Bài giảng Tin học cơ sở - Chương 3: Các thành phần của đơn vị hệ thống - Trương Vĩnh Trường Duy

1TIN HỌC CƠ SỞ Chương 3: Các thành phần của đơn vị hệ thống Biên soạn: Trương Vĩnh Trường Duy (duytvt@ptithcm.edu.vn) 2Nội dung Đơn vị hệ thống Bộ xử lý trung tâm (CPU) Biểu diễn dữ liệu Bộ nhớ Các khe cắm mở rộng Cổng, nguồn Máy tính di động Các hệ cơ số 3Đơn vị hệ thống (System Unit)  Hộp chứa các thiết bị điện tử bên trong máy tính  Còn gọi là (thùng) CPU 4 Processor  Memory module  Expansion cards • Sound card • Modem card • Video card • Network interface card  Các cổng kết nối Bộ nhớ Card mở rộng Các thành phần bên trong 5Motherboard, mainboard  Bo mạch chính trong đơn vị hệ thống  Chứa các chip, mạch tích hợp, bán dẫn  system board 6dual inline package (DIP) Chip pin grid array (PGA) single edge contact (SEC) cartridge flip chip-PGA (FC-PGA) package 7Bộ xử lý trung tâm (CPU)  Dịch và thực thi các lệnh cơ sở để máy tính hoạt động CPU 8Bộ xử lý trung tâm (CPU) Các thành phần của CPU CPU Arithmetic/ Logic Unit (ALU – Bộ xử lý toán học) Control Unit (đơn vị điều khiển) 9Bộ xử lý trung tâm (CPU) Đơn vị điều khiển Control Unit Bốn thao tác cơ bản:  Nạp lệnh (fetch) – lấy chỉ thị hoặc dữ liệu từ bộ nhớ  Giải mã (decode) – dịch các chỉ thị thành lệnh  Thực thi (execute) – thi hành lệnh  Lưu trữ (store) – ghi kết quả vào bộ nhớ  Điều khiển các hoạt động của máy tính 10 Bao gồm 4 thao tác cơ bản của CPU Cũng được gọi là chu kỳ lệnh (instruction cycle) • Execution time (e-time) – thời gian thực thi lệnh và lưu trữ kết quả e-time • Instruction time (i-time) – thời gian lấy và giải mã lệnh i-time Bộ xử lý trung tâm (CPU) Chu kỳ máy (machine cycle) 11 Bộ xử lý trung tâm (CPU) Cách tính tốc độ của CPU  Theo số triệu lệnh xử lý trong một giây (millions of instructions per second - MIPS) 12 CISC (complex instruction set computing – bộ chỉ lệnh phức hợp)  Hỗ trợ số lượng lớn các số tính toán  CPU thực thi các lệnh phức tạp nhanh hơn Bộ xử lý trung tâm (CPU) Hai cách thiết kế CPU RISC (reduced instruction set computing – bộ chỉ lệnh rút gọn)  Hỗ trợ số lượng nhỏ các số tính toán  CPU thực thi các lệnh đơn giản nhanh hơn 13 So sánh (lớn hơn, bằng, nhỏ hơn) Toán học (cộng, trừ, nhân, chia) Đơn vị xử lý luận lý/toán học arithmetic/logic unit (ALU) Bộ xử lý trung tâm (CPU) Luận lý (AND, OR, NOT)  Thực hiện giai đoạn thực thi của chu kỳ máy 14 Bộ xử lý trung tâm (CPU) Kỹ thuật đường ống (pipelining) Chu kỳ máy (không pipelining) Chu kỳ máy (có pipelining) Lệnh 1 Lệnh 2 Lệnh 3 Lệnh 4  CPU bắt đầu thực thi lệnh thứ hai khi chưa kết thúc lệnh thứ nhất  Nhanh hơn 15 Thanh ghi (register) Bộ xử lý trung tâm (CPU) Lưu trữ vị trí lấy lệnh Lưu trữ lệnh đang được giải mã Lưu trữ dữ liệu ALU đang xử lý Lưu trữ kết quả tính toán  Bộ nhớ tạm lưu trữ lệnh và dữ liệu 16 Bộ xử lý trung tâm (CPU) Đồng hồ hệ thống (system clock) MHz – 1 triệu tick đồng hồ hệ thống GHz – 1 tỷ tick