Bài giảng Kiến trúc máy tính và hệ điều hành - Nguyễn Thị Ngọc Vinh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG -----------------------------------NGUYỄN THỊ NGỌC VINH BÀI GIẢNG KIẾN TRÚC MÁY TÍNH VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH HÀ NỘI 2013 LỜI NÓI ĐẦU Kiến trúc máy tính là một trong các lĩnh vực khoa học cơ sở của ngành Khoa học máy tính nói riêng và Công nghệ thông tin nói chung. Kiến trúc máy tính là khoa học về lựa chọn và ghép nối các thành phần phần cứng của máy tính nhằm đạt được các mục tiêu về hiệu năng cao, tính năng đa dạng và giá thành thấp. Hệ điều hành là thành phần quan trọng trong hệ thống máy tính. Nắm vững kiến thức hệ điều hành là cơ sở cho việc hiểu biết sâu sắc hệ thống máy tính nói chung. Môn học Kiến trúc máy tính và hệ điều hành là môn học cơ sở trong chương trình đào tạo cao đẳng và đại học ngành điện tử viễn thông. Mục tiêu của môn học là cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ sở của kiến trúc máy tính và hệ điều hành, bao gồm: kiến trúc máy tính tổng quát, kiến trúc bộ xử lý trung tâm, kiến trúc tập lệnh máy tính, cơ chế ống lệnh, hệ thống phân cấp bộ nhớ, hệ thống bus và thiết bị ngoài ra; và khái niệm, nguyên lý hoạt động tổng quát của hệ điều hành nói chung như một thành phần quan trọng của hệ thống máy tính. Kiến trúc máy tính và hệ điều hành là lĩnh vực đã được phát triển trong một thời gian tương đối dài với lượng kiến thức đồ sộ, nhưng do khuôn khổ của tài liệu có tính chất là bài giảng môn học, nhóm tác giả cố gắng trình bày những vấn đề cơ sở nhất phục vụ mục tiêu môn học. Nội dung của tài liệu được biên soạn thành hai phần với sáu chương như sau: Phần 1 là nội dung về lĩnh vực kiến trúc máy tính, được cấu trúc thành bốn chương. Chương 1 là phần giới thiệu các khái niệm cơ sở của kiến trúc máy tính, như khái kiệm kiến trúc và tổ chức máy tính; cấu trúc và chức năng các thành phần của máy tính; các kiến trúc máy tính von-Neumann và kiến trúc Harvard. Khái niệm về các hệ đếm và cách tổ chức dữ liệu trên máy tính cũng được trình bày trong chương này. Chương 2 giới thiệu về khối xử lý trung tâm, nguyên tắc hoạt động và các thành phần của nó. Khối xử lý trung tâm là thành phần quan trọng và phức tạp nhất trong máy tính, đóng vai trò là bộ não của máy tính. Thông qua việc thực hiện các lệnh của chương trình bởi khối xử lý trung tâm, máy tính có thể thực thi các yêu cầu của người sử dụng. Chương 2 cũng giới thiệu về tập lệnh của máy tính, bao gồm các khái niệm về lệnh, dạng lệnh, các thành phần của lệnh; các dạng địa chỉ và các chế độ địa chỉ, một số dạng lệnh thông dụng kèm ví dụ minh hoạ. Ngoài ra, cơ chế ống lệnh – xử lý xen kẽ các lệnh cũng được đề cập. Chương 3 trình bày về hệ thống nhớ: khái quát về hệ thống bộ nhớ và cấu trúc phân cấp của hệ thống nhớ; giới thiệu các loại bộ nhớ ROM và RAM. Một phần rất quan trọng của chương là phần giới thiệu về bộ nhớ cache - một bộ nhớ đặc biệt có khả năng giúp tăng tốc hệ thống nhớ nói riêng và cả hệ thống máy tính nói chung. Chương này cũng giới thiệu về một số bộ nhớ ngoài điển hình: đĩa từ và đĩa quang 1 Chương 4 trình bày về hệ thống bus và các thiết bị ngoại vi. Phần trình bày về hệ thống bus đề cập đến các loại bus như ISA, EISA, PCI, AGP và PCI-Express. Phần giới thiệu các thiết bị vào ra đề cập đến nguyên lý hoạt động của một số thiết bị vào ra thông dụng, như bàn phím, chuột, màn hình và máy in. Phần 2 là nội dung về lĩnh vực hệ điều hành, được chia thành hai chương 5 và 6. Chương 5 bao gồm những khái niệm chung về hệ điều hành, các thành phần chức năng và một số kiểu kiến trúc thông dụng. Chương này cũng tóm tắt quá trình hình thành và phát triển của hệ điều hành, qua đó trình bày một số khái niệm và kỹ thuật quan trọng. Chương 6 giới thiệu về các thành phần chức năng chính của hệ điều hành: quản lý hệ thống file, quản lý bộ nhớ và quản lý tiến trình. Trong chương này, các phương pháp, thuật toán cơ bản để hệ điều hành thực hiện việc quản lý hệ thống file, cấp phát bộ nhớ và điều độ tiến trình cũng được trình bày. Tài liệu được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy môn học Kiến trúc máy tính và Hệ điều hành trong nhiều năm của tác giả và đồng nghiệp trong bộ môn Khoa học máy tính, Khoa Công nghệ thông tin 1, Học viện Công nghệ Bưu chính – Viễn thông, kết hợp tiếp thu các đóng góp của đồng nghiệp và phản hồi từ sinh viên. Tài liệu có thể được sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên hệ đại học và cao đẳng ngành điện tử viễn thông. Trong quá trình biên soạn, mặc dù nhóm tác giả đã rất cố gắng song không thể tránh khỏi có những thiếu sót. Nhóm tác giả rất mong muốn nhận được ý kiến phản hồi và các góp ý cho các thiếu sót, cũng như ý kiến về việc cập nhật, hoàn thiện nội dung của tài liệu. Hà nội, tháng 9 năm 2013 Tác giả 2 MỤC LỤC CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG..........................................................................................8 1.1 KHÁI NIỆM VỀ KIẾN TRÚC VÀ TỔ CHỨC MÁY TÍNH..........................................8 1.2 CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CÁC THÀNH PHẦN CỦA MÁY TÍNH....................8 1.2.1 Sơ đồ khối chức năng................................................................................................8 1.2.2 Các thành phần của máy tính.....................................................................................9 1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY TÍNH ...........................................................................11 1.3.1 Thế hệ 1 (1944-1959)..............................................................................................11 1.3.2 Thế hệ 2 (1960-1964)..............................................................................................11 1.3.3 Thế hệ 3 (1964-1975)..............................................................................................11 1.3.4 Thế hệ 4 (1975-1989)..............................................................................................11 1.3.5 Thế hệ 5 (1990 - nay) ..............................................................................................11 1.4 