Giáo trình Kiến trúc máy tính (Ngành Quản trị mạng máy tính Trung cấp)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƢỜNG CAO ĐẲNG CỘNG ĐỒNG ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH NGÀNH, NGHỀ: QUẢN TRỊ MẠNG MÁY TÍNH TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định Số: 323 /QĐ-CĐCĐ-ĐT ngày 06 tháng năm 2019 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp) Đồng Tháp, năm 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc phép dùng nguyên 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 Kiến trúc máy tính thuật ngữ thƣờng đƣợc sử dụng để nói vấn đề liên quan đến tổ chức thiết kế máy tính điện tử số Nội dung nghiên cứu gắn liền với việc thiết kế phần cứng hệ thống máy tính nhƣ việc thiết kế phụ thuộc vào hệ thống phần mềm Trong kỹ thuật máy tính, Kiến trúc máy tính mơ tả khái niệm cấu trúc hoạt động hệ thống máy tính Nó mơ tả có tính chất chức yêu cầu hoạt động cho phận khác máy tính - tập trung chủ yếu vào cách tổ chức bên hệ thống máy tính, việc CPU hoạt động nội nhƣ truy cập địa nhớ cách Nó đƣợc định nghĩa nhƣ khoa học nghệ thuật lựa chọn kết nối thành phần phần cứng để tạo thành máy tính đáp ứng đƣợc mục đích tính năng, hiệu suất giá Kiến trúc máy tính bao gồm:  Vi kiến trúc (Microarchitecture), cịn gọi tổ chức máy tính (Computer organization) mô tả bậc thấp, cụ thể hệ thống Mơ tả nói phận cấu thành hệ thống đƣợc kết nối với nhƣ chúng hoạt động tƣơng hỗ nhƣ để thực kiến trúc tập lệnh  Thiết kế hệ thống (System Design) bao gồm tất thành phần phần cứng khác bên hệ thống tính tốn chẳng hạn: - Các đƣờng kết nối hệ thống nhƣ bus (máy tính) switch - Các điều khiển nhớ (memory controller) cấp nhớ - Các chế CPU off-load nhƣ Direct memory access (truy nhập nhớ trực tiếp) - Các vấn đề nhƣ đa xử lý (multi-processing) Nội dung giảng đƣợc phân bố gồm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan kiến trúc máy tính Giới thiệu lịch sử thành phát triển loại máy tính điện tử; khái niệm thông tin, phƣơng pháp mã hóa thơng tin máy tính điện tử Chƣơng 2: Bộ xử lý Giới thiệu tổ chức, nguyên lý hoạt động phận bên xử lý nhằm thực nhiệm vụ mà kiến trúc phần mềm đề ra; kỹ thuật nâng cao hiệu hoạt động xử lý đại Chƣơng 3: Các cấp nhớ Giới thiệu chức năng, nguyên lý hoạt động loại nhớ, tổ chức cấp nhớ kỹ thuật nâng cao hiệu hoạt động nhớ máy tính điện tử Chƣơng 4: Nhập – Xuất Giới thiệu chức năng, nhiệm vụ thiết bị nhập xuất hệ thống máy tính; nguyên tắc hoạt động số thiết bị lƣu trữ thông dụng; giới thiệu hệ thống kết nối phận máy tính cách giao tiếp ngoại vi xử lý; phƣơng pháp lƣu trữ an toàn liệu đĩa cứng Để hoàn thiện giáo trình tác giả xin chân thành cảm ơn tất Thầy cô giảng viên trƣờng Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp, trƣờng Cao đẳng Nghề An Giang, trƣờng Trung cấp Hồng Ngự, trƣờng Trung cấp Tháp Mƣời; Anh (Chị) đại diện Sở Lao động Thƣơng binh Xã hội, đại diện công ty, doanh nghiệp tham gia đóng góp ý kiến Mặc dù tác giả có nhiều cố gắng việc biên soạn tài