Bài giảng kiến trúc máy tính phần 2 hoàng xuân dậu

CHƢƠNG BỘ NHỚ NGOÀI 5.1 ĐĨA TỪ 5.1.1 Giới thiệu Đĩa từ (Magnetic Disks) loại thiết bị lƣu trữ đƣợc sử dụng rộng rãi thiết bị tính tốn nói chung máy tính cá nhân nói riêng Đĩa từ thuộc loại nhớ ổn định – thông tin lƣu đĩa từ ln đƣợc trì, khơng phụ thuộc vào nguồn điện ni bên ngồi Đĩa từ nhớ kiểu khối có dung lƣợng lớn, đặc biệt đĩa cứng, dùng để lƣu trữ thông tin lâu dài dƣới dạng tệp (files) Để lƣu đƣợc thông tin, đĩa từ sử dụng đĩa nhựa đĩa kim loại có phủ lớp bột từ bề mặt Bột từ đƣợc sử dụng thƣờng oxit sắt hợp kim sắt Có hai dạng đĩa từ chủ yếu đĩa từ mềm (gọi tắt đĩa mềm – Floppy Disks) đĩa từ cứng (gọi tắt đĩa cứng – Hard Disks) Đĩa mềm làm plastic, có dung lƣợng nhỏ, tốc độ chậm dễ bị hƣ hỏng Ngƣời ta sử dụng ổ đĩa mềm (FDD – Floppy Disk Drive) để đọc ghi đĩa mềm Hình 51 minh hoạ đĩa mềm ổ đĩa mềm dung lƣợng 1,44MB với kích thƣớc đĩa 3,5 inches Ngày nay, phát triển mạnh mẽ loại đĩa quang đặc biệt thẻ nhớ flash kết nối qua cổng USB, đĩa mềm ngày đƣợc sử dụng Nhiều hệ thống máy tính lắp khơng kèm ổ đĩa mềm Hình 51 Đĩa mềm ổ đĩa mềm kích thƣớc 3,5 inches Khác với đĩa mềm, đĩa cứng thƣờng đƣợc gắn cố định ổ đĩa đƣợc bọc hộp kim loại bảo vệ nhƣ minh hoạ hình Hình 52 Đĩa cứng đƣợc làm kim loại thuỷ tinh, có dung lƣợng lớn tốc độ cao nhiều lần so với đĩa mềm Hiện nay, ổ đĩa cứng thƣờng có dung lƣợng lớn, từ vài chục gigabyte đến hàng ngàn gigabyte thiết bị lƣu trữ chủ yếu hệ thống máy tính Do đĩa từ mềm ngày đƣợc sử dụng, phần chƣơng đề cập đến đĩa từ cứng ổ đĩa cứng Chương 5- Bộ nhớ ngồi Hình 52 Ổ đĩa cứng kích thƣớc 3,5 inches 5.1.2 Đĩa cứng 5.1.2.1 Cấu tạo đĩa cứng Hình 53 Các thành phần đĩa cứng Hình 53 minh hoạ cấu trúc đĩa cứng Hình 54 minh hoạ hệ thống đĩa đầu từ đọc/ghi đĩa cứng Đĩa cứng thƣờng gồm thành phần chính: đĩa từ (Disks), đầu từ đọc/ghi (Heads), rãnh (Tracks), mặt trụ (Cylinders) cung (Sectors) Một ổ đĩa cứng gồm nhiều đĩa đƣợc lắp đồng trục Các đĩa thƣờng phẳng đƣợc chế tạo nhôm thuỷ tinh với lớp bột từ mỏng (khoảng 10-20nm) phủ bề mặt đĩa để lƣu thông tin Vật liệu từ thƣờng dùng oxit sắt ba (Fe2O3) với ổ đĩa cứng cũ Hiện vật liệu từ thƣờng dùng hợp kim côban Đĩa lƣu thơng tin hai mặt (side), đƣợc đánh số mặt mặt Đầu từ hay đầu đọc ghi phận chủ chốt ổ đĩa cứng Mỗi đầu từ đĩa cứng thƣờng có kích thƣớc nhỏ, đƣợc sử dụng để đọc ghi thông tin lên đĩa Khoảng 58 Chương 5- Bộ nhớ cách đầu từ bề mặt đĩa nhỏ, nhƣng không tiếp xúc mà “bay” mặt đĩa Mỗi ổ đĩa cứng thƣờng có nhiều đầu từ kết hợp thành hệ thống đầu từ giá đỡ, nhƣ minh hoạ Hình 54 Số lƣợng đầu từ ổ đĩa phụ thuộc vào thiết kế dung lƣợng đĩa thƣờng khác nhau: 4, 8, 12, 16, 24, 32, 64 Hình 54 Hệ thống đĩa đầu từ đọc/ghi đĩa cứng Rãnh có dạng đƣờng tròn đồng tâm mặt đĩa để lƣu thông tin Các rãnh đƣợc đánh số từ theo trật từ từ phía ngồi đĩa vào tâm mặt đĩa chứa hàng ngàn rãnh Tiếp theo rãnh, mặt trụ tập hợp rãnh mặt đĩa khác nằm vị trí đầu từ Trên thực tế, mặt trụ tham số đƣợc sử dụng nhiều rãnh hệ thống đĩa cứng Cung phần rãnh bề mặt đĩa đơn vị lƣu trữ nhỏ quản lý đĩa Kích thƣớc thông dụng cung 512 bytes Với ổ đĩa cứng, ba tham số đƣợc sử dụng để tính dung lƣợng đĩa là: Số lƣợng mặt trụ (C), số lƣợng đầu từ (H) số lƣợng cung rãnh (S) Nhƣ vậy, dung lƣợng đĩa cứng tính theo tham số là: Dung lƣợng đĩa cứng = C x H x S x 512 bytes 5.1.2.2 Các chuẩn ghép nối đĩa cứng Các chuẩn hay giao diện ghép nối ổ đĩa cứng giải vấn đề ổ đĩa cứng đƣợc ghép nối trao đổi liệu với CPU nhƣ Cho đến nay, giao diện thông dụng ghép nối ổ đĩa cứng với máy tính gồm: (1) Parallel ATA (PATA - Parallel Advanced Technology Attachments), gọi ATA/IDE/EIDE (Integrated Drive Electronics), (2) Serial ATA (SATA), (3) SCSI – Small Computer System Interface (phát âm scuzzy /skʌzi/), (4) Serial Attached SCSI (SAS) (5) iSCSI – Internet SCSI Trong tài liệu này, ta đề cập chi tiết ba chuẩn ghép nối thơng dụng cho máy tính PATA/ATA/IDE, SATA SCSI 59 Chương 5- Bộ nhớ Chuẩn ghép nối ATA/IDE/PATA Hình 55 Giao diện ghép nối cáp ATA/IDE/PATA Hình 56 IDE HDD jumpers & cài đặt jumpers Chuẩn ghép nối ATA/IDE/PATA sử dụng cáp dẹt 40 80 sợi để ghép nối ổ cứng với bảng mạch máy tính Mỗi cáp thƣờng hỗ trợ ghép nối với ổ đĩa: ổ đĩa chủ (master) ổ đĩa tớ (slave) Băng thông đƣờng truyền 16 bít, đạt mức thơng lƣợng theo tần số làm việc: 16, 33, 66, 100 133MB/s Hình 55 Hình 56 minh hoạ khe cắm, cáp ghép nối chuyển mạch chế độ làm việc (jumpers) ổ đĩa chuẩn ATA/IDE/PATA Chuẩn ghép nối SATA Khe cắm liệu SATA Đầu cắm liệu SATA Đầu cắm nguồn SATA Hình 57 Khe cắm cáp ghép nối SATA 60 Chương 5- Bộ nhớ ngồi Hình 57 minh hoạ thành phần ghép nối ổ đĩa cứng với bảng mạch theo chuẩn SATA Chuẩn SATA sử dụng tập lệnh mức thấp nhƣ chuẩn ATA nhƣng SATA sử dụng đƣờng truyền tin nối tiếp tốc độ cao qua đôi dây với điều khiển SATA sử dụng chuẩn AHCI (Advanced Host Controller Interface) SATA hỗ trợ nhiều tính tiên tiến vƣợt trội so với ATA, nhƣ truyền liệu nhanh hiệu đặc biệt tính cắm nóng (hot plug) SATA cung cấp tốc độ truyền liệu cao nhiều so với ATA Với SATA hệ 1, tốc độ đạt 1,5 Gb/s lần lƣợt đạt 3,0 Gb/s 6,0 Gb/s với hệ hệ Chuẩn ghép nối SCSI SCSI tập chuẩn kết nối vật lý truyền liệu máy tính thiết bị ngoại vi, thƣờng đƣợc sử dụng máy chủ Tất thiết bị SCSI kết nối đến bus SCSI theo kiểu bus SCSI kết nối 8-16 thiết bị SCSI Tƣơng tự SATA, chuẩn SCSI cung cấp nhiều tính tiên tiến nhƣ tốc độ truyền liệu tính ổn định cao tính cắm nóng Tính cắm nóng hữu dụng máy chủ SCSI cho phép thêm, bớt ổ cứng mà tắt máy, giảm thời gian ngừng cung cấp dịch vụ SCSI đạt đƣợc tốc độ truyền liệu: 5, 10, 20, 40MB/s với ổ SCSI cũ 160, 320, 640 MB/s với ổ SCSI Các ổ cứng SCSI thƣờng đắt tiền đƣợc thƣờng đƣợc sử dụng cho máy chủ hệ thống lƣu trữ tiên tiến nhƣ RAID, NAS SAN 5.1.2.3 Quản lý đĩa cứng Các đĩa cứng đƣợc quản lý theo hai mức: mức thấp (lower level) mức cao (high level) Quản lý đĩa mức thấp đƣợc thực chức ROM-BIOS, đĩa đƣợc quản lý mức cao hệ điều hành Các vấn đề liên quan đến quản lý đĩa cứng gồm: định dạng đĩa cứng, phân khu bảng phân khu đĩa cứng, cung khởi động, hệ thống file thƣ mục gốc Định dạng đĩa cứng Đĩa cứng cần đƣợc định dạng (format) trƣớc sử dụng Có hai mức định dạng đĩa cứng: định dạng mức thấp (lower level format) định dạng mức cao (high level format) Định dạng mức thấp trình gán địa cho cung vật lý đĩa đƣợc thực chức BIOS Hiện nay, hầu hết ổ đĩa cứng đƣợc định dạng mức thấp xuất xƣởng Sau đƣợc định dạng mức thấp, ổ đĩa cần đƣợc định dạng mức cao hệ điều hành trƣớc lƣu thơng tin Định dạng mức cao trình gán địa cho cung logic khởi tạo hệ thống file Phân khu bảng phân khu đĩa cứng Một đĩa cứng vật lý đƣợc chia thành nhiều phần để thuận tiện cho quản lý lƣu trữ Mỗi phần đƣợc gọi phân đoạn hay phân khu (partition) Có hai loại phân khu: phân khu (primary partition) phân khu mở rộng (extended partition) Thông thƣờng, ổ đĩa có phân khu phân khu mở rộng Một phân khu lại đƣợc chia thành ổ đĩa logic Phân khu chứa ổ đĩa logic, nhƣng phân khu mở rộng đƣợc chia thành ổ đĩa logic Bảng phân khu (partition table) bảng gồm ghi lƣu thông tin quản lý phân khu đĩa cứng Các thông tin cụ thể phân khu nhƣ sau: 61 Chương 5- Bộ nhớ ngồi  Phân khu có thuộc loại tích cực (active) ?  