Bài giảng gốc môn kiến trúc máy tính

Kiến trúc máy tính Nội dung môn học:Cung cấp cho sinh viên cách nhìn tổng quát cấu tạo bên máy tính ph-ơng thức làm việc máy tính Điều kiện ban đầu: có khái niệm hiểu biết tối thiểu kỹ thuật mạch điện tử, khái niƯm vỊ xung vµ kü tht sè Tµi liƯu tham khảo: Kỹ thuật vi xử lý: NXB thống kê 1983 Giáo trình kiến trúc máy tính: Vũ Chấn H-ng, NXB Giao thông vận tải Kiến trúc máy tính: Nguyễn Đình Việt, NXB Giáo dục Điều khiển nối ghép thiết bị ngoại vi: Trần Bá Thái, NXB thống kê 1987 Bên máy tính PC đại: Phạm Hoàng Dũng, Hoàng Đức Hải NXB khoa học kỹ thuật Nội dung ch-ơng trình Ch-ơng I: Các phần tử khâu máy tính điện tử Ch-ơng II: Các tổ hợp kỹ thuật số máy tính điện tử Ch-ơng III: Biểu diễn thông tin máy tính Ch-ơng IV: Máy tính điện tử Ch-ơng V: Kiến trúc nguyên lý làm việc khối máy tính PC Ch-ơng VI: Thiết bị ngoại vi Ch-ơng I: Các phần tử khâu máy tính Điện tử 1.1 Xung cách tạo xung kỹ thuật số Ta biết đại l-ợng vật lý nh- điện áp hay dòng điện biến đổi liên tục có chu kỳ hay chu kỳ có điện áp hay dòng điện số xét khoảng thời gian hữu hạn t0 đến tm Ta có định nghĩa Xung: Xung điện điện áp dòng điện tồn khoảng thời gian ngắn so sánh đ-ợc với trình độ mạch điện mà chúng tác dụng 1.1.1 Các thông số đặc tr-ng tín hiƯu Xung: Xung h×nh thang lý t-ëng: U,I c UH, IH d Um b a o ta t H×nh 1.1 Ta có khái niệm sau: a,b đáy xung, c, d đỉnh xung, a, c s-ờn lên d, b s-ờn xuống xung, Um biên độ xung Xung hình thang thực tế Do mạch điện tử khuếch đại xung hay đóng, mở, truyền dẫn xung có giá trị điện dung, hay điện cảm mà xung hình thang thực tế có d¹ng thùc tÕ nh- sau: U b1 U 0,5 Um 0,1 Um 0,9 Um U TX m t0 ts t b t2 s t3 t1 H×nh 1.2 t Ta có đỉnh xung thời điểm t1 có giá trị lớn 0,9 Um giá trị điện áp hay dòng điện thời điểm t0 hay t3 nhỏ 0,1 Um đáy xung Khoảng thời gian biến đổi từ 0,1 - 0,9Um gọi thời gian lên xung Khoảng thời gian biến đổi từ 0,9 - 01Um gäi lµ thêi gian xng cđa xung Khoảng thời gian trung bình ứng với điểm 0,5Um Tx gọi độ rộng xung U độ tụt áp đỉnh xung b1 b-ớu đỉnh xung b2 b-ớu sau kết thúc xung + Xung vuông góc Đình nghĩa: thời gian tt ts nhỏ so với Tx ta có xung vuông U t Hình 1.3 + Xung c-a Là xung có giá trị điện áp s-ờn tr-ớc s-ờn sau biến đổi liên tục đỉnh xung điểm biến đổi giá trị điện áp s-ờn lên s-ờn xng cđa xung U t t2 H×nh 1.4 NÕu tt =ts ta có xung tam giác + Xung hàm số mũ hay gọi xung đinh Là dạng xung có s-ờn đột biến s-ờn biến thiên theo quy luật hàm số mũ (H 1.5) t1 U e-t/x Hình 1.5 t Với x giá trị tham số mạch phụ thuộc vào đại l-ợng R C mạch xung B-ớc nhảy: Là chuyển nhanh điện áp dòng điện hai mức cao H mức thấp L Nếu từ mức thấp L lên mức cao ta gọi b-ớc nhảy d-ơng ng-ợc lại b-ớc nhảy âm minh hoạ nh- hình 1.6.a,b 5v H 5v L L tt H t t ts H1.6a: B-ớc nhảy d-ơng H1.6b: B-ớc nhảy âm c) DÃy xung: + DÃy xung tuần hoàn Định nghĩa: Là dÃy xung có dạng giống nghĩa có thời gian tồn xung nh- nhau, có chu kỳ T khoảng cách xung không thay đổi Ví dụ dÃy xung hình chữ nhật, hình 1.7a dÃy xung c-a H1.7b u uu H1.7a: DÃy xung hình chữ nhật tx t tn T U uM H1.7a: DÃy xung hình c-a t T Các đại l-ợng đo l-ờng dÃy xung Ta cã T lµ chu kú lµ thêi gian tån hai s-ờn tr-ớc sau hai xung liên tiếp dÃy xung Um biên độ tx độ rộng xung tn thời gian nghỉ hai xung liên tiếp Hệ số lấp đầy: Độ rỗng xung: Q= tx T T tx + DÃy xung không tuần hoàn: Định nghĩa : Là d·y xung cã d¹ng xung gièng nh-ng thêi gian tồn xung khác khác Ví dụ : DÃy xung chữ nhật không tuần hoàn hình 1.8a dÃy xung hàm số mũ không tuần hoàn hình 1.8b U t H1.8a: DÃy xung hình chữ nhật không tuần hoàn U t o H1.8b: DÃy xung đinh không tuần hoàn 1.1.2: Cách tạo xung kỹ thuật số Trong kü tht sè dïng tÝn hiƯu xung ®Ĩ chØ thị cho hai trạng thái ứng với tÝn hiƯu xung ë møc thÊp L vµ møc cao H Để có xung chuẩn tạo thành tín hiệu xung nhịp từ gia công xử lý tín hiệu ta phải có mạch tạo xung Ta có sơ đồ khối ph-ơng pháp tạo xung đơn giản nh- hình 1.9 U,I Sửa s-ờn xung,đỉnh khuếch đại Mạch tạo dao động Tín hiệu xung Hình 1.9 Thạch anh Mạch dao động đ-ợc cấp nguồn nuôi phần tử chuẩn tần số thạch anh có độ sai số tần số tạo nhỏ cỡ 10-7 - 10-8 VD: 10MHZ cã chØ sai sè + 1HZ TÝn hiệu mạch dao động tạo xung chuẩn đ-a ghép truyền dẫn với mạch đếm xung hay mạch và, hoặc, đảo .đ-ợc công suất ghép mạch tạo xung không đủ ghép nh- dẫn đến sai tần số dao động dao dộng tạo xung Để nối ghép với mạch phai cần sửa s-ờn xung có nhiệm vụ ®ét biÕn s-ên xung nghÜa lµ tt vµ ts rÊt nhỏ mạch sửa đỉnh xung để đỉnh xung giá trị Um xác định với mức H mức L Mạch khuếch đại đ-a công suất xung lớn có khả ghép với nhiều mạch cổng AND, OR, NOT hay mạch đếm, dịch xung vv sau ta xét đến 1.1.3 Các phần tử tuyến tính R- C mạch xung a) Quá trình độ mạch R- C có b-ớc nhảy điện áp Cho mạch điện R- C nh- hình vẽ 1.10 gồm điện trở R tụ ®iƯn C OV UR R UM to H×nh 1.10 C UC t = điện áp có b-ớc nhảy d-ơng từ lên mức điện áp với t > ta cã Ur + Uc = UM mµ ta cã: Ur = iR vµ i = C dU c d t Từ biểu thức ta viết đ-ợc ph-ơng trình R.C d U c Uc UM d t Giải ph-ơng trình vi phân (công nhận kết quả) ta cã: t U c (t )  U M (1 e RC ) Đặt = R.C ta gọi số thời gian mạch RC t UR  UM e NhËn xÐt: Uc(t) biến đổi theo chiều tăng dần theo quy luật hàm sè mị víi t tiÕn tíi ∞ th× Uc(t) = UM t UR(t)biến đổi theo chiều giảm dần phụ thuéc i(t ) U  M e R Khi t tiến đến vô UR(t)= i(t) = Trên thực tế thời gian tính đến vô đ-ợc, mà tới giá trị độ t kỹ thuật thời gian độ đ-ợc tính điên áp Uc(t)0,9 UM kết thúc giá trị thời điểm (tại thời điểm điện áp UR(t)0,1UM Trong kỹ thuật xung ta hay chọn thời gian độ tq độ = 2,3 hay tqđộ = 2,3R.C Khi tqđộ = ta coi giá trị điện áp Uc UM Ur = 0, i = BiĨu diƠn qu¸ trình theo hình 1.11a,b Nhận xét giá trị RC lớn thời gian độ dài UM U 0,9UM UR(t) 0,1UM Uc(t) Víi R2 > R1 τ>τ UR2(t) UR1(t) t t H1.11a H1.11b b)Quá trình độ mạch R -C với kích thích đầu vào xung vuông Nếu đặt lên mạch R-C xung vuông góc trình độ xảy mạch đ-ợc xem nh- xếp chồng (quá trình xếp chồng tuân theo định luật xếp chồng điện áp dòng điện) hai trình hai b-ớc nhảy Biểu diễn trình theo giản đồ điện áp nh- h×nh 1.12 a,b,c,d UM H×nh 1.12 a) Xung vu«ng t0 t tt1 tx UM b)Sù xÕp chång cđa hai điện áp hai b-ớc nhảy t1 t0 t - UM c)Điện áp UR(t) UM tx +UR(t) tx< 3τ t - UM UM b) ®iƯn ¸p Uc(t) UC(t) t Sù thay ®ỉi cđa UR Uc trình độ chịu ¶nh h-ëng cđa tû lƯ t x  nghÜa lµ phụ thuộc vào thời gian tồn xung tx giá trị RC mạch điện c) Mạch vi phân kỹ thuật xung Sơ đồ mạch điện nh- hình 1.13a gồm tụ điện điện trở đầu vào dÃy xung hình chữ nhật đầu lấy điện áp điện trở R với =RC nhỏ đủ để tạo xung định hình 1.13b C U vµo R Uvµo + URau t -u URa t H.1.13a H1.13b Tác dụng để tạo xung đồng bộ, kích mạch đếm, mạch trễ vv Mạch tích phân : Vẫn mạch điện gồm hai phần tử R,C ta lấy điện áp ra, tụ điện ta có mạch tích phân nh- hình 1.14a giản đồ thời gian nh- hình 1.14b đáp ứng đầu vào dÃy xung chữ nhật với = RC đủ lớn R Uvào C URa H.1.14a: Mạch tích phân Uvào t URa t Tác dụng: Dùng tách xung đồng bộ, kết hợp với phần tử khuếch đại dùng làm mạch tạo xung tam giác, để tạo quét, chuyển đổi t-ơng tự - số vv 1.2: Dụng cụ bán dẫn 1.2.1: Đi ốt nguyên lý cấu tạo phân loại 1: Nguyên lý cấu tạo: Đi ốt đ-ợc cấu tạo chất bán dẫn điện có hai