Bài giảng Kiến Trúc Máy Tính

.1 Máy tính và phân loại máy tính 1.1.1 Máy tính + Khái niệm: Có nhiều các hiểu, định nghĩa khác nhau: • Máy tính là công cụ cho phép xử lý thông tin một cách tự động theo các chương trình đã được lập trình sẵn từ trước. Quy trình làm việc của máy tính như sau:  Nhập thông tin vào (Input).  Xử lý thông tin theo dãy các lệnh được nhớ sẵn bên trong (Process)  Đưa thông tin ra (Output) Dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính thực hiện công việc cụ thể gọi là chương trình (program). Máy tính hoạt động theo chương trình. Máy tính được phát triển trên cơ sở hai thành phần: Phần cứng – Phần mềm • Phần cứng: là các đối tượng hữu hình, nói đến cấu tạo của máy tính về mặt vật lý. Bao gồm toàn bộ các thiết bị, linh kiện điện tử của máy tính. • Phần mềm: Là hệ các chương trình và dữ liệu trong máy tính giúp người sử dụng thực hiện một công việc nào đó. Phần mềm được phần thành 2 loại:  Phần mềm hệ thống: Hệ điều hành (Operating System) ( là một chương trình hệ thống đặc biệt chạy trong suốt thời gian làm việc của máy tính, nó là một tập hợp các chương trình điều khiển hoạt động của máy tính cũng như cho phép các chương trình phần mềm khác chạy được; Nó điều khiển máy tính quyết định cho chương trình nào chạy trong khoảng thời gian nào, quyết định nguồn tài nguyên nào (bộ nhớ, thiết bị vàora nào…) được sử dụng.). Các chương trình phục vụ hệ thống (ROM BIOS). Các chương trình điều khiển thiết bị (Driver).  Phần mềm ứng dụng: (Phần mềm đặc biệt: Ngôn ngữ và công cụ lập trình). 1.1.2 Phân loại Có nhiều cách phân loại máy tính khác nhau, tùy thuộc vào từng tiêu chí cụ thể như: Phân loại theo mục đích sử dụng, theo mức cải tiến công nghệ, theo nguyên lý xây dựng máy tính, theo tín hiệu xử lý… Theo tính năng kỹ thuật, kích cỡ, số người sử dụng và giá tiền, máy tính được phân thành các loại sau:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT KHOA CÔNG NGHỆ THƠNG TIN BÀI GIẢNG “KIẾN TRÚC MÁY TÍNH” TỔNG HỢP & BIÊN SOẠN: ĐẶNG VĂN NAM (Tiếp tục cập nhật……….!) Cập nhật, 09-2014 Bài giảng – Kiến trúc máy tính MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG - 1.1 Máy tính phân loại máy tính - 1.1.1 Máy tính - 1.1.2 Phân loại - 1.2 Kiến trúc máy tính - 1.2.1 Kiến trúc tập lệnh - 1.2.2 Tổ chức máy tính - 1.3 Các giai đoạn phát triển máy tính - 1.3.1 Thế hệ thứ (1946-1955): Máy tính dùng đèn điện tử - 1.3.2 Thế hệ thứ (1956-1965): Máy tính dùng Transistor - 1.3.3 Thế hệ thứ (1966-1980): Máy tính dùng mạch tích hợp SSI, MSI, LSI - 1.3.4 Thế hệ thứ (1981 - nay): Máy tính dùng mạch tích hợp VLSI - 10 1.3.5 Thế hệ thứ (???) Khuynh hướng phát triển tương lai - 11 CHƯƠNG 2: TỔ CHỨC HỆ THỐNG MÁY TÍNH - 13 2.1 Các thành phần máy tính - 13 2.1.1 Bộ xử lý trung tâm - 13 2.1.2 Bộ nhớ máy tính (Memory) - 14 2.1.3 Hệ thống vào - - 15 2.2 Hệ thống Bus .- 16 2.2.1 Khái niệm bus chức - 16 2.2.2 Phân cấp bus máy tính - 16 CHƯƠNG 3: BIỂU DIỄN DỮ LIỆU VÀ SỐ HỌC TRONG MÁY TÍNH - 18 3.1 Các hệ đếm bản: .- 18 3.1.1 Hệ thập phân - 18 3.1.2 Hệ nhị phân - 18 3.1.3 Hệ thập lục phân - 19 3.2 Chuyển đổi hệ đếm .