Giáo trình Kiến trúc máy tính - Chương 1: Tổng quan

huyển 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 vô 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 đoán thế hệ thứ 5 là thế hệ 
các máy tính xử lý song song. 
Bảng 1-1. Các thế hệ máy tính 
 Thế Năm Kỹ thuật Sản phẩm Hãng sản xuất và máy tính 
 hệ mới 
 1 1946-1957 Đèn điện tử Máy tính điện IBM 701. UNIVAC 
 tử tung ra thị 
 trường 
 2 1958-1964 Transistors Máy tính rẻ Intel,Burroughs 6500, NCR, 
 tiền CDC 6600, Honeywell 
 3 1965-1971 Mach IC Máy tính mini 50 hãng mới: DEC PDP-11, 
 Data general ,Nova 
 4 1972 LSI - VLSI Máy tính cá Apple II, IBM-PC, Appolo 
 nhân và trạm DN 300, Sun 2 
 làm việc 
 5 Xử lý song Máy tính đa Sequent  Thinking 
 song xử lý. Đa máy Machine Inc. Honda, Casio 
 tính 
 2. Phân loại máy tính 
 Mục đích: 
 - Trình bày được cách phân loại máy tính. 
 Thông thường máy tính được phân loại theo tính năng kỹ thuật và giá tiền. 
 2.1 Các siêu máy tính (Super Computer): 
 Là các máy tính đắt tiền nhất và tính năng kỹ thuật cao nhất. Giá bán một siêu 
máy tính từ vài triệu USD. Các siêu máy tính thường là các máy tính vectơ hay các 
máy tính dùng kỹ thuật vô hướng và được thiết kế để tính toán khoa học, mô phỏng 
các hiện tượng. Các siêu máy tính được thiết kế với kỹ thuật xử lý song song với rất 
nhiều bộ xử lý (hàng ngàn đến hàng trăm ngàn bộ xử lý trong một siêu máy tính). 
 2.2 Các máy tính lớn (Mainframe): 
 Là loại máy tính đa dụng. Nó có thể dùng cho các ứng dụng quản lý cũng như 
các tính toán khoa học. Dùng kỹ thuật xử lý song song và có hệ thống vào ra mạnh. 
Giá một máy tính lớn có thể từ vài trăm ngàn USD đến hàng triệu USD. 
 2.3 Máy tính mini (Minicomputer): 
 Là loại máy cỡ trung, giá một máy tính mini có thể từ vài chục USD đến vài 
trăm ngàn USD. 
 2.4 Máy vi tính (Microcomputer) 
 Là loại máy tính dùng bộ vi xử lý, giá một máy vi tính có thể từ vài trăm USD 
đến vài ngàn USD. 
3. Thành quả của máy tính, qui luật Moore về sự phát triển của máy tính 
 Hình 1-2 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, còn 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. 
 Hình 1- 2. Đánh giá thành quả của máy tính 
 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. 
 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 đôi sau mỗi thế hệ và độ trì 
hoãn trên mỗi cổng / xung nhịp giảm 25% cho mỗi năm . 
 Sự phát triển của công 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 1-3. Sự phát triển của bộ xử lý Intel 
 Bảng 1-2 Sự phát triển của bộ xử lý Intel 
 dựa vào số lượng transistor trong một mạch tích hợp theo qui luật Moore 
 Bộ xử lý Intel Năm sản xuất Số lượng transistor tích 
 hợp 
 4004 1971 2.250 
 8008 1972 2.500 
 8080 1974 5.000 
 8086 1978 29.000 
 80286 1982 120.000 
 Intel 386 TMprocessor 1985 275.000 
 Intel 486 TMprocessor 1989 1.180.000 
 Intel ®Pentium ® processor 1993 3.100.000 
 Intel ®Pentium ® II processor 1997 7.500.000 
 Intel ®Pentium ® III 1999 24.000.000 
 processor 
 Intel ®Pentium ® 4 processor 2000 42.000.000 
 Intel ® Itanium ® processor 2002 220.000.000 
 Intel ® Itanium ® 2 processor 2003 410.000.000 
 Từ năm 1965, Gordon Moore (đồng sáng lập công ty Intel) quan sát và nhận 
thấy số transistor trong mỗi mạch tích hợp có thể tăng gấp đôi sau mỗi năm, G. 
