2 Nguyên lý thiết kế máy tính cơ bản – Tài liệu text

Năm 1946, nhà toán học Mỹ Von Neumann (1903 – 1957) đã đề ra một

nguyên lý máy tính hoạt động theo một chương trình được lưu trữ và truy nhập

theo địa chỉ. Nguyên lý này được trình bày ở một bài báo nổi tiếng nhan đề: “Thảo

luận sơ bộ về thiết kế logic của máy tính điện tử”. Nội dung nguyên lý Von

Neumann gồm:

(i) Máy tính có thể hoạt động theo một chương trình đã được lưu trữ

Theo Von Neumann, chúng ta có thể tập hợp các lệnh cho máy thi hành theo

một chương trình được thiết kế và coi đó như một tập dữ liệu. Dữ liệu này được cài

vào trong máy và được truyền bằng xung điện. Ðây là một cuộc cách mạng mới

cho máy tính nhằm tăng tốc độ tính toán vào thời đó vì trước kia máy chỉ có thể

nhận được các lệnh từ băng giấy hoặc bìa đục lỗ và nạp vào bằng tay. Nếu gặp bài

toán lặp lại nhiều lần thì cũng tiếp tục bằng cách nạp lại một cách thủ công như

vậy gây hạn chế trong tính toán sử dụng.

(ii)Bộ nhớ được địa chỉ hóa

Mỗi dữ liệu đều có một địa chỉ của vùng nhớ chứa số liệu đó. Như vậy để

truy nhập dữ liệu ta chỉ cần xác định địa chỉ của nó trên bộ nhớ.

(iii) Bộ đếm của chương trình

Nếu mỗi câu lệnh phải dùng một vùng nhớ để chứa địa chỉ của câu lệnh tiếp

theo thì không gian bộ nhớ sẽ bị thu hẹp. Ðể khắc phục hạn chế này, máy được gắn

một thanh ghi để chỉ ra vị trí của lệnh tiếp theo cần được thực hiện và nội dung của

nó tự động được tăng lên mỗi lần lệnh được truy cập. Muốn đổi thứ tự lệnh ta chỉ

cần thay đổi nội dung thanh ghi bằng một địa chỉ của lệnh cần được thực hiện tiếp.

4

Bài 2: TỔ CHỨC CỦA MÁY TÍNH

2.1 Kiến trúc chung của máy tính

Kể từ khi ra đời cho đến nay, kiến trúc cơ sở của các máy vi tính ngày nay

không thay đổi nhiều. Mọi máy tính số đều được hình thành từ các thành phần

chính sau: bộ xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit), bộ nhớ trong, bộ

phận Vào/Ra thông tin. Các bộ phận trên được kết nối với nhau thông qua các hệ

thống Bus. Hệ thống Bus bao gồm: bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Bus

địa chỉ và bus dữ liệu dùng trong việc chuyển dữ liệu giữa các bộ phận trong máy

tính. Bus điều khiển làm cho sự trao đổi thông tin giữa các bộ phận được đồng bộ.

Thông thường người ta phân biệt một bus hệ thống dùng trao đổi thông tin giữa

CPU và bộ nhớ trong (thông qua cache), và một bus Vào/Ra dùng trao đổi thông

tin giữa các bộ phận Vào/Ra và bộ nhớ trong. Một chương trình sẽ được sao chép

từ đĩa cứng vào bộ nhớ trong cùng với các thông tin cần thiết cho chương trình

hoạt động, các thông tin này được nạp vào bộ nhớ trong từ các bộ phận các thiết bị

vào dữ liệu (ví dụ như một bàn phím hay một đĩa từ). Bộ xử lý trung tâm sẽ đọc

các lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, thực hiện các lệnh và lưu các kết quả trở lại bộ nhớ

trong hay cho xuất kết quả ra bộ phận xuất thông tin (màn hình hay máy in).

Data Bus

Control Bus

Bộ xử lý

trung

tâm

(CPU)

Bộ nhớ trong

(Memory)

ROM-RAM

Bộ nhớ

ngoài

(Mass store

Unit)

Phối ghép

vào/ra

(I/O)

Thiết bị vào

(Input Unit)

Thiết bị ra

(Output

Unit)

Adrress

Bus

5

Hình 2.1: Kiến trúc chung của máy tính

Thành phần cơ bản của một máy tính bao gồm :

Bộ nhớ trong: Đây là một tập hợp các ô nhớ, mỗi ô nhớ có một số bit nhất

định và chứa một thông tin được mã hoá thành số nhị phân mà không quan tâm

đến kiểu của dữ liệu mà nó đang chứa. Các thông tin này là các lệnh hay số liệu.

Mỗi ô nhớ của bộ nhớ trong đều có một địa chỉ. Thời gian thâm nhập vào một ô

nhớ bất kỳ trong bộ nhớ là như nhau. Vì vậy, bộ nhớ trong còn được gọi là bộ nhớ

truy cập ngẫu nhiên (RAM – Random Access Memory). Độ dài của một từ máy

tính (computer word) là 32 bit (hay 4 byte), tuy nhiên dung lượng một ô nhớ thông

thường là 8 bit (1 Byte).

