TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH
Máy tính số (Digital computer) là máy giải quyết các vấn đề bằng cách thực hiện
các chỉ thị do con người cung cấp. Chuỗi các chỉ thị này gọi là chương trình (program).
Các mạch điện tử trong một máy tính số sẽ thực hiện một số giới hạn các chỉ thị đơn giản
cho trước. Tập hợp các chỉ thị này gọi là tập lệnh của máy tính.
TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY
TÍNH VÀ HỢP NGỮ
1.1. Giới thiệu
Máy tính số (Digital computer) là máy giải quyết các vấn đề bằng cách thực hiện
các chỉ thị do con người cung cấp. Chuỗi các chỉ thị này gọi là chương trình (program).
Các mạch điện tử trong một máy tính số sẽ thực hiện một số giới hạn các chỉ thị đơn giản
cho trước. Tập hợp các chỉ thị này gọi là tập lệnh của máy tính. Tất cả các chương trình
muốn thực thi đều phải được biến đổi sang tập lệnh trước khi được thi hành. Các lệnh cơ
bản là:
- Cộng 2 số.
- So sánh với 0.
- Di chuyển dữ liệu.
Tập lệnh của máy tính tạo thành một ngôn ngữ giúp con người có thể tác động lên
máy tính, ngôn ngữ này gọi là ngôn ngữ máy (machine language). Tuy nhiên, hầu hết các
ngôn ngữ máy đều đơn giản nên để thực hiện một yêu cầu nào đó, người thiết kế phải
thực hiện một công việc phức tạp. Đó là chuyển các yêu cầu này thành các chỉ thị có chứa
trong tập lệnh của máy. Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách thiết kế một tập lệnh mới
thích hợp cho con người hơn tập lệnh đã cài đặt sẵn trong máy (built-in). Ngôn ngữ máy
sẽ được gọi là ngôn ngữ cấp 1 (L1) và ngôn ngữ vừa được hình thành gọi là ngôn ngữ cấp
2 (L2).
Một phương pháp thực thi chương trình L2 là chuyển một lệnh trong L2 bằng một
chuỗi các lệnh tương đương trong L1. Kết quả là sẽ tạo thành một chương trình L1 và
máy tính sẽ thực hiện chương trình tương đương L1 thay vì thực hiện chương trình L2.
Kỹ thuật này gọi là biên dịch (compile). Cách khác là một lệnh trong chương trình L2 sẽ
được xem như dữ liệu ngõ vào của chương trình L1 và toàn bộ chương trình L2 sẽ được
thực thi tuần tự. Kỹ thuật này gọi là thông dịch (interprete), nó không yêu cầu tạo ra một
chương trình mới trong L1.
Biên dịch và thông dịch đều thực hiện chương trình L2 thông qua tập lệnh trong
chương trình L1. Chúng khác nhau ở chỗ là khi biên dịch thì toàn bộ chương trình L2 sẽ
được chuyển thành chuỗi lệnh L1 rồi sau đó mới được thực thi còn đối với phương pháp
thông dịch thì sẽ thực thi từng lệnh trong L2. Để thuận tiện hơn, ta giả sử tồn tại một máy
tính sử dụng ngôn ngữ máy là L2, ta gọi máy tính này là máy ảo (virtual machine).
Tuy nhiên, trong thực tế, để có thể thực hiện biên dịch và thông dịch , các ngôn
ngữ L1 và L2 không được khác nhau nhiều. Như vậy, ngôn ngữ L2 cũng không thật sự
giúp ích nhiều cho người thiết kế. Do đó, một tập lệnh kế tiếp được hình thành sẽ hướng
về con người nhiều hơn là máy tính, tập lệnh này sẽ tạo thành một ngôn ngữ và ta gọi là
ngôn ngữ L3. Ta có thể viết các chương trình trong L3 như là đã tồn tại máy tính sử dụng
GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 1
Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính
ngôn ngữ L3 (máy ảo L3). Các chương trình này sẽ được dịch sang ngôn ngữ L2 và được
thực thi bằng một chương trình dịch L2.