- 19 3.2.1 Chuyển đổi số thập phân sang số nhị phân - 19 3.2.2 Chuyển đổi số nhị phân sang số thập phân thập lục phân - 21 3.3 Mã hóa lưu trữ liệu máy tính - 22 3.3.1 Nguyên tắc chung mã hóa liệu - 22 3.3.2 Lưu trữ thông tin nhớ - 23 3.4 Biểu diễn số nguyên - 24 3.4.1 Số nguyên không dấu - 24 3.4.2 Biểu diễn số nguyên có dấu - 24 3.5 Biểu diễn số thực (số dấu phẩy động) - 26 3.6 Các phép toán với số nhị phân: - 29 -1-| Bài giảng – Kiến trúc máy tính 3.6.1 Các phép tốn logic - 29 3.6.2 Các phép toán số học - 30 3.7 Biểu diễn ký tự - 31 3.7.1 Nguyên tắc chung mã hóa liệu - 32 3.7.2 Bộ mã ASCII - 32 3.7.3 Bộ mã UNICODE - 33 CHƯƠNG 4: BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM (CPU) - 34 4.1 Tổng quan CPU - 34 4.1.1 Giới thiệu CPU - 34 4.1.2 Lịch sử phát triển CPU - 35 4.2 Nguyên lý hoạt động cấu trúc CPU - 36 4.2.1 Nguyên lý hoạt động CPU .- 36 4.2.2 Sơ đồ cấu trúc CPU .- 37 4.2.3 Các thành phần CPU .- 37 4.3 Hoạt động CPU .- 40 4.3.1 Chu trình lệnh - 40 4.3.2 Kỹ thuật xử lý đường ống (Pipelining) - 41 4.3.3 Kỹ thuật siêu đường ống (SuperPipeline) - 42 4.3.4 Kỹ thuật siêu vô hướng (SuperScalar) - Kỹ thuật xử lý song song - 42 CHƯƠNG 5: BỘ NHỚ MÁY TÍNH - 44 5.1 Tổng quan nhớ máy tính: - 44 5.1.1 Các đặc trưng nhớ máy tính .- 44 5.1.2 Phân cấp hệ thống nhớ - 44 5.2 Các loại nhớ bán dẫn - 45 5.2.1 Phân loại .- 45 5.2.2 ROM - 45 5.2.3 RAM - 46 5.2.4 Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh) .- 47 5.3 Bộ nhớ .- 48 5.3.1 Ổ đĩa cứng (HDD – Hard Disk Drive ) - 48 5.3.2 Đĩa quang .- 51 5.3.3 Bộ nhớ Flash .- 52 5.4 RAID - 53 CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG VÀO – RA - 55 6.1 Tổng quan hệ thống vào – - 55 6.1.1 Giới thiệu chung hệ thống vào – - 55 6.1.2 Các thiết bị ngoại vi - 55 -2-| Bài giảng – Kiến trúc máy tính 6.2 Một số thiết bị ngoại vi - 55 6.2.1 Màn hình .- 55 6.2.2 Bàn phím .- 55 6.2.3 Chuột - 55 6.2.4 Máy in - 55 - -3-| Bài giảng – Kiến trúc máy tính CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Máy tính phân loại máy tính 1.1.1 Máy tính + Khái niệm: Có nhiều hiểu, định nghĩa khác nhau:  Máy tính cơng cụ cho phép xử lý thông tin cách tự động theo chương trình lập trình sẵn từ trước Quy trình làm việc máy tính sau: -  Nhập thông tin vào (Input)  Xử lý thông tin theo dãy lệnh nhớ sẵn bên (Process)  Đưa thông tin (Output) Dãy lệnh nằm nhớ để yêu cầu máy tính thực cơng việc cụ thể gọi chương trình (program) Máy tính hoạt động theo chương trình - - Máy tính phát triển sở hai thành phần: Phần cứng – Phần mềm  Phần cứng: đối tượng hữu hình, nói đến cấu tạo máy tính mặt vật lý Bao gồm tồn thiết bị, linh kiện điện tử máy tính  Phần mềm: Là hệ chương trình liệu máy tính giúp người sử dụng thực cơng việc Phần mềm phần thành loại:  Phần mềm hệ thống: Hệ điều hành (Operating System) ( chương trình hệ thống đặc biệt chạy suốt thời gian làm việc máy tính, tập hợp chương trình điều khiển hoạt động máy tính cho phép chương trình phần mềm khác chạy được; Nó điều khiển máy tính định cho chương trình chạy khoảng thời gian nào, định nguồn tài nguyên (bộ nhớ, thiết bị vào/ra nào…) sử dụng.) Các chương trình phục vụ hệ thống (ROM BIOS) Các chương trình điều khiển thiết bị (Driver)  Phần mềm ứng dụng: (Phần mềm đặc biệt: Ngôn ngữ công cụ lập trình) 1.1.2 Phân loại Có nhiều cách phân loại máy tính khác nhau, tùy thuộc vào tiêu chí cụ thể như: Phân loại theo mục đích sử dụng, theo mức cải tiến công nghệ, theo nguyên lý xây dựng máy tính, theo tín hiệu xử lý… Theo tính kỹ thuật, kích cỡ, số người sử dụng giá tiền, máy tính phân thành loại sau: -4-| Bài giảng – Kiến trúc máy tính a) Máy vi tính (Micro Computer): gọi Máy tính cá nhân