Nguyên lí phần cứng và kĩ thuật ghép nối máy vi tính

u.v n- ed ui .ha lib w ww w lib ww ui .ha ed u ww -w lib n- u.v ed ui ww w lib u i -w ww lib u i ed NGUYÊN LÍ PHÃN CƯNG v a Kĩ THUẬT GHÉP NỐI M ÁY VI TÍNH ed u NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM ^ u.v n TRẤN Q U A N G VINH n- u.v ed ui lib ww w .lib ww w ui .ha n- ed u.v ed lib ui ww w n- u.v lib w ww ui n- ed u v ww w lib ui e du u v n ui ed ww w lib h au i e du -w ww lib TS TRẨN QUANG VINH L Í P H Ầ N C Ứ N G n- N G U Y Ê N ed u.v VÀ G H É P N ố l ui K Ĩ T H U Ậ■ T V I T ÍN H ww w lib M Á Y ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ui ed u.v n- {Tái lần th ứ hai) NHÀ XUẤT BẨN GIÁO DỤC VIỆT NAM u.v n u i ed ww lib -w ed u ww w lib u i nu.v ed ui lib ww w nu.v ed ui { n- ww w lib '• i ■-i ui ed u.v CốngtycổphẩnsáchĐạl học•Dạynghổ- NhàxuấtbảnGiáodụcVlộỉ NamglữquyếncơngbS tácphẩm j ww w lib 04 - 2009/CXB/156 - 17/GD * Mã số : 7B594y9 - DAI = t lĩ u.v n u i ed ww lib -w Lời nói đầu ww w lib ui ed u.v n- ww w lib u i ed u Các máy vi tinh có khả xử li liệu mạnh, chí nhiều trường hỢp không thua gi máy tinh mini máy mainframe Chúng ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ vá sống Bén cạnh khối lượng phần mềm hệ thống ừng dụng đồ sộ trẽn th ế giói nay, công nghệ phần cứng cải thiện hàng ngày hàng nhàm tạo hệ máy vi tính có tốc độ nhanh nữa, với khả nhớ lớn giớ thành chấp nhận Đảy thực cạnh tranh liệt nhà sản xuất có tên tuổi giới, sản phẩm thơng khơng thống Vi vậy, kiến thức thực hành khảo sát củng kiềm tra thiết bị phẩn cứng máy ui tính điển hình cần thiết sinh viên ngành có liên quan đến cơng nghệ thông tin Như biết, riêng vi xử lí vá nhớ phẩn mềm hệ điều hành tạo nên máy vi tinh Nhưng chúng chi kệ khép kin cừa sổ mở giới bên ngồi vởi thiết bị ngoại vi ngày cáng sử dụng vơ phong phú Cửa aổ mạch ghép nối vào / Vì vậy, thán mạch ghép nơì nhân tơ'cấu thành nên hệ thống máy vi tính chuẩn có thê’ coi chúng thiết bị ngoại vi đơì tượng quan trọng kĩ thuật có đặc thù riêng kĩ thuật ghép máy tính Dưới góc ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ui ed u.v n- độ ứng dụng, có th ề tạm phân kĩ thuật làm hai linh vực chính: • KI thuật ghép máy tính • cụ thể pi xử lí • vdi thiết bị ngoại vi hệ máy vi tính chuẩn Đó việc thiết kí, kháo Bất q trình thơng tin vi xử li với ngoại vi hinh, bàn phím, chuột, máy in v.v thành phần tạo hệ máy vi tính chuẩn Kl thuật ghép nối hệ thống máy vi tính chuẩn (nói tắt máy vi tính, PC) vài thiết bị bên ngối dùng cho đo lường vá điều khiển trinh công nghệ, thực nghiệm khoa học v.v Những thiết bị điện tử bén ngoái bao gồm hai loại: loại hoạt động với tứi hiệu số vá loại hoạt động với tín hiệu tương tự hai Với nkững mục đích kể trên, tài liệu chia thành phần với 19 