Tổng quan về mạng máy tính

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghip Phần I: Tổng quan mạng máy tính Chơng 1: Giíi thiƯu vỊ m¸y tÝnh 1.1 Lịch sử máy tính Trong thời đại khoa học kỹ thuật ngày nay, máy tính điện tử đóng vai trị quan trọng yếu tố thiếu hầu hết ngành nghề, dịch vụ đời sống sinh hoạt người Để trở thành cơng cụ hữu ích, cơng nghệ cao nay, máy tính điện tử trải qua nhiều thời kì phát triển, đáp ứng đòi hỏi ngày cao người Với đời thành công máy ENIAC, năm 1946 xem năm mở đầu cho kỷ nguyên máy tính điện tử, kết thúc nỗ lực nghiên cứu nhà khoa học kéo dài nhiểu năm trước đó, mở thời kỳ phát triển mạnh mẽ công nghệ phần cứng sở chế tạo máy tính điện tử với tính ngày cao, sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sống Lịch sử phát triển máy tính chia thành giai đoạn sau: 1.1.1 Giai đoạn 1: Từ 1945 đến 1958, với máy tính hệ thứ sử dụng cơng nghệ đèn chân khơng  Máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), John Mauchly John Presper Eckert (đại học Pensylvania, Mỹ) thiết kế chế tạo, máy số hoá điện tử đa giới - Nguồn gốc: Dự án chế tạo máy ENIAC bắt đầu vào năm 1943 Đây nỗ lực nhằm đáp ứng yêu cầu thời chiến BRL (Ballistics Research Laboratory – Phòng nghiên cứu đạn đạo qn đội Mỹ) việc tính tốn xác nhanh chóng bảng số liệu đạn đạo cho loại vũ khí - Số liệu kỹ thuật: ENIAC máy khổng lồ với 18000 bóng đèn chân khơng, nặng 30 tấn, tiêu thụ lượng điện vào khoảng 140kW chiếm diện tích xấp xỉ 1393 m2 Mặc dù vậy, làm việc nhanh nhiều so với loại máy tính điện thời với khả thực 5000 phép cộng giây đồng hồ Điểm khác biệt ENIAC & máy tính khác: ENIAC sử dụng hệ đếm thập phân nhị phân tất máy tính khác Với ENIAC, số biểu diễn dạng thập phân việc tính tốn Nguyễn Mạnh Chiến – ĐT2, CĐ1A – K45 Trang Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp thực hệ thập phân Bộ nhớ máy gồm 20 “bộ tích lũy”, có khả lưu giữ số thập phân có 10 chữ số Mỗi chữ số thể vòng gồm 10 đèn chân khơng, thời điểm, có đèn trạng thái bật để thể mười chữ số từ đến hệ thập phân Việc lập trình ENIAC cơng việc vất vả phải thực nối dây tay qua việc đóng/mở cơng tắc cắm vào rút dây cáp điện - Hoạt động thực tế: Máy ENIAC bắt đầu hoạt động vào tháng 11/1945 với nhiệm vụ tính tốn đạn đạo (vì chiến tranh giới lần thứ hai kết thúc) mà để thực tính tốn phức tạp dùng việc xác định tính khả thi bom H Việc sử dụng máy vào mục đích khác với mục đích chế tạo ban đầu cho thấy tính đa ENIAC Máy tiếp tục hoạt động quản lý BRL tháo rời vào năm 1955  Máy tính Von Neumann Như đề cập trên, việc lập trình máy ENIAC cơng việc tẻ nhạt tốn nhiều thời gian Cơng việc có lẻ đơn giản chương trình biểu diễn dạng thích hợp cho việc lưu trữ nhớ với liệu cần xử lý Khi máy tính cần lấy thị cách đọc từ nhớ, ngồi chương trình thiết lập hay thay đổi thông qua chỉnh sửa giá trị lưu phần nhớ Ý tưởng này, biết đến với tên gọi “khái niệm chương trình lưu trữ”, nhà tốn học John von Neumann, cố vấn dự án ENIAC, đưa ngày 8/11/1945, đề xuất loại máy tính có tên gọi EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) Máy tính cho phép nhiều