Giáo trình Kiến trúc máy tính - Nguyễn Trung Đồng

dùng, mỗi phát biểu (statement) trong chương 
trình người dùng được thông dịch trực tiếp thành mã máy và lệnh sẽ được 
CPU thực hiện tức thời. Dễ thấy rằng chương trình không tốn nhiều bộ nhớ 
và được thực hiện chậm hơn rất nhiều khi sử dụng Compilers. 
Quá trình phát tiển phần mềm bao gồm giải quyết vấn đề và gỡ rối 
thường sủ dụng interpreters. Khi "phần rối " đã được gỡ, chương trình sẽ 
được dịch thành mã đối tượng. 
6. Hệ điều hành (Operating Systems) 
Hệ điều hành là công cụ đầu tiên tạo khả năng cho người dùng truy 
xuất vào các tài nguyên phần cứng và phần mềm của một máy tính. Thông 
thường hệ điều hành là một tập hợp các môđun phần mềm tạo điều kiện cho 
người dùng máy tính truy xuất vào tập hợp các lệnh (comands) và tiện ích. 
Sự tiện dụng của các hệ điều hành, từ đơn giản nhất như các chương trình 
giám sát (Monitors) đến các phiên bản DOS và Windows của Microsoft đã 
quá quen thuộc đối với người dùng. 
Có thể coi Monitor là một hệ điều hành dạng đơn giản nhất, độ lớn của 
nó chỉ khoảng 1 đến 2KB và được đặt trong ROM. Nó cho phép người dùng 
có thể nạp chương trình vào RAM, truy xuất vào các thanh ghi của CPU, 
và thực hiện chương trình, sửa chữa chương trình khi cần thiết, và thường 
được cài đặt trong các Design Kit 
Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866 178 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 1  David Hergert, Nancy Thibeault PC Architecture from Assembly 
langueage to C – Prentice-Hall, Inc. New Jersey 1997 
 2  Victor M. Roooney, Amin R. Issmail Microproccessors and 
Microcomputer – Macmillan Publisshing Company – New York 1984 
 3  Kai Hwang Advanced Computer Architecture. Parallelism – 
Scalability –Programmability – McGraw-Hill International Editions – 
1993 
 4  Christopher L. Morgan & Mitchell Waite 8086/8088 16-Bit 
Microproccessor Primer – McGraw-Hill, Inc. 1982 
 5  James L., Turley Advanced 80386 Programming Techniques - 
Osborne McGraw-Hill – Berkeley, California 1988 
 6  Andrew S. Tanenbaun Structured Computer Organization – Prentice 
Hall 1990 
 7  James M. Feldman, Charles T. Retter Computer Architecture – 
MITPress & McGraw Hill, Singapore 1994 
 8  Vũ Chấn Hưng Giáo trình Kiến trúc máy tính – NXB Giao thông vận 
tải - Hà Nội 2002 
 9  Đặng Thành Phu Turbo Assembler & ứng dụng – NXB Khoa học và 
kỹ thuật – Hà Nội 2007 
10 Nguyễn Thuý Vân Kỹ thuật số - NXB Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 
1999 
11 Nguyễn Trung Đồng Giáo trình Kỹ thuật Vi xử lý - Tập bài giảng 
12 Nguyễn Đình Việt Kiến trúc máy tính – NXB Đại học Quốc gia Hà 
Nội 2006 
13 Giáo trình Kỹ thuật Vi xử lý (2 tập) – Biên soạn TS. Hồ Khánh Lâm – 
NXB Bưu điện – Hà Nội 2007 
[14] Parham Behrooz Computer Architecture: From Microprocessors to 
Supercomputers, Oxford University Press, 556 + xx pp., February 
2005, rev. 2007 (ISBN 0-19-515455-X). 
Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866 179 
MỤC LỤC 
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................ 1 
Chương I. Những kiến thức cơ sở ........................................................................ 4 
1. Một số phần tử Logic cơ bản ..................................................................................... 4 
2. Một số khái niệm cơ sở ............................................................................................. 6 
2.1. Mạch logic tổ hợp (Combinational Circuit) ......................................................... 6 
2.2. Mạch tuần tự (Sequencial Circuit) ....................................................................... 7 
2.3. Máy hữu hạn (Finite State Machine) ................................................................... 7 
2.4. Thanh ghi (Register) ............................................................................................ 8 
2.5. Mạch cộng hai số liệu nhị phân (Binary Adder) .................................................. 8 
Chương II. Giới thiệu chung ............................................................................... 12 
1. Máy tính và kiến trúc máy tính ............................................................................... 12 
1.1. Mở đầu ............................................................................................................... 12 
1.2. Chức năng của máy tính ..................................................................................... 18 
1.3. Kiến trúc máy tính và cấu trúc máy tính ............................................................ 20 
1.4. Kiến trúc máy tính Von Neumann ..................................................................... 21 
2. Tổng quan về kiến trúc máy tính ............................................................................ 22 
2.1. Liên kết các khối khối chức năng ...................................................................... 22 
2.1.1. Bộ xử lý trung tâm (CPU) và bộ nhớ .......................................................... 22 
2.1.2. CPU, bộ nhớ và thiết bị vào/ra .................................................................... 23 
2.1.3. CPU, bộ nhớ, thiết bị vào ra và khả năng truy cập trực tiếp bộ nhớ ........... 24 
Hình II.7. CPU, bộ nhớ, thiết bị vào ra và khả năng sử dụng ngắt ...................... 24 
2.1.4. CPU, bộ nhớ, thiết bị vào ra và khả năng sử dụng ngắt .............................. 25 
2.1.5. Khối xung nhịp (Clock) và khối điều khiển (Control) ................................ 25 
2.2. Kiến trúc máy tính nhìn từ góc độ cấu trúc cơ bản ............................................ 25 
3. Biểu diễn thông tin trong máy tính ......................................................................... 27 
3.1. Mã hoá các thông tin không số .......................................................................... 27 
3.2. Hệ đếm thập phân .............................................................................................. 28 
3.3. Hệ đếm nhị phân ................................................................................................ 29 
4. Chuyển đổi giữa các hệ đếm ................................................................................... 29 
4.1. Chuyển đổi hệ thập phân sang hệ nhị phân ........................................................ 29 
4.1.1 Chuyển đổi phần nguyên ............................................................................ 29 
4.1.2. Chuyển đổi phần thập phân......................................................................... 30 
4.2 Chuyển đổi hệ nhị phân sang các hệ Hexa, Octal ............................................... 30 
Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866 180 
5. Các phép tính với số nhị phân ................................................................................. 31 
5.1. Phép cộng ........................................................................................................... 32 
5.2. Phép trừ .............................................................................................................. 32 
5.3. Phép nhân ........................................................................................................... 32 
5.4. Phép chia ............................................................................................................ 33 
6. Biểu diễn dữ liệu số trong máy tính ....................................................................... 33 
6.1. Biểu diễn số và số âm ........................................................................................ 33 
6.2. Biểu diễn số dấu phẩy động (Floatting Point Number) ..................................... 35 
6.2.1. Dạng đơn giản ............................................................................................. 35 
6.2.2. Dạng chính xác gấp đôi............................................................................... 36 
Chương III. Kiến trúc Trung tâm xử lý (CPU) ................................................ 37 
1. Kiến trúc CPU ......................................................................................................... 37 
1.1. Chức năng và kiến trúc của CPU ....................................................................... 37 
1.2. Kiến trúc ALU ................................................................................................... 39 
2. Phát triển kiến trúc CPU ......................................................................................... 43 
2.1. Khái quát ............................................................................................................ 43 