Moore đã đưa ra dự đoán: Khả năng của máy tính sẽ tăng lên gấp đôi sau 18 tháng 
với giá thành là như nhau. 
 Kết quả của quy luật Moore là: 
 + Chi phí cho máy tính sẽ giảm. 
 + Giảm kích thước các linh kiện, máy tính sẽ giảm kích thước 
 + Hệ thống kết nối bên trong mạch ngắn: tăng độ tin cậy, tăng tốc độ . 
 + Tiết kiệm năng lượng cung cấp, toả nhiệt thấp. 
 + Các IC thay thế cho các linh kiện rời. 
 Hình 1-4. Xung nhịp các bộ xử lý MOS 
 Một số khái niệm liên quan: 
 + Mật độ tích hợp là số linh kiện tích hợp trên một diện tích bề mặt tấm silicon 
cho sẵn, cho biết số nhiệm vụ và mạch có thực hiện. 
 + Tần số xung nhịp bộ xử lý cho biết tần số thực hiện các nhiệm vụ. 
 + Tốc độ xử lý của máy tính trong một giây (hay công suất tính toán của mỗi 
mạch): được tính bằng tích của mật độ tích hợp và tần số xung nhịp. Công suất này 
cũng tăng theo hàm mũ đối với thời gian. 
4. Thông tin và sự mã hóa thông tin 
 Mục đích: 
 - Giới thiệu các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng 
 được dùng để biểu diễn các ký tự. 
4.1 Khái niệm thông tin 
 Hình 1-5. Thông tin về 2 trạng thái có ý nghĩa của hiệu điện thế 
 Khái niệm về thông tin gắn liền với sự hiểu biết một trạng thái cho sẵn trong 
nhiều trạng thái có thể có vào một thời điểm cho trước. 
 Trong hình này, chúng ta quy ước có hai trạng thái có ý nghĩa: trạng thái thấp 
khi hiệu điện thế thấp hơn VL và trạng thái cao khi hiệu điện thế lớn hơn VH. Để có 
thông tin, ta phải xác định thời điểm ta nhìn trạng thái của tín hiệu. Thí dụ, tại thời 
điểm t1 thì tín hiệu ở trạng thái thấp và tại thời điểm t2 thì tín hiệu ở trạng thái cao. 
4.2 Lượng thông tin và sự mã hoá thông tin 
 Thông tin được đo lường bằng đơn vị thông tin mà ta gọi là bit. Lượng thông 
tin được định nghĩa bởi công thức: 
 I = Log2(N) 
 Trong đó I: là lượng thông tin tính bằng bit 
 N: là số trạng thái có thể có 
 Vậy một bit ứng với sự hiểu biết của một trạng thái trong hai trạng thái có thể 
có. Thí dụ, sự hiểu biết của một trạng thái trong 8 trạng thái có thể ứng với một lượng 
thông tin là: 
 I = Log2(8) = 3 bit 
 Tám trạng thái được ghi nhận nhờ 3 số nhị phân (mỗi số nhị phân có thể có giá 
trị 0 hoặc 1). 
 Như vậy lượng thông tin là số con số nhị phân cần thiết để biểu diễn số trạng 
thái có thể có. Do vậy, một con số nhị phân được gọi là một bit. Một từ n bit có thể 
 n 
tượng trưng một trạng thái trong tổng số 2 trạng thái mà từ đó có thể tượng trưng. 
Vậy một từ n bit tương ứng với một lượng thông tin n bit. 