liệu này, song tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp quý báu từ bạn đọc để giảng ngày hoàn thiện Đồng Tháp, ngày 30 tháng 10 năm 2020 Chủ biên Huỳnh Văn Khỏe MỤC LỤC  Trang LỜI GIỚI THIỆU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 1 Một số khái niệm nguyên lý 1.1 Nguyên tắc tổ chức 1.2 Ngôn ngữ máy cấp kiến trúc máy tính 2 Lịch sử phát triển ứng dụng máy tính điện tử 2.1 Lịch sử phát triển 2.2 Phân loại máy tính 2.3 Các lĩnh vực ứng dụng máy tính Các hệ thống số 3.1 Nguyên lý việc viết số 3.2 Biến đổi qua lại hệ thống số 11 Thông tin mã hóa thơng tin 19 4.1 Số nguyên có dấu 19 4.2 Cách biểu diễn số với dấu chấm động 21 4.3 Biểu diễn số thập phân 23 4.4 Biểu diễn ký tự 23 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 28 CHƢƠNG 2: BỘ XỬ LÝ 30 Các thành phần máy tính 30 Kiến trúc CISC, RISC 32 2.1 Bộ điều khiển vi chƣơng trình (CISC) 34 2.2 Bộ điều khiển mạch điện tử 34 Tổ chức xử lý trung tâm CPU 35 3.1 Đƣờng liệu 35 3.2 Các yếu tố tác động đến hiệu suất CPU 36 i 3.3 Nguyên lý hoạt động CPU 38 3.4 Phân loại CPU 39 Thực lệnh mã máy bên xử lý 40 4.1 Đọc lệnh 41 4.2 Giải mã lệnh đọc ghi nguồn 41 4.3 Thi hành lệnh 41 4.4 Thâm nhập nhớ nhảy lần cuối 42 4.5 Lƣu trữ kết 42 Ngắt quãng 42 Kỹ thuật ống dẫn 43 Khó khăn kỹ thuật ống dẫn 45 7.1 Khó khăn cấu trúc 45 7.2 Khó khăn số liệu 45 7.3 Khó khăn điều khiển 46 Siêu ống dẫn 47 Siêu vô hƣớng 48 10 Máy tính song song 49 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 53 CHƢƠNG 3: CÁC CẤP BỘ NHỚ 54 Phân loại nhớ bán dẫn 54 Các cấp nhớ 59 Bộ nhớ Cache 60 3.1 Hiệu Cache 67 3.2 Cache nhất, cache riêng lẻ 68 3.3 Các mức Cache 68 Bộ nhớ 69 Bộ nhớ ảo 71 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 77 CHƢƠNG 4: NHẬP – XUẤT 79 ii Đĩa từ 79 Đĩa cứng thể rắn – SSD 81 Đĩa quang 82 Các loại thẻ nhớ 83 Bus nối ngoại vi vào xử lý nhớ 84 Các chuẩn bus 87 Giao diện xử lý với thiết bị vào 87 Một số biện pháp an toàn liệu việc lƣu trữ thông tin đĩa từ 89 CÂU HỎI CHƢƠNG 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 iii GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Mã mơn học: MH20 Thời gian thực môn học: 30 giờ; (Lý thuyết: 28 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập: giờ; Kiểm tra giờ) I Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí: Mơn học Kiến trúc máy tính thuộc nhóm mơn sở ngành đƣợc bố trí giảng dạy trƣớc mơn: Lắp ráp, bảo trì máy tính, Bảo trì hệ thống - Tính chất: Là mơn học sở ngành tự chọn, kiến thức môn kiến thức máy tính làm tảng để học môn phần cứng sau II Mục tiêu môn học: - Kiến thức: + Hiểu nguyên tắc tổ chức, cách thức hoạt động phận hệ thống máy tính gồm xử lý, nhớ thiết bị ngoại vi liên kết với qua bus + Hiểu đƣợc giải pháp nâng cao hiệu máy tính nhƣ: Bộ nhớ ảo, nhớ cache, kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật siêu phân luồng, kỹ thuật thâm nhập trực tiếp nhớ… - Kỹ năng: + Vận dụng kiến thức đƣa cách lựa chọn linh kiện cho máy tính hồn chỉnh + Trình bày đƣợc cấu