2.2. Tổ chức thanh ghi trong CPU họ x86 ................................................................ 45 
3. Kiến trúc CU – Control Unit ................................................................................... 52 
3.1. Khái quát ............................................................................................................ 52 
3.3. Chức năng của CU ............................................................................................. 58 
3.4. Kiến trúc CU ...................................................................................................... 59 
4. Vài nét về Kiến trúc CPU Pentium của Intel® ........................................................ 61 
4.1. Vai trò của chipset trong máy tính ..................................................................... 62 
4.2. Vấn đề xung nhịp (Clock) .................................................................................. 63 
4.3. Kỹ thuật đường ống (Pipeline) và xử lý song song mức lệnh ............................ 65 
4.4. Về kiến trúc RISC, CISC ................................................................................... 67 
Chương IV. Chương trình và thực hiện chương trình ..................................... 70 
1. Tổng quan về lập chương trình cho máy tính ........................................................ 70 
2. Lệnh và thực thi lệnh ............................................................................................... 71 
2.1. Kiến trúc của lệnh .............................................................................................. 71 
2.1. Tập lệnh cơ bản của máy tính ............................................................................ 72 
3. Kiến trúc thanh ghi của CPU .................................................................................. 74 
4.1. Các bước thực thi một chưong trình .................................................................. 76 
4.2. Thực thi lệnh và thực hiện chương trình ............................................................ 77 
4.3. Chu kỳ đọc lệnh ................................................................................................. 78 
4.4. Thanh ghi đệm dữ liệu (MBR) và thanh ghi địa chỉ bộ nhớ (MAR) ................. 78 
4.5. Thực hiện lệnh ................................................................................................... 79 
Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866 181 
4.6. Bộ giải mã lệnh (ID) .......................................................................................... 79 
4.7. Giải mã lệnh ....................................................................................................... 80 
4.8. Nhập toán hạng, xử lý và lưu dữ liệu ................................................................. 80 
5. Ngắt và cơ chế ngắt (Interupt) ................................................................................ 84 
5.1. Phân loại ngắt ..................................................................................................... 85 
5.2. Bảng véc tơ ngắt ................................................................................................ 86 
5.2. Cơ chế gọi chương trình con .............................................................................. 87 
6. Lệnh hai địa chỉ ....................................................................................................... 89 
6.1. Các chế độ thực hiện lệnh hai địa chỉ ................................................................ 90 
6.2. Kiến trúc RISC và CISC .................................................................................... 90 
6.3. Kiến trúc xử lý song song .................................................................................. 91 
7. Các phương pháp đánh địa chỉ ô nhớ.................................................................... 92 
7.1. Quản lý bộ nhớ ................................................................................................... 92 
7.2. Quản lý bộ nhớ, các mode địa chỉ trong CPU 8086........................................... 94 
7.3. Biểu diễn lệnh và dữ liệu ................................................................................... 99 
7.4. Yêu cầu đối với các phương pháp đánh địa chỉ trong lệnh .............................. 100 
7.5. Phương pháp đánh địa chỉ trực tiếp ................................................................. 100 
7.6. Phương pháp đánh địa chỉ tức thời .................................................................. 101 
7.7. Phương pháp đánh địa chỉ tương đối ............................................................... 101 
7.8. Phương pháp đánh địa chỉ gián tiếp ................................................................. 102 
7.9. Mã hóa các phương pháp đánh địa chỉ ............................................................. 102 
Chương V. Liên kết các thành phần chức năng - bus .................................... 104 
1. Khái niệm BUS trong máy tính ............................................................................. 104 
2. Bus hệ thống .......................................................................................................... 105 
2.1. Bus địa chỉ ........................................................................................................ 106 
2.2. Bus dữ liệu ....................................................................................................... 106 
2.3. Định thời hoạt động Ghi/Đọc trong giao tiếp CPU với bộ nhớ ....................... 107 
2.3. Giao tiếp CPU với thiết bị ngoại vi .................................................................. 109 