 Bảng 1-3. Tám trạng thái khác nhau ứng với 3 số nhị phân 
 Trạng thái X2 X1 X0 
 0 0 0 0 
 1 0 0 1 
 2 0 1 0 
 3 0 1 1 
 4 1 0 0 
 5 1 0 1 
 6 1 1 0 
 7 1 1 1 
4.3 Biểu diễn các số: 
 Khái niệm hệ thống số: Cơ sở của một hệ thống số định nghĩa phạm vi các giá 
trị có thể có của một chữ số. Ví dụ: trong hệ thập phân, một chữ số có giá trị từ 0-9, 
trong hệ nhị phân, một chữ số (một bit) chỉ có hai giá trị là 0 hoặc 1. 
 Dạng tổng quát để biểu diễn giá trị của một số: 
 Trong đó: 
 Vk: Số cần biểu diễn giá trị 
 m: số thứ tự của chữ số phần lẻ 
 (phần lẻ của số có m chữ số được đánh số thứ tự từ -1 đến -m) 
 n-1: số thứ tự của chữ số phần nguyên 
 (phần nguyên của số có n chữ số được đánh số thứ tự từ 0 đến n-1) 
 bi: giá trị của chữ số thứ i 
 k: hệ số (k=10: hệ thập phân; k=2: hệ nhị phân;...). 
Ví dụ: biểu diễn số 541.25 10 
 2 1 0 -2
541.2510 = 5 * 10 + 4 * 10 + 1 * 10 + 2 * 10-1 + 5 * 10 
= (500)10 + (40)10 + (1)10 + (2/10)10 + (5/100)10 
 Một máy tính được chủ yếu cấu tạo bằng các mạch điện tử có hai trạng thái. Vì 
vậy, rất tiện lợi khi dùng các số nhị phân để biểu diễn số trạng thái của các mạch điện 
hoặc để mã hoá các ký tự, các số cần thiết cho vận hành của máy tính. 
 Để biến đổi một số hệ thập phân sang nhị phân, ta có hai phương thức biến đổi: 
 Phương thức số dư để biến đổi phần nguyên của số thập phân sang nhị phân. 
Ví dụ: Đổi 23.37510 sang nhị phân. Chúng ta sẽ chuyển đổi phần nguyên dùng 
phương thức số dư: 
- Phương thức nhân để biến đổi phần lẻ của số thập phân sang nhị phân 
 Kết quả cuối cùng nhận được là: 23.37510 = 10111.0112 
 Tuy nhiên, trong việc biến đổi phần lẻ của một số thập phân sang số nhị phân 
theo phương thức nhân, có một số trường hợp việc biến đổi số lặp lại vô hạn bit có 
trọng số lớn nhất bit có trọng số nhỏ nhất 
 Ví dụ 
Trường hợp biến đổi số nhị phân sang các hệ thống số khác nhau, ta có thể nhóm một 
số các số nhị phân để biểu diễn cho số trong hệ thống số tương ứng. 
 (Base 2) Octal Decimal Hexadecimal 
 (Base 8) (Base 10) (Base 16) 
 0000 0 0 0 
 0001 1 1 1 
 0010 2 2 2 
 (Base 2) Octal Decimal Hexadecimal 
 (Base 8) (Base 10) (Base 16) 
 0011 3 3 3 
 0100 4 4 4 
 0101 5 5 5 
 0110 6 6 6 
 0111 7 7 7 
 1000 10 8 8 
 1001 11 9 9 
 1010 12 10 A 
 1011 13 11 B 
 1100 14 12 C 
 1101 15 13 D 
 1110 16 14 E 
 1111 17 15 F 
Thông thường, người ta nhóm 4 bit trong hệ nhị phân hệ để biểu diễn số dưới dạng 
thập lục phân (Hexadecimal). 
Như vậy, dựa vào cách biến đổi số trong bảng nêu trên, chúng ta có ví dụ về cách 
biến đổi các số trong các hệ thống số khác nhau theo hệ nhị phân: 
 • 10112 = (102)(112) = 234 
 • 234 = (24)(34) = (102)(112) = 10112 
 • 1010102 = (1012)(0102) = 528 
 • 011011012 = (01102)(11012) = 6D16 
 n
Một từ n bit có thể biểu diễn tất cả các số dương từ 0 tới 2 -1. Nếu di là một số nhị 
phân thứ i, một từ n bit tương ứng với một số nguyên thập phân. 
