(NB) Giáo trình Kiến trúc máy tính trang bị cho học viên các trường công nhân kỹ thuật và các trung tâm dạy nghề những kiến thức về Kiến trúc máy tính. Với các kiến thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như đời sống. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung phần 1 giáo trình.
QUAN
Thông tin và sự mã hóa thông tin
KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ
Thành phần cơ bản của máy tính
Chương 3: Tổ chức bộ xử lý
3 Diễn tiến thi hành lệnh mã máy
6 Ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng
3 Cách truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ
4 Hiểu về bộ nhớ Cache và cách tổ chức
Chương 5: Thiết bị nhập xuất
6 An toàn dữ liệu trong lưu trữ
4 Ngăn xếp và các thủ tục
Thi kết thúc môn học 1 1
Lịch sử phát triển của máy tính trải qua nhiều giai đoạn với các thế hệ khác nhau, từ máy tính đầu tiên đến các thiết bị hiện đại ngày nay Các máy tính được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí như kích thước, công suất và mục đích sử dụng Bên cạnh đó, các hệ thống số cũng có những biến đổi cơ bản, với nhiều bảng mã thông dụng được áp dụng để biểu diễn các ký tự, giúp việc xử lý và truyền tải thông tin trở nên hiệu quả hơn.
- Trình bày được lịch sử phát triển của máy tính
- Trình bày được các thành phần cơ bản của một máy vi tính
- Biết được các thành tựu của máy tính
- Trình bày được kh ái niệm về t hôn g t in
- Nắm được các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự
1 Các thế hệ máy tính
- Giới thiệu lịch sử phát triển của máy tính
- Trình bày được các thế hệ máy tính
Sự phát triển của máy tính được xác định qua tiến bộ trong công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản như bộ xử lý, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi Máy tính điện tử số đã trải qua bốn thế hệ khác nhau, với mỗi lần chuyển giao giữa các thế hệ được đặc trưng bởi những thay đổi công nghệ cơ bản.
Hình 1- 1 Thế hệ đầu tiên (1946-1957)
ENIAC, or Electronic Numerical Integrator and Computer, was the first electronic digital computer designed by Professor Mauchly and his student Eckert at the University of Pennsylvania in 1945.
ENIAC, được phát triển từ năm 1943 và hoàn thành vào năm 1946, là một trong những máy tính khổng lồ đầu tiên với kích thước dài 20 mét, cao 2,8 mét và rộng vài mét Máy tính này bao gồm 18.000 đèn điện tử và 1.500 công tắc tự động, nặng 30 tấn và tiêu thụ 140KW giờ ENIAC có 20 thanh ghi 10 bit, cho phép thực hiện 5.000 phép toán cộng mỗi giây Việc lập trình cho ENIAC được thực hiện thủ công thông qua việc đấu nối các đầu cắm điện và sử dụng các ngắt điện.
Giáo sư toán học John Von Neumann đã phát triển ý tưởng thiết kế máy tính IAS tại Viện Nghiên cứu Cao cấp Princeton, trong đó chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ Bộ điều khiển lấy lệnh và biến đổi giá trị dữ liệu trong bộ nhớ, trong khi bộ làm toán và logic (ALU) thực hiện các phép toán trên dữ liệu nhị phân và điều khiển hoạt động của thiết bị vào ra Ý tưởng này đã trở thành nền tảng cho các máy tính hiện đại, được biết đến với tên gọi máy tính Von Neumann.
Vào những năm 1950, thị trường chứng kiến sự ra đời của những máy tính thương mại đầu tiên, trong đó 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 đã được bán ra.
Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947, đánh dấu sự chuyển mình của thế hệ thứ hai của máy tính với việc thay thế đèn điện tử bằng transistor lưỡng cực Đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại sử dụng transistor mới xuất hiện, giúp giảm kích thước, chi phí và tiêu thụ năng lượng Thời kỳ này cũng chứng kiến sự ra đời của mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ, cùng với sự phát triển của ngôn ngữ lập trình cấp cao như FORTRAN (1956), COBOL (1959) và ALGOL (1960) Hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing) được áp dụng, cho phép chạy chương trình của người dùng theo thứ tự lần lượt.
