Giáo trình Kiến trúc máy tính nhằm trang bị cho người đọc các nội dung chủ yếu sau: Lịch sử phát triển của máy tính, các thế hệ máy tính và cách phân loại máy tính; giới thiệu các thành phần cơ bản của một hệ thống máy tính, khái niệm về kiến trúc máy tính, tập lệnh; giới thiệu cấu trúc của bộ xử lý trung tâm: tổ chức, chức năng và nguyên lý hoạt động của các bộ phận bên trong bộ xử lý;... Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.
Mục lục Kiến trúc máy tính MỤC LỤC ***** MỤC LỤC GIỚI THIỆU TỔNG QUAN GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH .5 MỤC ĐÍCH YÊU CẦU NỘI DUNG KIẾN THỨC TIÊN QUYẾT TÀI LIỆU THAM KHẢO PHƯƠNG PHÁP HỌC TẬP CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG .7 I.1 CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH .7 Thế hệ (1946-1957) a b Thế hệ thứ hai (1958-1964) c Thế hệ thứ ba (1965-1971) d Thế hệ thứ tư (1972-????) e Khuynh hướng I.2 PHÂN LOẠI MÁY TÍNH I.3 THÀNH QUẢ CỦA MÁY TÍNH .10 QUI LUẬT MOORE VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH 10 I.4- THÔNG TIN VÀ SỰ MÃ HỐ THƠNG TIN 12 I.4.1 - Khái niệm thông tin .12 I.4.2 - Lượng thơng tin mã hố thơng tin 13 I.4.3 - Biểu diễn số: .13 I.4.4 Số nguyên có dấu 16 I.4.5 - Cách biểu diễn số với dấu chấm động: 17 I.4.6 - Biểu diễn số thập phân .19 I.4.7 - Biểu diễn ký tự 19 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG I 22 CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ .23 II.1 - THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MỘT MÁY TÍNH 23 II.2 - ĐỊNH NGHĨA KIẾN TRÚC MÁY TÍNH 25 II.3 - CÁC KIỂU THI HÀNH MỘT LỆNH 25 II.4 - KIỂU KIẾN TRÚC THANH GHI ĐA DỤNG 27 II.5 - TẬP LỆNH 27 II.5.1 - Gán trị 28 II.5.2 - Lệnh có điều kiện 29 II.5.3 - Vòng lặp .30 II.5.4 - Thâm nhập nhớ ngăn xếp 31 II.5.5 - Các thủ tục .31 II.6 - CÁC KIỂU ĐỊNH VỊ 33 Mục lục Kiến trúc máy tính II.7 - KIỂU CỦA TỐN HẠNG VÀ CHIỀU DÀI CỦA TOÁN HẠNG 34 II.8 - TÁC VỤ MÀ LỆNH THỰC HIỆN .34 II.9 - KIẾN TRÚC RISC ( REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER) 35 II.10 - KIỂU ĐỊNH VỊ TRONG CÁC BỘ XỬ LÝ RISC .37 II.10.1 - Kiểu định vị ghi 37 II.10.2 - Kiểu định vị tức .37 II.10.3 - Kiểu định vị trực tiếp 38 II.10.4 - Kiểu định vị gián tiếp ghi + độ dời 38 II.10.5 - Kiểu định vị tự tăng .38 II.11 - NGÔN NGỮ CẤP CAO VÀ NGÔN NGỮ MÁY 39 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG II 41 CHƯƠNG III: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ 42 III.1 ĐƯỜNG ĐI CỦA DỮ LIỆU .42 III.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN 44 III.2.1 Bộ điều khiển mạch điện tử 44 III.2.2 Bộ điều khiển vi chương trình: 45 III.3 DIỄN TIẾN THI HÀNH LỆNH MÃ MÁY 46 III.4 NGẮT QUÃNG (INTERRUPT) 47 III.5 KỸ THUẬT ỐNG DẪN (PIPELINE) 48 III.6 KHÓ KHĂN TRONG KỸ THUẬT ỐNG DẪN 49 III.7 SIÊU ỐNG DẪN 51 III.8 SIÊU VÔ HƯỚNG (SUPERSCALAR) 52 III.9 MÁY TÍNH CĨ LỆNH THẬT DÀI VLIW (VERY LONG INSTRUCTION WORD) 53 III.10 MÁY TÍNH VECTƠ 53 III.11 MÁY TÍNH SONG SONG 53 III.12 KIẾN TRÚC IA-64 59 a) Đặc trưng kiến trúc IA-64: 59 b) Định dạng lệnh kiến trúc IA-64 .60 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG III 62 CHƯƠNG IV: CÁC CẤP BỘ NHỚ .63 IV.1 CÁC LOẠI BỘ NHỚ 63 IV.2 CÁC CẤP BỘ NHỚ 65 IV.3 XÁC SUẤT TRUY CẬP DỮ LIỆU TRONG BỘ NHỚ TRONG 66 IV.4 VẬN HÀNH CỦA CACHE 67 IV.5 HIỆU QUẢ CỦA CACHE 72 IV.6 CACHE DUY NHẤT HAY CACHE RIÊNG LẺ .73 IV.7 CÁC MỨC CACHE 73 IV.8 BỘ NHỚ TRONG .74 IV.9 BỘ NHỚ ẢO .75 IV.10 BẢO VỆ CÁC TIẾN TRÌNH BẰNG CÁCH DÙNG BỘ NHỚ ẢO 79 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG IV 81 CHƯƠNG V: NHẬP - XUẤT 82 Mục lục Kiến trúc máy tính V.1 DẪN NHẬP 82 V.2 ĐĨA TỪ 82 V.3 ĐĨA QUANG 84 V.4 CÁC LOẠI THẺ NHỚ 86 V.5 BĂNG TỪ 86 V.6 BUS NỐI NGOẠI VI VÀO BỘ XỬ LÝ VÀ BỘ NHỚ TRONG 87 V.7 CÁC CHUẨN VỀ BUS 89 