Một Byte (gồm 8 bit) có thể biểu diễn các số từ 0 tới 255 và một từ 32 bit cho phép 
biểu diễn các số từ 0 tới 4294967295. 
4.4 Số nguyên có dấu 
 Có nhiều cách để biểu diễn một số n bit có dấu. Trong tất cả mọi cách thì bit 
cao nhất luôn tượng trưng cho dấu. 
 Khi đó, bit dấu có giá trị là 0 thì số nguyên dương, bit dấu có giá trị là 1 thì số 
nguyên âm. Tuy nhiên, cách biểu diễn dấu này không đúng trong trường hợp số được 
biểu diễn bằng số thừa K mà ta sẽ xét ở phần sau trong chương này (bit dấu có giá trị 
là 1 thì số nguyên dương, bit dấu có giá trị là 0 thì số nguyên âm). 
 dn-1 dn-2 dn-3  d2 d1 d0 
 Bít dấu 
Số nguyên có bit dn-1 là bit dấu và có trị số tượng trưng bởi các bit từ d0 tới dn-2 . 
 a. Cách biểu diễn bằng trị tuyệt đối và dấu 
 Trong cách này, bit dn-1 là bit dấu và các bit từ d0 tới dn-2 cho giá trị tuyệt đối. Một 
từ n bit tương ứng với số nguyên thập phân có dấu. 
Ví dụ: +2510 = 000110012
 -2510 = 100110012 
- Một Byte (8 bit) có thể biểu diễn các số có dấu từ -127 tới +127. 
- Có hai cách biểu diễn số không là 0000 0000 (+0) và 1000 0000 (-0). 
 b. Cách biểu diễn hằng số bù 1 
Trong cách biểu diễn này, số âm -N được có bằng cách thay các số nhị phân di của số 
đương N bằng số bù của nó (nghĩa là nếu di = 0 thì người ta đổi nó thành 1 và ngược 
lại). 
Ví dụ: +2510 = 000110012 -2510 = 111001102 
- Một Byte cho phép biểu diễn tất cả các số có dấu từ -127 (1000 00002) đến 127 
(0111 11112) 
- Có hai cách biểu diễn cho 0 là 0000 0000 (+0) và 1111 1111 (-0). 
 c. Cách biểu diễn bằng số bù 2 
 Để có số bù 2 của một số nào đó, người ta lấy số bù 1 rồi cộng thêm 1. 
Vậy một từ n bit (dn-1 ....... d0) có trị thập phân. 
Một từ n bit có thể biểu diễn các số có dấu từ - 2n-1 đến 2n-1 - 1. Chỉ có một cách duy 
nhất để biểu diễn cho số không là tất cả các bit của số đó đều bằng không. 
Ví dụ: +2510 = 000110012 -2510 = 111001112 
- Dùng 1 Byte (8 bit) để biểu diễn một số có dấu lớn nhất là +127 và số nhỏ nhất 
là –128. 
- Chỉ có một giá trị 0: +0 = 000000002, -0 = 000000002 
 Bảng 1-4. Số 4 bit có dấu theo cách biểu diễn số âm bằng số bù 2 
 d3 d2 d1 d0 N d3 d2 d1 d0 N 
 0 0 0 0 0 1 0 0 0 -8 
 0 0 0 1 1 1 0 0 1 -7 
 0 0 1 0 2 1 0 1 0 -6 
 0 0 1 1 3 1 0 1 1 -5 
 0 1 0 0 4 1 1 0 0 -4 
 0 1 0 1 5 1 1 0 1 -3 
 0 1 1 0 6 1 1 1 0 -2 
 0 1 1 1 7 1 1 1 1 -1 
 d. Cách biểu diễn bằng số thừa K 
 Trong cách này, số dương của một số N có được bằng cách “cộng thêm vào” số 
thừa K được chọn sao cho tổng của K và một số âm bất kỳ luôn luôn dương. Số âm -
N của số N có được bằng cáck lấy K-N (hay lấy bù hai của số vừa xác định). 