Bộ xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit): Đây là bộ phận thi

hành lệnh của máy tính, CPU lấy lệnh và lấy các số liệu mà lệnh đó xử lý từ bộ

nhớ trong để tiến hành xử lý. Bộ xử lý trung tâm gồm có hai phần: phần thi hành

lệnh và phần điều khiển. Phần thi hành lệnh bao gồm bộ số học và logic (ALU:

Arithmetic And Logic Unit) và các thanh ghi. Nó có nhiệm vụ làm các phép toán

trên số liệu. Phần điều khiển có nhiệm vụ đảm bảo thi hành các lệnh một cách tuần

tự và tác động các mạch chức năng để thi hành các lệnh.

Hình 2.2 : Sơ đồ hoạt động của máy tính PC

6

Bộ phận Vào/ Ra (I/O – Input/Output): đây là bộ phận xuất nhập thông tin,

bộ phận này thực hiện sự giao tiếp giữa máy tính và người dùng hay giữa các máy

tính với môi trường (như là các hệ thống khác trọng mạng máy tính, …). Các bộ

phận Vào/Ra thường gặp là: bộ lưu trữ ngoài, màn hình, máy in, bàn phím, chuột,

máy quét ảnh, các giao diện mạng cục bộ hay mạng diện rộng…

Sự khác biệt quan trọng nhất của các hệ máy tính là kích thước và tốc độ. Sự

phát triển không ngừng của các thế hệ máy tính nhờ vào hai yếu tố quan trọng, đó

là sự phát triển của công nghệ chế tạo IC và công nghệ chế tạo bộ nhớ.

2.2 Hoạt động chung của hệ thống máy tính

Các đơn vị chức năng và mối quan hệ của chúng có thể được minh họa bằng

hình 2.3 dưới đây (Các đường vẽ bằng nét đứt chỉ mối quan hệ điều khiển. Các

đường vẽ bằng nét liền là các con đường truyền dữ liệu). Có thể mô tả sự hoạt

động của máy tính một cách khái quát như sau:

Trước hết các chương trình và số liệu ban đầu được đưa vào bộ nhớ trong,

đó thường là bộ nhớ bán dẫn RAM. Khi bắt đầu thi hành chương trình, lệnh đầu

tiên trong tập lệnh đã được tích lũy ở bộ nhớ trong được đưa vào đơn vị điều khiển

– CU.

CU tiến hành giải mã lệnh, nếu việc giải mã cho thấy lệnh cần một hay một

số toán hạng thì nó sẽ xác định xem toán hạng đó nằm ở đâu trong bộ nhớ, việc

này thường được gọi là tính địa chỉ các toán hạng. Toán hạng là thành phần tham

gia phép tính cơ bản. Ví dụ như một phép cộng có thể có hai toán hạng là hai số

hạng tham gia phép cộng. Còn khi cộng một dãy hơn hai số hạng thì phải thực hiện

theo một thuật toán chẵng hạn như công liên tiếp từng số hạng với tổng.

Sau khi tính địa chỉ các toán hạng, CU sẽ phát ra tín hiệu điều khiển tới các

thành phần cần thiết của hệ thống để lấy các toán hạng về, đặt vào các thanh ghi

bên trong đơn vị tính toán ALU. CU phát tín hiệu điều khiển tới ALU để ALU

thực hiện phép toán trên các toán hạng đã lấy về. Kết quả phép toán có thể được để

trong ALU để nó tham gia vào các phép toán tiếp theo hoặc đưa vào bộ nhớ trong.

Điều này tùy thuộc vào mã lệnh mà CU đã nhận vào và giải mã. Nếu CU giải mã

và thấy rằng, mã lệnh cho biết cần tiến hành rẽ nhánh chương trình, nó sẽ tính địa

7

chỉ bộ nhớ của lệnh kế tiếp cần thực hiện và phát ra các tín hiệu điều khiển để lấy

lệnh kế tiếp về, sau đó mọi việc lại diễn ra lặp lại tương tự như quá trình trên trên.

Nếu sau khi giải mã, CU thấy rằng không cần rẽ nhánh chương trình, nó sẽ

phát ra tín hiệu điều khiển để lấy về lệnh ngay sau nó trong bộ nhớ, sau đó mọi

việc lại diễn ra lặp lại tương tự như quá trình trên.

Hình 2.3: Mối quan hệ logic giữa các thành chức năng trong máy tính

Quan hệ giữa bộ nhớ trong và ALU là quan hệ 2 hướng, tức là số liệu sau

khi đã được đưa vào xử lý trong ALU theo đúng ý muốn của người lập chương

trình sẽ lại được đưa ra bộ nhớ trong để sau đó khi có lệnh từ CU số liệu này có thể

được đưa ra thiết bị ra.

Qua mối quan hệ nêu trên ta thấy rằng, CU, ALU và Bộ nhớ trong tham gia

trực tiếp vào quá trình xử lý số liệu, chính vì vậy mà chúng còn được gọi là Đơn vị

xử lý trung tâm – CPU.

Tập hợp các thiết bị vào và thiết bị ra thường được gọi bằng một cái tên

chung là thiết bị ngoại vi (thuật ngữ tiếng Anh là Peripherals, hoặc I/O Devices).

Có những thiết bị trong quá trình hoạt động của máy tính khi thì đóng vai trò của

thiết bị vào, khi thì đóng vai trò của thiết bị ra ví dụ như đĩa cứng, đĩa CD. Thông

8

Source: https://vh2.com.vn
Category : Điện Tử