Đề 4 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Kiến trúc máy tính

Bộ nhớ cache tận dụng locality không gian (dữ liệu gần nhau về mặt vị trí bộ nhớ có xu hướng được truy cập cùng nhau) và locality thời gian (dữ liệu vừa được truy cập có khả năng cao sẽ được truy cập lại trong tương lai gần).

Bộ nhớ ROM (Read-Only Memory) được sử dụng để lưu trữ firmware, BIOS/UEFI (chương trình khởi động) và các dữ liệu cố định khác cần thiết cho quá trình khởi động và hoạt động cơ bản của hệ thống, dữ liệu trong ROM không bị mất khi tắt nguồn.

Bộ nhớ flash (flash memory) là loại bộ nhớ không bay hơi (non-volatile) có thể lập trình và xóa bằng điện, thường được sử dụng để xây dựng ổ cứng thể rắn (SSD), USB drive, thẻ nhớ SD... nhờ ưu điểm tốc độ đọc ghi nhanh, kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ điện năng thấp.

Pipelining là kỹ thuật cho phép thực hiện đồng thời các giai đoạn khác nhau của nhiều lệnh (ví dụ: lệnh 1 đang ở giai đoạn giải mã, lệnh 2 đang ở giai đoạn tìm nạp), từ đó tăng thông lượng lệnh và hiệu suất tổng thể.

Bộ nhớ cache L2 thường chậm hơn và có dung lượng lớn hơn bộ nhớ cache L1. L2 đóng vai trò là bộ đệm trung gian giữa L1 và bộ nhớ chính, giúp giảm độ trễ khi truy cập bộ nhớ chính.

Bộ nhớ cache L1 là bộ nhớ cache nhanh nhất, nằm gần CPU nhất và có chi phí trên mỗi bit cao nhất do sử dụng công nghệ bộ nhớ nhanh và phức tạp.

Ngắt (interrupt) là cơ chế cho phép các thiết bị ngoại vi hoặc phần mềm báo hiệu cho CPU về các sự kiện cần xử lý (ví dụ: hoàn thành thao tác I/O, lỗi phần cứng), giúp hệ thống phản ứng kịp thời với các sự kiện không đồng bộ.

Throughput (thông lượng) là thước đo hiệu suất của hệ thống máy tính, thường được định nghĩa là số lượng công việc (ví dụ: lệnh, giao dịch) được hoàn thành trong một đơn vị thời gian, ví dụ như MIPS (Millions of Instructions Per Second).

Bộ nhớ ảo (virtual memory) sử dụng một phần không gian ổ cứng (HDD hoặc SSD) làm bộ nhớ mở rộng cho bộ nhớ chính (RAM), cho phép hệ thống chạy các chương trình lớn hơn dung lượng RAM vật lý.

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU), đặc biệt là đơn vị số học và logic (ALU) bên trong CPU, thực hiện các phép tính số học và logic theo lệnh của chương trình.

Thanh ghi (register) là bộ nhớ tốc độ cao, dung lượng nhỏ nằm trong CPU, được sử dụng để lưu trữ tạm thời dữ liệu và lệnh đang được CPU xử lý, giúp truy cập dữ liệu nhanh chóng và tăng tốc độ thực thi chương trình.

Chu kỳ lệnh (instruction cycle) thường bao gồm các giai đoạn cơ bản: Fetch (tìm nạp lệnh), Decode (giải mã lệnh), Execute (thực hiện lệnh), Memory Access (truy cập bộ nhớ nếu cần), Write Back (ghi kết quả trở lại thanh ghi).

Bus đồng bộ (synchronous bus) sử dụng tín hiệu xung nhịp chung để đồng bộ hóa hoạt động truyền dữ liệu giữa các thành phần, giúp thiết kế và điều khiển bus đơn giản hơn, nhưng tốc độ bị giới hạn bởi thiết bị chậm nhất trên bus.

Scalability (khả năng mở rộng) là khả năng của một hệ thống máy tính để tăng hiệu suất khi tài nguyên (ví dụ: số lượng CPU, bộ nhớ, băng thông mạng) được thêm vào. Một hệ thống có khả năng mở rộng tốt có thể tận dụng hiệu quả các tài nguyên gia tăng để đáp ứng nhu cầu tính toán ngày càng cao.

Cache miss xảy ra khi CPU cố gắng truy cập dữ liệu, nhưng dữ liệu đó không có trong bộ nhớ cache. Khi cache miss xảy ra, CPU phải truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ cấp thấp hơn (thường là bộ nhớ chính), tốn nhiều thời gian hơn so với truy cập cache.