PC (Personal Computer) máy tính để bàn, mang xách PC có chíp vi xử lý số thiết bị ngoại vi hình, bàn phím, ổ đĩa…thường dùng cho người Giá PC từ vài trăm tới vài ngàn USD b) Máy tính nhỏ (Mini Computer): máy tính cỡ trung bình, kích thước thường lớn PC, máy tính đa người dùng thực ứng dụng mà máy tính lớn (Mainframe) thực Tuy nhiên, so với máy tính lớn máy tính nhỏ có nhớ nhỏ hơn, sức mạnh tính tốn thấp Giá máy tính từ vài chục tới vài trăm ngàn USD c) Máy tính lớn (Mainframe Computer): loại máy tính đa dụng, dùng cho ứng dụng quản lý, tính tốn khoa học Nó thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu tính tốn tổ chức lớn với vài trăm ổ đĩa dùng cho vài trăm người sử dụng đồng thời Sử dụng kỹ thuật xử lý song song, có hệ thống vào mạnh với nhớ có dung lượng lớn Nó có giá từ vài trăm đến hàng triệu USD d) Siêu máy tính (Super Computer): máy tính thiết kế đặc biệt để thực nhiệm vụ tính toán phức tạp với tốc độ cực nhanh Các siêu máy tính thiết kế với kỹ thuật xử lý song song với nhiều vi xử lý (trong siêu máy tính chưa hàng ngàn đến hàng trăm ngàn vi xử lý) Các siêu máy tính dùng để mơ hệ thống động học lớn mơ hình thời tiết, ngân hàng…có giá đến vài triệu USD (Phụ lục 1) Phân loại đại: (Nguyễn Kim Khánh)  Máy tính cá nhân PC  Máy chủ (Server)  Máy tính nhúng 1.2 Kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh:  Kiến trúc tập lệnh (Phần mềm): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn người lập trình  Tổ chức máy tính (Phần cứng): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính Kiến trúc tập lệnh thay đổi chậm, tổ chức máy tính thay đổi nhanh (Ngơn ngữ lập trình C (thập niên 1970), Visual Basic (1991)) 1.2.1 Kiến trúc tập lệnh Bao gồm: Tập lệnh: tập hợp chuỗi số nhị phân mã hóa cho thao tác mà máy tính thực Các kiểu liệu: bao gồm kiểu liệu mà máy tính xử lý -5-| Bài giảng – Kiến trúc máy tính 1.2.2 Tổ chức máy tính Cấu trúc máy tính: CPU Bộ nhớ Liên kết hệ thống Hệ thống vào - Các thành phần máy tính:  Bộ xử lý trung tâm – Bộ vi xử lý (CPU – Central Processing Unit): Điều khiển hoạt động máy tính xử lý liệu (Chương 4)  Bộ nhớ (Main Memory): Lưu trữ chương trình liệu (Chương 5)  Hệ thống vào (Input/Output System): Trao đổi thơng tin máy tính với bên (Chương 6)  Liên kết hệ thống (System Interconnection): kết nối vận chuyển thông tin thành phần với (Chương 2) 1.3 Các giai đoạn phát triển máy tính Sự phát triển máy tính dựa tiến cơng nghệ chế tạo linh kiện máy tính như: Bộ xử lý trung tâm, nhớ, thiết bị ngoại vi….Có thể nói máy tính điện tử trải qua giai đoạn liên tiếp Việc chuyển từ hệ trước sang hệ sau đặc trưng thay đổi công nghệ 1.3.1 Thế hệ thứ (1946-1955): Máy tính dùng đèn điện tử  ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer): Là máy tính điện tử số giáo sư Mauchly người học trò Eckert Đại học Pennsylvanlia thiết kế vào năm 1943 hoàn thành vào năm 1946 (ảnh minh họa 2) Đây máy tính khổng lồ với thể tích dài 20m, cao 2.8m rộng vài m ENIAC bao gồm 18 000 đèn điện tử, 500 công tắc tự động, cân nặng 30 tấn, tiêu thụ 140Kw/h Nó có 20 ghi 10 bít (tính tốn số thập phân), có khả thực 5000 phép tính cộng giây Cơng việc lập trình thực tay cách đấu nối đầu cắm điện dùng ngắt điện -6-| Bài giảng – Kiến trúc máy tính  IAS (Princenton Institute for Advanced Studies): giáo sư John Von Neumann đưa ý tưởng thiết kế năm 1947 hoàn thành vào năm 1952 Máy