Giáo trình Cấu trúc máy tính toàn tập

CHƯƠNG KIẾN TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH § Những thành phần máy tính Biểu diễn thơng tin máy tính I Hệ đếm nhị phân phương pháp biểu diễn thông tin máy tính Hệ nhị phân (Binary) 1.1 Khái niệm: Hệ nhị phân hay hệ đếm số có hai số Đó hệ đếm dựa theo vị trí Giá trị số tuỳ thuộc vào vị trí Các vị trí có trọng số bậc luỹ thừa số Chấm số gọi chấm nhị phân hệ đếm số Mỗi số nhị phân gọi bit (Binary digit) Bit bên trái bit có trọng số lớn (MSB, Most Significant Bit) bit ngồi bên phải bit có trọng số nhỏ (LSB, Least Significant Bit) đây: 23 22 21 20 2-1 2-2 MSB 1 1 LSB Chấm nhị phân Số nhị phân (1010.11)2 biểu diễn thành: (1010.11)2 = 1*23 + 0*22 + 1*21 + 0*20 + 1*2-1 + 1*2-2 = (10.75)10 Chú ý: dùng dấu ngoặc đơn số để ký hiệu số hệ đếm Đối với phần lẻ số thập phân, số lẻ nhân với số số nhớ ghi lại làm số nhị phân Trong trình biến đổi, số nhớ đầu bit MSB số nhớ cuối bit LSB Ví dụ 2: Biến đổi số thập phân (0.625)10 thành nhị phân: 0.625*2 = 1.250 Số nhớ 1, bit MSB 0.250*2 = 0.500 Số nhớ 0.500*2 = 1.000 Số nhớ 1, bit LSB Vậy : (0.625)10 = (0.101)2 Hệ thập lục phân (Hexadecima) 2.1 Khái niệm: Các hệ máy tính đại thường dùng hệ đếm khác hệ thập lục phân Hệ thập lục phân hệ đếm dựa vào vị trí với số 16 Hệ dùng số từ đến ký tự từ A đến F bảng sau: http://www.ebook.edu.vn Bảng 1.1 Hệ thập lục phân: Thập lục phân A B C D E F Thập phân 10 11 12 13 14 15 Nhị phân 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Bảng mã ASCII.(American Standard Code for Information Interchange) Người ta xây dựng mã để biểu diễn cho ký tự số Và ký hiệu đặc biệt khác Các mã gọi mã ký tự số Bảng mã ASCII mã bit dùng phổ biến hệ máy tính Với mã bit nên có 27 = 128 tổ hợp mã Mỗi ký tự (chữ hoa chữ thường) số thập phân từ ký hiệu đặc biệt khác biểu diễn mã số bảng 2-2 Việc biến đổi thành ASCII mã ký tự số khác, tốt sử dụng mã tương đương bảng Ví dụ: Đổi ký tự BILL thành mã ASCII: Ký tự B I L L ASCII 1000010 1001001 1001100 1001100 HEXA 42 49 4C 4C http://www.ebook.edu.vn Bảng 1.2: Mã ASCII Bits(row) 111 R B4 O W 0 A B C D E F Column bits(B7B6B5) 001 010 011 100 101 000 110 B3 B2 B1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF VT FF CR SO SI DLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS GS RS US SP ! “ # $ % & ‘ ( ) * + , / : ; < = > ? @ A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _ \ A B C D E F G H I J K L M N O p q r s t u v w x y z { | } ~ DEL Control characters: NUL = Null; DLE = Data link escape; SOH = Start Of Heading; DC1 = Device control 1; DC2 = Device control 2; DC3 = Device control DC4 = Device control 4; STX = Start of text; ETX = End of text; EOT = End of transmission; ENQ = Enquiry; NAK = Negative acknowlege ACK = Acknowlege; SYN = Synidle; BEL = Bell ETB = End od transmission block; BS = Backspace; CAN = Cancel HT = Horizontal tab; EM = End of medium; LF = Line feed; SUB = Substitute VT = Vertical tab; ESC = Escape; FF = From feed; FS = File separator SO = Shift out; RS = Record separator; SI = Shift in; US = Unit separator Biểu diễn giá trị số máy tính 4.1 Biểu diễn số nguyên a Biểu diễn số nguyên không dấu: http://www.ebook.edu.vn Tất số mã máy vi tính biểu diễn chữ số nhị phân Để biểu diễn số nguyên không dấu, người ta dùng n bit Tương ứng với độ dài số bit sử dụng, ta có khoảng giá trị xác định sau: Số bit Khoảng giá trị n bit: 2n - bit 255 Byte 16 bit 65535 Word b Biểu diễn số nguyên có dấu: Người ta sử dụng bit cao biểu diễn dấu; bit dấu có giá trị tương ứng với số nguyên dương, bit dấu có giá trị biểu diễn số âm Như khoảng giá trị số biểu diễn tính sau: Số bit Khoảng giá trị: n bit 2n-1-1 bit -128 127 Short integer 16 bit -32768 32767 Integer 32 bit -231 231-1 (-2147483648 2147483647) Long integer 4.2 Biểu diễn số thực(số có dấu chấm (phẩy) động) Có hai cách biểu diễn số thực hệ nhị phân: số có dấu chấm cố định (fĩed point number) số có dấu chấm động (floating point number) Cách thứ dùng VXL(micro processor) hay vi điều khiển (micro controller) cũ Cách thứ hay dùng có độ xác cao Đối với cách biểu diễn số thực dấu chấm động có khả hiệu chỉnh theo giá trị số thực Cách biểu diễn chung cho hệ đếm sau: R = m.Be Trong m phần định trị, hệ thập phân giá trị tuyệt đối phải ln nhỏ Số e phần mũ B số hệ đếm Có hai chuẩn định dạng dấu chấm động quan trọng là: chuẩn MSBIN Microsoft chuẩn IEEE Cả hai chuẩn dùng hệ đếm nhị phân Thường dùng theo tiêu chuẩn biểu diễn số thực IEEE 7541985(Institute of Electric & Electronic Engineers), chuẩn hãng chấp nhận dùng xử lý toán học Intel Bit dấu nằm vị trí cao nhất; kích thước phần mũ khn dạng phần định trị thay đổi theo loại số thực Giá trị số thực IEEE tính sau: R = (-1)S*(1+M1*2-1 + +Mn*2-n)*2E E -127 http://www.ebook.edu.vn Chú ý: giá trị M0 mặc định - Dùng 32 bit để biểu diễn số thực, số thực ngắn: -3,4.1038 < R < 3,4.1038 31 S 30 23 22 E7 - E0 |Định trị (M1 - M23) - Dùng 64 bit để biểu diễn số thực, số thực dài: -1,7.10308 < R < 1,7.10308 63 S 62 52 51 E10 - E0 Định trị (M1 - M52) Ví dụ tính số thực: 0100 0010 1000 1100 1110 1001 1111 1100 Phần định trị: 2-4+2-5+2-8+2-9+2-10+2-12+2-15+ +2-16+2-17+2-18+2-19+2-20+2-21 = 0,1008906 Giá trị ngầm định là: 1,1008906 Phần mũ: 28+22+20 =133 Giá trị thực (bit cao bit dấu): 133-128=6 Dấu: = số dương Giá trị số thực là: R = 1,1008906.26 = 70,457 Phương pháp đổi số thực sang số dấu phẩy động 32 bit: - Đổi số thập phân thành số nhị phân - Biểu diễn số nhị phân dạng ±1, xxxBy (B: số 2) - Bit cao 31: lấy giá trị với số dương, với số âm - Phần mũ y đổi sang mã excess -127 y, xác định cách: y + (7F)16 - Phần xxx phần định trị, đưa vào từ bit 22 Ví dụ: Biểu diễn số thực (9,75)10 dạng dấu phẩy động Ta đổi sang dạng nhị phân: (9,75)10 = (1001.11)2 = 1,00111B3 Bit dấu: bit 31 = Mã excess - 127 là: 7F + = (82)16 = 82H = (10000010)2 Được đưa vào bit tiếp theo: từ bit 30 đến bit 23 Bit 22 mặc định http://www.ebook.edu.vn Cuối số thực (9,75)10 biểu diễn dướiư dạng dấu phẩy động 32 bit sau: 0100 0001 0001 1100 0000 0000 0000 0000 bit |31|30 23|22 0| http://www.ebook.edu.vn § Kiến trúc máy tính đơn giản 2.1 Giới thiệu sơ lược cấu trúc máy vi tính So với từ đời, cấu trúc sở máy vi tính ngày khơng thay đổi Mọi máy tính số coi hình thành từ sáu phần (như hình 2-1): Hình 2-1: Giới thiệu sơ đồ khối tổng quát máy tính số Data Bus Control Bus Bộ xử lý trung tâm (CPU) Bộ nhớ (Memory) ROM-RAM Bộ nhớ (Mass store Unit) Phối ghép vào/ra (I/O) Thiết bị vào (Input Unit) Thiết bị (Output Unit) Adrress Bus Trong sơ đồ này, khối chức máy tính số gồm: - Khối xử lý trung tâm (central processing unit, CPU), - Bộ nhớ (memory), RAM, ROM - Bộ nhớ ngoài, loại ổ đĩa, băng từ - Khối phối ghép với thiết bị ngoại vi (vào/ra) - Các phận đầu vào, bàn phím, chuột, máy quét - Các phận đầu ra, hình, máy in 2.2 Lịch sử phát triển CPU 2.2.1.-BXL bit 4004 BXL Intel đưa tháng 11 năm 1971, có tốc độ 740KHz, khả xử lý 0,06 triệu lệnh giây (milion instructions per second - MIPS); sản xuất cơng nghệ 10 µm, có 2.300 transistor (bóng bán dẫn), nhớ mở rộng đến 640 byte 2.2.2 BXL 8bit 8008 (năm 1972) sử dụng thiết bị đầu cuối Datapoint 2200 Computer Terminal Corporation (CTC) 8008 có tốc độ 200kHz, sản xuất cơng nghệ 10 µm, với 3.500 transistor, nhớ mở rộng đến http://www.ebook.edu.vn 16KB 8080 (năm 1974) sử dụng máy tính Altair 8800, có tốc độ gấp 10 lần 8008 (2MHz), sản xuất công nghệ µm, khả xử lý 0,64 MIPS với 6.000 transistor, có bit bus liệu 16 bit bus địa chỉ, nhớ mở rộng tới 64KB 8085 có tốc độ 2MHz, sản xuất cơng nghệ µm, với 6.500 transistor, có bit bus liệu 16 bit bus địa chỉ, nhớ mở rộng 64KB 2.2.3.-BXL 16bit 80186 (năm 1982) gọi IAPX 186 Sử dụng chủ yếu ứng dụng nhúng, điều khiển thiết bị đầu cuối Các phiên 80186 gồm 10 12 MHz 80286 (năm 1982) sử dụng cơng nghệ 1,5 µm, 134.000 transistor, nhớ mở rộng tới 16 MB Các phiên 286 gồm 6, 8, 10, 12,5, 16, 20 25MHz 2.2.4 BXL 32bit vi kiến trúc NetBurst (NetBurst micro-architecture) Intel386 gồm họ 386DX, 386SX 386SL Intel386DX BXL 32 bit Intel giới thiệu vào năm 1985, 386 sử dụng ghi 32 bit, truyền 32 bit liệu lúc bus liệu dùng 32 bit để xác định địa Cũng BXL 80286, 80386 hoạt động chế độ: real mode protect mode 386SL (năm1990) thiết kế cho thiết bị di động, sử dụng cơng nghệ µm, 855.000 transistor, nhớ mở rộng 4GB; gồm phiên 16, 20, 25 MHz 486DX sử dụng công nghệ µm, 1,2 triệu transistor, nhớ mở rộng 4GB; gồm phiên 25 MHz, 35 MHz 50 MHz (0,8 µm) Pentium sử dụng cơng nghệ 0,8 µm chứa 3,1 triệu transistor, có tốc độ 60, 66 MHz (socket 273 chân, PGA) Các phiên 75, 90, 100, 120 MHz sử dụng cơng nghệ 0,6 µm chứa 3,3 triệu transistor (socket 7, PGA) Phiên 133, 150, 166, 200 sử dụng cơng nghệ 0,35 µm chứa 3,3 triệu transistor (socket 7, PGA) Pentium MMX sử dụng cơng nghệ 0,35 µm chứa 4,5 triệu transistor, có tốc độ 166, 200, 233 MHz (Socket 7, PGA) 2.2.5 Pentium Pro: Nối tiếp thành cơng dịng Pentium, Pentium Pro Intel giới thiệu vào tháng năm 1995, sử dụng cơng nghệ 0,6 0,35 µm chứa 5,5 triệu transistor, socket 387 chân, Dual SPGA, hỗ trợ nhớ RAM tối đa 4GB http://www.ebook.edu.vn 2.2.6 BXL Pentium II Đầu tiên, tên mã Klamath, sản xuất cơng nghệ 0,35 µm, có 7,5 triệu transistor, bus hệ thống 66 MHz, gồm phiên 233, 266, 300MHz Pentium II, tên mã Deschutes, sử dụng công nghệ 0,25 µm, 7,5 triệu transistor, gồm phiên 333MHz (bus hệ thống 66MHz), 350, 400, 450 MHz (bus hệ thống 100MHz) Celeron (năm 1998) “rút gọn” từ kiến trúc BXL Pentium II, dành cho dòng máy cấp thấp 2.2.7 Pentium III (năm 1999) Bổ sung 70 lệnh (Streaming SIMD Extensions - SSE) giúp tăng hiệu suất hoạt động BXL tác vụ xử lý hình ảnh, audio, video nhận dạng giọng nói Pentium III gồm tên mã Katmai, Coppermine Tualatin Coppermine sử dụng cơng nghệ 0,18 µm, 28,1 triệu transistor, nhớ đệm L2 256 KB tích hợp bên nhằm tăng tốc độ xử lý Tualatin áp dụng công nghệ 0,13 µm có 28,1 triệu transistor, nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB 512 KB tích hợp bên BXL, socket 370 FC-PGA (Flip-chip pin grid array), bus hệ thống 133 MHz Có tốc độ 1133, 1200, 1266, 1333, 1400 MHz Celeron Coppermine (năm 2000) “rút gọn” từ kiến trúc BXL Pentium III Coppermine, gọi Celeron II, bổ sung 70 lệnh SSE Sử dụng cơng nghệ 0,18 µm có 28,1 triệu transistor, nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB tích hợp bên BXL, socket 370 FC-PGA, Có tốc độ 533, 566, 600, 633, 667, 700, 733, 766, 800 MHz (bus 66 MHz), 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300 MHz (bus 100 MHz) Tualatin Celeron (Celeron S) (năm 2000) “rút gọn” từ kiến trúc BXL Pentium III Tualatin, áp dụng cơng nghệ 0,13 µm, nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB tích hợp, socket 370 FC-PGA, bus hệ thống 100 MHz, gồm tốc độ 1,0, 1,1, 1,2, 1,3 1,4 GHz 2.2.8 Pentium Intel Pentium (P4) BXL hệ thứ dòng x86 phổ thông, giới thiệu vào tháng 11 năm 2000 P4 sử dụng vi kiến trúc NetBurst có thiết kế hoàn toàn so với BXL cũ (PII, PIII Celeron sử dụng vi kiến trúc P6) Một số công nghệ bật áp dụng vi kiến trúc NetBurst Hyper Pipelined Technology mở rộng số hàng lệnh xử lý, Execution Trace Cache tránh tình trạng lệnh bị chậm trễ chuyển từ nhớ đến CPU, Rapid Execution Engine tăng tốc đồng xử lý toán học, bus hệ thống (system bus) 400 MHz 533 MHz; công nghệ Advanced Transfer Cache, Advanced Dynamic Execution, Enhanced http://www.ebook.edu.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an đầu quét dọc theo trống, gương phát tia (beam detect mirror, xem hình 5.1.1) phát diện ban đầu cùa tia laser cách phản xạ tia vào sợi quang (optical fiber) Tia sáng dọc theo sợi quang để tới kiểm sốt DC (DC controller) chuyển đổi thành tín hiệu điện dùng để đồng hóa kết xuất liệu Tín hiệu dùng để chẩn đoán cố với tia laser mô-tơ quét Tia laser ghi hình ảnh lên bề mặt trống dạng vùng mang điện tích –100v Điện tích –100v vùng hình ảnh sử dụng giai đoạn triển khai để chuyển mực toner sang bề mặt trống Bước 4:Triển khai Hình 5.1.3 cho ta thấy rõ bước triển khai,trong mực toner trục lăn triển khai (developing cylinder) áp vào vùng mang điện tích –100v bề mặt trống Mực toner di chuyển từ trục lăn sang trống hai quay gần Trục lăn bao phủ lớp mực toner, vốn chế tạo từ nhựa thông đen liên kết với sắt, tương tự loại mực toner sử dụng máy photocopy Mực toner giữ bề mặt trục lăn lực hấp dẫn nam châm nằm bên trục lăn Một gạt kiểm soát (control blade) ngăn cản không cho mực toner bám vào bề mặt trục lăn Mực toner nhận điện tích âm (giữa –200v –500v ) bề mặt nối tới nguồn DC gọi dịch DC (DC bias) Hình 5.1.3 bước triển khai, mực toner tích điện đặt lên bề mặt trống Mực toner mang điện tích âm nhiều vùng mang điện tích –100v bề mặt trống, vùng mang điện tích –600v bề mặt trống Do đó, mực toner bị hút vào vùng –100v bề mặt trống Đồng thời, mực toner bị đẩy khỏi vùng điện tích –600v bề mặt trống, chúng mang điện tích âm tương đối điện tích mực toner Kết mực toner bám dính lên trống nơi mà tia laser chiếu vào bị đẩy khỏi nơi mà tia laser chưa chiếu vào Hầu hết máy in cung cấp cách để bạn điều chỉnh mật độ in (print density) Với máy in laser, bạn điều chỉnh mật độ in, bạn điều http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an chỉnh điện tích hiệu dịch DC (DC bias) trục lăn triển khai; điện tích kiểm sốt mực toner hút vào trục lăn đó, điện tích thay đổi, mật độ in thay đổi, mật độ in thay đổi theo Bước 5: Chuyển giao Trong bước chuyển giao, thiết bị điện hoa chuyển giao sinh điện dương tờ giấy in khiến mực toner bị hút từ trống quay sang tờ giấy in qua thiết trống quay Bộ khử tĩnh điện(static charge eliminator) làm yếu điện tích dương tờ giấy in điện tích âm trống quay để tờ giấy không bám chặt vào trống quay chênh lệch điện tích Tính chất rít tờ giấy in bán kính nhỏ trống quay khiến tờ giấy tách rời khỏi trống in tới trục nung chảy (fusing roller) Nếu sử dụng loại giấy mỏng tring máy in laser,tờ giấy in co thể quấn tròn quanh trống quau lý giải thích saocác tài liệu hướng dẫn sử dụng máy in laser dẫn bạn sử dụng loại giấy thiết kế dành cho máy in laser Bước 6: Nung chảy Bước nung chảy làm cho mực toner liên kết với giấy in Cho tới thời điểm này, mực toner đơn nằm giấy in Các trục lăn nung chảy (fusing roller) áp dụng vừa áp suất lẫn nhiệt độ tờ giấy Mực toner lan chảy trục lăn ép mực toner vào tờ giấy in Nhiệt độ trục lăn máy in giám sát Nếu nhiệt độ vượt giá trị tối đa cho phép (410F số máy in), máy in tự động tắt § 5.2 Các thiết bị lưu trữ liệu Ổ đĩa cứng, hay gọi ổ cứng Hard Disk Drive, viết tắt: HDD thiết bị dùng để lưu trữ liệu bề mặt đĩa hình trịn phủ vật liệu từ tính.Ổ đĩa cứng loại nhớ "khơng thay đổi" (non-volatile), có nghĩa chúng khơng bị liệu ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng 5.2.1 Cấu tạo Ổ đĩa cứng gồm thành phần, phận liệt kê giải thích sau: Bộ phận đĩa: Bao gồm toàn đĩa, trục quay động • Đĩa từ • Trục quay: truyền chuyển động đĩa từ • Động cơ: Được gắn đồng trục với trục quay đĩa Bộ phận đầu đọc • Đầu đọc (head): Đầu đọc/ghi liệu • Cần di chuyển đầu đọc (head arm actuator arm) http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Bộ phận mạch điện • • • • • • Mạch điều khiển: có nhiệm vụ điều khiển động đồng trục, điều khiển di chuyển cần di chuyển đầu đọc để đảm bảo đến vị trí bề mặt đĩa Mạch xử lý liệu: dùng để xử lý liệu đọc/ghi ổ đĩa cứng Bộ nhớ đệm (cache buffer): nơi tạm lưu liệu trình đọc/ghi liệu Dữ liệu nhớ đệm ổ đĩa cứng ngừng cấp điện Đầu cắm nguồn cung cấp điện cho ổ đĩa cứng Đầu kết nối giao tiếp với máy tính Các cầu đấu thiết đặt ( jumper) thiết đặt chế độ làm việc ổ đĩa cứng: Lựa chọn chế độ làm việc ổ đĩa cứng (SATA 150 SATA 300) hay thứ tự kênh giao tiếp IDE (master hay slave tự lựa chọn), lựa chọn thông số làm việc khác * Vỏ đĩa cứng: Vỏ ổ đĩa cứng gồm phần: Phần đế chứa linh kiện gắn nó, phần nắp đậy lại để bảo vệ linh kiện bên Vỏ ổ đĩa cứng có chức nhằm định vị linh kiện đảm bảo độ kín khít để khơng cho phép bụi lọt vào bên ổ đĩa cứng http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Ngồi ra, vỏ đĩa cứng cịn có tác dụng chịu đựng va chạm (ở mức độ thấp) để bảo vệ ổ đĩa cứng Do đầu từ chuyển động sát mặt đĩa nên có bụi lọt vào ổ đĩa cứng làm xước bề mặt, lớp từ hư hỏng phần (xuất khối hư hỏng (bad block)) Thành phần bên ổ đĩa cứng khơng khí có độ cao, để đảm bảo áp suất cân mơi trường bên bên ngồi, vỏ bảo vệ có hệ lỗ thống đảm bảo cản bụi cân áp suất * Đĩa từ (platter): Đĩa thường cấu tạo nhôm thuỷ tinh, bề mặt phủ lớp vật liệu từ tính nơi chứa liệu Tuỳ theo hãng sản xuất mà đĩa sử dụng hai mặt Số lượng đĩa nhiều một, phụ thuộc vào dung lượng công nghệ hãng sản xuất khác Mỗi đĩa từ sử dụng hai mặt, đĩa cứng có nhiều đĩa từ, chúng gắn song song, quay đồng trục, tốc độ với hoạt động http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an * Track Trên mặt làm việc đĩa từ chia nhiều vòng tròn đồng tâm thành track Track hiểu đơn giản giống rãnh ghi liệu giống đĩa nhựa (ghi âm nhạc trước đây) cách biệt rãnh ghi khơng có gờ phân biệt chúng vịng trịn đồng tâm khơng nối tiếp thành dạng xoắn trôn ốc đĩa nhựa Track ổ đĩa cứng không cố định từ sản xuất, chúng thay đổi vị trí định dạng cấp thấp ổ đĩa (low format ) http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Khi ổ đĩa cứng hoạt động nhiều năm liên tục, kết kiểm tra phần mềm cho thấy xuất nhiều khối hư hỏng (bad block) có nghĩa phần rơ rão làm việc khơng xác sản xuất, lúc thích hợp format cấp thấp cho để tương thích với chế độ làm việc phần * Sector Khu Số vực sector/track Số byte/track Tốc độ truyền liệu (MBps) 456 233.472 28,02 432 221.184 26,54 416 212.992 25,56 384 196.608 23,59 360 184.320 22,12 http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Trên track chia thành phần nhỏ đoạn hướng tâm thành sector Các sector phần nhỏ cuối chia để chứa liệu Theo chuẩn thơng thường sector chứa dung lượng 512 byte 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 * Cylinder Tập hợp track bán kính (cùng số hiệu trên) mặt đĩa khác thành cylinder Nói cách xác thì: đầu đọc/ghi làm việc track tập hợp toàn track bề mặt đĩa lại mà đầu đọc lại làm việc gọi cylinder (cách giải thích xác xảy thường hợp đầu đọc khác có khoảng cách đến tâm quay đĩa khác trình chế tạo) Trên ổ đĩa cứng có nhiều cylinder có nhiều track mặt đĩa từ * Trục quay Trục quay trục để gắn đĩa từ lên nó, chúng nối trực tiếp với động quay đĩa cứng Trục quay có nhiệm vụ truyền chuyển động quay từ động đến đĩa từ Trục quay thường chế tạo vật liệu nhẹ (như hợp kim nhơm) chế tạo tuyệt đối xác để đảm bảo trọng tâm chúng không sai lệch - sai lệch nhỏ gây lên rung lắc tồn đĩa cứng làm việc tốc độ cao, dẫn đến q trình đọc/ghi khơng xác * Đầu đọc/ghi Đầu đọc đơn giản cấu tạo gồm lõi ferit (trước lõi sắt) cuộn dây (giống nam châm điện) Gần công nghệ giúp cho ổ đĩa cứng hoạt động với mật độ xít chặt như: chuyển hạt từ xếp theo phương vng góc với bề mặt đĩa nên đầu đọc thiết kế nhỏ gọn phát triển theo ứng dụng công nghệ Đầu đọc đĩa cứng có cơng dụng đọc liệu dạng từ hoá bề mặt đĩa từ từ hoá lên mặt đĩa ghi liệu Số đầu đọc ghi số mặt hoạt động đĩa cứng, có nghĩa chúng nhỏ hai lần số đĩa (nhỏ trường hợp ví dụ hai đĩa sử dụng mặt) http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an * Cần di chuyển đầu đọc/ghi Cần di chuyển đầu đọc/ghi thiết bị mà đầu đọc/ghi gắn vào Cần có nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với đĩa từ khoảng cách định, dịch chuyển định vị xác đầu đọc vị trí từ mép đĩa đến vùng phía đĩa (phía trục quay) Các cần di chuyển đầu đọc di chuyển đồng thời với chúng gắn chung trục quay (đồng trục), có nghĩa việc đọc/ghi liệu bề mặt (trên loại hai mặt) vị trí chúng hoạt động vị trí tương ứng bề mặt đĩa cịn lại Sự di chuyển cần thực theo hai phương thức: • • Sử dụng động bước để truyền chuyển động Sử dụng cuộn cảm để di chuyển cần lực từ * Hoạt động Giao tiếp với máy tính Cơ chế đọc ghi liệu ổ đĩa cứng không đơn thực từ theo mà chúng truy cập ghi liệu ngẫu nhiên điểm bề mặt đĩa từ, đặc điểm khác biệt bật ổ đĩa cứng so với hình thức lưu trữ truy cập (như băng từ) Thơng qua giao tiếp với máy tính, giải tác vụ, CPU đòi hỏi liệu (nó hỏi nhớ khác trước đến đĩa cứng mà thứ tự thường cache L1-> cache L2 ->RAM) đĩa cứng cần truy cập đến liệu chứa Khơng đơn CPU địi hỏi nhiều tập tin liệu thời điểm, xảy trường hợp: Ổ đĩa cứng đáp ứng yêu cầu truy cập liệu thời điểm, yêu cầu đáp ứng Ổ đĩa cứng đồng thời đáp ứng yêu cầu cung cấp liệu theo phương thức riêng Trước đa số ổ đĩa cứng thực theo phương thức 1, có nghĩa chúng truy cập tập tin cho CPU Ngày ổ đĩa cứng tích hợp nhớ đệm (cache) công nghệ riêng chúng (TCQ, NCQ) giúp tối ưu cho hành động truy cập liệu bề mặt đĩa nên ổ đĩa cứng thực theo phương thức thứ nhằm tăng tốc độ chung cho toàn hệ thống * Đọc ghi liệu bề mặt đĩa Sự hoạt động đĩa cứng cần thực đồng thời hai chuyển động: Chuyển động quay đĩa chuyển động đầu đọc Sự quay đĩa từ thực nhờ động gắn trục (với tốc độ http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an lớn: từ 3600 rpm 15.000 rpm) chúng thường quay ổn định tốc độ định theo loại ổ đĩa cứng Khi đĩa cứng quay đều, cần di chuyển đầu đọc di chuyển đến vị trí bề mặt chứa phủ vật liệu từ theo phương bán kính đĩa Chuyển động kết hợp với chuyển động quay đĩa làm đầu đọc/ghi tới vị trí bề mặt đĩa.Tại vị trí cần đọc ghi, đầu đọc/ghi có cảm biến với điện trường để đọc liệu (và tương ứng: phát điện trường để xoay hướng hạt từ ghi liệu) Dữ liệu ghi/đọc đồng thời đĩa Việc thực phân bổ liệu đĩa thực nhờ mạch điều khiển bo mạch ổ đĩa cứng 5.2.2 Các công nghệ chế tạo ổ đĩa cứng 5.2.2.1 S.M.A.R.T S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology) cơng nghệ tự động giám sát, chuẩn đốn báo cáo hư hỏng xuất ổ đĩa cứng để thông qua BIOS, phần mềm thông báo cho người sử dụng biết trước hư hỏng để có hành động chuẩn bị đối phó (như chép liệu dự phịng có kế hoạch thay ổ đĩa cứng mới) Trong thời gian gần S.M.AR.T coi tiêu chuẩn quan trọng ổ đĩa cứng S.M.A.R.T thực giám sát thay đổi, ảnh hưởng phần cứng đến trình lỗi xảy ổ đĩa cứng (mà theo hãng Seagate hư hỏng đĩa cứng chiếm tới 60% xuất phát từ vấn đề liên quan đến khí): Chúng bao gồm hư hỏng theo thời gian phần cứng: đầu đọc/ghi (mất kết nối, khoảng cách làm việc với bề mặt đĩa thay đổi), động (xuống cấp, rơ rão), bo mạch ổ đĩa (hư hỏng linh kiện làm việc sai) S.M.A.R.T không nên hiểu từ "smart" chúng không làm cải thiện đến tốc độ làm việc truyền liệu ổ đĩa cứng Người sử dụng bật (enable) tắt (disable) chức BIOS (tuy nhiên BIOS hãng hỗ trợ việc can thiệp này) Ổ cứng lai (hybrid hard disk drive) Ổ cứng lai (hybrid hard disk drive) ổ đĩa cứng thông thường gắn thêm phần nhớ flash bo mạch ổ đĩa cứng Cụm nhớ hoạt động khác với chế làm việc nhớ đệm (cache) ổ đĩa cứng: Dữ liệu chứa chúng không bị mất điện http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Trong trình làm việc ổ cứng lai, vai trò phần nhớ flash sau: • • • • Lưu trữ trung gian liệu trước ghi vào đĩa cứng, máy tính đưa liệu đến mức định (tuỳ loại ổ cứng lai) ổ đĩa cứng tiến hành ghi liệu vào đĩa từ, điều giúp vận hành ổ đĩa cứng tối hiệu tiết kiệm điện nhờ việc thường xuyên hoạt động Giúp tăng tốc độ giao tiếp với máy tính: Việc đọc liệu từ nhớ flash nhanh so với việc đọc liệu đĩa từ Giúp hệ điều hành khởi động nhanh nhờ việc lưu tập tin khởi động hệ thống lên vùng nhớ flash Kết hợp với nhớ đệm ổ đĩa cứng tạo thành hệ thống hoạt động hiệu Những ổ cứng lai sản xuất thường sử dụng nhớ flash với dung lượng khiêm tốn 256 MB chịu áp lực vấn đề giá thành sản xuất Do sử dụng dung lượng nhỏ nên chưa cải thiện nhiều đến việc giảm thời gian khởi động hệ điều hành, dẫn đến nhiều người sử dụng chưa cảm thấy hài lòng với chúng Tuy nhiên người sử dụng thường khó nhận hiệu chúng thực tác vụ thông thường việc tiết kiệm lượng chúng Hiện ổ cứng lai có giá thành đắt (khoảng vài trăm USD cho dung lượng vài chục GB) nên chúng sử dụng số loại máy tính xách tay cao cấp 5.2.3 Thơng số đặc tính HDD * Dung lượng Dung lượng ổ đĩa cứng tính bằng: (số byte/sector) × (số sector/track) × (số cylinder) × (số đầu đọc/ghi) Dung lượng ổ đĩa cứng tính theo đơn vị dung lượng thông thường: byte, kB MB, GB, TB Đa số hãng sản xuất tính dung lượng theo cách có lợi (theo cách tính GB = 1000 MB mà thực phải GB = 1024 MB) nên dung lượng mà hệ điều hành (hoặc phần mềm kiểm tra) nhận ổ đĩa cứng thường thấp so với dung lượng ghi nhãn đĩa (ví dụ ổ đĩa cứng 40 GB thường đạt khoảng 37-38 GB) http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an * Tốc độ quay ổ đĩa cứng Tốc độ quay đĩa cứng thường ký hiệu rpm (viết tắt từ tiếng Anh: revolutions per minute) số vòng quay phút Tốc độ quay cao ổ làm việc nhanh chúng thực đọc/ghi nhanh hơn, thời giam tìm kiếm thấp Các tốc độ quay thơng dụng thường là: • • • 5.400 rpm: Thông dụng với ổ đĩa cứng 3,5” sản xuất cách 2-3 năm; với ổ đĩa cứng 2,5” cho máy tính xách tay chuyển sang tốc độ 5400 rpm để đáp ứng nhu cầu đọc/ghi liệu nhanh 7.200 rpm: Thông dụng với ổ đĩa cứng sản xuất thời gian (2007) 10.000 rpm, 15.000 rpm: Thường sử dụng cho ổ đĩa cứng máy tính cá nhân cao cấp, máy trạm máy chủ có sử dụng giao tiếp SCSI 5.2.4 Các thông số thời gian ổ đĩa cứng * Thời gian tìm kiếm trung bình Thời gian tìm kiếm trung bình (Average Seek Time) khoảng thời gian trung bình (theo mili giây: ms) mà đầu đọc di chuyển từ cylinder đến cylinder khác ngẫu nhiên (ở vị trí xa chúng) Thời gian tìm kiếm trung bình cung cấp nhà sản xuất họ tiến hành hàng loạt việc thử việc đọc/ghi vị trí khác chia cho số lần thực để có kết thơng số cuối cùng.Thông số thấp tốt Thời gian tìm kiếm trung bình khơng kiểm tra phần mềm phần mềm không can thiệp sâu đến hoạt động ổ đĩa cứng * Thời gian truy cập ngẫu nhiên Thời gian truy cập ngẫu nhiên (Random Access Time): Là khoảng thời gian trung bình để đĩa cứng tìm kiếm liệu ngẫu nhiên Tính mili giây (ms) Đây tham số quan trọng chúng ảnh hưởng đến hiệu làm việc hệ thống, người sử dụng nên quan tâm đến chúng lựa chọn ổ đĩa cứng Thông số thấp tốt Tham số: Các ổ đĩa cứng sản xuất gần (2007) có thời gian truy cập ngẫu nhiên khoảng: đến 15 ms http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an * Thời gian làm việc tin cậy Thời gian làm việc tin cậy MTBF: (Mean Time Between Failures) tính theo (hay hiểu cách đơn tuổi thọ ổ đĩa cứng) Đây khoảng thời gian mà nhà sản xuất dự tính ổ đĩa cứng hoạt động ổn định mà sau thời gian ổ đĩa cứng xuất lỗi (và không đảm bảo tin cậy) Một số nhà sản xuất công bố ổ đĩa cứng họ hoạt động với tốc độ 10.000 rpm với tham số: MTBF lên tới triệu giờ, với ổ đĩa cứng hoạt động tốc độ 15.000 rpm có giá trị MTBF đến 1,4 triệu thơng số kết tính tốn lý thuyết Hãy hình dung số năm mà hoạt động tin cậy (khi chia thông số MTBF cho (24 giờ/ngày × 365 ngày/năm) thấy dài lịch sử hãng sản xuất ổ đĩa cứng nào, người sử dụng không cần quan tâm đến thông số * Bộ nhớ đệm Bộ nhớ đệm (cache buffer) ổ đĩa cứng giống RAM máy tính, chúng có nhiệm vụ lưu tạm liệu trình làm việc ổ đĩa cứng Độ lớn nhớ đệm có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất hoạt động ổ đĩa cứng việc đọc/ghi không xảy tức thời (do phụ thuộc vào di chuyển đầu đọc/ghi, liệu truyền tới đi) đặt tạm nhớ đệm Đơn vị thường bính kB MB Trong thời điểm năm 2007, dung lượng nhớ đệm thường MB cho loại ổ đĩa cứng dung lượng đến khoảng 160 GB, với ổ đĩa cứng dụng lượng lớn chúng thường sử dụng nhớ đệm đến 16 MB cao Bộ nhớ đệm lớn tốt, hiệu chung ổ đĩa cứng chững lại giá trị nhớ đệm định mà từ nhớ đệm tăng lên hiệu khơng tăng đáng kể • Hệ điều hành lấy phần nhớ hệ thống (RAM) để tạo nhớ đệm lưu trữ liệu lấy từ ổ đĩa cứng nhằm tối ưu việc xử lý liệu thường xuyên phải truy cập, cách dùng riêng hệ điều hành mà chúng không ảnh hưởng đến cách hoạt động hiệu suất vốn có loại ổ đĩa cứng Có nhiều phần mềm cho phép tinh chỉnh thông số hệ điều hành tuỳ thuộc vào dư thừa RAM hệ thống http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an 5.2.4 Các chuẩn kết nối ổ cứng Hiện ổ cứng gắn có chuẩn kết nối thơng dụng IDE SATA IDE (EIDE) Parallel ATA (PATA) hay gọi EIDE (Enhanced intergrated drive electronics) biết đến chuẩn kết nối ổ cứng thông dụng 10 năm Tốc độ truyền tải liệu tối đa 100 MB/giây Các bo mạch chủ gần bỏ hẳn chuẩn kết nối này, nhiên, người dùng mua loại card PCI EIDE Controller muốn sử dụng tiếp ổ cứng EIDE SATA (Serial ATA) Nhanh chóng trở thành chuẩn kết nối cơng nghệ ổ cứng nhờ vào khả ưu việt chuẩn IDE tốc độ xử lý truyền tải liệu SATA kết việc làm giảm tiếng ồn, tăng luồng khơng khí hệ thống dây cáp SATA hẹp 400% so với dây cáp IDE Tốc độ truyền tải liệu tối đa lên đến 150 - 300 MB/giây Đây lý ta khơng nên sử dụng ổ cứng IDE chung với ổ cứng SATA hệ thống Ổ cứng IDE “kéo” tốc độ ổ cứng SATA với mình, khiến ổ cứng SATA khơng thể hoạt động với “sức lực” Ngày nay, SATA chuẩn kết nối ổ cứng thông dụng trên, ta áp dụng card PCI SATA Controller bo mạch chủ không hỗ trợ chuẩn kết nối phiên Windows 2000/XP/2003/Vista hay phần mềm nhận dạng tương thích tốt với ổ cứng IDE lẫn SATA Tuy vậy, cách thức cài đặt chúng vào hệ thống khác Do đó, ta cần biết cách phân biệt ổ cứng IDE SATA để tự cài đặt vào hệ thống cần thiết Cách thức đơn giản để phân biệt nhìn vào phía sau ổ cứng, phần kết nối Ổ cứng PATA (IDE) với 40-pin kết nối song song, phần thiết lập jumper (10-pin với thiết lập master/slave/cable select) phần nối kết nguồn điện 4-pin, độ rộng 3,5-inch Có thể gắn thiết bị IDE dây cáp, có http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an nghĩa cáp IDE có đầu kết nối, gắn kết vào bo mạch chủ đầu lại vào thiết bị IDE Ổ cứng SATA có kiểu dáng kích cỡ, độ dày mỏng ổ cứng IDE hãng sản xuất ổ cứng ngày cải tiến độ dày Điểm khác biệt dễ phân biệt kiểu kết nối điện mà chúng yêu cầu để giao tiếp với bo mạch chủ, đầu kết nối ổ cứng SATA nhỏ hơn, nguồn đóng chốt, jumper 8-pin khơng có phần thiết lập Master/Slave/Cable Select, kết nối Serial ATA riêng biệt Cáp SATA gắn kết ổ cứng SATA * Hai chuẩn kết nối cho ổ cứng gắn USB, FireWire Ưu điểm loại kết nối so với IDE SATA chúng cắm “nóng” sử dụng khơng cần phải khởi động lại hệ thống http://www.ebook.edu.vn Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn Tai lieu Luan van Luan an Do an Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn