Giáo trình kiến trúc máy tính (nghề kỹ thuật sửa chữa và lắp ráp máy tính trung cấp)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH NGHỀ: KỸ THUẬT SỬA CHỮA & LẮP RÁP MÁY TÍNH TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: ./ /TT-BLĐTBXH ngày tháng năm Bộ Lao động Thương binh Xã hội (Lưu hành nội bộ) Quảng Ngãi, tháng năm 20 (Lưu hành nội bộ) TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Kiến trúc máy tính mảng kiến thức thiếu sinh viên chuyên ngành điện tử viễn thông công nghệ thông tin Đây tảng để nghiên cứu chuyên sâu chuyên ngành Chúng ta biết khơng có kiến thức sở vững vàng khơng có phát triển ứng dụng tài liệu giúp cho sinh viên trang bị cho kiến thức nhất, thiết thực Cuốn sách khơng hữu ích sinh viên ngành viễn thơng cơng nghệ thơng tin, mà cịn cần thiết cho cán kỹ thuật theo học lớp bổ túc hoàn thiện kiến thức Mơn học Kiến trúc máy tính mơn học chuyên môn học viên ngành sửa chữa máy tính quản trị mạng Mơn học nhằm trang bị cho học viên trường công nhân kỹ thuật trung tâm dạy nghề kiến thức Kiến trúc máy tính Với kiến thức học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Môn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên nghành khác quan tâm đến lĩnh vực Mặc dù có cố gắng để hồn thành giáo trình theo kế hoạch, hạn chế thời gian kinh nghiệm soạn thảo giáo trình, nên tài liệu chắn cịn khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy Khoa bạn sinh viên sử dụng tài liệu Quảng Ngãi, ngày tháng năm 20 Tham gia biên soạn Nguyễn Ngọc Quỳnh Chủ biên ………… ……… … MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 12 Các hệ máy tính 13 1.1 Thế hệ (1946-1957) 13 1.2 Thế hệ thứ hai (1958-1964) 14 1.3 Thế hệ thứ ba (1965-1971) 14 1.4 1.5 Thế hệ thứ tư (1972) 14 Khuynh hướng 14 Phân loại máy tính 15 2.1 Các siêu máy tính (Super Computer): 15 2.2 Các máy tính lớn (Mainframe): 15 2.3 2.4 Máy tính mini (Minicomputer): 15 Máy vi tính (Microcomputer) 15 Thành máy tính, qui luật Moore phát triển máy tính 15 Thơng tin mã hóa thơng tin 18 4.1 Khái niệm thông tin 18 4.2 Lượng thông tin mã hố thơng tin 18 4.3 Biểu diễn số: 19 4.4 Số nguyên có dấu 21 4.5 Cách biểu diễn số thập phân 23 4.6 Biểu diễn ký tự 24 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ 27 Thành phần máy tính 28 1.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU) 28 1.2 Bo mạch chủ (Mainboard) 29 1.3 Bộ nhớ 31 Thiết bị lưu trữ 31 Thiết bị nhập xuất 32 Định nghĩa kiến trúc máy tính 32 Tập lệnh 33 3.1 Tập ghi (của vi xử lý 8086) 33 Kiến trúc RISC 36 1.4 1.5 Giới thiệu 36 Các kiểu định vị xử lý 38 Toán hạng 39 CHƯƠNG 3: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ 42 Đường liệu 43 Bộ điều khiển 44 4.1 4.2 2.1 Bộ điều khiển mạch điện tử 44 2.2 Bộ điều khiển vi chương trình: 45 Diễn tiến thi hành lệnh mã máy 47 Ngắt (INTERRUPT) 47 Kỹ thuật ống dẫn (PIPELINE) 49 Ống dẫn 49 Khó khăn kỹ thuật ống dẫn 49 Siêu ống dẫn 50 CHƯƠNG 4: BỘ NHỚ 54 Các loại nhớ 55 1.1 Bộ nhớ 55 Các cấp nhớ 59 Truy cập liệu nhớ 61 5.1 5.2 Truy nhập nhớ thiết bị vào/ 63 Truy nhập nhớ 63 Bộ nhớ CACHE 64 CHƯƠNG 5:THIẾT BỊ NHẬP XUẤT 71 Đĩa từ 72 Đĩa quang 75 Các loại thẻ nhớ 76 Băng từ 77 Các chuẩn BUS 77 An toàn liệu lưu trữ 78 3.1 3.2 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Kiến trúc máy tính Mã mơn học: MH 15 Vị trí, ý nghĩa, vai trị mơn học: - Vị trí: +Mơn học bố trí sau sinh viên học xong môn học chung, môn học sở