trúc, nguyên lý hoạt động thiết bị hệ thống máy tính - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Nghiêm túc tham gia học tập + Xử lý, giải thích khắc phục đƣợc lỗi thƣờng gặp III Nội dung môn học: Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: Thời gian (giờ) Số TT Thực hành, Tên chƣơng, mục Tổng Lý thí nghiệm, Kiểm số thuyết thảo luận, tra tập Chƣơng 1: NHẬP MƠN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 6 0 Chƣơng 2: TỔ CHỨC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ 6 0 Chƣơng 3: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ Chƣơng 4: CÁC CẤP BỘ NHỚ 6 0 iv Đĩa quang Các thiết bị lƣu trữ quang thích hợp cho việc phát hành sản phẩm văn hoá, lƣu liệu hệ thống máy tính Ra đời vào năm 1978, sản phẩm hợp tác nghiên cứu hai công ty Sony Philips công nghiệp giải trí Từ năm 1980 đến nay, cơng nghiệp đĩa quang phát triển mạnh hai lĩnh vực giải trí lƣu trữ liệu máy tính Q trình đọc thông tin dựa phản chiếu tia laser lƣợng thấp từ lớp lƣu trữ liệu Bộ phận tiếp nhận ánh sáng nhận biết đƣợc 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 đƣợc gọi điểm (land) Bộ nhận ánh sáng ổ đĩa thu nhận tia phản xạ khuếch tán đƣợc khúc xạ từ bề mặt đĩa Khi nguồn sáng đƣợc 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 đƣợc 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 đƣờng khép kín rìa đĩa 5mm Dữ liệu lƣu CD thành khối, khối chứa 2.352 byte Trong đó, 304 byte chứa thơng 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) Dƣới số loại đĩa quang thông dụng CD (Compact Disk): Đĩa quang khơng thể xố đƣợc, dùng cơng nghiệp giải trí (các đĩa âm đƣợc số hố) Chuẩn đĩa có đƣờng kính 12cm, 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 đƣờng kính 12cm, lƣu trữ liệu 650 MB Khi phát hành, đĩa CD-ROM có chứa nội dung Thơng thƣờng, dĩa CDROM đƣợc dùng để chứa phần mềm chƣơng trình điều khiển thiết bị CD-R (CD-Recordable): Giống nhƣ đĩa CD, đĩa chƣa có thơng tin, ngƣời dùng ghi liệu lên đĩa lần đọc đƣợc nhiều lần Dữ liệu đĩa CD-R bị xóa CD-RW (CD-Rewritable): Giống nhƣ đĩa CD, đĩa chƣa có thơng tin, ngƣời dùng ghi liệu lên đĩa, xoá ghi lại liệu đĩa nhiều lần 82 DVD (Digital Video Disk - Digital Versatile Disk): Ra đời phục vụ cho công nghiệp giải trí, đĩa chứa hình ảnh video đƣợc số hoá Ngày nay, DVD đƣợc sử dụng rộng rãi ứng dụng cơng nghệ thơng tin Kích thƣớc đĩa có hai loại: 8cm 12 cm Đĩa DVD chứa liệu hai mặt đĩa, dung lƣợng 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 tƣơng đƣơng khoảng 9X CDROM) DVD-R (DVD-Recordable): Giống nhƣ đĩa DVD-ROM, ngƣời dùng ghi liệu lên đĩa lần đọc đƣợc nhiều lần Đĩa ghi đƣợc mặt đĩa, dung lƣợng ghi mặt tối đa 4.7 GB DVD-RW (DVD-Rewritable): Giống nhƣ đĩa DVD-ROM, ngƣời dùng ghi, xóa ghi lại liệu lên đĩa nhiều lần Đĩa ghi đƣợc mặt đĩa, dung lƣợng ghi mặt tối đa 4.7 GB Đặc trƣng CDROM DVD ROM 0.834 micron 0.4 micron 1.6 micron 0.74 micron Số lớp liệu đĩa lớp lớp Số mặt đĩa mặt – mặt Dung lƣợng 640 – 700 MB 1.36 – 17 GB Độ phân giải 320 x 200 