SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN CẤU TRÚC MÁY TÍNH NGHỀ QUẢN TRỊ MẠNG MÁY TÍNH TRÌNH ĐỘ ĐỘ CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số 285QĐ CĐNHN Ngày 21.giáo trình học tập, tài liệu cao đẳng đại học, luận văn tiến sỹ, thạc sỹ GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN CẤU TRÚC MÁY TÍNH NGHỀ QUẢN TRỊ MẠNG MÁY TÍNH
SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: CẤU TRÚC MÁY TÍNH NGHỀ: QUẢN TRỊ MẠNG MÁY TÍNH TRÌNH ĐỘ: ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: 285/QĐ-CĐNHN Ngày 21 tháng 07 năm 2017 Hiệu trưởng trường Cao đẳng Nghề Hà Nam) Hà Nam, năm 2017 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin 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 MÃ TÀI LIỆU: MHQTM 09 LỜI GIỚI THIỆU Chìa khóa để hướng tới xã hội thông tin phát triển công nghệ thông tin (CNTT), nhiên để phát triển CNTT lâu dài bền vững, đào tạo kiến thức nhất, mà nội dung đào tạo phải trang bị sinh viên kiến thức tảng, sở tạo cho sinh viên phát huy tính sáng tạo, chủ động việc tiếp thu nghiên cứu, ứng dụng CNTT Do đó, trường đào tạo, sinh viên phải trang bị kiến thức tảng CNTT thể thiếu mơn học Cấu trúc máy tính Hiện có nhiều giáo trình cấu trúc máy tính, nhiên hầu hết giáo trình đáp ứng đối tượng sinh viên đại học Giáo trình viết chủ yếu cho đối tượng sinh viên trường dạy nghề Giáo trình cung cấp cho sinh viên kiến thức cấu trúc máy tính, tổ chức hoạt động vi xử lý, thành phần phần hệ thống máy tính biện pháp kĩ thuật Cấu trúc máy tính mơn học sở để sinh viên thực hành bảo trì hệ thống máy tính Giáo trình bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan cấu trúc máy tính Chương 2: xử lý Chương 3: Bộ nhớ Chương 4: Thiết bị nhớ Trong chương có giới thiệu mục tiêu, nội dung câu hỏi tập Giáo trình xem nguồn tài liệu cung cấp thông tin cho giáo viên giảng dạy, đồng thời tài liệu học tập cho sinh viên Nhân ban biên soạn xin cảm ơn lãnh đạo đồng nghiệp trường Cao đẳng nghề Đà Nằng tạo điều kiện giúp đỡ, cho chúng tơi ý kiến q báu q trình biên soạn giáo trình Vì thời gian có hạn lần giáo trình soạn thảo nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc Xin chân thành cảm ơn! Hà nam, ngày…tháng….năm 2017 “Biên soạn” Nguyễn Quốc Tuấn MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC ' CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH Các mốc lịch sử phát triển cơng nghệ máy tính Thông tin mã hóa thơng tin 2.1 Khái niệm thông tin lượng thông tin 2.2 Sự mã hóa thơng tin Đặc điểm hệ máy tính điện tử 14 3.1 Thế hệ thứ nhất: (1945-1955) 14 3.2 Thế hệ thứ hai: (1955-1965) 14 3.3 Thế hệ thứ ba: (1965-1980) 14 3.4 Thế hệ thứ tư: (1980- ) 15 Kiến trúc tổ chức máy tính 15 4.1 Khái niệm kiến trúc máy tính 15 4.2 Khái niệm tổ chức máy tính 16 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 16 CHƯƠNG 2: BỘ XỬ LÝ 17 Mục tiêu 17 1.Sơ đồ khối xử lý 17 Bộ điều khiển 18 1.1 Chức điều khiển 18 1.2 Các phương pháp thiết kế điều khiển 19 Tiến trình thực lệnh máy 20 3.1 Đọc lệnh 20 3.2 Giải mã lệnh 21 3.3 Nhận liệu 21 3.4 Thực lệnh 22 3.5 Lưu trữ kết 22 CÂU HỎI VÀ_ BÀI TẬP 23 CHƯƠNG 3: BỘ NHỚ 24 Nội dung chính: 24 Phân loại nhớ 24 1.1 Phân loại nhớ theo phương pháp truy nhập 24 1.2 Phân loại theo đọc ghi nhớ 24 