Nguyên lý họat động của máy tính A.Cấu trúc máy tính : Về cơ bản tất cả các hệ thống máy tính đều có các bộ phận cơ bản sau : - CPU : Bộ xử lý trung tâm - Bộ nhớ trong : ROM& RAM - Bộ nhớ ngoài : Backing Storage - Các thiết bị nhập :Input Unit - Các thiết bị xuất : Output Unit
1. Bộ xử lý trung tâm : CPU:
Đây là bộ não của máy tính , nó thực hiện hầu hết các phép toán số học và logic CPU được chia làm các bộ phận sau : a, Khối xử lý các phép toán số học và logic [ Athimetic Logic Unit ] : ALU - Thực hiện các phép toán số học : +, - , x , : .... - Thực hiện các phép toán so sánh : > , < ,≥, ≤ , #,=.... -Thực hiện các phép toán login : and , or , xor , not ... b, Khối điều khiển : [Control Unit ] : CU Khối này có chức năng thực hiện tuần tự các phép tính : VD : Cho X=2, Y= 5 , X= X+Y , Y=X.Y, X=X+Y Theo các bạn KQ là gì ? X=42, Y=352.Bộ nhớ trong [ROM&RAM]
Được chia làm các ô nhớ hình mắt lưới .Mỗi ô nhớ có dung lượng 1 byte và được dùng để lưu trữ 1 ký tự . Bô nhớ trong được chia làm 2 loại như sau : a, Bộ nhớ chỉ đọc : ROM Đây là bộ nhớ được các nhà sản xuất máy tính thiết lập ra .Người sử dụng chỉ có thể sử dụng dữ liệu trong bộ nhớ này chứ không thể thay đổi được dữ liệu trong nó .Khi tắt máy hoặc mất điện dữ liệu trong ROM không bị mất điVD: Bios ROM Basic Input Output System Read Only Memmory ] :Bộ nhớ chỉ đọc điều khiển các thiết bị vào ra cơ bản của hệ thống máy tính .
b,Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM: Người sử dụng có thể hoàn toàn thay đổi được dữ liệu bên trong bộ nhớ này nhưng khi mất điện hoặc tắt máy dữ liệu trong RAM sẽ bị mất đi .3.Bộ nhớ ngoài :
4.Các thiết bị nhập :
Là những thiết bị dùng để nhập dữ liệ vào máy tính . VD : Key , Mouse, Webcam,...5.Các thiết bị xuất : Là các thiết bị dùng để xuất dữ liệu ra ngoài sau khi đã đựợc xử lý :
VD : Màn hình, Máy in , ....
Năm 1946, nhà toán học Mỹ Von Neumann [1903 - 1957] đã đề ra mộtnguyên lý máy tính hoạt động theo một chương trình được lưu trữ và truy nhậptheo địa chỉ. Nguyên lý này được trình bày ở một bài báo nổi tiếng nhan đề: “Thảoluận sơ bộ về thiết kế logic của máy tính điện tử”. Nội dung nguyên lý VonNeumann gồm:[i] Máy tính có thể hoạt động theo một chương trình đã được lưu trữTheo Von Neumann, chúng ta có thể tập hợp các lệnh cho máy thi hành theomột chương trình được thiết kế và coi đó như một tập dữ liệu. Dữ liệu này được càivào trong máy và được truyền bằng xung điện. Ðây là một cuộc cách mạng mớicho máy tính nhằm tăng tốc độ tính toán vào thời đó vì trước kia máy chỉ có thểnhận được các lệnh từ băng giấy hoặc bìa đục lỗ và nạp vào bằng tay. Nếu gặp bàitoán lặp lại nhiều lần thì cũng tiếp tục bằng cách nạp lại một cách thủ công nhưvậy gây hạn chế trong tính toán sử dụng.[ii]Bộ nhớ được địa chỉ hóaMỗi dữ liệu đều có một địa chỉ của vùng nhớ chứa số liệu đó. Như vậy đểtruy nhập dữ liệu ta chỉ cần xác định địa chỉ của nó trên bộ nhớ.[iii] Bộ đếm của chương trìnhNếu mỗi câu lệnh phải dùng một vùng nhớ để chứa địa chỉ của câu lệnh tiếptheo thì không gian bộ nhớ sẽ bị thu hẹp. Ðể khắc phục hạn chế này, máy được gắnmột thanh ghi để chỉ ra vị trí của lệnh tiếp theo cần được thực hiện và nội dung củanó tự động được tăng lên mỗi lần lệnh được truy cập. Muốn đổi thứ tự lệnh ta chỉcần thay đổi nội dung thanh ghi bằng một địa chỉ của lệnh cần được thực hiện tiếp.4 Bài 2: TỔ CHỨC CỦA MÁY TÍNH2.1 Kiến trúc chung của máy tínhKể từ khi ra đời cho đến nay, kiến trúc cơ sở của các máy vi tính ngày naykhông thay đổi nhiều. Mọi máy tính số đều được hình thành từ các thành phầnchính sau: bộ xử lý trung tâm [CPU: Central Processing Unit], bộ nhớ trong, bộphận Vào/Ra thông tin. Các bộ phận trên được kết nối với nhau thông qua các hệthống Bus. Hệ thống Bus bao gồm: bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Busđịa chỉ và bus dữ liệu dùng trong việc chuyển dữ liệu giữa các bộ phận trong máytính. 