720 x 640 Kích thƣớc Pit Khoảng cách rãnh Bảng 4.2 So sánh số thông số CDROM DVDROM Với đặc tính đĩa quang, giá thành ngày thấp, đƣợc xem nhƣ phƣơng tiện thích hợp để phân phối phần mềm cho máy vi tính Ngồi ra, đĩa quang cịn đƣợc dùng để lƣu trữ lâu dài liệu thay cho băng từ Các loại thẻ nhớ Hiện nay, thẻ nhớ công nghệ đƣợc dùng làm thiết bị lƣu trữ Thẻ nhớ flash dạng nhớ bán dẫn EEPROM (công nghệ dùng để chế tạo chip BIOS vỉ mạch chính), đƣợc cấu tạo hàng cột Mỗi vị trí giao ô nhớ gồm có hai transistor, hai transistor cách lớp ôxit mỏng Một transistor đƣợc gọi floating gate transistor lại đƣợc gọi control gate Floating gate có 83 thể nối kết với hàng (word line) thông qua control gate Khi đƣờng kết nối đƣợc thiết lập, bit có giá trị Để chuyển sang giá trị theo quy trình có tên Fowler-Nordheim tunneling Tốc độ, u cầu dịng điện cung cấp thấp đặc biệt với kích thƣớc nhỏ gọn loại thẻ nhớ làm cho kiểu nhớ đƣợc dùng rộng rãi công nghệ lƣu trữ giải trí 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 đƣợc định nghĩa chức khác bao gồm: đƣờng liệu, đƣờng địa chỉ, dây điều khiển, cung cấp nguồn Dùng bus có ƣu điểm giá tiền thấp dễ thay đổi ngoại vi Ngƣời 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 đƣờng dây đơn giản Tuy nhiên, điểm thất lợi bus tạo nghẽn cổ chai, điều làm giới hạn lƣu lƣợng vào/ra tối đa Các hệ thống máy tính dùng cho quản lý phải dùng thƣờng xuyên 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 nhƣ chiều dài bus số phận đƣợc mắc vào bus Các bus thƣờng 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) Bus vào/ra có chiều dài lớn có khả nối kết với nhiều loại ngoại vi, ngoại vi có lƣu lƣợng thơng tin khác nhau, định dạng liệu khác Bus kết nối xử lý với nhớ ngắn thƣờng nhanh Trong giai đoạn thiết kế bus kết nối xử lý với nhớ, nhà thiết kế biết trƣớc linh kiện phận mà ông ta cần kết nối lại, nhà thiết kế bus vào/ra phải thiết kế bus thoả mãn nhiều ngoại vi có mức trì hỗn lƣu lƣợng khác (xem hình 4.3) 84 Hình 4.3 Hệ thống bus máy tính Hiện nay, số hệ thống máy tính, bus nối ngoại vi đƣợc 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 nhƣ SCSI, LAN, Graphic, Video,…và hệ thống bus mở rộng (expansion bus) đƣợc thiết kế để kết nối với ngoại vi yêu cầu tốc độ thấp nhƣ: 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 4.4) Hình 4.4 Hệ thống bus phân cấp Ta có nhiều lựa chọn việc thiết kế bus, nhƣ bảng 4.3 Đặc tính bus Độ rộng bus Bus hệ thống Bus nối ngoại vi Đƣờng dây địa số Đƣờng địa số liệu liệu khác đƣợc đa hợp 85 Độ rộng bus số Càng rộng nhanh (ví Càng hẹp tốn dụ 64bit) (ví dụ 8bit) liệu Số từ đƣợc chuyền Chuyển nhiều từ Chuyển đơn giản lần từ Chủ nhân bus Nhiều Một Chuyển gói Có Cần nhiều chủ nhân bus Không Kết nối lần chuyển hết thông tin Xung nhịp Đồng Bất đồng Bảng 4.3 Các lựa chọn yếu cho bus Trong bảng 4.3 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 đƣợc quyền chiếm lĩnh bus Một bus có nhiều chủ, cấp dải thơng rộng (bandwidth) cách sử dụng gói tin thay dùng