miền dẫn điện P N, tiếp giáp hai miền có vùng rào đặc biệt có tác dụng cho dòng điện qua theo chiều định (h2.1) +U I -U N P Vùng rào miền tiếp giáp Hình 1.15a Ký hiệu ốt: (h2.2) A K Hình 1.15b Ký hiệu ốt nh- hình 1.15a đầu Anốt đầu Katốt, dòng điện theo chiều từ A sang K chiều ng-ợc lại bị khoá Tính chất dẫn điện chiều đ-ợc ứng dụng để làm dụng cụ nắn dòng chỉnh l-u, khoá điện tư, ghim møc vv T theo sù chÕ t¹o nhà sản xuất mà loại ốt có khả dẫn điện khác c-ờng độ dòng điện dẫn qua, điện áp khoá, giới hạn điện áp đánh thủng vv Mọi thông số đ-ợc ghi sổ tay tra cứu chế tạo đồ thị mối quan hệ gọi đ-ờng đặc tuyến Von/ Amper loại ốt Đ-ờng đặc tuyến V - A ốt ith mA 500 250 100 Ung -V 300V 200V 100V 0,6v Uth(+V) 10 20 30 Hình 1.16a: Đặc tuyến V-A điốt Phân loại ốt Trong kỹ thuật tuỳ theo nhiệm vụ mà ng-ời ta chế tạo loại ốt khác Có loại ốt dòng lớn hàng trăm Amper điện áp ng-ợc chiều đ-ợc tới vài nghìn vôn dòng vài chục miliamper (mA) nh-ng điện áp đánh thủng chịu đ-ợc hàng chục KV tần số làm việc khác Trong kỹ thuật máy tính ta quan tâm đến vài loại mà Điốt nắn: Ký hiệu: A k Hình 1.16b Các dạng vỏ chế tạo dòng thuận từ vài A tới 15- 30A điện áp ng-ợc chịu đựng đ-ợc vài chục Vôn tới 1000v, tần số hoạt động thấp, cao vài chục KHz øng dơng t¹o ngn mét chiỊu 10 trÝ cđa cung rÃnh đó-Bộ ba số cung đĩa địa vật lý cung Vùng DATA đ-ợc điền byte liệu giả thao tác định dạng cấp thấp Số l-ợng cung rÃnh đĩa mềm phụ thuộc vào kích th-ớc đĩa Đối với đĩa cứng số l-ợng cung rÃnh phụ thuộc vào ổ đĩa thiết bị điều khiển giao diện đĩa Chú ý để t-ơng thích với BIOS máy vi tính, ổ đĩa cứng phiên dịch thông tin mật độ thật rÃnh (Track) mặt đĩa mật độ thật số cung (Sector) rÃnh thành dạng tiêu chuẩn 63 cung/rÃnh cung cÊp cho BIOS 6.5.5 Tỉ chøc l-u tr÷ thông tin đĩa từ mức logic Địa vật lý(mặt, rÃnh, cung) cung kiểu địa không tuyến tính không thích hợp cho việc quản lý sử dụng cung với t- cách đơn vị l-u trữ thông tin nhớ máy tính Việc dùng đĩa từ nh- hệ thống l-u trữ tệp tin (tệp) máy tính đòi hỏi phải tổ chức lại cách quản lý cung nói riêng quản lý việc l-u trữ thông tin đĩa từ nói chung Các hệ điều hành khác có cách tổ chức l-u trữ quản lý tệp đĩa từ khác Hệ điều hành DOS Windows 9X sử dụng cách tổ chức l-u trữ quản lý tệp (tổ chức hệ thống tệp) kiểu FAT (File Allocation Table) Theo cách tổ chức nhớ đ-ợc coi tập hợp Volume (tệp đĩa) Volume toàn đơn vị vật lý (nh- đĩa mềm) phần ổ cứng Mỗi volume đ-ợc xem nh- tập hợp liên tục cung logic Các cung logic đ-ợc đánh số thứ tự, bắt đầu cung logic 0, tiếp cung logic Lần l-ợt tăng dần hết volume Việc tổ chức lại thiết bị đĩa từ theo volume làm cho việc quản lý thiết bị trở nên thống không phụ thuộc vào cấu trúc vật lý cụ thể ổ đĩa Quá trình thao tác với tệp lúc phải thực qua hai b-ớc - Tr-ớc hết yêu cầu ghi/ đọc tệp từ ứng dụng đ-ợc chuyển thành ghi/ đọc cung logic (có địa tuyến tính) - Sau địa tuyến tính cung đ-ợc chuyển thành địa vật lý (mặt, rÃnh, cung) Quá trình ghi/ đọc tệp thật đ-ợc thực theo địa vật lý Mỗi volume đ-ợc chia thành vùng, vùng chứa loại thông tin cách tổ chức l-u trữ volume Cấu trúc cửa volume nh- hình 20) Cung khởi động Bảng FAT#1 Bảng FAT#2 Hình Th- mơc gèc 6.20 Vïng chøa tƯp vµ th- mơc I Cung khëi ®éng Volume (Volume Boot Sector) 164 Cung khởi động Volume (gọi tắt cung khởi ®éng) n»m ë cung logic cđa mét Volume §èi với đĩa mềm cung logic có địa vật lý là: mặt 0, rÃnh 0, cung Đối với đĩa cứng cung logic volume có địa vật lý : mặt 1, rÃnh 0, cung Cung khởi động chứa thông tin cách phân vùng volume chứa ch-ơng trình khởi động hệ điều hành, cho phép nạp DOS Kernel lên RAM để khởi động PC Bảng 6.3 cho ta cấu trúc sector khởi động (Boot Record) M Địa ơc chØ (vÞ trÝ) Offset KÝ Néi dung ch th-íc 00h Lệnh nhảy đến ch-ơng trình khởi động 03h byte byte byte byte byte byte byte byte byte byte byte byte byte byte byte byte Tên nhà sản xuất hệ hệ điều hành 0Bh Số l-ợng byte trªn cung 0Dh Sè Sector (cung) trªn mét Cluster 0Eh Sè Sector (cung) dµnh cho boot Sector 10h 11h 13h 15h 10 16h Số l-ợng bảng FAT (File Allocation Table) Số l-ợng lối vào (điểm vào) th- mục th- mục gốc Số l-ợng cung (Sector) tệp đĩa (volume) Mô tả môi tr-ờng trữ tin (media descriptor byte) Số l-ợng cung (sector) dành cho bảng FAT 11 18h Số l-ợng cung (sector)/ rÃnh (track) 12 1Ah Số l-ợng đầu từ 13 1Ch Sè l-ỵng cung (sector) Èn 14 1Eh 15 22h 16 23h Dù tr÷ 17 24h Ch÷ ký boot sector më rộng Số l-ợng cung tệp đĩa (volume) kích th-ớc lớn 32Mb Số ổ đĩa 165 18 25h Số thứ tự 19 29h Tên tệp đĩa (volume) 20 34h Nhận dạng hệ FAT 21 3ch200h Ch-ơng trình khởi ®éng (boot routine) byte byte 11 byte byte 45 2byte Mục (offset 15h=21) mô tả môi tr-ờng trữ tin (media descriptor byte) đ-ợc đặt vùng đĩa Sector 0, địa offset 21 boot record nh- Sector 1, địa offset bảng FAT Sector 1, địa offset bảng FAT Nó xác định môi tr-ờng trữ tin thuộc loại nào, đĩa cứng, đĩa mềm, mặt, cung (sector) rÃnh (track) Mục 21 th-ờng đ-ợc gọi bootstrap loader ch-ơng trình khởi động viết theo ngôn ngữ máy, có đ-ợc gọi tắt MBP (Master Boot Program) Ch-ơng trình lo việc nạp hệ điều hành DOS từ ®Üa vµo bé nhí RAM råi trao qun ®iỊu khiĨn cho DOS Ch-ơng trình sử dụng thông tin Boot Record để xác định loại đĩa từ (đĩa cứng hay đĩa mềm) mà DOS hoạt động Nếu thông tin cung (sector) khởi động bị (do vi rút phá hoại hay đầu từ quyệt vào làm lớp từ tính ghi thông tin) PC khởi động đ-ợc Cung khởi động đ-ợc kết thúc byte chữ ký AA55h Khi khởi động máy tính, cung khởi động đ-ợc nạp vào địa 0000h:7C00h BIOS thực kiểm tra chữ ký, không tìm thấy hai chữ ký báo lỗi, tìm thấy chữ ký BIOS cho thực ch-ơng trình từ địa 0000h:7C00h Đó lý byte cung khởi động chứa mà lệnh nhảy không điều kiện II Bảng định vị File (FAT - File Allocation Table) Hệ điều hành l-u trữ tệp vùng chứa tệp Vïng chøa tƯp n»m sau thmơc gèc vµ chiÕm toµn không gian lại Volume Vùng chứa tệp đ-ợc coi tập hợp Cluster Cluster tËp hỵp cđa mét hay nhiỊu cung liỊn Cluster đơn vị l-u trữ thông tin nhỏ mà hệ điều hành dùng để l-u trữ tệp, Cluster đ-ợc đánh số thứ tự tăng dần đến hết Volume Bảng FAT nằm sau cung khởi động Mỗi Volume th-ờng có hai bảng FAT # FAT # 2, nội dung hai bảng nh- Bảng FAT dùng để quản lý Cluster Bảng FAT chứa lối vào (Entry) Kích th-íc cđa mét 166 lèi vµo cã thĨ lµ 12,16 32 bit tùy thuộc vào kích th-ớc volume cách tổ chức hệ tệp - Hai lối vào bảng FAT đ-ợc dùng để dạng tổ chức đĩa - Số l-ợng lối vào lại số l-ợng Cluster Các lối vào đ-ợc đánh số thứ tự tăng dần tận lối vào cuối bảng FAT Mỗi lối vào lối vào số 2, chứa thông tin trạng thái Cluster có số thứ tự t-ơng ứng Thông tin trạng thái Cluster đ-ợc thể d-ới mà số m-ời sáu (Hexadecimal) Mà (0)000h (F)FF0h (F)FF6h (F)FF7h (F)FF8-(F)FFFh (X)XXX Trạng thái Cluster t-ơng ứng (ý nghĩa) Cluster rỗng (còn trống) Cluster dự phòng Cluster bị hỏng Cluster cuối tệp Cluster t-ơng ứng với lối vào chứa tệp số (X) xxx xác định địa Cluster tệp Giá trị đ-a với FAT 12, số ngoặc ứng với dùng bảng FAT-16 - Víi FAT-12 DOS lÊy 1,5byte (tõ 00h-FFFh) cho mét điểm vào biểu diễn đ-ợc 4096 giá trị Do phải ghép điểm vào FAT theo cặp hai điểm vào để có x1,5=3byte nh- hình 6.21 Byte điểm vào FAT thứ Kh «ng sư dơng Byte 2 Byte 3 0 0 0 K h«ng sử dụng điểm vào FAT thứ 0 H×nh 6.21 Sè cđa Sè cđa Cluster1 Cluster2 Ta giải thích qua 16 byte bảng FAT -12 qua vÝ dô sau FO FFFF 03 40 00 05 60 00 07 80 00 FF 0F 00 00 - FO đĩa mềm 3,5inch mặt, 18 sector/track (cung/rÃnh) 167 - Hai byte tiÕp theo lµ Cluster ci cđa file Cluster (đọc từ th- môc gèc) - Ba byte tiÕp theo 03 40 00 đại diện cho Cluster 3, theo số 003 cho Cluster (004) cho Cluster Nh- điểm vào Cluster tới Cluster 003 điểm vào Cluster tới Cluster - TiÕp tơc víi 05 60 00 cho Cluster đ-ợc (005) nằm Cluster 4, (006) n»m ë Cluster Ta sÏ cã mét chuỗi Cluster 2345678 điểm vào thứ có giá trị FFF lµ kÕt thóc File VËy File nµy chøa Cluster với điểm vào thứ có giá trị 000 Cluster trống, DOS ghi file lên Hình vẽ 6.22 cho ta mối quan hệ bảng FAT Cluster đĩa Mỗi Cluster đ-ợc định vị lối vào FAT lối vào FAT Cluster chuỗi Cluster file N ame E St ar Cyl 4(18h) chiÕu XT Quy Sù t-¬ng 548 øng Quy (0224h) chiÕu Quy 489 (02e9h) chiÕu Sù t-¬ng øng 65535 (ffffh) 428 (01ach) Sù t-ơng ứng Quy chiếu Hình 6.22 168 Với FAT-16 DOS dùng byte để ghi thông tin cho Cluster với định dạng Intel (tức đảo byte) Ta xÐt qua mét vÝ dơ 16 byte cđa b¶ng FAT -16 nh- sau F8 FF FF FF 03 00 04 00 05 00 FF FF B1 05 01 A9 - F8 ®Üa cøng - FF FF FF Cluster kÕt thóc file Cluster khởi phát cho file đ-ợc đọc từ th- mục gốc - Để xác định Cluster phải đọc điểm vào Cluster 2: 0300(0003) ®äc tiÕp Cluster 3: 04 00 (0004) ta nhận đ-ợc chuỗi Cluster 2345 điểm vào thứ có giá trị FFFF kết thúc file file chứa Cluster Các điểm vào B1 05 01 A9 thuộc chuỗi Cluster khác Có phần mềm tiện ích nh- DISXEDIT Norton Utility cho ta trị số bảng FAT tiện dụng việc khảo sát, sửa chữa Với cách tổ chức bảng FAT để quản lý file nh- trên, file không thiết phải ghi Cluster liên tục kế cận mà nằm rải rác nhiều nơi, tiết kiệm đ-ợc chỗ l-u trữ ( t-ợng phân mảnh - Fragmentation) Khi xóa file cần cho điểm vào t-ơng ứng (0)000h để báo cho biết Cluster trống Do dung l-ợng đĩa cứng ngày lớn kéo theo số Cluster phân khu đà 216 = 65536 giới hạn mà bảng FAT16 quản lý đ-ợc Do FAT-32 đời, thông tin cho Cluster đ-ợc ghi lên byte nên bảng quản lý đ-ợc nhiều Cluster Thêm vào kích th-ớc Cluster FAT-32 đ-ợc quy định nhỏ FAT-16 (ví dụ kbyte hay 32 Kbyte), file liệu không điền kín hết Cluster cuối phần d- nhỏ Điều làm tăng đáng kể dung l-ợng đĩa trống Một đặc điểm FAT-32 khả tái xếp đặt danh mục gốc Ngoài nội dung cung khởi động đ-ợc mở rộng thêm để l-u trữ cấu trúc liệu quan träng kh¸c Kh¸c víi FAT-16 danh mơc gèc cđa FAT-32 chuỗi khối nằm rải rác đĩa Bảng FAT gốc đ-ợc vô hiệu hóa để hoạt động III Th- mục gốc ( Root directory) Mỗi Volume cã mét th- môc gèc: th- môc gèc n»m sau bảng FAT#2 Thmục gốc chứa lối vào th- mục ( Directory Entry), lối vào th- mục có kích th-ớc 32byte cho phép xác định file số liệu/ ch-ơng trình khác thêm th- mục phụ tên file (tệp) Bảng 6.4 cho ta cấu trúc lối vào th- mục gốc Địa KÝch Néi dung offset th-íc (byte) Hexadecimal 169 00h 08h 0Bh 0C-15h 16h 18h 1Ah Tên tệp tên th- mục Phần tên mở rộng Thuộc tính tệp (file) Dự trữ Thời gian tạo cập nhật tệp Ngày tạo cập nhật tệp Số thứ tự Cluster đầu tiªn cđa tƯp 10 2 Kích th-ớc tệp (file) (file) 1Ch Byte phần tên tệp chứa thông tin đặc biệt sau: 00h: báo th- mục kết thúc E5h: tệp bị xóa 2Eh: lối vào th- mục thời lối vào chứa thông tin vị trí kích th-ớc th- mục chøa lèi vµo nµy 2E2Eh: lèi vµo th- mơc mĐ th- mục thời Lối vào chứa thông tin vị trí kích th-ớc th- mục mẹ th- mục chứa lối vào Nhờ thông tin mà từ th- mục thời ta cã thĨ vỊ th- mơc mĐ IV Vïng chøa tƯp vµ th- mơc Vïng chøa tƯp vµ th- mơc toàn vùng lại nằm sau th- mục gốc Vùng đ-ợc coi tập hợp Cluster Các Cluster đ-ợc đánh số thứ tự tăng dần đến Cluster cuối volume (tệp đĩa) Trạng thái Cluster đ-ợc phản ánh lối vào t-ơng ứng bảng FAT Các thmục nằm vùng Th- mục đ-ợc quản lý nh- tệp (file) thông th-ờng có kích th-ớc không hạn chế Nếu volume chứa hệ thống khởi động hệ điều hành Cluster vùng đ-ợc dành để chứa tệp hệ thống hệ điều hành V bảng phân khu (partition table) Hiện dung tích đĩa cứng máy PC t-ơng ®èi lín mét ỉ cøng vËt lý cã thĨ ®-ỵc chia thành nhiều phân khu (partition) từ phân khu tạo đ-ợc volume tách biệt Việc tạo phân khu cho phép ta cài đặt nhiều hệ điều hành hệ thống tệp riêng biƯt cïng mét ỉ cøng vËt lý C¸c hƯ thèng tƯp kh¸c (vÝ dơ nh- hƯ tƯp FAT32, NTFS ) sử dụng ph-ơng pháp riêng để phân chia quản lý không gian l-u trữ tệp Mỗi ổ cứng phải có phân khu có tối đa phân khu Với hệ thống tệp FAT trình tạo phân khu cã thĨ thùc hiƯn b»ng lƯnh FDISK cđa hƯ ®iỊu hành Thông tin cách phân chia ổ cứng thành phân khu đ-ợc chứa bảng phân khu Hệ điều hành sử dụng vùng riêng cố định ổ đĩa cứng để chứa bảng phân khu cung vật lý rÃnh mặt Cung vật lý ổ đĩa cứng (mặt 0, rÃnh cung 1) không chứa 170 cung khởi động volume (volume boot record) mà chứa cung khởi ®éng chÝnh (Master Boot Record-MBR) cung khëi ®éng chÝnh cã cấu trúc nh- sau: Địa offset Nội dung Hexadecimal 000 Ch-ơng trình đọc cung khởi động 1BE Bảng phân khu 1FE Chữ ký AA55h Cung khởi động chứa ch-ơng trình đọc bảng phân khu cung khởi động Chức ch-ơng trình đọc cung khởi động chuyển điều khiển hệ thống đến ch-ơng trình khởi động hệ điều hành, ch-ơng trình nằm cung khởi động phân khu khởi động - Bảng phân khu chứa lối vào phân khu (partition entry) bảng phân khu có lối vào phân khu nhiều bốn lối vào phân khu Lối vào phân khu chứa thông tin vị trí kích th-ớc phân khu ổ đĩa cứng Bảng phân khu có cấu trúc nh- sau: §Þa chØ offset Hexadecimal 1BE 1CE 1DE 1EE Néi dung Lèi khu Lèi khu Lèi khu Lèi khu vào phân Kích th-ớc (byte) 16 vào phân 16 vào phân 16 vào phân 16 Mỗi lối vào phân khu mang thông tin phân khu t-ơng ứng nh-: vị trí (mặt, rÃnh, cung) bắt đầu phân khu, vị trí (mặt, rÃnh, cung) kết thúc phân khu, kích th-ớc phân khu (tính theo đơn vị cung (sector) ) Cấu trúc lối vào phân khu Địa offset Néi dung KÝch Hexadecimal th-íc (byte) 00 ChØ thÞ khởi động 01 Địa đầu phân khu 04 ChØ thÞ hƯ thèng 05 ChØ thÞ ci phân khu 08 Số l-ợng cung tr-ớc phân khu 171 0C Số l-ợng cung phân khu - Chỉ thị khởi động: 80h phân khu khởi động (khởi động hệ điều hành từ phân khu này) 00h phân khu không tích cực (không thể khởi động) - Chỉ thị hệ thống: cho biết loại hệ thống tệp đ-ợc sử dụng phân khu 00h: không ph¶i hƯ DOS 01h: DOS; FAT12 04h: DOS; FAT16 05h: DOS mở rộng 06h: đĩa lớn 36Mb 07h: NTFS 0Bh: FAT32 - Khuôn dạng tr-ờng địa đầu/cuối phân khu Mặt R Cung RÃnh Ãnh H7H6H5H4H3H2 C S5S4S3 C7C6C5C4C3C H1H0 S2S1S0 9C8 2C1C0 Địa mặt số nhị phân bit H0 - H7 số mặt tối đa 256 Địa cung số nhị phân bit S0 - S5 số cung tối đa 63 Địa rÃnh số nhị phân 10 bit C0 - C9 số rÃnh tối đa 1024 Ta hiểu đ-ợc qua ví dụ sau đây: Phân khu có Boot đ-ợc hay không (80h có) Phân khu có bắt đầu từ: mặt F01h, sector 01h, cylinder 00h Chỉ thị hệ thống: 06 (phân khu lớn 32Mb) Phân khu kết thúc tõ: mỈt F04h; sector22h, cylinder 260h Cã 30 sector n»m tr-ớc phân khu Phân khu gồm 142B0h sector 80 101 01 00 06 04 a2 60 30 00 00 00 B0 42 01 00 điểm vào thứ 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 điểm vào thứ hai 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 điểm vào thứ ba 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 điểm vào thứ t- Ta thấy đĩa có phân khu ứng với điểm vào (lối vào) thứ việc tính đầu/cuối phân khu nh- sau: ví dụ điểm kết thúc 04 a2 60 172 MỈt 04 (mỈt cã cïng sè với đầu từ) RÃnh (cylinder) đ-ợc tính nh- sau: a2 60 hÖ 16 10100010 0110 0000 hÖ C9 C8 S5 S0 C7 C0 Nh- vËy r·nh sÏ lµ : 10.0110 0000(2) = 260h = 608 Và bit lại S0 S7 10.0010(2) = 22h = 34 Tại phân khu thực dịch vụ định dạng (mức cao ) để tạo volume cài đặt hệ điều hành volume 7.1 Đĩa quang: T-ơng tự nh- đĩa từ, đĩa quang l-u giữ thông tin điện Chúng khác ph-ơng pháp l-u trữ 7.1.1 Nguyên lý, câu tạo: Đĩa nhựa đ-ờng kính 120mm, dày 1,2mm, đ-ờng kích lỗ trục 15mm Trên mặt phẳng đĩa quang ng-ời ta tạo lỗ nhỏ gọi pit phần phẳng mặt đĩa gọi land, chúng đ-ợc phủ lớp phản quang để phản xạ tia laser lớp nhựa bảo vệ polycarbonat suốt Thông tin ghi đĩa quang theo đ-ờng xoáy ốc từ đọc tia laser chiếu bám theo rÃnh ghi để nhận tín hiệu phản xạ nhận thông tin từ đĩa Theo tiêu chuẩn vận tốc tuyến tính đĩa 1,3m/s Để giữ vận tốc không đổi vận tốc quay đĩa cần thay đổi từ 500 vòng/giây đến 200 vòng/giây bên Do sai số mặt phẳng đĩa, độ rung đọc nên phải có mạch tracking để hiệu chỉnh sai số tiêu cự độ lệch rÃnh Sơ đồ điều khiển tổng quan nh- hình 6.23 đĩa Động quay Đ ầu đọc Bộ chỉnh vị (Tracki ng) Bộ điều khiển động Bộ điều khiển tiêu cự Hình 6.23 Bộ điều khiển định vị đạo (rÃnh) Bộ xử lý tín hiƯu Bé vi xư lý 173 7.1.2 Tỉ chøc th«ng tin Thông tin ghi tên CD - ROM ghi theo đ-ờng xoáy ốc liệu đ-ợc ghi thành nhóm, 24 byte byte đ-ợc ®-a vµo m· sưa sai tõ bit thµnh 14 bit b»ng viƯc sư dơng m· sưa sai reed - salomon Ba bit đặc biệt đ-ợc thêm vào nhóm byte đồng đ-ợc bổ xung để tạo thành frame Một nhóm 98 khung (frame) tạo thành khối block chứa 2kb liệu, block đơn vị địa hoá đ-ợc Mỗi CD - ROM chứa 270.000 block cho dung l-ợng 553MB Cách ghi thông tin phức tạp gây lÃng phí lớn dung l-ợng đĩa nh-ng tạo cho ta độ tin cậy cao (không byte lỗi 1013 byte) Tốc độ đọc sở đĩa quang 150 kbyte/giây ổ đọc đĩa nhanh có tốc độ bội số tốc độ sở nµy (vÝ dơ: 48 x, 52x thêi gian truy cập đĩa CD-ROM thời gian đầu khoảng 150ms 300ms hạn chế CD- ROM Sau tốc độ tiêu chuẩn tăng lên gấp đôi 300kbit/giây 7.1.3 Đĩa quang ghi/đọc Với phát triển công nghệ ng-ời ta đà tạo đĩa quang ghi lần đĩa quang thê hệ thứ ba đĩa quang ghi lại nhiều lần Phần lớn ổ đĩa CD - ROM CD - R không đọc đ-ợc CD-ROM cần có khuyếch đại tín hiệu đặc biệt để có khả đọc đ-ợc liệu từ CDRW 174 mục lục Trang Ch-ơng I: Các phần tử khâu máy tính điện tử 1.1 Xung cách tạo xung kỹ thuật số 1.1.1 Các thông số đặc tr-ng tín hiệu xung 1.1.2 Cách tạo xung kỹ thuật số 1.1.3 Các phần tử tuyÕn tÝnh R - C m¹ch xung 1.2 Dụng cụ bán dẫn 1.1.2 Đi ốt nguyên lý cấu tạo phân loại 1.2.2 Transitor l-ỡng cực 11 1.2.3 Transitor tr-ờng 14 1.3 Các mạch kỹ thuật số 16 1.3.1 Khái niệm mạch logic 16 1.3.2 Møc logic 16 1.3.3 Ba phÇn tư logic 17 13.4 18 Các phần tử logic vạn 1.3.5 Phần tử logic t-ơng đ-ơng không t-ơng đ-ơng 19 1.3.6 19 ứng dụng phần tử logic thông dụng 1.3.7 Mạch trigơ 22 1.3.8 Mạch logic họ TTL CMOS 23 2.1 Ch-ơng II: Các tổ hợp kỹ thuật số máy tính điện tử 25 Các hàm logic 25 2.1.1 Đại số Bun (Boole) 25 2.1.2 26 Các ph-ơng pháp biểu diễn biến hàm logic 2.1.3 Biểu diễn hàm logic d-ới dạng quy 27 2.1.4 Các xây dựng hàm logic 27 2.1.5 Tối thiểu hoá hàm logic 28 2.2 Hệ tổ hợp 30 2.2.1 Kh¸i niƯm 30 2.2.2 Mét sè hƯ tỉ hợp 31 2.2.3 34 Bộ dồn kênh tách kênh 2.2.4 Các so sánh 36 175 2.2.5 C¸c bé céng 37 2.3 39 HƯ d·y 2.3.1 Kh¸i niệm 39 2.3.2 Phân loại trigơ (Flip - Flop) 39 2.3.3 Các loại trigơ 40 2.3.4 Các ứng dụng hệ dÃy 42 2.4 45 Chuyển đổi t-ơng tự - số (A/DC) số t-ợng tự (D/AC) 2.4.1 Chuyển đổi t-ơng tự - số (A/DC) 