Số mặt trụ (C), đầu từ (H) cung (S) điểm bắt đầu phân khu;  Số mặt trụ (C), đầu từ (H) cung (S) điểm kết thúc phân khu;  Kiểu định dạng phân khu (FAT, NTFS, EXT);  Kích thƣớc phân khu tính theo số cung Cung khởi động Cung khởi động (boot sector) cung đặc biệt, ln nằm vị trí cung số ổ đĩa logic Cung khởi động chứa chƣơng trình mồi khởi động (Bootstrap loader) có nhiệm vụ kích hoạt việc nạp thành phần hệ điều hành từ đĩa vào nhớ Hệ thống file Hệ thống file (file system) dạng bảng danh mục (directory) để quản lý việc lƣu trữ files đĩa Các files thƣờng đƣợc lƣu trữ thƣ mục (folders) thƣ mục đƣợc tổ chức theo mơ hình Hệ thống file thành phần hệ điều hành có thiết kế khác khác Sau số hệ thống file thông dụng kèm theo hệ điều hành:  FAT (DOS, Windows 3.x, Windows 95, 98, ME)  NTFS (Windows NT, 2000, XP, 2003, Vista, 7)  Ext2, Ext3 (Unix, Linux)  MFS (Macintosh FS)/HFS (Hierarchical FS) (Mac OS) Thƣ mục gốc Thƣ mục gốc (Root directory) thƣ mục mức thấp hệ thống thƣ mục ổ đĩa logic Thƣ mục gốc điểm bắt đầu hệ thống tìm kiếm truy nhập file Cũng nhƣ thƣ mục khác, thƣ mục gốc chứa thƣ mục file Điểm khác biệt thƣ mục gốc với thƣ mục khác khơng có thƣ mục mẹ 5.2 ĐĨA QUANG 5.2.1 Giới thiệu nguyên lý Đĩa quang (Optical Disks) hoạt động dựa nguyên lý quang học: sử dụng ánh sáng để đọc ghi thông tin đĩa Các đĩa quang thƣờng đƣợc chế tạo plastic với mặt đƣợc tráng lớp nhôm mỏng để phản xạ tia laser Mặt đĩa quang đƣợc “khắc” rãnh mức lõm rãnh đƣợc sử dụng để biểu diễn bit thông tin, nhƣ minh hoạ Hình 58 Trên thực tế, đĩa quang âm nhạc phim đƣợc chế tạo hàng loạt theo kiểu chế in gồm khâu: Trƣớc hết, tạo đĩa chủ chứa thông tin dạng “âm bản” thiết bị chuyên dụng, sau sử dụng đĩa chủ để “in” thông tin lên đĩa quang trắng Việc đọc thông tin đĩa quang đƣợc thực ổ đĩa quang (Optical Disk Drive), nhƣ minh hoạ Hình 59 theo bƣớc: Tia laser từ điốt phát laser qua tách tia đến gƣơng quay; Gƣơng quay đƣợc điều khiển tín hiệu đọc, lái tia laser đến vị trí cần đọc mặt đĩa; Tia phản xạ từ mặt đĩa phản ánh mức lồi lõm mặt đĩa quay trở lại gƣơng quay; 62 Chương 5- Bộ nhớ Gƣơng quay chuyển tia phản xạ tách tia sau đến cảm biến quang điện; Bộ cảm biến quang điện chuyển đổi tia laser phản xạ thành tín hiệu điện đầu Cƣờng độ tia laser đƣợc biểu diễn thành mức tín hiệu Hình 58 Lƣu thơng tin đĩa quang Output signal Sensor Rotation mirror Laser Diode Beam spitter CD-ROM Hình 59 Nguyên lý đọc thông tin đĩa CD-ROM 5.2.2 Các loại đĩa quang Có hai họ đĩa quang chính: đĩa CD (Compact Disk) đĩa DVD (Digital Video Disk) Đĩa CD đời trƣớc có dung lƣợng nhỏ, tốc độ chậm, thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu liệu, âm phim ảnh có chất lƣợng thấp Đĩa DVD đời sau, có dung lƣợng lớn, tốc độ truy nhập cao cho phép lƣu liệu, âm phim ảnh có chất lƣợng cao 63 Chương 5- Bộ nhớ Họ đĩa CD gồm loại chính: đĩa CD đọc (CD-ROM - Read Only CD), đĩa CD ghi lần (CD-R - Recordable CD) đĩa CD ghi lại (CD-RW - Rewritable CD) Đĩa CDROM đƣợc ghi sẵn nội dung từ sản xuất đọc trình sử dụng CDROM thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu âm nhạc phần mềm Đĩa CD-R đĩa ghi lần ngƣời sử dụng Sau thông tin đƣợc ghi, đĩa trở thành loại đọc Ngƣợc lại, đĩa CD-RW cho phép xố thơng tin ghi ghi lại nhiều lần Đĩa CD-RW thƣờng có giá thành cao ghi lại khoảng 1000 lần Tƣơng tự họ CD, họ DVD gồm nhiều loại: đĩa DVD đọc (DVD-ROM - Read Only DVD), đĩa ghi lần (DVD-R - Recordable DVD), đĩa ghi lại (DVD-RW Rewritable DVD), đĩa DVD mật độ cao (HD-DVD - High-density DVD) đĩa DVD mật độ siêu cao (Blu-ray DVD - Ultra-high density DVD) DVD-ROM thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu phim ảnh phần mềm có dung lƣợng lớn Đĩa DVD-R đĩa ghi lần ngƣời sử dụng Sau thông tin đƣợc ghi, đĩa trở thành loại đọc Ngƣợc lại, đĩa DVD-RW cho phép xố thơng tin ghi ghi lại nhiều lần Đĩa HD-DVD Blu-ray DVD loại đĩa DVD có dung lƣợng siêu cao với dung lƣơng tƣơng ứng vào khoảng 15GB 25GB với đĩa lớp 5.2.3 Giới thiệu cấu tạo số đĩa quang thông dụng 5.2.3.1 Đĩa CD-ROM, CD-R CD-RW Dung lƣợng tối đa đĩa CD 700MB 80 phút lƣu âm Ổ đĩa sử dụng tia laser hồng ngoại với bƣớc sóng 780 nm để đọc thông tin Tốc độ truyền thông tin đĩa CD đƣợc tính theo tốc độ sở (150KB/s) nhân với hệ số nhân Ví dụ, đĩa có tốc độ đọc 4x tốc độ tối đa đọc x 150KB/s = 600 KB/s; đĩa có tốc độ đọc 50x tốc độ tối đa đọc 50 x 150KB/s = 7500 KB/s Hình 60 Cấu tạo đĩa CD-R Đĩa CD-R mặt hình thức cấu tạo tƣơng tự đĩa CD-ROM Tuy nhiên, đĩa CD-R có thêm lớp gọi “organic dye”, tạm dịch lớp hữu nằm lớp plastic lớp phản xạ kim loại Tia laser đƣợc điều chế tín hiệu ghi đƣợc sử dụng để “đốt” lớp hữu tạo thành mức lồi lõm khác lớp để lƣu thông tin Sau đốt lớp hữu bị cố 64 Chương 5- Bộ nhớ định đĩa CD-R ghi đƣợc lần Trong đĩa CD-RW, lớp hữu đƣợc thay lớp bán kim loại Nhờ vậy, đĩa CD-RW ghi đƣợc nhiều lần Đa số đĩa CD-RW cho phép ghi lại đến khoảng 1000 lần 5.2.3.2 Đĩa DVD-ROM, DVD-R DVD-RW Dung lƣợng tối đa đĩa DVD 4,7GB với đĩa mặt 8,5GB với đĩa mặt Ổ đĩa DVD sử dụng tia laser hồng ngoại có bƣớc sóng 650nm, ngắn nhiều so với bƣớc sóng tia laser dùng ổ đĩa CD Nhờ sử dụng bƣớc sóng laser ngắn hơn, đĩa DVD có mật độ ghi cao nhiều so với CD, nhƣng minh hoạ Hình 61 Tốc độ truyền thông tin đĩa DVD đƣợc tính theo tốc độ sở (1350KB/s) nhân với hệ số nhân Ví dụ, đĩa có tốc độ đọc 4x tốc độ tối đa đọc x 1350KB/s = 5400 KB/s; đĩa có tốc độ đọc 16x tốc độ tối đa đọc 16 x 1350KB/s = 21600 KB/s Hình 61 Mật độ ghi thơng tin đĩa CD DVD Hình 62 Cấu tạo đĩa DVD-R 65 Chương 5- Bộ nhớ ngồi Đĩa DVD-R có cấu tạo tƣơng tự đĩa CD-R, nhƣng sử dụng tia laser có bƣớc sóng ngắn hơn, 650nm, nhƣ minh hoạ Hình 62 Hình 63 minh hoạ mặt cắt lớp đĩa DVD-RW Lớp bán kim loại để ghi thông tin đƣợc đặt hai lớp bảo vệ Hình 63 Cấu tạo đĩa DVD-RW 5.2.3.3 Đĩa HD-DVD Blu-ray DVD Đĩa HD-DVD Blu-ray DVD “siêu” đĩa quang với dung lƣợng lớn tốc độ truy nhập cao Đĩa HD-DVD Toshiba phát minh, sử dụng tia laser xanh với bƣớc sóng ngắn Đĩa HD-DVD đạt dung lƣợng 15GB cho lớp 30GB cho hai lớp Do thất bại cạnh tranh với đĩa Blu-ray DVD, nên đĩa HD-DVD phải ngừng sản xuất từ tháng năm 2008 Đĩa Blu-ray DVD Sony phát minh, sử dụng tia laser với bƣớc sóng 405nm Đĩa Blu-ray DVD đạt dung lƣợng 30GB cho lớp 50GB cho hai lớp 5.3 RAID 5.3.1 Giới thiệu RAID RAID (Redundant Array of Independent Disks) công nghệ tạo thiết bị lƣu trữ tiên tiến sở ổ đĩa cứng, nhằm đạt yêu cầu tốc độ cao (high performance / speed), tính tin cậy cao (high reliability) dung lƣợng lớn (large volume) Mặc dù RAID mảng ổ đĩa cứng, nhƣng tất loại ổ cứng sử dụng để tạo RAID Trên thực tế, có ổ cứng theo chuẩn SATA, SCSI tƣơng đƣơng hỗ trợ tạo RAID 5.3.2 Các kỹ thuật tạo RAID Có hai kỹ thuật đƣợc sử dụng để tạo RAID: kỹ thuật tạo lát đĩa (Disk Stripping) kỹ thuật soi gƣơng đĩa (Disk Mirroring) Hình 64 minh hoạ kỹ thuật tạo lát đĩa Điểm mấu chốt kỹ thuật điều khiển RAID cung cấp khả ghi đọc song song khối đơn vị liệu Nhờ tăng đƣợc tốc độ đọc ghi Theo đó, liệu cần ghi đƣợc chia thành khối kích thƣớc đƣợc ghi đồng thời vào ổ đĩa vật lý độc lập Tƣơng tự, trình đọc, khối liệu cần đọc đƣợc đọc đồng thời từ đĩa cứng độc lập, giúp giảm thời gian đọc 66 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi thiết bị đích (Target) thiết bị thợ (ABH Slave) Một trọng tài có nhiệm vụ điều độ giao dịch bus PCI đƣợc gọi tuỳ chọn (PCI Arbiter) Việc thực giao dịch bus PCI đƣợc điều khiển tín hiệu Hai nhóm tín hiệu đƣợc sử dụng, gồm: tín hiệu khởi tạo giao dịch tín hiệu điều khiển giao dịch Các tín hiệu khởi tạo giao dịch, gồm tín hiệu REQ# thiết bị khởi tạo giao dịch gửi tín hiệu yêu cầu sử dụng bus tín hiệu GNT# tuỳ chọn gửi tín hiệu cho phép sử dụng bus Các tín hiệu điều khiển giao dịch, gồm tín hiệu FRAME# - bắt đầu chu kỳ bus, tín hiệu IRDY# thiết bị khởi tạo sẵn sàng, tín hiệu DEVSEL# - thiết bị đích xác nhận bắt đầu giao dịch, tín hiệu TRDY# - thiết bị đích sẵn sàng tín hiệu STOP# - dừng giao dịch Một giao dịch PCI đƣợc thực theo pha: pha tuỳ chọn (Arbitration), pha địa (Address) pha liệu (Data) Pha tuỳ chọn có nhiệm vụ khởi tạo giao dịch, pha địa xác định địa bên tham gia giao dịch pha liệu truyền liệu bên Pha tuỳ chọn đƣợc thực thông qua bƣớc sau:  Thiết bị PCI (Initiator) gửi tín hiệu REQ# đến Arbiter yêu cầu sử dụng bus;  Nếu bus rỗi, Arbiter gửi tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# đến Initiator;  Nếu bus bận, yêu cầu sử dụng bus đƣợc đƣa vào hàng đợi;  Tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# bị Arbiter huỷ thời điểm nào;  Thiết bị PCI đƣợc cấp tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# bắt đầu phiên truyền liệu bus rỗi Pha địa giao dịch nhƣ minh hoạ Hình 79, gồm bƣớc:  Thiết bị PCI (Initiator) có tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# bắt đầu giao dịch PCI việc gửi tín hiệu FRAME# gửi địa thiết bị đích lệnh liên quan (Read/Write);  Mỗi thiết bị PCI kiểm tra địa lệnh kèm theo để xác định có phải thiết bị đích hay khơng Thiết bị đích (có địa trùng với địa gửi Initiator) gửi tín hiệu trả lời DEVSEL# đến Initiator;  Thiết bị đích phải gửi tín hiệu trả lời DEVSEL# thời gian chu kỳ đồng hồ Hình 79 Pha địa giao dịch PCI 76 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi Hình 80 Pha liệu giao dịch PCI Hình 80 minh hoạ tín hiệu pha liệu giao dịch PCI Sau pha địa chỉ, tín hiệu DEVSEL# mức thấp pha liệu Kết thúc pha liệu, thiết bị đích gửi tín hiệu STOP# 6.2.3 Bus AGP Hình 81 Sơ đồ nguyên lý hoạt động AGP Bus AGP (Accelerated Graphic Port) Intel phát triển năm 1993 với mục đích sử dụng cho kết nối với mạch xử lý đồ hoạ tốc độ cao AGP hoàn toàn thay PCI lĩnh vực giao tiếp đồ hoạ năm sau AGP hỗ trợ băng thơng 32 bít với tốc độ truyền liệu nhanh gấp nhiều lần so với bus PCI Cụ thể, AGP hỗ trợ cấp tốc độ truyền liệu 1x, 2x, 4x 8x, với tốc độ lần lƣợt 266MB/s, 533MB/s, 1066MB/s 2133MB/s tần số tƣơng ứng 66MHz, 133MHz, 266MHz 533MHz 77 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi 6.2.4 Bus PCI Express Bus PCI Express (còn gọi PCIe) Intel phát triển năm 2004, dạng bus truyền liệu nối tiếp, kiểu điểm đến điểm (point to point) với tốc độ cao Độ rộng bus từ 1-32 bit tuỳ theo cấu hình PCI Express đƣợc cấu trúc từ liên kết nối tiếp điểm đến điểm cặp liên kết nối tiếp (theo chiều ngƣợc nhau) tạo thành luồng (lane) Các luồng đƣợc định tuyến đồng thời qua chuyển mạch (crossbar switch) Tối đa, bus PCI Express hỗ trợ đến 32 luồng Tốc độ truyền liệu bus PCI Express phụ thuộc số luồng sử dụng phiên chuẩn Với luồng, tốc độ truyền đạt 250MB/s, 500MB/s 1GB/s tƣơng ứng với phiên 1.x, 2.0 3.0 Hình 82 Truyền liệu qua Switch PCI Express Khác với PCI bus chia sẻ, bus PCI Express có khả cung cấp đƣờng truyền riêng cho cặp thiết bị tham gia sử dụng bus Đồng thời PCI Express hỗ trợ nhiều cặp thiết bị tham gia truyền liệu sử dụng luồng truyền khác Hình 82 minh hoạ việc truyền liệu qua chuyển mạch (Switch) PCI Express 6.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI 6.3.1 Giới thiệu chung Các thiết bị ngoại vi (peripheral devices) hay gọi thiết bị vào ra, phận hệ thống máy tính có nhiệm vụ: (1) tiếp nhận thơng tin từ giới bên ngồi vào máy tính (2) kết xuất thơng tin từ máy tính giới bên ngồi Nhiệm vụ (1) đƣợc đảm bảo nhóm thiết bị vào (input devices) nhiệm vụ (2) đƣợc đảm bảo nhóm thiết bị (output devices) Các thiết bị vào gồm có: bàn phím, chuột, ổ đĩa (đọc thông tin), máy quét ảnh máy đọc mã vạch Hình 83 minh hoạ thiết bị vào chuẩn bàn phím chuột Các thiết bị gồm có: hình, máy in, ổ đĩa (ghi thơng tin) máy vẽ Hình 84 minh hoạ hai loại hình thơng dụng: hình CRT LCD Hình 85 minh hoạ máy in laser máy in phun mực 78 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi Hình 83 Bàn phím chuột Hình 84 Màn hình CRT LCD Hình 85 Máy in Laser máy in phun mực 6.3.2 Các cổng giao tiếp Các thiết bị vào thƣờng kết nối với máy tính thông qua cổng giao tiếp (communication ports) Mỗi cổng giao tiếp đƣợc gán địa có tập tham số làm việc riêng Hình 86 minh hoạ cổng giao tiếp phía sau máy tính Các cổng giao tiếp thông dụng: 79 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi PS/2: kết nối chuột bàn phím Cổng COM LPT Cổng USB: cổng giao tiếp đa theo chuẩn USB  USB 1.0: 12Mb/s  USB 2.0: 480Mb/s (hiện tại)  USB 3.0: 1.5Gb/s (tƣơng lai) Cổng IDE, SATA E-SATA: ghép nối loại ổ đĩa Cổng LAN: ghép nối mạng Cổng Audio: ghép nối âm Cổng đọc thẻ nhớ Cổng Firewire /IEEE 1394: ghép nối loại ổ đĩa Cổng VGA/Video: ghép nối với hình 10 Cổng DVI: ghép nối với hình số Hình 86 Một số cổng giao tiếp với máy tính 80 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi 6.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ VÀO RA THÔNG DỤNG 6.4.1 Bàn phím Bàn phím (keyboard) thiết bị vào chuẩn máy tính bàn phìm đảm nhiệm chức nhập liệu điều khiển máy tính Bàn phím tiêu chuẩn có 101 phím: phím ký tự (a-z), phím số (0-9), phím phép tốn (+, - *, /), phím chức (F1-F12), phím điều khiển (Ctrl, Alt, Shift, ) phím di chuyển: Home, End, Page Up, Page Down, Up, Down, Left, Right, Hình 87 Mạch tạo phím Hình 88 Ma trận phím phát phím đƣợc nhấn Bàn phím sử dụng ma trận hình thành dòng cột dây dẫn, nhƣ minh hoạ hình Hình 87 Hình 88 Mỗi phím hoạt động nhƣ cơng tắc điện Khi phím đƣợc ấn, dây dẫn cột đƣợc nối với dây dẫn dòng tạo thành mạch kín Bộ điều khiển bàn phím liên tục quét ma trận phím để phát mạch kín ghi nhận phím đƣợc ấn Q trình xử lý phím ấn tạo tín hiệu gửi CPU xử lý bàn phím đƣợc tóm tắt nhƣ sau:  Khi phím đƣợc ấn, điều khiển bàn phím phát sinh mã quét tƣơng ứng (scan code);  Một ngắt (interrupt) bàn phím đƣợc gửi đến máy tính; 81 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi  Khi nhận đƣợc tín hiệu ngắt bàn phím: - - Máy tính thực chƣơng trình điều khiển ngắt bàn phím:  Đọc mã quét phím  Chuyển mã quét phím thành mã ký tự tƣơng ứng (thông thƣờng mã ASCII) Một ký tự đƣợc hiển thị theo nhiều hình thức khác theo font 6.4.2 Chuột Chuột (mouse) thiết bị vào máy tính đƣợc sử dụng rộng rãi Chức chuột điều khiển Thông qua phần mềm, hình thức hiển thị chuột đƣợc thể đa dạng, từ hình mũi tên đơn giản, đến bàn tay, đồng hồ cát, theo trạng thái làm việc chƣơng trình Hiện nay, có nhiều loại chuột đƣợc sử dụng Ngồi chuột bi (cịn gọi chuột khí), cịn có chuột quang, chuột laser, chuột cảm ứng chuột khơng dây Các phím bấm chuột đa dạng: thông thƣờng loại phím (trái, phải cuộn); số chuột có thêm phím tiến (forward) phím lùi (backward) Hình 89 Chuột bi hay chuột khí Chuột bi hay chuột khí loại chuột có cấu tạo đơn giản đƣợc sử dụng sớm Hình 89 cho thấy thành phần bên chuột bi Chuột bi hoạt động theo nguyên tắc khí – quang – điện: biến chuyển động viên bi rê chuột thành tín hiệu điện biểu diễn chuyển động theo phƣơng ngang phƣơng đứng chuột Cụ thể, nguyên tắc hoạt động chuột bi tóm tắt nhƣ sau:  Khi chuột di chuyển, viên bi chuột quay;  Khi bi quay kéo theo trục áp vào quay theo Hai trục đƣợc gắn bánh xe cƣa đầu: - Một trục dùng để phát chuyển động theo phƣơng đứng - Một trục dùng để phát chuyển động theo phƣơng ngang  Hai đi-ốt sinh tia hồng ngoại chiếu qua phần bánh cƣa gắn trục kể trên: - Khi bánh cƣa quay, ánh sáng hồng ngoại chiếu qua bị ngắt quãng; 82 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi - Ở phía đối diện có cảm biến chuyển ánh sáng hồng ngoại sau bánh cƣa thành tín hiệu điện; - Tín hiệu điện thu đƣợc phản ánh chuyển động chuột đƣợc chuyển cho máy tính xử lý Hình 90 Chuột quang cấu tạo Khác với chuột bi, chuột quang (optical mouse) khơng có bi nên thƣờng nhẹ đạt độ xác cao Hiện nay, chuột quang thay hầu hết chuột bi Hình 90 minh hoạ chuột quang cấu tạo Chuột quang sử dụng nguyên tắc liên tục chụp phân tích ảnh bề mặt chuột di chuyển để phát chuyển động chuột Cụ thể, nguyên tắc hoạt động chuột quang tóm tắt nhƣ sau:  Một đi-ốt phát ánh sáng đỏ qua ống kính chiếu xuống mặt phẳng di chuột; ánh sáng phản xạ từ mặt phẳng di chuột quay ngƣợc trở lại phía dƣới chuột;  Một camera đặt phía dƣới chuột liên tục chụp ảnh bề mặt di chuột nhờ ánh sáng phản xạ Tốc độ chụp khoảng 1500 ảnh/giây;  IC điều khiển chuột phân tích so sánh ảnh kề qua phát chuyển động chuột;  Tín hiệu biểu diễn chuyển động chuột IC điều khiển chuột sinh đƣợc chuyển cho máy tính xử lý Tƣơng tự nhƣ chuột quang, chuột laser sử dụng phƣơng pháp chụp phân tích ảnh bề mặt kề để phát chuyển động Tuy nhiên, chuột laser sử dụng ánh sáng laser với tốc độ chụp ảnh lên đến 6000 ảnh/giây Nhờ vậy, chuột laser thƣờng có độ xác độ nhạy cao sơ với chuột quang 6.4.3 Màn hình Màn hình (monitor / screen) thiết bị chuẩn thị thơng tin dƣới dạng văn hình ảnh Cùng với bàn phím chuột, hình thiết bị khơng thể thiếu máy tính Có ba dạng hình đƣợc sử dụng thơng dụng: hình ống điện tử CRT, hình 83 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi tinh thể lỏng LCD hình plasma Tài liệu đề cập đến hai loại hình đƣợc sử dụng phổ biến cho máy tính hình CRT LCD 6.4.3.1 Màn hình CRT Màn hình CRT (Cathode Ray Tube) sử dụng tia điện tử phát từ cực Cathode bắn lên mặt huỳnh quang phốt để tạo ảnh Tia điện tử đƣợc điều khiển cuộn lái tia (dòng mành) để quét hết hình, đảm bảo tốc độ qt tối thiểu 24 hình/giây Tín hiệu hình ảnh (video) đƣợc sử dụng để điều khiển mật độ tia điện tử bắn lên huỳnh quang tạo mức sáng/tối khác Màn hình đen trắng sử dụng súng điện tử, cịn hình mầu sử dụng súng điện tử ứng với mầu Đỏ (Red), Xanh (Green) Xanh da trời (Blue) Ba mầu đƣợc trộn với theo tỷ lệ khác tạo thành tất mầu có tự nhiên cho điểm ảnh Hình 91 minh hoạ bên phận bên hình CRT, cịn Hình 92 minh hoạ ngun lý tạo điểm ảnh hình CRT mầu Hình 91 Bên ngồi bên hình CRT Hình 92 Nguyên lý điểm ảnh hình CRT mầu 84 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi 6.4.3.2 Màn hình LCD Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) hình tạo ảnh dựa linh động “tinh thể lỏng” (Liquid Crystals) Tinh thể lỏng chất bán rắn lỏng nhạy cảm với nhiệt độ dịng điện So với hình CRT, hình LCD mỏng hơn, nhẹ tiêu thụ điện Ngồi ra, phần diện tích hình thực để hiển thị ảnh (viewable size) LCD lớn Chẳng hạn hình LCD 15” có phần hình thực tƣơng đƣơng hình CRT 17” Nhƣợc điểm LCD so với CRT không hỗ trợ nhiều độ phân giải, chất lƣợng ảnh không cao, thời gian đáp ứng (response time) lớn góc nhìn (view angle) nhỏ Có thể phân loại hình LCD thành loại theo nguồn pháp sáng: LCD chiếu sau (backlit) LCD phản xạ (reflective) LCD chiếu sau sử dụng nguồn sáng riêng đặt phía sau, thƣờng dùng LCD có cơng suất lớn, nhƣ hình máy tính hình tivi LCD phản xạ sử dụng ánh sáng phản xạ nguồn sáng từ bên ngồi LCD phản xạ có thiết kế đơn giản, rẻ tiền, thƣờng thích hợp với hình có cơng suất nhỏ, nhƣ hình đồng hồ, hình máy tính tay Hình 93 Mơ hình lọc ánh sáng tinh thể lỏng điều khiển điện Hình 94 Một TFT - Thin Film Transitor 85 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi Bản thân tinh thể lỏng khơng có khả phát sáng, nhƣng chúng có khả “lọc” hay thay đổi cƣờng độ ánh sáng qua theo điện áp dòng điện đặt vào Hình 93 minh hoạ mơ hình lọc ánh sáng tinh thể lỏng đƣợc điều khiển điện Dựa phƣơng pháp điều khiển tinh thể lỏng, ta có loại LCD: LCD ma trận thụ động (Passive matrix) LCD ma trận chủ động (Active matrix) LCD ma trận thụ động sử dụng lƣới ma trận để định nghĩa điểm ảnh (pixel) hàng cột Một điểm ảnh (giao hàng cột) đƣợc kích hoạt điện áp đƣợc đặt vào cột dòng tƣơng ứng đƣợc nối đất Ngƣợc lại, LCD ma trận chủ động sử dụng TFT (Thin Film Transistor) để điều khiển phần tử tinh thể lỏng Các TFT hoạt động tƣơng tự nhƣ chuyển mạch, nhƣ minh hoạ Hình 94 Hình 95 Cấu trúc hình TFT-LCD Hình 95 minh hoạ cấu trúc hình TFT-LCD TFT-LCD hoạt động theo nguyên lý tóm tắt nhƣ sau:  TFT LCD thiết bị đƣợc điều khiển tín hiệu điện;  Lớp tinh thể lỏng năm lớp suốt chứa điện cực ITO (Indium Tin Oxide);  Các phần tử tinh thể lỏng đƣợc đặt theo hƣớng khác theo thay đổi điện áp đặt vào điện cực ITO;  Hƣớng phần tử tinh thể lỏng trực tiếp ảnh hƣởng đến cƣờng độ ánh sáng qua gián tiếp điều khiển mức sáng / tối (còn gọi mức xám) ảnh thị;  Mầu hình ảnh đƣợc tạo lớp lọc mầu;  Mức xám điểm ảnh đƣợc thiết lập theo mức điện áp tín hiệu video đƣa vào điện cực điều khiển 6.4.4 Máy in Máy in (printer) thiết bị phổ biến dùng để kết xuất thông tin giấy Qua q trình phát triển, có nhiều loại máy in đƣợc sử dụng nhƣ máy in búa (Typewriter-derived printers), máy in kim (Dot-matrix printers), máy in laser (Laser printers), máy in phun mực (Inkjet printers), máy in mầu (Colour printers) máy in đa chức (Multi-function printers) 86 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi Hình 96 minh hoạ máy in búa Máy in búa sử dụng chữ có kích thƣớc cố định nhƣ máy đánh chữ Ngƣợc lại, máy in kim sử dụng kim để tạo ma trận chấm để tạo khuôn chữ nhƣ minh hoạ Hình 97 Hình 98 Hình 99 minh hoạ nguyên lý hoạt động máy in laser Khác với dòng máy in trƣớc, máy in laser sử dụng phƣơng pháp chụp ảnh điện tích tia laser để tạo chữ Cụ thể nhƣ sau:  Trống cảm quang đƣợc nạp lớp điện tích nhờ điện cực;  Tia laser từ nguồn sáng laser qua gƣơng quay điều chế tia đƣợc điều khiển tín hiệu cần in đến mặt trống;  Ánh sáng laser làm thay đổi mật độ điện tích mặt trống; Nhƣ vậy, mật độ điện tích mặt trống thay đổi theo tín hiệu cần in;  Khi trống cảm quang quay đến hộp mực điện tích trống hút hạt mực đƣợc tích điện trái dấu Các hạt mực dính trống biểu diễn âm văn bản/thông tin cần in;  Giấy từ khay đƣợc kéo lên đƣợc điện cực nạp điện tích trái dấu với điện tích mực nên hút hạt mực khỏi trống cảm quang  Giấy tiếp tục qua trống sấy nóng làm hạt mực chảy bị ép chặt vào giấy Hình 96 Máy in búa 87 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi Hình 97 Máy in kim Hình 98 Máy in Laser 88 Chương 6- Hệ thống Bus thiết bị ngoại vi Hình 99 Nguyên lý in Laser 6.5 CÂU HỎI ÔN TẬP Các thành phần hệ thống bus loại bus Nguyên lý làm việc bus PCI Nguyên lý làm việc bus PCI Express Giới thiệu thiết bị vào cổng vào Nguyên lý hoạt động bàn phím Nguyên lý hoạt động chuột quang Nguyên lý hoạt động hình CRT Nguyên lý hoạt động hình TFT LCD Nguyên lý hoạt động máy in laser 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO Stallings W., Computer Organization and Architecture: Designing for Performance, 8th Edition, Prentice – Hall 2009 Mostafa Abd-El-Barr and Hesham El-Rewini, Fundamentals of Computer Organization and Architecture, John Wiley & Sons, Inc, 2005 Hennesy J.L and Patterson D.A., Computer Architecture A Quantitative Approach, Morgan Kaufmann, 4th Edition, 2006 Hồ Khánh Lâm, Kỹ thuật vi xử lý, Nhà xuất Bƣu điện, 2005 Trần Quang Vinh, Cấu trúc máy vi tính, Nhà xuất Giáo dục, 1999 Trang Wikipedia.org, tham khảo năm 2009 2010 Trang Howstuffworks.com, tham khảo năm 2009 2010 Trang PCGuide.com, tham khảo năm 2009 2010 90 ... Vinh, Cấu trúc máy vi tính, Nhà xuất Giáo dục, 1999 Trang Wikipedia.org, tham khảo năm 20 09 20 10 Trang Howstuffworks.com, tham khảo năm 20 09 20 10 Trang PCGuide.com, tham khảo năm 20 09 20 10 90 ... devices) hay gọi thiết bị vào ra, phận hệ thống máy tính có nhiệm vụ: (1) tiếp nhận thông tin từ giới bên ngồi vào máy tính (2) kết xuất thơng tin từ máy tính giới bên ngồi Nhiệm vụ (1) đƣợc đảm bảo... liệu tính ổn định cao tính cắm nóng Tính cắm nóng hữu dụng máy chủ SCSI cho phép thêm, bớt ổ cứng mà tắt máy, giảm thời gian ngừng cung cấp dịch vụ SCSI đạt đƣợc tốc độ truyền liệu: 5, 10, 20 ,