The third generation of technology is characterized by the emergence of integrated circuits (ICs) Low-density integration circuits (SSI: Small Scale Integration) can accommodate dozens of components, while medium-density integration circuits (MSI: Medium Scale Integration) can house hundreds of components on a single integrated circuit.
Mạch in nhiều lớp đã ra đời, dẫn đến việc bộ nhớ bán dẫn dần thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ Đồng thời, máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian cũng được áp dụng rộng rãi.
Thế hệ thứ tư của công nghệ vi mạch được đặc trưng bởi sự phát triển của các IC có mật độ tích hợp cao, như LSI (Large Scale Integration), cho phép chứa hàng ngàn linh kiện Đặc biệt, các IC VLSI (Very Large Scale Integration) hiện nay có khả năng tích hợp hơn 10.000 linh kiện trên một mạch, và nhiều chip VLSI hiện tại còn chứa tới hàng triệu linh kiện.
Sự ra đời của bộ vi xử lý đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của máy tính cá nhân Bộ vi xử lý tích hợp cả phần thực hiện và phần điều khiển của một bộ xử lý, cho phép máy tính trở nên nhỏ gọn và mạnh mẽ hơn Sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã dẫn đến việc chế tạo các máy vi tính và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân Các công nghệ bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache và bộ nhớ ảo cũng được ứng dụng rộng rãi Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý của máy tính cũng không ngừng được phát triển, bao gồm kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng và xử lý song song mức độ cao.
Việc chuyển giao từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ năm của máy tính vẫn còn nhiều điều chưa rõ ràng Nhật Bản đang dẫn đầu trong nghiên cứu phát triển thế hệ máy tính thông minh, sử dụng ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG, cùng với các giao diện người-máy tiên tiến Đến nay, các nghiên cứu đã cho ra mắt những sản phẩm đầu tiên, trong đó nổi bật nhất là ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility), một robot thông minh gần giống con người, được giới thiệu vào năm 2004.
Mobility: Bước chân tiên tiến của đổi mới và chuyển động ASIMO, với hàng trăm nghìn máy móc điện tử tối tân, có khả năng lên/xuống cầu thang một cách uyển chuyển, nhận diện người và các cử chỉ hành động, cũng như giọng nói để đáp ứng mệnh lệnh của con người Nó còn có thể bắt chước cử động, gọi tên người và cung cấp thông tin ngay khi được hỏi, thể hiện sự gần gũi và thân thiện Hiện nay, ASIMO được nhiều công ty và viện nghiên cứu tại Nhật Bản thuê để tiếp khách và hướng dẫn tham quan, như Viện Bảo tàng Khoa học Năng lượng và Đổi mới Quốc gia, hãng IBM Nhật Bản và Công ty Điện lực Tokyo.
Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý chuyển 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, từ 8 bit đến 64 bit, với sự xuất hiện của các bộ xử lý RISC vào năm 1980, đã mở ra kỷ nguyên mới trong công nghệ vi xử lý.
Năm 1986, sự phát triển của các bộ xử lý siêu vô hướng vào năm 1990 đã mở ra khả năng cho các máy tính hoạt động song song, từ vài bộ xử lý đến hàng ngàn bộ xử lý Điều này khiến các chuyên gia kiến trúc máy tính dự đoán rằng thế hệ thứ 5 sẽ là thế hệ của các máy tính xử lý song song.