đồng hồ hệ thống  Đồng bộ mọi hoạt động của máy tính  Mỗi tick là một chu kỳ đồng hồ 17 Bộ xử lý trung tâm (CPU) Vi xử lý (microprocessor) Mạch vi xử lý trên các máy tính cá nhân 18 Bộ xử lý trung tâm (CPU) So sánh các bộ vi xử lý máy tính cá nhân 19 Bộ xử lý trung tâm (CPU) Thí dụ bộ đồng xử lý toán học số thực dấu chấm động Chip hỗ trợ vi xử lý cho các tác vụ đặc biệt Bộ đồng xử lý (coprocessor) 20 Bộ xử lý trung tâm (CPU) Xử lý song song (parallel processing) Dùng nhiều bộ vi xử lý cùng lúc để thực thi chương trình nhanh hơn Yêu cầu phần cứng đặc biệt để chia bài toán và tổng hợp kết quả 21 Biểu diễn dữ liệu  Hầu hết máy tính dùng kỹ thuật số  Hai trạng thái: on và off 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 on off 22 Biểu diễn dữ liệu Hệ nhị phân (binary system) Bit Điện Trạng thái  Chỉ dùng hai số biễu diễn giá trị: 0 và 1 (gọi là bit) 23 Biểu diễn dữ liệu Byte 8-bit byte biểu diễn giá trị 3 8-bit byte biểu diễn giá trị 5 8-bit byte biễu diễn ký tự T  Là một nhóm 8 bit 24 Biểu diễn dữ liệu Ba bộ mã thông dụng  ASCII - American Standard Code for Information Interchange  EBCDIC - Extended Binary Coded Decimal Interchange Code  Unicode – mã hóa ký tự của các ngôn ngữ trên thế giới 25 Bộ nhớ Bộ nhớ (memory) Vùng nhớ tạm cho hệ điều hành, chương trình ứng dụng và dữ liệu Gồm các chip gắn trên mainboard Mỗi byte có địa chỉ duy nhất seat C22 seat B22 seat A22 26 Bộ nhớ Dung lượng bộ nhớ tính bằng số byte có sẵn 27 volatile memory Loses its contents when the computer's power is turned off Bộ nhớ bốc hơi Mất nội dung khi mất điện Bộ nhớ Hai loại bộ nhớ Bộ nhớ không bốc hơi Không mất nội dung khi mất điện 28 Bộ nhớ Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (random access memory - RAM)) Bộ nhớ mà bộ vi xử lý có thể đọc và ghi Hầu hết RAM là bốc hơi Càng nhiều RAM, tốc độ xử lý càng cao Bộ nhớ 29 Bộ nhớ Hai loại RAM cơ bản Dynamic RAM (DRAM)  Loại chủ yếu  Thường là bộ nhớ chính Static RAM (SRAM) Dùng cho mục đích đặc biệt như cache Nhanh hơn và tin cậy hơn DRAM 30 Bộ nhớ Số lượng RAM máy tính cần tùy thuộc vào các trình ứng dụng cụ thể sử dụng 31 Bộ nhớ Số lượng RAM máy tính cần tùy thuộc vào các trình ứng dụng cụ thể sử dụng 32 Bộ nhớ Cache  Giúp tăng tốc nhờ lưu trữ các lệnh và dữ liệu sử dụng thường xuyên  Còn gọi là memory cache, cache store, hoặc RAM cache  L1 cache trong vi xử lý  L2 và L3 cache không trong vi xử lý  Phổ biến là L2 advanced transfer cache 33 Bộ nhớ Bộ nhớ chỉ đọc (read-only memory - ROM) BIOS (basic input/output system) Hệ vào ra cơ bản trong ROM gồm các lệnh máy tính thực thi để khởi động và nạp hệ điều hành Dữ liệu trong ROM không bị mất đi khi mất điện  Bộ nhớ chứa dữ liệu, lệnh, thông tin không thể thay đổi được Chỉ có thể đọc, không thể sửa đổi dữ liệu trong ROM 34 Bộ nhớ Các loại ROM PROM (programmable read-only memory) ROM trắng dùng để ghi dữ liệu vĩnh viễn Firmware ROM được sản xuất với