Bus địa chỉ (address bus) được sử dụng để CPU gửi địa chỉ bộ nhớ hoặc địa chỉ thiết bị ngoại vi đến bộ nhớ hoặc các thiết bị ngoại vi, xác định vị trí mà CPU muốn đọc hoặc ghi dữ liệu.

Kiến trúc đa nhân (multi-core) tích hợp nhiều lõi xử lý trên một chip duy nhất, cho phép thực hiện song song nhiều luồng (threads) hoặc tiến trình (processes), từ đó tăng hiệu suất xử lý, đặc biệt trong các ứng dụng đa nhiệm và song song.

Trong kiến trúc máy tính, `word` (từ) là đơn vị dữ liệu cơ bản mà CPU có thể xử lý trong một chu kỳ, kích thước word phụ thuộc vào kiến trúc CPU (ví dụ: 32-bit, 64-bit).

Kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer) tập trung vào việc sử dụng một tập lệnh nhỏ, đơn giản, với thời gian thực hiện mỗi lệnh cố định, nhằm tối ưu hóa hiệu suất thông qua việc thực hiện lệnh nhanh và hiệu quả, thường kết hợp với kỹ thuật pipeline.

Kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computer) đặc trưng bởi tập lệnh lớn và phức tạp, với nhiều lệnh có thể thực hiện các thao tác phức tạp trực tiếp, nhưng có thể dẫn đến thời gian thực hiện lệnh không đồng đều và thiết kế CPU phức tạp hơn.

Đơn vị điều khiển (CU - Control Unit) có chức năng chính là giải mã các lệnh được nạp từ bộ nhớ và phát ra các tín hiệu điều khiển để các thành phần khác của CPU (ALU, register file, bộ nhớ cache...) phối hợp thực hiện lệnh.

DMA (Direct Memory Access) cho phép các thiết bị ngoại vi tốc độ cao như card đồ họa, ổ cứng, card mạng... truy cập trực tiếp vào bộ nhớ chính để truyền dữ liệu, giảm tải cho CPU và tăng hiệu suất hệ thống, đặc biệt trong các hoạt động I/O lớn.

Branch prediction (dự đoán rẽ nhánh) là kỹ thuật được sử dụng trong pipeline để dự đoán kết quả của lệnh rẽ nhánh (điều kiện đúng hay sai) trước khi lệnh được thực hiện. Dự đoán đúng giúp tránh pipeline stall do phải chờ đợi kết quả rẽ nhánh để nạp lệnh tiếp theo.

Polling (thăm dò) là phương pháp CPU liên tục truy vấn trạng thái của thiết bị ngoại vi trong một vòng lặp để kiểm tra xem thiết bị đã sẵn sàng cho hoạt động I/O chưa. Phương pháp này đơn giản nhưng có thể lãng phí chu kỳ CPU nếu thiết bị chưa sẵn sàng.

Bộ nhớ DDR (Double Data Rate) tăng gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu so với SDR (Single Data Rate) bằng cách truyền dữ liệu trên cả cạnh lên và cạnh xuống của xung nhịp, do đó tăng hiệu suất bộ nhớ chính.

Bus hệ thống (system bus) là tập hợp các bus điều khiển, địa chỉ và dữ liệu, hoạt động cùng nhau để kết nối CPU, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi chính trong hệ thống.

Kiến trúc Von Neumann sử dụng một không gian địa chỉ bộ nhớ duy nhất để lưu trữ cả dữ liệu và lệnh, điều này đơn giản hóa thiết kế nhưng có thể tạo ra `nút thắt cổ chai Von Neumann`.

Memory interleaving (xen kẽ bộ nhớ) là kỹ thuật chia bộ nhớ thành nhiều module (bank) và sắp xếp địa chỉ bộ nhớ sao cho các truy cập bộ nhớ tuần tự được phân tán trên các module khác nhau, cho phép truy cập song song và tăng băng thông bộ nhớ.

Bus điều khiển (control bus) mang các tín hiệu điều khiển và trạng thái từ CPU đến bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi, và ngược lại. Các tín hiệu điều khiển bao gồm tín hiệu đọc/ghi bộ nhớ, yêu cầu ngắt, tín hiệu xung nhịp, v.v.

Kiến trúc Harvard sử dụng bộ nhớ và bus riêng biệt cho dữ liệu và lệnh, cho phép truy cập đồng thời cả lệnh và dữ liệu, khắc phục `nút thắt cổ chai Von Neumann` và tăng hiệu suất trong một số ứng dụng, đặc biệt là xử lý tín hiệu số (DSP).