tính IAS bao gồm thành phần: Đơn vị điều khiển, đơn vị số học logic (ALU, nhớ thiết bị vào Đã trở thành mơ hình máy tính (ảnh minh họa 3)  -7-| Vào năm đầu thập niên 50 máy tính thương mại đưa thị trường bao gồm: Các hệ máy UNIVAC I, UNIVAC II, IBM701, IBM702 (ảnh minh họa 4) Bài giảng – Kiến trúc máy tính 1.3.2 Thế hệ thứ (1956-1965): Máy tính dùng Transistor  -8-| Ba nhà khoa học John Bardeen, Walter Brattain William Shockley sáng chế Transistor phòng thí nghiệm công ty Bell năm 1948 (Nhờ phát minh họ nhận giải thưởng NOBEL vật lý năm 1956) (ảnh minh họa 5) ((Transistor (viết tắt của: "Transfer-resistor" tức điện trở chuyển ) linh kiện bán dẫn thường sử dụng thiết bị khuếch đại khóa điện tử Transistor khối đơn vị xây dựng nên cấu trúc mạch máy tính điện tử tất thiết bị điện tử đại khác Vì đáp ứng nhanh xác nên transistor sử dụng nhiều ứng dụng tương tự số, khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, tạo dao động.Transistor thường kết hợp thành mạch tích hợp (IC),có thể tích hợp tới tỷ transistor diện tích nhỏ)).Trong khoảng thời gian 10 năm sau Transistor làm nên cách mạng lĩnh vực máy tính Đến cuối năm 1950 máy tính dùng đèn điện tử trở nên lỗi thời, máy tính thương mại sử dụng Transistor xuất thị trường, kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu thụ điện hơn, thực hàng trăm nghìn phép tính giây Bài giảng – Kiến trúc máy tính  Cũng vào thời điểm này, mạch in nhớ xuyến từ sử dụng, ngôn ngữ cấp cao xuất (FORTRAN-1956, COBOL-1959, ALGOL-1960) hệ điều hành (Batch Processing) dùng 1.3.3 Thế hệ thứ (1966-1980): Máy tính dùng mạch tích hợp SSI, MSI, LSI  Việc phát minh mạch tích hợp – vi mạch (IC - Integrated Circuit) cho phép nhiều Transistor phần tử khác tích hợp chip bán dẫn (nhờ người ta chế tạo máy tính nhỏ hơn, nhanh rẻ tiền máy tính dùng Transistor đời trước đó)  SSI (Small Scale Integration): Mạch tích hợp cỡ nhỏ  MSI (Medium Scale Integration): Mạch tích hợp cỡ trung bình  LSI (Large Scale Integration): Mạch tích hợp cỡ lớn -9-| Bài giảng – Kiến trúc máy tính b) DRAM: + Lưu trữ bit dạng điện tích tụ điện cực nhỏ, việc ghi nhớ liệu dựa vào việc trì điện tích nạp vào tụ điện Và việc đọc bit nhớ làm nội dung bit bị hủy, sau lần đọc ô nhớ, phận điều khiển nhớ phải viết lại nội dung ô nhớ (gọi làm tươi hay hồi phục - thực chất nạp đầy lại điện tích cho tụ điện nhỏ tý hon) + Việc lưu trữ thơng tin bit nhớ tạm thời tụ điện phóng hết điện tích nạp phải làm tươi nhớ sau khoảng thời gian 2µs Việc làm tươi thực với tất ô nhớ nhớ Công việc thực tự động vi mạch nhớ + Đặc điểm nhớ DRAM: Có cấu trúc đơn giản, dung lượng lớn, tốc độ chậm rẻ tiền SRAM Chu kỳ nhớ DRAM gấp đôi thời gian thâm nhập ô nhớ Tính Mạch trữ điện Tốc độ truyền tải Đỗ trễ mật độ Tiêu tốn lượng Giá thành SRAM Flip-Flop với CPU thấp thấp cao đắt DRAM Tụ điện thấp CPU cao cao thấp rẻ 5.2.4 Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh) - Cache nhớ có tốc độ hoạt động cực nhanh (nhanh nhớ chính) - Cache đặt CPU nhớ nhằm làm tăng tốc độ truy cập nhớ CPU CPU - 47 - | Truyền theo từ nhớ Cache Truyền theo block nhớ Bộ nhớ Bài giảng – Kiến trúc máy tính - Bộ nhớ cache sử dụng để cất tạm liệu vừa truy cập lệnh chương trình hay dùng đến Trong trường hợp CPU cần dùng lại liệu lệnh tìm cache nên nhanh nhiều so với tìm RAM (Ngun lý cục hóa tham chiếu nhớ: Trong khoảng thời gian đủ nhỏ CPU thường tham chiếu