V.8 GIAO DIỆN GIỮA BỘ XỬ LÝ VỚI CÁC BỘ PHẬN VÀO RA 90 V.9 MỘT SỐ BIỆN PHÁP AN TỒN DỮ LIỆU TRONG VIỆC LƯU TRỮ THƠNG TIN TRONG ĐĨA TỪ 91 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG V 95 Giới thiệu tổng quan Kiến trúc máy tính GIỚI THIỆU TỔNG QUAN GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH MỤC ĐÍCH Giáo trình nhằm trang bị cho người đọc nội dung chủ yếu sau: Lịch sử phát triển máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính Cách biến đổi hệ thống số, bảng mã thông dụng dùng để biểu diễn ký tự Giới thiệu thành phần hệ thống máy tính, khái niệm kiến trúc máy tính, tập lệnh Các kiểu kiến trúc máy tính: mơ tả kiến trúc, kiểu định vị Giới thiệu 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, máy tính có lệnh thật dài, máy tính véc-tơ, xử lý song song kiến trúc IA-64 Giới thiệu chức nguyên lý hoạt động cấp nhớ máy tính Giới thiệu số thiết bị lưu trữ như: đĩa từ, đĩa quang, thẻ nhớ, băng từ Hệ thống kết nối phận bên máy tính Cách giao tiếp ngoại vi xử lý Phương pháp an toàn liệu thiết bị lưu trữ YÊU CẦU Sau học xong môn học này, người học trang bị kiến thức về: Sinh viên trang bị kiến thức lịch sử phát triển máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính Nắm vững khái niệm liên quan đến hệ thống số dùng máy tính Thành thạo thao tác biến đổi số hệ thống số Sinh viên có kiến thức thành phần hệ thống máy tính, khái niệm kiến trúc máy tính, tập lệnh Nắm vững kiến thức kiểu kiến trúc máy tính, kiểu định vị dùng kiến trúc, loại chiều dài toán hạng, tác vụ mà máy tính thực Phân biệt hai loại kiến trúc: CISC (Complex Instruction Set Computer), RISC (Reduced Instruction Set Computer) Các kiến thức kiến trúc RISC, tổng quát tập lệnh kiến trúc máy tính Sinh viên phải nắm vững cấu trúc xử lý trung tâm diễn tiến thi hành lệnh mã máy, sở để hiểu hoạt động xử lý lệnh kỹ thuật xử lý thơng tin máy tính Sinh viên phải hiểu cấp nhớ cách thức vận hành loại nhớ giới thiệu để đánh giá hiệu hoạt động loại nhớ Sinh viên phải nắm vững kiến thức hệ thống kết nối phận bên máy tính, cách giao tiếp ngoại vi xử lý Biết cấu tạo vận hành loại thiết bị lưu trữ phương pháp an toàn liệu đĩa cứng Giới thiệu tổng quan Kiến trúc máy tính NỘI DUNG Chương I: ĐẠI CƯƠNG Lịch sử phát triển máy tính, thơng tin mã hố thơng tin Chương II: KIẾN TRÚC PHẦN MỀM BỘ XỬ LÝ Giới thiệu thành phần hệ thống máy tính, kiến trúc máy tính, tập lệnh kiểu định vị Khái niệm kiến trúc RISC CISC, ngôn ngữ cấp cao ngôn ngữ máy Chương III: TỔ CHỨC BỘ XỬ LÝ Giới thiệu cấu trúc xử lý trung tâm: tổ chức, chức nguyên lý hoạt động phận bên xử lý Một số kỹ thuật xử lý thông tin Chương IV: CÁC CẤP BỘ NHỚ Giới thiệu chức nguyên lý hoạt động cấp nhớ máy tính Chương V: NHẬP - XUẤT Thiết bị ngoại vi: thành phần hệ thống liên kết Phương pháp an toàn liệu thiết bị lưu trữ KIẾN THỨC TIÊN QUYẾT - KỸ THUẬT SỐ (TH 313) TÀI LIỆU THAM KHẢO Kiến trúc máy tính – Võ Văn Chín, Đại học Cần Thơ, 1997 Computer Architecture: A Quantitative Approach, A Patterson and J Hennesy, Morgan Kaufmann Publishers, 2nd Edition, 1996 Computer Otganization and Architecture: Designing for Performance, Sixth Edtion, William Stallings, Prentice Hall Principles of Computer Architecture, Miles Murdocca and Vincent Heuring (internet- http://iiusaedu.com) Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, Patterson and Hennessy, Second Edition (internet-http://engronline.ee.memphis.edu) PHƯƠNG PHÁP HỌC TẬP Do giáo trình mang tính chất giới thiệu tổng qt nên người đọc cần đọc thêm tài liệu giới thiệu kiến trúc cụ thể xử lý Người đọc cần tìm hiểu thêm hình ảnh ví dụ minh hoạ tài liệu liên quan để thấy sâu vấn đề đặt Chương I: Đại cương Kiến trúc máy tính Chương I: ĐẠI CƯƠNG Mục đích: Giới thiệu lịch