45 2.4.2 Chuyển đổi số - t-¬ng tù (D/AC) 45 3.1 Ch-¬ng III: BiĨu diƠn thông tin máy tính 47 Nguyên tắc chung mà hóa liệu l-u trữ liệu 47 máy tính 3.1.1 Các hệ đếm 47 3.1.2 Hệ đếm nhị phân 47 3.1.3 Ta xét hệ hay th-ờng dùng máy tính hệ sè 16 47 3.2 Thùc hiƯn c¸c phÐp to¸n sè học với số nguyên 48 3.3 Phép nhân 51 3.4 BiĨu diƠn sè thùc b»ng dÊu chÊm ®éng (dÊu phÈy động) 52 Ch-ơng V: Máy tính điện tử 4.1 55 55 Khái niệm máy tính 4.1.1 Khái niệm 55 4.1.2 Mô hình phân lớp m¸y tÝnh theo khèi 55 4.2 55 KiÕn tróc m¸y tính 4.2.1 Khái niệm 55 4.2.2 Chức máy tính 56 4.3 57 Phân loại máy tính phát triển 4.3.1 Máy tính t-ơng tự 57 4.3.2 Máy tính số 57 4.4 58 Các thành phần máy tính PC 4.4.1 Hệ thống máy vi tính (máy tính PC) 58 4.4.2 Sơ đồ khối chức hệ thống máy PC 59 4.5 60 Chíp vi xử lý bus 4.5.1 Chíp vi xư lý: (MPU - Microprocessor Unit) 176 60 4.5.2 Ph©n loại bus 62 4.6 Các ph-ơng pháp vào - liệu 63 4.6.1 Ph-ơng pháp vào theo định trình 63 4.6.2 Ph-ơng pháp vào/ra có thăm dò 64 4.6.3 Ph-ơng pháp vào/ra theo ngắt cứng 65 4.6.4 Ph-ơng pháp vào/ra liệu kiểu truy cập trực tiếp nhớ (ph-ơng pháp DMA - Direct Memory Access) 67 Ch-ơng 5: Kiến trúc nguyên lý làm việc 68 cđa c¸c khèi chÝnh m¸y PC 5.1 KiÕn tróc đơn vị xử lý trung tâm bit 69 5.1.1 Sơ đồ khối P 8085 69 5.1.2 Hệ lệnh 8085 71 5.2 75 Ngăn xếp, trỏ ngăn xếp chế gọi ch-ơng trình 5.2.1 Khái niệm 75 5.2.2 Ngăn xếp trỏ ngăn xếp 75 5.2.3 Cơ chế gọi ch-ơng trình 76 5.3 79 Kiến trúc máy vi tính PC đơn vị xử lý trung tâm 80286 5.3.1 Sơ đồ khối kiến trúc máy PC 79 5.3.2 Tổ chức phần cứng cđa bé vi xư lý 80286 84 5.5.3 ChÕ ®é bảo vệ quản lý nhớ chế độ bảo vệ 92 5.3.4 Cơ chế hoạt động đa nhiệm 102 5.3.5 Đánh địa chế độ xác định địa toán hạng 104 5.4 109 Các vi xư lý thÕ hƯ 32 bÝt 5.4.1 Vi xư lý 80386 109 5.4.2 Qu¶n lý bé nhí cđa P 80386 116 5.5 121 Bé vi xư lý 80486 vµ Pentium 5.5.1 Các phần tử xử lý CISC RISC 121 5.5.2 Vi xö lý 80486 122 5.5.3 5.5.4 5.6 5.6.1 5.6.2 124 127 128 Vi xư lý Pentium Sù ph¸t triĨn cđa bé vi xư lý 64 bit Bé nhí Kh¸i niƯm SRAM 177 128 129 5.6.3 5.6.4 5.7 5.7.1 5.7.2 DRAM Tỉ chøc cđa bé nhí Chipset Vi mạch tổng hợp Intel 810 Vi mạch tổng hợp Super I/O 130 130 133 Ch-ơng 6: Các thiết bị ngoại vi 6.1 6.1.1 6.1.2 6.2 6.2.1 6.2.2 6.3 6.1.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 GhÐp nèi song song GhÐp nèi song song Ghép nối nối tiếp Bàn phím Công tắc phím ph-ơng pháp tạo mà quét Hệ thống bàn phÝm cđa m¸y vi tÝnh Cht m¸y tÝnh (Mouse) CÊu tạo nguyên tắc hoạt động Màn hình hiển thị Màn hình ống tia âm cực CRT (Cathode Ray Tube) Hiển thị chế độ văn Bộ điều khiển hình CRTC Thẻ điều hợp hiển thị Thiết bị đĩa từ Nguyên lý l-u trữ thông tin đĩa từ Thiết bị đĩa mềm Thiết bị đĩa cứng giao diện IDE Tổ chức l-u trữ thông tin ®Üa tõ ë møc vËt lý Tỉ chøc l-u tr÷ thông tin đĩa từ mức logic Đĩa quang Nguyên lý, cấu tạo Tổ chức thông tin Đĩa quang ghi/®äc 178 133 135 137 137 137 139 142 142 144 147 147 148 148 149 151 153 154 154 155 160 164 167 175 175 176 176 ... đ-a tín hiệu số đồ hoạ hay âm v.v 46 Ch-ơng III Biểu diễn thông tin máy tính 3.1 Nguyên tác chung mà hoá liệu l-u trữ liệu máy tính 3.1.1 hệ đếm Hệ đếm thập phân ( Decimal system): Hệ đếm thập... 1.21+1.2-1+ 1.2-3 Vµ ta thÊy số là: 16+4+2+1/2+1/8 =22.625 Để tính toán máy tính cần sử dụng số hai hay mà số BCD nh-ng ®-a sè liƯu cho ng-êi sư dụng máy phải đổi số từ hệ nhị phân trở hệ thập phân nguyên... suất nhỏ mà Transitor đựoc chế tạo nhiều mạch tích hợp dùng kỹ thuật tính toán Vi mạch tuyến tính vi mạch số 1) Vi mạch tuyến tính: Ngày với công nghệ mạch vi điện tử ng-ời ta đà chế tạo đ-ợc Transitor