đến thông tin khối nhớ cục bộ, VD: cấu trúc chương trình tuần tự, vòng lặp, cấu trúc liệu mảng.) - Trước nhớ Cache thiết kế nằm Mainboard, ngày nhớ Cache đặt chip CPU → tốc độ truy xuất cache tăng lên đáng kể Bộ nhớ cache tích hợp vào kiến trúc vi xử lý gọi cache nội – Internal Cache (L1 cache), máy tính có thêm nhớ cache ngoại, nằm ngồi CPU – External Cache (L2 cache), máy tính hệ tăng cường thêm nhớ đệm L3 cache Bộ nhớ cache core i7 5.3 Bộ nhớ 5.3.1 Ổ đĩa cứng (HDD – Hard Disk Drive ) - Ổ cứng thành phần quan máy tính, tất liệu người dùng (Hệ điều hành, chương trình, liệu cá nhân) lưu trữ ổ cứng truy xuất thường xuyên - Dung lượng ổ đĩa cứng tính theo GB, TB, ngày tăng nhanh, rẻ tiền - Các chuẩn giao tiếp ổ đĩa cứng: ATA (advanced Technology Attachment) max = 133 MBps, SATA (Serial ATA) – 150MBps; SATAII – 300MBps; SATA3 – 600MBps - Kích thước ổ đĩa cứng chuẩn hóa, tính theo inch Hiện có hai loại kích thước phổ biến 3,5inch (thường sử dụng cho máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ) loại 2,5inch (thường sử dụng với máy tính xách tay)  Cấu tạo: - Bộ khung: Khung ổ cứng HDD chế tạo nhôm đúc áp lực cao, ổ cứng loại nhỏ máy tính xách tay dùng Plastic cứng - 48 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính - - - Đĩa từ: thường làm nhơm, thủy tinh phủ vật liệu từ lớp bảo vệ hai mặt đĩa, đường kính 1,3-8 inch Mỗi ổ HDD có nhiều đĩa từ xếp chồng lên gắn cố định trục mô tơ quay Đầu đọc/ghi: Mỗi mặt đĩa dùng riêng đầu đọc/ghi (ổ cứng đĩa cần đầu đọc/ghi) Mô tơ trục quay: Tác dụng làm đĩa quay với vận tốc nhanh không đổi suốt phiên làm việc máy tính Bộ dịch chuyển đầu từ (mô tơ dịch chuyển đầu từ): Di chuyển qua lại theo cung tròn để dịch chuyển từ mép đĩa đến tâm đĩa Vị trí đầu từ kiểm tra hiệu chỉnh để tránh sai lệch vị trí đọc/ghi liệu Các mạch điện tử: Ổ đĩa từ điều khiển mạch điện tử tương đối phức tạp, gắn mạch khung Các mạch có chức năng: truyền tải tín hiệu điều khiển liệu; điều khiển dịch chuyển đầu từ, thực thao tác đọc/ghi, ổn định tốc độ quay  Các thông số lớp đĩa: - Mỗi mặt lớp đĩa chia thành nhiều đường tròn đồng tâm gọi rãnh (track) Thông thường mặt lớp đĩa có từ 10 000 đến 30 000 rãnh - Mỗi rãnh chia làm nhiều cung (Sector) dùng để chứa thơng tin Một rãnh chứa từ 60 đến 800 cung Cung đơn vị nhỏ mà máy tính đọc viết (Thơng thường khoảng 512 byte) Chuỗi thơng tin ghi cung gồm có: Số thứ tự cung - Một khoảng trống - số liệu cung (bao gồm mã sửa lỗi) khoảng trống - số thứ tự cung - 49 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính - Tất rãnh lớp đĩa có bán kính nằm hình trụ gọi trụ (Cylinder)  Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ ổ đĩa từ: - Tốc độ quay (4500 rmp, 5400rmp, 7200rmp, 10 000rmp, 15000 rmp): đĩa quay nhanh tốc độ truyền cang cao ổ đĩa từ nóng - Số cung (sector) rãnh (track) số rãnh mặt đĩa - Thời gian tìm kiếm, thời gian chuyển đầu từ, thời gian chuyển từ trụ thời gian để đặt đầu đọc/ghi đến rãnh cần truy cập liệu - Góc quay trễ: Khi đầu từ đặt rãnh xác định, phải đợi cung yêu cầu (4ms – 7200rmp, 6ms – 5400rmp) - Thời gian truy cập liệu: thời gian tính từ điều khiển đĩa yêu cầu truy cập liệu ổ đĩa cứng thực xong Nó tổng hợp thời gian tìm, thời gian chuyển đầu từ góc quay trễ - Bộ nhớ đệm: liệu đĩa đọc hay ghi qua đầu từ bit liệu cần truy cập nhớ tạm nhớ đệm  Nguyên lý đọc ghi liệu: - 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 