Giáo trình Cấu trúc máy tính (Nghề: Quản trị mạng - Cao đẳng) - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

(NB) Giáo trình Cấu trúc máy tính cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về cấu trúc máy tính, về tổ chức và hoạt động bộ vi xử lý, các thành phần phần trong hệ thống máy tính và các biện pháp kĩ thuật cơ bản. Cấu trúc máy tính là môn học cơ sở để sinh viên có thể thực hành bảo trì hệ thống máy tính.

BỘ LAO ĐỘNG -THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ -š› & š› - GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: CẤU TRÚC MÁY TÍNH NGHỀ: QUẢN TRỊ MẠNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: 248b/QĐ-CĐNKTCN ngày 17 tháng năm 2019 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ Hà Nội, năm 2021 (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 MÃ TÀI LIỆU: MHQTM 08 LỜI GIỚI THIỆU Chìa khóa để hướng tới xã hội thơng tin phát triển công nghệ thông tin (CNTT), nhiên để phát triển CNTT lâu dài bền vững, đào tạo kiến thức nhất, mà nội dung đào tạo phải trang bị sinh viên kiến thức tảng, sở tạo cho sinh viên phát huy tính sáng tạo, chủ động việc tiếp thu nghiên cứu, ứng dụng CNTT Do đó, trường đào tạo, sinh viên phải trang bị kiến thức tảng CNTT thể thiếu mơn học Cấu trúc máy tính Hiện có nhiều giáo trình cấu trúc máy tính, nhiên hầu hết giáo trình đáp ứng đối tượng sinh viên đại học Giáo trình viết chủ yếu cho đối tượng sinh viên trường dạy nghề Giáo trình cung cấp cho sinh viên kiến thức cấu trúc máy tính, tổ chức hoạt động vi xử lý, thành phần phần hệ thống máy tính biện pháp kĩ thuật Cấu trúc máy tính mơn học sở để sinh viên thực hành bảo trì hệ thống máy tính Giáo trình bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan cấu trúc máy tính Chương 2: xử lý Chương 3: Bộ nhớ Chương 5: Thiết bị nhớ ngồi Trong chương có giới thiệu mục tiêu, nội dung câu hỏi tập Giáo trình xem nguồn tài liệu cung cấp thông tin cho giáo viên giảng dạy, đồng thời tài liệu học tập cho sinh viên Nhân ban biên soạn xin cảm ơn lãnh đạo đồng nghiệp trường Cao đẳng nghề Đà Nẵng tạo điều kiện giúp đỡ, cho ý kiến quý báu trình biên soạn giáo trình Vì thời gian có hạn lần giáo trình soạn thảo nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 23 tháng 04 năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên Nguyễn Thị Thủy Tập thể Giảng viên Khoa CNTT Mọi thơng tin đóng góp chia sẻ xin gửi hòm thư nguyenthuyanc@gmail.com, liên hệ số điện thoại 0362234187 MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH 1.Các mốc lịch sử phát triển công nghệ máy tính 2.Thơng tin mã hóa thơng tin 2.1 Khái niệm thông tin lượng thông tin 2.2 Sự mã hóa thơng tin Đặc điểm hệ máy tính điện tử 14 3.1 Thế hệ thứ nhất: (1945-1955) 14 3.2 Thế hệ thứ hai: (1955-1965) 14 3.3 Thế hệ thứ ba: (1965-1980) 14 3.4 Thế hệ thứ tư: (1980- ) 14 Kiến trúc tổ chức máy tính 15 4.1 Khái niệm kiến trúc máy tính 15 4.2 Khái niệm tổ chức máy tính 16 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 16 CHƯƠNG 2: BỘ XỬ LÝ 17 Mục tiêu 17 1.Sơ đồ khối xử lý 17 Bộ điều khiển 18 3.1 Chức điều khiển 18 3.2 Các phương pháp thiết kế điều khiển 19 Tiến trình thực lệnh máy 20 3.1 Đọc lệnh 20 3.2 Giải mã lệnh 21 3.3 Nhận liệu 21 3.4 Thực lệnh 22 3.5 Lưu trữ kết 22 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 23 CHƯƠNG 3: BỘ NHỚ 24 Nội dung chính: 24 Phân loại nhớ 24 1.1 Phân loại nhớ theo phương pháp truy nhập 