CHƯƠNG 1:COMPUTER

ĐẠI HỌC DUY TÂNKHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

What is aComputer?

1987 vs. 2007

System IBM PC/AT Nokia 6682 SmartphoneYear 1987 2007CostForm factorCPUMemoryStorageDisplayPeripherals

½ desktop Pocket12 MHz 80286 220 MHz ARM512 KB 8 MB20MB Hard disk, 1.2MB Floppy 1GB mini-SD flash80x25 monochrome text 176x208 pixel colorkeyboard Camera, phone, web

$2000 $150

Kỹ nghệ(Engineering)là gì ?� Ứng dụng khoa học và phương pháp toán học để tạo ra

những sản phẩm và hệ thống có ích cho xã hội� Ngành khoa học ứng dụng� Đôi khi, khoa học cơ bản cũng là một trong những phạm

vi nghiên cứu của nó

EE, CE & CSEE, CE & CS quan hệ với nhau rất khắn khít

EE : Kỹ nghệ điện tử : phần cứngCS : Khoa học máy tính: phần mềm)CE : Kỹ nghệ máy tính : phần cứng & phần mềm

Electrical EngineeringHardware Computer Science

Software

ComputerEngineeringHardware &

Software

EE, CE and CS

HARDWARE VS. SOFTWARE� Quan điểm

� Kỹ sư phần mềm không hiểu biết về phần cứng hoặc� Kỹ sư phần cứng không hiểu biết về phần mềm.

� Điều này không chính xác ! Phần cứng và phần mềm là 2 phần của mộthệ thống máy tính. Hệ thống chỉ có thể hoạt động tốt nhất khi người thiết kế am hiểucả 2 lĩnh vực.

� Kỹ sư phần cứng phải hiểu rõ chương trình và trình biên dịch đểthiết kế vi xử lý hoạt động tối ưu

� Kỹ sư phần mềm phải nắm rõ các khả năng và hạn chế của phầncứng để thiết kế phần mềm hiệu quả nhất

DIGITAL VS. ANALOG� Cassetse vs CD’s� Điện thoại quay số vsCell phone� NTSC vs. HDTV

DIGITAL VS. ANALOG� Analog

� Tín hiệu liên tục về mặt thời gian� Hầu hết các tín hiệu trong thế giới thực là analog

� Digital� Tín hiệu rời rạc về mặt thời gian� Tín hiệu lưu trữ trong máy tính là digital, nhị phân

t

x(t) ……n

x[n]

Analog Signal Digital Signalℜ∈)(, txt Ζ∈][, nxn

CÁC LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU� Mạch tương tự và mạch số� Truyền thông� Xử lý tín hiệu và xử lý ảnh� Hệ thống nhúng� Thiết kế phần cứng

Analog and Digital CircuitsMạch tương tự và mạch số

• Thiết kế và kiểm tra mạch điện tử• Chuyển đổi tương tự -số• Phần mềm vẽ và mô phỏng mạch sử dụng trong

thiết kế mạch• Các thành phần điện tử cơ bản

CommunicationsTruyền thông

• Telephones, Cell phones• Kênh truyền thông (dây dẫn, sóng điện từ), sự khác

nhau giữa các phương pháp truyền thông, tối ưuhóa kênh truyền

• Sự truyền dẫn vật lý của thông tin, mã hoá và giảimã thông tin, mã sửa lỗi…

• Chuyển mạch

Signal and Image ProcessingXử lý tín hiệu và xử lý ảnh• Tiếng nói (Voice), video, biomedical signals• Xử lý tín hiệu trong truyền thông, nén thông

tin, dò tìm tín hiệu• Chuyển đổi tiếng nói sang tín hiệu số• Photos – to GIFs/JPEGs• Điện tim• CDs & DVDs

Embedded SystemsHệ thống nhúng� Vi xử lý & vi điều khiển nhúng� Lập trình cho hệ thống nhúng� Thiết kế máy tính nhúng� Thiết kế các hệ thống điều khiển tự động� Giao diện

Design HardwareThiết kế phần cứng• Mạch số• Ngôn ngữ mô tả phần cứng• Thiết kế, chế tạo chip• Kiểm tra mạch số (testing)

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY TÍNH� Thế hệ -1: The early days (…-1642)� Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945)� Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955)� Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965)� Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980)� Thế hệ 4: VLSI (1980-?)� Thế hệ 5: ?