Bảng 1-1 Các thế hệ máy tính
Năm Kỹ thuật Sản phẩm mới
Hãng sản xuất và máy tính
1 1946-1957 Đèn điện tử Máy tính điện tử tung ra thị trường
2 1958-1964 Transistors Máy tính rẻ tiền
Intel,Burroughs 6500, NCR, CDC 6600, Honeywell
3 1965-1971 Mach IC Máy tính mini 50 hãng mới: DEC PDP-11,
4 1972 LSI - VLSI Máy tính cá nhân và trạm làm việc
Apple II, IBM-PC, Appolo
Máy tính đa xử lý Đa máy tính
Sequent … Thinking Machine Inc Honda, Casio
- 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):
Toán hạng
TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ
Kỹ thuật ống dẫn (PIPELINE)
6 Ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng
3 Cách truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ
4 Hiểu về bộ nhớ Cache và cách tổ chức
Chương 5: Thiết bị nhập xuất
6 An toàn dữ liệu trong lưu trữ
4 Ngăn xếp và các thủ tục
Thi kết thúc môn học 1 1
Lịch sử phát triển của máy tính bắt đầu từ những năm 1940 với các thế hệ máy tính đầu tiên, từ máy tính điện tử đến máy tính cá nhân hiện đại Máy tính được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm máy tính siêu nhỏ, máy tính xách tay và máy chủ Hệ thống số có những biến đổi cơ bản như chuyển đổi giữa hệ nhị phân, thập phân và thập lục phân, cùng với các bảng mã thông dụng như ASCII và Unicode, giúp biểu diễn các ký tự một cách hiệu quả.
- Trình bày được lịch sử phát triển của máy tính
- Trình bày được các thành phần cơ bản của một máy vi tính
- Biết được các thành tựu của máy tính
- Trình bày được kh ái niệm về t hôn g t in
- Nắm được các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự
1 Các thế hệ máy tính
- Giới thiệu lịch sử phát triển của máy tính
- Trình bày được các thế hệ máy tính
Sự phát triển của máy tính được thể hiện qua tiến bộ trong công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản như bộ xử lý, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi Máy tính điện tử số đã trải qua bốn thế hệ liên tiếp, mỗi thế hệ đánh dấu một sự chuyển biến công nghệ quan trọng từ thế hệ trước sang thế hệ sau.
Hình 1- 1 Thế hệ đầu tiên (1946-1957)
ENIAC, or Electronic Numerical Integrator and Computer, was the first electronic digital computer, designed by Professor Mauchly and his student Eckert at the University of Pennsylvania in the year.
ENIAC, được hoàn thành vào năm 1946, là một trong những máy tính đầu tiên và lớn nhất với kích thước 20 mét chiều dài, 2,8 mét chiều cao và trọng lượng 30 tấn Máy tính này sử dụng 18.000 đèn điện tử và 1.500 công tắc tự động, tiêu thụ 140KW giờ ENIAC có 20 thanh ghi 10 bit và khả năng thực hiện 5.000 phép toán cộng mỗi giây Việc lập trình được thực hiện thủ công thông qua việc kết nối các đầu cắm điện và sử dụng các ngắt điện.
Giáo sư toán học John Von Neumann đã phát triển ý tưởng thiết kế máy tính IAS tại Viện Nghiên cứu Cao cấp Princeton, trong đó chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ Bộ điều khiển có nhiệm vụ lấy lệnh và biến đổi giá trị dữ liệu, trong khi bộ làm toán và logic (ALU) thực hiện các phép toán trên dữ liệu nhị phân và điều khiển hoạt động của thiết bị vào ra Ý tưởng này đã trở thành nền tảng cho các máy tính hiện đại, và máy tính này thường được gọi là máy tính Von Neumann.
Vào đầu những năm 50, thị trường máy tính thương mại bắt đầu phát triển với sự ra mắt của 48 hệ máy UNIVAC I và 19 hệ máy IBM 701 được bán ra.
Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947, đánh dấu sự chuyển mình của thế hệ thứ hai của máy tính với việc thay thế đèn điện tử bằng transistor lưỡng cực Đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại sử dụng transistor mới được giới thiệu, giúp giảm kích thước, giảm chi phí và tiết kiệm năng lượng Thời điểm này, mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ đã được áp dụng Ngôn ngữ lập trình cấp cao như FORTRAN (1956), COBOL (1959), và ALGOL (1960) ra đời, cùng với hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing), trong đó các chương trình của người dùng được chạy theo thứ tự lần lượt.
The third generation of technology is characterized by the emergence of integrated circuits (ICs) Low-density integrated circuits (SSI: Small Scale Integration) can accommodate dozens of components, while medium-density integrated circuits (MSI: Medium Scale Integration) can contain hundreds of components on a single chip.
Mạch in nhiều lớp đã xuất hiện, dẫn đến việc bộ nhớ bán dẫn dần thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ Đồng thời, máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian cũng được áp dụng rộng rãi.
Thế hệ thứ tư của công nghệ vi mạch được đặc trưng bởi các mạch tích hợp có mật độ cao, như LSI (Large Scale Integration) với khả năng chứa hàng ngàn linh kiện Đặc biệt, các IC VLSI (Very Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10.000 linh kiện, và hiện nay, các chip VLSI đã đạt đến khả năng chứa hàng triệu linh kiện.
Sự xuất hiện của bộ vi xử lý tích hợp cả phần thực hiện và điều khiển đã thúc đẩy sự phát triển công nghệ bán dẫn, tạo ra các thế hệ máy tính cá nhân Các loại bộ nhớ như bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache và bộ nhớ ảo trở nên phổ biến Đồng thời, các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý như kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng và xử lý song song cấp cao cũng liên tục được phát triển.
Việc chuyển đổi từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ năm của máy tính vẫn chưa rõ ràng, nhưng Nhật Bản đang dẫn đầu trong nghiên cứu để phát triển thế hệ máy tính thông minh, sử dụng các ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG cùng với giao diện người-máy thông minh Đến nay, các nghiên cứu đã cho ra những sản phẩm đầu tiên, trong đó sản phẩm mới nhất vào năm 2004 là ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility), robot thông minh gần giống với con người nhất.
ASIMO, một bước tiến tiên tiến trong công nghệ di động, được trang bị hàng trăm nghìn máy móc điện tử, cho phép nó di chuyển linh hoạt lên xuống cầu thang, nhận diện người và cử chỉ, cũng như phản ứng với giọng nói và mệnh lệnh của con người Với khả năng bắt chước cử động, gọi tên người và cung cấp thông tin một cách thân thiện, ASIMO đã trở thành sự lựa chọn của nhiều công ty và viện nghiên cứu tại Nhật Bản, như Viện Bảo tàng Khoa học Năng lượng và Đổi mới Quốc gia, IBM Nhật Bản và Công ty Điện lực Tokyo, để tiếp đón và hướng dẫn khách tham quan.
Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý chuyển động bằng hai chân Cho tới nay, hãng đã chế tạo được 50 robot ASIMO.
Sự tiến bộ liên tục trong mật độ tích hợp VLSI đã dẫn đến việc phát triển các vi mạch vi xử lý ngày càng mạnh mẽ, bao gồm các loại 8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit, đặc biệt với sự ra đời của các bộ xử lý RISC.
Vào năm 1986, sự phát triển của các bộ xử lý siêu vô hướng vào những năm 1990 đã mở ra khả năng cho các hệ thống máy tính song song, với số lượng bộ xử lý từ vài đến hàng ngàn Sự tiến bộ này đã khiến các chuyên gia kiến trúc máy tính dự đoán rằng thế hệ thứ 5 sẽ là thời kỳ của các máy tính xử lý song song.
Bảng 1-1 Các thế hệ máy tính
Năm Kỹ thuật Sản phẩm mới
Hãng sản xuất và máy tính
1 1946-1957 Đèn điện tử Máy tính điện tử tung ra thị trường
2 1958-1964 Transistors Máy tính rẻ tiền
Intel,Burroughs 6500, NCR, CDC 6600, Honeywell
3 1965-1971 Mach IC Máy tính mini 50 hãng mới: DEC PDP-11,
4 1972 LSI - VLSI Máy tính cá nhân và trạm làm việc
Apple II, IBM-PC, Appolo
Máy tính đa xử lý Đa máy tính
Sequent … Thinking Machine Inc Honda, Casio
- 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):