sử phát triển máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính Giới thiệu cách biến đổi hệ thống số, bảng mã thông dụng dùng để biểu diễn ký tự Yêu cầu: Sinh viên trang bị kiến thức lịch sử phát triển máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính Nắm vững khái niệm liên quan đến hệ thống số dùng máy tính Thành thạo thao tác biến đổi số hệ thống số I.1 CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH Sự phát triển máy tính mơ tả dựa tiến công nghệ chế tạo linh kiện máy tính như: xử lý, nhớ, ngoại vi,…Ta nói máy tính điện tử số trải qua bốn hệ liên tiếp Việc chuyển từ hệ trước sang hệ sau đặc trưng thay đổi công nghệ a Thế hệ (1946-1957) Hình 1.1: Máy tính ENIAC ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) máy tính điện tử số Giáo sư Mauchly người học trò Eckert Đại học Pennsylvania thiết kế vào năm 1943 hoàn thành vào năm 1946 Đây máy tính khổng lồ với thể tích dài 20 mét, cao 2,8 mét rộng vài mét ENIAC bao gồm: 18.000 đèn điện tử, 1.500 Chương I: Đại cương Kiến trúc máy tính cơng tắc tự động, cân nặng 30 tấn, tiêu thụ 140KW Nó có 20 ghi 10 bit (tính tốn số thập phân) Có khả thực 5.000 phép tốn cộng giây Cơng việc lập trình tay cách đấu nối đầu cắm điện dùng ngắt điện Giáo sư toán học John Von Neumann đưa ý tưởng thiết kế máy tính IAS (Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình lưu nhớ, điều khiển lấy lệnh biến đổi giá trị liệu phần nhớ, làm toán luận lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) điều khiển để tính tốn liệu nhị phân, điều khiển hoạt động thiết bị vào Đây ý tưởng tảng cho máy tính đại ngày Máy tính cịn gọi máy tính Von Neumann Vào năm đầu thập niên 50, máy tính thương mại đưa thị trường: 48 hệ máy UNIVAC I 19 hệ máy IBM 701 bán b Thế hệ thứ hai (1958-1964) Công ty Bell phát minh transistor vào năm 1947 hệ thứ hai máy tính đặc trưng thay đèn điện tử transistor lưỡng cực Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor xuất thị trường Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn lượng Vào thời điểm này, mạch in nhớ xuyến từ dùng Ngôn ngữ cấp cao xuất (như FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) hệ điều hành kiểu (Batch Processing) dùng Trong hệ điều hành này, chương trình người dùng thứ chạy, xong đến chương trình người dùng thứ hai tiếp tục c Thế hệ thứ ba (1965-1971) Thế hệ thứ ba đánh dấu xuất mạch kết (mạch tích hợp IC: Integrated Circuit) Các mạch kết độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale Integration) chứa vài chục linh kiện kết độ tích hợp mật độ trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện mạch tích hợp Mạch in nhiều lớp xuất hiện, nhớ bán dẫn bắt đầu thay nhớ xuyến từ Máy tính đa chương trình hệ điều hành chia thời gian dùng d Thế hệ thứ tư (1972-????) Thế hệ thứ tư đánh dấu IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large Scale Integration) chứa hàng ngàn linh kiện Các IC mật độ tích hợp cao (VLSI: Very Large Scale Integration) chứa 10 ngàn linh kiện mạch Hiện nay, chip VLSI chứa hàng triệu linh kiện Với xuất vi xử lý (microprocessor) chứa phần thực phần điều khiển xử lý, phát triển công nghệ bán dẫn máy vi tính chế tạo khởi đầu cho hệ máy tính cá nhân Các nhớ bán dẫn, nhớ cache, nhớ ảo dùng rộng rãi Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý máy tính khơng ngừng phát triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,… e Khuynh hướng Việc chuyển từ hệ thứ tư sang hệ thứ chưa rõ ràng Người Nhật tiên phong chương trình nghiên cứu đời hệ thứ Chương I: Đại cương Kiến trúc máy tính máy tính, hệ máy tính thơng minh, dựa ngơn ngữ trí tuệ nhân tạo LISP PROLOG, giao diện người - máy thông minh Đến thời điểm này, nghiên cứu cho sản phẩm bước đầu gần (2004) mắt