Đề 8 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Kiến trúc máy tính

Kiến trúc siêu vô hướng (superscalar) sử dụng nhiều đơn vị thực thi (ví dụ: nhiều ALU) song song trong CPU. Điều này cho phép CPU thực hiện nhiều lệnh độc lập trong cùng một chu kỳ xung nhịp, tăng hiệu suất xử lý lệnh song song.

CUDA core (NVIDIA) hoặc Stream processor (AMD) là các đơn vị xử lý song song trong GPU. GPU có hàng ngàn core này để thực hiện đồng thời nhiều phép toán trên dữ liệu đồ họa (vertex, pixel, texture...), rất hiệu quả cho các tác vụ tính toán song song lớn như đồ họa, machine learning, tính toán khoa học.

Thanh ghi là loại bộ nhớ có tốc độ truy cập nhanh nhất vì nó nằm ngay trong CPU và sử dụng công nghệ bộ nhớ tĩnh (SRAM) hoặc tương tự. Thứ tự tốc độ từ nhanh đến chậm thường là: Thanh ghi > Cache > RAM > SSD > HDD.

Thiết bị IoT thường hoạt động trong môi trường hạn chế về năng lượng (pin) và không gian. Do đó, kiến trúc của chúng thường được tối ưu hóa cho tiêu thụ điện năng cực thấp, kích thước nhỏ gọn, và chi phí thấp, thay vì hiệu suất xử lý cao nhất.

Pipelining là kỹ thuật cho phép nhiều lệnh được thực thi ở các giai đoạn khác nhau đồng thời (giai đoạn nạp lệnh, giải mã, thực thi, ghi kết quả...). Điều này giúp tăng số lượng lệnh hoàn thành trong một đơn vị thời gian (thông lượng lệnh) mà không nhất thiết phải tăng tần số xung nhịp.

Đánh địa chỉ thanh ghi tương đối (Register relative addressing) tính địa chỉ bộ nhớ bằng cách cộng một giá trị offset (thường là hằng số) với giá trị trong một thanh ghi cơ sở (base register). Nó hữu ích cho việc truy cập các biến cục bộ trong ngăn xếp hoặc cấu trúc dữ liệu.

Nút cổ chai (bottleneck) là thành phần trong hệ thống có hiệu suất thấp hơn đáng kể so với các thành phần khác, do đó nó giới hạn hiệu suất tổng thể của toàn hệ thống. Việc xác định và giải quyết các nút cổ chai là quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất.

Interrupt (ngắt) là tín hiệu từ phần cứng hoặc phần mềm báo hiệu cho CPU biết rằng có một sự kiện cần được xử lý ưu tiên (ví dụ: thiết bị ngoại vi yêu cầu dịch vụ, lỗi phần mềm...). CPU sẽ tạm dừng công việc hiện tại để xử lý ngắt, sau đó quay lại công việc ban đầu.

Bộ nhớ phân cấp được sắp xếp theo tốc độ và dung lượng. Bộ nhớ thứ cấp (ví dụ: ổ cứng HDD, SSD) nằm ở cấp thấp nhất, có tốc độ truy cập chậm nhất nhưng dung lượng lưu trữ lớn nhất và giá thành trên mỗi đơn vị dung lượng rẻ nhất.

Bit chẵn lẻ là một bit phụ được thêm vào mỗi byte dữ liệu để kiểm tra tính chẵn lẻ (hoặc lẻ) của số lượng bit 1. Nó được dùng để phát hiện lỗi đơn bit (một bit bị thay đổi giá trị) trong quá trình truyền hoặc lưu trữ dữ liệu, giúp đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu.

TLB (Translation Lookaside Buffer) là một cache đặc biệt trong MMU (Memory Management Unit) được sử dụng để lưu trữ các ánh xạ địa chỉ bộ nhớ ảo sang địa chỉ vật lý đã được dịch gần đây. Khi CPU cần chuyển đổi địa chỉ, nó sẽ kiểm tra TLB trước. Nếu tìm thấy, quá trình chuyển đổi địa chỉ sẽ nhanh hơn đáng kể.

RAID (Redundant Array of Independent Disks) là một công nghệ kết hợp nhiều ổ đĩa vật lý thành một đơn vị logic để tăng hiệu suất, độ tin cậy, hoặc cả hai. Mục tiêu chính thường là tăng khả năng chịu lỗi (dữ liệu vẫn an toàn khi một hoặc nhiều ổ đĩa hỏng) và/hoặc tăng tốc độ đọc/ghi dữ liệu.

Endianness (thứ tự byte) xác định thứ tự các byte của một giá trị đa byte (ví dụ: số nguyên 32-bit) được lưu trữ trong bộ nhớ. Có hai loại phổ biến: Little-endian (byte ít quan trọng nhất lưu trữ ở địa chỉ thấp nhất) và Big-endian (byte quan trọng nhất lưu trữ ở địa chỉ thấp nhất).

Kiến trúc Von Neumann sử dụng một không gian bộ nhớ duy nhất để lưu trữ cả dữ liệu và lệnh, trong khi kiến trúc Harvard có bộ nhớ riêng biệt cho dữ liệu và lệnh. Đây là điểm khác biệt cốt lõi, ảnh hưởng đến cách thức CPU truy cập và xử lý thông tin.