2.4. Bus điều khiển .................................................................................................. 110 
2.5. Truy nhập trực tiếp bộ nhớ và ngắt .................................................................. 111 
3. Hoạt động của bus ................................................................................................. 113 
3.1. Hoạt động của bus ............................................................................................ 113 
3.2. Kết nối các thiết bị lên bus ............................................................................... 113 
3.3. Phân cấp bus .................................................................................................... 114 
3.4. Các đặc trưng thiết kế bus ................................................................................ 115 
3.4.1. Kiểu bus .................................................................................................... 115 
3.4.2. Điều khiển ................................................................................................. 116 
3.4.3. Chu kỳ bus ................................................................................................ 116 
Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866 182 
Chương VI. Kiến trúc bộ nhớ .......................................................................... 119 
1. Bộ nhớ trong của máy tính .................................................................................... 119 
1.1. Phần tử nhớ, vi mạch nhớ, từ nhớ và dung lượng bộ nhớ ................................ 119 
1.2. Xây dựng bộ nhớ với các chip SRAM ............................................................. 122 
1.2.1. Tổ chức bộ nhớ với DRAM ...................................................................... 123 
1.2.2. Phân loại các chip nhớ ROM, RAM ......................................................... 124 
1.2.3. Tổ chức bộ nhớ vật lý ............................................................................... 125 
2. Vấn đề quản lý bộ nhớ ........................................................................................... 127 
2.1. Chiến lược phân trang (Paging) ....................................................................... 127 
2.2. Chế độ bảo vệ (Protected Mode) và quản lý bộ nhớ trong chế độ bảo vệ ....... 131 
2.2.1. Các mức đặc quyền và luật về quyền truy nhập ....................................... 132 
2.2.2. Quản lý bộ nhớ theo phân đoạn trong chế độ bảo vệ ................................ 133 
2.3. Cơ chế hoạt động đa nhiệm .............................................................................. 142 
2.4. Tổ chức bộ nhớ cache ................................................................................. 143 
2.5. Trường hợp gặp lệnh rẽ nhánh .................................................................... 145 
2.6. Các phương thức đánh địa chỉ cache .......................................................... 145 
2.7. Cache liên hợp và cache ánh xạ trực tiếp .................................................... 148 
3. Bộ nhớ ngoài của máy tính ................................................................................... 154 
3.1. Đĩa từ ................................................................................................................ 155 
3.2. Đĩa quang ......................................................................................................... 155 
3.3. Bộ nhớ Flash .................................................................................................... 155 
Chương VII. Thiết bị ngoại vi của máy tính .................................................. 157 
1. Bàn phím Hex Keyboard ....................................................................................... 159 
2. Ghép nối bàn phím với máy tính ........................................................................... 163 
2.1. Hệ thống bàn phím của máy vi tính ................................................................. 163 
2.2. Quá trình truyền dữ liệu từ bàn phím cho CPU ............................................... 164 
3. Mạch điều khiển và lập trình chỉ thị 7-segments ................................................. 165 
4. Màn hình (Monitor) ............................................................................................... 167 
4.1. Màn hình ống tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube) ....................................... 167 
4.2. Ghép nối màn hình với máy tính...................................................................... 168 
4.3. Bộ điều khiển màn hình CRTC ........................................................................ 169 
Chương VIII. Kỹ thuật và công cụ phát triển phần mềm máy tính ............ 172 
1. Thuật giải và lưu đồ ............................................................................................... 173 
2. Lập trình hợp ngữ (Assemblers) ........................................................................... 174 
3. Chương trình dịch (Compilers) ............................................................................. 176 
4. Liên kết và định vị (Linkers and Locators) ........................................................... 176 
Nguyễn Trung Đồng – Tel 0983 410 866 183 
5. Chương trình thông dịch (Interpreters) ................................................................ 177 
6. Hệ điều hành (Operating Systems) ....................................................................... 177 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 178 
MỤC LỤC ........................................................................................................... 179