Giáo trình Kiến trúc máy tính gồm các nội dung chính như: Tổng quan; Chương 2 Kiến trúc phần mềm bộ xử lý; Chương 3 Tổ chức bộ xử lý Chương 4 Bộ nhớ; Chương 5 Thiết bị nhập xuất. Mời các bạn cùng tham khảo!
ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH AN GIANG TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ AN GIANG GIÁO TRÌNH Kiến trúc máy tính NGHỀ : KỸ THUẬT SỬA CHỮA, LẮP RÁP MÁY TÍNH TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP (Ban hành theo Quyết định số: 70/QĐ-CĐN ngày 11 tháng 01 năm 2019 Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề An Giang) Tên tác giả :Nguyễn Hồng Chánh Năm ban hành: 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho học sinh tiếp thu tốt kiến thức liên quan đến môn học Đây tài liệu tham khảo dành cho học sinh học tập nghiên cứu mơn học Kiến trúc máy tính Mục đích chủ yếu giáo trình giúp cho ngƣời học có hiểu biết lịch sử máy tính, phân loại máy tính, hệ thống số thành phần cấu tạo nên máy tính Tìm hiểu cấu trúc CPU, loại nhớ an toàn liệu lƣu trữ Cấu trúc giáo trình đƣợc chia thành chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Kiến trúc phần mềm xử lý Chƣơng 3: Tổ chức xử lý Chƣơng 4: Bộ nhớ Chƣơng 5: Thiết bị nhập xuất Trong q trình biên soạn khơng thể tránh khỏi sai sót Chúng tơi mong nhận đƣợc góp ý chân thành bạn đồng nghiệp nhƣ học sinh, sinh viên ngƣời quan tâm nhằm phục vụ cho công tác chỉnh sửa, bổ sung giáo trình sau đƣợc hồn thiện Xin chân thành cảm ơn ! An Giang, ngày 24 tháng năm 2018 Tham gia biên soạn 1.Chủ biên: Nguyễn Hồng Chánh 2.Phản biện: Huỳnh Trung Hữu 3.Phản biện: Trần Minh Khang MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN I CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH II PHÂN LOẠI MÁY TÍNH III THÀNH QUẢ CỦA MÁY TÍNH 10 IV THƠNG TIN VÀ SỰ MÃ HĨA THƠNG TIN 12 Khái niệm thông tin 12 Lƣợng thông tin mã hố thơng tin 13 Hệ thống số 13 CÂU HỎI ÔN TẬP 19 CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ 20 I THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MỘT MÁY TÍNH 20 II ĐỊNH NGHĨA KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 22 III TẬP LỆNH 23 Gán trị 23 Lệnh có điều kiện 24 Vòng lặp 26 Thâm nhập nhớ ngăn xếp 26 Các thủ tục 27 IV KIẾN TRÚC RISC 28 V TOÁN HẠNG 30 CÂU HỎI ÔN TẬP 31 CHƢƠNG 3: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ 32 I ĐƢỜNG ĐI DỮ LIỆU 32 II BỘ ĐIỀU KHIỂN 34 Bộ điều khiển mạch điện tử 34 Bộ điều khiển vi chƣơng trình 35 III DIỄN TIẾN THI HÀNH LỆNH MÃ MÁY 35 Đọc lệnh 36 Giải mã lệnh đọc ghi nguồn 36 Thi hành lệnh 36 Thâm nhập nhớ nhảy lần cuối 36 Lƣu trữ kết 37 IV NGẮT 37 V KỸ THUẬT ỐNG DẪN 37 Kỹ thuật ống dẫn (Pipeline) 37 Khó khăn kỹ thuật ống dẫn 39 VI SIÊU ỐNG DẪN 41 CÂU HỎI ÔN TẬP 42 CHƢƠNG 4: BỘ NHỚ 43 I CÁC LOẠI BỘ NHỚ 43 II CÁC CẤP BỘ NHỚ 45 III TRUY CẬP DỮ LIỆU TRONG BỘ NHỚ 46 IV BỘ NHỚ CACHE 47 Vận hành cache 47 Hiệu Cache 52 Cache hay cache riêng lẻ 53 Các mức cache 53 CÂU HỎI ÔN TẬP 54 CHƢƠNG 5: THIẾT BỊ NHẬP XUẤT 55 I ĐĨA TỪ 55 II ĐĨA QUANG 57 III CÁC LOẠI THẺ NHỚ 58 IV BĂNG TỪ 59 V CÁC CHUẨN VỀ BUS 59 VI AN TOÀN DỮ LIỆU TRONG LƢU TRỮ 63 CÂU HỎI ÔN TẬP 67 CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN MÔN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN Tên mơn học: Kiến trúc máy tính Mã mơn học: MH12 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: -Vị trí: Mơn học bố trí sau học sinh học xong môn học chung sau môn học Tin học văn phịng -Tính chất: Là mơn học sở bắt buộc -Ý nghĩa vai trị mơ đun: Cung cấp cho học sinh, sinh viên kỹ máy tính; biết cách lựa chọn thành phần linh kiện để lắp ráp thành máy tính cài đặt phần mềm cách hồn chỉnh Mục tiêu mơ đun: -Về Kiến thức: + Giúp học sinh biết lịch sử máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính + Giúp học sinh 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 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 hiểu chức nguyên lý hoạt động cấp nhớ + Giúp học sinh hiểu phương pháp an toàn liệu thiết bị lưu trữ -Về kỹ năng: + Hiệu chỉnh thơng số để máy tính đạt hiệu suất cao + Thực phương pháp an toàn liệu thiết bị lưu trữ -Về lực tự chủ trách nhiệm: Cẩn thận, thao tác nhanh chuẩn xác, tự giác học tập Nội dung môn học/mô đun TT I II Tên mô đun Chƣơng 1: Tổng quan I Các hệ máy tính II Phân loại máy tính III Thành máy tính IV Thơng tin mã hóa thơng tin Chƣơng 2: Kiến trúc phần mềm xử lý I Thành phần máy Tính II Định nghĩa kiến trúc máy tính III Tập lệnh IV Kiến trúc RISC V Toán hạng Tổng số 16 13 Thời gian (giờ) Tổng Thực số hành 11 1 11 2 1 Kiểm tra III IV V VI Kiểm tra Chƣơng 3: Tổ chức xử lý I Đường liệu II Bộ điều khiển III Diễn tiến thi hành lệnh mã máy IV Ngắt V Kỹ thuật ống dẫn VI Siêu ống dẫn Chƣơng 4: Bộ nhớ I Các loại nhớ II Các cấp nhớ III Truy cập liệu nhớ IV Bộ nhớ Cache Chƣơng 5: Thiết bị nhập xuất I Đĩa từ II Đĩa quang III Các loại thẻ nhớ IV Băng từ V Các chuẩn BUS VI An toàn liệu lưu trữ Kiểm tra Chƣơng 6: Ôn tập Cộng 15 15 12 1 1 1 1 1 0.5 0.5 0.5 0.5 1 2 11 3 2 1 2 75 25 46 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Giới thiệu: Giới thiệu lịch sử phát triển máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính Giới thiệu cách biến đổi hệ thống số, bảng mã thông dụng dùng để biểu diễn ký tự Mục tiêu: Sau học xong phần học sinh có khả - Trình bày thành phần máy tính chức năng, nhiệm vụ chúng hệ thống máy tính - Giúp học sinh hiểu lịch sử phát triển máy tính - Hiểu thành phần máy vi 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 chính: I CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH Sự phát triển máy tính mô tả dựa tiến công nghệ chế tạo linh kiện máy tính như: xử lý, nhớ, ngoại vi,…Ta nói máy tính điện tử số trải qua bốn hệ liên tiếp Việc chuyển từ hệ trước sang hệ sau đặc trưng thay đổi công nghệ - Thế hệ (1946-1957) Hình I.I.1: Máy tính ENIAC ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) máy tính điện tử số Giáo sư Mauchly người học trò Eckert Đại học Pennsylvania thiết kế vào năm 1943 hoàn thành vào năm 1946 Đây máy tính khổng lồ với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét rộng vài mét ENIAC bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500 công tắc tự động, cân nặng 30 tấn, tiêu thụ 140KW Nó có 20 ghi 10 bit (tính tốn số thập phân) Có khả thực 5.000 phép tốn cộng giây Cơng việc lập trình tay cách đấu nối đầu cắm điện dùng ngắt điện + Giáo sư toán học John Von Neumann đưa a 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, làm toán luận lý (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 Vào năm đầu thập niên 50, máy tính thương mại đưa thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I 19 hệ máy IBM 701 bán - Thế hệ thứ hai (1958-1964) Công ty Bell phát minh transistor vào năm 1947 hệ thứ hai máy tính đặc trưng thay đèn điện tử transistor lưỡng cực Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor xuất thị trường Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn lượng Vào thời điểm này, mạch in nhớ xuyến từ dùng Ngôn ngữ cấp cao xuất (như FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) hệ điều hành kiểu (Batch Processing) dùng Trong hệ điều hành này, chương trình người dùng thứ chạy, xong đến chương trình người dùng thứ hai tiếp tục - Thế hệ thứ ba (1965-1971) + Thế hệ thứ ba đánh dấu xuất mạch kết (mạch tích hợp - IC: Integrated