sản phẩm người máy thông minh gần giống với người nhất: ASIMO (Advanced Step Innovative Mobility: Bước chân tiên tiến đổi chuyển động) Với hàng trăm nghìn máy móc điện tử tối tân đặt thể, ASIMO lên/xuống cầu thang cách uyển chuyển, nhận diện người, cử hành động, giọng nói đáp ứng số mệnh lệnh người Thậm chí, bắt chước cử động, gọi tên người cung cấp thông tin sau bạn hỏi, gần gũi thân thiện Hiện có nhiều cơng ty, viện nghiên cứu Nhật thuê Asimo tiếp khách hướng dẫn khách tham quan như: Viện Bảo tàng Khoa học lượng Đổi quốc gia, hãng IBM Nhật Bản, Công ty điện lực Tokyo Hãng Honda bắt đầu nghiên cứu ASIMO từ năm 1986 dựa vào nguyên lý chuyển động hai chân Cho tới nay, hãng chế tạo 50 robot ASIMO Các tiến liên tục mật độ tích hợp VLSI cho phép thực mạch vi xử lý ngày mạnh (8 bit, 16 bit, 32 bit 64 bit với việc xuất xử lý RISC năm 1986 xử lý siêu vô hướng năm 1990) Chính xử lý giúp thực máy tính song song với từ vài xử lý đến vài ngàn xử lý Điều làm chuyên gia kiến trúc máy tính tiên đoán hệ thứ hệ máy tính xử lý song song Thế hệ Năm 19461957 Đèn tử 19581964 Transistors Máy tính rẻ tiền Burroughs 6500, NCR, CDC 6600, Honeywell 19651971 Mach IC Máy tính mini 50 hãng mới: DEC PDP-11, Data general ,Nova 1972???? LSI - VLSI Máy tính cá Apple II, IBM-PC, Appolo nhân trạm DN 300, Sun làm việc ?? Kỹ thuật Sản phẩm Hãng sản xuất máy tính điện Máy tính điện tử IBM 701 UNIVAC tung thị trường ????-???? Xử lý song Máy tính đa xử Sequent ? Thinking song lý Đa máy tính Machine Inc.? Honda, Casio Bảng 1.1: Các hệ máy tính I.2 PHÂN LOẠI MÁY TÍNH Thơng thường máy tính phân loại theo tính kỹ thuật giá tiền a Các siêu máy tính (Super Computer): máy tính đắt tiền tính kỹ thuật cao Giá bán siêu máy tính từ vài triệu USD Các siêu máy tính thường máy tính vectơ hay máy tính dùng kỹ thuật vơ hướng thiết kế để tính tốn khoa học, mơ tượng Các siêu máy tính thiết kế với kỹ Chương I: Đại cương Kiến trúc máy tính thuật xử lý song song với nhiều xử lý (hàng ngàn đến hàng trăm ngàn xử lý siêu máy tính) b Các máy tính lớn (Mainframe) loại máy tính đa dụng Nó dùng cho ứng dụng quản lý tính tốn khoa học Dùng kỹ thuật xử lý song song có hệ thống vào mạnh Giá máy tính lớn từ vài trăm ngàn USD đến hàng triệu USD c Máy tính mini (Minicomputer) loại máy cở trung, giá máy tính mini từ vài chục USD đến vài trăm ngàn USD d Máy vi tính (Microcomputer) loại máy tính dùng vi xử lý, giá máy vi tính từ vài trăm USD đến vài ngàn USD I.3 THÀNH QUẢ CỦA MÁY TÍNH QUI LUẬT MOORE VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH Hình I-2 cho thấy diễn biến thành tối đa máy tính Thành tăng theo hàm số mũ, độ tăng trưởng máy vi tính 35% năm, loại máy khác, độ tăng trưởng 20% năm Điều cho thấy tính máy vi tính vượt qua loại máy tính khác vào đầu thập niên 90 Super Computers 1000 Mainframes 100 Mini Computers 10 Micro Processor 0.1 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Hình 1.2: Đánh giá thành máy tính Máy tính dùng thật nhiều xử lý song song thích hợp phải làm tính thật nhiều Sự tăng trưởng theo hàm số mũ công nghệ chế tạo transistor MOS nguồn gốc thành máy tính Hình I.4 cho thấy tăng trưởng tần số xung nhịp xử lý MOS Độ tăng trưởng tần số xung nhịp xử lý tăng gấp đôi sau hệ độ trì hỗn cổng / xung nhịp giảm 25% cho năm Sự phát triển công nghệ máy tính đặc biệt phát triển vi xử lý máy vi tính làm cho máy vi tính có tốc độ vượt qua tốc độ xử lý máy tính lớn 10 Chương I: Đại cương Kiến trúc máy tính Bộ xử lý Intel Năm SX Số lượng transistor tích hợp 4004 1971 2,250 8008 8080 1972 1974 2,500 5,000 8086 1978 29,000 286 1982 120,000 Intel386™ processor 1985 275,000 Intel486™ processor 1989 1,180,000 Intel® Pentium® processor 1993 3,100,000 Intel® Pentium® II processor 1997 