Bài giảng Các vấn đề cơ sở của khoa học máy tính: Chương 3 - Tô Oai Hùng

Bài giảng "Các vấn đề cơ sở của khoa học máy tính - Chương 3: Tổ chức máy tính" cung cấp cho người học các kiến thức: Kiến trúc von Neumann, biểu diễn dữ liệu, chiều dài từ của máy tính, dạng dữ liệu nguyên, dạng dữ liệu thực, dạng ký tự, CPU/ALU, tập lệnh, bộ nhớ, nhập/xuất dữ liệu. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Các vấn đề cơ sở của khoa học máy tính: Chương 3 - Tô Oai Hùng Chương 3: TỔ CHỨC MÁY TÍNH Nội Dung 1. Kiến trúc von Neumann. 2. Biểu diễn dữ liệu. 3. Chiều dài từ của máy tính. 4. Dạng dữ liệu nguyên. 5. Dạng dữ liệu thực. 6. Dạng ký tự. 7. CPU / ALU. 8. Tập lệnh. 9. Bộ nhớ. 10. Nhập / Xuất . 2 Các Vấn Đề Cơ Sở của KHMT ThS. GVC Tô Oai Hùng Kiến Trúc Von Neumann • Hầu hết các máy tính ngày nay hoạt động dựa vào “kiến trúc von Neumann”. Ý tưởng chính của kiến trúc này là chương trình và dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính. John von Neumann đã đưa ra ý tưởng này vào năm 1945. • Kiến trúc von Neumann cũng được gọi là “máy tính có chương trình được lưu trữ - stored program computer”. Các bước (lệnh) của chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính và chu kỳ thao tác của máy sẽ lấy bước kế tiếp (lệnh để thực thi) từ bộ nhớ, hoàn thành thao tác này và lấy bước kế tiếp. 3 Các Vấn Đề Cơ Sở của KHMT ThS. GVC Tô Oai Hùng Kiến Trúc Von Neumann Quá trình này được lặp lại cho đến khi máy tính gặp lệnh “dừng - halt”. • Có 3 thành phần chủ yếu trong máy tính von Neumann. Bộ nhớ là nơi chứa chương trình và dữ liệu. Đơn vị xử lý trung tâm (central processing unit - CPU) truy xuất chương trình và dữ liệu trong bộ nhớ và thực thi chúng. Đơn vị nhập/xuất truy xuất các thiết bị nhập và xuất dữ liệu. 4 Các Vấn Đề Cơ Sở của KHMT ThS. GVC Tô Oai Hùng Biểu Diễn Dữ Liệu • Chúng ta thường sử dụng các số được biểu diễn trong “cơ số 10 - base 10” – hệ thập phân. Có lẻ cơ số này dựa trên ý tưởng là chúng ta có 10 ngón tay. • Ví dụ: 427 = 4 * 102 + 2 * 101 + 7 * 100 • Chúng ta nói rằng số được biểu diễn trong cơ số 10 bởi vì các ký số của số đó được nhân với luỹ thừa của 10. • Máy tính sử dụng cơ số 2, bởi vì điều này sẽ làm cho dễ dàng trong việc xây dựng phần cứng khi máy tính chỉ dựa trên hai trạng thái on và off (1 và 0). 5 Các Vấn Đề Cơ Sở của KHMT ThS. GVC Tô Oai Hùng Biểu Diễn Dữ Liệu • Cơ số 2 cũng được gọi là “hệ nhị phân - binary number system”. Các ký số (bit) của một số trong hệ nhị phân được nhân với luỹ thừa của 2. Ví dụ, tính giá trị thập phân (cơ số 10) của số nhị phân 10011010: 10011010 = 27 + 24 + 23 + 21 = 154 • Phép cộng trên hệ nhị phân: 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 1 = 10 (nhớ 1 - bit bên trái nhất) • Ví dụ, cộng hai số nhị phân 1100 và 0110: 1100 0110 10010 6 Các Vấn Đề Cơ Sở của KHMT ThS. GVC Tô Oai Hùng Chiều Dài Từ Của Máy Tính • Mỗi máy tính khác nhau có thể truy xuất cùng lúc số bit khác nhau. Ví dụ, một máy tính có thể truy xuất 8 bit cùng lúc được gọi là “máy tính 8 bit”. Nói cách khác, máy tính đó có “chiều dài từ - word size” là 8 bit. • Máy tính PC đầu tiên của IBM sử dụng bộ xử lý 8088 của Intel có bus dữ liệu là 8 bit, nghĩa là nó có thể đọc/ghi 8 bit dữ liệu cùng lúc với thiết bị ngoại vi. • Ngày nay, hầu hết các máy tính có chiều dài từ là 32 hay 64 bit. 7 Các Vấn Đề Cơ Sở của KHMT ThS. GVC Tô Oai Hùng Định Dạng Số Nguyên • Cho đến bây giờ, chúng ta chỉ thảo luận các số nguyên dương. Máy tính cũng cần thao tác với các số nguyên có dấu và cả số thực. • Để lưu trữ số có dấu, bit bên trái nhất (msb) được sử dụng làm bit dấu. Bit này có giá trị 0 nếu là số dương và 1 nếu là số âm. • Số nguyên âm được biểu diễn bằng cách lấy bù 2 (two’s complement) của số dương tương ứng. Để tính bù 2 của một số, đảo ngược các bit của số đó và cộng thêm 1. Ví dụ, bù 2 của 6 (00000110) trên máy tính 8 bit: 8 Các Vấn Đề Cơ Sở của KHMT ThS. GVC Tô Oai Hùng Định Dạng Số Nguyên 11111001 +00000001 11111010 (−6) • Chúng ta có thể kiểm tra lại giá trị trên bằng cách cộng với 6, kết quả sẽ là 0: 11111010 (−6) +00000110 (+6) 100000000 (0, bỏ bit bên trái nhất) 9 Các Vấn Đề Cơ Sở của KHMT ThS. GVC Tô Oai Hùng Định Dạng Số Thực • Biểu diễn số thực khó hơn số nguyên. Số thực gồm phần định trị (mantissa) và phần số mũ (exponent). • Phần định trị và phần số mũ có thể dương hoặc âm. Phần định trị lớn sẽ cho độ chính xác lớn, phần số mũ lớn sẽ cho miền trị lớn. • Trước đây vào thập niên 1980, các nhà sản xuất máy tính khác nhau đã sử dụng cách biểu diễn dữ liệu khác nhau. Vì vậy, chương trình và dữ liệu không tương thích trên các máy tính khác nhau. • Viện IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) đã đưa ra chuẩn để 10 Các Vấn Đề Cơ Sở của KHMT ThS. GVC Tô Oai Hùng Định Dạng Số Thực biểu diễn số dấu chấm động dạng nhị phân sử dụng 32 và 64 bit. • Số dấu chấm động 32 bit có dạng như sau: dấu số mũ định trị SEEEEEEEEmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm • Bit msb là bit dấu, 8 bit kế tiếp là số mũ của cơ số 2 và 23 bit còn lại là phần định trị. • Dấu của số mũ được kết hợp vào giá trị biểu diễn của nó. Vì lý do kỹ thuật, chuẩn IEEE không sử dụng bù 2 để biểu diễn số mũ âm mà sử dụng phương pháp khác. • Ví dụ để biểu diễn 8.5, đầu tiên là chuyển 11 Các Vấn Đề Cơ Sở của KHMT ThS. GVC Tô Oai Hùng Định Dạng Số Thực 8.5 về dạng nhị phân: 1000.1 • Theo chuẩn IEEE, chỉ có một ký số (bit) nằm bên trái dấ ...