chuyên ngành đào tạo chuyên môn nghề - Tính chất: +Là mơn học chun ngành - Ý nghĩa vai trị mơn học +Là mơn học khơng thể thiếu nghề Sửa chữa lắp ráp máy tính Mơn Kiến trúc máy tính cung cấp cho học sinh, sinh viên cấu tạo, nguyên lý hoạt động toàn linh kiện máy tính phục vụ cho học tập công việc học sinh, sinh viên nghề Mục tiêu môn học: - Về kiến thức : A1 Biết lịch sử máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính A2 Hiểu thành phần kiến trúc máy tính, tập lệnh Các kiểu kiến trúc máy tính: mơ tả kiến trúc, kiểu định vị A3 Hiểu cấu trúc xử lý trung tâm: tổ chức, chức nguyên lý hoạt động phận bên xử lý Mô tả diễn tiến thi hành lệnh mã máy số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng A4 Hiểu chức nguyên lý hoạt động cấp nhớ A5 Hiểu phương pháp an toàn liệu thiết bị lưu trữ ngồi - Về kỹ năng: B1 Lập trình tập lệnh Assembly B2 Hiểu cấu trúc xử lý trung tâm: tổ chức, chức nguyên lý hoạt động phận bên xử lý Mô tả diễn tiến thi hành lệnh mã máy số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng B3 Hiểu chức nguyên lý hoạt động cấp nhớ - Về lực tự chủ trách nhiệm: C1 Tự tin tiếp cận công nghệ phần cứng Chương trình khung nghề Kỹ thuật sửa chữa & lắp ráp máy tính Mã MH/ MĐ I MH01 MH02 MH03 MH04 MH05 MH 06 II MH 07 MĐ 08 MĐ 09 MH 10 MH 11 MH 12 MH 13 MH 14 MH 15 MH 16 MĐ 17 MĐ 18 MĐ 19 MĐ 20 MĐ 21 MĐ 22 MĐ 23 MH 24 MĐ 25 MĐ 26 MĐ 27 MĐ 28 Tên môn học, mô đun Các môn nhọc chung/ đại cương Chính trị Pháp luật Giáo dục thể chất Giáo dục quốc phòng an ninh Tin học Ngoại ngữ Các môn học, mô đun chuyên môn nghành, nghề Anh văn chuyên ngành Tin học đại cương Tin học văn phịng Internet An tồn vệ sinh CN Kỹ thuật đo lường Kỹ thuật điện tử Ngơn ngữ lập trình C Kiến trúc máy tính Mạng máy tính Kỹ thuật xung số Thiết kế mạch in Lắp ráp cài đặt máy tính Sửa chữa máy tính Sửa chữa nguồn Kỹ thuật sửa chữa hình SC máy in thiết bị ngoại vi Thực tập tốt nghiệp Cơ sở liệu Hệ quản trị CSDL Quản trị mạng Chuyên đề tự chọn Tởng cợng Số tín 12 1 2 77 5 2 2 4 2 6 4 89 Thời gian học tập (giờ) Thực Tổng số Lý hành/thực thuyết tập/ thí nghiệm/ tập 255 94 148 30 15 13 15 30 24 45 21 21 45 15 29 90 30 56 1.645 594 967 60 75 120 45 30 30 30 60 90 90 30 30 105 135 60 125 60 215 60 60 45 90 1.900 30 40 40 15 20 23 18 20 45 45 20 10 30 45 24 45 16 40 26 15 30 691 25 30 73 28 10 36 40 39 18 70 85 30 74 41 215 15 30 28 56 1.112 Kiểm tra 13 2 84 5 2 2 2 5 6 4 97 Chương trình chi tiết mơ đun Số TT Tên mô đun Chương 1: Tổng quan Chương 2: Kiến trúc phần mềm xử lý Chương 3: Tổ chức xử lý Chương 4: Bộ nhớ Chương 5: Thiết bị nhập xuất Cộng: Tổng số Thời gian (giờ) Lý Thực thuyết hành Kiểm tra 10 20 10 20 10 20 10 20 10 90 45 40 Điều kiện thực mơn học: 3.1 Phịng học Lý thuyết/Thực hành: Đáp ứng phịng học chuẩn chun mơn 3.2 Trang thiết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, phấn, tranh vẽ, máy chiếu 3.3 Học liệu, dụng cụ, mơ hình, phương tiện: * Học liệu: + Các hình vẽ ví dụ minh hoạ + Tài liệu hướng dẫn môn học Kiến trúc máy tính + Tài liệu hướng dẫn học tập thực hành môn Kiến trúc máy tính + Giáo trình Mơn Kiến trúc máy tính, * Dụng cụ: + Băng từ, đĩa CDROM, DVD + Các loại giấy A4, A3, A1 + Các hình vẽ + Phấn, bảng đen * Vật liệu: + Bộ tranh giấy phim dùng để dạy Kiến trúc máy tính 3.4 Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế mơ hình máy tính Nội dung phương pháp đánh giá: 4.1 Nội dung: - Kiến