Đề 14 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Kiến trúc máy tính

ROM (Read-Only Memory) là loại bộ nhớ chỉ đọc, dữ liệu được ghi vào ROM khi sản xuất và thường không thể sửa đổi sau này (hoặc rất khó). ROM thường được dùng để lưu trữ firmware, BIOS (Basic Input/Output System), và các chương trình khởi động hệ thống vì chúng cần phải được giữ nguyên khi tắt máy và không bị người dùng sửa đổi.

Trong kiến trúc client-server, có một máy chủ trung tâm cung cấp dịch vụ và dữ liệu cho nhiều máy khách (clients). Trong kiến trúc peer-to-peer (P2P), không có máy chủ trung tâm, các máy tính (peers) ngang hàng nhau, vừa là máy khách vừa là máy chủ, trực tiếp chia sẻ tài nguyên và dữ liệu với nhau.

Pipelining là kỹ thuật cho phép CPU thực hiện nhiều lệnh đồng thời ở các giai đoạn khác nhau (ví dụ: nạp lệnh, giải mã, thực hiện, ghi kết quả). Điều này giúp tăng số lượng lệnh được thực thi trong một đơn vị thời gian, hay còn gọi là tăng thông lượng lệnh.

Ngắt là cơ chế cho phép các thiết bị ngoại vi (như bàn phím, chuột, ổ cứng) hoặc các sự kiện bên ngoài (như hết thời gian, lỗi) tạm dừng hoạt động hiện tại của CPU để xử lý các yêu cầu ưu tiên cao hơn. Sau khi xử lý ngắt xong, CPU sẽ quay lại công việc đang dở dang.

Điểm khác biệt chính giữa kiến trúc Von Neumann và Harvard là cách tổ chức bộ nhớ. Von Neumann dùng chung một không gian bộ nhớ và đường truyền cho cả dữ liệu và lệnh. Harvard tách biệt bộ nhớ và đường truyền cho dữ liệu và lệnh, cho phép truy xuất đồng thời cả hai.

TLB (Translation Lookaside Buffer) là một bộ nhớ cache nhỏ, tốc độ cao nằm trong MMU (Memory Management Unit), dùng để lưu trữ các ánh xạ gần đây nhất giữa địa chỉ logic (ảo) và địa chỉ vật lý. Khi CPU cần dịch địa chỉ, TLB được kiểm tra trước. Nếu tìm thấy ánh xạ (TLB hit), việc dịch địa chỉ diễn ra rất nhanh. Nếu không tìm thấy (TLB miss), phải truy cập bảng trang trong bộ nhớ chính, chậm hơn nhiều.

Thanh ghi là bộ nhớ cực kỳ nhỏ và nhanh nằm ngay trong CPU. Chúng được sử dụng để lưu trữ tạm thời dữ liệu, địa chỉ và lệnh mà CPU đang thực hiện hoặc sắp thực hiện, giúp CPU truy cập dữ liệu cực nhanh, tăng tốc độ xử lý.

Trong kiến trúc UMA (Uniform Memory Access), tất cả các CPU truy cập bộ nhớ chính qua cùng một bus, thời gian truy cập bộ nhớ là đồng đều cho tất cả CPU. Trong kiến trúc NUMA (Non-Uniform Memory Access), bộ nhớ được phân chia thành các nút (nodes), mỗi nút có CPU và bộ nhớ cục bộ. CPU truy cập bộ nhớ cục bộ nhanh hơn so với bộ nhớ của các nút khác, dẫn đến thời gian truy cập bộ nhớ không đồng đều.

Endianness quy định thứ tự byte được lưu trữ trong bộ nhớ cho các kiểu dữ liệu có kích thước lớn hơn một byte (ví dụ: số nguyên 32-bit, 64-bit). Little-Endian lưu byte có trọng số nhỏ nhất (LSB) ở địa chỉ thấp nhất, Big-Endian lưu byte có trọng số lớn nhất (MSB) ở địa chỉ thấp nhất. Sự khác biệt này quan trọng khi trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống có endianness khác nhau.

