BÀI GIẢNG cấu TRÚC máy TÍNH và GHÉP nối

CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan cấu trúc máy tính Cấu trúc máy tính mảng kiến thức nghiên cứu cách xử lý hệ thống máy tính cách nhìn lập trình viên Cách nhìn thực tế có nhiều khía cạnh, ví dụ máy tính có độ rộng liệu khác có cấu trúc phần cứng hoạt động khác nhau, máy tính có hỗ trợ phép toán (cộng, trừ, nhân, chia, hỗ trợ chương trình con, ) Trong cấu trúc máy tính xuất khái niệm “mức máy” Ý tưởng máy tính có nhiều mức khác nhau, từ mức độ cao (người sử dụng chạy chương trình, sử dụng máy tính ) mức thấp (máy tính tập hợp phần tử transistor dây nối ) Giữa mức máy cao đến thấp có mức máy trung gian Trước thảo luận mức máy tính, xem xét lịch sử phát triển máy tính để có quan điểm cách xây dựng máy tính 1.2 Lịch sử phát triển máy tính Các thiết bị khí sử dụng để điều khiển thiết bị phức hợp xuất từ năm 1500 Vào thời điểm đó, người ta sử dụng trục quay cố định để làm hộp nhạc Và hộp nhạc hoạt động đơn giản lặp lặp lại giai điệu định Blaisa Pascal (1623 - 1662) phát triển máy tính toán khí để giúp người cha công việc tính thuế Máy tính Pascal (Pascaline) bao gồm số kết nối trống xoay Một số tăng giá trị (xoay góc định) số thấp quay đủ vòng Một số máy tính Pascal khác ông xây dựng năm 1642 đến tận ngày Hình 1.1 Máy tính Pascal BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG Đến năm 1800, người phát triển thành phần khí máy tính Pascal thành máy mà nhận thấy thành phần máy tính số Người Charles Babbage Charles Babbage coi “ông nội” máy tính cha đẻ máy tính, ông chưa xây dựng máy tính mà ông thiết kế Babbage sống nước Anh, thời điểm đó, người ta thường sử dụng bàn tính để tính toán Để tránh việc tính toán có nhiều lỗi, Babbage tạo máy tính hoạt động cách quay bánh Máy ông chí có khả tạo đĩa liệu sử dụng máy in, tránh lỗi chữ thiết kế in Máy tính Babbage có chức đọc liệu, lưu trữ biểu diễn liệu Các chức gần giống với chức máy tính đại Sự thành công máy tính Babbage giúp ông giành hỗ trợ phủ việc thiết kế máy phân tích cỡ lớn, máy có ý nghĩa lớn việc lập trình sử dụng thẻ đục lỗ theo mô hình Jacquard Những máy phân tích Babbage thiết kế không xây dựng Babbage thời điểm đó, máy khí không đạt độ xác theo thiết kế Một phiên khác máy tính Babbage cuối làm Bảo tàng khoa học London năm 1991, tồn tận ngày Trải qua hàng kỷ Thế chiến thứ II, xuất động lực lớn cho việc phát triển máy tính Tại Anh, tàu ngầm Đức bị thiệt hại nặng nề vận chuyển Chiếc tầu ngầm nhận giải mã tín hiệu từ tầu khác Đức bị điều khiển sai Việc mã hóa tín hiệu Đức tạo cách sử dụng đoạn mã tạo máy Siemens AG tạo tên ENIGMA Quá trình tạo mã thông tin biết đến từ lâu, chí Tổng thống Hoa Kỳ Thomas Jefferson (1743 - 1826) thiết kế máy coi tiền thân ENIGMA, ông không chế tạo Quá trình giải mã diễn phức tạp nhiều Nó động lực để Alan Turning (1912 - 1954) số nhà khoa học nước Anh khác tạo máy phá mã Trong suốt Thế chiến II, Turning người giải mã hàng đầu Anh người biến khoa học mật mã từ chức dịch ngôn ngữ cổ đại thành khoa học tính toán BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG Colossus