chương; coi chương bái thực hành lớn cồu hỏi tập lUn quan đến đối tượng cụ t h ỉ phẩn cứng máy vi tính ứng dụng kĩ thuật h .ha u i ed u.v n ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ui ed u.v n- ww w lib u i ed u -w ww lib ghép nối Phẩn một, từ chương đến chtMng mơ tả phẩn cứng máy vi tính vấn đề liin quan đến hoạt động bén vi xử lí Phẩn hai, từ chương đến chMng 17 có nội dung kĩ thuật ghép nối máy vi tính Phẩn ba gồm chương 18 19 mô tả công cụ (thiết bị điện tử phẩn mềm) dùng cho đo đạc kiềm tra máy vi tính vá k t thuật ghép nót Riêng phẩn này, tuỳ trinh độ người đọc, có thẽ’ khơng cẩn xem trước phần Mỗi chương có phẩn đẩu trinh bày 8Ị li thuyết có liin quan Việc giởi thiệu chương trinh phần mềm thí dụ, chương trình chẩn đốn dẫn tài liệu coi đầy đủ được; muốn biết sáu độc giả cẩn đọc thèm sách chuyên khảo có sẵn v i chúng Tài liệu dùng làm sò cho giảng dạy cấu trúc kĩ thuật ghép nơì máy vi tính tập thực hănh có liín quan khoa Cõng nghệ Đại học Quâc gia Hà Nội Nó có thi’ đưỢc dùng tâũ liệu tham khảo cho sinh viin ngành Cõng nghệ Thông tin, Điện tử - Viễn thỗng trường Đại học kĩ thuật viên quan tám đến máy vi tính Cuổn sách khơng tránh khỏi thiẾu sót, vi chúng tơi mong nhộn ý kiến đóng góp bạn đọc Các ý kiến xin gửi v ế ; Bộ môn Điện tử vá Kí thuật Máy tính, Khoa Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 144 ĐỉtímgXuán Thuỷ, Quận cầu Giấy, Hà Nội Nhà Xuất Giáo dục, 81 Trần Hưng Đạo, Hà Nội Tác giả u.v n ed ui .ha lib ww w ui .ha ww lib -w ed u lib -w ww ui n- u.v ed MÁY VI TÍNH VÀ BỘ VI XỬ Lí ui .ha M ỘT lib ww w PH Ẩ N I ■ t r / r r I , , n- u.v ed ww w lib ui ed u.v n .vn du ui e CHƯƠNG / .ha PHẨN CỨNG VÀ CÁC PHÉP TÍNH s ố ww w lib TRONG MÁY VI TÍNH VAI TRỊ CỬA MÁY VI TÍNH TRONG THỤC TẾ Bộ vi xử li thành phần để tạo nên máy ui tính hay máy tính cá nhân PC Máy vi tính thực ửng dụng cụ hệ thơng gọi hệ vi xử lí cố khối chức hình 1.1 Khối xử lí trung tâm CPU(Central Processing Unit) Bộ nhớchính Các mạch ghép nỗi vào/ra (cho phép CPU liên lạc với thiết bị ngoại vi) Các khối nơì với qua tộp dưịng dây truyền tín hiệu gọi bus hệ thống Bus hệ thống bao gồm bus thành phần là: bus địa chí, bus dử iiệu vả bus điều khiển ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ui ed u v n- M CÁC THIẾT B( NGOẠI VI Sơđổkhổì chức n&ngcủa hị máy tính Khi CPU dược chế tạo bỏi mạch vi điện tử có độ tích hỢp cao gọi vỉ xứ lí (|.iP) Nỏ cỏ nhiệm vụ đọc* mả lệnh bit thông tin hoộc từ nhó chỉnh, giải má lệnh nảy thành chuỗi xung điểu khiến để điều khiến khối khác thực bưởc thao tác lệnh Bên vi xừ lỉ có ghi (registers) để chứa dịa củn lệnh flỗp thực (lệnh kế tiếp) ghi trỏ lệnh IP (Instruction Pointer) hay gọi đếm chương trỉhh PC (Program Counter) ghi khác dùng để lưu trừ liệu tạm thịi