Giáo trình cấu trúc máy tính - Nguyễn Hữu Lộc

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑAØ LAÏT F 7 G GIAÙO TRÌNH CẤU TRÚC MÁY TÍNH NGUYEÃN HÖÕU LỘC 2000 Caán Truùc Maùy Tính -2- MUÏC LUÏC Chöông 1: GIÔÙI THIEÄU CHUNG..................................................................................... 5 I. NGOÂN NGÖÕ VAØ MAÙY AÛO, MAÙY TÍNH NHIEÀU CAÁP: ......................................... 5 II. PHAÀN CÖÙNG VAØ PHAÀN MEÀM: ............................................................................. 7 III. LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN MAÙY TÍNH: .................................................................... 8 1. Theá heä khoâng: ........................................................................................................ 8 2. Theá heä thöù nhaát: ..................................................................................................... 9 3. Theá heä thöù hai: ..................................................................................................... 10 4. Theá heä thöù ba: ...................................................................................................... 10 5. Theá heä thöù tö: ....................................................................................................... 11 Chöông 2: CAÁU TRUÙC CHUNG MAÙY TÍNH............................................................... 15 I. CAÙC BOÄ XÖÛ LYÙ....................................................................................................... 15 1. Thöïc hieän leänh ..................................................................................................... 16 2. Toå chöùc CPU ........................................................................................................ 17 3. Thöïc hieän leänh song song: ................................................................................... 18 II- BOÄ NHÔÙ CHÍNH: ................................................................................................... 22 1. Bit.......................................................................................................................... 22 2. Ñòa chæ boä nhôù: ..................................................................................................... 23 3. Traät töï cuûa byte: ................................................................................................... 24 4. Maõ söûa loãi:............................................................................................................ 25 5. Boä nhôù chính trong caùc IBM PC......................................................................... 26 III- CAÙC THIEÁT BÒ LÖU TRÖÕ (BOÄ NHÔÙ PHUÏ): ...................................................... 28 1. Baêng töø: ................................................................................................................ 28 2. Ñóa töø .................................................................................................................... 29 3. Ñóa meàm ............................................................................................................... 32 4. Ñóa quang.............................................................................................................. 33 IV - CAÙC THIEÁT BÒ VAØO / RA .................................................................................. 35 1. Baøn phím: ............................................................................................................. 38 2. Maøn hình:.............................................................................................................. 38 3. Modem:................................................................................................................. 41 4. Chuoät: ................................................................................................................... 45 5. Maùy in :................................................................................................................. 