thức: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kiến thức - Kỹ năng: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kỹ - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Trong trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu trước đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học + Nghiêm túc trình học tập 4.2 Phương pháp: Người học đánh giá tích lũy mơn học sau: 4.2.1 Cách đánh giá - Áp dụng quy chế đào tạo Trung cấp hệ quy ban hành kèm theo Thơng tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH, ngày 13/3/2017 Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh Xã hội - Hướng dẫn thực quy chế đào tạo áp dụng Trường Cao đẳng Cơ giới sau: Điểm đánh giá + Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) + Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) + Điểm thi kết thúc môn học Trọng số 40% 60% 4.2.2 Phương pháp đánh giá Phương pháp đánh giá Thường xuyên Định kỳ Kết thúc môn học Phương pháp tổ chức Viết/ Thuyết trình Hình thức Chuẩn đầu đánh giá kiểm tra Tự luận/ A1, A2, A3, C1 Trắc nghiệm/ Báo cáo Viết Tự luận/ A1, A2, B1, B2, C1 thực hành Trắc nghiệm/ thực hành Vấn đáp thực Vấn đáp thực A1, A2, A3, A4, hành hành máy A5, B1, B2, B3, C1 tính Số cột Thời điểm kiểm tra Sau Sau 10 Sau 90 4.2.3 Cách tính điểm - Điểm đánh giá thành phần điểm thi kết thúc môn học chấm theo thang điểm 10 (từ đến 10), làm tròn đến chữ số thập phân - Điểm môn học tổng điểm tất điểm đánh giá thành phần môn học nhân với trọng số tương ứng Điểm môn học theo thang điểm 10 làm tròn đến chữ số thập phân Hướng dẫn thực môn học 5.1 Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng Trung cấp Kỹ thuật sửa chữa & lắp ráp máy tính 5.2 Phương pháp giảng dạy, học tập môn học 5.2.1 Đối với người dạy * Lý thuyết: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gồm: Trình chiếu, thuyết trình ngắn, nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, tập cụ thể, câu hỏi thảo luận nhóm… * Thực hành: - Phân chia nhóm nhỏ thực tập thực hành theo nội dung đề - Khi giải tập, làm Thực hành, thí nghiệm, tập: Giáo viên hướng dẫn, thao tác mẫu sửa sai chỗ cho nguời học - Sử dụng mô hình, học cụ mơ để minh họa tập ứng dụng hệ truyền động dùng điện tử công suất, loại thiết bị điều khiển * Thảo luận: Phân chia nhóm nhỏ thảo luận theo nội dung đề * Hướng dẫn tự học theo nhóm: Nhóm trưởng phân cơng thành viên nhóm tìm hiểu, nghiên cứu theo yêu cầu nội dung học, nhóm thảo luận, trình bày nội dung, ghi chép viết báo cáo nhóm 5.2.2 Đối với người học: Người học phải thực nhiệm vụ sau: - Nghiên cứu kỹ học nhà trước đến lớp Các tài liệu tham khảo cung cấp nguồn trước người học vào học môn học (trang web, thư viện, tài liệu ) - Sinh viên trao đổi với nhau, thực thực hành báo cáo kết - Tham dự tối thiểu 70% giảng tích hợp Nếu người học vắng >30% số tích hợp phải học lại mơ đun tham dự kì thi lần sau - Tự học thảo luận nhóm: Là phương pháp học tập kết hợp làm việc theo nhóm làm việc cá nhân Một nhóm gồm 2-3 người học cung cấp chủ đề thảo luận trước học lý thuyết, thực hành Mỗi người học chịu trách nhiệm số nội dung chủ đề mà nhóm phân cơng để phát triển hoàn thiện tốt toàn chủ đề thảo luận nhóm - Tham dự đủ kiểm tra thường xuyên, định kỳ - Tham dự thi kết thúc môn học - Chủ động tổ chức thực tự học 10 Câu hỏi ôn tập tập Nêu loại bán dẫn đặc điểm chúng? Mục tiêu cấp nhớ? Nêu hai nguyên tắc mà cache dựa vào để vận hành - Các nguyên nhân gây thất bại cache? - Các giải pháp đảm bảo tính đồng liệu hệ thống đa xử lý có nhớ chia sẻ dùng chung? - Các cách nới rộng dãy thông nhớ trong? - Tại phải dùng nhớ ảo? - Sự khác biệt cache nhớ ảo? 70 CHƯƠNG 5:THIẾT BỊ NHẬP XUẤT Mã chương: MH15 – 05 Giới thiệu: Giới thiệu số thiết bị lưu trữ như: đĩa từ, đĩa quang, thẻ nhớ, băng từ Giới thiệu hệ thống kết nối phận bên máy tính Cách giao tiếp ngoại xử lý Phương pháp an toàn liệu thiết bị lưu trữ Mục tiêu: Nắm cấu tạo cách vận hành loại thiết bị lưu trữ Trình bày phương pháp để đảm bảo an tồn liệu lưu trữ Trình bày kiến thức hệ thống kết nối bản, phận bên máy tính, cách giao tiếp thiết bị ngoại vi xử lý Tính cách suy luận chặt chẽ, có sở khoa học Phương pháp giảng dạy học tập chương - Đối với người dạy: Sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học nhớ giá trị đại lượng, đơn vị đại lượng - Đối với người học: Chủ động đọc trước giáo trình trước buổi học Điều kiện thực học - Phòng học chuyên mơn hóa/nhà xưởng: Phịng học chun mơn - Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu, máy tính thiết bị dạy học khác - Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, tài liệu liên quan - Các điều kiện khác: Khơng có Kiểm tra đánh giá học - Nội dung:  Kiến thức: Kiểm tra đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kiến thức  Kỹ năng: Đánh giá tất nội dung nêu mục tiêu kĩ  Năng lực tự chủ trách nhiệm: Trong trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu trước đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học + Nghiêm túc trình học tập - Phương pháp:  Điểm kiểm tra thường xuyên: điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)  Kiểm tra định kỳ lý thuyết: khơng có Kiểm tra định hành: điểm kiểm tra (hình thức: thực hành) 71 Nội dung chính: Đĩa từ Dù công nghệ không ngừng phát minh nhiều loại phận lưu trữ lượng thông tin lớn đĩa từ giữ vị trí quan trọng từ năm 1965 Đĩa từ có hai nhiệm vụ máy tính - Lưu trữ dài hạn tập tin - Thiết lập cấp nhớ bên nhớ để làm nhớ ảo lúc chạy chương trình Do đĩa mềm dần thiết bị lưu trữ khác có tính ưu việt nên không xét đến thiết bị chương trình mà nói đến đĩa cứng Trong tài liệu mô tả cách khái quát cấu tạo, cách vận hành đề cập đến tính chất quan trọng đĩa cứng Một đĩa cứng chứa nhiều lớp đĩa (từ đến 4) quay quanh trục khoảng 3.60015.000 vòng phút Các lớp đĩa làm kim loại với hai mặt phủ chất từ tính (hình V.1) Đường kính đĩa thay đổi từ 1,3 inch đến inch Mỗi mặt lớp đĩa chia thành nhiều đường tròn đồng trục gọi rãnh Thông thường mặt lớp đĩa có từ 10.000 đến gần 30.000 rãnh Mỗi rãnh chia thành nhiều cung (sector) dùng chứa thông tin Một rãnh chứa từ 64 đến 800 cung Cung đơn vị nhỏ mà máy tính đọc viết (thơng thường khoảng 512 bytes) Chuỗi thơng tin ghi cung gồm có: số thứ tự cung, khoảng trống, số liệu cung bao gồm mã sửa lỗi, khoảng trống, số thứ tự cung Với kỹ thuật ghi mật độ không đều, tất rãnh có số cung, điều làm cho cung dài rãnh xa trục quay có mật độ ghi thơng tin thấp mật độ ghi cung nằm gần trục quay Hình 5-1 Cấu tạo đĩa cứng Hình 5-2.Hình ảnh bên ngồi ổ cứng 72 73 Với cơng nghệ ghi với mật độ đều, người ta cho ghi nhiều thông tin rãnh xa trục quay Công nghệ ghi ngày dùng nhiều với đời chuẩn giao diện thông minh chuẩn SCSI Hình 5-3 Mật độ ghi liệu loại đĩa cứng Để đọc ghi thông tin vào cung, ta dùng đầu đọc ghi di động áp vào mặt lớp đĩa Các đầu đọc/ghi gắn chặt vào làm cho chúng di chuyển đường bán kính lớp đĩa tất đầu rãnh có bán kính lớp đĩa Từ “trụ“ (cylinder) dùng để gọi tất rãnh lớp đĩa có bán kính nằm hình trụ Người ta muốn đọc nhanh đĩa từ nên thông thường ổ đĩa đọc nhiều số liệu cần đọc; người ta nói cách đọc trước Để quản lý phức tạp kết nối (hoặc ngưng kết nối) lúc đọc (hoặc ghi) thông tin, việc đọc trước, ổ đĩa cần có điều khiển đĩa Công nghiệp chế tạo đĩa từ tập trung vào việc nâng cao dung lượng đĩa mà đơn vị đo lường mật độ đơn vị bề mặt Bảng 5-1 Thông số kỹ thuật đĩa cứng Bảng thông số kỹ thuật đĩa cứng Dung lượng tối đa Số lượng cần đọc Số ghi (đĩa) Cache (bộ đệm) Số cung (Sectors -512 byte/sector) Tốc độ quay đĩa (RPM) Mật độ Mật độ rãnh (TPI-Max Track/Inch) Mật độ ghi BPI (Max Bits/Inch) Tốc độ liệu tối đa (internal) Tốc độ truyền liệu với ngoại vi Thời gian chuyển track R/W Thời gian quay nửa vịng Có thể đạt 500 GB 1-8 1-4 2-16 MB Xxx,xxx,xxx 3600-15000 Có thể đạt 95 Gb/in Có thể đạt 120.000 Có thể đạt 702.000 Có thể đạt 900 Mb/s Có thể đạt 320 Mb/s Có thể đạt 15 ms Có thể đạt ms 74 Đĩa quang Các thiết bị lưu trữ quang thích hợp cho việc phát hành sản phẩm văn hoá, lưu liệu hệ thống máy tính Ra đời vào năm 1978, sản phẩm hợp tác nghiên cứu hai công ty Sony Philips công nghiệp giải trí Từ năm 1980 đến nay, cơng nghiệp đĩa quang phát triển mạnh hai lĩnh vực giải trí lưu trữ liệu máy tính Quá trình đọc thơng tin dựa phản chiếu tia laser lượng thấp từ lớp lưu trữ liệu Bộ phận tiếp nhận ánh sáng nhận biết điểm mà tia laser bị phản xạ mạnh hay biến vết khắc (pit) bề mặt đĩa Các tia phản xạ mạnh điểm khơng có lỗ khắc điểm gọi điểm (land) Bộ nhận ánh sáng ổ đĩa thu nhận tia phản xạ khuếch tán khúc xạ từ bề mặt đĩa Khi nguồn sáng thu nhận, vi xử lý dịch mẫu sáng thành bit liệu hay âm Các lỗ CD sâu 0,12 micron rộng 0,6 micron (1 micron phần ngàn mm) Các lỗ khắc theo track hình xoắn ốc với khoảng cách 1,6 micron vòng, khoảng 16.000 track/inch Các lỗ (pit) (land) kéo dài khoản 0,9 đến 3,3 micron Track phía kết thúc phía ngồi theo đường khép kín rìa đĩa 5mm Dữ liệu lưu CD thành khối, khối chứa 2.352 byte Trong đó, 304 byte chứa thơng tin bit đồng bộ, bit nhận dạng (ID), mã sửa lỗi (ECC), mã phát lỗi (EDC) Còn lại 2.048 byte chứa liệu Tốc độ đọc chuẩn CD-ROM 75 khối/s hay 153.600 byte/s hay 150KB/s (1X) Dưới số loại đĩa quang thông dụng CD (Compact Disk): Đĩa quang khơng thể xố được, dùng cơng nghiệp giải trí (các đĩa âm số hố) Chuẩn đĩa có đường kính 12 cm, âm phát từ đĩa khoảng 60 phút (không dừng) CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory): Đĩa khơng xố dùng để chứa liệu máy tính Chuẩn đĩa có đường kính 12 cm, lưu trữ liệu 650 MB Khi phát hành, đĩa CD-ROM có chứa nội dung Thông thường, dĩa CD-ROM dùng để chứa phần mềm chương trình điều khiển thiết bị CD-R (CD-Recordable): Giống đĩa CD, đĩa chưa có thơng tin, người dùng ghi liệu lên đĩa lần đọc nhiều lần Dữ liệu đĩa CD-R khơng thể bị xố CD-RW (CD-Rewritable): Giống đĩa CD, đĩa chưa có thơng tin, người dùng ghi liệu lên đĩa, xố ghi lại liệu đĩa nhiều lần DVD (Digital Video Disk - Digital Versatile Disk): Ra đời phục vụ cho cơng nghiệp giải trí, đĩa chứa hình ảnh video số hoá Ngày nay, DVD sử dụng rộng rãi ứng dụng cơng nghệ thơng tin Kích thước đĩa có hai loại: 8cm 12 cm Đĩa DVD chứa liệu hai mặt đĩa, dung lượng tối đa lên đến 17GB Các thông số kỹ thuật đĩa DVD-ROM (loại đĩa đọc) so với CD-ROM Tốc độ đọc chuẩn (1X) DVD 1.3MB/s (1X DVD tương đương khoảng 9X CDROM) DVD-R (DVD-Recordable): Giống đĩa DVD-ROM, người dùng ghi liệu lên đĩa lần đọc nhiều lần Đĩa ghi mặt đĩa, dung lượng ghi mặt tối đa 4.7 GB DVD-RW (DVD-Rewritable): Giống đĩa DVD-ROM, người dùng ghi, xố ghi lại liệu lên đĩa nhiều lần Đĩa ghi mặt đĩa, dung lượng ghi mặt tối đa 4.7 GB 75 Bảng 5-2 So sánh số thông số hai loại đĩa CDROM DVDROM Với đặc tính đĩa quang, giá thành ngày thấp, xem phương tiện thích hợp để phân phối phần mềm cho máy vi tính Ngồi ra, đĩa quang cịn dùng để lưu trữ lâu dài liệu thay cho băng từ Các loại thẻ nhớ Hiện nay, thẻ nhớ công nghệ dùng làm thiết bị lưu trữ Thẻ nhớ flash dạng nhớ bán dẫn EEPROM(công nghệ dùng để chế tạo chip BIOS vỉ mạch chính), cấu tạo hàng cột Mỗi vị trí giao nhớ gồm có hai transistor, hai transistor cách lớp ơ-xít mỏng Một transistor gọi floating gate transistor lại gọi control gate Floating gate nối kết với hàng (word line) thông qua control gate Khi đường kết nối thiết lập, bit có giá trị Để chuyển sang giá trị theo qui trình có tên Fowler-Nordheim tunneling Tốc độ, yêu cầu dòng điện cung cấp thấp đặc biệt với kích thước nhỏ gọn loại thẻ nhớ làm cho kiểu nhớ dùng rộng rãi công nghệ lưu trữ giải trí Hình 5-4.Hình ảnh số USB 76 Hình 5-5.Minh hoạ hai trạng thái bit nhớ thẻ nhớ Băng từ a Băng từ có cơng nghệ với đĩa từ khác đĩa từ hai điểm: b Việc thâm nhập vào đĩa từ ngẫu nhiên việc thâm nhập vào băng từ Như việc tìm thơng tin băng từ nhiều thời gian việc tìm thơng tin đĩa từ c Đĩa từ có dung lượng hạn chế cịn băng từ gồm có nhiều cuộn băng lấy khỏi máy đọc băng nên dung lượng băng từ lớn (hàng trăm GB) Với chi phí thấp, băng từ cịn dùng rộng rãi việc lưu trữ liệu dự phịng Các băng từ có chiều rộng thay đổi từ 0,38cm đến 1,27 cm đóng thành cuộn chứa hộp bảo vệ Dữ liệu ghi băng từ có cấu trúc gồm số rãnh song song theo chiều dọc băng Có hai cách ghi liệu lên băng từ: Ghi nối tiếp: với kỹ thuật ghi xoắn ốc, liệu ghi nối tiếp rãnh băng từ, kết thúc rãnh, băng từ quay ngược lại, đầu từ ghi liệu rãnh với hướng ngược lại Quá trình ghi tiếp diễn đầy băng từ Ghi song song: để tăng tốc độ đọc-ghi liệu băng từ, đầu đọc - ghi đọcghi số rãnh kề đồng thời Dữ liệu ghi theo chiều dọc băng từ khối liệu xem ghi rãnh kề Số rãnh ghi đồng thời băng từ thông thường rãnh (8 rãnh liệu - 1byte rãnh kiểm tra lỗi) Các chuẩn BUS Số lượng chủng loại phận vào/ra không cần định trước hệ thống xử lý thông tin Điều giúp cho người sử dụng máy tính dùng phận vào/ra đáp ứng yêu cầu họ Vào/ra giao diện phận (thiết bị) kết nối vào hệ thống Nó xem bus nới rộng dùng để kết nối thêm ngoại vi vào máy tính Các chuẩn làm cho việc nối kết ngoại vi vào máy tính dễ dàng; vì, nhà thiết kế-sản xuất máy tính nhà thiết kế-sản xuất ngoại vi thuộc cơng ty khác Sự tồn chuẩn bus cần thiết Như vậy, nhà thiết kế máy tính nhà thiết kế ngoại vi tôn trọng chuẩn bus ngoại vi kết nối dễ dàng vào máy tính Chuẩn bus vào/ra tài liệu quy định cách kết nối ngoại vi vào máy tính 77 Các máy tính q thơng dụng chuẩn bus vào/ra chúng xem chuẩn cho hãng khác (ví dụ: trước đây, UNIBUS máy PDP 11, chuẩn bus máy IBM PC, AT chuẩn hãng Intel liên quan đến máy vi tính) Các chuẩn bus phải quan chuẩn ISO, ANSI IEEE công nhận Một máy vi tính có nhiều loại BUS sau: BUS xử lý, gọi khác Back side (BSB): đường truyền vi xử lý mạch đệm trung gian, thường đường truyền xử lý nhớ cache ngoại L2 hoặc3 BUS hoạt động với tốc độ nhanh so với loại BUS khác không bị tắt nghẽn Nó bao gồm BUS thành phần liệu, địa điều khiển Thí dụ hệ thống pentium, Bus xử lý có 64 đường liệu, 32 đường địa đường điều khiển BUS hệ thống, gọi front side bus (FSB): sử dụng để truyền thông tin vi xử lý nhớ RAM tới ổ đĩa,vv… bus thành phần bus xử lý nhiều trường hợp phân cách với bus xử lý mạch đệm chip chuyên dụng Với hệ thống chạy tốc độ đồng hồ mạch cao có chip điều khiển nhớ cho phép điều khiển ghép nối bus xử lý có tốc độ nhanh nhớ có tốc độ truy xuất chậm Do thơng tin truyền bus hệ thống truyền với tốc độ chậm so với thông tin bus xử lý BUS vào/ra gọi bus mở rộng: cho phép sử lý thông tin với thiết bị ngoại vi Nó cho phép bổ sung vào hệ thống máy tính thiết bị để rơng tính máy vi tính Các khe cắm mở rộng nối vào bus mở rộng Các mạch ghép nối cắm vào khe cắm Do nói chuẩn cho loại bus mở rộng có nghĩa nói khe cắm mở rộng card dùng Trong máy vi tính nay, nhiều ngoại vi tích hợpngay mạch Thí dụ chúng có điều khiển chuẩn ghép nối ổ đĩa IDE (cũ) chuẩn sata (sơ thứ cấp) Cable theo chuẩn SATA Power cable Cable IDE Hình 5-6 Cable liệu Cable điện 78 An toàn liệu lưu trữ Người ta thường trọng đến an tồn lưu giữ thơng tin đĩa từ an tồn thơng tin xử lý Bộ xử lý hư mà khơng làm tổn hại đến thông tin đĩa máy tính bị hư gây thiệt hại to lớn Một phương pháp giúp tăng cường độ an tồn thơng tin đĩa từ dùng mảng đĩa từ Mảng đĩa từ gọi Hệ thống đĩa dự phòng (RAID - Redundant Array of Independent Disks) Cách lưu trữ dư thông tin làm tăng giá tiền an toàn (ngoại trừ RAID 0) Cơ chế RAID có đặc tính sau: RAID tập hợp ổ đĩa cứng (vật lý) thiết lập theo kỹ thuật mà hệ điều hành “nhìn thấy” ổ đĩa (logic) Với chế đọc/ghi thông tin diễn nhiều đĩa (ghi đan chéo hay soi gương) Trong mảng đĩa có lưu thơng tin kiểm tra lỗi liệu; đó, liệu phục hồi có đĩa mảng đĩa bị hư hỏng Tuỳ theo kỹ thuật thiết lập, RAID có mức sau: RAID 0: Thực ra, kỹ thuật không nằm số kỹ thuật có chế an tồn liệu Khi mảng thiết lập theo RAID 0, ổ đĩa logic có (mà hệ điều hành nhận biết) có dung dượng tổng dung lượng ổ đĩa thành viên Điều giúp cho người dùng có ổ đĩa logic có dung lượng lớn nhiều so với dung lượng thật ổ đĩa vật lý thời điểm Dữ liệu ghi phân tán tất đĩa mảng Đây khác biệt so với việc ghi liệu đĩa riêng lẻ bình thường thời gian đọc-ghi liệu đĩa tỉ lệ nghịch với số đĩa có tập hợp (số đĩa tập hợp nhiều, thời gian đọc – ghi liệu nhanh) Tính chất RAID thật hữu ích ứng dụng yêu cầu nhiều thâm nhập đĩa với dung lượng lớn, tốc độ cao (đa phương tiện, đồ hoạ,…) Tuy nhiên, nói trên, kỹ thuật khơng có chế an tồn liệu, nên có hư hỏng đĩa thành viên mảng dẫn đến việc liệu toàn mảng đĩa Xác suất hư hỏng đĩa tỉ lệ thuận với số lượng đĩa thiết lập RAID RIAD thiết lập phần cứng (RAID controller) hay phần mềm (Stripped Applications) Hình 5-7 RAID RAID (Mirror - Đĩa gương): Phương cách thông thường tránh thông tin ổ đĩa bị hư dùng đĩa gương, tức dùng đĩa Khi thông tin viết vào đĩa, viết vào đĩa gương ln có thông tin Trong chế này, hai đĩa bị hư đĩa cịn lại dùng bình thường Việc thay đĩa (cung thông số kỹ thuật với đĩa hư hỏng) phục hồi liệu đĩa đơn giản Căn vào liệu đĩa lại, sau khoảng thời gian, liệu tái tạo đĩa (rebuild) RAID thiết lập phần cứng (RAID controller) hay phần mềm (Mirror Applications) với chi phí lớn, hiệu suất sử dụng đĩa khơng cao (50%) 79 Hình 5-8 RAID RAID 2: Dùng kỹ thuật truy cập đĩa song song, tất đĩa thành viên RAID đọc có yêu cầu từ ngoại vi Một mã sửa lỗi (ECC) tính tốn dựa vào liệu ghi đĩa lưu liệu, bit mã hoá lưu đĩa dùng làm đĩa kiểm tra Khi có yêu cầu liệu, tất đĩa truy cập đồng thời Khi phát có lỗi, điều khiển nhận dạng sửa lỗi mà không làm giảm thời gian truy cập đĩa Với thao tác ghi liệu lên đĩa, tất đĩa liệu đĩa sửa lỗi truy cập để tiến hành thao tác ghi Thông thường, RAID dùng mã Hamming để thiết lập chế mã hố, theo đó, để mã hố liệu ghi, người ta dùng bit sửa lỗi hai bit phát lỗi RAID thích hợp cho hệ thống yêu cầu giảm thiểu khả xảy nhiều đĩa hư hỏng lúc Hình 5-9 RAID RAID 3: Dùng kỹ thuật ghi song song, kỹ thuật này, mảng thiết lập với yêu cầu tối thiểu đĩa có thơng số kỹ thuật giống nhau, đĩa mảng dùng để lưu thông tin kiểm tra lỗi (parity bit) Như vậy, thiết lập RAID 3, hệ điều hành nhận biết đĩa logic có dung lượng n-1/n (n: số đĩa mảng) Dữ liệu chia nhỏ ghi đồng thời n-1 đĩa bit kiểm tra chẵn lẻ ghi đĩa dùng làm đĩa chứa bit parity – chẵn lẻ đan chéo mức độ bít Bít chẵn lẻ bít mà người ta thêm vào tập hợp bít làm cho số bít có trị số (hoặc 0) chẵn (hay lẻ) Thay có hồn chỉnh thông tin gốc đĩa, người ta cần có đủ thơng tin để phục hồi thơng tin trường hợp có hỏng ổ đĩa Khi đĩa mảng bị hư, hệ thống hoạt động bình thường Khi thay đĩa vào mảng, vào liệu đĩa cịn lại, hệ thống tái tạo thơng tin Hiệu suất sử dụng đĩa cho cách thiết lập n-1/n RAID thiết lập phần cứng (RAID controller) Hình 5-10.RAID 80 RAID 4: từ RAID đến RAID dùng kỹ thuật truy cập đĩa mảng độc lập Trong mảng truy cập độc lập, đĩa thành viên truy xuất độc lập, mảng đáp ứng yêu cầu song song ngoại vi Kỹ thuật thích hợp với ứng dụng yêu cầu nhiều ngoại vi ứng dụng yêu cầu tốc độ truyền liệu cao Trong RAID 4, đĩa dùng để chứa bit kiểm tra tính toán từ liệu lưu đĩa liệu Khuyết điểm lớn RAID bị nghẽn cổ chai đĩa kiểm tra có nhiều yêu cầu đồng thời từ ngoại vi Hình 5-11: RAID RAID 5: yêu cầu thiết lập giống RAID 4, liệu ghi khối đĩa thành viên, bit chẵn lẻ tính tốn mức độ khối ghi trải lên tất ổ đĩa mảng Tương tự RAID 4, đĩa mảng bị hư hỏng, hệ thống hoạt động bình thường Khi thay đĩa vào mảng, vào liệu đĩa cịn lại, hệ thống tái tạo thơng tin Hiệu suất sử dụng đĩa cho cách thiết lập n-1/n RAID thiết lập phần cứng (RAID controller) Cơ chế khắc phục khuyết điểm nêu chế RAID Hình 5-12 RAID RAID 6: Trong kỹ thuật này, cần có n+2 đĩa mảng Trong đó, n đĩa liệu + đĩa riêng biệt để lưu khối kiểm tra Một hai đĩa kiểm tra dùng chế kiểm tra RAID 4&5, đĩa lại kiểm tra độc lập theo giải thuật kiểm tra Qua đó, phục hồi liệu có hai đĩa liệu mảng bị hư hỏng Hiện nay, RAID 0,1,5 dùng nhiều hệ thống Các giải pháp RAID (trừ RAID 6) đảm bảo an toàn liệu có đĩa mảng bị hư hỏng Ngoài ra, hư hỏng liệu phần mềm hay chủ quan người không đề cập chương trình Người dùng cần phải có kiến thức đầy đủ hệ thống để hệ thống thơng tin hoạt động hiệu an tồn 81 Hình 5-13 RAID 82 Câu hỏi ơn tập tập Mô tả vận hành ổ đĩa cứng Cách lưu trữ thông tin ổ đĩa cứng Mô tả biện pháp an tồn việc lưu trữ thơng tin đĩa cứng Nguyên tắc vận hành đĩa quang Ưu khuyết điểm loại đĩa quang Thơng thường có loại bus? Tại phải có chuẩn cho bus vào ra? Giải thích việc nới rộng dãi thơng cách sử dụng gói tin Hệ thống đĩa dự phòng (RAID - Redundant Array of Independent Disks) theo kỹ thuật thiết lập có mức nào? Trình bày mức đó? 83 84