Các loại nhớ bán dẫn 24 2.1 ROM (Read Only Memory) 24 2.2 RAM (Random Access Memory) 25 2.3.1 Hệ thống nhớ phân cấp 28 2.3.2 Kết nối nhớ với xử lý 30 2.3.3 Các tổ chức cache 30 2.3.4 Cache (bộ nhớ đệm nhanh) 30 2.3.5 Tổ chức cache 31 2.3.6 Các phương pháp ánh xạ địa 32 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 35 CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ NHỚ NGOÀI 36 Nội dung 36 Các thiết bị nhớ vật liệu từ .36 1.1 Đĩa từ (đĩa cứng, đĩa mềm) 36 1.2 Băng từ 38 Thiết bị nhớ quang học 39 2.1 CD-ROM, CD-R/W 39 2.2 DVD-ROM, DVD-R/W 39 2.3 Bluray 40 Các loại thẻ nhớ 40 An toàn liệu lưu trữ .41 4.1 RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) 41 4.2 Các loại RAID ' 41 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP .45 TÀI LIỆU THAM KHẢO .46 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Cấu trúc máy tính Mã mơn học: MHQTM 09 * Vị trí, tính chất mơn học: Vị trí: Mơn học Kiến trúc máy tính bố trí học sau môn học chung, môn tin học đại cương, tin học văn phòng, kỹ thuật điện-điện tử học với mơ đun lắp ráp cài đặt máy tính Tính chất: Là môn học kỹ thuật sở thuộc môn học đào tạo nghề Ý nghĩa vai trị mơn học: Đây môn học đào tạo chuyên môn nghề, cung cấp cho sinh viên kỹ nghề Quản trị mạng máy tính * Mục tiêu môn học: - - Về kiến thức: + Trình bày lịch sử máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính + Mô tả thành phần kiến trúc máy tính, tập lệnh Các kiểu kiến trúc máy tính: mơ tả kiến trúc, kiểu định vị + Trình bày cấu trúc xử lý trung tâm: tổ chức, chức nguyên lý hoạt động phận bên xử lý + Trình bày chức nguyên lý hoạt động loại nhớ + Trình bày phương pháp lưu trữ liệu nhớ - Về kỹ năng: + Mô tả diễn tiến thi hành lệnh mã máy số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng + Cài đặt chương trình lệnh điều khiển Assembly để thực toán theo yêu cầu - Về lực tự chủ trách nhiệm + Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an toàn cho người phương tiện học tập + Tự học, sáng tạo để bình tĩnh thuyết trình với hỗ trợ phần mềm máy tính Nội dung môn học Số TT Tên chương, mục Tổng số Thời gian Thực Kiêm hành, Bài tra thuyết tập I II III IV Tổng quan kiến trúc máy tính Các mốc lịch sử phát triển cơng nghệ máy tính 2.Thơng tin mã hóa thông tin Đặc điểm hệ máy tính điện tử Kiến trúc tổ chức máy tính Các mơ hình kiến trúc máy tính Bộ xử lý Sơ đồ khối xử lý Đường dẫn liệu Bộ điều khiển Bộ nhớ Phân loại nhớ Các loại nhớ bắn dẫn Hệ thống nhớ phân cấp Kết nối nhớ với xử lý Các tổ chức cache Thiết bị nhớ Các thiết bị nhớ vật liệu từ 2.Thiết bị nhớ quang học 3.Các loại thẻ nhớ 4.An toàn liệu lưu trữ Cộng 10 10 15 10 10 45 15 28 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã chương :MHQTM 09-01 Mục tiêu: - Trình bày lịch sử phát triển máy tính, thành tựu máy tính; Trình bày khái ni ệ m v ề thông tin; Mô t ả đượ c ki ế n trúc máy tính; B iến đổi hệ thống số, bảng mã thông dụng dùng để biểu diễn ký tự Nội dung chính: Các mốc lịch sử phát triển cơng nghệ máy tính Mục tiêu: Trình bày lịch sử phát triển máy tính, thành tựu máy tính 30 năm trước, 5150 đời phá vỡ quan điểm trước máy tính Lần đầu tiên, máy tính nhìn nhận thiết bị có kích thước vừa phải, hợp túi tiền công chúng ý nhiều Hình 1.1: 1982: Franklin Ace 100 Đây máy tính gây vụ kiện quyền phần mềm lịch sử Acer bị Apple kiện vi phạm nhãn hiệu hàng hóa chép phần cứng phần mềm máy tính Apple II cho Franklin Ace 100 Trong vụ kiện này, phần thắng thuộc Apple 1982: Commodore 64 Có thể coi Commodore máy tính dành cho hộ gia đình tiếng Từ năm 1982 tới năm 1993, gần 30 triệu máy Commodore 64 bán tồn giới XT nâng cấp máy tính cá nhân 5150 IBM XT có ổ cứng 10 MB Sản phẩm IBM sau nhanh chóng trở thành máy tính tiêu chuẩn Hình 1.2: 1983: Apple Lisa Lisa máy tính tiêu dùng có giao diện đồ họa Tuy nhiên, giá 10.000 USD trở thành rào cản đưa sản phẩm đến với người tiêu dù 1984: Macintosh Macintosh thu thành cơng vang dội tới mức 30 năm đó, sản phẩm máy tính Apple coi kế thừa trực tiếp Macintosh Macintosh có giao diện đồ họa Lisa mức giá "mềm" nhiều giúp sản phẩm dễ tiêu thụ Hình 1.3: 1990: NeXT Máy tính NeXT sản xuất công ty riêng Steve Jobs thành lập sau ông rời Apple vào năm 1985 Tuy nhiên, máy tính trở nên quan trọng lý khác: mẫu máy tính Tim Berners-Lee dùng làm máy chủ World Wide Web Hình 1.4: 1996: Deep Blue Năm 1994, máy tính Deep Thought IBM bị kiện tướng cờ vua Garry Kasparov đánh bại cách dễ dàng Tháng năm 1996, máy tính Deep Blue đánh thắng Garry Kasparov hiệp đấu Đây lần đương kim vô địch giới thất bại ván cờ trước đối thủ máy tính.Tuy nhiên, hiệp sau Deep bị Garry Kasparov chinh phục Sau lần thất bại này, kỹ sư IBM sức nghiên cứu nâng cấp Deep Blue trở lại "phục thù", đánh bại kiện tướng cờ vua vào năm 1997, trình diễn khả xử lý chưa thấy lịch sử trước Hình 1.5: 1998: iMac iMac xóa hình ảnh nhàm chán máy tính cá nhân màu xám Apple cách mạng hóa hình ảnh máy tính với mẫu iMac nhiều màu sắc sặc sỡ Hiện iPad? - Bộ nhớ cache: L0, L1, L2, , Lm-1 (m Lines) - Kích thước Block = 8, 16, 32, 64, 128 byte ■ Một số Block nhớ nạp vào Line cache ■ Nội dung Tag (thẻ nhớ) cho biết Block nhớ chứa Line ■ Khi CPU truy nhập (đọc/ghi) từ nhớ, có hai khả xảy ra: - Từ nhớ có cache (cache hit) - Từ nhớ khơng có cache (cache miss) Vì số line cache số block nhớ nên cần có thuật giải ánh xạ thông tin nhớ cache 2.3.6 Các phương pháp ánh xạ địa a Ánh xạ trực tiếp Mỗi Block nhớ nạp vào Line cache: B0 ỉ L0 Lina Ta£ Word \ B1 L1 Đặc điểm ánh xạ trực tiếp: Bm-1 Lm-1 Bm L0 Bm+1 L1 Tổng quát: 32 + Mỗi địa N bit nhớ gồm ba trường: ■ Trường Word gồm W bit xác định từ nhớ Block hay Line: 2W = kích thước Block hay Line ■ Trường Line gồm L bit xác định số Line cache: 2L = số Line cache = m ■ Trường Tag gồm T bit: T = N - (W+L) + Bộ so sánh đơn giản + Xác suất cache hit thấp b Ánh xạ liên kết tồn phần ■ Mỗi Block nạp vào Line cache ■ Địa nhớ bao gồm hai trường: - Trường Word giống trường hợp - Trường Tag dùng để xác định Block nhớ ■ Tag xác định Block nằm Line Hình 4.8: Sơ đồ ánh xạ toàn phần Đặc điểm ánh xạ liên kết toàn phần: - So sánh đồng thời với tất Tag nhiều thời gian 33 - Xác suất cache hit cao - Bộ so sánh phức tạp c Ánh xạ liên kết tập hợp Cache đươc chia thành Tập (Set) Mỗi Set chứa số Line Vídụ: Line/Set 4-way associative mapping Ánh xạ theo nguyên tắc sau: BO SO B1 S1 B2 S2 Hình 4.9: Sơ đồ ánh xạ liên kết tập hợp Đặc điểm ánh xạ liên kết tập hợp: ■ Kích thước Block = 2W Word ■ Trường Set có S bit dùng để xác định số V = 2S Set ■ Trường Tag có T bit: T = N -(W+S) ■ Tổng quát cho hai phương pháp ■ Thông thường 2,4,8,16 Lines/Set Các giải thuật thay block cache + Thuật giải thay (1): Ánh xạ trực tiếp - Không phải lựa chọn - Mỗi Block ánh xạ vào Line xác định - Thay Block Line + Thuật giải thay (2): Ánh xạ liên kết 34 - Được thực phần cứng (nhanh) - Random: Thay ngẫu nhiên - FIFO (First In First Out): Thay Block nằm lâu Set - LFU (Least Frequently Used): Thay Block Set có số lần truy nhập khoảng thời gian - LRU (Least Recently Used): Thay Block Set tương ứng có thời gian lâu khơng tham chiếu tới Tối ưu * Phương pháp ghi liệu cache hit ■ Ghi xuyên qua (Write-through): Ghi cache nhớ chính, tốc độ chậm ■ Ghi trả sau (Write-back): Chỉ ghi cache, tốc độ nhanh, Block cache bị thay cần phải ghi trả Block nhớ * Cache xử lý Intel 80386: Khơng có cache chip 80486: 8KB cache L1 chip Pentium: có cache L1 chip - Cache lệnh = 8KB - Cache liệu = 8KB Pentium4: hai mức cache L1 L2 chip - Cache L1: Mỗi cache 8KB, Kích thước Line = 64byte, ánh xạ liên kết tập hợp đường - Cache L2: 256KB, Kích thước Line = 128byte, ánh xạ liên kết tập hợp đường * Các mức Cache Việc dùng cache làm cho cách biệt kích thước thời gian thâm nhập cache nhớ lớn Người ta đưa vào nhiều mức cache: • Cache mức (L1 cache): thường cache (on-chip cache; nằm bên CPU) • Cache mức hai (L2 cache) thường cache (off-chip cache; cache nằm bên CPU) CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Sự khác SRAM DRAM? Trong máy tính chúng dùng đâu? Mục tiêu cấp nhớ? Sự khác biệt cache nhớ ảo? CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ NHỚ NGOÀI Mã chương : MHQTM 09.4 35 Mục tiêu Mô tả cấu tạo vận hành loại thiết bị lưu trữ; Trình bày phương pháp để đảm bả o an toàn liệu lưu trữ; Phân biệt hệ thống kết nối bản, phận bên máy tính, cách giao tiếp thiết bị ngoại vi xử lý; - Thực thao tác an toàn với máy tính Nội dung l Các thiết bị nhớ vật liệu từ Mục tiêu : Biết cấu tạo vận hành loại thiết bị nhớ vật liệu từ Các thiết bị nhớ thông dụng là: - Các đĩa từ, băng từ, đĩa quang, loại thẻ nhớ phận lưu trữ thông tin trữ lượng lớn Trong chương tập trung nói đến phận lưu trữ số liệu có trữ lượng cao (đĩa từ, đĩa quang, băng từ) kết nối phận vào máy tính - 1.1 Đĩa từ (đĩa cứng, đĩa mềm) Dù công nghệ không ngừng phát minh nhiều loại phận lưu trữ lượng thông 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 khơng xét đến thiết bị chương trình mà nói đến đĩa cứng Trong giáo trình 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 (Hình 5.1) Đường kính đĩa thay đổi từ 1,3 inch đến inch Mỗi mặt lớp đĩa chia thành nhiều đường tròn đồng trục gọi rãnh (Track) Thông 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 thơng 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 Số sector track khác từ phần rìa đĩa vào đến vùng tâm đĩa, ổ đĩa cứng chia 10 vùng mà vùng có số sector/track 36 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 thông tin thấp mật độ ghi cung nằm gần trục quay Hình 5.1: 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 thông minh chuẩn SCSI Mật độ ghi Mật độ ghi khơng Hình 5.2: 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 37 vị đo lường mật độ đơn vị bề mặt Bảng thông sổ kỹ thuật điã cúng Hunt* hrựng tối da có thê dạt 5011