Đang tải... (xem toàn văn)
(NB) Giáo trình cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về cấu trúc máy tính, về tổ chức và hoạt động bộ vi xử lý, các thành phần phần trong hệ thống máy tính và các biện pháp kĩ thuật cơ bản. Cấu trúc máy tính là môn học cơ sở để sinh viên có thể thực hành bảo trì hệ thống máy tính.
ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRẦN VĂN NAM (Chủ biên) NGUYỄN ANH DŨNG – NGUYỄN THANH HÀ GIÁO TRÌNH CẤU TRÚC MÁY TÍNH Nghề: Điện tử cơng nghiệp Trình độ: Trung cấp (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019 LỜI GIỚI THIỆU Chìa khóa để hướng tới xã hội thơng tin phát triển công nghệ thông tin (CNTT), nhiên để phát triển CNTT lâu dài bền vững, đào tạo kiến thức nhất, mà nội dung đào tạo phải trang bị sinh viên kiến thức tảng, sở tạo cho sinh viên phát huy tính sáng tạo, chủ động việc tiếp thu nghiên cứu, ứng dụng CNTT Do đó, trường đào tạo, sinh viên phải trang bị kiến thức tảng CNTT thể thiếu mơn học Cấu trúc máy tính Hiện có nhiều giáo trình cấu trúc máy tính, nhiên hầu hết giáo trình đáp ứng đối tượng sinh viên đại học Giáo trình viết chủ yếu cho đối tượng sinh viên trường dạy nghề Giáo trình cung cấp cho sinh viên kiến thức cấu trúc máy tính, tổ chức hoạt động vi xử lý, thành phần phần hệ thống máy tính biện pháp kĩ thuật Cấu trúc máy tính mơn học sở để sinh viên thực hành bảo trì hệ thống máy tính Giáo trình bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan cấu trúc máy tính Chương 2: Cấu trúc phần cứng máy tính Chương 3: Cấu trúc phần mềm Chương 4: thiết bị nhập xuất Kiến thức giáo trình biên soạn theo nội dung chương trình dạy nghề Tổng cục Dạy nghề phê duyệt, xếp logic từ cấu trúc, nhiệm vụ, cấu tạo, nguyên lý hoạt động máy tính đến cách phân tích hư hỏng, phương pháp kiểm tra quy trình thực hành sửa chữa Mặc dù cố gắng chắn tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc để giáo trình hồn thiện cho lần xuất sau Xin trân trọng cảm ơn Hà Nội, ngày… tháng… năm 2019 Chủ biên: Trần Văn Nam MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC CẤU TRÚC MÁY TÍNH Chương Tổng quan cấu trúc máy tính 1.1 Các hệ máy tính 1.2 Phân loại máy tính 12 1.3 Thành máy tính 20 1.4 Thơng tin mã hóa thơng tin 23 Chương Cấu trúc phần cứng máy tính 34 2.1 Thành phần máy tính 34 2.2 Cấu trúc, nhiệm vụ nguồn máy tính 58 2.3 Cấu trúc, nhiệm vụ main máy tính 64 2.4 Cấu trúc, nhiệm vụ vi xử lý máy tính 88 2.5 Cấu trúc, nhiệm vụ Ram máy tính 96 2.6 Cấu trúc, nhiệm vụ ổ đĩa máy tính 105 Chương Cấu trúc phần mềm máy tính 121 3.1 Đường liệu 121 3.2 Bộ điều khiển 123 3.3 Diễn tiến thi hành lệnh mã máy 127 3.4 Ngắt 131 3.5 Kỹ thuật ống dẫn lệnh 146 3.6 Siêu ống dẫn lệnh 148 Chương Thiết bị nhập xuất 152 4.1 Bàn phím máy tính 152 4.2 Chuột máy tính 155 4.3 Màn hình máy tính 160 4.4 Các thiết bị ngoại vi khác 163 4.5 Giao tiếp với thiết bị ngoại vi 181 4.6 ghép nối trao đổi tin nối tiếp 202 TÀI LIỆU THAM KHẢO 240 CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã mơn học: MĐ 30 Thời gian môn học: 120h (Lý thuyết: 30h; Thực hành: 90h) I Vị trí, tính chất mơn học: Vị trí mơn học : Mơn