Thế hệ -1: The early days (…-1642)� Bàn tính, abacus, đã được sử dụng để tính toán. Khái niệm

về giá trị theo vị trí đã được xử dụng

Thế hệ -1: The early days (…-1642)� Codex Madrid - Leonardo Da Vinci (1500)

� Vẽ một cái máy tính cơ khí

Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945)� Blaise Pascal, con trai của một người thu thuế, đã chế

tạo một máy cộng có nhớ vào năm 1642

Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945)� Năm 1801, Joseph-Marie Jacquard đã phát minh ra máy dệt

tự động sử dụng bìa đục lỗ để điều khiển hoạ tiết dệt trên vải� Bìa đục lỗ lưu trữ chương trình: máy đa năng đầu tiên

Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945)� Babbage đã thiết kế một cái máy vi phân Difference Engineđể thay thế toàn bộ bảng tính: máy thực hiện một ứng dụngcụ thể đầu tiên (application specific hard-coded machine)

Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945)� Ada Augusta King, trở

thành lập trình viên đầu tiênvào năm 1842 khi cô viếtchương trình cho AnalyticalEngine, thiết bị thứ 2 củaBabbage

Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945)� Konrad Zuse, Berlin, Đức, phát triển vào năm 1935 máy tính

Z-1 sử dụng rơ le và số nhị phân� Chu kỳ lệnh: 6 giây (0.17 Hz)

Thế hệ 0: Mechanical (1642-1945)� Máy tính cơ điện tự động lớn đa năng đầu tiên là máy

Harvard Mark I ( IBM Automatic Sequence ControlCalculator ), phát minh bởi Howard Aiken vào cuối 1930

� ASCC không phải là máy tính có chương trình lưu trữ sẳnmà các lệnh được ghi vào các băng giấy.

Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955)� 18000 vacuum tubes, 1500 rơ le, 30 tấn, 140 kW, 20 thanh

ghi 10 chữ số thập phân, 100 nghìn phép tính/ giây� “Trong tương lai máy tính sẽ nặng tối đa là 1.5 tấn” (Popular

Mechanics, 1949)

Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955)

� Lập trình thông qua 6000 công tắc nhiều nấc và hàng tấn dây

Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955)� Năm 1946, John von Neumann phát minh ra máy tính có

chương trình lưu trong bộ nhớ� Máy tính của ông gồm có một đơn vị điều khiển, một ALU,

một bộ nhớ chương trình và dữ liệu và sử dụng số nhị phânthay vì số thập phân.

� Máy tính ngày nay đều có cấu trúc von Neumann� ông đặt nền móng cho hiện tượng “von Neumann

bottleneck”, sự không tương thích giữa tốc độ của bộ nhớvới đơn vị xử lý

Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955)� Năm 1948, máy tính có chương trình lưu trữ trong bộ nhớđầu tiên được vận hành tại trường đại học Manchester:Manchester Mark I

Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955)� Năm 1951, máy tính Whirlwind lần đầu tiên sử dụng bộ nhớ

lõi từ (magnetic core memories). Gần đây nguyên lý này đãđược sử dụng lại để chế tạo MRAM ở dạng tích hợp.

Thế hệ 1: Vacuum tubes (1945-1955)� John von Neumann năm 1952 với chiếc máy tính mới của

ông

Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965)� Năm 1947, William Shockley, John Bardeen, and

Walter Brattain phát minh ra transistor

Thế hệ 2: Discrete transistors (1955-1965)� Năm 1955, IBM công bố IBM704, máy tính mainframe sử

dụng tranzistor� Đây là máy tính với phép toán dấu phấy động đầu tiên (5

kFlops, clock: 300 kHz)

Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980)� Năm 1958, Jack St. Clair Kilby of Texas Instruments (Nobel

prize physics, 2000) đưa ra và chứng minh ý tưởng tích hợp1 transistor với các điện trở và tụ điện trên một chip bán dẫnvới kích thước 1 nửa cái kẹp giấy. Đây chính là IC.

Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980)� 7/4/1964 IBM đưa ra System/360, họ máy tính tương thíchđầu tiên của IBM

Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980)

� Năm 1965, DigitalEquipment Corporation, đưara chiếc máy tính mini đầutiên DP-8

Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980)� Năm 1971, Ted Hoff chế tạo Intel 4004 theo đơn đặt hàng

của một công ty Nhật bản để tạo chip sản xuất calculator.Đây là vi xử lý đầu tiên với 2400 transistor (microprocessor,processor-on-a-chip).

� 4 bít dữ liệu, 12 bit địa chỉ

Thế hệ 3: Integrated circuits (1965-1980)� 1973-1974, Edward Roberts, William Yates and Jim

Bybee chế tạo MITS Altair 8800, máy tính cá nhân đầutiên

� Giá $375, 256 bytes of memory, không keyboard, khôngmàn hình và không bộ nhớ ngoài

� Sau đó, Bill Gate và Paul Allen viết chương trình dịchBASIC cho Altair

� Năm 1981, IBM bắt đầu với IBM "PC" sử dụnghệ điều hành DOS.