dữ liệu, lệnh, thông tin vĩnh viễn EEPROM (electrically erasable programmable read- only memory) Loại PROM có thể ghi xóa bằng thiết bị 35 Bộ nhớ Flash memory  Bộ nhớ không bốc hơi có thể ghi xóa  Dùng với máy tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số, PDA 36 Bộ nhớ CMOS Complementary metal-oxide semiconductor memory Lưu trữ các thông tin về máy tính • Loại đĩa cứng • Bàn phím • Màn hình • Ngày giờ hiện tại Dùng pin nuôi khi mất điện 37 Bộ nhớ Thời gian truy xuất bộ nhớ (memory access time)  Tốc độ máy tính truy xuất dữ liệu từ máy tính trực tiếp  Tính bằng nanoseconds (ns) (1 phần tỷ giây)  Mất 1/10 giây để chớp mắt; máy tính có thể thực hiện được 10 triệu thao tác cùng thời gian 38 Khe cắm mở rộng  Khe cắm trống trên mainboard dùng để cắm các card mở rộng Card mở rộng Khe cắm mở rộng 39 Khe cắm mở rộng Các loại card mở rộng 40 Khe cắm mở rộng Máy tính tự động nhận biết và cấu hình thiết bị mới Plug and Play 41  Card mở rộng dùng cho máy tính xách tay  PCMCIA - Personal Computer Memory Card International Association Khe cắm mở rộng PC card PC card 42 Khe cắm mở rộng Flash memory card 43 Cổng keyboard USB USB mouse telephone line in game port monitor svideo out network printer (parallel port) cable TV speaker serial port microphone telephone line out FM reception Kết nối các thiết bị bên ngoài với đơn vị hệ thống 44 Cổng Các loại cổng kết nối 45 Cổng Cổng nối tiếp (serial port) Truyến dữ liệu nối tiếp DB-9 female connector byte biểu diễn cho số 5 (00110101) byte biểu diễn cho số 5 (00110101) DB-9 male connector byte biểu diễn cho số 5 (00110101) Truyền 1 bit tại một thời điểm Kết nối các thiết bị tốc độ chậm như chuột, bàn phím, modem 46 Cổng Cổng song song (parallel port) byte biểu diễn cho số 1 byte biểu diễn cho số 3 byte biểu diễn cho số 5 DB-25 male connector DB-25 female connector  Truyền nhiều hơn 1 bit tại một thời điểm, kết nối các thiết bị tốc độ cao như máy in, máy quét 47 Cổng Universal serial bus port (USB)  Kết nối các thiết bị ngoại vi mới tốc độ cao  Các cổng khác: 1394, MIDI, SCSI, và IrDA USB port 1394 port 48 Kênh, tuyến (bus)  Kênh truyền liên lạc giữa các thiết bị liên lạc với nhau  System bus kết nối bộ vi xử lý và RAM  Bus width cho biết số lượng bit được truyền cùng một thời điểm  Word size cho biết số lượng các bit mà vi xử lý có thể dịch và thực thi cùng một thời điểm system bus RAM processor 49 Kênh, tuyến (bus) Tuyến mở rộng (expansion bus)  Cho phép vi xử lý giao tiếp với thiết bị ngoại vi Nhanh nhất Nhanh hơn Nhanh hơn Chậm nhất processor memory PCI bus ISA bus 50 Bay DVD-ROM drive CD-RW drive Zip drive Vùng trống floppy disk drive  Vùng trống trong đơn vị hệ thống để lắp đặt thêm các thiết bị khác 51 Một số thiết bị ngoại vi có AC adapter Nguồn cấp điện (power supply) Chuyển từ điện xoay chiều (AC) sang một chiều (DC) 52 battery system unit Floppy disk drive, Zip disk drive PC Card CD-ROM, DVD-ROM