 Ví dụ: (số thừa K=128, số “cộng thêm vào” 128 là một số nguyên dương. Số 
âm là số lấy bù hai số vừa tính, bỏ qua số giữ của bit cao nhất) : 
 +2510 = 100110012 -2510 = 011001112 
 - Dùng 1 Byte (8 bit) để biểu diễn một số có dấu lớn nhất là +127 và số nhỏ 
nhất là (âm) –128. 
 - Chỉ có một giá trị 0: +0 = 100000002, -0 = 100000002 
 Cách biểu diễn số nguyên có dấu bằng số bù 2 được dùng rộng rãi cho các 
phép tính số nguyên. Nó có lợi là không cần thuật toán đặc biệt nào cho các phép tính 
cộng và tính trừ, và giúp phát hiện dễ dàng các trường hợp bị tràn. 
 Các cách biểu diễn bằng "dấu , trị tuyệt đối" hoặc bằng "số bù 1" dẫn đến việc 
dùng các thuật toán phức tạp và bất lợi vì luôn có hai cách biểu diễn của số không. 
Cách biểu diễn bằng "dấu , trị tuyệt đối" được dùng cho phép nhân của số có dấu 
chấm động. 
 Cách biểu diễn bằng số thừa K được dùng cho số mũ của các số có dấu chấm 
động. Cách này làm cho việc so sánh các số mũ có dấu khác nhau trở thành việc so 
sánh các số nguyên dương. 
4.5 Cách biểu diễn số thập phân 
 Một vài ứng dụng, đặc biệt ứng dụng quản lý, bắt buộc các phép tính thập phân 
phải chính xác, không làm tròn số. Với một số bit cố định, ta không thể đổi một cách 
chính xác số nhị phân thành số thập phân và ngược lại. Vì vậy, khi cần phải dùng số 
thập phân, ta dùng cách biểu diễn số thập phân mã bằng nhị phân (BCD: Binary 
Coded Decimal) theo đó mỗi số thập phân được mã với 4 số nhị phân (bảng I.6). 
 Bảng 1-5. Số thập phân mã bằng nhị phân 
 Số thập d3 d2 d1 d0 Số thập d3 d2 d1 d0 
 phân phân 
 0 0 0 0 0 5 0 1 0 1 
 1 0 0 0 1 6 0 1 1 0 
 2 0 0 1 0 7 0 1 1 1 
 3 0 0 1 1 8 1 0 0 0 
 4 0 1 0 0 9 1 0 0 1 
 Để biểu diễn số BCD có dấu, người ta thêm số 0 trước một số dương cần tính, 
ta có số âm của số BCD bằng cách lấy bù 10 số cần tính. 
 Ví dụ: biểu diễn số +07910 bằng số BCD: 0000 0111 1001 
 Bù 9 1001 0010 0000 
 +1 
 Bù 10 1001 0010 0001 
Vây, ta có: Số - 07910 trong cách biểu diễn số BCD: 1001 0010 0001BCD. 
Cách tính toán trên tương đương với cách sau: 
 o Trước hết ta lấy số bù 9 của số 079 bằng cách: 999 - 079 = 920. 
 o Cộng 1 vào số bù 9 ta được số bù 10: 920 + 1 = 921. 
 o Biểu diễn số 921 dưới dạng số BCD, ta có: 1001 0010 0001BCD 
4.6 Biểu diễn các ký tự 
 Tuỳ theo các hệ thống khác nhau, có thể sử dụng các bảng mã khác nhau: 
ASCII, EBCDIC, UNICODE,....Các hệ thống trước đây thường dùng bảng mã ASCII 
(American Standard Codes for Information Interchange) để biểu diễn các chữ, số và 
một số dấu thường dùng mà ta gọi chung là ký tự. Mỗi ký tự được biểu diễn bởi 7 bit 
trong một Byte. Hiện nay, một trong các bảng mã thông dụng được dùng là Unicode, 
trong bảng mã này, mỗi ký tự được mã hoá bởi 2 Byte. 
Bảng mã ASCII