Việc xây dựng toàn bộ chuỗi các ngôn ngữ, mỗi ngôn ngữ được tạo ra sẽ thích hợp
hơn ngôn ngữ trước đó sẽ có thể tiếp tục cho đến khi nhận được ngôn ngữ thích hợp nhất.
Sơ đồ một máy ảo n cấp có thể biểu diễn như sau:
Cấp n Máy ảo Mn dùng ngôn Chương trình trong Ln được dịch thành
ngữ máy Ln ngôn ngữ của máy cấp thấp hơn
Cấp 3 Máy ảo M3 dùng ngôn Chương trình trong L3 được dịch thành
ngữ máy L3 ngôn ngữ L2 hay L1
Cấ p 2 Máy ảo M2 dùng ngôn Chương trình trong L2 được dịch thành
ngữ máy L2 ngôn ngữ máy L1
Cấp 1 Máy tính số M1 dùng Chương trình trong L1 được thực thi
ngôn ngữ máy L1 trực tiếp bằng các mạch điện tử
Hình 1.1. Máy ảo n cấp
Một máy tính số có n cấp có thể xem như có n-1 máy ảo khác nhau, mổi máy ảo có
một ngôn ngữ máy riêng. Các chương trình viết trên các máy ảo này không thể thực thi
trực tiếp mà phải dịch thành các ngôn ngữ máy cấp thấp hơn. Chỉ có máy thật dùng ngôn
ngữ máy L1 mới có thể thực thi trực tiếp bằng các mạch điện tử. Một lập trình viên sử
dụng máy ảo cấp n không cần biết tất cả các trình dịch này. Chương trình trong máy ảo
cấp n sẽ được thực thi bằng cách dịch thành ngôn ngữ máy cấp thấp hơn và ngôn ngữ máy
này sẽ được dịch thành ngôn ngữ máy thấp hơn nữa hay dịch trực tiếp thành ngôn ngữ
máy L1 và thực thi trực tiếp trên các mạch điện tử.
GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 2
Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính
1.2. Máy nhiều cấp
Hầu hết các máy tính hiện nay gồm có 6 cấp:
Cấp 5 Cấp ngôn ngữ hướng vấn đề
Dịch (chương trình dịch)
Cấp 4 Cấp ngôn ngữ hợp dịch
Dịch (hợp dịch)
Cấp 3 Cấp hệ điều hành
Dịch 1 phần (hệ điều hành)
Cấp 2 Cấp máy quy ước
Thông dịch (vi chương trình)
Cấp 1 Cấp vi lập trình
Vi chương trình (phần
ứ )
Cấp 0 Cấp logic số
Hình 1.2 – Các cấp trên máy tính số
Cấp 0 chính là phần cứng của máy tính. Các mạch điện tử của cấp này sẽ thực thi
các chương trình ngôn ngữ máy của cấp 1. Trong cấp logic số, đối tượng quan tâm là các
cổng logic. Các cổng này được xây dựng từ một nhóm các transistor.
Cấp 1 là cấp ngôn ngữ máy thật sự. Cấp này có một chương trình gọi là vi chương
trình (microprogram), vi chương trình có nhiệm vụ thông dịch các chỉ thị của cấp 2. Hầu
hết các lệnh trong cấp này là di chuyển dữ liệu từ phần này đến phần khác của máy hay
thực hiện việc một số kiểm tra đơn giản.
Mỗi máy cấp 1 có một hay nhiều vi chương trình chạy trên chúng. Mỗi vi chương
trình xác định một ngôn ngữ cấp 2. Các máy cấp 2 đều có nhiều điểm chung ngay cả các
máy cấp 2 của các hãng sản xuất khác nhau. Các lệnh trên máy cấp 2 được thực thi bằng
cách thông dịch bởi vi chương trình mà không phải thực thi trực tiếp bằng phần cứng.
GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 3
Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính
Cấp thứ 3 thường là cấp hỗn hợp. Hầu hết các lệnh trong ngôn ngữ của cấp máy
này cũng có trong ngôn ngữ cấp 2 và đổng thời có thêm một tập lệnh mới, một tổ chức bộ
nhớ khác và khả năng chạy 2 hay nhiều chương trình song song. Các lệnh mới thêm vào
sẽ được thực thi bằng một trình thông dịch chạy trên cấp 2, gọi là hệ điều hành. Nhiều
lệnh cấp 3 được thực thi trực tiếp do vi chương trình và một số lệnh khác được thông dịch
bằng hệ điều hành (do đó, cấp này là cấp hỗn hợp).
Cấp 4 thật sự là dạng tượng trưng cho một trong các ngôn ngữ. Cấp này cung cấp
một phương pháp viết chương trình cho các cấp 1, 2, 3 dễ dàng hơn. Các chương trình
viết bằng hợp ngữ được dịch sang các ngôn ngữ của cấp 1, 2, 3 và sau đó được thông dịch
bằng các máy ảo hay thực tương ứng.
Cấp 5 bao gồm các ngôn ngữ được thiết kế cho người lập trình nhằm giải quyết
một vấn đề cụ thể. Các ngôn ngữ này được gọi là cấp cao. Một số ngôn ngữ cấp cao như
Basic, C, Cobol, Fortran, Lisp, Prolog, Pascal và các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng
như C++, J++, … Các chương trình viết bằng các ngôn ngữ này thường được dịch sang
cấp 3 hay 4 bằng các trình biên dịch (compiler).
1.3. Quá trình phát triển của máy nhiều cấp
Các máy tính đầu tiên trong thập niên 40 chỉ có 2 cấp: cấp máy quy ước và cấp
logic số. Các lập trình viên phải làm việc trên cấp máy quy ước và chương trình được
thực thi trên cấp logic số. Trong thập niên 50, Wikes đề xuất ý tưởng thiết kế máy tính 3
cấp. Máy tính này có một trình thông dịch cài đặt sẵn, không thay đổi, có nhiệm vụ thực
thi các chương trình trong cấp máy quy ước. Như vậy, phần cứng chỉ thực thi các vi
chương trình với số lệnh giới hạn nên các mạch điện tử cũng đơn giản hơn.
Trình dịch hợp ngữ (assembler) và các trình biên dịch cho ngôn ngữ cấp cao
(compiler) phát triển vào những năm 50 tạo điều kiện dễ dàng hơn cho lập trình viên. Tuy
nhiên, vào lúc này, lập trình viên phải tự điều hành máy. Vào những năm 60, việc tự động
hóa công việc điều hành bắt đầu được thực hiện. Một chương trình gọi là hệ điều hành
(operating system) luôn được lưu trữ bên trong máy tính. Lập trình viên cung cấp các thẻ
điều khiển và chương trình, chúng sẽ được đọc và thực thi bằng hệ điều hành.
Trong nhiều năm tiếp theo, hệ điều hành càng trở nên phức tạp. Các lệnh, tiện ích
và đặc trưng mới được thêm vào cấp máy quy ước cho đến khi xuất hiện một cấp mới.
Một số lệnh của cấp mới này giống như cấp máy quy ước nhưng một số lệnh lại hoàn toàn
khác, nhất là các lệnh xuất nhập. Vào những năm đầu thập niên 60, các nghiên cứu ở đại
học Dartmouth, MIT đã phát triển các hệ điều hành cho phép lập trình viên có thể tác
động trực tiếp lên máy tính. Trong các hệ thống này, thiết bị đầu cuối từ xa được nối với
máy tính trung tâm qua các đường điện thoại. Một lập trình viên có thể gõ chương trình
và nhận kết quả trả về tức thời ở bất cứ nơi nào có thiết bị đầu cuối. Các hệ thống này gọi
là hệ thống chia sẻ thời gian (time-sharing system).