trạng thái hệ thơng Các ghi với tinh aốhọc lôgic ALU (Arithmetical and Logic Unit) cho phép thực thao tác vơi liệu Trong vi xử lí thỉ đơti vị điểu khiển cu (Control Unit) phần phức tạp cỏ chức nảng giải mồ lệnh tọo xung điếu khiển tồn hệ thơng Bộ nhở (hay cịn gọi nhó trong) nằm mọch mảy tỉnh chia thành nhớ máy tính IBM/PC nhớ byte (gổm bit nhđ) Bộ nhó gổmcác vi mạch nhổ bán dẫn ROMvà RAMcó tốc độ truy cụp nhanh dùng để chúa chưởng trình diếu khiển hoạt động hệ thơng Nó cho phép ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ui ed u.v n- Hỉnh LI .vn du ui e ww w lib CPUnhận lệnh từ đảy đế khòi động hệ thống Các chương trình ứng dụng cảc liệu cấc kết tạm thòi lưu trữ RAM Ngồi cịn có nhà khơi (cịn gọi nhớ ngồi) mồi Cníờng lưu trữ tin kiểu khác đĩa từ đla quang V.V có dung lượng nhớ lởn dung Iượng nhố nhiều tốc độ truy cập chậm Các mạch ghép nơì vào Im mạch điện tử cho phép CPU thông tin vâi thiết bị ngoại vi n h bàn phím , m àn hlnh, ổ đĩa từ, chuột V.V (để tạo nên hệ m áy vi tính) ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ui ed u v n- thiết bị ngoại vi chuyển đổi số^ tương tự D/A, tương tự • sđ^A/D, mạch vào!ra SỐVO v.v (để tạo nên hệ đo lưòng điểu khiẨn b&ng máy vi tỉnh vòi cic đối tượng thực nghiệm bên ngồi) Các thơng tin trao đối qua mạch điện tử cụ thể gọi cổng vàolm (I/O port) Tuỳ theo yêu cầu mà chúng có chửc nèng cổng vảo cho phép CPU nhận thơng tin từ ngồi cổng cho phép CPUxt thơng tin ngồi hai Mủy tính cịn có mạch tạo xung điện gọi ỉà đồng hồ hị thống (systemclock) để trì hoạt động hố CPU phện liên quan vởi Tần số hổ định tốc đỏ hoột động CPU, Tất nhién, khếỉ hoạt động phải có nguồn nuổi, thưịng nguổn cấp nâng lượng từ mạng điện thành phố Ẩc quy Để ngưịi sử dụng làmviệc máy tính (thí dụ đổ viết cho chạy chương trinh úng dụng) với phận phần cứng ỉà chưa đủ, phần mểm gọi hệ điểu hán/i (operating system) phải cồi đặt sẵn máy tính Đó tập hợp chương trình 8ủ dụng để điều hảnh chức nâng cơbản phận phần cứng hay phần mểmtrên hệ thống máy tính Trong lĩnh vực khoa học dời sống, máy tính sícố thể gìũ nhừng vai trò nhưsau: Máy tinh dùng đ ể x li dừ ỉiịu\ Hình 1.2 ỉà máy tính coi bơ xử lỉ liệu, thí dụ để tỉnh tổng sấ tiển cỗng phải trả cho nh&n vién quan Ta gọi toản khơi hinh ỉà máy tính (hay hộ máy tính) ngưịỉ c6 thể nỏi: CPU nhớ máy tính phận cịn lọi bàn phím, hinh máy in v.v thiết bị ngoại vi Đâu nhớ đoạn chương trình nhập vào Đó tập hỢpcác lệnh ã dạng mă máy Mục đích chương trinh dừng liệu nhập vào, xử lí tính toán chứng rổi ỉưu trữ kết vào nhó, thí dụ mục chi tiết VẨcơng phải trả cho ngưịi Các kết cồ thể lên hinh in giấy in hoẠc cất VÀO file đla xử Ịí liệu tuỳ ngưịi chạy chương trình Các máy tính dùng xủ lí liệu thưịng đánh giá trẻn sd nhố ngồi lón bao nhiéu máy in