24 1.2.Phân loại theo đọc ghi nhớ 24 Các loại nhớ bán dẫn 24 2.1.ROM (Read Only Memory) 24 2.2.RAM (Random Access Memory) 25 2.3.1 Hệ thống nhớ phân cấp 28 2.3.2 Kết nối nhớ với xử lý 30 2.3.3.Các tổ chức cache 30 2.3.4 Cache (bộ nhớ đệm nhanh) 30 2.3.5 Tổ chức cache 31 2.3.6 Các phương pháp ánh xạ địa 32 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 35 CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ NHỚ NGOÀI 36 Nội dung 36 1.Các thiết bị nhớ vật liệu từ 36 1.1 Đĩa từ (đĩa cứng, đĩa mềm) 36 1.2 Băng từ 38 2.Thiết bị nhớ quang học 39 2.1 CD-ROM, CD-R/W 39 2.2 DVD-ROM, DVD-R/W 39 2.3 Bluray 40 3.Các loại thẻ nhớ 40 An toàn liệu lưu trữ 41 4.1 RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) 41 4.2 Các loại RAID 41 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: Cấu trúc máy tính Mã mơn học: MHQTM 08 * Vị trí, tính chất mơn học: - Vị trí: Mơn học Kiến trúc máy tính bố trí học sau mơn học chung, mơn tin học đại cương, tin học văn phòng, kỹ thuật điện-điện tử học với mô đun lắp ráp cài đặt máy tính - Tính chất: Là mơn học kỹ thuật sở thuộc môn học đào tạo nghề - Ý nghĩa vai trị mơn học: Đây mơn học đào tạo chuyên môn nghề, cung cấp cho sinh viên kỹ nghề Quản trị mạng máy tính * Mục tiêu mơn học: - Về kiến thức: + Trình bày lịch sử máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính + Mơ tả thành phần kiến trúc máy tính, tập lệnh Các kiểu kiến trúc máy tính: mơ tả kiến trúc, kiểu định vị + Trình bày cấu trúc xử lý trung tâm: tổ chức, chức nguyên lý hoạt động phận bên xử lý + Trình bày chức nguyên lý hoạt động loại nhớ + Trình bày phương pháp lưu trữ liệu nhớ ngồi - Về kỹ năng: + Mơ tả diễn tiến thi hành lệnh mã máy số kỹ thuật xử lý thông tin: ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vô hướng + Cài đặt chương trình lệnh điều khiển Assembly để thực toán theo yêu cầu - Về lực tự chủ trách nhiệm + Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an tồn cho người phương tiện học tập + Tự học, sáng tạo để bình tĩnh thuyết trình với hỗ trợ phần mềm máy tính Nội dung mơn học Số TT I II III IV Tên chương, mục Tổng quan kiến trúc máy tính 1.Các mốc lịch sử phát triển cơng nghệ máy tính 2.Thơng tin mã hóa thơng tin 3.Đặc điểm hệ máy tính điện tử 4.Kiến trúc tổ chức máy tính 5.Các mơ hình kiến trúc máy tính Bộ xử lý Sơ đồ khối xử lý Đường dẫn liệu Bộ điều khiển Bộ nhớ Phân loại nhớ Các loại nhớ bắn dẫn Hệ thống nhớ phân cấp Kết nối nhớ với xử lý Các tổ chức cache Thiết bị nhớ 1.Các thiết bị nhớ vật liệu từ 2.Thiết bị nhớ quang học 3.Các loại thẻ nhớ 4.An toàn liệu lưu trữ Cộng Thời gian Thực Tổng Lý Kiểm hành, số thuyết tra Bài tập 1 10 10 1 30 20 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã chương :MHQTM 08-01 Mục tiêu: - Trình bày lịch sử phát triển máy tính, thành tựu máy tính; - Trình bày khái niệm thơng tin; - Mô tả đ ược kiến trú c máy tính; - Biến đổi hệ thống số, bảng mã thông dụng dùng để biểu diễn ký tự Nội dung chính: 1.Các mốc lịch sử phát triển cơng nghệ máy tính Mục tiêu: Trình bày lịch sử phát triển máy tính, thành tựu máy tính 30 năm trước, 5150 đời phá vỡ quan điểm trước máy tính Lần đầu tiên, máy tính nhìn nhận thiết bị có kích thước vừa phải, hợp túi tiền cơng chúng ý nhiều Hình 1.1: 1982: Franklin Ace 100 Đây máy tính gây vụ kiện quyền phần mềm lịch sử Acer bị Apple kiện vi phạm nhãn hiệu hàng hóa chép phần cứng phần mềm máy tính Apple II cho Franklin Ace 100 Trong vụ kiện này, phần thắng thuộc Apple 1982: Commodore 64 Có thể coi Commodore máy tính dành cho hộ gia đình tiếng Từ năm 1982 tới năm 1993, gần 30 triệu máy Commodore 64 bán toàn giới XT nâng cấp máy tính cá nhân 5150 IBM XT có ổ cứng 10 MB Sản phẩm IBM sau nhanh chóng trở thành máy tính tiêu chuẩn Hình 1.2: 1983: Apple Lisa Lisa máy tính tiêu dùng có giao diện đồ họa Tuy nhiên, giá 10.000 USD trở thành rào cản đưa sản phẩm đến với người tiêu dù 1984: Macintosh Macintosh thu thành công vang dội tới mức 30 năm đó, sản phẩm máy tính Apple coi kế thừa trực tiếp Macintosh Macintosh có giao diện đồ họa Lisa mức giá "mềm" nhiều giúp sản phẩm dễ tiêu thụ Hình 1.3: 1990: NeXT Máy tính NeXT sản xuất công ty riêng Steve Jobs thành lập sau ông rời Apple vào năm 1985 Tuy nhiên, máy tính trở nên quan trọng lý khác: mẫu máy tính Tim Berners-Lee dùng làm máy chủ World Wide Web Hình 1.4: 1996: Deep Blue Năm 1994, máy tính Deep Thought IBM bị kiện tướng cờ vua Garry Kasparov đánh bại cách dễ dàng Tháng năm 1996, máy tính Deep Blue đánh thắng Garry Kasparov hiệp đấu Đây lần đương kim vô địch giới thất bại ván cờ trước đối thủ máy tính.Tuy nhiên, hiệp sau Deep bị Garry Kasparov chinh phục Sau lần thất bại này, kỹ sư IBM sức nghiên cứu nâng cấp Deep Blue trở lại "phục thù", đánh bại kiện tướng cờ vua vào năm 1997, trình diễn khả xử lý chưa thấy lịch sử trước Hình 1.5: 1998: iMac iMac xóa hình ảnh nhàm chán máy tính cá nhân màu xám Apple cách mạng hóa hình ảnh máy tính với mẫu iMac nhiều màu sắc sặc sỡ Hiện iPad? - Bộ nhớ cache: L0, L1, L2, , Lm-1 (m Lines) - Kích thước Block = 8, 16, 32, 64, 128 byte n n n Một số Block nhớ nạp vào Line cache Nội dung Tag (thẻ nhớ) cho biết Block nhớ chứa Line Khi CPU truy nhập (đọc/ghi) từ nhớ, có hai khả xảy ra: - Từ nhớ có cache (cache hit) - Từ nhớ khơng có cache (cache miss) Vì số line cache số block nhớ nên cần có thuật giải ánh xạ thơng tin nhớ cache 2.3.6 Các phương pháp ánh xạ địa a Ánh xạ trực tiếp Mỗi Block nhớ nạp vào Line cache: B0 L0 B1 L1 Bm-1 Lm-1 Bm L0 Bm+1 L1 Tổng quát: Bj nạp vào Lj mod m , m số Line cache Hình 4.7: Sơ đồ ánh xạ trực tiếp 32 Đặc điểm ánh xạ trực tiếp: + Mỗi địa N bit nhớ gồm ba trường: n Trường Word gồm W bit xác định từ nhớ Block hay Line: 2W = kích thước Block hay Line n Trường Line gồm L bit xác định số Line cache: 2L = số Line cache = m n Trường Tag gồm T bit: T = N - (W+L) + Bộ so sánh đơn giản + Xác suất cache hit thấp b Ánh xạ liên kết toàn phần n Mỗi Block nạp vào Line cache n Địa nhớ bao gồm hai trường: - Trường Word giống trường hợp - Trường Tag dùng để xác định Block nhớ n Tag xác định Block nằm Line Hình 4.8: Sơ đồ ánh xạ tồn phần Đặc điểm ánh xạ liên kết toàn phần: - So sánh đồng thời với tất Tag nhiều thời gian - Xác suất cache hit cao - Bộ so sánh phức tạp 33 c Ánh xạ liên kết tập hợp Cache đươc chia thành Tập (Set) Mỗi Set chứa số Line Vídụ: Line/Set 4-way associative mapping Ánh xạ theo nguyên tắc sau: B0 S0 B1 S1 B2 S2 Hình 4.9: Sơ đồ ánh xạ liên kết tập hợp Đặc điểm ánh xạ liên kết tập hợp: n Kích thước Block = 2W Word n Trường Set có S bit dùng để xác định số V = 2S Set n Trường Tag có T bit: T = N -(W+S) n Tổng quát cho hai phương pháp n Thông thường 2,4,8,16 Lines/Set * Các giải thuật thay block cache + Thuật giải thay (1): Ánh xạ trực tiếp - Không phải lựa chọn - Mỗi Block ánh xạ vào Line xác định 34 - Thay Block Line + Thuật giải thay (2): Ánh xạ liên kết - Được thực phần cứng (nhanh) - Random: Thay ngẫu nhiên - FIFO (First In First Out): Thay Block nằm lâu Set - LFU (Least Frequently Used): Thay Block Set có số lần truy nhập khoảng thời gian - LRU (Least Recently Used): Thay Block Set tương ứng có thời gian lâu khơng tham chiếu tới Tối ưu * Phương pháp ghi liệu cache hit n n Ghi xuyên qua (Write-through): Ghi cache nhớ chính, tốc độ chậm Ghi trả sau (Write-back): Chỉ ghi cache, tốc độ nhanh, Block cache bị thay cần phải ghi trả Block nhớ * Cache xử lý Intel Ø 80386: Khơng có cache chip Ø 80486: 8KB cache L1 chip Ø Pentium: có cache L1 chip - Cache lệnh = 8KB - Cache liệu = 8KB Ø Pentium4: hai mức cache L1 L2 chip - Cache L1: Mỗi cache 8KB, Kích thước Line = 64byte, ánh xạ liên kết tập hợp đường - Cache L2: 256KB, Kích thước Line = 128byte, ánh xạ liên kết tập hợp đường * Các mức Cache Việc dùng cache làm cho cách biệt kích thước thời gian thâm nhập cache nhớ lớn Người ta đưa vào nhiều mức cache: • Cache mức (L1 cache): thường cache (on-chip cache; nằm bên CPU) • Cache mức hai (L2 cache) thường cache (off-chip cache; cache nằm bên CPU) CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Sự khác SRAM DRAM? Trong máy tính chúng dùng đâu? Mục tiêu cấp nhớ? Sự khác biệt cache nhớ ảo? 35 CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ NHỚ NGOÀI Mã chương : MHQTM 08.3 Mục tiêu - Mô tả cấu tạo vận hành loại thiết bị lưu trữ; - Trình bày phương pháp để đảm bảo an toàn liệu lưu trữ; - Phân biệt hệ thống kết nối bản, phận bên máy tính, cách giao tiếp thiết bị ngoại vi xử lý; - Thực thao tác an toàn với máy tính Nội dung 1.Các thiết bị nhớ vật liệu từ Mục tiêu : Biết cấu tạo vận hành loại thiết bị nhớ vật liệu từ Các thiết bị nhớ thông dụng là: - Các đĩa từ, băng từ, đĩa quang, loại thẻ nhớ phận lưu trữ thông tin trữ lượng lớn 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 1.1 Đĩa từ (đĩa cứng, đĩa mềm) 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 khơng xét đến thiết bị chương trình mà nói đến đĩa cứng Trong giáo trình mơ 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 3.600 – 15.000 vòng phút Các lớp đĩa làm kim loại với hai mặt phủ chất từ tính (Hình 5.1) Đường kính đĩa thay đổi từ 1,3 inch đến inch Mỗi mặt lớp đĩa chia thành nhiều đường tròn đồng trục gọi rãnh (Track) 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 Số sector track khác từ phần rìa đĩa vào đến vùng tâm đĩa, ổ đĩa cứng chia 10 vùng mà vùng có số sector/track 36 Với kỹ thuật ghi mật độ khơng đều, tất rãnh có số cung, điều làm cho cung dài rãnh xa trục quay có mật độ ghi thông tin thấp mật độ ghi cung nằm gần trục quay Hình 5.1: Cấu tạo đĩa cứng Với công 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 Mật độ ghi khơng Hình 5.2: 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 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 ln 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 37 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 5.1: Thông số kỹ thuật đĩa cứng 1.2 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 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) 38 2.Thiết bị nhớ quang học Mục tiêu : Biết cấu tạo vận hành loại thiết bị nhớ quang học 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, cơng 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 thông 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 CDROM 75 khối/s hay 153.600 byte/s hay 150KB/s (1X) 2.1 CD-ROM, CD-R/W 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, đĩa 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 2.2 DVD-ROM, DVD-R/W DVD (Digital Video Disk – Digital Versatile Disk): Ra đời phục vụ cho công nghiệp giải trí, đĩa chứa hình ảnh video số hố 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 39 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 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 2.3 Bluray Blu-ray HD DVD hai công 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 3.Các loại thẻ nhớ Mục tiêu : Biết cấu tạo vận hành loại thiết bị nhớ quang học 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 40 Hình 5.3: Minh hoạ hai trạng thái bit nhớ thẻ nhớ An toàn liệu lưu trữ Mục tiêu: Hiểu phương pháp để đảm bảo an toàn liệu lưu trữ 4.1 RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) Người ta thường trọng đến an toàn lưu giữ thơng tin đĩa từ an tồn thông 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 tồn (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 thông tin kiểm tra lỗi liệu liệu phục hội có đĩa mảng bị hư hỏng 4.2 Các loại RAID i) RAID 0: Thực ra, kỹ thuật không nằm số kỹ thuật có chế an toàn 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 41 (RAID controller) hay phần mềm (Stripped Applications) Hình 5.4: RAID ii) 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 thơng 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%) Hình 5.5: 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 42 phát lỗi RAID thích hợp cho hệ thống yêu cầu giảm thiểu khả xảy nhiều đĩa hư hỏng lúc Hình 5.6:RAID iii) 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 thơng tin gốc đĩa, người ta cần có đủ thông tin để phục hồi thông 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 5.7: 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 43 Hình 5.8: RAID 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 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) Cơ chế khắc phục khuyết điểm nêu chế RAID Hình 5.9: 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 tồn liệu có đĩa mảng bị hư hỏng Ngoài ra, hư hỏng liệu phần mềm hay chủ quan người khơng đề cập chương trình Người dùng cần phải có kiến thức đầy đủ hệ thống để hệ thống thông tin hoạt động hiệu an tồn Hình 5.10: RAID 44 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 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 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Việt Kiến trúc máy tính Nhà xuất Đại học quốc Gia Hà Nội 2007 [2] Msc Võ Văn Chín, Th.s Nguyễn Hồng Vân Giáo trình kiến trúc máy tính Khoa CNTT Đại học cần thơ 2009 [3] Tống Văn On, Hoàng Đức Hải Hợp ngữ & Lập trình ứng dụng Nhà xuất lao động-xã hội 2004 46 ... cho sinh viên kỹ nghề Quản trị mạng máy tính * Mục tiêu mơn học: - Về kiến thức: + Trình bày lịch sử máy tính, hệ máy tính cách phân loại máy tính + Mơ tả thành phần kiến trúc máy tính, tập lệnh... QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH Mã chương :MHQTM 0 8-0 1 Mục tiêu: - Trình bày lịch sử phát triển máy tính, thành tựu máy tính; - Trình bày khái niệm thơng tin; - Mơ tả đ ược kiến trú c máy tính; - Biến... quan kiến trúc máy tính 1.Các mốc lịch sử phát triển cơng nghệ máy tính 2.Thơng tin mã hóa thơng tin 3.Đặc điểm hệ máy tính điện tử 4.Kiến trúc tổ chức máy tính 5.Các mơ hình kiến trúc máy tính Bộ