2. Phần cứng và phần mềm (Hardware and software)
Các chương trình viết bằng ngôn ngữ máy (cấp 1) được thực thi trực tiếp bằng các
mạch điện tử của máy tính, không có trình thông dịch và biên dịch nào can thiệp vào. Các
mạch điện tử cùng với bộ nhớ và các thành phần xuất / nhập tạo nên phần cứng máy tính.
GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 4
Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính
Phần cứng bao gồm các mạch tích hợp, các board mạch in, cable, nguồn cung cấp, bộ
nhớ, thiết bị đầu cuối, …
Phần mềm bao gồm các giải thuật và các biểu diễn của các giải thuật này gọi là
chương trình. Nó chính là tập hợp các lệnh tạo thành một chương trình, chứ không phải là
các phương tiện vật lý lưu trữ chúng.
Một dạng trung gian giữa phần mềm và phần cứng gọi là phần dẻo (firmware). Nó
chính là thành phần bao gồm phần mềm được đặt vào bên trong các mạch điện tử trong
quá trình sản xuất. Phần dẻo được dùng khi chương trình không thay đổi hay hiếm khi
phải thay đổi như chương trình điều khiển đặt trong ROM BIOS.
Một thao tác bất kỳ thực thi bằng phần mềm có thể được gắn trực tiếp vào phần
cứng và một lệnh bất kỳ thực thi bằng phần cứng cũng có thể được mô phỏng bằng phần
mềm. Quyết định đặt một số chức năng vào phần mềm và các chức năng khác vào phần
cứng dựa trên các yếu tố giá thành, tốc độ, độ tin cậy. Trên nhiều máy tính đầu tiên, phần
cứng và phần mềm được phân biệt rõ ràng. Phần cứng thực hiện vài lệnh đơn giản như
cộng và nhảy, các thủ tục khác phải do lập trình viên tự thiết kế. Sau đó, một số thao tác
thường xuyên thực thi đòi hỏi các nhà thiết kế hướng đến yêu cầu xây dựng các mạch
điện từ thực thi các thao tác này. Kết quả là hình thành xu hướng di chuyển các thao tác
theo hướng từ cấp cao xuống cấp thấp hơn. Một số thao tác trước đây được lập trình ở cấp
máy quy ước, sau đó được chuyển xuống thực thi ở phần cứng.
Tuy nhiên, khi xuất hiện thế hệ máy tính dùng vi lập trình và thế hệ máy tính nhiều
cấp, lại xuất hiện xu hướng ngược lại, nghĩa là di chuyển các thao tác từ cấp thấp lên cấp
cao hơn. Ví dụ như lệnh cộng sẽ được thực hiện trực tiếp bằng phần cứng ở các máy trước
kia. Đối với máy tính được vi lập trình hóa, lệnh cộng của cấp máy quy ước được thông
dịch bằng một vi chương trình chạy trên cấp thấp nhất và được thực thi bằng một chuỗi
các bước nhỏ: tìm lệnh, nạp lệnh, xác định lệnh, định vị dữ liệu, tìm và nạp dữ liệu từ bộ
nhớ, thực thi phép cộng và lưu trữ kết quả.
Một số đặc trưng trước đây được lập trình ở cấp máy quy ước, sau đó được thực
hiện bằng phần cứng hay vi chương trình:
- Các lệnh nhân, chia số nguyên.
- Các lệnh xử lý dấu chấm động.
- Các lệnh gọi thủ tục và quay về từ lệnh gọi thủ tục.
- Các lệnh đếm.
- Các lệnh quản lý chuỗi ký tự.
- Các đặc trưng làm tăng tốc độ tính toán chuỗi: định địa chỉ chỉ số và định địa
chỉ gián tiếp.
- Các đặc trưng cho phép chương trình di chuyển trong bộ nhớ sau khi đã thực
thi (cấp phát lại bộ nhớ).
- Các xung clock cho thủ tục định thời.
- Các ngắt báo hiệu cho máy tính.
GV: Phạm Hùng Kim Khánh Trang 5
Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính
- Khả năng chuyển đổi quá trình.
Như vậy, ta thấy ranh giới giữa phần cứng và phần mềm là không nhất định và
thường xuyên thay đổi. Theo quan điểm của lập trình viên, cách thức thực thi một lệnh là
không quan trọng, ngoại trừ tốc độ thực thi. Như vậy, phần cứng của người này có thể là
phần mềm của người kia.Từ đó dẫn đến ý tưởng thiết kế máy tính có cấu trúc (structured
computer). Đó là cấu trúc một máy tính thành một chuỗi các cấp, lập trình viên làm việc
trên cấp n không quan tâm đến các cấp khác.
3. Tổ chức hệ thống máy tính
3.1. Cấu trúc một hệ thống máy tính
Bộ nhớ trong
ROM RAM
Bus hệ thống
CPU
Giao tiếp Giao tiếp
nhập xuất
Thiết bị nhập: Thiết bị xuất:
- Bàn phím - Màn hình
- Chuột - Máy in
- Scanner - Máy vẽ
- Ổ đĩa … - Ổ đĩa …
Thiết bị ngoại
i
Hình 1.3 – Sơ đồ khối một hệ thống máy tính
Sơ đồ khối của một hệ thống máy vi tính có thể mô tả như hình vẽ. Nó bao gồm
các khối:
GV:
Phạm
Hùng
Kim Khánh
Trang 6
Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính
- Khối xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit): nhận và thực thi
các lệnh. Bên trong CPU gồm các mạch điều khiển logic, mạch tính toán số
học, …
- Bộ nhớ (Memory): lưu trữ các lệnh và dữ liệu. Nó bao gồm 2 loại: bộ nhớ
trong và bộ nhớ ngoài. Bộ nhớ thường được chia thành các ô nhớ nhỏ. Mỗi
ô nhớ được gán một địa chỉ để CPU có thể định vị khi cần đọc hay ghi dữ
liệu.
- Thiết bị ngoại vi (Input / Output): dùng để nhập hay xuất dữ liệu. Bàn
phím, chuột, scanner, … thuộc thiết bị nhập; màn hình, máy in, … thuộc
thiết bị xuất. Các ổ đĩa thuộc bộ nhớ ngoài cũng có thể coi vừa là thiết bị
xuất vừa là thiết bị nhập. Các thiết bị ngoại vi liên hệ với CPU qua các
mạch giao tiếp I/O (I/O interface)/
- Bus hệ thống: tập hợp các đường dây để CPU có thể liên kết với các bộ
phận khác.
3.2. Hoạt động của máy tính
Màn hình
Card màn
hình
Giao tiếp Máy in
song song
RAM CPU
Giao tiếp Modem
nối tiếp
Card PC
mạng
Điều
khiển Bàn phím
ổ đĩa
Đĩa mềm Đĩa cứng
Hình 1.4 – Sơ đồ khối một PC với các thiết bị ngoại vi
GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 7
Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính
CPU được nối với các thành phần khác bằng bus hệ thống nghĩa là sẽ có nhiều
thiết bị cùng dùng chung một hệ thống dây dẫn để trao đổi dữ liệu. Do đó, để hệ thống
không bị xung đột, CPU phải xử lý sao cho trong một thời điểm, chỉ có một thiết bị hay ô
nhớ đã chỉ định mới có thể chiếm dụng bus hệ thống. Do mục đích này, bus hệ thống bao
gồm 3 loại:
- Bus dữ liệu (data bus): truyền tải dữ liệu
- Bus địa chỉ (address bus): chọn ô nhớ hay thiết bị ngoại vi
- Bus điều khiển (control bus): hỗ trợ trao đổi thông tin trạng thái như phân
biệt CPU phải truy xuất bộ nhớ hay ngoại vị, thao tác xử lý là đọc/ghi, …
CPU phát tín hiệu địa chỉ của thiết bị lên bus địa chỉ. Tín hiệu này được dưa vào
mạch giải mã địa chỉ chọn thiết bị. Bộ giải mã sẽ phát ra chỉ một tín hiệu chọn chip đúng
sẽ cho phép mở bộ đệm của thiết bị cần thiết, dữ liệu lúc này sẽ được trao đổi giữa CPU
và thiết bị. Trong quá trình này, các tín hiệu điều khiển cũng được phát trên control bus để
xác định mục đích của quá trình truy xuất.