7,500,000 Intel® Pentium® III processor Intel® Pentium® processor 1999 2000 24,000,000 42,000,000 Intel® Itanium® processor Intel® Itanium® processor 2002 2003 220,000,000 410,000,000 Hình I.3 Bảng I.2: Sự phát triển xử lý Intel dựa vào số lượng transistor mạch tích hợp theo qui luật Moore Từ năm 1965, Gordon Moore (đồng sáng lập công ty Intel) quan sát nhận thấy số transistor mạch tích hợp tăng gấp đôi sau năm, G Moore đưa dự đốn: Khả máy tính tăng lên gấp đôi sau 18 tháng với giá thành Kết quy luật Moore là: Chi phí cho máy tính giảm Giảm kích thước linh kiện, máy tính giảm kích thước Hệ thống kết nối bên mạch ngắn: tăng độ tin cậy, tăng tốc độ Tiết kiệm lượng cung cấp, toả nhiệt thấp Các IC thay cho linh kiện rời 11 Chương IV: Các cấp nhớ Kiến trúc máy tính CÂU HỎI ƠN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG IV ***** Sự khác SRAM DRAM? Trong máy tính chúng dùng đâu? Mục tiêu cấp nhớ? Nêu hai nguyên tắc mà cache dựa vào để vận hành Cho nhớ cache tương ứng trực tiếp có khối, khối có 16 byte Bộ nhớ có 64 khối Giả sử lúc khởi động máy, khối nhớ đưa lên cache a Viết bảng nhãn khối nằm cache b CPU đưa địa sau để đọc số liệu: O4AH, 27CH, 3F5H Nếu thất bại cập nhật bãng nhãn c CPU dùng cách ghi lại Khi thất bại cache, CPU dùng cách ghi có nạp Mơ tả cơng việc quản lý cache CPU đưa từ sau để ghi vào nhớ trong: 0C3H, 05AH, 1C5H 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? 81 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính Chương V: NHẬP - XUẤT Mục đích: Giới thiệu số thiết bị lưu trữ ngồi như: đĩa từ, đĩa quang, thẻ nhớ, băng từ Giới thiệu hệ thống kết nối phận bên máy tính Cách giao tiếp ngoại vi xử lý Phương pháp an toàn liệu thiết bị lưu trữ Yêu cầu: Sinh viên phải nắm vững kiến thức hệ thống kết nối phận bên máy tính, cách giao tiếp ngoại vi xử lý Biết cấu tạo vận hành loại thiết bị lưu trữ phương pháp an toàn liệu đĩa cứng V.1 DẪN NHẬP Bộ xử lý máy tính điện tử liên hệ với bên nhờ phận xuất nhập (I/O) mà ta gọi ngoại vi Các ngoại vi thơng dụng là: - Màn hình, bàn phím, chuột, máy in, thẻ mạng phận giúp người sử dụng máy tính dễ dàng - Các đĩa từ, băng từ, đĩa quang, loại thẻ nhớ phận lưu trữ thông tin trữ lượng lớn Tất ngoại vi nối vào xử lý nhớ hệ thống dây nối phức tạp tính đa dạng ngoại vi Trong chương tập trung nói đến phận lưu trữ số liệu có trữ lượng cao (đĩa từ, đĩa quang, băng từ) kết nối phận vào máy tính V.2 ĐĨA TỪ Dù công nghệ không ngừng phát minh nhiều loại phận lưu trữ lượng thơng 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 trịn đồng trục gọi rãnh Thơng thường mặt lớp đĩa có từ 10.000 đến gần 30.000 rãnh Mỗi rãnh chia thành nhiều cung (sector) dùng chứa thơng tin Một rãnh chứa từ 64 đến 800 cung Cung đơn vị nhỏ mà máy tính đọc viết (thơng thường khoảng 512 bytes) Chuỗi thông 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 82 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính 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 V.1: Cấu tạo đĩa cứng 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 Mật độ ghi không Mật độ ghi Hình V.2: 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 83 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính 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 Cơng 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 V.1: Thông số kỹ thuật đĩa cứng V.3 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 cơng nghiệp giải trí Từ năm 1980 đến nay, công nghiệp đĩa quang phát triển mạnh hai lĩnh vực giải trí lưu trữ liệu máy tính Q 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 84 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính 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 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 