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 giữaCPU và bộ nhớ trong [thông qua cache], và một bus Vào/Ra dùng trao đổi thôngtin giữa các bộ phận Vào/Ra và bộ nhớ trong. Một chương trình sẽ được sao chéptừ đĩa cứng vào bộ nhớ trong cùng với các thông tin cần thiết cho chương trìnhhoạt động, các thông tin này được nạp vào bộ nhớ trong từ các bộ phận các thiết bịvào dữ liệu [ví dụ như một bàn phím hay một đĩa từ]. Bộ xử lý trung tâm sẽ đọccác lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, thực hiện các lệnh và lưu các kết quả trở lại bộ nhớtrong hay cho xuất kết quả ra bộ phận xuất thông tin [màn hình hay máy in].Data BusControl BusBộ xử lýtrungtâm[CPU]Bộ nhớ trong[Memory]ROM-RAMBộ nhớngoài[Mass storeUnit]Phối ghépvào/ra[I/O]Thiết bị vào[Input Unit]Thiết bị ra[OutputUnit]AdrressBus5 Hình 2.1: Kiến trúc chung của máy tínhThành 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 nhấtđịnh và chứa một thông tin được mã hoá thành số nhị phân mà không quan tâmđến 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 ônhớ bất kỳ trong bộ nhớ là như nhau. Vì vậy, bộ nhớ trong còn được gọi là bộ nhớtruy cập ngẫu nhiên [RAM - Random Access Memory]. Độ dài của một từ máytính [computer word] là 32 bit [hay 4 byte], tuy nhiên dung lượng một ô nhớ thôngthường là 8 bit [1 Byte].Bộ xử lý trung tâm [CPU - Central Processing Unit]: Đây là bộ phận thihành lệnh của máy tính, CPU lấy lệnh và lấy các số liệu mà lệnh đó xử lý từ bộnhớ trong để tiến hành xử lý. Bộ xử lý trung tâm gồm có hai phần: phần thi hànhlệnh 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 toántrên số liệu. Phần điều khiển có nhiệm vụ đảm bảo thi hành các lệnh một cách tuầntự và tác động các mạch chức năng để thi hành các lệnh.Hình 2.2 : Sơ đồ hoạt động của máy tính PC6 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 máytính với môi trường [như là các hệ thống khác trọng mạng máy tính, ...]. Các bộphận 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. Sựphát triển không ngừng của các thế hệ máy tính nhờ vào hai yếu tố quan trọng, đólà 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 tínhCác đơn vị chức năng và mối quan hệ của chúng có thể được minh họa bằnghình 2.3 dưới đây [Các đường vẽ bằng nét đứt chỉ mối quan hệ điều khiển. Cácđường vẽ bằng nét liền là các con đường truyền dữ liệu]. Có thể mô tả sự hoạtđộng 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 đầutiên 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 mộtsố toán hạng thì nó sẽ xác định xem toán hạng đó nằm ở đâu trong bộ nhớ, việcnày thường được gọi là tính địa chỉ các toán hạng. Toán hạng là thành phần thamgia phép tính cơ bản. Ví dụ như một phép cộng có thể có hai toán hạng là hai sốhạng tham gia phép cộng. Còn khi cộng một dãy hơn hai số hạng thì phải thực hiệntheo 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 cácthành phần cần thiết của hệ thống để lấy các toán hạng về, đặt vào các thanh ghibên trong đơn vị tính toán ALU. CU phát tín hiệu điều khiển tới ALU để ALUthực hiện phép toán trên các toán hạng đã lấy về. Kết quả phép toán có thể được đểtrong 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 mãvà thấy rằng, mã lệnh cho biết cần tiến hành rẽ nhánh chương trình, nó sẽ tính địa7 chỉ bộ nhớ của lệnh kế tiếp cần thực hiện và phát ra các tín hiệu điều khiển để lấylệnh 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 sẽphát ra tín hiệu điều khiển để lấy về lệnh ngay sau nó trong bộ nhớ, sau đó mọiviệc 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 tínhQuan hệ giữa bộ nhớ trong và ALU là quan hệ 2 hướng, tức là số liệu saukhi đã được đưa vào xử lý trong ALU theo đúng ý muốn của người lập chươngtrình sẽ lại được đưa ra bộ nhớ trong để sau đó khi có lệnh từ CU số liệu này có thểđược đưa ra thiết bị ra.Qua mối quan hệ nêu trên ta thấy rằng, CU, ALU và Bộ nhớ trong tham giatrực tiếp vào quá trình xử lý số liệu, chính vì vậy mà chúng còn được gọi là Đơn vịxử lý trung tâm - CPU.Tập hợp các thiết bị vào và thiết bị ra thường được gọi bằng một cái tênchung 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 củathiết bị vào, khi thì đóng vai trò của thiết bị ra ví dụ như đĩa cứng, đĩa CD. Thông8