3.3. Các chip hỗ trợ
3.3.1. Mạch tạo xung clock 8284
Mạch tạo xung clock dùng để cung cấp xung clock cho CPU.
1 18
CSYNC VCC
2 17
3 PCLK X1 16
4 AEN1 X2 15
5 RDY1 ASYNC 14
6 READY EFI 13
7 RD2 F/C 12
AEN2 OSC 11
8
9 CLK RES 10
GND RESET
8284
Hình 1.5 – Mạch tạo xung clock 8284
CSYNC (Clock Synchronisation): ngõ vào xung đồng bộ chung khi hệ thống có
các 8284 dùng dao động ngoài tại chân EFI. Khi dùng mạch dao động trong thì phải n ối
GND.
PCLK (Peripheral Clock): xung clock f = f /6 (f là tần số thạch anh) với chu kỳ
X X
bổn phận 50%.
AEN 1 , AEN 2 (Address Enable): cho phép chọn các chân tương ứng RDY1,
RDY2 báo hiệu trạng thái sẵn sàng của bộ nhớ hay thiết bị ngoại vi.
RDY1, RDY2 (Bus ready): kết hợp với AEN1, AEN2 tạo các chu kỳ đợi ở CPU
GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Trang 8
Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính
READY: nối đến chân READY của µP.
CLK (Clock): xung clock f = f /3, nối với chân CLK của CPU.
X
RESET: nối với chân RESET của CPU, là tín hiệu khởi động lại toàn hệ thống.
RES (Reset Input): chân khởi động cho 8284, được nối với mạch RC để tự khởi
động khi bật nguồn.
OSC: ngõ ra xung clock có tần số f . X
F/C (Frequency / Crystal): chọn nguồn tín hiệu chuẩn cho 8284, nếu ở mức cao
thì chọn tần số xung clock bên ngoài, ngược lại thì dùng xung clock từ thạch anh.
EFI (External Frequency Input): xung clock từ bộ dao động ngoài.
ASYNC : chọn chế độ làm việc cho tín hiệu RDY. Nếu ASYNC = 1, tín hiệu
RDY có ảnh hưởng đến tín hiệu READY cho đến khi có xung âm của xung clock. Ngược
lại thì RDY chỉ ảnh hưởng khi xuất hiện xung âm.
X1,X2: ngõ vào của thạch anh, dùng để tạo xung chuẩn cho hệ thống.
18 1
VCC CSYNC
17 2
16
X1 PCLK
3
15
X2 AEN1
4
14 ASYNC RDY1 5
13 EFI READY 6
12
F/C RD2
7
11
OSC AEN2
8
10 RES CLK 9
RESET GND
Vcc
8284
+
GV: Phạm Hùng Kim Khánh
Hình 1.6 – Mạch
khởi động cho
8284
Trang 9
Tài liệu Cấu trúc máy tính & Hợp ngữ Tổng quan về hệ thống máy tính
3.3.2. Mạch định thời PIT – 8253 / 8254 (Programmable Interval
Timer)
OUT010
19A0
20A1 OUT113
11G0 OUT217
14G1 D08
16G2 D17
9 CLK0 D26
D35
15 CLK1 D44
18 CLK2 D53
22RD D62
D71
23WR
21CS
8253
Hình 1.7 – Sơ đồ chân
của PIT 8253
D7 ÷ D0 Đệm
dữ liệu B
đế
RD Điều
WR khiển B
A1 đọc/ghi
A0 đế
1
CS
Thanh
ghi từ
điều
khiển B