Thế hệ 4: VLSI (1980-?)

Thế hệ 4: VLSI (1980-?)

Nguồn Intel

Thế hệ 4: VLSI (1980-?)

Nguồn Intel

1-41

SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNHLuật Moore : Cứ sau mỗi 18 tháng số lượng transistortích hợp trong bộ xử lý sẽ tăng lên gấp đôiHệ quả : Tốc độ xử lý của máy tính tăng gấp đôi cứ saumỗi 18 tháng

1-42

MÁY TÍNH TRONG TƯƠNG LAI ?Giới hạn của máy tính quy ước (máy tính hiện nay)- Công nghệ bán dẫn vi điện tử đang tiến dần đến giới hạn vật lý của nó(cỡ 10nm)-Dự kiến thời đại Silic có thể kéo dài đến năm 2020

Máy tính thời kỳ “hậu Silic”- Máy tính lượng tử (quantum computer)- Máy tính sinh học (AND computer)

1-43

MỘT SỐ DỰ BÁO SAI LẦM� “I think there is a world market for maybe fivecomputers,” [Thomas Watson, IBM Chairman, 1943]Tôi nghĩ rằng tương lai trên thế giới sẽ có khoảng 5 máytính

�“640K ought to be enough for anybody,” [Bill Gates,Microsoft Chairman, 1981]640KB là quá đủ cho mọi người

1-44

Universal Computing DeviceTHIẾT BỊ TÍNH TOÁN VẠN NĂNG

Tất cả các máy tính, nếu có đủ thời gian và bộ nhớ đềucó thể tính toán chính xác như nhau

= =PDA Workstation

Máy tính trạm SupercomputerSiêu máy tính

1-45

Alan Turing & Turing Machine� Alan Mathison Turing (1912-1954)

� Nhà toán học, logic học và mật mã họcngười Anh

� Được xem là cha đẻ của ngành khoa họcmáy tính.

� Công thức hóa khái niệm thuật toán vàtính toán với máy Turing

�Turing Machine (Máy Turing)� Mọi điều có thể tính toán được đều có

thể tính toán bằng máy Turing� Máy Turing không phải là một máy tính

thực, nó là 1 mô hình toán học

1-46

Turing Machine (Máy Turing)Mô hình thiết bị tính toán có thể biểu diễn tất cả cácphép tính toán – Alan Turing (1937)

� Có thể đọc/ ghi các ký hiệu trên băng nhớ “vô hạn”� Chuyển trạng thái, dựa trên trạng thái hiện hành và ký

hiệu trên băng nhớTất cả các phép tính toán đều có thể thực hiện bởi 1máy Turing nào đó. (Turing’s thesis)

Tadda,b a+b

Turing machine that adds

Tmula,b ab

Turing machine that multiplies

1-47

Máy Turing vạn năng -Universal Turing MachineTuring mô tả một máy Turing có khả năng cài đặt đểthực hiện tất cả các máy Turing khác nhau.

� inputs: số liệu, mô tả của một phép tính (Turing machine)

Ua,b,c c(a+b)

Universal Turing Machine

Tadd, Tmul

U là một thiết bị khả trình – đó chính là một máy tính• chỉ thị là một phần của dữ liệu đầu vào• 1 computer có thể xem như là 1 Universal Turing Machine,

và ngược lạiK�t lu�n : Máy tính là m�t máy Turing v�n năng

1-48

TỪ LÝ THUYẾT ĐẾN THỰC TIỄNLý thuyết : máy tính có thể giải quyết mọi bài toán có thểtính đượcnếu có đủ bộ nhớ và thời gianThực tế : giải quyết một bài toán dựa trên máy tính bịràng buộc với những yếu tố sau :

� Thời gian� dự báo thời tiết, audio, video, ...

� Giá thành� cell phone, automotive engine controller, ...

� Năng lượng� cell phone, handheld video game, ...

1-49

CÁC LOẠI MÁY TÍNH� Đa dụng : General purpose (universal machines): servers,desktops, laptops, PDAs, ...� Đặc biệt (Special purpose ): máy đếm tiền, ATMs, máy chơigame, tổng đài...� Nhúng (Embedded): xe hơi, cửa tự động, printers, VCRs, dâychuyền công nghiệp, thiết bị y tế….