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH VON-NEUMANN VÀ HARVARD...................................12 1.4.1 Kiến trúc máy tính von-Neumann...........................................................................12 1.4.2 Kiến trúc máy tính Harvard.....................................................................................13 1.5 CÁC HỆ SỐ ĐẾM VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRÊN MÁY TÍNH...............................13 1.5.1 Các hệ số đếm..........................................................................................................13 1.5.2 Tổ chức dữ liệu trên máy tính .................................................................................14 1.5.3 Số có dấu và số không dấu ......................................................................................16 1.5.4 Bảng mã ASCII .......................................................................................................16 CHƯƠNG 2 KHỐI XỨ LÝ TRUNG TÂM.............................................................................18 2.1 KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM........................................................................................18 2.1.1 Sơ đồ khối tổng quát và các thành phần chức năng của CPU.................................18 2.1.2 Chu trình xử lý lệnh.................................................................................................19 2.1.3 Các thanh ghi...........................................................................................................19 2.1.4 Khối điều khiển .......................................................................................................21 2.1.5 Khối số học và logic................................................................................................22 2.1.6 Bus trong CPU.........................................................................................................23 2.2 tập lệnh máy tính............................................................................................................23 2.2.1 Khái niệm lệnh, tập lệnh và các thành phần của lệnh .............................................23 1 2.2.2 Chu kỳ và các pha thực hiện lệnh............................................................................23 2.2.3 Các dạng toán hạng..................................................................................................23 2.2.4 Các chế độ địa chỉ....................................................................................................26 2.2.5 Một số dạng lệnh thông dụng..................................................................................29 2.3 GIỚI THIỆU CƠ CHẾ ỐNG LỆNH..............................................................................32 2.3.1 Giới thiệu cơ chế ống lệnh.......................................................................................32 2.3.2 Các vấn đề của cơ chế ống lệnh và hướng giải quyết..............................................34 CHƯƠNG 3 hệ thống nhớ........................................................................................................38 3.1 PHÂN LOẠI BỘ NHỚ MÁY TÍNH..............................................................................38 3.1.1 Phân loại bộ nhớ......................................................................................................38 3.1.2 Tổ chức mạch nhớ...................................................................................................38 3.2 CẤU TRÚC PHÂN CẤP BỘ NHỚ MÁY TÍNH..........................................................39 3.2.1 Giới thiệu cấu trúc phân cấp hệ thống nhớ..............................................................39 3.2.2 Vai trò của cấu trúc phân cấp hệ thống nhớ ............................................................40 3.3 BỘ NHỚ ROM VÀ RAM..............................................................................................41 3.3.1 Bộ nhớ ROM...........................................................................................................41 3.3.2 Bộ nhớ RAM...........................................................................................................42 3.4 BỘ NHỚ CACHE ..........................................................................................................44 3.4.1 Cache là gì? .............................................................................................................44 3.4.2 Vai trò và nguyên lý hoạt động ...............................................................................44 3.4.3 Các dạng kiến trúc cache.........................................................................................46 3.4.4 Các dạng tổ chức/ánh xạ cache................................................................................48 3.4.5 Các phương pháp đọc ghi và các chính sách thay thế.............................................53 3.4.6 Hiệu năng cache và các yếu tố ảnh hưởng ..............................................................55 3.5 bộ nhớ ngoài...................................................................................................................56 3.5.1 Đĩa từ.......................................................................................................................56 3.5.2 Đĩa quang.................................................................................................................61 CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG BUS VÀ CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI...........................................66 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG BUS...................................................................66 4.2GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI BUS THÔNG DỤNG.....................................................68 4.2.1Bus ISA và EISA......................................................................................................68 4.2.2Bus PCI.....................................................................................................................69 2 ... - tailieumienphi.vn