Kiến trúc đa nhân tích hợp nhiều nhân xử lý (cores) trên một chip duy nhất. Điều này cho phép máy tính thực hiện song song nhiều tác vụ hoặc nhiều luồng của một tác vụ cùng một lúc, giúp tăng hiệu suất xử lý tổng thể, đặc biệt trong các ứng dụng đa nhiệm hoặc ứng dụng đòi hỏi tính toán song song.

Không gian địa chỉ (address space) là tập hợp tất cả các địa chỉ bộ nhớ mà CPU có thể tạo ra và truy cập. Kích thước không gian địa chỉ phụ thuộc vào số bit của bus địa chỉ. Ví dụ, bus địa chỉ 32-bit tạo ra không gian địa chỉ 2^32 byte (4GB).

DMA (Direct Memory Access) cho phép các thiết bị ngoại vi truyền dữ liệu trực tiếp đến hoặc từ bộ nhớ chính mà không cần sự can thiệp của CPU sau khi khởi tạo. Điều này giúp giảm đáng kể gánh nặng cho CPU trong các hoạt động truyền dữ liệu lớn (ví dụ: đọc/ghi ổ cứng, truyền dữ liệu mạng).

CISC (Complex Instruction Set Computer) như x86 nổi bật với tập lệnh phức tạp, nhiều lệnh có thể thực hiện nhiều thao tác phức tạp chỉ trong một lệnh, và hỗ trợ nhiều chế độ địa chỉ. RISC (Reduced Instruction Set Computer) ngược lại, có tập lệnh đơn giản hơn, ít lệnh hơn, và tập trung vào việc thực thi lệnh nhanh chóng.

Bus arbitration (phân xử bus) là cơ chế giải quyết xung đột khi có nhiều thiết bị (ví dụ: CPU, DMA controller, thiết bị ngoại vi) muốn sử dụng bus hệ thống cùng một lúc. Cần có cơ chế này để đảm bảo chỉ có một thiết bị được quyền truyền dữ liệu trên bus tại một thời điểm, tránh gây ra lỗi và đảm bảo hoạt động đúng đắn của hệ thống.

Bus hệ thống là tập hợp các đường dây dẫn điện được sử dụng để truyền dữ liệu, địa chỉ và tín hiệu điều khiển giữa CPU, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi trong hệ thống máy tính.

Bộ nhớ cache hoạt động hiệu quả nhờ nguyên tắc cục bộ, tức là dữ liệu và lệnh mà CPU vừa sử dụng hoặc có khả năng sử dụng trong tương lai gần sẽ được lưu trữ trong cache. Nguyên tắc này có hai dạng: cục bộ về thời gian (dữ liệu vừa dùng sẽ sớm được dùng lại) và cục bộ về không gian (dữ liệu gần vị trí dữ liệu vừa dùng cũng có khả năng được dùng).

Trong hệ thống đa xử lý (multi-processor), mỗi CPU thường có bộ nhớ cache riêng. Nếu nhiều CPU truy cập và sửa đổi cùng một vùng dữ liệu trong bộ nhớ chính, các bản sao dữ liệu trong cache của các CPU có thể trở nên không nhất quán (cache coherence problem). Cần có các giao thức cache coherence để đảm bảo tính nhất quán dữ liệu giữa các cache.

Kích thước từ (word size) là số bit dữ liệu mà CPU có thể xử lý trong một chu kỳ máy. Ví dụ, CPU 32-bit có kích thước từ là 32 bit, và CPU 64-bit có kích thước từ là 64 bit. Kích thước từ ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý dữ liệu và địa chỉ bộ nhớ mà CPU có thể quản lý.

Trong phương pháp polling, CPU liên tục kiểm tra trạng thái của thiết bị I/O để xem có dữ liệu sẵn sàng hay cần phục vụ không, gây lãng phí chu kỳ CPU khi thiết bị không hoạt động. Interrupt-driven I/O cho phép thiết bị I/O gửi tín hiệu ngắt đến CPU khi cần phục vụ, CPU chỉ can thiệp khi có yêu cầu thực sự, giúp tiết kiệm tài nguyên CPU và hiệu quả hơn.

Bộ nhớ flash là loại bộ nhớ không bay hơi (dữ liệu được giữ lại khi mất điện), có thể ghi và xóa bằng điện, tốc độ truy cập nhanh hơn ổ cứng truyền thống nhưng chậm hơn RAM. Flash memory tiêu thụ ít điện năng và có độ bền cao, được sử dụng rộng rãi trong SSD, USB drive, thẻ nhớ, và firmware.

Paging (phân trang) là kỹ thuật quản lý bộ nhớ ảo chia bộ nhớ vật lý (RAM) thành các khối kích thước cố định gọi là trang (frames), và bộ nhớ logic (ảo) thành các khối tương ứng gọi là trang (pages). Điều này giúp quản lý bộ nhớ hiệu quả hơn, cho phép chạy các chương trình lớn hơn dung lượng RAM vật lý và hỗ trợ đa nhiệm tốt hơn.

Bộ nhớ kênh đôi và kênh tư tăng băng thông bộ nhớ bằng cách sử dụng nhiều kênh giao tiếp đồng thời giữa bộ nhớ và bộ điều khiển bộ nhớ. Kênh đôi có băng thông gấp đôi kênh đơn, kênh tư có băng thông gấp tư. Điều này cải thiện hiệu suất, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi băng thông bộ nhớ lớn (ví dụ: đồ họa, game, xử lý video).

Kiến trúc siêu vô hướng (superscalar) là một kỹ thuật thiết kế CPU cho phép thực hiện nhiều lệnh đồng thời trong một chu kỳ xung nhịp. Điều này đạt được bằng cách sử dụng nhiều đơn vị thực thi (ví dụ: nhiều ALU) và các kỹ thuật khác để khai thác tính song song ở mức lệnh.

Bộ điều khiển (Control Unit) là trung tâm điều khiển của CPU, chịu trách nhiệm lấy lệnh từ bộ nhớ, giải mã lệnh, và phát ra các tín hiệu điều khiển đến các bộ phận khác (ALU, thanh ghi, bộ nhớ) để thực hiện lệnh đó.

Bộ nhớ đệm (buffer) là vùng nhớ tạm thời được sử dụng để lưu trữ dữ liệu trong quá trình truyền dữ liệu giữa các thành phần có tốc độ khác nhau (ví dụ: giữa CPU và thiết bị ngoại vi), hoặc để điều phối dữ liệu, tránh tình trạng quá tải hoặc mất dữ liệu. Buffer giúp làm trơn quá trình truyền dữ liệu và cải thiện hiệu suất tổng thể.

Bộ nhớ chính (RAM) là bộ nhớ ngoài của CPU, dùng để lưu trữ dữ liệu và chương trình mà CPU đang xử lý, nhưng nó không nằm trong CPU. ALU, Bộ điều khiển và thanh ghi là các thành phần cốt lõi bên trong CPU.

Địa chỉ logic (ảo) là địa chỉ mà chương trình sử dụng, nó được ánh xạ tới địa chỉ vật lý (thực) trên bộ nhớ RAM thông qua cơ chế quản lý bộ nhớ của hệ điều hành và phần cứng (MMU - Memory Management Unit). Địa chỉ vật lý là địa chỉ thực tế của ô nhớ trên chip RAM.

Hệ thống bộ nhớ phân cấp được sắp xếp theo tốc độ truy cập và chi phí. Thanh ghi là nhanh nhất và đắt nhất, sau đó đến bộ nhớ cache (L1, L2, L3...), bộ nhớ chính (RAM), và cuối cùng là bộ nhớ thứ cấp (ổ cứng, SSD) chậm nhất và rẻ nhất.

Cache hit xảy ra khi CPU tìm thấy dữ liệu cần thiết trong bộ nhớ cache, giúp truy cập nhanh chóng. Cache miss xảy ra khi dữ liệu không có trong cache, CPU phải truy cập bộ nhớ chính (RAM) chậm hơn để lấy dữ liệu, sau đó có thể đưa dữ liệu đó vào cache cho lần truy cập sau.

Flynn`s Taxonomy phân loại kiến trúc máy tính dựa trên số lượng luồng điều khiển (instruction streams) và luồng dữ liệu (data streams) được xử lý đồng thời. Bốn loại chính là SISD (Single Instruction, Single Data), SIMD (Single Instruction, Multiple Data), MISD (Multiple Instruction, Single Data), và MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data).