Bài giảng kiến trúc máy tính

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG HOÀNG XUÂN DẬU BÀI GIẢNG KIẾN TRÚC MÁY TÍNH HÀ NỘI 2010 LỜI NĨI ĐẦU Kiến trúc máy tính lĩnh vực khoa học sở ngành Khoa học máy tính nói riêng Cơng nghệ thơng tin nói chung Kiến trúc máy tính khoa học lựa chọn ghép nối thành phần phần cứng máy tính nhằm đạt đƣợc mục tiêu hiệu cao, tính đa dạng giá thành thấp Mơn học Kiến trúc máy tính mơn học sở chun ngành chƣơng trình đào tạo cơng nghệ thơng tin hệ đại học cao đẳng Mục tiêu môn học cung cấp cho sinh viên kiến thức sở kiến trúc máy tính, bao gồm bao gồm kiến trúc máy tính tổng quát, kiến trúc xử lý trung tâm thành phần xử lý trung tâm, kiến trúc tập lệnh máy tính, chế ống lệnh; hệ thống phân cấp nhớ, nhớ trong, nhớ cache loại nhớ ngoài; hệ thống bus thiết bị vào Kiến trúc máy tính lĩnh vực đƣợc phát triển thời gian tƣơng đối dài với lƣợng kiến thức đồ sộ, nhƣng khuôn khổ tài liệu có tính chất giảng mơn học, tác giả cố gắng trình bày vấn đề sở phục vụ mục tiêu môn học Nội dung tài liệu đƣợc biên soạn thành sáu chƣơng: Chƣơng phần giới thiệu khái niệm sở kiến trúc máy tính, nhƣ khái kiệm kiến trúc tổ chức máy tính; cấu trúc chức thành phần máy tính; kiến trúc máy tính von-Neumann kiến trúc Harvard Khái niệm hệ đếm cách tổ chức liệu máy tính đƣợc trình bày chƣơng Chƣơng giới thiệu khối xử lý trung tâm, nguyên tắc hoạt động thành phần Khối xử lý trung tâm thành phần quan trọng phức tạp máy tính, đóng vai trị não máy tính Thơng qua việc thực lệnh chƣơng trình khối xử lý trung tâm, máy tính thực thi u cầu ngƣời sử dụng Chƣơng giới thiệu tập lệnh máy tính, bao gồm khái niệm lệnh, dạng lệnh, thành phần lệnh; dạng địa chế độ địa Chƣơng giới thiệu số dạng lệnh thông dụng kèm ví dụ minh hoạ Ngồi ra, chế ống lệnh – xử lý xen kẽ lệnh đƣợc đề cập Chƣơng trình bày nhớ trong: khái quát hệ thống nhớ cấu trúc phân cấp hệ thống nhớ; giới thiệu loại nhớ ROM RAM Một phần quan trọng chƣơng phần giới thiệu nhớ cache - nhớ đặc biệt có khả giúp tăng tốc hệ thống nhớ nói riêng hệ thống máy tính nói chung Chƣơng giới thiệu nhớ ngoài, bao gồm loại đĩa từ, đĩa quang, hệ thống RAID, NAS SAN Bộ nhớ dạng nhớ thƣờng có dung lƣợng lớn dùng để lƣu trữ thông tin ổn định, không phụ thuộc nguồn điện ni Chƣơng trình bày hệ thống bus thiết bị ngoại vi Phần trình bày hệ thống bus đề cập đến loại bus nhƣ ISA, EISA, PCI, AGP PCI-Express Phần giới thiệu thiết bị vào đề cập đến nguyên lý hoạt động số thiết bị vào thơng dụng, nhƣ bàn phím, chuột, hình máy in Tài liệu đƣợc biên soạn dựa kinh nghiệm giảng dạy mơn học Kiến trúc máy tính nhiều năm tác giả Học viện Công nghệ Bƣu – Viễn thơng, kết hợp tiếp thu đóng góp đồng nghiệp phản hồi từ sinh viên Tài liệu đƣợc sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên hệ đại học cao đẳng ngành công nghệ thông tin điện tử viễn thơng Trong q trình biên soạn, tác giả cố gắng song tránh khỏi có thiếu sót Tác giả mong muốn nhận đƣợc ý kiến phản hồi góp ý cho thiếu sót, nhƣ ý kiến việc cập nhật, hoàn thiện nội dung tài liệu Hà nội, tháng năm 2010 Tác giả TS Hoàng Xuân Dậu Email: dauhx@ptit.edu.vn MỤC LỤC CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 KHÁI NIỆM VỀ KIẾN TRÚC VÀ TỔ CHỨC MÁY TÍNH 1.2 CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG thành phẦN CỦA MÁY TÍNH 1.2.1 Sơ đồ khối chức 1.2.2 Các thành phần máy tính 1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY TÍNH 1.3.1 Thế hệ (1944-1959) 1.3.2 Thế hệ (1960-1964) 1.3.3 Thế hệ (1964-1975) 1.3.4 Thế hệ (1975-1989) 1.3.5 Thế hệ (1990 - nay) 1.4 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH VON-NEUMANN 1.4.1 Sơ đồ kiến trúc máy tính von-Neumann 1.4.2 Các đặc điểm kiến trúc von-Neumann 1.5 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH HARVARD 10 1.6 CÁC HỆ SỐ ĐẾM VÀ TỔ CHỨC DỮ LIỆU TRÊN MÁY TÍNH 10 1.6.1 Các hệ số đếm 10 1.6.2 Tổ chức liệu máy tính 11 1.6.3 Số có dấu số khơng dấu 12 1.6.4 Bảng mã ASCII 13 1.7 CÂU HỎI ÔN TẬP 14 CHƢƠNG KHỐI XỨ LÝ TRUNG TÂM 15 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT VÀ chu trình xỬ LÝ LỆNH 15 2.1.1 Sơ đồ khối tổng quát CPU 15 2.1.2 Chu trình xử lý lệnh 16 2.2 CÁC THANH GHI 16 2.2.1 Giới thiệu ghi 16 2.3 KHỐI ĐIỀU KHIỂN 18 2.4 KHỐI SỐ HỌC VÀ LOGIC 19 2.5 BUS TRONG CPU 20 2.6 CÂU HỎI ÔN TẬP 20 CHƢƠNG TẬP LỆNH MÁY TÍNH 21 3.1 GIỚI THIỆU VỀ TẬP LỆNH MÁY TÍNH 21 3.1.1 Lệnh máy tính gì? 21 3.1.2 Chu lệnh 21 3.2 DẠNG VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA LỆNH 21 3.3 CÁC DẠNG ĐỊA CHỈ / TOÁN HẠNG 22 3.3.1 Toán hạng dạng địa 22 3.3.2 Toán hạng dạng địa 22 3.3.3 Toán hạng dạng địa 22 3.3.4 Toán hạng dạng 1,5 địa 23 3.3.5 Toán hạng dạng địa 23 3.4 CÁC CHẾ ĐỘ ĐỊA CHỈ 23 3.4.1 Giới thiệu chế độ địa 23 3.4.2 Các chế độ địa 24 3.5 MỘT SỐ DẠNG LỆNH THÔNG DỤNG 27 3.5.1 Các lệnh vận chuyển liệu 27 3.5.2 Các lệnh toán học logic 27 3.5.3 Các lệnh điều khiển chƣơng trình 28 3.5.4 Các lệnh vào 29 3.6 GIỚI THIỆU CƠ CHẾ ỐNG LỆNH (PIPELINE) 30 3.6.1 Giới thiệu chế ống lệnh 30 3.6.2 Các vấn đề chế ống lệnh hƣớng giải 31 3.7 CÂU HỎI ÔN TẬP 35 CHƢƠNG BỘ NHỚ TRONG 36 4.1 PHÂN LOẠI BỘ NHỚ MÁY TÍNH 36 4.1.1 Phân loại nhớ 36 4.1.2 Tổ chức mạch nhớ 36 4.2 CẤU TRÚC PHÂN CẤP BỘ NHỚ MÁY TÍNH 37 4.2.1 Giới thiệu cấu trúc phân cấp hệ thống nhớ 37 4.2.2 Vai trò cấu trúc phân cấp hệ thống nhớ 38 4.3 BỘ NHỚ rom VÀ ram 39 4.3.1 Bộ nhớ ROM 39 4.3.2 Bộ nhớ RAM 40 4.4 BỘ NHỚ CACHE 42 4.4.1 Cache gì? 42 4.4.2 Vai trò nguyên lý hoạt động 42 4.4.3 Các dạng kiến trúc cache 45 4.4.4 Các dạng tổ chức/ánh xạ cache 46 4.4.5 Các phƣơng pháp đọc ghi sách thay 52 4.4.6 Hiệu cache yếu tố ảnh hƣởng 53 4.4.7 Các phƣơng pháp giảm miss cho cache 55 4.5 CÂU HỎI ÔN TẬP 56 CHƢƠNG BỘ NHỚ NGOÀI 57 5.1 ĐĨA TỪ 57 5.1.1 Giới thiệu 57 5.1.2 Đĩa cứng 58 5.2 ĐĨA QUANG 62 5.2.1 Giới thiệu nguyên lý 62 5.2.2 Các loại đĩa quang 63 5.2.3 Giới thiệu cấu tạo số đĩa quang thông dụng 64 5.3 RAID 66 5.3.1 Giới thiệu RAID 66 5.3.2 Các kỹ thuật tạo RAID 66 5.3.3 Giới thiệu số loại RAID thông dụng 67 5.4 NAS 69 5.5 SAN 70 5.6 CÂU HỎI ÔN TẬP 71 CHƢƠNG HỆ THỐNG BUS VÀ CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI 72 6.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG BUS 72 6.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI BUS THÔNG DỤNG 73 6.2.1 Bus ISA EISA 73 6.2.2 Bus PCI 74 6.2.3 Bus AGP 77 6.2.4 Bus PCI Express 78 6.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI 78 6.3.1 Giới thiệu chung 78 6.3.2 Các cổng giao tiếp 79 6.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ VÀO RA THÔNG DỤNG 81 6.4.1 Bàn phím 81 6.4.2 Chuột 82 6.4.3 Màn hình 83 6.4.4 Máy in 86 6.5 CÂU HỎI ÔN TẬP 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VÀ VIẾT TẮT Thuật ngữ tiếng Anh Từ viết tắt Central Processing Unit CPU Bộ/Đơn vị xử lý trung tâm Control Unit CU Bộ/Đơn vị điều khiển Arithmethic and Logic Unit Program Counter ALU PC Thuật ngữ tiếng Việt/Giải thích Bộ/Đơn vị tính tốn số học logic Bộ đếm chƣơng trình System Bus Buýt hệ thống Memory Bộ nhớ Cache Bộ nhớ đệm / nhớ kết Random Access Memory RAM Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Read Only Memory ROM Bộ nhớ đọc Basic Input Output System BIOS Hệ thống vào sở Pipeline Cơ chế ống lệnh hay chế xử lý xen kẽ lệnh Hit Đoán trúng – kiện CPU truy tìm mục tin tìm thấy cache Miss Đốn trƣợt – kiện CPU truy tìm mục tin khơng tìm thấy cache Advanced Technology Attachments ATA Chuẩn ghép nối đĩa cứng ATA Parallel Advanced Technology Attachments PATA Chuẩn ghép nối đĩa cứng PATA – hay ATA song song Integrated Drive Electronics IDE Chuẩn ghép nối đĩa cứng IDE Serial ATA SATA Chuẩn ghép nối đĩa cứng SATA – hay ATA nối tiếp Small Computer System Interface SCSI Chuẩn ghép nối đĩa cứng SCSI Redundant Array of Independent Disks RAID Công nghệ lƣu trữ RAID – tạo thành từ mảng liên kết đĩa cứng vật lý Network Attached Storage NAS Hệ thống lƣu trữ gắn vào mạng Storage Area Network SAN Mạng lƣu trữ Industrial Standard Architecture ISA Buýt theo chuẩn công nghiệp ISA Extended ISA EISA Buýt theo chuẩn công nghiệp mở rộng EISA Peripheral Component Interconnect PCI Bus PCI Accelerated Graphic Port AGP Cổng tăng tốc đồ hoạ AGP PCI Express PCIe Buýt PCIe Cathode Ray Tube CRT Màn hình ống điện tử âm cực Liquid Crystal Display LCD Mình hình tinh thể lỏng CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 KHÁI NIỆM VỀ KIẾN TRÚC VÀ TỔ CHỨC MÁY TÍNH Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) Tổ chức máy tính (Computer Organization) hai số khái niệm ngành Cơng nghệ máy tính (Computer Engineering) Có thể nói kiến trúc máy tính tranh tồn cảnh hệ thống máy tính, cịn tổ chức máy tính tranh cụ thể thành phần phần cứng hệ thống máy tính Kiến trúc máy tính khoa học việc lựa chọn kết nối thành phần phần cứng để tạo máy tính đạt đƣợc yêu cầu chức (functionality), hiệu (performance) giá thành (cost) Yêu cầu chức đòi hỏi máy tính phải có thêm nhiều tính phong phú hữu ích; u cầu hiệu địi hỏi máy tính phải đạt tốc độ xử lý cao u cầu giá thành địi hỏi máy tính phải ngày rẻ Để đạt đƣợc ba yêu cầu chức năng, hiệu giá thành khó khăn Tuy nhiên, nhờ có phát triển mạnh mẽ công nghệ vi xử lý, máy tính ngày có tính phong phú, nhanh rẻ so với máy tính hệ trƣớc Kiến trúc máy tính đƣợc cấu thành từ thành phần con: (i) Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture), (ii) Vi kiến trúc (Micro Architecture) Thiết kế hệ thống (System Design)  Kiến trúc tập lệnh hình ảnh hệ thống máy tính mức ngôn ngữ máy Kiến trúc tập lệnh bao gồm thành phần: tập lệnh, chế độ địa chỉ, ghi, khuôn dạng địa liệu  Vi kiến trúc mô tả mức thấp thành phần hệ thống máy tính, phối ghép việc trao đổi thông tin chúng Vi kiến trúc giúp trả lời hai câu hỏi (1) Các thành phần phần cứng máy tính kết nối với nhƣ nào? (2) Các thành phần phần cứng máy tính tƣơng tác với nhƣ để thực thi tập lệnh?  Thiết kế hệ thống: bao gồm tất thành phần phần cứng hệ thống máy tính, bao gồm: Hệ thống phối ghép (các bus chuyển mạch), Hệ thống nhớ, Các chế giảm tải cho CPU (nhƣ truy nhập trực tiếp nhớ) Các vấn đề khác (nhƣ đa xử lý xử lý song song) Tổ chức máy tính hay cấu trúc máy tính khoa học nghiên cứu phận máy tính phƣơng thức làm việc chúng Với định nghĩa nhƣ vậy, tổ chức máy tính gần gũi với vi kiến trúc – thành phần kiến trúc máy tính Nhƣ vậy, thấy rằng, kiến trúc máy tính khái niệm rộng hơn, bao hàm tổ chức hay cấu trúc máy tính 1.2 CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CÁC THÀNH PHẦN CỦA MÁY TÍNH 1.2.1 Sơ đồ khối chức Hình minh hoạ sơ đồ khối chức hệ thống máy tính Theo đó, hệ thống máy tính gồm bốn thành phần chính: (1) CPU – Khối xử lý trung tâm, (2) Bộ nhớ trong, gồm nhớ ROM nhớ RAM, (3) Các thiết bị ngoại vi, gồm thiết bị vào thiết bị (4) Bus hệ thống, hệ thống kênh dẫn tín hiệu ghép nối thành phần kể Ngồi ra, cịn Chương 1- Giới thiệu chung có giao diện ghép nối vào ghép nối dùng để ghép nối thiết bị ngoại vi vào bus hệ thống Mục 1.2.2 mô tả chi tiết chức khối Bộ nhớ ROM RAM Bus hệ thống CPU Ghép nối vào Ghép nối Thiết bị vào Bàn phím chuột Ổ đĩa Máy quét Thiết bị Màn hình Máy in Ổ đĩa Các thiết bị ngoại vi Hình Sơ đồ khối chức hệ thống máy tính 1.2.2 Các thành phần máy tính 1.2.2.1 Khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU) thành phần quan trọng - đƣợc xem não máy tính Các yêu cầu hệ thống ngƣời sử dụng thƣờng đƣợc biểu diễn thành chƣơng trình máy tính, chƣơng trình thƣờng đƣợc tạo thành từ nhiều lệnh CPU CPU đảm nhiệm việc đọc lệnh chƣơng trình từ nhớ, giải mã thực lệnh Thông qua việc CPU thực lệnh chƣơng trình, máy tính có khả cung cấp tính hữu ích cho ngƣời sử dụng CPU vi mạch tích hợp với mật độ cao, đƣợc cấu thành từ bốn thành phần con: (1) Bộ điều khiển (Control Unit - CU), (2) Bộ tính tốn số học logic (Arithmetic and Logic Unit ALU), (3) Các ghi (Registers) bus CPU (Internal Bus) Bộ điều khiển có nhiệm vụ đọc, giải mã điều khiển trình thực lệnh Bộ tính tốn số học logic chun thực phép toán số học nhƣ cộng trừ, nhân, chia, phép tốn lơgic nhƣ và, hoặc, phủ định phép dịch, quay Các ghi kho chứa lệnh liệu tạm thời cho CPU xử lý Bus CPU có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu phận CPU kết nối với hệ thống bus ngồi Hình minh hoạ hai CPU hãng Intel 8086 đời năm 1978 Core Duo đời năm 2006 1.2.2.2 Bộ nhớ Bộ nhớ trong, gọi nhớ (Internal Memory hay Main Memory) kho chứa lệnh liệu hệ thống ngƣời dùng phục vụ CPU xử lý Bộ nhớ thƣờng nhớ bán dẫn, bao gồm hai loại: (1) Bộ nhớ đọc (Read Only Memory – ROM) (2) Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random Access Memory – RAM) ROM thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu lệnh liệu hệ thống Thông tin ROM đƣợc nạp từ sản xuất thƣờng Chương 1- Giới thiệu chung đọc q trình sử dụng Hơn thơng tin ROM ln tồn kể khơng có nguồn điện ni Hình CPU hãng Intel: 8086 Core Duo Khác với nhớ ROM, nhớ RAM thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu lệnh liệu hệ thống ngƣời dùng RAM thƣờng có dung lƣợng lớn nhiều so với ROM Tuy nhiên, thông tin RAM tồn có nguồn điện ni Hình minh hoạ vi mạch nhớ ROM vi mạch nhớ RAM gắn nhớ RAM Hình Bộ nhớ ROM RAM 1.2.2.3 Các thiết bị vào Các thiết bị vào (Input – Output devices), hay gọi thiết bị ngoại vi (Peripheral devices) đảm nhiệm việc nhập liệu vào, điều khiển hệ thống kết xuất liệu Có hai nhóm thiết bị ngoại vi: (1) Các thiết bị vào (Input devices) (2) Các thiết bị (Output devices) Các thiết bị vào dùng để nhập liệu vào điều khiển hệ thống, gồm: bàn phím (keyboard), chuột (mouse), ổ đĩa (Disk Drives), máy quét ảnh (Scanners), Các thiết bị dùng để xuất liệu ra, gồm: hình (Screen), máy in (Printers), ổ đĩa (Disk Drives), máy vẽ (Plotters), 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 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 thơng 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 thơng 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 THƠNG 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 dịng 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 dịng 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 qt phím thành mã ký tự tƣơng ứng (thơng 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 Thơng 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 không dây Các phím bấm chuột đa dạng: thơng 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 quét 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 ngồi phận bên hình CRT, cịn Hình 92 minh hoạ nguyên 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 dòng 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 dịng 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 ngun 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 thơng 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 ... sở kiến trúc máy tính, nhƣ khái kiệm kiến trúc tổ chức máy tính; cấu trúc chức thành phần máy tính; kiến trúc máy tính von-Neumann kiến trúc Harvard Khái niệm hệ đếm cách tổ chức liệu máy tính. .. Hình - Kiến trúc máy tính von-Neumann ngun thuỷ Hình Kiến trúc máy tính von-Neumann nguyên thuỷ Các máy tính đại ngày sử dụng kiến trúc máy tính von-Neumann cải tiến – cịn gọi kiến trúc máy tính. .. Chương 1- Giới thiệu chung 1.5 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH HARVARD Kiến trúc máy tính Harvard kiến trúc tiên tiến nhƣ minh hoạ Hình Hình Kiến trúc máy tính Harvard Kiến trúc máy tính Harvard chia nhớ thành