1. 2 Tổ chức máy tính:
1.4. Bộ nhớ chín h Chuẩn thiết bị lưu trữ
1.4.1. Giới thiệu về bộ nhớ chính (trong)
- Giới thiệu:
Bộ nhớ máy tính (Computer data storage), thường được gọi là ổ nhớ (storage) hoặc bộ nhớ (memory), là một thiết bị công nghệ bao gồm các phần tử máy tính và lưu trữ dữ liệu, được dùng để duy trì dữ liệu số. Nó là một linh kiện cơ bản có chức năng cốt lõi của các máy tính.
Bộ nhớ máy tính bao gồm cácbộ nhớ điện tĩnh (non-volatile memory) để lưu trữ được dữ liệu của máy tính một cách lâu dài (khi kết thúc một phiên làm việc của máy tính thì dữ liệu không bị mất đi), hoặcbộ nhớ điện động(volatile memory) để lưu dữ liệu tạm thời trong quá trình làm việc của máy tính (khi kết thúc một phiên làm việc của máy tính thì bộ nhớ này bị mất hếtdữ liệu).
Các thiết bị lưu trữdữ liệucho bộ nhớ lâu dài bao gồm:Đĩa cứng, Đĩa mềm, Đĩa quang, Băng từ, ROM, các loại bút nhớ...
Các thiết bị lưu trữdữ liệutạm thời trong quá trình làm việc: RAM máy tính, Cache... Hầu hết các bộ nhớ nêu trên thuộc loại bộ nhớ có thể truy cập dữ liệu ngẫu nhiên, riêng băng từ là loại bộ nhớ truy cập tuần tự.
Bộ nhớ máy tính có thể chia thành hai dạng: Bộ nhớ chính (trong) (main memory) và bộ nhớ ngoài (phụ) (external storage).
- Phân loại bộ nhớ chính:
Bộ nhớ chính thường được chia làm 2 loại: ROM và RAM.
Bộ nhớ chỉ đọc (ROM – Read Only Memory):
ROM là bộ nhớ bán dẫn chỉ dùng để đọc. Các chương trình và dữ liệu ghi lên ROM thì được lưu trữ trong thời gian dài ngay cả khi mất điện, thông tin cũng không bị mất. Vì vậy ROM dùng để chứa các phầm mềm khởi động và một số hệ thống cơ sở khác được gọi là ROM BIOS nằm trên bo mạch chính.
Ngoài ra một số card cũng có ROM chứa các lệnh bổ sung cho ROM BÍO và các trình điều khiển cho card đó, đặc biệt những card cần hoạt động ngay (card màn hình, card mạng). Các card không cần trình điều khiển ngay thì không cần có ROM vì các trình điều khiển này thường được nạp từ ổ đĩa trong quá trình khởi động.
Bộ nhớ được chia làm các loại sau:
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 34 + Maskable ROM (ROM mặt nạ): Nội dung được ghi cố định ngay trong quá trình chế tạo vi mạch và không thể thay đổi được nữa.
+ PROM (Progammable ROM): PROM là loại ROM có thể lập trình, khi sản xuất xong chúng không chứa gì ở trong (ROM trắng), người sử dụng có thể dùng một thiết bị chuyên dụng (bàn nạp ROM) nạp dữ liệu vào cho nó (gọi là “đốt ROM”). Sau khi được nạp thì nội dung của PROM cũng không thể thay đổi được nữa.
+ EPROM (Erasable PROM): Là loại ROM người sử dụng có thể nạp nội dung bằng thiết bị chuyên dụng. Tuy nhiên có thể dùng tia tử ngoại xóa nội dung cũ di và ghi nội dung mới.
+ EEPROM (Electrically Erasable PROM) còn gọi là Flash ROM: EEPROM là loại ROM đặc biệt có thể xóa được ở mức tín hiệu bình thường trong máy tính, có thể lập trình lại cho ROM mà không cần tháo ROM ra khỏi máy. Được sử dụng hầu hết trong việc sản xuất BIOS ROM cho các máy tính và nhiều thiết bị khác.
Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM – Random Access Memory):
Tất cả dữ liệu đưa vào bộ vi xử lý hoặc lấy ra sau khi đã xử lý xong đều được lưu trữ trong RAM (là nơi cất giữ tạm thời các chương trình và dữ liệu đang được thực hiện bởi bộ vi xử lý). Bộ nhớ là môi trường làm việc của bộ vi xử lý và được bộ vi xử lý định địa chỉ. Dữ liệu trong RAM được lưu trữ tạm thời vì khi bị mất điện hoặc khởi động lại thì dữ liệu sẽ bị mất. Như vậy muốn dữ liệu được lưu trữ lâu dài thì phải dùng thiết bị lưu trữ khác (ổ đĩa cứng, đĩa mềm, đĩa quang).
Bộ nhớ RAM được tổ chức theo từ nhớ (ô nhớ) và được truy cập vào các ô nhớ một cách ngẫu nhiên. Mỗi ô nhớ có một đĩa chỉ riêng.
Bộ nhớ RAM tĩnh:
+ SRAM (Static Random Access Memory)
+ SRAM có cấu tạo từ các mạch Flip-Flop (mạch 2 trạng thái cân bằng ổn định), khi phần tử nhớ đã được thiết lập thì nó giữ nguyên trạng thái, chỉ thay đổi khi thiết lập trạng thái mới.
+ Tốc độ truy cập dữ liệu nhanh khoảng 10-25 ns (ns: nano giây)
Công thức chuyển từ thời gian truy cập sang MHz: 1000/ns = MHz hoặc 1000/MHz = ns. + Ví dụ: Ram có tốc độ truy cập 10 ns tương ứng với 100 MHz.
+ SRAM được lắp trên khe SIMM với bus 32 bit.
+ Do cấu tạo phức tạo nên khó chế tạo với dung lượng lớn và giá thành đắt. Hiện nay hầu như không được sản xuất làm bộ nhớ chính.
+ Cache: Do SRAM có tốc độ truy cập nhanh nên được sử dụng làm bộ nhớ cache (bộ nhớ tốc độ cao, bộ nhớ đệm) để hỗ trợ cho bộ vi xử lý ở tốc độ cao khi bộ nhớ chính có tốc độ thấp.
Bộ nhớ RAM động:
+ DRAM được cấu tạo từ các tranzitor và tụ điện, phần tử nhớ được nạp vào tụ điện. Trên tụ điện có điện trở dò cho nên đến ngưỡng nào đó, tụ sẽ phóng điện và dẫn đến làm mất thông tin. Để không bị mất thông tin sau mỗi chu kỳ phải nạp thêm điện áp lên tụ, công việc này được gọi là làm tươi RAM (Refresh). DRAM có tốc độ truy cập chậm hơn SRAM, được lắp trên khe DIMM rộng 64 bit (bus của khe lắp RAM). Do cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, dung lượng lớn và giá thành hạ nên DRAM luôn được phát triển và cải tiến phù hợp với tốc độ của CPU.
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 35 + Bộ nhớ RDRAM (RamBus RAM): Được thiết kế với công nghệ hoàn toàn mới, được lắp trên khe RIMM có 184 chân. Tốc độ RDRAM đạt 800 MHz nhưng giá thành lại rất đắt, do đó hiện nay không thông dụng loại bộ nhớ này.
+ Bộ nhớ RAM Video: Để đưa dữ liệu ra màn hình phải dùng card điều khiển màn hình (card video). Trên card này người ta dùng bộ nhớ RAM để lưu trữ tạm dữ liệu. Bộ nhớ RAM Video cũng phát triển theo tốc độ của bộ nhớ chính (tức là cũng sử dụng công nghệSDRAM). Hiện nay đa số các card video đều sử dụng công nghệ DDRAM.
+ Bộ nhớ SDRAM-RAM động đồng bộ (Synchronous DRAM): Chạy đồng bộ với bus bộ nhớ (bus bộ nhớ do chipset điều khiển), SDRAM vẫn là loại RAM động nên thời gian xác định địa chỉ vẫn như cũ nhưng thời gian tổng chu kỳ nhanh hơn nhiều so với SRAM. SDRAM có hỗ trợ bus hệ thống từ 66-100-133 MHz, thường được gọi là PC 100 –PC 133 MHz, được lắp trên khe DIMM 168 chân. Có thể thấy rằng cụm từ "đồng bộ" cũng đã phần nào đó cho biết về hành vi của loại DRAM này. Vào khoảng cuối năm 1996, SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory) bắt đầu xuất hiện trong các hệ thống máy tính trên toàn thế giới. Không giống như nhữngcông nghệ RAM trước đây, SDRAM được thiết kế để tự động đồng bộ hóa với thời gian của CPU. Điều này cho phép bộ điều khiển bộ nhớ (memory controller) nắm bắt được chính xác chu kỳ xung nhịp khi mà dữ liệu được yêu cầu sẵn sàng để sử dụng, do vậy, CPU không còn phải mất thời gian chờ giữa các chu kỳ truy cập bộ nhớ, qua đó giúp cải thiện đáng kể tốc độ tổng thể của hệ thống. Ví dụ: PC66 SDRAM chạy ở tốc độ 66MT/s, PC100 SDRAM chạy ở tốc độ 100MT/s, PC133 SDRAM chạy ở tốc độ 133 MT/s,... SDRAM có thể được dùng để viết tắt cho cụm từ SDR SDRAM (Single Data Rate SDRAM), trong đó, I/O, internal clock và bus clock là như nhau. Ví dụ, I/O, internal clock và bus clock của PC133 đều là 133Mhz. Còn Single Data Rate (tạm dịch: Tốc độ dữ liệu đơn) có nghĩa là SDR SDRAM chỉ có thể đọc/ghi một lần trong một chu kỳ xung (clock cycle). Tóm lại, SDRAM có thể chạy ở tốc độ xung nhịp cao hơn nhiều so với bộ nhớ thông thường.
+ Bộ nhớ DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM): Là thiết kế cải tiến của bộ nhớ SDRAM cho phép dữ liệu truyền với tốc độ gấp đôi trong một xung nhịp đồng hồ so với SDRAM (thay vì một lần ở SDRAM) vì vậy hiệu suất truyền tăng gấp 2 lần. Ví dụ như DDR SDRAM có hỗ trợ bus hệ thống từ 266-333-400-533-800 MHz thì tương ứng có tốc độ truyền 2,1-2,6-3,2 GB/giây, gọi là PC 2100, PC 2700, PC 3200 …, được lắp trên khe DDR DIMM có 184 chân. Hiện có các loại DDR I/II/III/IV, trong đó DDR IV hiện đang được sử dụng rộng rãi.Còn RAM DDR V dự kiến ra mắt năm 2022.
DDR SDRAM- RAM động đồng bộ tốc độ dữ liệu kép (Double Data Rate SDRAM) còn gọi DDR I: Thế hệ tiếp theo của SDRAM chính là DDR (Double Data Rate). Như
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 36 tên gọi chúng ta cũng có thể thấy rằng DDR SDRAM là cải tiến của bộ nhớ SDR với tốc độ truyền tải gấp đôi SDR nhờ vào việc truyền tải 2 lần trong một chu kỳ bộ nhớ, từ đó tăng gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu mà không làm tăng tần số xung nhịp. Như vậy, tốc độ truyền của DDR SDRAM là gấp đôi SDR SDRAM mà không thay đổi xung nhịp nội bộ (internal clock). DDR SDRAM về cơ bản là thế hệ bộ nhớ DDR đầu tiên, sở hữu bộ đệm tìm nạp trước (prefetch buffer) là 2 bit, gấp đôi SDR SDRAM. Tốc độ truyền của DDR nằm trong khoảng từ 266 đến 400 MT/s. DDR 266 MHz và DDR 400 MHz cũng thuộc loại RAM này.
DDR II SDRAM (Double Data Rate Two SDRAM - SDRAM tốc độ dữ liệu kép 2): DDR II là thế hệ thứ hai của DDR với lợi thế lớn nhất so với DDR là có tốc độ bus cao gấp đôi tốc độ xung, điều này đạt được là nhờ tín hiệu bus đã được cải thiện đáng kể. Prefetch buffer của DDR II là 4 bit (gấp đôi so với trên DDR). Bộ nhớ DDR II có cùng tốc độ xung nhịp(133 ~ 200 MHz) với DDR, nhưng lại sở hữu tốc độ truyền có thể đạt tới 533 ~ 800MT/s với tín hiệu bus I/O cải tiến. Các loại bộ nhớ DDR II 533 MHz và DDR II 800 MHz được sử dụng phổ biến trên thị trường Việt Nam.
DDR III SDRAM (Double Data Rate Three SDRAM - SDRAM tốc độ dữ liệu kép 3): Bộ nhớ DDR III giúp giảm mức tiêu thụ điện năng lên tới 40% so với các mô-đun DDR II hiện tại, cho phép dòng điện và điện áp hoạt động thấp hơn (1.5V, so với 1.8V của DDR II và 2.5 của DDR). Tốc độ truyền của DDR III rơi vào khoảng 800 ~ 1600MT/s. Prefetch buffer của DDR III là 8 bit, trong khi của DDR II là 4 bit và DDR chỉ là 2 bit. Ngoài ra, DDR III cũng được bổ sung thêm 2 chức năng, đó là ASR (Automatic Self-Refresh) và SRT (Self-Refresh Temperature), giúp bộ nhớ có khả năng kiểm soát tốc độ làm mới theo sự thay đổi của nhiệt độ. DDRIII 1066 MHz và DDR III 1333 MHz được sử dụng phổ biến trên thị trường Việt Nam.
Hình 1.37 RAM DDR hay còn gọi DDR I
Hình 1.38 RAM DDR II
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 37 DDR IV SDRAM (Double Data Rate Fourth SDRAM - SDRAM tốc độ dữ liệu kép 4): DDR IV SDRAM cung cấp điện áp hoạt động thấp hơn (1.2V) và tốc độ truyền cao hơn so với các thế hệ trước. Tốc độ truyền của DDR IV rơi vào khoảng 2133 MT/s trở lên, và đồng thời nó cũng được trang bị thêm 4 công nghệ Bank Group mới, trong đó mỗi Bank Group đều có tính năng hoạt động độc lập. DDR IV có thể xử lý 4 dữ liệu trong một chu kỳ xung nhịp, vì vậy rõ ràng hiệu quả của mà loại RAM này mang lại tốt hơn đáng kể so với DDR III. Ngoài ra, DDR IV cũng còn được bổ sung thêm một số chức năng hữu ích khác, chẳng hạn như DBI (Data Bus Inversion), CRC (Cyclic Redundancy Check) và CA parity. Những tính năng này có thể giúp tăng cường tính toàn vẹn tín hiệu của bộ nhớ DDR IV, cũng cải thiện tính ổn định của khả năng truyền và truy cập dữ liệu. Hiện tại dòng DDR IV 1600 MHz và DDR IV 2400 MHz được dùng phổ biến.
1.4.2. Chuẩn thiết bị lưu trữ:1.4.2.1 Giới thiệu 1.4.2.1 Giới thiệu
Là tập hợp các quy định, phương thứcgiúp trao đổi dữ liệu giữa máy tính với các thiết bị lưu trữ.
1.4.2.2 Phân loại.
ATA (AT Attachment) là một chuẩn giao tiếp kết nối giữa máy tính và các ổ đĩa cứng, ổ đĩa quang trong máy tính:
ATA được một nhóm gọi là Technical Committee T13 chịu trách nhiệm về tất cả các liên quan đến giao tiếp ATA nối tiếp cũng như ATA song song. T13 là một nhóm trong Uỷ ban quốc tế về tiêu chuẩn công nghệ thông tin (tạm dịch của International Committee on Information Technology Standards, viết tắt:INCITS) được hoạt động dựa theo các quy tắc, tiêu chuẩn theo ANSI. Một nhóm thứ hai gọi là Serial ATA International Organization chịu trách nhiệm tiêu chuẩn hoá tất cả các giao diện ATA nối tiếp.
Các phiên bản ATA:
ATA-1: Phát triển 1988, công bố năm 1994, loại bỏ năm 1999.
ATA-2 (còn gọi là Fast-ATA, Fast-ATA-2, hoặc EIDE): Phát triển năm 1993, công bố năm 1996, loại bỏ năm 2001. Chế độ PIO (Programmed I/O) nhanh hơn; CHS/LBA BIOS translation defined up to 8.4GB; PC-Card.
ATA-3: Phát triển năm 1995, công bố năm 1997, loại bỏ năm 2002. SMART.