học bố trí sau học sinh học xong môn/mô-đun sở chuyên ngành: Anh văn chuyên ngành, Tin học đại cương, Lập trình Pascal Tính chất mơn học : Là mơn học chuyên ngành II Mục tiêu môn học Giúp học sinh- sinh viên biết lịch sử máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính Giúp học sinh- sinh viên hiểu thành phần kiến trúc máy tính, tập lệnh Các kiểu kiến trúc máy tính: mơ tả kiến trúc, kiểu định vị Giúp học sinh- sinh viên hiểu cấu trúc xử lý trung tâm: tổ chức, chức nguyên lý hoạt động phận bên xử lý Mô tả diễn tiến thi hành lệnh mã máy số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng Giúp học sinh- sinh viên hiểu chức nguyên lý hoạt động cấp nhớ Giúp học sinh- sinh viên hiểu phương pháp an toàn liệu thiết bị lưu trữ Giúp học sinh- sinh viên hiểu tập lệnh Assembly III Nội dung môn học Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Số TT Thời gian Tên môn học Tổng quan cấu trúc máy tính Tổng số Lý thuyết Thực hành Kiểm tra Cấu trúc phần cứng 54 máy tính 10 42 Cấu trúc phần mềm 34 10 22 Thiết bị nhập xuất 27 20 Cộng 120 30 84 Chương Tổng quan cấu trúc máy tính Giới thiệu chung Bài học cung cấp cho học sinh khái niệm thông tin, lịch sử phát triển máy tính, thành tựu máy tính Ngồi ra, cịn cung cấp kiến thức, hình ảnh để học sinh nhận biết rõ máy tính Mục tiêu Giúp học sinh hiểu lịch sử phát triển máy tính Biết thành tựu máy tính Hiểu khái niệm thơng tin Hiểu cách biến đổi hệ thống số, bảng mã thông dụng dùng để biểu diễn ký tự Nội dung 1.1 Các hệ máy tính 1.1.1 Lịch sử phát triển máy tính điện tử 1.1.1.1 Thế hệ thứ nhất: (1945-1955) Máy tính xây dựng sở đèn điện tử mà đèn tượng trưng cho bit nhị phân Do máy có khối lượng lớn, tốc độ chậm tiêu thụ điện lớn Như máy ENIAC bao gồm 18000 đèn điện tử, 1500 rơ-le, nặng 30 tấn, tiêu thụ cơng suất 140KW Về kiến trúc có 20 ghi, ghi chứa số thập phân 10 chữ số Chiếc máy lập trình cách đặt vị trí (set) 6000 chuyển mạch (switch) - có nhiều vịt trí nối vơ số ổ cắm (socket) với “rừng” đầu cắm (jumper) Cùng thời kì này, Giáo sư tốn học John Von Neumann đưa ý tưởng thiết kế máy tính IAS (Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình lưu nhớ, điều khiển lấy lệnh biến đổi giá trị liệu phần nhớ, số học logic (ALU: Arithmetic And Logic Unit) điều khiển để tính tốn liệu nhị phân, điều khiển hoạt động thiết bị vào Đây ý tưởng tảng cho máy tính đại ngày Máy tính cịn gọi máy tính Von Neumann 1.1.1.2 Thế hệ thứ hai: (1955-1965) Máy tính xây dựng sở đèn bán dẫn (transistor), Công ty Bell phát minh transistor vào năm 1948 hệ thứ hai máy tính đặc trưng thay đèn điện tử transistor lưỡng cực Máy tính hệ có tên TX-0 (transistorized experimental computer 0) 1.1.1.3 Thế hệ thứ ba: (1965-1980) Máy tính dùng mạch tích hợp (cịn gọi mạch vi điện tử - IC) cho phép đặt hàng chục transistor vỏ(chip) , nhờ người ta chế tạo máy tính nhỏ hơn, nhanh rẻ máy tính dùng Transistor đời trước Điển hình hệ máy System/360 IBM Thế hệ máy tính có bước đột phá sau: - Tính tương thích cao: Các máy tính họ có khả chạy chương trình, phần mềm - Đặc tính đa chương trình: Tại thời điểm có vài chương trình nằm nhớ số cho chạy chương trình khác chờ hồn thành thao tác vào/ra - Khơng gian địa lớn (2 24 byte = 16Mb) 1.1.1.4 Thế hệ thứ tư: (1980- ) Máy tính xây dựng vi mạch cỡ lớn (LSI) cực lớn (VLSI) Đây hệ máy tính số ngày nay, nhờ công nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc, mà người ta chế tạo mạch tổ hợp mức độ cực lớn Nhờ máy tính ngày nhỏ hơn, nhẹ hơn, mạnh giá thành rẻ Máy tính cá nhân bắt đầu xuất phát triển thời kỳ Dựa vào kích thước vật lý, hiệu suất lĩnh vực sử dụng, người ta thường chia máy tính số hệ thứ tư thành loại chính, loại phủ lên phần: - Microcomputer: Cịn gọi PC (personal computer), máy tính nhỏ, có chip vi xử lý số thiết bị ngoại vi Thường dùng cho người, dùng độc lập dùng mạng máy tính - Minicomputer: Là máy tính cỡ trung bình, kích thước thường lớn PC Nó thực ứng dụng mà máy tính cỡ lớn thực Nó có khả hỗ trợ hàng chục đến hàng trăm người làm việc Minicomputer sử dụng rộng rãi ứng dụng thời gian thực, ví dụ điều khiển hàng khơng, tự động hố sản xuất - Supermini: Là máy Minicomputer có tốc độ xử lý nhanh họ Mini thời điểm định Supermini thường dùng hệ thống phân chia thời gian, ví dụ máy chủ mạng - Mainframe: Là máy tính cỡ lớn, có khả hỗ trợ cho hàng trăm đến hàng ngàn người sử dụng Thường sử dụng chế độ công việc xếp theo lô lớn (Large-Batch-Job) xử lý giao dịch (Transaction Processing), ví dụ ngân hàng - Supercomputer: Đây siêu máy tính, thiết kế đặc biệt để đạt tốc độ thực phép tính dấu phẩy động cao Chúng thường có kiến trúc song song, hoạt động hiệu cao số lĩnh vực 1.1.2 Các mốc lịch sử phát triển công nghệ máy tính 30 năm trước, 5150 đời phá vỡ quan điểm trước máy tính Lần đầu tiên, máy tính nhìn nhận thiết bị có kích thước vừa phải, hợp túi tiền cơng chúng ý nhiều Hình 1.1: 1982: Franklin Ace 100 Đây máy tính gây vụ kiện quyền phần mềm lịch sử Acer bị Apple kiện vi phạm nhãn hiệu hàng hóa chép phần cứng phần mềm máy tính Apple II cho Franklin Ace 100 Trong vụ kiện này, phần thắng thuộc Apple 1982: Commodore 64 Có thể coi Commodore máy tính dành cho hộ gia đình tiếng Từ năm 1982 tới năm 1993, gần 30 triệu máy Commodore 64 bán toàn giới XT nâng cấp máy tính cá nhân 5150 IBM XT có ổ cứng 10 MB Sản phẩm IBM sau nhanh chóng trở thành máy tính tiêu chuẩn Hình 1.2: 1983: Apple Lisa Lisa máy tính tiêu dùng có giao diện đồ họa Tuy nhiên, giá 10.000 USD trở thành rào cản đưa sản phẩm đến với người tiêu dù Hình 1.3 1984: Macintosh Hình 4.42 Cấu trúc tầng usb Chủ USB ( host USB) Chủ USB máy tính cá nhân với hệ điều hành có khả quản lý USB Một mạng USB phép có chủ USB, máy tính sử dụng phần cứng phần mềm USB để làm việc chủ bus Máy tính nhận biết việc cắm thêm hay dỡ bỏ thiết bị ngoại vi để khởi động trình đánh số trình truyền liệu khác bus Máy tính có trách nhiệm kiểm tra trạng thái,thống kê hoạt động kiểm tra ghép nối điện điều khiển chủ thiết bị USB ngoại vi Thiết bị USB Các thiết bị USB có chức tớ mạng bus Ta chia làm hai loại thiết bị USB : - HUB Một hub ngồi có cổng hướng máy chủ (upstream) cổng thiết bị ghép nối (downstream) máy PC có hub cắm mạch hub gọi hub gốc (roothub) Hub thường gồm có điều