thuật tốn khác tiến hành máy tính mà không cần phải nối dây lại máy ENIAC  Máy IAS Tiếp tục với ý tưởng mình, vào năm 1946, von Neuman đồng nghiệp bắt tay vào thiết kế máy tính có chương trình lưu trữ với tên gọi IAS (Institute for Advanced Studies) học viện nghiên cứu cao cấp Princeton, Mỹ Mặc dù đến năm 1952 máy IAS hồn tất, mơ hình cho tất máy tính đa sau 1.1.2 Giai đoạn 2: Từ 1958 đến 1964, với máy tính hệ thứ hai sử dụng công nghệ chất bán dẫn Nguyễn Mạnh Chiến – ĐT2, CĐ1A – K45 Trang Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Sự thay đổi lĩnh vực máy tính điện tử xuất có thay đèn chân không đèn bán dẫn Đèn bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn, tỏa nhiệt sử dụng theo cách thức đèn chân khơng để tạo nên máy tính Khơng đèn chân khơng vốn địi hỏi phải có dây, có bảng kim loại, có bao thủy tinh chân không, đèn bán dẫn thiết bị trạng thái rắn chế tạo từ silicon có nhiều cát có tự nhiên Đèn bán dẫn phát minh lớn phịng thí nghiệm Bell Labs năm 1947 Nó tạo cách mạng điện tử năm 50 kỷ 20 Dù vậy, đến cuối năm 50, máy tính bán dẫn hóa hồn tồn bắt đầu xuất thị trường máy tính Việc sử dụng đèn bán dẫn chế tạo máy tính xác định hệ máy tính thứ hai, với đại diện tiêu biểu máy PDP–1 công ty DEC (Digital EquIPment Corporation) IBM 7094 IBM DEC thành lập vào năm 1957 năm cho đời sản phẩm máy PDP–1 đề cập Đây máy mở đầu cho dịng máy tính mini DEC, vốn phổ biến máy tính hệ thứ ba 1.1.3 Giai đoạn 3: Từ 1964 đến 1974, với máy tính hệ thứ ba sử dụng cơng nghệ mạch tích hợp Một đèn bán dẫn tự chứa, đơn lẻ thường gọi thành phần rời rạc Trong suốt năm 50 đầu năm 60 kỷ 20, thiết bị điện tử phần lớn kết hợp từ thành phần rời rạc – đèn bán dẫn, điện trở, tụ điện, v.v Các thành phần rời rạc sản xuất riêng biệt, đóng gói chứa riêng, sau dùng để nối lại với bảng mạch Các bảng lại gắn vào máy tính, máy kiểm tra dao động, thiết bị điện tử khác Bất thiết bị điện tử cần đến đèn bán dẫn, ống kim loại nhỏ chứa mẫu silicon phải hàn vào bảng mạch Tồn q trình sản xuất, từ đèn bán dẫn đến bảng mạch, q trình tốn khơng hiệu Những vấn đề làm tảng cho việc dẫn đến tốn cơng nghiệp máy tính Các máy tính hệ thứ hai ban đầu chứa khoảng 10000 đèn bán dẫn Con số sau tăng lên nhanh chóng đến hàng trăm ngàn, làm cho việc sản xuất máy mạnh hơn, gặp nhiều khó khăn Sự phát minh mạch tích hợp vào năm 1958 cách mạng hóa điện tử bắt đầu cho kỷ nguyên vi điện tử với nhiều thành tựu rực rỡ Mạch tích hợp yếu tố xác định hệ thứ ba máy tính Trong mục tiếp sau tìm hiểu cách ngắn gọn cơng nghệ mạch tích hợp Sau đó, Nguyễn Mạnh Chiến – ĐT2, CĐ1A – K45 Trang Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp hai thành viên quan trọng máy tính hệ thứ ba, máy IBM System/360 máy DEC PDP–8, giới thiệu với tính bật chúng 1.1.4 Giai đoạn 4: Từ 1974 đến nay, với máy tính hệ thứ tư sử dụng cơng nghệ mạch tích hợp vô lớn/siêu lớn (VLSI/ULSI) Với tốc độ phát triển nhanh chóng cơng nghệ, mức độ cho đời sản phẩm mức cao, tầm quan trọng phần mềm, truyền thông phần cứng, việc phân loại máy tính theo hệ trở nên rõ ràng có ý nghĩa trước rong phần tiếp theo, hai thành tựu tiêu biểu cơng nghệ máy tính hệ thứ tư giới thiệu cách tóm lược  Bộ nhớ bán dẫn Vào khoảng năm 50 đến 60 kỷ này, hầu hết nhớ máy tính chế tạo từ vịng nhỏ làm vật liệu sắt từ, vịng có đường kính khoảng 1/16 inch Các vịng treo lưới nhỏ bên máy tính Khi từ hóa theo chiều, vịng (gọi lõi) biểu thị giá trị 1, từ hóa theo chiều ngược lại, lõi đại diện cho giá trị Bộ nhớ lõi từ kiểu làm việc nhanh Nó cần phần triệu giây để đọc bit lưu nhớ Nhưng đắt tiền, cồng kềnh, sử dụng chế hoạt động loại trừ: thao tác đơn giản đọc lõi xóa liệu lưu lõi Do cần phải cài đặt mạch phục hồi liệu lấy Năm 1970, Fairchild chế tạo nhớ bán dẫn có dung lượng tương đối ChIP có kích thước lõi đơn, lưu 256 bit nhớ, hoạt động không theo chế loại trừ nhanh nhớ lõi từ Nó cần 70 phần tỉ giây để đọc bit liệu nhớ Tuy nhiên giá thành cho bit cao so với lõi từ Kể từ năm 1970, nhớ bán dẫn qua tám hệ: 1K, 4K, 16K, 64K, 256K, 1M, 4M, 16M bit chIP đơn (1K = 210, 1M = 220) Mỗi hệ cung cấp khả lưu trữ nhiều gấp bốn lần so với hệ trước, với giảm thiểu giá thành bit thời gian truy cập  Bộ vi xử lý Vào năm 1971, hãng Intel cho đời chIP 4004, chIP có chứa tất thành phần CPU chIP đơn Kỷ nguyên vi xử lý khai sinh từ ChIP 4004 cộng hai số bit nhân cách lập lại phép cộng Theo tiêu chuẩn ngày nay, chIP 4004 rõ ràng đơn giản, Nguyễn Mạnh Chiến – ĐT2, CĐ1A – K45 Trang Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp đánh dấu bắt đầu q trình tiến hóa liên tục dung lượng sức mạnh vi xử lý Bước chuyển biến trình tiến hóa nói giới thiệu chIP Intel 8008 vào năm 1972 Đây vi xử lý bit có độ phức tạp gấp đôi chIP 4004 Đến năm 1974, Intel đưa chIP 8080, vi xử lý đa dụng thiết kế để trở thành CPU máy vi tính đa dụng So với chIP 8008, chIP 8080 nhanh hơn, có tập thị phong phú có khả định địa lớn Cũng thời gian đó, vi xử lý 16 bit bắt đầu phát triển Mặc dù vậy, đến cuối năm 70, vi xử lý 16 bit đa dụng xuất thị trường Sau đến năm 1981, Bell Lab Hewlett– packard phát triển vi xử lý đơn chIP 32 bit Trong đó, Intel giới thiệu vi xử lý 32 bit riêng chIP 80386 vào năm 1985 1.2 Cấu trúc chức máy tính 1.2.1 Cấu trúc tổng quát máy tính Máy tính hệ thống phức tạp với hàng triệu thành phần điện tử sở Ở mức đơn giản nhất, máy tính xem thực thể tương tác theo cách thức với mơi trường bên ngồi Một cách tổng qt, mối quan hệ với mơi trường bên ngồi phân loại thành thiết bị ngoại vi hay đường liên lạc Nguyễn Mạnh Chiến – ĐT2, CĐ1A – K45 Trang Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Hình 1: Cấu trúc tổng quát máy tính  Thành phần chính, quan trọng máy tính Đơn vị xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit): Điều khiển hoạt động máy tính thực chức xử lý liệu Hình 2: Bộ xử lý trung tâm máy tính (CPU) CPU thường đề cập đến với tên gọi xử lý Máy tính có nhiều thành phần nói trên, Ví Dụ nhiều CPU Trước đa phần máy tính có CPU, gần có gia tăng sử dụng nhiều CPU hệ thống máy đơn CPU luôn đối tượng quan trọng thành phần phức tạp hệ thống Cấu trúc CPU gồm thành phần chính: - Đơn vị điều khiển: Điều khiển hoạt động CPU điều khiển hoạt động máy tính - Đơn vị luận lý số học (ALU – Arithmetic and Logic Unit): Thực chức xử lý liệu máy tính - Tập ghi: Cung cấp nơi lưu trữ bên CPU - Thành phần nối kết nội CPU: Cơ chế cung cấp khả liên lạc đơn vị điều khiển, ALU tập ghi Trong thành phần nói CPU, đơn vị điều khiển lại giữ vai trò quan trọng Sự cài đặt đơn vị dẫn đến khái niệm tảng Nguyễn Mạnh Chiến – ĐT2, CĐ1A – K45 Trang Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp chế tạo vi xử lý máy tính Đó khái niệm vi lập trình Hình mô tả tổ chức bên đơn vị điều khiển với ba thành phần gồm: - Bộ lập dãy logic - Bộ giải mã tập ghi điều khiển - Bộ nhớ điều khiển Hình 3: Đơn vị điều khiển CPU Các thành phần khác máy tính:  Bộ nhớ chính: Dùng để lưu trữ liệu  Các thành phần nhập xuất: Dùng để di chuyển liệu máy tính mơi trường bên  Các thành phần nối kết hệ thống: Cung cấp chế liên lạc CPU, nhớ thành phần nhập xuất 1.2.2 Chức máy tính Một cách tổng quát, máy tính thực bốn chức sau: - Di chuyển liệu - Điều khiển Nguyễn Mạnh Chiến – ĐT2, CĐ1A – K45 Trang Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp - Lưu trữ liệu - Xử lý liệu Hình 4: Các chức máy tính  Xử lý liệu: Máy tính phải có khả xử lý liệu Dữ liệu có nhiều dạng phạm vi yêu cầu xử lý rộng Tuy nhiên có số phương pháp xử lý liệu  Lưu trữ liệu: Máy tính cần phải có khả lưu trữ liệu Ngay máy tính xử lý liệu, phải lưu trữ tạm thời thời điểm phần liệu xử lý Do cần thiết phải có chức lưu trữ ngắn hạn Tuy nhiên, chức lưu trữ dài hạn có tầm quan trọng tương đãng liệu cần lưu trữ máy cho lần cập nhật tìm kiếm  Di chuyển liệu: Máy tính phải có khả di chuyển liệu giới bên ngồi Khả thể thơng qua việc di chuyển liệu máy tính với thiết bị nối kết trực tiếp hay từ xa đến Tùy thuộc vào kiểu kết nối cự ly di chuyển liệu, mà có tiến trình nhập xuất liệu hay truyền liệu: - Tiến trình nhập xuất liệu: Thực di chuyển liệu cự ly ngắn máy tính thiết bị nối kết trực tiếp - Tiến trình truyền liệu: Thực di chuyển liệu cự ly xa máy tính thiết bị nối kết từ xa Nguyễn Mạnh Chiến – ĐT2, CĐ1A – K45 Trang Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp - Điều khiển: Bên hệ thống máy tính, đơn vị điều khiển có nhiệm vụ quản lý tài nguyên máy tính điều phối vận hành thành phần chức phù hợp với yêu cầu nhận từ người sử dụng Tương ứng với chức tổng quát nói trên, có bốn loại hoạt động xảy gồm:  Máy tính dùng thiết bị di chuyển liệu, có nhiệm vụ đơn giản chuyển liệu từ phận ngoại vi hay đường liên lạc sang phận ngoại vi hay đường liên lạc khác Lu tr÷ liệu Di chuyển liệu Điều khiển Xử lý d÷ liƯu Hình 5: Máy tính – Thiết bị di chuyển liệu  Máy tính dùng để lưu trữ liệu, với liệu chuyển từ môi trường ngồi vào lưu trữ máy (q trình đọc liệu) ngược lại (quá trình ghi liệu) Hình mơ tả hoạt động làm thiết bị lưu trữ liệu máy tính Nguyễn Mạnh Chiến – ĐT2, CĐ1A – K45 Trang Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Hình 6: Máy tính – Thiết bị lưu trữ liệu  Máy tính dùng để xử lý liệu thơng qua thao tác liệu lưu trữ kết hợp việc lưu trữ liên lạc với môi trường bên ngồi Hình 7: Máy tính – Thiết bị xử lý liệu lưu trữ Nguyễn Mạnh Chiến – ĐT2, CĐ1A – K45 Trang 10