Máy tính điện tử được thiết kế theo nguyên lý nào?
Máy tính điện tử được thiết kế theo nguyên lý nào là thắc mắc của rất nhiều người. Để giải đáp những thắc mắc này hãy cùng theo dõi bài viết dưới đây của chúng tôi nhé!
Máy tính điện tử được thiết kế theo nguyên lý?
Bộ xử lí (CPU – Central Processing Unit )
CPU có chức năng điều khiển máy tính và xử lý thông tin theo chương trình đã được lưu trữ trong bộ nhớ. CPU gồm các thành phần:
Đồng hồ (clock) tạo các xung điện áp chính xác, đều đặn để sinh ra các tín hiệu cơ bản để điều chế thông tin và đồng bộ hoá các thành phần khác của máy tính.
Xem thêm: Máy tính sử dụng dãy bit để làm gì?
Các thanh ghi (registers).
Ngoài bộ nhớ trong, CPU còn dùng các thanh ghi như là những bộ nhớ nhanh, chuyên dụng dùng trong khi
thực hiện các lệnh. Các thanh ghi thường được dùng để ghi các lệnh đang được thực hiện, lưu trữ các dữ liệu phục vụ cho các lệnh, các kết quả trung gian, các địa chỉ, các thông tin dùng đến trong quá trình thực hiện một lệnh.
Khối số học và logic
(ALU: arithmetic and logic unit) là khối chức năng thực hiện các phép toán cơ sở của máy như các phép toán số học, các phép toán logic, phép tạo mã v.v. ALU bao gồm những mạch chức năng để thực hiện các phép toán đó.
Khối điều khiển
(CU: control unit) là khối chức năng điều khiển sự hoạt động của MTĐT theo chương trình định sẵn. Nhờ công nghệ vi mạch, người ta có khả năng chế tạo toàn bộ bộ xử lý trong một chíp (một mạch vi điện tử được đóng trong một vỏ duy nhất). Những bộ xử lý như vậy gọi là bộ vi xử lý (micro processor ) viết tắt là µP.
Quá trình thực hiện lệnh
Để hiểu rõ quá trình này ta cần tìm hiểu thêm về lệnh máy. Mỗi lệnh máy là một yêu cầu ALU thực hiện một phép tính cơ sở (cộng, nhân, nhân logic, cộng logic, chọn lệnh cần thực hiện v. v). Các lệnh này phải chỉ ra đầy đủ các thông tin sau:
Phép tính cần thực hiện.
Trong lệnh máy nó cho bằng một số bit gọi là mã phép tính. Nơi đặt dữ liệu của lệnh. Thông tin này có thể là điạ chỉ trong BNT hoặc là mã thanh ghi. Các thông tin liên quan đến kết quả thực hiện chẳng hạn địa chỉ của nơi để kết quả của phép toán.
Một chương trình máy là một dãy các lệnh. Do chương trình cũng nằm trong bộ nhớ nên chính các lệnh cũng có địa chỉ, đó chính là địa chỉ byte đầu tiên của lệnh. Quá trình thực hiện một chương trình là một quá trình thực hiện liên tiếp từng lệnh. Để quản lý thứ tự thực hiện các lệnh, CU sử dụng một thanh ghi gọi là thanh đếm địa chỉ (Program Counter – PC) ghi địa chỉ của lệnh sẽ thực hiện tiếp theo. Giá trị khởi tạo của PC là địa chỉ lệnh đầu tiên chương trình.
MTĐT được điều khiển bởi các lệnh của chương trình. Chu kỳ thực hiện một lệnh bao gồm các bước sau:
Đọc lệnh.
Trong chu kì đọc lệnh, CU gửi nội dung PC vào bộ giải mã địa chỉ để đọc byte đầu tiên của lệnh lên một thanh ghi khác là thanh ghi lệnh. PC sẽ tăng lên một đơn vị để CU đọc byte tiếp theo. Độ dài các lệnh có thể khác nhau nhưng byte đầu tiên thường là nơi chứa mã lệnh.
Giải mã lệnh. CU căn cứ vào mã lệnh để đọc nốt các thông tin địa chỉ của lệnh và hoàn thành việc đọc lệnh, PC tiếp tục tăng theo số lượng byte đã đọc vào.
Đọc dữ liệu.
Các địa chỉ dữ liệu được gửi vào bộ giải mã địa chỉ để đọc nội dung các đối tượng của lệnh gọi là các tóan hạng (operand) vào các thanh ghi dũ liệu. Thực hiện lệnh. Phát tín hiệu điều khiển cho mạch chức năng của ALU thực hiện phép toán mà mã lệnh xác định. Sau đó quay lại chu kì đọc lệnh với nội dung mới của PC. Chú ý rằng nếu lệnh thực hiện là lệnh điều khiển thì giai đoạn thực hiện này sẽ đặt địa chỉ lệnh sẽ thực hiện tiếp theo vào PC. Như vậy để thực hiện một lệnh nói chung phải đọc/ghi bộ nhớ nhiều lần.
Có hai phương pháp tổ chức điều khiển:
Phương pháp điều khiển cứng. Ứng với mỗi lệnh máy có một mạch địên thực hiện lệnh đã cho theo các tín hiệu điều khiển.
Phương pháp điều khiển vi chương trình.
Mỗi lệnh được thực hiện thông qua các lệnh sơ cấp hơn gọi là các vi lệnh. Khi đó người ta chỉ phải thiết kế phần cứng ở mức vi lệnh. Ví dụ, phép đọc một byte trong bộ nhớ có thể lấy làm một vi lệnh.
Như vậy, một phép tính có thể thực hiện bằng cách thi hành một dãy vi lệnh gọi là vi chương trình. Do đó, khi thay đổi lệnh chỉ cần thay đổi vi chương trình tương ứng mà không cần thay đổi cấu trúc vật lí của MTĐT.