hỉnh tAngcường chất lượng u.v n- Hinh Mảytỉnh ỉàbộxủHdữliệu Máy tinh ià xừ ii 9Ố\ Trong chức nâng kể trén, máy tỉnh dành nhiều thòi gian ww w lib ui ed cho việc xủ lí liệu dạng kí hiệu biểu diỉn cho thơng tin thí dụ thống tin .vn du ui e ^ ed u.v tính tốn nhanh đảhg kể n- ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ui ed u v n- ww w lib nhân viên quan Lúc thịi gian cần để tính tốn phép tính số nhỏ so vói thịi gian xử lí liệu Ngược lại có tính lại sử dụng ứng dụng liên quari tới số lượng lón phép tính tốn học đơi lên tới hàng tỉ phép tính cho việc Lúc máy tính đóng vai trị xử lí số Thí dụ, xét trưịng hợp ứng dụng máy tính để mơ hình hố qứa trình theo dõi diễn biến khí hậu Khí mơi trưịng liên tục, ba chiểu; tạo sơ' lớn phân tử loại khí khác Việc tính tốn mơi trưịng liên tục khó Tuy có cách dễ dàng giải toán cách coi khí bao gồm số lốn vật khôi lập phương Nhiệt độ nồng độ áp suất khối xem ià đồng đểu Sự biến đổi xảy khốỉ hộp ị liền kể Vì khối hộp có mặt nên tạo mơ hình biểu diễn tương tác mặt đỏ vổi mặt lân cận khối hộp khác Có thể giả thiết ỏ thời điểmban đẩu tất khôỉ hộp ià (tức chứng khơng có tương tác từ trưởc)» rổi sau bát đầu tính tốn xem xảy có nguồn n&ng iượng thí dụ mặt trịi, tác động lên mơ hình Tác động khối hộp lên khịì hộp bên cạnh sẻ tính tốn tồn xử ỉí lặp ỉập iại Để nhận kết xác kích thước khối hộp phải đủ nhỏ, khơng giả thiết tính đồng tham sô' khối hộp sỗ bị phá vd Hơn nữa, số tướng tác cần thiết để nhặn kết đồng quy giá trị trạng thái dừng (tĩnh) thưịng phải ỉón Kết chương trình bặi tốn thuộc loại'này địi hỏi phải chạy thịi gian dài ỏ máy tính mạnh thưộng gọi siêu máy tính (supercomputer) Một thí đụ khác xử lí sơ' ià việc ứng dụng máy tính hệ đo, điểu khiển theo thòi gian thực (reai time) Thòi gian thực ỏ có nghĩa kết tỉnh tốn phải có khoảng quy định từ khỏi phát tính Thí dụ, xét việc ứng dụng máy tính hệ điểu khiển khơng lưu Một anten ra-đa quay vịng đo vị trí phương hướng va khoảng cách mỉi máy bay bay bầu tròi - gọi ỉà đỉch Tại thòi điểm t, đích thứ i ả vị trí p(t,i) cho xung phản xạ ra^đa khoảng cách Ki.t) phương hướng b(i.t) Do có can nhiễu nên cần phải tính đến ảnh hưỏng chúng tỏi xung phản xạ nhận đưọc từ đích Máy tính nhận số liệu từ máy thu ra-đa n đích (n máy bay), số liệu cặp nhật p lẩn phút Từ số liệu ban đầu phải tính toốlí^vị trí liiáỳ bẩy, vẽ đưòng cua chúng và^cảnh báo cho ngưài điều khiển không lưu khẵ nâng va chạm xảy Điều địi hỏi phải cổ máy tính có tốc độ ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ui Các mốy tính dừng xử lỉ số thưịng máy mạnh, có CPU đát, nhớchính có tốc độ truy cập cao yậ, íĩác thiết bị ngoội vi nhớ ngồi tương đỗì đại Máy tin h dùng đ ể đo lường điểu khiển tự động: Do giá thành ngày rẻ, máy tính ngày cồn được"