ATA-4 (Ultra-ATA/33): Phát triển năm 1996, công bố năm 1998. Có chế độ UDMA; ATAPI Packet Interface; BIOS hỗ trợ tới 136.9GB.
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 38 ATA-5 (Ultra-ATA/66): Phát triển năm 1998, công bố năm 2000. Chế độ UDMA nhanh hơn; dây cáp 80 chân.
ATA-6 (Ultra-ATA/100): Phát triển năm 2000, công bố năm 2002. Chế độ UDMA với tốc độ 100MBps; extended drive and BIOS support up to 144PB. Phát triển năm 2000, công bố năm 2002.
ATA-7 (Ultra-ATA/133 hoặc Serial ATA): Chế độ UDMA với tốc độ 133MBps; chuẩn SATA. Có 3 loại Sata 1 150MBps, Sata 2 300 MBps và Sata 3 600 MBps.
ATA-8 (Ultra-ATA/133 hoặc Serial ATA): Phát triển năm 2004. Phiên bản phụ.
Trong đó: SMART = Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology (tạm dịch: Công nghệ tự động giám sát, phân tích và báo cáo). ATAPI = AT Attachment Packet Interface. CHS = Cylinder, Head, Sector. LBA = Logical block address (tạm dịch: địa chỉ khối). PIO = Programmed I/O. DMA = direct memory access. UDMA = Ultra DMA. SATA = Serial ATA.
SCSI (Small Computer System Interface):
thực chất là một loại bus mở rộng phức tạp. Tương tự EIDE, SCSI là bus điều khiển dòng dữ liệu (I/O) giữa bộ xử lý và thiết bị ngoại vi (thông dụng nhất chính là đĩa cứng). Nhưng khác EIDE, SCSI nối vào bus PCI và ISA thông qua host adapter – thiết bị không giữ chức năng điều khiển mà chỉ điều phối, liên kết thiết bị SCSI thành chuỗi luận lý. Bộ điều khiển SCSI thực sự nằm trên mạch của từng ổ đĩa cứng. Nếu xét về số lượng thiết bị quản lý, SCSI thực sự mạnh vì có thể quản lý đến 8 thiết bị (tính cả host adapter); trong khi IDE chỉ quản lý được 2 ổ đĩa cứng và EIDE hỗ trợ 4 thiết bị. Hơn nữa, giao tiếp SCSI còn thích hợp với nhiều chủng loại thiết bị: ổ đĩa cứng, ổ CD-ROM, ổ CD-R, ổ quang, máy in, máy quét, bộ chuyển đĩa, card mạng,…
Thường ta hay nối các thiết bị như ổ đĩa cứng, ổ CD-ROM … vào máy tính qua hai lọai cổng IDE và SCSI. Trong khi cổng IDE chỉ cho phép nối với hai thiết bị thì SCSI cho phép nối với 8 thiết bị khách nhau. Trong khi cổng IDE thường gắn liền với Mainboard thì SCSI lại dùng card riêng biệt gọi là SCSI-Control với một đoạn cáp bản chuyên dùng (có một số Mainbord đã có sẵn SCSI-Control).
Mỗi thiết bị trong chuỗi, kể cả host adapter, đều được cấp một định danh duy nhất để phân biệt. Định danh thiết bị phải không trùng nhau và không cần tương ứng theo thứ tự vật lý. Hầu hết host adapter SCSI đều có cổng trong và ngoài để người dùng linh hoạt mở rộng chuỗi thiết bị. Khác với các chuẩn giao tiếp đĩa cứng khác, bạn phải đặt thiết lập kết thúc (terminate) tại hai thiết bị đầu và cuối chuỗi nhằm loại bỏ hiện tượng dội tín hiệu và đảm bảo sự toàn vẹn dữ liệu truyền trên bus. Thiết lập terminatecũng linh hoạt: có thể dùng jumper vật lý hoặc thiết lập từ phần mềm.
Chuỗi thiết bị SCSI hỗ trợ đến 8 thiết bị, sử dụng ID từ 0 đến 7. Card SCSI (host) thường chọn ID 7 và khởi động hệ điều hành từ thiết bị có ID nhỏ nhất. Hầu hết hệ thống SCSI đặt ID