48 6. Ngoõ ra noái tieáp chuaån RS–232–C . ...................................................................... 54 Chöông 3: LÔÙP VAÄT LYÙ ................................................................................................. 57 I. CAÙC CHIP VI XÖÛ LYÙ VAØ CAÙC BUS..................................................................... 57 1. Caùc chip vi xöû lyù: ................................................................................................. 57 2. Caùc bus cuûa maùy tính ........................................................................................... 60 3. Bus ñoàng boä......................................................................................................... 62 4. Bus khoâng ñoàng boä............................................................................................... 65 5. Phaân xöû bus .......................................................................................................... 67 II. THÍ DUÏ VEÀ CHIP VI XÖÛ LYÙ VAØ BUS ................................................................. 71 Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù Caán Truùc Maùy Tính -3- 1. Chip vi xöû lyù 8088 cuûa hoï Intel ........................................................................... 71 2. Thí duï veà bus ........................................................................................................ 74 III. Boä nhôù .................................................................................................................... 76 1. Phaân loaïi boä nhôù baùn daãn .................................................................................... 77 2. Toå chöùc boä nhôù:.................................................................................................... 77 3. Moät soá khaùi nieäm veà boä nhôù khaùc:...................................................................... 79 IV. Giao tieáp................................................................................................................. 81 1. Caùc chip I/O......................................................................................................... 81 2. Giaûi maõ ñòa chæ. ................................................................................................... 82 Chöông 4 LÔÙP VI CHÖÔNG TRÌNH ............................................................................ 85 I. NHAÉC LAÏI LÔÙP VAÄT LYÙ: ...................................................................................... 86 1. Caùc thanh ghi:....................................................................................................... 86 2. Bus noäi:................................................................................................................. 86 II. MOÄT VÍ DUÏ VEÀ VI CHÖÔNG TRÌNH: ................................................................ 88 Chöông 4: LÔÙP VI CHÖÔNG TRÌNH ........................................................................... 90 I. NHAÉC LAÏI LÔÙP VAÄT LYÙ: ...................................................................................... 91 1. Caùc thanh ghi:....................................................................................................... 91 2. Bus noäi:................................................................................................................. 91 II. MOÄT VÍ DUÏ VEÀ VI CHÖÔNG TRÌNH: ................................................................ 93 Chöông 5: LÔÙP MAÙY QUY ÖÔÙC .................................................................................. 95 I. CAÙC THÍ DUÏ VEÀ LÔÙP MAÙY QUI ÖÔÙC: ............................................................... 95 II. CAÙC KHUOÂN DAÏNG LEÄNH ............................................................................... 101 III. KIEÅU ÑÒNH VÒ ÑÒA CHÆ : .................................................................................. 