bus cho tác vụ riêng lẻ Kỹ thuật sử dụng gói tin đƣợc gọi phân chia nhỏ tác vụ (dùng bus chuyển gói) Một tác vụ đọc đƣợc phân tích thành tác vụ yêu cầu đọc (tác vụ chứa địa cần đọc), tác vụ trả lời nhớ (chứa thông 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 đƣợc dành cho chủ khác Bus hệ thống bus đồng bộ, gồm có xung nhịp đƣờng 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 Ngƣợc 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, đƣợc 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 công nghệ 86 Các chuẩn bus Số lƣợng chủng loại phận vào/ra không cần định trƣớc hệ thống xử lý thông tin Điều giúp cho ngƣời sử dụng máy tính dùng phận vào/ra đáp ứng đƣợc yêu cầu họ Vào/ra giao diện phận (thiết bị) đƣợc kết nối vào hệ thống Nó xem nhƣ 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 đƣợc 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 Nhƣ vậy, nhà thiết kế máy tính nhà thiết kế ngoại vi tơn trọng chuẩn bus ngoại vi kết nối 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 đƣợc xem chuẩn cho hãng khác (ví dụ: trƣớc đây, UNIBUS máy PDP 11, chuẩn bus máy IBM PC, AT chuẩn hãng Intel liên quan đến máy vi tính) Các chuẩn bus phải đƣợc quan chuẩn nhƣ ISO, ANSI IEEE công nhận Giao diện xử lý với thiết bị vào Bộ xử lý dùng cách để liên lạc với phận vào ra: Cách thứ nhất, thƣờng đƣợc dùng: cách dùng vùng địa nhớ làm vùng địa ngoại vi Khi đọc hay viết vào vùng địa nhớ liên hệ đến ngoại vi Cách thứ hai, dùng mã lệnh riêng biệt cho vào/ra (tức có lệnh vào/ra riêng, khơng trùng với lệnh đọc hay viết vào ô nhớ) Trong trƣờng hợp này, xử lý gửi tín hiệu điều khiển cho biết địa dùng ngoại vi Vi mạch Intel 8086 máy IBM 370 ví dụ xử lý dùng lệnh vào/ra riêng biệt Dù dùng cách để định vị vào/ra phận vào/ra có ghi để cung cấp thông tin trạng thái điều khiển Bộ phận vào/ra dùng bit trạng thái “sẵn sàng” để báo cho xử lý sẵn sàng nhận số liệu Định kỳ xử lý xem xét bít để biết phận vào có sẵn sàng hay khơng Phƣơng pháp phương pháp thăm dò (polling) Và nhƣợc điểm phƣơng pháp làm thời gian xử lý định kỳ phải thăm dị tính sẵn sàng thiết bị ngoại vi Điều đƣợc nhận thấy từ lâu dẫn đến phát minh 87 ngắt quãng (interrupt) để báo cho xử lý biết lúc có phận vào/ra cần đƣợc phục vụ Việc dùng ngắt quãng làm cho xử lý khơng thời gian thăm dị xem ngoại vi có u cầu phục vụ hay khơng, nhƣng xử lý phải thời gian chuyển liệu Thông thƣờng việc trao đổi số liệu ngoại vi CPU theo khối số liệu, nên vi mạch thâm nhập trực tiếp nhớ (DMA: Direct Memory Access) đƣợc dùng nhiều máy tính để chuyển khối nhiều từ mà khơng có can thiệp CPU Hình 4.5 Sơ đồ hoạt động hệ thống bus có vi mạch DMA DMA vi mạch chức đặc biệt Nó chuyển số liệu ngoại vi nhớ trong, lúc CPU rảnh rỗi để làm cơng việc khác Vậy DMA nằm ngồi CPU tác động nhƣ chủ nhân bus Bộ xử lý khởi động ghi DMA, ghi chứa địa ô nhớ số byte cần chuyển DMA chủ động chuyển số liệu chấm dứt trả quyền điều khiển cho xử lý Bus địa Bus số liệu CPU Thiết bị I/O DMAC HOL D HRQ DRQ HLD A HACK DRQ Bộ nhớ DACK Bus điều khiển tín hiệu IOR, IOW, MEMR Hình 4.6 Các đường điều khiển DMA Trong hình 4.6, cần yêu cầu trao đổi liệu theo phƣơng pháp DMA với nhớ, thiết bị ngoại vi gởi tín hiệu yêu cầu DRQ tối chip DMAC (DMA controller) Chip đƣa tín hiệu yêu cầu treo HRQ đến chân HOLD CPU Nếu cho phép phục vụ DMA, xử lý tự treo (halt), tức tự đặt cửa trạng thái nối với bus vào trạng thái thả để tách khỏi bus Xung ghi nhận HLDA đến chân HACK chip DMAC để thông báo cho phép DMAC sử dụng bus Lúc chip truyền tín hiệu DACK tới thiết bị ngoại 88 vi phép thiết bị trao đổi liệu trực tiếp với nhớ Khi kết thúc trình DMA, chip DMAC đƣa tín hiệu u cầu treo HRQ trở mức khơng tích cực (HRQ=0) Bộ xử lý nhận đƣợc tín hiệu biết q trình DMA kết thúc quay lại trạng thái làm việc bình thƣờng Ngồi cịn phƣơng pháp thứ hai phƣơng pháp lấy chu kỳ bus, DMAC tận dụng khoảng thời gian chu kỳ bus mà CPU không truy cập nhớ Với phƣơng pháp đòi hỏi việc đồng thời gian nghiêm ngặt Vi mạch DMA thông minh cơng việc CPU nhẹ Nhiều vi mạch đƣợc gọi xử lý vào/ra (hay điều khiển vào/ra) thực cơng việc theo chƣơng trình cố định (chứa ROM), hay theo chƣơng trình mà hệ điều hành nạp vào nhớ Hệ điều hành thiết lập hàng chờ đợi gồm khối điều khiển phận vào/ Các khối chứa thơng tin nhƣ vị trí số liệu (nguồn đích) số số liệu Các xử lý vào/ra lấy thông tin hàng chờ đợi, thực việc cần phải làm gửi CPU tín hiệu ngắt thực xong công việc Với chip DMAC, phép DMA gồm bƣớc sau: - Thông báo cho xử lý yêu cầu thực DMA - Điều khiển bus hệ thống mà không làm ảnh hƣởng tới hoạt động bình thƣờng xử lý khơng gây xung đột bus - Xác định tạo địa chỉ, tính số từ liệu chuyển - Thơng báo cho xử lý kết thúc DMA Một số biện pháp an toàn liệu việc lƣu trữ thông tin đĩa từ Ngƣời ta thƣờng trọng đến an tồn lƣu giữ thơng tin đĩa từ an tồn thơng tin xử lý Bộ xử lý hƣ mà không làm tổn hại đến thông tin Ổ đĩa máy tính bị hƣ gây thiệt hại to lớn Một phƣơng pháp giúp tăng cƣờng độ an tồn thơng tin đĩa từ dùng mảng đĩa từ Mảng đĩa từ đƣợc gọi Hệ thống đĩa dự phòng (RAID - Redundant Array of Independent Disks) Cách lƣu trữ dƣ thơng tin làm tăng giá tiền an tồn (ngoại trừ RAID 0) Cơ chế RAID có đặc tính sau: 89 RAID tập hợp ổ đĩa cứng (vật lý) đƣợc 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 gƣơng) Trong mảng đĩa có lƣu thông tin kiểm tra lỗi liệu; đó, liệu đƣợc phục hồi có đĩa mảng đĩa bị hƣ hỏng Tuỳ theo kỹ thuật thiết lập, RAID có mức sau: 8.1 RAID Thực ra, kỹ thuật khơng nằm số kỹ thuật có chế an toàn liệu Khi mảng đƣợc thiết lập theo RAID 0, ổ đĩa logic có đƣợc (mà hệ điều hành nhận biết) có dung lƣợng tổng dung lƣợng ổ đĩa thành viên Điều giúp cho ngƣời dùng có ổ đĩa logic có dung lƣợng lớn nhiều so với dung lƣợng thật ổ đĩa vật lý thời điểm Dữ liệu đƣợc ghi phân tán tất đĩa mảng Đây khác biệt so với việc ghi liệu đĩa riêng lẻ bình thƣờng 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 lƣợng lớn, tốc độ cao (đa phƣơng tiện, đồ hoạ,…) Tuy nhiên, nhƣ nói trên, kỹ thuật