Trong hệ thống đa bộ xử lý, mỗi CPU có thể có cache riêng. Cache coherence đảm bảo rằng nếu một CPU thay đổi dữ liệu trong cache của nó, các CPU khác sử dụng cùng dữ liệu đó (trong cache của họ hoặc bộ nhớ chính) sẽ được cập nhật để duy trì tính nhất quán dữ liệu.

Đơn vị logic học và số học (ALU - Arithmetic Logic Unit) là thành phần của CPU thực hiện các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia...) và logic (AND, OR, NOT...). Bộ điều khiển điều phối hoạt động, Cache và Register là các loại bộ nhớ.

Bộ nhớ cache tận dụng cả locality không gian (dữ liệu gần nhau về địa chỉ 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) để dự đoán và lưu trữ dữ liệu, tăng tốc độ truy cập.

Bộ nhớ flash là bộ nhớ không khả biến, nghĩa là nó giữ được dữ liệu ngay cả khi mất điện, khác với RAM là bộ nhớ khả biến, mất dữ liệu khi mất điện. SSD dùng flash để lưu trữ dữ liệu lâu dài, trong khi RAM dùng làm bộ nhớ chính cho hoạt động hiện tại.

DMA (Direct Memory Access) là một kỹ thuật cho phép các thiết bị ngoại vi (ví dụ: card đồ họa, card âm thanh) truyền dữ liệu trực tiếp đến hoặc từ bộ nhớ chính mà không cần sự can thiệp liên tục của CPU. Điều này giúp giảm tải cho CPU và tăng hiệu suất hệ thống.

RAM (Random Access Memory), đặc biệt là DRAM (Dynamic RAM), thường được sử dụng làm bộ nhớ chính vì khả năng đọc/ghi nhanh và dung lượng lớn với chi phí hợp lý. Cache nhanh hơn nhưng đắt và dung lượng nhỏ, ROM chỉ đọc, SSD là bộ nhớ thứ cấp.

MMU (Memory Management Unit) là một phần cứng chuyên dụng trong CPU hoặc chipset, chịu trách nhiệm quản lý bộ nhớ ảo. Nó thực hiện việc ánh xạ và chuyển đổi địa chỉ bộ nhớ ảo do chương trình sử dụng thành địa chỉ vật lý thực tế trong RAM.

Kiến trúc NUMA (Non-Uniform Memory Access) được sử dụng trong hệ thống đa bộ xử lý mà mỗi CPU có bộ nhớ cục bộ riêng, và cũng có thể truy cập bộ nhớ của các CPU khác. NUMA giải quyết vấn đề độ trễ truy cập bộ nhớ không đồng đều: truy cập bộ nhớ cục bộ nhanh hơn truy cập bộ nhớ không cục bộ.

Framebuffer là một vùng bộ nhớ video (VRAM) được GPU sử dụng để lưu trữ dữ liệu hình ảnh (pixel data) sẽ được hiển thị trên màn hình. Nội dung của framebuffer liên tục được quét ra màn hình để hiển thị hình ảnh động.

Định luật Amdahl chỉ ra rằng hiệu suất tăng lên khi song song hóa chương trình bị giới hạn bởi phần tuần tự của chương trình. Dù có tăng số lượng bộ xử lý lên bao nhiêu, phần tuần tự vẫn phải thực hiện tuần tự, và sẽ trở thành nút cổ chai giới hạn hiệu suất tổng thể.

CISC (Complex Instruction Set Computing) sử dụng tập lệnh phức tạp, mỗi lệnh có thể thực hiện nhiều thao tác phức tạp. RISC (Reduced Instruction Set Computing) sử dụng tập lệnh đơn giản, mỗi lệnh thực hiện một thao tác cơ bản. RISC thường nhanh hơn và hiệu quả hơn trong nhiều trường hợp.

Kích thước từ (word size) xác định số bit dữ liệu mà CPU có thể xử lý đồng thời trong một đơn vị thời gian (thường là một chu kỳ xung nhịp). Ví dụ, CPU 32-bit có kích thước từ 32 bit, CPU 64-bit có kích thước từ 64 bit. Kích thước từ lớn hơn thường cho phép xử lý dữ liệu hiệu quả hơn.

CPU đa nhân chứa nhiều nhân xử lý độc lập trên cùng một chip. Điều này cho phép thực hiện song song nhiều tác vụ hoặc luồng, cải thiện hiệu suất đáng kể trong các ứng dụng đa nhiệm hoặc ứng dụng tận dụng được khả năng song song.

Thanh ghi là bộ nhớ cực nhanh, dung lượng nhỏ, nằm ngay trong CPU. Chúng được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và lệnh đang được CPU xử lý ngay lập tức, giúp tăng tốc độ truy cập so với việc truy cập bộ nhớ chính.

Bus hệ thống là tập hợp các đường dẫn vật lý dùng để truyền dữ liệu, địa chỉ và tín hiệu điều khiển giữa CPU, bộ nhớ chính, và các thiết bị ngoại vi. Nó đóng vai trò đường giao thông chính trong hệ thống máy tính.

Ảo hóa (virtualization) cho phép tạo ra các máy ảo (virtual machines - VMs) chạy trên một phần cứng vật lý duy nhất. Mỗi VM có thể chạy một hệ điều hành và ứng dụng riêng biệt, cho phép sử dụng hiệu quả hơn tài nguyên phần cứng và linh hoạt trong quản lý hệ thống.