Đề 7 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Kiến trúc máy tính

Bus hệ thống là hệ thống dây dẫn chung, cho phép truyền dữ liệu và tín hiệu điều khiển giữa CPU, bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi trong máy tính.

`Bottleneck` trong kiến trúc máy tính chỉ thành phần có hiệu suất thấp hơn đáng kể so với các thành phần khác, do đó nó giới hạn tốc độ và hiệu suất chung của toàn bộ hệ thống.

Kiến trúc đa nhân (Multi-core) tích hợp nhiều nhân xử lý (cores) độc lập trên cùng một chip silicon. Điều này cho phép CPU thực hiện nhiều tác vụ hoặc luồng lệnh song song, tăng đáng kể hiệu suất xử lý, đặc biệt trong các ứng dụng đa nhiệm hoặc ứng dụng tận dụng khả năng song song.

`Interrupt` (ngắt) là cơ chế cho phép các thiết bị ngoại vi hoặc phần mềm báo hiệu cho CPU rằng cần được chú ý hoặc xử lý một sự kiện đặc biệt. Khi có ngắt, CPU tạm dừng công việc hiện tại để xử lý ngắt, sau đó tiếp tục công việc ban đầu.

Pipelining là kỹ thuật cho phép CPU bắt đầu thực hiện lệnh mới trước khi lệnh hiện tại hoàn thành, bằng cách chia quá trình thực hiện lệnh thành các giai đoạn và xử lý song song, từ đó tăng thông lượng lệnh.

Chính sách `Write-Back` trong cache chỉ cập nhật dữ liệu vào cache khi có ghi. Thay đổi chỉ được ghi lại vào bộ nhớ chính khi khối cache chứa dữ liệu đó cần phải được thay thế bằng khối cache mới. Điều này giúp giảm số lần ghi vào bộ nhớ chính, tăng hiệu suất, nhưng có thể gây mất dữ liệu nếu hệ thống bị lỗi trước khi dữ liệu được ghi lại.

CISC (Complex Instruction Set Computer) có tập lệnh phức tạp với nhiều lệnh khác nhau, mỗi lệnh có thể thực hiện nhiều thao tác phức tạp. RISC (Reduced Instruction Set Computer) có tập lệnh đơn giản hơn, ít lệnh hơn, mỗi lệnh thực hiện một thao tác cơ bản, nhưng được tối ưu hóa để thực thi nhanh chóng.

`Clock Speed` (tốc độ xung nhịp) của CPU được đo bằng Hertz (Hz) hoặc các bội số của nó như Megahertz (MHz) và Gigahertz (GHz). Tốc độ xung nhịp cho biết số chu kỳ xung nhịp mà CPU thực hiện trong một giây, và thường được dùng để đánh giá tốc độ xử lý của CPU (mặc dù không phải là yếu tố duy nhất).

Điểm khác biệt chính giữa kiến trúc Von Neumann và Harvard là kiến trúc Von Neumann sử dụng chung một không gian bộ nhớ và bus cho cả dữ liệu và lệnh, trong khi kiến trúc Harvard có bộ nhớ và bus riêng biệt cho dữ liệu và lệnh.

Bộ nhớ đa kênh (Multi-channel memory) như dual-channel, triple-channel, quad-channel cho phép tăng băng thông bộ nhớ bằng cách sử dụng nhiều kênh giao tiếp đồng thời giữa bộ nhớ và bộ điều khiển bộ nhớ. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi băng thông bộ nhớ lớn như đồ họa, video, và game.

Bộ nhớ ảo là kỹ thuật cho phép hệ thống sử dụng một phần không gian ổ cứng làm bộ nhớ RAM mở rộng. Khi RAM vật lý đầy, hệ thống sẽ chuyển bớt dữ liệu ít dùng sang ổ cứng để giải phóng RAM, tạo cảm giác có nhiều bộ nhớ hơn.

Công nghệ Hyper-Threading (Siêu phân luồng) cho phép một nhân CPU vật lý hoạt động như hai nhân logic đối với hệ điều hành và ứng dụng. Điều này giúp tăng hiệu suất bằng cách cho phép nhân CPU xử lý đồng thời hai luồng lệnh (threads) khác nhau.

Bộ nhớ cache hoạt động hiệu quả nhờ `nguyên tắc cục bộ`, dự đoán rằng dữ liệu vừa được sử dụng hoặc dữ liệu gần đó sẽ sớm được cần đến, và lưu trữ chúng để truy cập nhanh hơn.

`Branch Prediction` (dự đoán rẽ nhánh) là kỹ thuật được sử dụng trong CPU để tăng hiệu suất pipelining. Khi gặp lệnh rẽ nhánh (ví dụ: lệnh điều kiện), CPU dự đoán hướng rẽ nhánh (đi theo nhánh nào) để tiếp tục nạp và thực hiện lệnh. Nếu dự đoán đúng, pipeline hoạt động hiệu quả hơn; nếu sai, pipeline phải được làm sạch và nạp lại lệnh đúng nhánh, gây ra độ trễ.

ROM (Read-Only Memory) là bộ nhớ không khả biến, nghĩa là dữ liệu được lưu trữ trong ROM sẽ không bị mất khi nguồn điện bị ngắt. ROM thường được sử dụng để lưu trữ firmware, BIOS, hoặc dữ liệu khởi động hệ thống.

Thanh ghi là bộ nhớ nhanh nhất trong hệ thống bộ nhớ phân cấp, nhưng cũng có dung lượng nhỏ nhất. Ngược lại, ổ cứng có dung lượng lớn nhất nhưng tốc độ truy cập chậm nhất. Bộ nhớ cache và RAM nằm giữa hai thái cực này.

Công nghệ ảo hóa (Virtualization) cho phép tạo ra các máy ảo (Virtual Machines - VMs) trên một máy chủ vật lý. Mỗi máy ảo có thể chạy một hệ điều hành và ứng dụng riêng biệt, độc lập với các máy ảo khác và hệ điều hành chủ. Điều này giúp tận dụng tối đa tài nguyên phần cứng và linh hoạt trong quản lý hệ thống.

Thanh ghi là bộ nhớ rất nhỏ và cực nhanh nằm trong CPU, được sử dụng để lưu trữ tạm thời dữ liệu và lệnh đang được CPU xử lý. Chúng giúp CPU truy cập dữ liệu nhanh chóng để thực hiện các phép tính.

BIOS (Basic Input/Output System) là firmware được lưu trữ trên chip ROM của bo mạch chủ. Khi máy tính khởi động, BIOS thực hiện POST (Power-On Self Test) để kiểm tra phần cứng, khởi tạo các thành phần cơ bản và sau đó tải hệ điều hành từ ổ cứng vào bộ nhớ RAM, bắt đầu quá trình khởi động hệ điều hành.

Đơn vị điều khiển (CU - Control Unit) chịu trách nhiệm giải mã lệnh, tức là phân tích lệnh để xác định thao tác cần thực hiện và điều khiển các thành phần khác của CPU để thực hiện lệnh đó.

`Cache Miss` (lỗi cache) xảy ra khi CPU cần truy cập một dữ liệu hoặc lệnh, nhưng dữ liệu đó không có trong bộ nhớ cache. Lúc này, CPU phải truy cập bộ nhớ chính (RAM) để lấy dữ liệu, gây ra độ trễ lớn hơn so với khi `Cache Hit` (trúng cache).

`Address Bus` (bus địa chỉ) là một phần của bus hệ thống, được CPU sử dụng để gửi địa chỉ bộ nhớ đến bộ nhớ chính. Độ rộng của bus địa chỉ quyết định không gian địa chỉ bộ nhớ tối đa mà CPU có thể truy cập. Ví dụ, bus địa chỉ 32-bit có thể truy cập 2^32 byte (4GB) bộ nhớ.

Bus hệ thống (System Bus) hay còn gọi là bus mặt trước (Front-Side Bus - FSB) hoặc bus hệ thống con (System Bus Subsystem), được sử dụng để kết nối các thành phần chính tốc độ cao như CPU, bộ nhớ chính và chipset cầu bắc (northbridge), đảm bảo băng thông lớn cho việc truyền dữ liệu.

RAM (Random Access Memory) là loại bộ nhớ chính được sử dụng phổ biến vì khả năng truy cập ngẫu nhiên, tốc độ đọc/ghi nhanh và khả năng lưu trữ dữ liệu tạm thời khi máy tính hoạt động.

`Word Size` (kích thước từ) là số bit dữ liệu mà CPU có thể xử lý trong một chu kỳ máy. Nó thường tương ứng với kích thước của thanh ghi và bus dữ liệu chính trong CPU. Ví dụ, CPU 32-bit có kích thước từ là 32 bit.

Instruction Set Architecture (ISA) định nghĩa tập hợp các lệnh, định dạng lệnh, kiểu dữ liệu, chế độ địa chỉ hóa và các tài nguyên lập trình khác mà một CPU cụ thể có thể hiểu và thực thi. Nó là giao diện giữa phần cứng và phần mềm.

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU) bao gồm ALU (Đơn vị logic học) và CU (Đơn vị điều khiển), trong đó ALU thực hiện các phép tính số học và logic.

`Paging` (phân trang) là kỹ thuật quản lý bộ nhớ ảo, chia không gian địa chỉ ảo và bộ nhớ vật lý thành các khối có kích thước cố định gọi là `trang` (pages). Hệ điều hành quản lý việc ánh xạ giữa các trang ảo và trang vật lý, cho phép bộ nhớ ảo hoạt động hiệu quả và linh hoạt.

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

PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) đặc biệt là giao thức NVMe (Non-Volatile Memory Express) được sử dụng rộng rãi cho SSD vì nó cung cấp băng thông và độ trễ thấp hơn đáng kể so với SATA, cho phép SSD hoạt động với tốc độ tối đa.