lớn: từ 3600rmp 15000 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 - 50 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính head: Đầu đọc/ghi di chuyển bề mặt đĩa; grain: Các thành phần hạt từ phương chúng xếp đồng hướng khoảng R, N: vị trí từ ngược/thuận (theo quy ước); Magnetic Field lines: Đường sức từ (khi đầu đọc/ghi); Binary value encoded: Giá trị tín hiệu nhị phân (0101…) nhận 5.3.2 Đĩa quang - Đĩa quang đời năm 1978 sản phẩm hợp tác công ty Sony Philips - Các thiết bị lưu trữ quang thích hợp cho việc phát hành sản phẩm văn hóa, lưu liệu hệ thống máy tính - Q trình đọc thông tin dựa phản chiếu ánh sáng 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 mặt đĩa - Hiện có loại đĩa quang: - 51 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính  Đĩa CD-ROM (Compact Disk ROM): Thơng tin lưu trữ sản xuất đĩa khơng thể xóa CD-ROM dùng để chứa phần mềm, chương trình điều khiển thiết bị…(đường kính cm, 12cm - dung lượng 650MB, lưu trữ khoảng 330 000 trang text)  Đĩa WORM (Write Once, Read Many time) đĩa ghi lần đọc nhiều lần (CD-R)  Đĩa CD-RW (CD-ReWritable): cho phép ghi đọc nhiều lần  Đĩa DVD (Digital Video Disk) có dung lượng lớn khả truy cập nhanh đĩa quang DVD chứa liệu mặt hai mặt đĩa, dung lượng tối ta lên đến 17GB Tương tự CD, DVD có nhiều loại DVD-R, DVD-RW người dùng ghi/xóa liệu nhiều lần Đĩa Blu-ray hay đĩa quang DVD định dạng Blu-ray chuẩn DVD Blu-ray HD DVD hai cơng nghệ DVD có cơng suất lưu trữ lớn ghi nội dung độ phân giải cao, gấp lần so với chuẩn DVD trước Loại đĩa có 25 GB nhớ ghi mặt đĩa đơn 12 cm, cho phép thu hình tới 13 (Ở độ phân giải chuẩn DVD, tức khoảng 720*480) so với đĩa 4,7 GB trước thu Đĩa quang có tên Disque Blu-ray áp dụng tia laser màu xanh lam để nạp thông tin vào đĩa 5.3.3 Bộ nhớ Flash - Bộ nhớ Flash dạng nhớ bán dẫn EEPROM, nhớ Flash cần điện để đọc ghi liệu tiếp tục lưu trữ liệu sau bị ngắt - Bộ nhớ Flash loại nhớ máy tính khơng khả biến Đây công nghệ sử dụng thẻ nhớ, ổ USB để lưu trữ truyền liệu máy tính thiết bị kỹ thuật số - 52 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính - Đặc điểm đặc trưng nhớ Flash chất “tĩnh” Các loại nhớ truyền thống cần nguồn cấp điện ổn định điện để lưu trữ liệu, loại nhớ flash không cần điều - Bộ nhớ Flash thường kết nối qua cổng USB, tốc độ nhanh, dung lượng lớn, với nhiều chủng loại, kích thước đa dạng đặc biệt kích thước nhỏ gọn làm cho kiểu nhớ sử dụng rộng rãi công nghệ lưu trữ giải trí 5.4 RAID - Dữ liệu lưu trữ ngày quan trọng, ổ đĩa lưu trữ liệu máy tính bị hư hại 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 (Redundat Array of Independent Disks) - Cơ chế RAID có số đặc điểm sau:  RAID tập hợp ổ đĩa cứng (vật lý) thiết lập theo số kỹ thuật mà hệ điều hành “nhìn thấy” ổ đĩa (logic)  Cơ chế đọc/ghi thông tin diễn nhiều đĩa  Trong mảng đĩa có lưu thơng tin kiểm tra lỗi liệu; Do đó, liệu phục hồi có đĩa mảng bị hư hỏng - Tùy theo mưc độ thiết lập RAID có mức (0-6): a) RAID 0: - Khi mảng thiết lập theo RAID 0, ổ đĩa logic có dung lượng tổng dung lượng đĩa thành viên - Dư liệu ghi phân tán tất đĩa mảng Đây khác biệt so với việc ghi liệu đĩa riêng lẻ bình thường Vì thời gian đọc ghi liệu đĩa tỷ lệ nghịch với số đĩa có tập hợp (số đĩa tập hợp nhiều thời gian đọc/ghi liệu nhanh) - Kiểu RAID hữu ích ứng dụng yêu cầu nhiều thâm nhập đĩa với dung lượng lớn, tốc độ cao - 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 tỷ lệ thuận với số lượng đĩa thiết lập - 53 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính Strip Strip Strip Strip RAID b) RAID (Mirror – Đĩa gương) - Sử dụng mảng đĩa, thơng tin viết vào đĩa viết vào đĩa gương, ln có thông tin - Nếu mảng đĩa bị hư, mảng đĩa lại sử dụng bình thường Kiểu thiết lập độ an tồn liệu cao, nhiên chi phí lớn, hiệu suất sử dụng đĩa thấp (50%) Strip Strip Strip Strip RAID - 54 - | Strip Strip Bài giảng – Kiến trúc máy tính CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG VÀO – RA 6.1 Tổng quan hệ thống vào – 6.1.1 Giới thiệu chung hệ thống vào –  Chức hệ thống vào/ra: Thực việc trao đổi thông tin máy tính với giới bên ngồi, máy tính mạng  Các thao tác bản: o Vào liệu (Input) o Ra (xuất) liệu (Output)  Các thành phần thiết bị vào/ra bao gồm: o Các thiết bị ngoại vi o Các module vào/ra  Đặc điểm hệ thống vào/ra: o Tồn đa dạng thiết bị ngoại vi khác (nguyên lý hoạt động, tốc độ, khuôn dạng liệu) o Tất thiết bị ngoại vi chậm CPU, RAM → cần có module vào/ra để ghép nối thiết bị ngoại vi với CPU nhớ 6.1.2 Các thiết bị ngoại vi - Chức năng: Chuyển đổi liệu bên bên ngồi máy tính - Phân loại:  Thiết bị ngoại vi giao tiếp người – máy: Bàn phím, chuột, hình, máy in…  Thiết bị ngoại vi giao tiếp máy – máy: Gồm thiết bị theo dõi kiểm tra  Thiết bị ngoại vi truyền thông: Modem, NIC (Network Interface Card) 6.2 Một số thiết bị ngoại vi 6.2.1 Màn hình 6.2.2 Bàn phím 6.2.3 Chuột 6.2.4 Máy in - 55 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: Danh sách 10 siêu máy tính (6/2013) Tianhe-2 (Trung Quốc) – Trung tâm máy tính Trung Quốc Quảng châu Đứng vị trí quán quân bảng xếp hảng siêu máy tính nhanh giới phiên nâng cấp Tianhe-1A, Tianhe-2 Siêu máy tính đến từ Trung Quốc có tốc độ ấn tượng lên tới 33,86 petaflops (1petaflop = triệu tỷ phép tính dấu chấm động/s) với hệ thống kết cấu gồm đến 3.12 triệu nhân Trong số điều kiện thuận lợi định, chí siêu máy đạt đến tốc độ khủng khiếp vào khoảng 54,9 petaflops Titan (Hoa Kỳ) – Phòng nghiên cứu quốc gia Oak Ridge, Mỹ Là phiên nâng cấp so với người tiền nhiệm mang tên Jaguar, Titan có tốc độ 17,6 petaflops, sử dụng Cray CPU Nvidia GPU 560.640 nhân Chiếc siêu máy tính - 56 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính đưa vào vận hành hoàn thiện từ đầu năm chủ yếu hoạt động lĩnh vực vật lí phân tử quy mơ, dựng mơ hình khí hậu, phản ứng tổng hợp laser lượng Sequoia (Hoa Kỳ) – Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrecen Livemore, Mỹ Sequoia thành IBM sau thời gian dài nghiên cứu bắt đầu đưa vào vận hành từ tháng Bảy năm 2012 Với tốc độ cực khủng vào cỡ 17,2 petaflops, siêu máy tính cần đến 1,6 triệu nhân xử lý Sequoia Hoa Kỳ tận dụng lĩnh vực thử nghiệm kích thích vũ khí hạt nhân, động lực học chất lỏng, nghiên cứu sâu thiên văn, lượng, gene người biến đổi khí hậu K Computer (Nhật Bản) – Viên Khoa học RINKEN, Nhật - 57 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính K Computer siêu máy tính đến từ đất nước mặt trời mọc, hoạt động dựa hệ thống phân phối nhớ gồm khoảng 80.000 máy tính tiêng biệt, tốc độ đạt 10,8 petaflops, 705.024 nhân Sparc công nghệ đa kết nối sáu chiều Tofu K Computer chủ yếu phục vụ cho việc tính tốn số liệu lượng, tính bền vững, chăm sóc sức khỏe, biến đổi khí hậu, thách thức thuộc nghiên cứu vũ trụ Mira (Hoa Kỳ) – Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Mỹ Còn có tên gọi khác "IBM Mira", Mira siêu máy tính petascale phát triển cơng nghệ Blue Gene/Q Máy có đến 787.432 nhân với tốc độ 8,6 petaflops Mira đời để phục vụ cho nghiên cứu thuộc lĩnh vực khoa học vật liệu, địa chấn học, khí hậu hóa học Siêu máy tính câu trả lời Mỹ trước đời máy tính Trung Quốc Tianhe-1A với mức chi phí để phát triển ước tính vào khoảng 180 triệu USD Stampede (Hoa Kỳ) Vận hành Trung tâm điện toán tiên tiến thuộc trường Đại học Texas, Stampede tận dụng sức mạnh vi xử lý Xenon công nghệ đa kết nối InfiniBand với tốc độ ước tính vào khoảng 5,2 petaflops Từ đời đến nay, siêu máy tính thực hện thành cơng khoảng 450.000 phép tính phức tạp vấn đề đồ địa chấn, lập mơ hình băng để nghiên cứu biến đổi khí hậu, nâng cao chất lượng hình ảnh khối u não - 58 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính Juqueen (Đức) Là hệ tiếp nối siêu máy tính Jugene, Juqueen phát triển dựa cơng nghệ Blue Gene/Q với tốc độ petaflops Juqueen có nhiệm vụ thực phép tính phức tạp lĩnh vực khoa học thần kinh, thuật toán sinh học, lượng, nghiên cứu khí hậu vật lí lượng tử Với 458.752 nhân xử lí lượng điện tiêu thụ 2.301 kilowatt, Juqueen hệ thống siêu máy tính tiết kiệm lượng giới - 59 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính Vulcan (Hoa Kỳ) Được đặt Phòng nghiên cứu Quốc gia Lawrence Livermore, California, Vulcan đời phục vụ cho hoạt động phủ, ngành cơng nghiệp quốc gia nghiên cứu trường đại học Vulcan sở hữu sức mạnh 393.216 nhân xử lý với tốc độ đạt 4,3 petaflops Chiếc siêu máy tính phát triển dựa cơng nghệ Blue Gene/Q IBM, bao gồm 24 kệ máy 24.576 điểm máy tính riêng biệt SuperMUC (Đức) SuperMUC tên siêu máy tính Trung tân Siêu điện toán Leibniz, Đức Hiện SuperMUC hoạt động dựa hệ thống máy chủ IBM iDataPlex với 300TB RAM công - 60 - | Bài giảng – Kiến trúc máy tính nghệ siêu kết nối InfiniBand đảm bảo việc 147.456 nhân xử lý hoạt động đồng đạt công suất 2,9 petaflops Được biết, để đảm bảo tối giản chi phí hoạt động, kĩ sư sử dụng phương pháp làm mát đặc biệt cho SuperMUC Cụ thể, họ giảm nhiệt cho siêu máy tính cách trực tiếp sử dụng nước nhiệt độ khoảng 40 độ C 10 Tianhe-1A (Trung Quốc) Dịch tiếng Việt có nghĩa "Thiên Hà 1", Tianhe-1A số siêu máy tính thuộc dạng petascale hoạt động giới Theo đó, Tianhe-1A khả chạy tốc độ 2.6 petaflops (2,6 tỷ phép tính giây) Chiếc siêu máy tính vận hành hệ điều hành phát triển theo tảng Linux tận dụng sức mạnh kết hợp của Intel Xenon CPU Nvidia GPU xuyên suốt 183.368 nhân xử lý Hiện siêu máy tính Tianhe-1A đặt Trung tâm Siêu điện toán quốc gia Thiên Tân, Trung Quốc với trách nhiệm xử lý phép tính cho việc khai thác dầu khí thiết kế cơng nghiệp vũ trụ - 61 - | ... Kim Khánh)  Máy tính cá nhân PC  Máy chủ (Server)  Máy tính nhúng 1.2 Kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính bao gồm hai khía cạnh:  Kiến trúc tập lệnh (Phần mềm): nghiên cứu máy tính theo cách... người sử dụng giá tiền, máy tính phân thành loại sau: -4-| Bài giảng – Kiến trúc máy tính a) Máy vi tính (Micro Computer): gọi Máy tính cá nhân PC (Personal Computer) máy tính để bàn, mang xách... - 55 - -3-| Bài giảng – Kiến trúc máy tính CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Máy tính phân loại máy tính 1.1.1 Máy tính + Khái niệm: Có nhiều hiểu, định nghĩa khác nhau:  Máy tính cơng cụ cho