ba loại máy tính chính: Desktop computers, Servers và Embedded computers 
Phần mềm và phần cứng trong máy tính phân làm ba cấp: Ứng dụng (Application ), Phần mềm hệ thống (System software ) và Phần cứng (Hardware ) 
Ngôn ngữ trong máy tính cũng phân chia từ: Ngôn ngữ cấp cao, hợp ngữ, đến ngôn ngữ máy. 
38 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017 
Về phần cứng, đã giới thiệu một máy tính có các phần cứng cơ bản nào và các kỹ thuật chế tạo liên quan 
MÁY TÍNH – CÁC KHÁI NIỆM và CÔNG NGHỆ 
Lý thuyết: Đọc sách tham khảo 
Các mục 1.1, 1.2, 1.3 
 Sách: Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface , Patterson, D. A., and J. L. Hennessy, Morgan Kaufman, Revised Fourth Edition, 2011. 
Bài tập: file đính kèm 
39 
Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 
03/2017