máy giải mã chế tạo Bletchley Park, Anh quốc, nơi Turning làm việc Những ống chân không sử dụng để lưu trữ nội dung giống giấy đưa vào máy, việc tính toán diễn sau thực ống chân ống khác lại tiếp tục đưa vào máy Việc lập trình diễn bảng cắm ống chân không Cùng thời với Turning, J.Presper Eckert John Mauchly chế tạo máy dùng để tính toán quỹ đạo đường đạn sử dụng cho quân đội Hoa kỳ Kết nỗ lực Eckert Mauchly máy điện tử số tích hợp máy tính (Electronic Numerical Intergrator And Computer - ENIAC) Máy ENIAC bao gồm 18.000 ống chân không tạo nên phần tính toán máy Việc lập trình nhập liệu thực cách thay đổi trạng thái công tắc đường cable Máy khả lưu trữ liệu hay chương trình hạn chế lớn máy chức máy EMIAC tính toán quỹ đạo đường đạn Thậm chí máy không hoạt động tận năm 1946, sau chiến tranh Thế giới II coi thành công sử dụng suốt năm Sau thành công máy ENIAC, Eckert Mauchly (làm việc Đại học Pennsylvania) John Von Neumann (1903 - 1957) mời cộng tác làm việc Viện nghiên cứu cao cấp Princeton Cùng với nhau, họ thiết kế máy tính có khả lưu trữ gọi EDVAC Mâu thuẫn nảy sinh, hai nhóm người Đại học Pennsylvania Princeton chia tách Tuy nhiên, mô hình máy tính mà họ thiết kế phát triển mạnh mẽ, hình thành nên máy tính EDSAC tạo Maurice Wilkes Đại học Cambridge năm 1947 1.3 Mô hình máy tính Von Neumann Máy tính kỹ thuật số thông thường chế tạo dựa mô hình cho Von Neumann Mô hình Von Neumann bao gồm thành phần hình 1.2 Khối nhập liệu đưa lệnh liệu vào hệ thống lưu trữ khối nhớ Lệnh liệu thực thị khối Số học logic (ALU) điều khiển khối điều khiển Kết đưa khối hiển thị liệu Khối ALU điều khiển thường gọi chung xử lý trung tâm (CPU) Hầu hết máy tính thông thường phân chia thành khối BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG Hình 1.2 Mô hình máy tính Von Neumann Chương trình lưu trữ nội dung quan trọng mô hình Von Neumann Chương trình lưu trữ nhớ với liệu chương trình xử lý Việc lưu trữ thực theo cấp độ khác với phát triển công nghệ Ví dụ trước kia, chương trình liệu lưu trữ dạng thẻ đục lỗ hay băng từ, Trong máy tính, chương trình hay lệnh chương trình thao tác thể liệu Điều dẫn đến việc xuất trình biên dịch hệ điều hành, làm cho máy tính trở nên linh hoạt 1.4 Mô hình hệ thống bus Mặc dù kiến trúc Von Neumann sử dụng rộng rãi máy tính đại, biến đổi Hình 1.3 thể mô hình hệ thống bus hệ thống máy tính Mô hình chia máy tính làm khối: CPU, nhớ cổng vào I/O Điều tinh tế mô hình kết hợp khối ALU khối điều khiển thành khối có chức CPU Khối nhập liệu hiển thị liệu kết hợp thành khối cổng ngoại vi BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG Hình 1.3 Mô hình hệ thống bus Điều quan trọng mô hình hệ thống bus kết nối khối gọi chung hệ thống bus, cấu thành từ bus liệu mang thông tin cách truyền thông, bus địa có chức nơi liệu chuyển tới bus điều khiển khía cạnh thông tin gửi phương thức Tất nhiên hệ thống có hệ thống bus công suất đường dây cung cấp lượng điện cho toàn hệ thống Hệ thống bus công suất thường không mô hình ngầm hiểu mô hình Một số kiến trúc có hệ thống bus I/O riêng biệt Về mặt vật lý, hệ thống bus thực chất