khơng có chế an tồn liệu, nên có hƣ hỏng đĩa thành viên mảng dẫn đến việc liệu toàn mảng đĩa Xác suất hƣ hỏng đĩa tỉ lệ thuận với số lƣợng đĩa đƣợc thiết lập RAID RIAD đƣợc thiết lập phần cứng (RAID controller) hay phần mềm (Stripped Applications) Hình 4.7 RAID 8.2 RAID (Mirror - Đĩa gƣơng) Phƣơng cách thông thƣờng tránh thông tin ổ đĩa bị hƣ dùng đĩa gƣơng, tức dùng đĩa Khi thông tin đƣợc viết vào đĩa, đƣợc viết vào đĩa gƣơng nhƣ ln có thơng tin Trong chế 90 này, hai đĩa bị hƣ đĩa cịn lại đƣợc dùng bình thƣờng Việc thay đĩa (cung thông số kỹ thuật với đĩa hƣ hỏng) phục hồi liệu đĩa đơn giản Căn vào liệu đĩa lại, sau khoảng thời gian, liệu đƣợc tái tạo đĩa (rebuild) RAID đƣợc thiết lập phần cứng (RAID controller) hay phần mềm (Mirror Applications) với chi phí lớn, hiệu suất sử dụng đĩa khơng cao (50%) Hình 4.8 RAID 8.3 RAID Dùng kỹ thuật truy cập đĩa song song, tất đĩa thành viên RAID đƣợc đọc có yêu cầu từ ngoại vi Một mã sửa lỗi (ECC) đƣợc tính toán dựa vào liệu đƣợc ghi đĩa lƣu liệu, bit đƣợc mã hoá đƣợc lƣu đĩa dùng làm đĩa kiểm tra Khi có yêu cầu liệu, tất đĩa đƣợc 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 đƣợc truy cập để tiến hành thao tác ghi Thông thƣờng, RAID dùng mã Hamming để thiết lập chế mã hố, theo đó, để mã hố liệu đƣợc ghi, ngƣời ta dùng bit sửa lỗi hai bit phát lỗi RAID thích hợp cho hệ thống yêu cầu giảm thiểu đƣợc khả xảy nhiều đĩa hƣ hỏng lúc Hình 4.9 RAID 8.4 RAID Dùng kỹ thuật ghi song song, kỹ thuật này, mảng đƣợc thiết lập với yêu cầu tối thiểu đĩa có thơng số kỹ thuật giống nhau, đĩa mảng đƣợc dùng để lƣu thông tin kiểm tra lỗi (parity bit) Nhƣ vậy, thiết 91 lập RAID 3, hệ điều hành nhận biết đƣợc đĩa logic có dung lƣợng n-1/n (n: số đĩa mảng) Dữ liệu đƣợc chia nhỏ ghi đồng thời n-1 đĩa bit kiểm tra chẵn lẻ đƣợc ghi đĩa dùng làm đĩa chứa bit parity – chẵn lẻ đan chéo mức độ bít Bít chẵn lẻ bít mà ngƣời ta thêm vào tập hợp bít làm cho số bít có trị số (hoặc 0) chẵn (hay lẻ) Thay có hồn chỉnh thông tin gốc đĩa, ngƣời ta cần có đủ thơng tin để phục hồi thơng tin trƣờng hợp có hỏng ổ đĩa Khi đĩa mảng bị hƣ, hệ thống hoạt động bình thƣờng 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 đƣợc thiết lập phần cứng (RAID controller) Hình 4.10 RAID 8.5 RAID Từ RAID đến RAID dùng kỹ thuật truy cập đĩa mảng độc lập Trong mảng truy cập độc lập, đĩa thành viên đƣợc truy xuất độc lập, mảng đáp ứng đƣợc 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 đƣợc tính toán từ liệu đƣợc lƣu đĩa liệu Khuyết điểm lớn RAID bị nghẽn cổ chai đĩa kiểm tra có nhiều yêu cầu đồng thời từ ngoại vi Hình 4.11 RAID 8.6 RAID 92 Yêu cầu thiết lập giống nhƣ RAID 4, liệu đƣợc ghi khối đĩa thành viên, bit chẵn lẻ đƣợc tính tốn mức độ khối đƣợc ghi trải lên tất ổ đĩa mảng Tƣơng tự RAID 4, đĩa mảng bị hƣ hỏng, hệ thống hoạt động bình thƣờng 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 đƣợc thiết lập phần cứng (RAID controller) Cơ chế khắc phục đƣợc khuyết điểm nêu chế RAID Hình 4.12 RAID 8.7 RAID