Circuit) Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale Integration) chứa vài chục linh kiện kết độ tích hợp mật độ trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện mạch tích hợp + Mạch in nhiều lớp xuất hiện, nhớ bán dẫn bắt đầu thay nhớ xuyến từ Máy tính đa chương trình hệ điều hành chia thời gian dùng - Thế hệ thứ tƣ (1972-????) + Thế hệ thứ tư đánh dấu IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large Scale Integration) chứa hàng ngàn linh kiện Các IC mật độ tích hợp cao (VLSI: Very Large Scale Integration) chứa 10 ngàn linh kiện mạch Hiện nay, chip VLSI chứa hàng triệu linh kiện + Với xuất vi xử lý (microprocessor) chứa phần thực phần điều khiển xử lý, phát triển cơng nghệ bán dẫn máy vi tính chế tạo khởi đầu cho hệ máy tính cá nhân + Các nhớ bán dẫn, nhớ cache, nhớ ảo dùng rộng rãi + Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý máy tính khơng ngừng phát triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,… - Khuynh hƣớng + Việc chuyển từ hệ thứ tư sang hệ thứ chưa rõ ràng Người Nhật tiên phong chương trình nghiên cứu đời hệ thứ máy tính, hệ máy tính thơng minh, dựa ngơn ngữ trí tuệ nhân tạo LISP PROLOG, giao diện người - máy thông minh Đến thời điểm này, nghiên cứu cho sản phẩm bước đầu gần (2004) mắt sản phẩm người máy thông minh gần giống với người nhất: ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: Bước chân tiên tiến đổi chuyển động) Với hàng trăm nghìn máy móc điện tử tối tân đặt thể, ASIMO lên/xuống cầu thang cách uyển chuyển, nhận diện người, cử hành động, giọng nói đáp ứng số mệnh lệnh người Thậm chí, bắt chước cử động, gọi tên người cung cấp thông tin sau bạn hỏi, gần gũi thân thiện Hiện có nhiều cơng ty, viện nghiên cứu Nhật thuê Asimo tiếp khách hướng dẫn khách tham quan như: Viện Bảo tàng Khoa học lượng Đổi quốc gia, hãng IBM Nhật Bản, Công ty điện lực Tokyo Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý chuyển động hai chân Cho tới nay, hãng chế tạo 50 robot ASIMO + Các tiến liên tục mật độ tích hợp VLSI cho phép thực mạch vi xử lý ngày mạnh (8 bit, 16 bit, 32 bit 64 bit với việc xuất xử lý RISC năm 1986 xử lý siêu vơ hướng năm 1990) Chính xử lý giúp thực máy tính song song với từ vài xử lý đến vài ngàn xử lý Điều làm chuyên gia kiến trúc máy tính tiên đốn hệ thứ hệ máy tính xử lý song song Hình I.I.2: Các hệ máy tính II PHÂN LOẠI MÁY TÍNH Thơng thường máy tính phân loại theo tính kỹ thuật giá tiền - Các siêu máy tính (Super Computer): máy tính đắt tiền tính kỹ thuật cao Giá bán siêu máy tính từ vài triệu USD Các siêu máy tính thường máy tính vectơ hay máy tính dùng kỹ thuật vơ hướng thiết kế để tính tốn khoa học, mơ tượng Các siêu máy tính thiết kế với kỹ thuật xử lý song song với nhiều xử lý (hàng ngàn đến hàng trăm ngàn xử lý siêu máy tính) a b Hai giá trị cách dấu “/” giá trị cache lệnh cache liệu Cả hai giá trị cache lệnh Bảng IV.IV.1: Kích thước Cache số hệ thống CÂU HỎI ÔN TẬP 1ở đâu? 234- Sự khác SRAM DRAM? Trong máy tính chúng dùng Mục tiêu cấp nhớ? Nêu hai nguyên tắc mà cache dựa vào để vận hành Các nguyên nhân gây thất bại cache? 54 CHƢƠNG 5: THIẾT BỊ NHẬP XUẤT Giới thiệu: Giới thiệu số thiết bị lưu trữ như: đĩa từ, đĩa quang, thẻ nhớ, băng từ Giới thiệu hệ thống kết nối phận bên máy tính Cách giao tiếp ngoại vi xử lý Phương pháp an toàn liệu thiết bị lưu trữ Mục tiêu: Sau học xong phần học sinh có khả - Biết cấu tạo vận hành loại thiết bị lưu trữ - Hiểu phương pháp để đảm bảo an toàn liệu lưu trữ - Hiểu kiến thức hệ thống kết nối bản, phận bên máy tính, cách giao tiếp thiết bị ngoại vi xử lý Nội dung chính: I ĐĨA TỪ - Dù công nghệ không ngừng phát minh nhiều loại phận lưu trữ lượng thơng tin lớn đĩa từ giữ vị trí quan trọng từ năm 1965 Đĩa từ có hai nhiệm vụ máy tính + Lưu trữ dài hạn tập tin + Thiết lập cấp nhớ bên nhớ để làm nhớ ảo lúc chạy chương trình - Do đĩa mềm dần thiết bị lưu trữ khác có tính ưu việt nên không xét đến thiết bị chương trình mà nói đến đĩa cứng Trong tài liệu mô tả cách khái quát cấu tạo, cách vận hành đề cập đến tính chất quan trọng đĩa cứng - Một đĩa cứng chứa nhiều lớp đĩa (từ đến 4) quay quanh trục khoảng 3.600-15.000 vòng phút Các lớp đĩa làm kim loại với hai mặt phủ chất từ tính Đường kính đĩa thay đổi từ 1,3 inch đến inch Mỗi mặt lớp đĩa chia thành nhiều đường trịn đồng trục gọi rãnh Thơng thường mặt lớp đĩa có từ 10.000 đến gần 30.000 rãnh Mỗi rãnh chia thành nhiều cung (sector) dùng chứa thơng tin Một rãnh chứa từ 64 đến 800 cung Cung đơn vị nhỏ mà máy tính đọc viết (thơng thường khoảng 512 bytes) Chuỗi thông tin ghi cung gồm có: số thứ tự cung, khoảng trống, số liệu cung bao gồm mã sửa lỗi, khoảng trống, số thứ tự cung - Với kỹ thuật ghi mật độ không đều, tất rãnh có số cung, điều làm cho cung dài rãnh xa trục quay có mật độ ghi thơng tin thấp mật độ ghi cung nằm gần trục quay 55 Hình V.I.1: Cấu tạo đĩa cứng - Với công nghệ ghi với mật độ đều, người ta cho ghi nhiều thông tin rãnh xa trục quay Công nghệ ghi ngày dùng nhiều với đời chuẩn giao diện thơng minh chuẩn SCSI Hình V.I.2: Mật độ ghi liệu loại đĩa cứng - Để đọc ghi thông tin vào cung, ta dùng đầu đọc ghi di động áp vào mặt lớp đĩa Các đầu đọc/ghi gắn chặt vào làm cho chúng di chuyển đường bán kính lớp đĩa tất đầu rãnh có bán kính lớp đĩa Từ “trụ“ (cylinder) dùng để gọi tất rãnh lớp đĩa có bán kính nằm hình trụ - Người ta ln muốn đọc nhanh đĩa từ nên thông thường ổ đĩa đọc nhiều số liệu cần đọc; người ta nói cách đọc trước Để quản lý phức tạp kết nối (hoặc ngưng kết nối) lúc đọc (hoặc ghi) thông tin, việc đọc trước, ổ đĩa cần có điều khiển đĩa - Cơng nghiệp chế tạo đĩa từ tập trung vào việc nâng cao dung lượng đĩa mà đơn vị đo lường mật độ đơn vị bề mặt 56 Hình V.I.3: Thơng số kỹ thuật đĩa cứng II ĐĨA QUANG - Các thiết bị lưu trữ quang thích hợp cho việc phát hành sản phẩm văn hoá, lưu liệu hệ thống máy tính Ra đời vào năm 1978, sản phẩm hợp tác nghiên cứu hai công ty Sony Philips cơng nghiệp giải trí Từ năm 1980 đến nay, công nghiệp đĩa quang phát triển mạnh hai lĩnh vực giải trí lưu trữ liệu máy tính Q trình đọc thơng tin dựa phản chiếu tia laser lượng thấp từ lớp lưu trữ liệu Bộ phận tiếp nhận ánh sáng nhận biết điểm mà tia laser bị phản xạ mạnh hay biến vết khắc (pit) bề mặt đĩa Các tia phản xạ mạnh điểm khơng có lỗ khắc điểm gọi điểm (land) Bộ nhận ánh sáng ổ đĩa thu nhận tia phản xạ khuếch tán khúc xạ từ bề mặt đĩa Khi nguồn sáng thu nhận, vi xử lý dịch mẫu sáng thành bit liệu hay âm Các lỗ CD sâu 0,12 micron rộng 0,6 micron (1 micron phần ngàn mm) Các lỗ khắc theo track hình xoắn ốc với khoảng cách 1,6 micron vòng, khoảng 16.000 track/inch Các lỗ (pit) (land) kéo dài khoản 0,9 đến 3,3 micron Track phía kết thúc phía ngồi theo đường khép kín rìa đĩa 5mm Dữ liệu lưu CD thành khối, khối chứa 2.352 byte Trong đó, 304 byte chứa thông tin bit đồng bộ, bit nhận dạng (ID), mã sửa lỗi (ECC), mã phát lỗi (EDC) Còn lại 2.048 byte chứa liệu Tốc độ đọc chuẩn CD-ROM 75 khối/s hay 153.600 byte/s hay 150KB/s (1X) - Dưới số loại đĩa quang thông dụng + CD (Compact Disk): Đĩa quang khơng thể xố được, dùng cơng nghiệp giải trí (các đĩa âm số hố) Chuẩn đĩa có đường kính 12 cm, âm phát từ đĩa khoảng 60 phút (không dừng) + CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory): Đĩa khơng xố dùng để chứa liệu máy tính Chuẩn đĩa có đường kính 12 cm, lưu trữ liệu 650 MB Khi phát hành, đĩa CD-ROM có chứa nội dung Thơng thường, dĩa CD-ROM dùng để chứa phần mềm chương trình điều khiển thiết bị 57 + CD-R (CD-Recordable): Giống đĩa CD, đĩa chưa có thơng tin, người dùng ghi liệu lên đĩa lần đọc nhiều lần Dữ liệu đĩa CD-R khơng thể bị xố + CD-RW (CD-Rewritable): Giống đĩa CD, đĩa chưa có thơng tin, người dùng ghi liệu lên đĩa, xố ghi lại liệu đĩa nhiều lần DVD (Digital Video Disk - Digital Versatile Disk): Ra đời phục vụ cho cơng nghiệp giải trí, đĩa chứa hình ảnh video số hoá Ngày nay, DVD sử dụng rộng rãi ứng dụng cơng nghệ thơng tin Kích thước đĩa có hai loại: 8cm 12 cm Đĩa DVD chứa liệu hai mặt đĩa, dung lượng tối đa lên đến 17GB Các thông số kỹ thuật đĩa DVD-ROM (loại đĩa đọc) so với CD-ROM Tốc độ đọc chuẩn (1X) DVD 1.3MB/s (1X DVD tương đương khoảng 9X CDROM) + DVD-R (DVD-Recordable): Giống đĩa DVD-ROM, người dùng ghi liệu lên đĩa lần đọc nhiều lần Đĩa ghi mặt đĩa, dung lượng ghi mặt tối đa 4.7 GB + DVD-RW (DVD-Rewritable): Giống đĩa DVD-ROM, người dùng ghi, xố ghi lại liệu lên đĩa nhiều lần Đĩa ghi mặt đĩa, dung lượng ghi mặt tối đa 4.7 GB Bảng V.II.1: So sánh số thông số hai loại đĩa CDROM DVDROM - Với đặc tính đĩa quang, giá thành ngày thấp, xem phương tiện thích hợp để phân phối phần mềm cho máy vi tính Ngồi ra, đĩa quang dùng để lưu trữ lâu dài liệu thay cho băng từ III CÁC LOẠI THẺ NHỚ Hiện nay, thẻ nhớ công nghệ dùng làm thiết bị lưu trữ Thẻ nhớ flash dạng nhớ bán dẫn EEPROM(công nghệ dùng để chế tạo chip BIOS vỉ mạch chính), cấu tạo hàng cột Mỗi vị trí giao ô nhớ gồm có hai transistor, hai transistor cách lớp ơ-xít mỏng Một transistor gọi floating gate transistor lại gọi control gate Floating gate nối kết với hàng (word line) thông qua control gate Khi đường kết nối thiết lập, bit có giá trị Để chuyển sang giá trị theo qui trình có tên Fowler-Nordheim tunneling Tốc độ, yêu cầu dòng điện cung cấp thấp đặc biệt với kích thước nhỏ gọn 58 loại thẻ nhớ làm cho kiểu nhớ dùng rộng rãi công nghệ lưu trữ giải trí Hình V.III.1: Minh hoạ hai trạng thái bit nhớ thẻ nhớ IV BĂNG TỪ Băng từ có cơng nghệ với đĩa từ khác đĩa từ hai điểm: - Việc thâm nhập vào đĩa từ ngẫu nhiên việc thâm nhập vào băng từ Như việc tìm thơng tin băng từ nhiều thời gian việc tìm thơng tin đĩa từ - Đĩa từ có dung lượng hạn chế cịn băng từ gồm có nhiều cuộn băng lấy khỏi máy đọc băng nên dung lượng băng từ lớn (hàng trăm GB) Với chi phí thấp, băng từ dùng rộng rãi việc lưu trữ liệu dự phòng - Các băng từ có chiều rộng thay đổi từ 0,38cm đến 1,27 cm đóng thành cuộn chứa hộp bảo vệ Dữ liệu ghi băng từ có cấu trúc gồm số rãnh song song theo chiều dọc băng - Có hai cách ghi liệu lên băng từ: + Ghi nối tiếp: với kỹ thuật ghi xoắn ốc, liệu ghi nối tiếp rãnh băng từ, kết thúc rãnh, băng từ quay ngược lại, đầu từ ghi liệu rãnh với hướng ngược lại Quá trình ghi tiếp diễn đầy băng từ + Ghi song song: để tăng tốc độ đọc-ghi liệu băng từ, đầu đọc - ghi đọc-ghi số rãnh kề đồng thời Dữ liệu ghi theo chiều dọc băng từ khối liệu xem ghi rãnh kề Số rãnh ghi đồng thời băng từ thông thường rãnh (8 rãnh liệu - 1byte rãnh kiểm tra lỗi) V CÁC CHUẨN VỀ BUS - Số lượng chủng loại phận vào/ra không cần định trước hệ thống xử lý thông tin Điều giúp cho người sử dụng máy tính dùng phận vào/ra đáp ứng yêu cầu họ Vào/ra giao diện phận (thiết bị) kết nối vào hệ thống Nó xem bus nới rộng dùng để kết nối thêm ngoại vi vào máy tính Các chuẩn làm cho việc nối kết ngoại vi vào máy tính dễ dàng; vì, nhà thiết kế-sản xuất máy tính nhà thiết kế-sản xuất ngoại vi thuộc cơng ty khác Sự tồn chuẩn bus cần thiết Như vậy, nhà thiết kế máy tính nhà thiết kế ngoại vi tôn trọng chuẩn bus ngoại vi kết nối 59 dễ dàng vào máy tính Chuẩn bus vào/ra tài liệu quy định cách kết nối ngoại vi vào máy tính - Các máy tính q thơng dụng chuẩn bus vào/ra chúng xem chuẩn cho hãng khác (ví dụ: trước đây, UNIBUS máy PDP 11, chuẩn bus máy IBM PC, AT chuẩn hãng Intel liên quan đến máy vi tính) Các chuẩn bus phải quan chuẩn ISO, ANSI IEEE công nhận - Bus nối ngoại vi vào xử lý nhớ + Trong máy tính, xử lý nhớ liên lạc với ngoại vi bus Bus hệ thống dây cáp nối (khoảng 50 đến 100 sợi cáp riêng biệt) nhóm cáp định nghĩa chức khác bao gồm: đường liệu, đường địa chỉ, dây điều khiển, cung cấp nguồn Dùng bus có ưu điểm giá tiền thấp dễ thay đổi ngoại vi Người ta gỡ bỏ ngoại vi thêm vào ngoại vi cho máy tính dùng hệ thống bus + Giá tiền thiết kế thực hệ thống bus rẻ, nhiều ngã vào/ra chia sẻ số đường dây đơn giản Tuy nhiên, điểm bất lợi bus tạo nghẽn cổ chai, điều làm giới hạn lưu lượng vào/ra tối đa Các hệ thống máy tính dùng cho quản lý phải dùng thường xun ngoại vi, nên khó khăn phải có hệ thống bus đủ khả phục vụ xử lý việc liên hệ với ngoại vi + Một lý khiến cho việc thiết kế hệ thống bus khó khăn tốc độ tối đa bus bị giới hạn yếu tố vật lý chiều dài bus số phận mắc vào bus + Các bus thường có hai loại: bus hệ thống nối xử lý với nhớ (system bus, Front Side Bus-FSB) bus nối ngoại vi (bus vào/ra – I/O bus) (hình V.4) Bus vào/ra có chiều dài lớn có khả nối kết với nhiều loại ngoại vi, ngoại vi có lưu lượng thông tin khác nhau, định dạng liệu khác Bus kết nối xử lý với nhớ ngắn thường nhanh Trong giai đoạn thiết kế bus kết nối xử lý với nhớ, nhà thiết kế biết trước linh kiện phận mà ơng ta cần kết nối lại, cịn nhà thiết kế bus vào/ra phải thiết kế bus thoả mãn nhiều ngoại vi có mức trì hỗn lưu lượng khác 60 Hình V.V.1: Hệ thống bus máy tính + Hiện nay, số hệ thống máy tính, bus nối ngoại vi phân cấp thành hai hệ thống bus Trong đó, bus tốc độ cao (high-speed bus) hỗ trợ kết nối thiết bị tốc độ cao SCSI, LAN, Graphic, Video,…và hệ thống bus mở rộng (expansion bus) thiết kế để kết nối với ngoại vi yêu cầu tốc độ thấp như: modem, cổng nối tiếp, cổng song song,…Giữa hai hệ thống bus nối ngoại vi tổ chức hệ thống bus phân cấp giao diện đệm Hình V.V.2: Hệ thống bus phân cấp 61 Hình V.V.3: Bảng biểu diễn tốc độ liệu ngoại vi + Ta có nhiều lựa chọn việc thiết kế bus, bảng bên Bảng V.V.1: Các lựa chọn yếu cho bus + Trong bảng V.V.1 có khái niệm sau liên quan đến chủ nhân bus - phận khởi động tác vụ đọc viết bus Ví dụ xử lý ln chủ nhân bus Một bus có nhiều chủ nhân có nhiều xử lý, ngoại vi khởi động tác vụ có dùng bus Nếu có nhiều chủ nhân bus phải có chế trọng tài để định chủ nhân quyền chiếm lĩnh bus Một bus có nhiều chủ, cấp dãy thơng rộng (bandwidth) cách sử dụng gói tin thay dùng bus cho tác vụ riêng lẻ Kỹ thuật sử dụng gói tin gọi phân chia nhỏ tác vụ (dùng bus chuyển 62 gói) Một tác vụ đọc phân tích thành tác vụ yêu cầu đọc (tác vụ chứa địa cần đọc), tác vụ trả lời nhớ (chứa thơng tin cần đọc) Mỗi tác vụ có nhãn cho biết loại tác vụ Trong kỹ thuật phân chia nhỏ tác vụ, nhớ đọc thơng tin địa xác định bus dành cho chủ khác + Bus hệ thống bus đồng bộ, gồm có xung nhịp đường dây điều khiển, nghi thức cho địa số liệu xung nhịp Do có khơng có mạch logic dùng để định hành động cần thực hiện, nên bus đồng vừa nhanh, vừa rẻ tiền Trên bus này, tất phải vận hành với xung nhịp + Ngược lại, bus vào/ra thuộc loại bus bất đồng bộ, bus khơng có xung nhịp đồng hệ thống bus Thay vào có nghi thức bắt tay với quy định riêng thời gian, dùng phận phát phận thu bus Bus bất đồng dễ thích ứng với nhiều ngoại vi cho phép nối dài bus mà khơng phải lo ngại đến vấn đề đồng Bus bất đồng dễ thích ứng với thay đổi cơng nghệ VI AN TOÀN DỮ LIỆU TRONG LƢU TRỮ - Người ta thường trọng đến an tồn lưu giữ thơng tin đĩa từ an toàn thơng tin xử lý Bộ xử lý hư mà không làm tổn hại đến thông tin Ổ đĩa máy tính bị hư gây thiệt hại to lớn - Một phương pháp giúp tăng cường độ an tồn thơng tin đĩa từ dùng mảng đĩa từ Mảng đĩa từ gọi Hệ thống đĩa dự phòng (RAID - Redundant Array of Independent Disks) Cách lưu trữ dư thông tin làm tăng giá tiền an tồn (ngoại trừ RAID 0) Cơ chế RAID có đặc tính sau: + RAID tập hợp ổ đĩa cứng (vật lý) thiết lập theo kỹ thuật mà hệ điều hành “nhìn thấy” ổ đĩa (logic) + Với chế đọc/ghi thông tin diễn nhiều đĩa (ghi đan chéo hay soi gương) + Trong mãng đĩa có lưu thơng tin kiểm tra lỗi liệu; đó, liệu phục hồi có đĩa mảng đĩa bị hư hỏng - Tuỳ theo kỹ thuật thiết lập, RAID có mức sau: + RAID 0: Thực ra, kỹ thuật khơng nằm số kỹ thuật có chế an toàn liệu Khi mảng thiết lập theo RAID 0, ổ đĩa logic có (mà hệ điều hành nhận biết) có dung lượng tổng dung lượng ổ đĩa thành viên Điều giúp cho người dùng có ổ đĩa logic có dung lượng lớn nhiều so với dung lượng thật ổ đĩa vật lý thời điểm Dữ liệu ghi phân tán tất đĩa mảng Đây khác biệt so với việc ghi liệu đĩa riêng lẻ bình thường thời gian đọc-ghi liệu đĩa tỉ lệ nghịch với số đĩa có tập hợp (số đĩa tập hợp nhiều, thời gian đọc – ghi liệu nhanh) Tính chất RAID thật hữu ích ứng dụng yêu cầu nhiều thâm nhập đĩa với dung lượng lớn, tốc độ cao (đa phương tiện, đồ hoạ,…) Tuy nhiên, nói trên, kỹ thuật khơng có chế an tồn liệu, nên có hư hỏng đĩa thành viên mảng dẫn đến việc liệu toàn mảng đĩa Xác suất hư 63 hỏng đĩa tỉ lệ thuận với số lượng đĩa thiết lập RAID RIAD thiết lập phần cứng (RAID controller) hay phần mềm (Stripped Applications) Hình V.VI.1: RAID + RAID (Mirror - Đĩa gương): Phương cách thông thường tránh thông tin ổ đĩa bị hư dùng đĩa gương, tức dùng đĩa Khi thông tin viết vào đĩa, viết vào đĩa gương ln có thông tin Trong chế này, hai đĩa bị hư đĩa cịn lại dùng bình thường Việc thay đĩa (cung thông số kỹ thuật với đĩa hư hỏng) phục hồi liệu đĩa đơn giản Căn vào liệu đĩa lại, sau khoảng thời gian, liệu tái tạo đĩa (rebuild) RAID thiết lập phần cứng (RAID controller) hay phần mềm (Mirror Applications) với chi phí lớn, hiệu suất sử dụng đĩa không cao (50%) Hình V.VI.2: RAID + RAID 2: Dùng kỹ thuật truy cập đĩa song song, tất đĩa thành viên RAID đọc có yêu cầu từ ngoại vi Một mã sửa lỗi (ECC) tính tốn dựa vào liệu ghi đĩa lưu liệu, bit mã hoá lưu đĩa dùng làm đĩa kiểm tra Khi có yêu cầu liệu, tất đĩa truy cập đồng thời Khi phát có lỗi, điều khiển nhận dạng sửa lỗi mà không làm giảm thời gian truy cập đĩa Với thao tác ghi liệu lên đĩa, tất đĩa liệu đĩa sửa lỗi truy cập để tiến hành thao tác ghi Thông thường, RAID dùng mã Hamming để thiết lập chế mã hố, theo đó, để mã hố liệu ghi, người ta dùng bit sửa lỗi hai bit phát lỗi RAID thích hợp cho hệ thống yêu cầu giảm thiểu khả xảy nhiều đĩa hư hỏng lúc 64 Hình V.VI.3: RAID + RAID 3: Dùng kỹ thuật ghi song song, kỹ thuật này, mảng thiết lập với yêu cầu tối thiểu đĩa có thơng số kỹ thuật giống nhau, đĩa mảng dùng để lưu thông tin kiểm tra lỗi (parity bit) Như vậy, thiết lập RAID 3, hệ điều hành nhận biết đĩa logic có dung lượng n1/n (n: số đĩa mảng) Dữ liệu chia nhỏ ghi đồng thời n-1 đĩa bit kiểm tra chẵn lẻ ghi đĩa dùng làm đĩa chứa bit parity – chẵn lẻ đan chéo mức độ bít Bít chẵn lẻ bít mà người ta thêm vào tập hợp bít làm cho số bit có trị số (hoặc 0) chẵn (hay lẻ) Thay có hồn chỉnh thông tin gốc đĩa, người ta cần có đủ thơng tin để phục hồi thơng tin trường hợp có hỏng ổ đĩa Khi đĩa mảng bị hư, hệ thống hoạt động bình thường Khi thay đĩa