Chức năng và đặc điểm:

• Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp
• Tốc độ rất nhanh
• Dung lượng không lớn
• Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM và RAM

Các loại bộ nhớ trong:

• BN chính+cache
• Bộ nhớ chính
• Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm)

Bộ nhớ chính (Main Memory)

• Chứa các chương trình và dữ liệu đang được CPU sử dụng.
• Tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa chỉ.
• Ngăn nhớ thường được tổ chức theo byte.
• Nội dung của ngăn nhớ có thể thay đổi, song địa chỉ vật lý của ngăn nhớ luôn cố định.

• Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy cập bộ nhớ
• Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính (≈ 1/4MiB – 64MiB)
• Tốc độ nhanh hơn ( ≈5-100% tốc độ của thanh ghi)
• Cache thường được chia thành một số mức
• Cache có thể được tích hợp trên cùng chip bộ xử lý.
• Cache có thể có hoặc không

Bộ nhớ ngoài (External Memory)

Chức năng và đặc điểm

• Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính
• Được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào-ra
• Dung lượng lớn
• Tốc độ chậm

Các loại bộ nhớ ngoài

• Bộ nhớ từ: ổ đĩa cứng
• Bộ nhớ quang: đĩa CD, DVD
• Bộ nhớ bán dẫn: Ổ nhớ flash, thẻ nhớ, ổ SSD

3. Hệ thống vào-ra

Chức năng: Trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài.

Các thao tác cơ bản:

• Vào dữ liệu (Input)
• Ra dữ liệu (Output)

Các thành phần chính:

• Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)
• Các mô-đun vào-ra (IO Modules)

• Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét ...
• Thiết bị ra: màn hình, máy in ...
• Thiết bị nhớ: các ổ đĩa ...
• Thiết bị truyền thông: MODEM ...

Mô-đun vào-ra

• Chức năng: nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính
• Mỗi mô-đun vào-ra có một hoặc một vài cổng vào-ra (I/O Port).
• Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác định.
• Các thiết bị ngoại vi được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thông qua các cổng vào-ra.

• Thực hiện chương trình
• Hoạt động ngắt
• Hoạt động vào-ra

• Là hoạt động cơ bản của máy tính
• Máy tính lặp đi lặp lại hai bước:
  
  • Nhận lệnh
  • Thực hiện lệnh
• Thực hiện chương trình bị dừng nếu thực hiện lệnh bị lỗi hoặc gặp lệnh dừng.

• Bắt đầu mỗi chu trình lệnh, CPU nhận lệnh từ bộ nhớ chính.
• Bộ đếm chương trình PC (Program Counter) của CPU giữ địa chỉ của lệnh sẽ được nhận.
  (hoặc tên khác là IP, Instruction Pointer) CPU nhận lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi PC.
• Lệnh được nạp vào thanh ghi lệnh IR (Instruction Register).
• Sau khi lệnh được nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp.

Thực hiện lệnh

• Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao tác mà lệnh yêu cầu.
• Các kiểu thao tác của lệnh:
  
  • Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ chính
  • Trao đổi dữ liệu giữa CPU và mô-đun vào-ra
  • Xử lý dữ liệu: thực hiện các phép toán số học hoặc phép toán logic với các dữ liệu.
  • Điều khiển rẽ nhánh
  • Kết hợp các thao tác trên.

2. Hoạt động ngắt (Interrupt)

• Khái niệm chung về ngắt: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là chương trình con phục vụ ngắt.
• Các loại ngắt:
  
  • Ngắt do lỗi khi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho 0.
  • Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ lỗi bộ nhớ RAM.
  • Ngắt do mô-đun vào-ra phát tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu.
  • Ngắt do bộ định thời trong chế độ đa chương trình
• Sau khi hoàn thành mỗi một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt
• Nếu không có ngắt ⇒ bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của chương trình hiện tại
• Nếu có tín hiệu ngắt:
  • Tạm dừng chương trình đang thực hiện
  • Cất ngữ cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt)
  • Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt
  • Chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt
  • Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh và tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng

• Khi một ngắt đang được thực hiện, các ngắt khác sẽ bị cấm.
• Bộ xử lý sẽ bỏ qua các ngắt tiếp theo trong khi đang xử lý một ngắt
• Các yêu cầu ngắt vẫn đang đợi và được kiểm tra sau khi ngắt đầu tiên được xử lý xong
• Các ngắt được thực hiện tuần tự

Xử lý ngắt ưu tiên

• Các ngắt được định nghĩa mức ưu tiên khác nhau
• Ngắt có mức ưu tiên thấp hơn có thể bị ngắt bởi ngắt ưu tiên cao hơn
• Xẩy ra ngắt lồng nhau

3. Hoạt động vào-ra

• Hoạt động vào-ra: là hoạt động trao đổi dữ liệu giữa mô-đun vào-ra với bên trong máy tính.
• Các kiểu hoạt động vào-ra:
  
  • CPU trao đổi dữ liệu với mô-đun vào-ra
  • Mô-đun vào-ra trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ chính (DMA- Direct Memory Access).

 

3.3. Bus máy tính

3.3.1. Luồng thông tin trong máy tính

Các mô-đun trong máy tính:

• CPU
• Mô-đun nhớ
• Mô-đun vào-ra

⇒ cần được kết nối với nhau

Kết nối mô-đun nhớ

Địa chỉ đưa đến để xác định ngăn nhớ

• Dữ liệu được đưa đến khi ghi
• Dữ liệu hoặc lệnh được đưa ra khi đọc (lưu ý: bộ nhớ không phân biệt lệnh và dữ liệu)
• Nhận các tín hiệu điều khiển:
  
  • Điều khiển đọc (Read)
  • Điều khiển ghi (Write)

Kết nối mô-đun vào-ra

 

• Địa chỉ đưa đến để xác định cổng vào-ra
• Ra dữ liệu (Output)
  • Nhận dữ liệu từ CPU hoặc bộ nhớ chính
  • Đưa dữ liệu ra thiết bị ngoại vi
• Vào dữ liệu (Input)
  
  • Nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi
  • Đưa dữ liệu vào CPU hoặc bộ nhớ chính
• Nhận các tín hiệu điều khiển từ CPU
• Phát các tín hiệu điều khiển đến thiết bị ngoại vi
• Phát các tín hiệu ngắt đến CPU

 

Kết nối CPU

• Phát địa chỉ đến các mô-đun nhớ hay các mô-đun vào-ra
• Đọc lệnh và dữ liệu
• Đưa dữ liệu ra (sau khi xử lý)
• Phát tín hiệu điều khiển đến các mô-đun nhớ và các mô-đun vào-ra
• Nhận các tín hiệu ngắt

 

3.3.2. Cấu trúc bus cơ bản

 

• Bus: tập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông tin giữa các mô-đun của máy tính với nhau.
• Các bus chức năng:
  
  • Bus địa chỉ
  • Bus dữ liệu
  • Bus điều khiển
• Độ rộng bus: là số đường dây của bus có thể truyền các bit thông tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu)