Đề 1 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Kiến trúc máy tính

Cache coherence (tính nhất quán cache) là vấn đề xảy ra trong hệ thống đa xử lý khi nhiều CPU có bộ nhớ cache riêng và cùng chia sẻ bộ nhớ chính. Nếu nhiều CPU cùng cache một khối dữ liệu từ bộ nhớ chính và một CPU sửa đổi dữ liệu đó trong cache của nó, các cache khác có thể chứa dữ liệu cũ, không nhất quán. Các giao thức cache coherence được sử dụng để đảm bảo tính nhất quán dữ liệu giữa các cache.

RAID 0 (striping) chia dữ liệu thành các khối và phân tán chúng đều trên nhiều ổ đĩa. Điều này giúp tăng tốc độ đọc/ghi dữ liệu vì có thể đọc/ghi đồng thời từ nhiều ổ đĩa. Tuy nhiên, RAID 0 không cung cấp khả năng chịu lỗi; nếu một ổ đĩa trong mảng RAID 0 bị hỏng, toàn bộ dữ liệu sẽ mất.

DMA (Direct Memory Access) cho phép thiết bị ngoại vi (ví dụ: ổ cứng, card mạng) truyền dữ liệu trực tiếp đến hoặc từ bộ nhớ chính mà không cần CPU phải trung gian cho mỗi byte dữ liệu. Điều này giải phóng CPU khỏi các tác vụ truyền dữ liệu lặp đi lặp lại, tăng hiệu suất hệ thống.

Bus địa chỉ mang thông tin về địa chỉ bộ nhớ mà CPU muốn đọc hoặc ghi dữ liệu. Bus dữ liệu dùng để truyền tải dữ liệu thực tế, và bus điều khiển để điều khiển hoạt động.

ARM (Advanced RISC Machines) là một họ kiến trúc CPU RISC (Reduced Instruction Set Computer) rất phổ biến trong các hệ thống nhúng, thiết bị di động, và các ứng dụng tiêu thụ điện năng thấp. ARM nổi tiếng với hiệu năng trên watt tốt, phù hợp cho các thiết bị di động và IoT.

Thanh ghi CPU là bộ nhớ nhanh nhất và nhỏ nhất, nằm ngay trong CPU. Bộ nhớ cache L1 nhanh hơn L2 và L3 nhưng nhỏ hơn. RAM chậm hơn cache nhưng dung lượng lớn hơn. Ổ cứng SSD là bộ nhớ thứ cấp, chậm nhất nhưng dung lượng lớn nhất.

PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) là giao thức bus tốc độ cao được thiết kế để kết nối các thiết bị ngoại vi hiệu năng cao như card đồ họa, card mạng, và SSD NVMe với chipset. USB thường dùng cho các thiết bị ngoại vi chậm hơn. SATA chủ yếu cho ổ cứng và SSD. IDE là chuẩn cũ đã lỗi thời.

Bộ nhớ ảo (Virtual Memory) sử dụng một phần không gian lưu trữ trên ổ cứng làm bộ nhớ mở rộng cho RAM. Khi RAM đầy, một số trang dữ liệu ít được sử dụng sẽ được chuyển từ RAM sang ổ cứng (swap out), và khi cần, chúng sẽ được chuyển ngược lại vào RAM (swap in). Điều này cho phép chạy các chương trình lớn hơn RAM vật lý.

FPGA (Field-Programmable Gate Array) là một loại mạch tích hợp số có thể được cấu hình lại bởi người dùng sau khi đã sản xuất. FPGA bao gồm một mảng lớn các khối logic có thể lập trình và các kết nối lập trình được. Điều này cho phép FPGA được tùy biến để thực hiện các chức năng phần cứng khác nhau, rất linh hoạt cho các ứng dụng chuyên biệt.

FLOPS (Floating-point Operations Per Second) đo số lượng phép toán dấu chấm động mà CPU có thể thực hiện trong một giây, thể hiện hiệu năng xử lý số thực. MIPS đo số triệu lệnh mỗi giây, CPI đo số xung nhịp trung bình trên mỗi lệnh, và Clock speed là tần số xung nhịp.

SSD sử dụng bộ nhớ flash, là loại bộ nhớ bán dẫn không bay hơi. Ưu điểm chính của SSD so với HDD là không có bộ phận chuyển động cơ học, giúp chống sốc, hoạt động êm ái, và có tốc độ truy cập ngẫu nhiên nhanh hơn nhiều. Tốc độ truy cập tuần tự của SSD cũng thường nhanh hơn HDD, nhưng ưu điểm nổi bật nhất là độ bền và tốc độ truy cập ngẫu nhiên.

Ngắt (Interrupt) là một tín hiệu từ phần cứng hoặc phần mềm báo cho CPU biết rằng có một sự kiện quan trọng cần được xử lý ngay lập tức (ví dụ: thiết bị ngoại vi yêu cầu dịch vụ, lỗi xảy ra). CPU sẽ tạm dừng công việc hiện tại để xử lý ngắt thông qua chương trình xử lý ngắt (Interrupt Handler).

Bottleneck (nút cổ chai) là thành phần trong hệ thống có tốc độ hoặc hiệu suất thấp hơn so với các thành phần khác, do đó nó giới hạn hiệu năng tổng thể của toàn bộ hệ thống. Ví dụ, CPU nhanh nhưng bộ nhớ chậm có thể tạo ra bottleneck ở bộ nhớ.

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: CPU và thiết bị ngoại vi). Buffer giúp điều hòa tốc độ, tránh tình trạng thành phần chậm hơn làm nghẽn toàn bộ hệ thống.

Tách cache L1 thành cache dữ liệu và cache lệnh giúp CPU có thể truy cập đồng thời cả lệnh và dữ liệu một cách song song, giảm xung đột truy cập và tăng hiệu suất. Nếu dùng chung cache L1, CPU có thể phải chờ nếu vừa cần lệnh vừa cần dữ liệu, gây ra độ trễ.

Kiến trúc đa nhân tích hợp nhiều lõi xử lý (CPU core) trên một chip duy nhất. Ưu điểm chính là khả năng thực hiện song song nhiều luồng lệnh (thread) hoặc tiến trình, giúp tăng hiệu suất xử lý trong các ứng dụng đa nhiệm hoặc ứng dụng tận dụng được tính song song. Tốc độ xung nhịp của mỗi nhân có thể không cao bằng CPU đơn nhân cao cấp, nhưng hiệu năng tổng thể cao hơn trong nhiều trường hợp.

SIMD (Single Instruction, Multiple Data) là kiến trúc song song trong đó một lệnh duy nhất được thực hiện đồng thời trên nhiều dữ liệu khác nhau. Nó rất hiệu quả trong các ứng dụng xử lý đồ họa, đa phương tiện, và khoa học tính toán, nơi có nhiều phép toán giống nhau cần thực hiện trên một lượng lớn dữ liệu (ví dụ: cộng, nhân các pixel trong ảnh).

Bit четности (Parity bit) là một bit phụ được thêm vào mỗi byte hoặc block dữ liệu để kiểm tra tính chẵn lẻ của số lượng bit 1. Nó được sử dụng để phát hiện lỗi đơn bit (một bit bị đảo giá trị) trong quá trình truyền hoặc lưu trữ dữ liệu. Tuy nhiên, parity bit không thể sửa lỗi và không phát hiện được lỗi đa bit.

MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) là kiến trúc song song phổ biến nhất, trong đó có nhiều bộ xử lý, mỗi bộ xử lý có thể thực hiện một luồng lệnh riêng biệt và làm việc trên dữ liệu khác nhau một cách độc lập. Ví dụ: hệ thống đa nhân, cụm máy tính.

ROM (Read-Only Memory) là bộ nhớ chỉ đọc, thường được sử dụng để lưu trữ các chương trình và dữ liệu cố định, không thay đổi trong quá trình hoạt động bình thường, ví dụ như chương trình khởi động BIOS/UEFI và firmware của các thiết bị.

Công nghệ ảo hóa (Virtualization) cho phép tạo ra nhiều máy ảo (virtual machine - VM) trên cùng một phần cứng vật lý. Mỗi VM hoạt động như một máy tính độc lập, có hệ điều hành, ứng dụng và tài nguyên riêng. Điều này giúp tận dụng tối đa tài nguyên phần cứng, quản lý dễ dàng và linh hoạt hơn.

Cache line (dòng cache) là đơn vị dữ liệu nhỏ nhất được truyền giữa bộ nhớ chính và bộ nhớ cache. Khi CPU yêu cầu một dữ liệu không có trong cache, toàn bộ cache line chứa dữ liệu đó (và các dữ liệu lân cận) sẽ được nạp vào cache. Kích thước cache line thường là cố định (ví dụ: 64 byte).

Kiến trúc Von Neumann sử dụng chung một không gian bộ nhớ cho cả dữ liệu và lệnh, trong khi kiến trúc Harvard có các không gian bộ nhớ riêng biệt cho dữ liệu và lệnh. Điều này ảnh hưởng đến tốc độ truy xuất và khả năng xử lý song song.

CISC (Complex Instruction Set Computer) có tập lệnh phức tạp và lớn, mỗi lệnh có thể thực hiện nhiều thao tác phức tạp. RISC (Reduced Instruction Set Computer) ngược lại, có tập lệnh đơn giản và ít lệnh hơn, tập trung vào việc thực hiện lệnh nhanh chóng.

Endianness xác định thứ tự các byte của một giá trị đa byte (ví dụ số nguyên 32-bit) được lưu trữ trong bộ nhớ. Little-endian lưu byte có trọng số nhỏ nhất trước, Big-endian lưu byte có trọng số lớn nhất trước. Ví dụ, số 0x12345678 có thể được lưu trữ khác nhau tùy endianness.

Giảm tốc độ xung nhịp CPU sẽ làm giảm hiệu năng tổng thể của hệ thống, chứ không tăng hiệu năng bộ nhớ cache. Tăng kích thước cache, sử dụng cache đa cấp và cải thiện thuật toán thay thế đều là các kỹ thuật để tăng hiệu năng cache bằng cách giảm tỷ lệ cache miss.

Bộ nhớ chính (RAM) là thành phần của hệ thống máy tính, nhưng nằm ngoài CPU. CPU bao gồm Khối điều khiển, ALU và các thanh ghi để thực hiện lệnh và xử lý dữ liệu.

Chế độ địa chỉ hóa Immediate (trực tiếp) nghĩa là giá trị toán hạng được nhúng trực tiếp vào trong mã lệnh, không cần phải truy xuất bộ nhớ hoặc thanh ghi để lấy toán hạng.

Pipelining cho phép CPU thực hiện nhiều lệnh đồng thời ở các giai đoạn khác nhau (ví dụ: tìm nạp, giải mã, thực hiện, ghi kết quả). Điều này giúp tăng thông lượng lệnh (số lệnh hoàn thành trong một đơn vị thời gian) mà không nhất thiết phải tăng tốc độ xung nhịp.

Temporal locality nói rằng nếu một vị trí bộ nhớ được tham chiếu tại một thời điểm, nó có khả năng cao sẽ được tham chiếu lại trong tương lai gần. Spatial locality đề cập đến việc các vị trí bộ nhớ gần nhau có xu hướng được truy cập liên tiếp.