Trong kỹ thuật này, cần có n+2 đĩa mảng Trong đó, n đĩa liệu đĩa riêng biệt để lƣu khối kiểm tra Một hai đĩa kiểm tra dùng chế kiểm tra nhƣ RAID 4&5, đĩa lại kiểm tra độc lập theo giải thuật kiểm tra Qua đó, phục hồi đƣợc liệu có hai đĩa liệu mảng bị hƣ hỏng Hiện nay, RAID 0,1,5 đƣợc dùng nhiều hệ thống Các giải pháp RAID (trừ RAID 6) đảm bảo an tồn liệu có đĩa mảng bị hƣ hỏng Ngoài ra, hƣ hỏng liệu phần mềm hay chủ quan ngƣời khơng đƣợc đề cập chƣơng trình Ngƣời dùng cần phải có kiến thức đầy đủ hệ thống để hệ thống thông tin hoạt động hiệu an tồn Hình 4.15 RAID 93 NHIỆM VỤ TỰ HỌC VÀ TÀI LIỆU HỌC TẬP CỦA SINH VIÊN TRONG CHƢƠNG Để đạt đƣợc mục đích đề chƣơng 4, sinh viên phải thực tốt yêu cầu sau đây: - Xem trƣớc đề cƣơng chi tiết Chƣơng để biết đƣợc mục đích, nội dung đƣợc trình bày chƣơng - Đọc trƣớc nội dung Chƣơng giảng trƣớc lên lớp - Có thể tham khảo thêm tài liệu đƣợc giới thiệu trang 90 giáo trình 94 CÂU HỎI CHƢƠNG Thiết bị xuất nhập giữ nhiệm vụ hệ thống máy tính? Nhóm thiết bị ngoại vi thơng dụng máy tính có nhiệm vụ gì? Nhóm thiết bị lƣu trữ có nhiệm vụ gì? Ngun tắc hoạt động thiết bị lƣu trữ từ tính gì? Các đại lƣợng đặc trƣng đĩa cứng? Các ổ đĩa dùng công nghệ ghi thông tin mật độ có đặc điểm gì? Đĩa CD-ROM lƣu trữ thông tin theo nguyên tắc nào? Sự khác quan trọng đĩa từ băng từ gì? Dùng bus để liên lạc xử lý trung tâm, nhớ thiết bị ngoại vi có ƣu điểm gì? 10.Sử dụng bus có nhƣợc điểm gì? 11 Tại chiều dài bus gia tăng tốc độ tối đa bus bị giới hạn 12 Để nhận biết ngoại vi có yêu cầu nhập / xuất thông tin, phƣơng pháp ngắt qng có lợi phƣơng pháp thăm dị (polling) nhƣ nào? 13 Kỹ thuật DMA (Direct Memory Access) gì? 14 Tại máy tính có sử dụng xử lý vào đƣợc xem nhƣ máy tính đa xử lý? 15 Bộ xử lý vào xử lý trung tâm giống khác chỗ nào? 16 Kỹ thuật mảng đĩa từ dự phịng (redundancy) rẻ tiền (RAID) gì? 17 Hệ số dự phịng (dƣ thừa) nói lên điều gì? 18 Các đặc điểm hệ thống RAID 19 Các đặc điểm hệ thống RAID 20 Sự giống khác RAID RAID 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO  [1] Huỳnh Văn Khỏe (2014), “Bài giảng mơn học Kiến trúc máy tính”, Khoa Kỹ thuật – Công nghệ, Trƣờng Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp [2] Trần Đức Quang (2003), “Tổng quan Cấu trúc máy tính”, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh [3] Trần Quang Vinh (2004), “Giáo trình Kiến trúc máy tính”, NXB Đại học sƣ phạm 96 ... độ cao, … 2.2 Phân loại máy tính Để phân loại máy tính ngƣời ta dựa vào khả tốc độ xử lý máy tính Có loại máy tính: - Siêu máy tính Một siêu máy tính (supercomputer) máy tính vƣợt trội khả tốc... mềm Trong kỹ thuật máy tính, Kiến trúc máy tính mô tả khái niệm cấu trúc hoạt động hệ thống máy tính Nó mơ tả có tính chất chức yêu cầu hoạt động cho phận khác máy tính - tập trung chủ yếu vào... trƣờng máy tính lớn IBM chiếm 99% So với máy tính loại nhỏ nhƣ máy tính cá nhân, máy tính lớn nhƣ xe tăng: vững chắc, nhận hàng ngàn lệnh lúc - Máy tính nhỏ (minicomputer) Là loại máy tính nhiều