drive Máy tính di động 53 Máy tính di động Các cổng kết nối trên máy tính xách tay keyboard/mouse port IrDA port serial port parallel port video port USB port 54 Máy tính di động  Dùng cổng hồng ngoại, bluetooth  Dây cáp riêng kết nối với máy tính Chuyển dữ liệu từ thiết bị di động IrDA port cradle 55 Pentium® 4 or Athlon™ 600 MHz or higher; or Celeron™ or Duron™ 600 MHz or higher 64 MB RAM Home Mobile Pentium® III or AMD-K6® -2-P 500 MHz or higher 64 MB RAM Các loại máy tính thích hợp Pentium® 4 or Athlon™ 800 MHz or higher 128 MB RAM Small Office/Home Office Large Business Pentium® 4 or Athlon™ 700 MHz or higher 128 MB RAM Power 56 Các hệ cơ số: 10, 2, 8, 16  Hệ thập phân: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9  Hệ nhị phân: 0,1  Hệ bát phân: 0,1,2,3,4,5,6,7  Hệ thập lục phân: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9, A,B,C,D,E,F  Thí dụ: 12310 , 11012 , 7638 , 1A4F16  Mỗi vị trí có một giá trị  Mỗi ký hiệu có một giá trị  Nhân giá trị của ký hiệu với giá trị của vị trí tương ứng, sau đó cộng tất cả lại ta được giá trị của số 8954,25 10 = 8*10 3 + 9*102 + 5*101 + 4*100 + 2*10-1 + 5* 10-2 57 Hệ thống số thập phân 58 Hệ thống số nhị phân 59 Hệ thống số thập lục phân 60 D e c i m a l B i n a r y H e x 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 2 0 0 1 0 2 3 0 0 1 1 3 4 0 1 0 0 4 5 0 1 0 1 5 6 0 1 1 0 6 7 0 1 1 1 7 8 1 0 0 0 8 9 1 0 0 1 9 1 0 1 0 1 0 A 1 1 1 0 1 1 B 1 2 1 1 0 0 C 1 3 1 1 0 1 D 1 4 1 1 1 0 E 1 5 1 1 1 1 F Các hệ cơ số: 10, 2, 16 61  Đối với phần nguyên: đi từ phải sang trái vị trí đầu tiên là 20 (tức 1), vị trí thứ hai là 21 (tức 2), vị trí thứ ba là 22 (tức 4), vị trí thứ n là 2n-1  Đối với phần phân số: đi từ trái sang phải vị trí đầu tiên là 2-1 (tức 1/2), vị trí thứ hai là 2-2 (tức 1/4), vị trí thứ ba là 2-3 (tức 1/8), vị trí thứ n là 2-n  Thí dụ 1011.012= (1 x 2 3) + (0 x 22) + (1 x 21) + (1 x 20) + (0 x 2-1) + (1 x 2-2) = 8+0+2+1+0+1/4 = 11,2510 Số nhị phân → thập phân 62  Đối với phần nguyên:  Lấy phần nguyên chia cho 2, ghi nhớ số dư, tiếp tục lấy kết quả chia cho 2, ghi nhớ số dư và tiếp tục cho đến khi nhận được kết quả phép chia là 0  Kết hợp các số dư theo chiều từ dưới lên được kết quả  Đối với phần phân số (có thể lặp vô tận, không tìm được kết quả):  Lấy phần phân số nhân cho 2, tiếp tục lấy phần phân số kết quả nhân cho 2 cho đến khi nhận được kết quả có phần phân số là 0  Kết hợp phần nguyên các số kết quả theo chiều từ trên xuống được kết quả Số thập phân → nhị phân 63 Số thập phân → nhị phân  Thí dụ: chuyển số thập phân 162,37510 sang số nhị phân 162.37510 = 10100010.0112 162 / 2 = 81 dư 0 81 / 2 = 40 dư 1 40 / 2= 20 dư 0 20 / 2= 10 dư 0 10 / 2 = 5 dư 0 5 / 2= 2 dư 1 2 / 2= 1 dư 0 1 / 2 = 0 dư 1 0.375 x 2 = 0.750 0.750 x 2 = 1.500 0.500 x 2 = 1.000 64 Số thập phân → nhị phân  Thí dụ: chuyển số thập phân 0,310 sang số nhị phân Lặp vô tận ! .3 * 2 = .6 phần nguyên = 0 .6 * 2 = 1.2 phần nguyên = 1 .2 * 2 = .4 phần nguyên = 0 .4 * 2 = .8 phần nguyên = 0 .8 * 2 = 1.6 phần nguyên = 1 .6 * 2 = 1.2 phần nguyên = 1, vô tận 65 Chuyển số hex → thập phân  Đối với phần nguyên: đi từ phải sang trái vị trí đầu tiên là 160 (tức 1), vị trí thứ hai là 161 (tức 16), vị trí thứ ba là 162 (tức 256), vị trí thứ n là 16n-1  Đối với phần phân số: đi từ trái sang phải vị trí đầu tiên là 16-1 (tức 1/16), vị trí thứ hai là 16-2 (tức 1/256), vị trí thứ ba là 16-3 (tức 1/4096), vị trí thứ n là 16-n  Thí dụ 4F6A.1E16= (4 x 16 3)+ (F[15] x 162)+ (6 x 161)+ (A[10] x 160) + (1 x 16-1)+ (E[14] x 16-2) = 20330,0664062510 66 Chuyển số hex → thập phân  Đối với phần nguyên:  Lấy phần nguyên chia cho 16, ghi nhớ số dư, tiếp tục lấy kết quả chia cho 16, ghi nhớ số dư và tiếp tục cho đến khi nhận được kết quả phép chia là 0  Kết hợp các số dư theo chiều từ dưới lên được kết quả  Đối với phần phân số (có thể lặp vô tận, không tìm được kết quả):  Lấy phần phân số nhân cho 16, tiếp tục lấy phần phân số kết quả nhân cho 16 cho đến khi nhận được kết quả có phần phân số là 0  Kết hợp phần nguyên các số kết quả theo chiều từ trên xuống được kết quả 67 Chuyển số hex → thập phân  Thí dụ: chuyển số thập phân 162,37510 sang số hex Kết quả là 162.37510 = A2.616 162 / 16 = 10 dư 2 10 / 16= 0 dư 10 (A) 0.375 x 16 = 6.000 68 Chuyển số hex → số nhị phân  Đối với từng số hex, chuyển đổi thành 4 bit thập phân tương ứng. Dấu chấm phân số vẫn giữ nguyên vị trí  Thí dụ: chuyển đổi số hex sang số nhị phân 261.3516 = 2 6 1 . 3 516 = 0010 0110 0001 . 0011 01012 69 Chuyển số nhị phân → số hex  Nhóm từng nhóm 4 bit nhị phân, bắt đầu từ dấu chấm nhị phân.  Trước dấu chấm thì nhóm từ phải sang trái, đến nhóm cuối cùng nếu thiếu thì thêm vào những bit 0 vào đầu cho đủ 4 bit  Sau dấu chấm thì nhóm từ trái sang phải, đến nhóm cuối cùng nếu thiếu thì thêm vào những bit 0 vào cuối cho đủ 4 bit  Đối với từng nhóm 4 bit nhị phân chuyển đổi tương ứng sang số hex 70 Chuyển số nhị phân → số hex  Thí dụ: chuyển đổi số nhị phân sang số hex 10110100.0010112 = 1011 0100 . 0010 11002 = B 4 . 2 C16 110100.001011012 = 0011 0100 . 0010 11012 = 3 4 . 2 D16 10110100.001011102 = 1011 0100 . 0010 11102 = B 4 . 2 E16 71 Bài tập chuyển đổi 426.12810  nhị phân, thập lục phân 11011.10112  thập phân, thập lục phân AB1.216  thập phân, nhị phân 72 Bài tập: DEC – HEX – BIN 203 CB 11001011 73 Bài tập: DEC – HEX – BIN 159 9F 10011111 74 Bài tập: DEC – HEX – BIN 95 5F 01011111 75 Bài tập: HEX – DEC – BIN FA 250 11111010 76 Bài tập: HEX – DEC – BIN A1 161 10100001 77 Bài tập: HEX – DEC – BIN B9 185 10111001 78 Bài tập: BIN – DEC – HEX 10101011 171 AB 79 Bài tập: BIN – DEC – HEX 11101001 233 F9 80 Bài tập: BIN – DEC – HEX 00101101 45 2D 81 Bài tập: DEC  BIN, HEX 119  01110111  0x77 231  11100111  0xE7 99  01100011  0x63 213  11010101  0xD5 168  10101000  0xA8 173  10101101  0xAD 137  10001001  0x89