102 1. Ñònh ñòa chæ töùc thôøi: .......................................................................................... 103 2. Ñònh ñòa chæ tröïc tieáp.......................................................................................... 103 3. Ñònh ñòa chæ thanh ghi ........................................................................................ 104 4. Ñònh ñòa chæ giaùn tieáp......................................................................................... 105 5. Ñònh chæ soá .......................................................................................................... 106 6. Ñònh ñòa chæ ngaên xeáp ........................................................................................ 107 III. LUOÀNG ÑIEÀU KHIEÅN........................................................................................ 108 1. Luoàng ñieàu khieån tuaàn töï vaø caùc leänh nhaûy. .................................................... 108 2. Thuû tuïc................................................................................................................ 109 3. Ñoàng thuû tuïc. ...................................................................................................... 109 4. Baãy...................................................................................................................... 110 5. Ngaét .................................................................................................................... 110 Chöông 6: LÔÙP MAÙY HEÄ ÑIEÀU HAØNH ..................................................................... 112 I. BOÄ NHÔÙ AÛO........................................................................................................... 113 II. CAÙC LEÄNH VAØO/RA AÛO .................................................................................... 117 1. Caùc taäp tin tuaàn töï .............................................................................................. 117 2. Caùc taäp tin truy xuaát ngaãu nhieân ....................................................................... 119 3. Hieän thöïc caùc leänh vaøo/ra aûo............................................................................. 120 Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù Caán Truùc Maùy Tính -4- 4. Caùc leänh quaûn lyù thö muïc .................................................................................. 124 III. CAÙC LEÄNH AÛO DUØNG TRONG XÖÛ LYÙ SONG SONG .................................. 125 Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù Caán Truùc Maùy Tính -5- CHÖÔNG 1: GIÔÙI THIEÄU CHUNG Maùy tính soá laø thieát bò coù khaû naêng giaûi caùc baøi toaùn baèng caùch thöïc hieän moät soá leänh höõu haïn. Chöông trình maùy tính goàm moät daõy leänh saép xeáp theo moät trình töï nhaát ñònh ñeå thöïc hieän moät vieäc cho tröôùc. Nhöõng linh kieän ñieän töû trong moãi maùy tính chæ coù theå nhaän bieát vaø thöïc hieän tröïc tieáp moät soá leänh höõu haïn vaø moät chöông trình maùy tính chæ coù theå thöïc hieän treân maùy tính ñoù neáu söû duïng chính soá leänh höõu haïn ñoù. Taäp leänh maø maùy tính thöïc hieän tröïc tieáp taïo ra moät ngoân ngöõ cho pheùp ngöôøi söû duïng trao ñoåi ñöôïc vôùi maùy tính. Ñoù laø ngoân ngöõ maùy. Khi cheá taïo ra moät maùy tính môùi, ngöôøi ta taïo ra caùc leänh, hình thaønh ngoân ngöõ maùy. Thoâng thöôøng ngöôøi ta coù khuynh höôùng choïn caùc leänh naøy caøng ñôn giaûn caøng toát ñeå haïn cheá möùc ñoä phöùc taïp (vaø dó nhieân laø giaù thaønh ) cuûa caùc linh kieän ñieän töû caàn thieát. Khoù khaên laø caùc ngoân ngöõ maùy naøy coøn quaù nguyeân sô neân raát khoù söû duïng. I. NGOÂN NGÖÕ VAØ MAÙY AÛO, MAÙY TÍNH NHIEÀU CAÁP: Coù 2 caùch ñeå giaûi quyeát vaán ñeà naøy. Thöïc teá laø caû hai caùch naøy ñeàu nhaèm ñöa vaøo moät taäp leänh môùi deã söû duïng hôn ngoân ngöõ maùy. Taäp leänh môùi naøy taïo thaønh moät ngoân ngöõ môùi (ngoân ngöõ L2) laø taäp caùc leänh khaùc leänh maùy (ngoân ngöõ L1. ) Caùch