Thơng 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, xoá 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 hố Ngày nay, DVD sử dụng rộng rãi ứng dụng công 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, xoá ghi lại liệu lên đĩa nhiều lần Đĩa ghi mặt đĩa, dung lượng ghi mặt tối đa 4.7 GB Bảng V.2: So sánh số thông số hai loại đĩa CDROM DVDROM 85 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính 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 dùng để lưu trữ lâu dài liệu thay cho băng từ V.4 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 ô 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 V.3: Minh hoạ hai trạng thái bit nhớ thẻ nhớ V.5 BĂNG TỪ Băng từ có cơng nghệ với đĩa từ khác đĩa từ hai điểm: - 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 - 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 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 đọc-ghi 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) 86 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính V.6 BUS NỐI NGOẠI VI VÀO BỘ XỬ LÝ VÀ BỘ NHỚ TRONG Trong máy tính, xử lý nhớ liên lạc với ngoại vi bus Bus hệ thống dây cáp nối (khoảng 50 đến 100 sợi cáp riêng biệt) nhóm cáp định nghĩa chức khác bao gồm: đường liệu, đường địa chỉ, dây điều khiển, cung cấp nguồn Dùng bus có ưu điểm giá tiền thấp dễ thay đổi ngoại vi Người ta gỡ bỏ ngoại vi thêm vào ngoại vi cho máy tính dùng hệ thống bus Giá tiền thiết kế thực hệ thống bus rẻ, nhiều ngã vào/ra chia sẻ số đường dây đơn giản Tuy nhiên, điểm thất lợi bus tạo nghẽn cổ chai, điều làm giới hạn lưu lượng vào/ra tối đa Các hệ thống máy tính dùng cho quản lý phải dùng thường xuyên ngoại vi, nên khó khăn phải có hệ thống bus đủ khả phục vụ xử lý việc liên hệ với ngoại vi Một lý khiến cho việc thiết kế hệ thống bus khó khăn tốc độ tối đa bus bị giới hạn yếu tố vật lý chiều dài bus số phận mắc vào bus Các bus thường có hai loại: bus hệ thống nối xử lý với nhớ (system bus, Front Side Bus-FSB) bus nối ngoại vi (bus vào/ra – I/O bus) (hình V.4) Bus vào/ra có chiều dài lớn có khả nối kết với nhiều loại ngoại vi, ngoại vi có lưu lượng thơng tin khác nhau, định dạng liệu khác Bus kết nối xử lý với nhớ ngắn thường nhanh Trong giai đoạn thiết kế bus kết nối xử lý với nhớ, nhà thiết kế biết trước linh kiện phận mà ông ta cần kết nối lại, nhà thiết kế bus vào/ra phải thiết kế bus thoả mãn nhiều ngoại vi có mức trì hỗn lưu lượng khác (xem hình V.6) Hình V.4: Hệ thống bus máy tính 87 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính Hiện nay, số hệ thống máy tính, bus nối ngoại vi phân cấp thành hai hệ thống bus Trong đó, bus tốc độ cao (high-speed bus) hỗ trợ kết nối thiết bị tốc độ cao SCSI, LAN, Graphic, Video,…và hệ thống bus mở rộng (expansion bus) thiết kế để kết nối với ngoại vi yêu cầu tốc độ thấp như: modem, cổng nối tiếp, cổng song song,…Giữa hai hệ thống bus nối ngoại vi tổ chức hệ thống bus phân cấp giao diện đệm (hình V.5) Hình V.5: Hệ thống bus phân cấp Hình V.6: Bảng biểu diễn tốc độ liệu ngoại vi 88 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính Ta có nhiều lựa chọn việc thiết kế bus, bảng V.3 Đặc tính bus Bus hệ thống Bus nối ngoại vi Độ rộng bus Đường dây địa số liệu khác Đường địa số liệu đa hợp Độ rộng bus số liệu Càng rộng nhanh (ví dụ 64 bít) Càng hẹp tốn (ví dụ bít) Số từ chuyền Chuyển nhiều từ Chuyển đơn giản lần từ Chủ nhân bus Nhiều Một Chuyển gói Có Cần nhiều chủ nhân bus Xung nhịp Đồng Không Kết nối lần chuyển hết thông tin Bất đồng Bảng V.3: Các lựa chọn yếu cho bus Trong bảng V.3 có khái niệm sau liên quan đến chủ nhân bus - phận khởi động tác vụ đọc viết bus Ví dụ xử lý ln chủ nhân bus Một bus có nhiều chủ nhân có nhiều xử lý, ngoại vi khởi động tác vụ có dùng bus Nếu có nhiều chủ nhân bus phải có chế trọng tài để định chủ nhân quyền chiếm lĩnh bus Một bus có nhiều chủ, cấp dãi thơng rộng (bandwidth) cách sử dụng gói tin thay dùng bus cho tác vụ riêng lẻ Kỹ thuật sử dụng gói tin gọi phân chia nhỏ tác vụ (dùng bus chuyển gói) Một tác vụ đọc phân tích thành tác vụ yêu cầu đọc (tác vụ chứa địa cần đọc), tác vụ trả lời nhớ (chứa thơng tin cần đọc) Mỗi tác vụ có nhãn cho biết loại tác vụ Trong kỹ thuật phân chia nhỏ tác vụ, nhớ đọc thơng tin địa xác định bus dành cho chủ khác Bus hệ thống bus đồng bộ, gồm có xung nhịp đường dây điều khiển, nghi thức cho địa số liệu xung nhịp Do có khơng có mạch logic dùng để định hành động cần thực hiện, nên bus đồng vừa nhanh, vừa rẻ tiền Trên bus này, tất phải vận hành với xung nhịp Ngược lại, bus vào/ra thuộc loại bus bất đồng bộ, bus khơng có xung nhịp đồng hệ thống bus Thay vào có nghi thức bắt tay với quy định riêng thời gian, dùng phận phát phận thu bus Bus bất đồng dễ thích ứng với nhiều ngoại vi cho phép nối dài bus mà khơng phải lo ngại đến vấn đề đồng Bus bất đồng dễ thích ứng với thay đổi công nghệ V.7 CÁC CHUẨN VỀ 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) 89 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính 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 tơn 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 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 V.8 GIAO DIỆN GIỮA BỘ XỬ LÝ VỚI CÁC BỘ PHẬN VÀO RA Bộ xử lý dùng cách để liên lạc với phận vào ra: Cách thứ nhất, thường dùng: cách dùng vùng địa nhớ làm vùng địa ngoại vi Khi đọc hay viết vào vùng địa nhớ liên hệ đến ngoại vi Cách thứ hai, dùng mã lệnh riêng biệt cho vào/ra (tức có lệnh vào/ra riêng, khơng trùng với lệnh đọc hay viết vào ô nhớ) Trong trường hợp này, xử lý gởi tín hiệu điều khiển cho biết địa dùng ngoại vi Vi mạch Intel 8086 máy IBM 370 ví dụ xử lý dùng lệnh vào/ra riêng biệt Dù dùng cách để định vị vào/ra phận vào/ra có ghi để cung cấp thông tin trạng thái điều khiển Bộ phận vào/ra dùng bit trạng thái “sẵn sàng” để báo cho xử lý sẵn sàng nhận số liệu Định kỳ xử lý xem xét bít để biết phận vào có sẵn sàng hay không Phương pháp phương pháp thăm dò (polling) Và nhược điểm phương pháp làm thời gian xử lý định kỳ phải thăm dị tính sẵn sàng thiết bị ngoại vi Điều nhận thấy từ lâu dẫn đến phát minh ngắt quãng (interrupt) để báo cho xử lý biết lúc có phận vào/ra cần phục vụ Việc dùng ngắt quãng làm cho xử lý không thời gian thăm dị xem ngoại vi có u cầu phục vụ hay không, xử lý phải thời gian chuyển liệu Thông thường việc trao đổi số liệu ngoại vi CPU theo khối số liệu, nên vi mạch thâm nhập trực tiếp nhớ (DMA: Direct Memory Access) dùng nhiều máy tính để chuyển khối nhiều từ mà khơng có can thiệp CPU Hình V.7 Sơ đồ hoạt động hệ thống bus có vi mạch DMA 90 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính DMA vi mạch chức đặc biệt Nó chuyển số liệu ngoại vi nhớ trong, lúc CPU rãnh rỗi để làm cơng việc khác Vậy DMA nằm CPU tác động chủ nhân bus Bộ xử lý khởi động ghi DMA, ghi chứa địa ô nhớ số byte cần chuyển DMA chủ động chuyển số liệu chấm dứt trả quyền điều khiển cho xử lý Vi mạch DMA thơng minh cơng việc CPU nhẹ Nhiều vi mạch gọi xử lý vào/ra (hay điều khiển vào/ra) thực cơng việc theo chương trình cố định (chứa ROM), hay theo chương trình mà hệ điều hành nạp vào nhớ Hệ điều hành thiết lập hàng chờ đợi gồm khối điều khiển phận vào/ Các khối chứa thông tin vị trí số liệu (nguồn đích) số số liệu Các xử lý vào/ra lấy thông tin hàng chờ đợi, thực việc cần phải làm gởi CPU tín hiệu ngắt thực xong cơng việc Một máy tính có xử lý vào/ra xem máy tính đa xử lý DMA giúp cho máy tính thực lúc nhiều q trình