đường dây nhóm lại với theo chức Hệ thống bus liệu 32 bit bao gồm 32 đường dây riêng biệt, dây truyền tải bit liệu (địa thông tin điều khiển) Trong cách hiểu này, bus hệ thống nhóm bus phân chia theo chức Bus liệu có chức chuyển liệu khối Một số hệ thống có hệ thống bus liệu riêng để chuyển liệu tương tác với khối CPU gọi hệ thống bus liệu và bus liệu Thông thường bus liệu và thực hệ thống dây dẫn thời điểm truyền liệu theo hướng Vì hệ thống bus sử dụng để kết nối khối, khối chức cần có đặc điểm nhận dạng riêng, địa Trong số máy tính, tất địa giả định địa ô nhớ, thực tế bao gồm BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG địa ô nhớ địa cổng ngoại vi I/O Mỗi cổng I/O có địa hoàn toàn riêng biệt Chủ đề bàn kỹ chương Địa ô nhớ, hay hiểu vị trí lưu trữ liệu tương tự phương thức đánh địa thư tín xác định nơi gửi nhận thư Trong suốt trình đọc/ghi liệu, bus địa chứa địa mà liệu đọc ghi Thuật ngữ đọc ghi hiểu với chủ thể CPU, tức CPU đọc liệu từ nhớ ghi liệu lên nhớ Nếu liệu đọc từ nhớ bus liệu chứa nội dung đọc địa ô nhớ bus địa Nếu liệu ghi vào nhớ bus liệu chứa liệu cần ghi vào ô nhớ tương ứng nhớ Bus điều khiển có phần phức tạp thảo luận chương Để dễ hiểu, ta coi bus điều khiển sử dụng phép truy cập vafp hệ thống bus liệu bus địa chỉ, phối hợp tương tác khối chức 1.5 Mức máy tính Trong hệ thống phức hợp, máy tính nhìn nhận thành mức máy khác nhau, từ mức cao nhất, mức “người sử dụng” đến mức thấp mức “transistor” Mỗi mức thể mức độ trừu tượng khác máy tính Có lẽ nguyên nhân thành công máy tính số phân chia mức trừu tượng cách rõ ràng, độc lập với Điều hiển nhiên nhận thấy người sử dụng máy tính để gõ văn không cần hiểu biết lập trình Đồng thời lập trình viên không cần quan tâm đến thành phần cấu tạo nên máy tính Một điều thú vị việc phân chia máy tính thành cấp máy khai thác để phát triển dòng máy tính có chức khác Mức cổng logic, transistor, dây dẫn Cấp thấp máy tính cấp cao cấp cổng logic, transistor dây dẫn Cấp tạo cổng logic thiết kế để thực chức định, thực thuật toán định Ở cấp độ này, máy tính bao gồm phần tử điện transistor, dây dẫn, Cũng cấp độ này, chức máy tính chưa thể rõ hoạt động thể BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG thông qua tín hiệu điện áp, dòng điện, tín hiệu trễ, tín hiệu lượng tử vấn đề cấp độ thấp Hình 1.4 Các cấp máy tính Cấp khối chức Trong cấp khối chức năng, ghi thực việc dịch chuyển liệu vào khỏi “các khối chức năng” kiểm soát khối điều khiển Các khối chức thể số chức quan trọng hoạt động máy tính Các khối chức bao gồm ghi bên CPU, khối ALU nhớ máy tính Cấp vi chương trình Đây cấp độ thể tác động khối điều đến việc dịch chuyển liệu từ ghi đến ghi đến khối chức khác Khối điều khiển nạp mã lệnh thực thi lệnh theo chương trình định sẵn nhà sản xuất chip vi xử lý gọi vi chương trình Thực ra, người lập trình không cần quan tâm đến hoạt động cấp độ vi chương trình cố định, có người thiết kế phần cứng tác động đến vi chương trình BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG Cấp hợp ngữ Từ cấp độ này, lập trình viên tự viết chương trình để bắt máy tính thực yêu cầu Tuy nhiên, máy tính hiểu mã máy bao gồm chuỗi số Việc lập trình kiểu dễ bị lỗi Do việc xuất ngôn ngữ gần với ngôn ngữ người điều tất yếu – ngôn ngữ hợp dịch Một trình biên dịch chuyển ngôn ngữ hợp dịch sang ngôn ngữ máy máy tính hiểu Tập hợp lệnh ngôn ngữ hợp dịch gọi tập lệnh Ngôn ngữ cấp cao Bất lập trình viên sử dụng ngôn ngữ C, Pascal, Fortran, hay Java tương tác với máy tính cấp độ ngôn ngữ cấp cao Tại cấp độ này, lập trình viên tương tác với liệu mã lệnh chương trình thông qua ngôn ngữ cấp cao, giống với ngôn ngữ hàng ngày mà không cần quan tâm tới việc liệu mã lệnh máy tính xử lý Thực tế, để máy tính hiểu lệnh viết ngôn ngữ cấp cao, máy tính phải thực trình chuyển đổi từ ngôn ngữ cấp cao thành ngôn ngữ máy thông qua hai trình biên dịch thông dịch Biên dịch (Compiler) trình chuyển đổi mã lệnh toàn chương trình từ ngôn ngữ cấp cao thành ngôn ngữ cấp thấp máy tính thực thi chương trình Thông dịch (Interpreter) trình chuyển đổi câu lệnh từ ngôn ngữ cấp cao thành ngôn ngữ cấp thấp, thực thi lệnh chuyển đổi tiếp câu lệnh Cấp chương trình ứng dụng Ở cấp độ này, người sử dụng tương tác với máy tính cách chạy chương trình soạn thảo văn bản, bảng tính hay game Người sử dụng sử dụng máy tính thông chương trình chạy 1.6 Hệ thống máy tính điển hình BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG Mẫu máy tính đại phát triển từ năm 1950 đến 1960 ngày có kích thước nhỏ gọn ngày mạnh mẽ Mặc dù có nhiều cải tiến thành phần mô hình Von Neumann thay đổi máy tính đại Hình 1.5 Các thành phần máy tính đại Hình 1.5 thể thành phần điển hình máy tính để bàn Khối nhập liệu bàn phím, thông qua nó, người sử dụng nhập liệu dòng lệnh vào hệ thống Màn hình nơi hiển thị liệu bên Khối ALU khối điều khiển chế tạo chip điện tử gọi CPU Khối nhớ bao gồm mạch điện độc lập khối ổ đĩa cứng, đĩa mềm ổ CD-ROM, Nhìn sâu vào hệ thống, thấy thành phần quan trọng hệ thống mạch (mainboard), hình 1.6 Bản mạch BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CHUNG bao gồm mạch điện tích hợp Ics, khe cắm card mở rộng, dây nối để kết nối mạch tích hợp khe cắm mở rộng Trên hình 1.6 vị trí gắn khối nhập liệu input, khối hiển thị liêu output, nhớ CPU khoanh vùng rõ hình Hình 1.6 Cấu trúc mainboard TỔNG KẾT CHƯƠNG Cấu trúc máy tính với cấp độ cần thể cách rõ ràng mắt lập trình viên để lập trình viên tương tác với máy tính cách dễ dàng Tuy nhiên, yêu cầu lại không dễ dàng thực Trong lịch sử phát triển, lập trình viên phải tương tác với máy tính thông qua khía cạnh khác Ví dụ Babbage phải lập trình thông qua bánh khí, Cùng với phát triển công nghệ, cấp độ máy tính trở nên rõ ràng hơn, cho phép máy tính có nhiều tương tác với người Một mô hình phát triển mô hình máy tính Von Neumann, mô hình thông dụng máy tính ngày BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 10 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI Hình 8.24 PCI bus AGP bus Khe cắm tăng tốc độ hiển thị đồ họa AGP có cấu trúc vật lý giống PCI Nó làm việc tương tự PCI coi thiết bị PCI tốc độ nhanh gấp đôi PCI Card AGP có khả truy cập trực tiếp nhớ bus AGP phù hợp cho việc hiển thị chiều dùng nhớ để lưu trữ liệu vê bóng, trục z, nguồn sáng BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 163 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI AGP có số loại phân loại theo băng thông AGP Độ rộng bus Tần số làm việc 1x 2x 4x 8x 32 bit 32 bit 32 bit 32 bit 66MHz 66MHz 66MHz 66MHz Số liệu truyền xung nhịp Băng thông 266 MBps 533 MBps 1066 MBps 2133 MBps Điện áp làm việc AGP 1.5V 3.3V tùy loại Sơ đồ chân thể hình 8.25 Hình 8.25 Sơ đồ chân AGP BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 164 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 165 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI PCI Express PCI PCI express (PCIe) khác biệt giao thức ghép nối tiếp serial PCIe kiểu kết nối điểm-điểm theo chiều với băng thông giống không chia sẻ cho thiết bị khác Do tăng băng thông tăng số BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 166 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI đường truyền nối tiếp Hiện có kiểu khe cắm cho PCIe PCIe x 16 có băng thông đến 8GB/s đáp ứng nhu cầu đồ họa ngày tăng Ngày nay, mainboard cung cấp đến 20 đường PCI, thông thường có PCI x 16 PCI x để thay cho khe cắm PCI thông thường 8.4.4 Kết nối máy tính với thiết bị bên Trong trình hoạt động, máy tính có nhu cầu tương tác với thiết bị khác Máy tính thiết bị kết nối với thông qua cổng kết nối, thông thường cổng kết nối serial, cổng kết nối song song (như kết nối máy in qua cổng LPT) Trong mục này, ta điểm qua số cổng kết nối thông dụng RS-232 Kết nối theo chuẩn RS-232 kết nối không đồng nối tiếp Ý nghĩa nối tiếp bit truyền đường truyền vật lý Một byte liệu truyền khung sau Một khung truyền có start bit stop bit để đánh dấu khung truyền Dữ liệu truyền có độ dài bit bit bit kiểm tra chẵn lẻ sử dụng để kiểm tra tính toàn vẹn liệu để phát lỗi Trên đường truyền, mức điện áp mang mức logic nằm khoảng -3V đến -15V lên tới -25V Ngược lại, mức điện áp mang mức logic nằm khoảng 3V đến 15V lên tới 25V Dải điện áp nằm khoảng -3V đến 3V dải cấm Tốc độ truyền phụ thuộc khoảng cách 19.2kBd với khoảng cách 30 đến 50m Hiện có hệ thống truyền với tốc độ lên tới 460kBd thực tế sử dụng hệ thống khó thực Sơ đồ chân cổng cắm RS-232 thể hình 8.26 RS-232 có loại cổng chân 25 chân Hiện nay, cổng 25 chân gần không sử dụng BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 167 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI Hình 8.26 Sơ đồ chân RS-232 Phương pháp ghép nối chuyển đổi loại cổng chân 25 chân Phương pháp ghép nối máy tính qua cổng chân chế độ full handshaking BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 168 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI Cổng LPT Cổng LPT cổng truyền liệu song song thiết kế riêng cho truyền liệu máy tính máy in Cổng có 25 chân thể hình 8.27 Hình 8.27 Sơ đồ chân cổng LPT BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 169 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI USB (Univeral Serial Bus) USB chuẩn kết nối máy tính phổ biến Đặc điểm quan trọng chuẩn kết nối số lượng lớn thiết bị khác bàn phím, chuột, ổ đĩa, camera, máy in, USB kết thúc tình trạng chắp vá, không đồng giao diện ngoại vi máy tính cá nhân Ngoài ra, thân tín hiệu cổng USB có khả cung cấp nguồn +5V cho thiết bị bên Đây đặc điểm mà không chuẩn khác hỗ trợ Khi thực truyền liệu theo chuẩn USB, máy tính coi master quản lý tất thiết bị khác gắn vào Thiết bị gắn vào máy tính theo chuẩn USB có khả hoạt động mà không cần khởi động lại hệ thống Hình 8.28 mô tả số phiên chuẩn USB Hình 8.28 Các phiên USB thông dụng 8.5 Lỗi truyền thông phương pháp phát lỗi Trong tất cấu trúc máy tính, đặc biệt trường hợp liên quan tới truyền thông máy tính với nhau, luôn xảy trường hợp liệu nhận đương truyền bị lỗi Nguyên nhân lỗi nhiễu đường truyền Cụ thể liệu đường truyền mã hóa dạng số nhị phân, thực tế giá trị điện áp dòng điện Nhiễu đường truyền xuất BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 170 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI phát từ thân cấu trúc đường truyền, xuất phát từ môi trường bên áp suất, tia gama, Các nguyên nhân làm phát sinh lỗi, tức làm mức logic chuyển thành mức logic chuyển thành Giả sử hệ thống cần truyền ký tự ASCII ký tự ‘b’ từ bên truyền đến bên nhận trình truyền phát sinh lỗi bit có số nhỏ Chuỗi ký tự ký tự ‘b’ 1100010, chuỗi nhận 1100011, thể ký tự ‘c’ Bên nhận công cụ để phát lỗi chuỗi nhận chấp nhận Để khắc phục tượng này, hệ thống truyền nhận liệu bổ xung thông tin “check bit” kèm với liệu Hệ thống nhận liệu kiểm tra thông tin check bit kèm theo điều kiện bên truyền để phát lỗi, số trường hợp sửa lại lỗi Trong nội dung chương này, ta xem xét phương pháp để kiểm tra lỗi sửa lỗi Nhưng trước hết ta tìm hiểu số định nghĩa truyền tin 8.5.1 Tỉ lệ bit lỗi Có nhiều cách khác để giới thiệu lỗi hệ thống máy tính, lỗi có nhiều dạng khác Tại thời điểm này, ta giả sử xác suất bit nhận bị lỗi độc lập với xác suất bit khác gần bị lỗi Trong trường hợp đó, ta định nghĩa tỉ lệ bit lỗi BER (bit error rate) xác suất bit nhận bị lỗi Rõ ràng định nghĩa này, số nhỏ, thông thường tỉ lệ bit lỗi nhỏ 10-12 cho bit kiểm tra, tức xuất lỗi 1012 bit kiểm tra Trong hệ thống máy tính, tỉ lệ bit lỗi BER chấp nhận giá trị 10-18 Theo ước tính, xung nhịp đồng hồ 100MHz, hệ thống 32 bit Khi số lượng lỗi giây tính 10-18 × 100 × 106 × 32 hay 3.2 × 10-9 lỗi giây, tức xấp xỉ lỗi xảy khoảng thời gian khoảng 10 năm 8.5.2 Phát lỗi sửa lỗi single-bit-error Một phương pháp đơn giản lâu đời để phát lỗi trình truyền nhận ký tự kiểm tra chẵn lẻ parity bit Một bit parity, mang giá trị BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 171 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI thêm vào ký tự để kiểm tra tổng số bit mang giá trị ký tự chẵn hay lẻ Trong ví dụ truyền ký tự ‘b’ theo mã ASCII trên, chuỗi 1100010 kiểm tra chẵn, bit mang giá trị thêm vào tổng số bit mang giá trị chuỗi lẻ Cuối cùng, chuỗi truyền 11000101 Hệ thống nhận nhận đếm số bit mang giá trị chuỗi nhận chẵn hay lẻ Nếu kết chẵn, trình truyền lỗi hệ thống khôi phục nội dung truyền Ngược lại chuỗi nhận bị lỗi Phương pháp không phát lỗi số bit bị lỗi chuỗi nhiều (nhưng số chẵn) Trong trường hợp đó, ta sử dụng phương pháp khác thảo luận phần Hamming Codes Những bit thêm vào liệu chức phát lỗi, cần có khả tự sửa lỗi Một số phương pháp mã hóa phổ biến sử dụng rộng rãi mã Hamming Phương pháp thực dựa nghiên cứu Richard Hamming Bell Telephone Laboratories, hoạt động quản lý Lucent Technologoies Khoảng cách Hamming HD định nghĩa số lượng bit lỗi tối thiểu mà không đảm bảo chắn phát chuỗi bit Khi truyền chuỗi ký tự ASCII nhận chuỗi ký tự ASCII khác, bên nhận khả phát có lỗi đường truyền, HD = Nếu phương pháp đó, ta tăng khoảng cách HD = có nghĩa ta phát tất lỗi đơn (single-bit error) Một phương pháp để tăng khoảng cách HD đơn giản thêm bit kiểm tra chẵn lẻ pariy bit trình bày Nếu thực kiểm tra chẵn với bit kiểm tra đặt phía bên trái Ký tự ‘a’ biểu diễn chuỗi 11100001 Tương tự, ta xác định chuỗi thể ký tự ‘b’, ‘c’, ‘z’ ‘A’ thể hình 8.29 Bảng mã ASCII lúc có tổng số 28 = 256 trạng thái khác Một nửa số thể mã ký tự sai Khi bên nhận nhận mã ký tự sai, bên nhận yêu cầu thực truyền lại mã ký tự Quá trình truyền lại ký tự bị sai lúc thực Do cần có phương pháp để đồng thời phát lỗi tự sửa lỗi BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 172 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI Phương pháp kiểm tra chẵn lẻ phát lỗi xác định vị trí lỗi Giả sử ta nhận 11100011 phương pháp kiểm tra Hình 8.29 Kiểm tra chẵn số ký tự chẵn, ta biết chắn có lỗi xảy tổng số bit mang giá trị logic lẻ Nhưng ta đủ thông tin để xác định bit truyền ‘a’, ‘b’ hay ký tự khác Để xây dựng loại mã có khả phát tự sửa lỗi dạng single-bit-error, ta phải thêm nhiểu bit dự phòng chuỗi liệu bit ban đầu Thực tế ta phải thêm bit dự phòng để loại bỏ trường hợp lỗi bit chuỗi xảy Giả sử chuỗi ký tự ‘a’ cần truyền 1100001 ta phải loại bỏ trường hợp lỗi 0100001, 1000001, 1110001, 1101001, 1100101, 1100011, 1100000 Như vậy, ta sử dụng 11bit để mã hóa lại bảng mã ASCII Quá trình mã hóa thực theo bước sau Các bit dự phòng thêm vào vị trí C1, C2, C4, C8 sau BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 173 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI Bit C1 kiểm tra chẵn lẻ tổ hợp bit số {1, 3, 5, 7, 9, 11} Như ví dụ hình, C1 = có bit số 11 (kiểm tra chẵn) Bit C2 kiểm tra chẵn lẻ tổ hợp bit {2, 3, 6, 7, 10, 11} Tương tự với phân tích ta có C2 = Bit C4 kiểm tra chẵn lẻ tổ hợp bit {4, 5, 6, 7} C4 trường hợp Bit C8 kiểm tra chẵn lẻ {8, 9, 10, 11} C8 = Chuỗi bit truyền Ở thiết bị nhận, ta tiến hành kiểm tra theo quy trình sau Kiểm tra chẵn lẻ bit dự phòng C1, C2, C4, C8 với tổ hợp tương ứng Nếu kết kiểm tra phù hợp, liệu truyền không lỗi Nếu có lỗi tức giá trị Ci có kết kiểm tra lẻ vị trí lỗi tính = ∑ Tiếp tục ví dụ trên, giả sử ta nhận chuỗi 10010111001 Ta kiểm tra chẵn lẻ Kiểm tra Kiểm tra Kiểm tra Kiểm tra C1 C2 C4 C8 {1, 3, 5, 7, 9, 11} {2, 3, 6, 7, 10, 11} {4, 5, 6, 7} {8, 9, 10, 11} Kết lẻ Kết chẵn Kết lẻ Kết chẵn Kết lẻ C1 C4 vị trí bit bị lỗi n = + = Chuỗi sửa lại 10010101001 Dữ liệu thu 1000100 Đây ký tự ‘D’ bảng mã ASCII BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 174 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI 8.5.3 Kiểm tra dự phòng theo chiều dọc VRC Phương pháp kiểm tra dự phòng theo chiều dọc VRC (Vertical Redundancy Checking) phương pháp sử dụng để kiểm tra theo khối liệu Khi truyền nhóm liệu word, bit dự phòng thêm vào word Kết word sau thêm vào bit kiểm tra chẵn lẻ lại xếp theo hàng Cuối ta lại kiểm tra chẵn lẻ lần theo chiều dọc Ta hình dung rõ trình kiểm tra VRC ví dụ hình 8.30 ta truyền ký tự từ A đến F Hình 8.30 Kiểm tra lỗi theo phương pháp VRC 8.5.4 Kiểm tra mã vòng CRC Kiểm tra mã vòng CRC phương pháp mạnh để phát lỗi sửa lỗi Nguyên lý CRC từ lỗi bit phát sinh, lỗi bùng nổ có chế kiểm tra liên tục bit lỗi xác suất phát lỗi tăng lên CRC sử dụng mã đa thức khung truyền chia thành trường Trường liệu trường kiểm tra CRC Sau nhận khung truyền (bao gồm liệu CRC bit), hệ thống kiểm tra theo chế bên gửi Nếu kết phù hợp, tức lỗi Nếu kết có khác biệt, lỗi xảy Để thực kiểm tra CRC, bên gửi liệu thực theo bước sau BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 175 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI Với chuỗi liệu cần truyền đi, coi đa thức M(x) có bậc k thêm n bit số vào đằng sau Với n bậc đa thức sinh G(x) k>n Đa thức thu gồm M(x) chuỗi n bit thêm vào thực phép chia cho đa thức G(x) theo phép chia modul phần dư R(x) R(x) có số bit không lớn n bit Đa thức truyền T(x) = M(x) + R(x) Bên nhận liệu giả sử T’(x) tiến hành kiểm tra sau Thực phép chia T’(x) cho đa thức sinh G(x) Nếu kết R’(x) trình truyền lỗi, kết khác trình truyền có lỗi Giả sử ta cần truyền chuỗi liệu M(x) = 1101011011 Đa thức sinh G(x) = 10011 (tức G(x) = x4 + x + 1) Với đa thức sinh vậy, ta thấy n = 4, tức ta thêm số vào chuỗi cần truyền liệu để chuỗi 11010110110000 Thực phép chia hình 8.31 ta R(x) = 1110 Hình 8.31 Thực phép chia kiểm tra CRC Chuỗi truyền BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 176 CHƯƠNG : THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ GHÉP NỐI Một số đa thức sinh hay sử dụng cho kết tốt việc phát lỗi, − 16 = − = − 32 = + + + + + + + +1 +1 + + +1 + + + + + + + TỔNG KẾT CHƯƠNG Các ổ lưu trữ liệu có nhiều dạng khác Vi dụ ổ lưu trữ có loại ổ cứng, băng từ Ổ đĩa quangcos mật độ lưu trữ cao ổ đĩa từ, có giá thành cao không hỗ trợ khả ghi liệu Các ổ đĩa quang thông dụng CD ROM, DVD ROM Các thiết bị vào/ra có nhiều loại khác Trong chương nghiên cứu số thiết bị Đó bàn phím, bit pad, chuột, trackball, hình hiển thị CRT Các cổng vào liệu liên quan tới hệ thống bus truyền thông bên máy tính Chúng ta tìm hiểu số hệ thống bus máy tính Các hệ thống bus khác tốc độ truyền thông, độ rộng liệu mà hỗ trợ, khả kết nối Với hệ thống bus này, tìm hiểu sơ đồ chân tín hiệu bus Để kết nối với thiết bị ngoại vi bên ngoài, máy tính phải sử dụng kênh truyền dẫn riêng (khác với bus) Một số kênh truyền dẫn RS-232, cổng LPT, đặc biệt chuẩn USB Trong trình truyền nhận liệu, lỗi phát sinh tránh khỏi Ta tìm hiểu số phương pháp phát tự sửa lỗi bản, thường sử dụng kiểm tra chẵn lẻ, kiểm tra VRC, phương pháp mạnh CRC BÀI GIẢNG CẤU TRÚC MÁY TÍNH VÀ GHÉP NỐI PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com Page 177