thöù nhaát ñeå thöïc hieän chöông trình vieát baèng L2 laø dòch leänh cuûa chöông trình thaønh daõy caùc leänh töông ñöông L1. Maùy tính seõ thöïc hieän chöông trình môùi baèng L1 thay vì L2. Kyõ thuaät naøy goïi laø bieân dòch (compile). Caùch thöù 2 laø töøng leänh cuûa chöông trình vieát baèng L2 seõ ñöôïc thöïc hieän töông öùng vôùi moät daõy caùc leänh L1. Kyõ thuaät naøy khoâng caàn taïo ra toaøn boä moät chöông trình L1 neân goïi laø phieân dòch (interpret). Hai khaùi nieäm bieân dòch vaø phieân dòch môùi ñaàu coù veõ hôi gioáng nhau. Nhìn chung, leänh trong L2 seõ ñöôïc chuyeån thaønh moät daõy leänh trong L1 ñeå thöïc hieän. Song phaûi thaáy raèng trong tröôøng hôïp bieân dòch taát caû chöông trình L2 seõ phaûi dòch sang L1 sau ñoù chöông trình L1 thöïc hieän. Coøn vôùi phieân dòch thì moãi leänh trong chöông trình L2 ñöôïc phaân tích roài thöïc hieän ngay vaø nhö vaäy döôøng nhö khoâng toàn taïi chöông trình dòch. Caû hai caùch ñeàu ñöôïc söû duïng roäng raõi. Vôùi ngoân ngöõ L2 coù theå hình dung ñeán moät maùy tính goïi laø maùy aûo. Ñeå bieân dòch vaø phieân dòch ñöôïc ñôn giaûn, caùc ngoân ngöõ L1 vaø L2 khoâng neân quaù khaùc nhau. Nghóa laø L2, thöôøng hay hôn L1, vaãn khoâng phaûi laø moät ngoân ngöõ laäp trình Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù Caán Truùc Maùy Tính -6- lyù töôûng. Ñieàu naøy coù veõ nhö traùi ngöôïc vôùi yù töôûng ban ñaàu khi taïo ra ngoân ngöõ L2: taïo moät ngoân ngöõ ñôn giaûn vaø deã söû duïng cho con ngöôøi hôn L1 laø ngoân ngöõ cuûa maùy. Nhö vaäy ngöôøi ta laïi ñònh nghóa moät taäp leänh môùi gaàn guó vôùi ngöôøi söû duïng hôn vaø ít phuï thuoäc hôn vaøo maùy tính nhö L2. Nhöõng leänh môùi naøy taïo ra moät ngoân ngöõ L3 nhôø vaäy coù theå vieát caùc chöông trình cho maùy tính aûo duøng ngoân ngöõ L3. Nhöõng chöông trình naøy chaéc chaén seõ ñöôïc dòch ra L2. Ngöôøi ta coù theå taïo ra moät chuoãi caùc ngoân ngöõ, loaïi sau deã söû duïng hôn so vôùi loaïi tröôùc. Moãi ngoân ngöõ môùi döïa vaøo ngoân ngöõ ñaõ coù tröôùc ñoù, do vaäy ngöôøi ta xem maùy tính nhö moät choàng caùc lôùp (caáp) nhö trình baøy trong hình 1.1. Ngoân ngöõ ôû lôùp döôùi ñôn giaûn, caøng leân lôùp treân ngoân ngöõ caøng phöùc taïp. Ña soá caùc maùy tính hieän nay coù ít nhaát 2 caáp. Thöôøng chuùng ta thaáy caùc maùy tính coù 6 caáp. Caáp 0: Lôùp vaät lyù. Ñoù laø phaàn cöùng goàm caùc cöûa logic, caùc coång (caûng) v.v… Chuùng ta seõ ñi saâu vaøo caáp 0 trong giaùo trình naøy. Caáp n Caáp 3 N Caáp 2 Caáp 1 Hình 1.1: Kie Caáp 1: Lôùp vi chöông trình. Khaùc goïi laø vi chöông trình duøng ñeå phieân dòc Nguyeãn Höõu Loäc Maùy aûo Mn, Ngoân ngöõ Ln Maùy aûo M3, Ngoân ngöõ L3 Maùy thöïc M1, goân ngöõ maùy L1 Maùy aûo M2, Ngoân ngöõ L2 án truùc maùy tính nhieàu caáp vôùi caáp 0, trong caáp naøy ta thaáy coù chöông trình h nhöõng leänh ôû caáp 2. Khoa Vaät Lyù Caán Truùc Maùy Tính -7- Caáp 2: Lôùp maùy qui öôùc. Thöôøng ôû lôùp naøy taát caû caùc maùy tính ñeàu coù nhöõng ñieåm gioáng nhau duø chuùng ñöôïc taïo bôûi nhöõng nhaø saûn xuaát khaùc nhau. Caùc nhaø saûn xuaát ñeàu cung caáp keøm theo maùy "Soå tay ngoân ngöõ maùy" trong ñoù coù taäp leänh rieâng cuûa töøng maùy. Caáp 3: Lôùp heä ñieàu haønh. Coù theå xem ñaây laø moät lôùp lai (hybrid). Ngoaøi moät soá caùc leänh ñaõ bieát (coù trong caáp 2 ) trong lôùp naøy coøn xuaát hieän nhieàu leänh ñaëc bieät nhö toå chöùc quaûn lyù boä nhôù, khaû naêng thöïc hieän nhieàu leänh song song v.v… Caáp 4: Lôùp hôïp ngöõ. Duøng nhöõng töø gôïi nhôù ñeå laäp trình do vaäy thuaän tieän hôn. Caáp 5: Lôùp öùng duïng: Duøng ngoân ngöõ caáp cao ñeå laäp trình. Ngöôøi ta coù theå coù caáp 6 hoaëc caáp cao hôn cho nhöõng öùng duïng cuï theå ñöôïc xem laø coâng cuï cho caùc lónh vöïc chuyeân ngaønh. Coù theå thaáy toàn taïi moät khoaûng caùch raát lôùn giöõa caáp 3 vaø caáp 4. Nhöõng nhaø laäp trình heä thoáng thöôøng chuù yù ñeán caùc caáp thaáp (töø caáp 3 trôû xuoáng), trong khi aáy vôùi nhöõng nhaø laäp trình öùng duïng laïi