1.2 PHÂN LOẠI MÁY TÍNH� Máy tính thường phân loại theo tính năng kỹ thuật và

giá tiền:� Các siêu máy tính: máy đắt tiền và kỹ thuật cao� Các máy tính lớn: lag máy tính đa dụng, dùng trong tính

toán khoa học� Các máy tính mini: là máy cở trung.� Máy vi tính: Máy dùng bộ vi xử lý,

1.3 Thông tin và biểu diễn thông tin� Thông tin: là trạng thái xác định ứng với mỗi thờiđiểm.� Trong máy tính: thông tin ứng với trạng thái điện áp cao và

thấp.

1.3.1Lượng thông tin và mã hóa thông tin

� Thông tin được đo lường bằng đơn vị là bit.

� Trong đó: I: là lượng thông tinN: là số trạng thái có thể

� Một bit tương ứng với một chữ số nhị phân� Vậy lượng thông tin là số con số nhị phân cần để biểu diễn trạng

thái có thể.

)(log2 NI =

1.3.2 Biểu diễn các con số� Công thức tổng quát:

� Trong đó: Vk: số cần biểu diễnm: số thự tự của chữ số lẽ (-1 đến –m)n-1: Số thứ tự phần nguyênbi: giá trị chữ số thứ ik: hệ số

∑−−=

=1

.n

mi

iik kbV

1.3.3 Số nguyên có dấu� Bit có trọng số lớn nhất trong chuỗi các số nhị phân là

bit dấu:� 0: là số nguyên dương� 1: là số nguyên âm

Cách biểu diễn bằng trị tuyệt đối� Một từ n bit có bit dn-1 là bit dấu

� Ví dụ: 000110012=(-1)0(1+1*23+1*24)=+25100110012=(-1)1(1+1*23+1*24)=-25

� Như vậy, với dữ liệu 8bit ta chỉ có các số từ -127 đến127

Cách biểu diễn số bù 1.

� Số âm –N được biểu diễn bằng cách đảo bit tất các bitnhị phân của số dương N

� Ví dụ:+2510 =000110012 → -2510=111001102

� Số có 8 bit có thể biểu diễn: -127 đến 127 số có dấu

Cách biểu diễn số bù 2� Số âm –N được biểu diễn bằng cách lấy bù 1 số dương

N cộng 1.� Ví dụ:

+2510=000110012 → 11100110 → -25=111001112� Số có 8 bit có thể biểu diễn: -128 đến 127 số có dấu

1.3.4 Cách biểu diễn số với dấu chấm động

� Biểu diễn theo dấu chấm xác định: 23410 có thể biểu diễn:� 23.4*101 hoặc 2.34*102

� Biểu diễn theo dấu chấm động:

� Trong đó: f là phần lẻ; E là phần mũ

Exffff ±± 2....1

� Theo chuẩn IEEE 754 định nghĩa hai dạng biểu diễn số chấmđộng.� Số chấm động chính xác đơn 32 bit: S(1 bit), mũ E (8bit), phần lẽ f(23 bit)

( ) ( ) ( )1272321 2*,...,,,1*1 −− ES fff

� Số dấu chấm động chính xác kép 64bit:� S(1bit), mũ E (11 bit), phàn lẽ F (52 bit)

( ) ( ) ( )10235221 2*,...,,,1*1 −− ES fff

Các bước chuyển sang kiểu hiển thị dấuchấm động� Ví dụ: chuyển -12.62510 sang kiểu chính xác đơn 32

bit.� B1: Chuyển qua số nhị phân: -12.62510=-1100.1012� B2: Chuẩn hóa :- 1100.1012=-1.1001012x23

� B3: Điền các bit vào trường theo chuẩn:� Số âm bit S=1� Ta có E-127=3→E=130 (1000 00102)

Bài tập� Chuyển 110011012 sang các kiểu biểu diễn:

� Trị tuyệt đối� Số bù 1� Số bù 2

� Chuyển -12.62510 sang kiểu chính xác kép 32 bit.� Chuyển số (n.75) sang dấu chấm động chính xác đơn 32 bit. Với n là hai số

cuối của mã sinh viên.� Hãy nêu đặc trưng cơ bản của các thế hệ máy tính.� Hãy tính lượng thông tin máy tính có thể biểu diễn với số trạng thái là 2048.� Hãy chuyển số biểu diễn số chấm động chính xác đơn sau về dạng số thập

phân:� 0.11110110.11010111000000000000000

1.3.5 Biểu diễn các ký tự� Tùy theo các hệ thống khác nhau có thể sử dụng các

bảng mã khác nhau: ASCII, EBCDIC, UNICODE…