khiển hub lặp (repeater) hub có chức : chuyển ổ cắm USB thành nhiều ổ cắm, nhận biết thiết bị đấu vào, xoá thiết bị đấu nối vào bus sau tháo để thực việc có trạng thái bus tạo theo cách đặc biệt (dựa vào mức điện áp, ta không đề cập đến kỹ thuật đây) Có thể nói trái tim hub vi điều khiển USB 8x930 loại vi điều khiển bit với nhớ cổng ngoại vi cấy bên vi điều khiển xử lí loại truyền liệu : điều khiển, ngắt đồng cách biệt khối 226 Truyền liệu thiết bị máy chủ thực thông qua cặp điểm cuối vi điều khiển điểm cuối trang bị đệm FIFO phát FIFO thu Tuỳ vào ứng dụng mà ta cần FIFO có dung lượng khác Hoạt động điều khiển USB lập trình thơng qua ghi chức đặc biệt , giao thức USB cấy bên ROM 8x930 người lập trình không cần quan tâm đến vấn đề - Thiết bị chức Là thiết bị ngoại vi : chuột, bàn phím Màn hình, máy qt, ADC, vi điều khiển ……mọi thiết bị chức bus phải theo qui định USB để máy chủ nhận biết chúng Mọi thiết bị USB thiết kế gồm phần chính: Phần giao diện SIE vi mạch chịu trách nhiệm nhận gửi liệu theo chuẩn USB Một tổ hợp giũa phần cứng firmware nhận nhiệm vụ truyền liệu khối SIE điểm cuối thiết bị qua đường ống (pipe) thích hợp chúng Thành phần thứ phần chức thiết bị ngoại vi 4.6.3.3 Giao diện vật lý Giao diện vật lý USB mô tả mặt điện tử khí kết nối USB Chuẩn khí (Mechanical): Chuẩn USB sử dụng cáp sợi để truyền tín hiệu nguồn ni Tín hiệu truyền qua dây cho đoạn liên kết điểm – điểm Có ba loại cáp Cáp USB tốc độ cao (high-speed) 480 Mb/s Cáp USB tốc độ đủ (full-speed) 12 Mb/s Cáp USB dành cho truyền thông tốc độ thấp 1.5 Mb/s Cáp USB high/full-speed Hình 4.43 Cáp dùng cho USB 227 USB quy định hai loại đầu cắm gọi dạng “A” “B” Hai loại khác kiểu dáng Hình 4.44: Đầu cắm USB dạng A B Chuẩn điện tử (Electrical) Tín hiệu đồng hồ truyền giải mã với liệu Phương pháp mã hoá bit NRZI với việc nhồi bit để đảm bảo xác truyền thơng Chân Tên gọi Màu dây Mô tả VBUS Đỏ +5Vdc D- Trắng Dữliệu - D+ Xanh lục Dữliệu + GND Đen Nối đất Qua ổ cắm USB phía sau máy tính lấy điện áp +5v với dòng tiêu thụ khoảng 100mA, số trường hợp lấy dịng tiêu thụ đến 500mA 228 Hai đường dẫn liệu D+ D- tín hiệu vi sai với mức điện áp 0/3,3V Điện áp nguồn ni bus USB đến +5.25 V Và chịu dòng tải lớn giảm xuống +4.2V, bổ sung vi mạch ổn áp tạo điện áp ổn định +3.3V Toàn hệ thống thiết kế cho chịu dòng tải lớn điện áp nguồn không vợt +4.2V Khi thiết bị ghép nối cần dòng lớn 100mA cần xem xét kỹ khả cung cấp chịu tải linh kiện máy tính Đấy ưu điểm USB thiết bị chức lấy nguồn ni ln từ host Mức tín hiệu Chuẩn USB quy định mức tín hiệu cho kiểu truyền low-speed, fullspeed high-speed Low-/Full-speed Mức tín hiệu Trạng thái bus Tại phía phát (vào thời điểm kết thúc thời gian bit) Tại phía nhận Yêu cầu Chấp nhận “1” D+ > VOH (min) and D- < (D+) - (D-) >200 mV (D+) - (D-) >200 VOL (max) D+ >VIH (min) mV “0” D- > VOH (min) and D+ < (D-) - (D+) > 200 mV (D-) - (D+) > 200 VOL (max) D->VIH (min) mV Trạng thái Không quan tâm rỗi: D- > VIHZ (min) D- > VIHZ (min) D+ < VIL (max) Low- D+ > VIHZ (min) D+ < VIH (min) speed D- < VIL (max) Full-speed D+ > VIHZ (min) D- < VIH (min) Reset D+ and D-