quan taâm ñeán nhöõng caáp cao hôn (töø caáp 4 leân). Ngoân ngöõ söû duïng ôû caáp 1,2,3 laø ngoân ngöõ soá trong khi aáy töø caáp 4 ngöôøi ta söû duïng nhöõng töø, nhöõng chöõ vieát taét deã hieåu hôn vôùi con ngöôøi. Hôn theá phöông phaùp ñeå hoã trôï caùc caáp treân laø khaùc nhau: Caáp 2 vaø 3 thöôøng ñöôïc phieân dòch, coøn caáp 4 vaø 5 thöôøng laø bieân dòch (ñieàu naøy khoâng phaûi luoân ñuùng). II. PHAÀN CÖÙNG VAØ PHAÀN MEÀM: Nhöõng chöông trình vieát baèng ngoân ngöõ maùy ñeàu coù theå thöïc hieän tröïc tieáp baèng caùc maïch ñieän töû maø khoâng caàn phaûi bieân dòch hay phieân dòch. Caùc maïch ñieän töû naøy keát hôïp vôùi caùc phaàn töû cô khí, caùc daây noái goïi chung laø phaàn cöùng. Nhö vaäy phaàn cöùng laø nhöõng gì coù theå sôø thaáy ñöôïc nhö caùc maïch tích hôïp, caùc baûng maïch, daây noái, nguoàn nuoâi, boä nhôù, maùy in, thieát bò ñaàu cuoái v.v… khaùc vôùi nhöõng gì khoâng sôø thaáy ñöôïc nhö caùc yù töôûng tröøu töôïng, caùc thuaät toaùn hoaëc caùc leänh. Nhö vaäy phaàn meàm goàm caùc thuaät toaùn vaø caùch theå hieän chuùng baèng leänh: caùc chöông trình. Nhöõng chöông trình naøy ñöôïc caát giöõ treân nhöõng thieát bò löu tröõ nhö ñóa töø, ñóa quang…. Coù laäp luaän cho raèng phaàn cöùng vaø phaàn meàm töông ñöông vôùi nhau veà maët logic (hardware and software are logically equivalent). Baát kyø moät pheùp toaùn naøo ñoù giaûi ñöôïc baèng phaàn meàm ñeàu coù theå thöïc hieän tröïc tieáp baèng phaàn cöùng vaø baát kyø moät leänh naøo ñoù thi haønh baèng phaàn cöùng ñeàu coù theå moâ phoûng baèng phaàn meàm. Ranh giôùi giöõ phaàn cöùng vaø phaàn meàm thöôøng xuyeân thay ñoåi. Coù nhöõng caùi hoâm nay thöïc hieän baèng phaàn meàm, ngaøy mai laïi thöïc hieän baèng phaàn cöùng vaø ngöôïc laïi. Hôn theá nöõa ngaøy caøng thaáy raèng ranh giôùi giöõ caùc lôùp maùy tính ngaøy caøng khoâng roõ raøng. Song Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù Caán Truùc Maùy Tính -8- vieäc phaân ñònh caùc lôùp giuùp cho ngöôøi laøm vieäc vôùi maùy tính taïi 1 lôùp n naøo ñoù seõ khoâng caàn bieát nhieàu ñeán chi tieát caùc lôùp döôùi. Nhö vaäy vieäc öùng duïng maùy tính ngaøy caøng deã daøng maëc daàu chuùng ngaøy caøng phöùc taïp. III. LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN MAÙY TÍNH: 1. Theá heä khoâng: Nhöõng maùy tính cô vaø ñieän töø (1642-1945) Blaise Pascal (1623-1662) laø ngöôøi coù coâng chính trong vieäc taïo ra maùy laøm toaùn ñaàu tieân, chính vì lyù do naøy maø veà sau Niklaus Wirth ñaõ laáy teân Pascal ñaët cho ngoân ngöõ laäp trình maø oâng ñaõ saùng taïo neân. Naêm 1642 luùc aáy Pascal môùi 19 tuoåi ñaõ taïo ra moät maùy hoaøn toaøn baèng cô khí ñieàu khieån baèng tay vaø thöïc hieän ñöôïc pheùp coäng vaø pheùp tröø . 30 naêm sau, Baron Gottfried von Leibniz (1646-1716) theâm vaøo pheùp nhaân vaø pheùp chia vaø ñoù chính laø tieàn thaân cuûa maùy tính boû tuùi (calculator) ngaøy nay cuûa chuùng ta. Maõi ñeán 150 naêm sau ñoùù Charles Babbage (1792-1871), giaùo sö toaùn taïi Ñaïi hoïc Cambridge, ñaõ thieát keá vaø xaây döïng ñöôïc maùy sai phaân (difference engine). Maùy chæ tính toaùn vôùi moät thuaät toaùn ñôn, phöông phaùp sai phaân höõu haïn söû duïng caùc ña thöùc . Maùy naøy hoaït ñoäng toát tuy vaäy Babagge mong thöïc hieän ñöôïc vôùi nhieàu thuaät toaùn khaùc hôn vaø oâng ñaõ ñeå nhieàu thôøi gian nghieân cöùu taïo ra 1 maùy tính môùi, maùy phaân tích (analytical engine). Maùy naøy goàm boán boä phaän: Quaày baùn haøng (Boä nhôù); coái xaây (Boä tính toaùn), ngoõ vaøo (Boä ñoïc bìa ñuïc loã) vaø ngoõ ra (boä xuyeân bìa hay maùy in). Coái xaây nhaän caùc toaùn haïng töø quaày baùn haøng sau ñoù thöïc hieän coäng, tröø, nhaân, chia vaø chuyeån keát quaû veà quaày baùn haøng. Taát caû ñeàu thöïc hieän baèng cô khí. Caùi môùi trong maùy naøy laø noù ñoïc caùc leänh töø bìa ñuïc loã vaø xöû lyù chuùng. Maùy naøy ñöôïc laäp trình nhôø 1 ngoân ngöõ ñôn giaûn goïi laø hôïp ngöõ. Ada Augusta Lovelace, con gaùi cuûa moät nhaø thô Anh teân Lord Byr