vào mảng, vào liệu đĩa cịn lại, hệ thống tái tạo thơng tin Hiệu suất sử dụng đĩa cho cách thiết lập n-1/n RAID thiết lập phần cứng (RAID controller) Hình V.VI.4: RAID + RAID 4: từ RAID đến RAID dùng kỹ thuật truy cập đĩa mảng độc lập Trong mảng truy cập độc lập, đĩa thành viên truy xuất độc lập, mảng đáp ứng yêu cầu song song ngoại vi Kỹ thuật thích hợp với ứng dụng yêu cầu nhiều ngoại vi ứng dụng yêu cầu tốc độ truyền liệu cao Trong RAID 4, đĩa dùng để chứa bit kiểm tra tính tốn từ liệu lưu đĩa liệu Khuyết điểm lớn RAID bị nghẽn cổ chai đĩa kiểm tra có nhiều yêu cầu đồng thời từ ngoại vi Hình V.VI.5: RAID 65 + RAID 5: yêu cầu thiết lập giống RAID 4, liệu ghi khối đĩa thành viên, bit chẵn lẻ tính tốn mức độ khối ghi trải lên tất ổ đĩa mảng Tương tự RAID 4, đĩa mảng bị hư hỏng, hệ thống hoạt động bình thường Khi thay đĩa vào mảng, vào liệu đĩa lại, hệ thống tái tạo thông tin Hiệu suất sử dụng đĩa cho cách thiết lập n-1/n RAID thiết lập phần cứng (RAID controller) Cơ chế khắc phục khuyết điểm nêu chế RAID Hình V.VI.6: RAID + RAID 6: Trong kỹ thuật này, cần có n+2 đĩa mảng Trong đó, n đĩa liệu đĩa riêng biệt để lưu khối kiểm tra Một hai đĩa kiểm tra dùng chế kiểm tra RAID 4&5, đĩa lại kiểm tra độc lập theo giải thuật kiểm tra Qua đó, phục hồi liệu có hai đĩa liệu mảng bị hư hỏng Hiện nay, RAID 0,1,5 dùng nhiều hệ thống Các giải pháp RAID (trừ RAID 6) đảm bảo an tồn liệu có đĩa mảng bị hư hỏng Ngoài ra, hư hỏng liệu phần mềm hay chủ quan người khơng đề cập chương trình Người dùng cần phải có kiến thức đầy đủ hệ thống để hệ thống thông tin hoạt động hiệu an tồn Hình V.VI.7: RAID 66 CÂU HỎI ÔN TẬP 1- Mô tả vận hành ổ đĩa cứng Cách lưu trữ thông tin ổ đĩa cứng 2- Mơ tả biện pháp an tồn việc lưu trữ thông tin đĩa cứng 3- Nguyên tắc vận hành đĩa quang Ưu khuyết điểm loại đĩa quang 4- Thơng thường có loại bus? Tại phải có chuẩn cho bus vào ra? 5- Thế chủ nhân bus? Khi bus có nhiều chủ nhân làm để giải tranh chấp bus? 6- Giải thích việc nới rộng dãy thơng cách sử dụng gói tin 7- Sự khác biệt xử lý vào xử lý trung tâm máy tính 67 CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN MÔN - Cache : - FDD: - HDD: - CD (Compact Disk): - CD-ROM: - CD-RW: - DVD-ROM: - DVD-RW Bộ nhớ đệm Đĩa mềm Đĩa cứng Đĩa quang Đĩa CD ghi lần Đĩa CD ghi nhiều lần Đĩa DVD ghi lần Đĩa DVD ghi nhiều lần TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình kiến trúc máy tính; Trường Đại học Cần Thơ 12/2003 [2] Kiến trúc máy tính – Võ Văn Chín, Đại học Cần Thơ, 1997 [3] Computer Architecture: A Quantitative Approach, A Patterson and J Hennesy, Morgan Kaufmann Publishers, 2nd Edition, 1996 [4] Computer Otganization and Architecture: Designing for Performance, Sixth Edtion, William Stallings, Prentice Hall [5] Principles of Computer Architecture, Miles Murdocca and Vincent Heuring (internet- http://iiusaedu.com) [6] Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, atterson and Hennessy, Second Edition (internet-ttp://engronline.ee.memphis.edu) 68 ... hoạt động điển hình máy tính II ĐỊNH NGHĨA KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Kiến trúc máy tính bao gồm ba phần: Kiến trúc phần mềm, tổ chức máy tính lắp đặt phần cứng - Kiến trúc phần mềm máy tính chủ yếu kiến. .. thường máy tính phân loại theo tính kỹ thuật giá tiền - Các siêu máy tính (Super Computer): máy tính đắt tiền tính kỹ thuật cao Giá bán siêu máy tính từ vài triệu USD Các siêu máy tính thường máy tính. .. đun: -Về Kiến thức: + Giúp học sinh biết lịch sử máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính + Giúp học sinh hiểu thành phần kiến trúc máy tính, tập lệnh Các kiểu kiến trúc máy tính: mô tả kiến