Tuy nhiên xử lý vào/ra không tổng quát xử lý chúng làm số việc định Hơn xử lý vào/ra không chế biến số liệu xử lý thường làm Nó di chuyển số liệu từ nơi sang nơi khác V.9 MỘT SỐ BIỆN PHÁP AN TỒN DỮ LIỆU TRONG VIỆC LƯU TRỮ THƠNG TIN TRONG ĐĨA TỪ 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 thơng tin Ổ 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) gương) Với chế đọc/ghi thông tin diễn nhiều đĩa (ghi đan chéo hay soi 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: i) 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 91 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính 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) Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip 10 Strip 11 Strip 12 Strip 13 Strip 14 Strip 15 Hình V.8: RAID ii) RAID (Mirror - Đĩa gương): Phương cách thông thường tránh thông tin ổ đĩa bị hư dùng đĩa gương, tức dùng đĩa Khi thơng 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 không cao (50%) Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip Strip 10 Strip 11 Strip Strip Strip 10 Strip 11 Strip 12 Strip 13 Strip 14 Strip 15 Strip 12 Strip 13 Strip 14 Strip 15 Hình V.9: RAID iii) 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 hoá, 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 92 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính b0 b1 b2 b3 F1(b) F0(b) F2(b) Hình V.10: RAID iii) RAID 3: Dùng kỹ thuật ghi song song, kỹ thuật này, mảng thiết lập với yêu cầu tối thiểu đĩa có thông 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 thơng 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 lại, hệ thống tái tạo thông tin Hiệu suất sử dụng đĩa cho cách thiết lập n-1/n RAID thiết lập phần cứng (RAID controller) b0 b1 b2 b3 P(b) Hình V.11: RAID iv) 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 tốn 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 Block Block1 Block2 Block3 P(0-3) B4 B5 B6 B7 P(4-7) B8 B9 B10 B11 P(8-11) B12 B13 B14 B15 P(12-15) Hình V.12: RAID 93 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính v) 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 Block1 Block2 B4 B5 B6 P(4-7) B7 B8 B9 P(8-11) B10 B11 B12 P(1215) B13 B14 B15 P(16-19) B16 B17 B18 B19 Block Block3 P(0-3) Hình V.13: RAID vi) 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 Ngồi 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 thông tin hoạt động hiệu an toàn Block1 Block2 B4 B5 B6 B8 B9 B12 P(16-19) Block P(0-3) Q(0-3) P(4-7) Q(4-7) B7 P(8-11) Q(8-11) B10 B11 P(12-15) Q(12-15) B13 B14 B15 Q(16-19) B16 B17 B18 B19 Block3 Hình V.14: RAID ***** 94 Chương V: Nhập xuất Kiến trúc máy tính CÂU HỎI ƠN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG V ***** Mô tả vận hành ổ đĩa cứng Cách lưu trữ thông tin ổ đĩa cứng Mơ tả biện pháp an tồn việc lưu trữ thông 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? Thế chủ nhân bus? Khi bus có nhiều chủ nhân làm để giải tranh chấp bus? Giải thích việc nới rộng dãi thơng cách sử dụng gói tin Sự khác biệt xử lý vào xử lý trung tâm máy tính 95 ... điển hình máy tính 24 Kiến trúc máy tính Chương II: Kiến trúc phần mềm xử lý II.2 - ĐỊNH NGHĨA KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Kiến trúc máy tính bao gồm ba phần: Kiến trúc phần mềm, tổ chức máy tính lắp đặt... lệnh kiến trúc máy tính u cầu :Sinh viên có kiến thức thành phần hệ thống máy tính, khái niệm kiến trúc máy tính, tập lệnh Nắm vững kiến thức kiểu kiến trúc máy tính, kiểu định vị dùng kiến trúc, ... tổng quan Kiến trúc máy tính GIỚI THIỆU TỔNG QUAN GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH MỤC ĐÍCH Giáo trình nhằm trang bị cho người đọc nội dung chủ yếu sau: Lịch sử phát triển máy tính, hệ máy tính cách