Môn học: KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (2 credits) Các thiết bị ngoại vi.PGS TS. Nguyễn Đình Việt

8.1 Khái quát8.1.1 Khái niệm về thiết bị ngoại vi peripherals • TBNV là các thiết bị mạch logic liên hệ với bộ vi xử lý, cần thiết cho hoạt động cơ sở của máy tính trừ mạch tạo xung đồng

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

8.3 Màn hình (Video Display, Monitor)

8.3.1 Nguyên lý của phương pháp hiển thị hình ảnh video

8.3.2 Phương pháp quét mành

8.3.3 Làm tươi hình ảnh bằng phương pháp DMA

8.3.6 Hiển thị thông tin

8.4 Đĩa từ và đĩa quang

8.4.2 Nguyên lý ghi từ, đầu từ

8.4.3 Các phương pháp mã hoá số liệu ghi lên đĩa

8.4.5 Đĩa cứng - HDD (Hard Disk Drive)

8.4.6 Đĩa quang (optical disc, Compact Disc)

8.5 Máy in - Printer

8.5.4 Máy in laser

8.1 Khái quát

8.1.1 Khái niệm về thiết bị ngoại vi (peripherals)

• TBNV là các thiết bị (mạch logic) liên hệ với bộ vi xử lý, cần thiết cho hoạt động cơ sở của máy tính (trừ mạch tạo xung đồng hồ và bộ nhớ trong)

• TBNV thường liên hệ với CPU thông qua các cổng vào/ra và cung cấp cho hệ thống những khả năng logic phụ, hoặc được sử dụng để nối ghép hệ VXL với những hệ thống phi điện tử

• Trong một số trường hợp:

• Chức năng của TBNV có thể được thực hiện bằng phần mềm (in các font chữ khác nhau trên máy in kim)

• Kết hợp giữa phần mềm và các thiết bị ngoại vi rẻ tiền để nâng cao tính năng hoạt động của chúng.

• Khi thiết kế các thiết bị ngoại vi, người ta đặc biệt chú ý tới sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm

• 2 loại TBNV: thiết bị vào và thiết bị ra, có một số thiết bị thực hiện cả 2 chức năng vào và ra

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

1 Làm phương tiện trao đổi thông tin giữa hệ thống máy tính và con người hoặc

giữa các hệ thống máy tính với nhau

2 Làm các bộ nhớ trung gian, với các dung lượng khác nhau.

• Yêu cầu chung đối với các thiết bị ngoại vi:

• Tốc độ vào/ra số liệu phải cao

• Các lỗi xuất hiện trong quá trình vào/ra phải được xử lý kịp thời và dễ dàng

8.1 Khái quát

8.1.3 Nguyên lý cấu tạo và đặc điểm của thiết bị ngoại vi

• Nhiều TBNV áp dụng nguyên lý cơ điện hoặc làm nhiệm vụ giao tiếp giữa người và máy tính

 Tốc độ hoạt động của các TBNV này phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ thao tác của người sử dụng và vào chính các giác quan của con người.

 Tốc độ làm việc chậm hơn tốc độ hoạt động của CPU rất nhiều

• Khắc phục nhược điểm nêu trên: sử dụng phương pháp nhớ đệm Bộ đệm (buffer): RAM thuộc CPU hoặc thuộc chính TBNV

• Theo ph.pháp này sự truyền thông tin giữa CPU và TBNV được chia thành 2 bước:

• 1: Bộ nhớ trong  buffer Tốc độ bằng tốc độ hoạt động của CPU, theo các lệnh từ CPU.

• 2: Buffer  TBNV Tốc độ được quyết định bởi tốc độ của TBNV, được điều khiển nhờ tín hiệu điều khiển của bộ nhớ đệm còn bộ nhớ đệm lại được điều khiển bởi tín hiệu của CPU.

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

Việt

6/53

8.1 Khái quát

8.1.3 Nguyên lý cấu tạo và đặc điểm của thiết bị ngoại vi

• Trong khoảng thời gian của bước 2 thì bộ nhớ trong sẽ không liên kết trực tiếp với bộ nhớ đệm, nhờ vậy mà CPU có thể làm các việc khác:

 Tốc độ hoạt động tương đối thấp của TBNV không gây ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc của CPU

 Người ta có thể tổ chức để cho một CPU có thể làm việc đồng thời với nhiều TBNV, theo nguyên tắc phân chia thời gian

• Theo cơ chế hoạt động này bộ nhớ đệm phải được trang bị một thiết bị chỉ báo trạng thái bận khi chưa đưa hết dữ liệu ra TBNV

• Thời gian thực hiện bước 1, TBNV coi như nghỉ, nhưng thời gian này là ngắn (RAMRAM)

8.2 Bàn phím - Keyboard

8.2.1 Giới thiệu

8.2.2 Chuyển mạch cơ khí

8.2.3 Các phương pháp tạo mã bàn phím

8.2.4 Mã Scan của bàn phím máy IBM PC hoặc tương thích

8.2.5 Liên lạc giữa bàn phím và CPU ở IBM PC/XT/AT

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

Việt

8/53

8.2.1 Giới thiệu

• Là một trong các thiết bị ngoại vi chuẩn (stdin – Standard Input device)

• Thuộc loại đơn giản nhất trong một hệ thống máy tính, nó bao gồm một tập hợp các công tắc, thường được bố trí thành một ma trận.

• Với mỗi tổ hợp phím xác định được ấn xuống mạch tạo mã sẽ tạo ra một con số nhận diện cho phím đó, sau đó con số này được gửi vào CPU.

• Thiết kế của bàn phím luôn luôn được cải tiến và rất khác nhau giữa các nhà sản xuất,

từ dạng của các tiếp điểm tới cách tổ chức các tiếp điểm.

• Trong các loại bàn phím cũ, lối ra của bàn phím là một bó dây song song, nối từ các công tắc tới CPU

• Ngày nay số dây nối chỉ còn vài dây (4 hoặc 5)

• Trong nhiều loại bàn phím người ta sử dụng các tiếp điểm điện.

• Cũng có loại công tắc sử dụng sự thay đổi điện dung hay điện cảm của một mạch

điện.

8.2.2 Chuyển mạch cơ khí

• Việc tạo mức logic (hình bên dưới, trái)

• Sự rung của tiếp điểm và việc khử rung:

• Bằng phần cứng (hình bên dưới, phải)

• Bằng phần mềm

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

Việt

10/53

8.2.3 Các phương pháp tạo mã bàn phím

• Bàn phím ngày nay có mạch tạo mã bàn phím nằm

ngay bên trong nó; trước đây: nằm trong máy

• Hình vẽ: mạch tạo mã 8 đầu vào (8 phím):

• 3 đầu ra mã phím: A0, A1,A2

• Đầu ra GS:

• Báo có phím được ấn

• + Đưa vào mạch điện hay một chương trình sử dụng

để khử nhiễu rung cơ khí

• + Tạo ngắt (sau khi chốt tín hiệu).

• Cách sắp xếp song song các phím chỉ thuận tiện khi

số phím là nhỏ, chẳng hạn không quá 16 phím

8.2.3 Các phương pháp tạo mã bàn phím

• Giảm số đầu vào của mạch tạo mã  giảm kích thước.

• Các tiếp điểm (phím) nằm ở chỗ giao nhau hàng - cột.

• Đơn vị “Cửa ra” lần lượt đặt từng dây hàng xuống mức

logic 0 Đó thực chất là một decoder với tất cả các đầu ra

được đảo; Đầu vào chính là “data BUS”.

• Tín hiệu (Output Device Select Pulse) để điều

khiển chốt đầu vào.

ODSP

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

Việt

12/53

8.2.3 Các phương pháp tạo mã bàn phím

• Đơn vị “Cửa vào” thực chất là một encoder (xem mục

4.1.3 Bộ dồn/phân kênh và bộ giải mã), với:

• Các lối vào đảo, chính là các dây cột của ma trận

• Lối ra là “Data bus”

• Tín hiệu (Input Device Select Pulse) để chốt đầu

ra của đơn vị “Cửa vào”, cách ly nó khỏi Data bus khi đơn

vị “Cửa ra” nhận dữ liệu từ “data BUS”.

• Trong khi một hàng của ma trận đang có mức 0, đơn vị

“Cửa vào” kiểm tra từng dây cột xem có dây nào có mức

logic 0 hay không, nếu đúng:

• Phím nối với cột đó và hàng đang xét đang được ấn.

• Gửi địa chỉ cột ra Data bus.

IDSP

• Loại trừ các tổ hợp phím không cho phép.

• Khử nhiễu rung cơ khí

• Phân biệt một phím đã được ấn nhiều lần hay chỉ được ấn một lần song được giữ xuống trong một một khoảng thời gian dài

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

Việt

14/53

8.2.4 Mã Scan của bàn phím máy IBM PC hoặc tương thích

• Mã scan (scan code): đặc trưng cho vị trí trên bàn phím của phím có tác động.

8.2.5 Liên lạc giữa bàn phím và CPU ở IBM PC/XT/AT

• Cứ mỗi lần có một tác động phím, mạch điện tử của bàn phím lại gây ra ngắt 9 (chương trình phục vụ bàn phím của ROM_BIOS) - INT 9 sẽ:

• Đọc cổng 60h để biết tác động phím nào đã xảy ra - tức là đọc mã scan tương ứng.

• Chuyển đổi mã scan đó thành mã dài 2 byte, byte thấp: mã ASCII, byte cao: mã scan Với các phím đặc biệt (như: Function, Numeric keypad ), byte thấp chứa 0 và byte cao chứa mã scan.

• Đặt mã 2 byte này vào hàng đợi bàn phím:

• Bắt đầu: 0: 041EH, kéo dài 32 byte ứng với 16 phím.

• Vector con trỏ đầu vùng đệm: 0:041AH; Đuôi: 0: 041CH; Nếu 2 vector trùng nhau = bộ đệm rỗng.

• Các mã này sẽ nằm yên ở đây cho đến khi được một chương trình như DOS, BASIC.v.v lôi dần ra sử dụng, mỗi khi chúng cần đọc từ bàn phím

• Các phím lật (Toggle keys): Shift, CapsLock, Numlock.v.v

• Được lưu trạng thái tại địa chỉ 0:417 và 0:418

• INT 9 thường xuyên kiểm tra các byte này trước khi chuyển mã scan sang mã 2 byte

• Các phím tổ hợp (4): Ctrl_Alt_Del, Shift_PrtScr, Ctrl_NumLock, Ctrl_Break

Khi INT 9 coi là lệnh để thực hiện ngay tức khắc chứ không lưu lại mã vào trong hàng đợi bàn phím

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

Việt

16/53

8.3 Màn hình (Video Display, Monitor)

• Là một trong các thiết bị ngoại vi chuẩn (stdout – Standard Output device)

• Thông tin hiển thị là chữ, số (text) hoặc đồ hoạ (graphics).

• Hiện nay có hai loại màn hình đang được sử dụng phổ biến là:

• Màn hình tia âm cực - CRT (Cathode Ray Tube)

• Màn hình tinh thể lỏng - LCD (Liquid Crystal Display)

• CRT: thông dụng hơn do rẻ hơn, khả năng hiển thị rất phong phú.

• LCD: chưa thông dụng bằng CRT do đắt hơn, khả năng thể hiện màu sắc và ánh sáng còn chưa bằng loại CRT (hiện nay) Ưu: mỏng, gọn nhẹ, tiêu thụ ít năng lượng hơn

8.3.1 Nguyên lý của phương pháp hiển thị hình ảnh video

8.3.2 Phương pháp quét mành

8.3.3 Làm tươi hình ảnh bằng phương pháp DMA

8.3.6 Hiển thị thông tin

8.3.1 Nguyên lý của phương pháp hiển thị hình ảnh video

• Màn hình máy tính tuy có kích thước hữu hạn nhưng về mặt toán học lại chứa vô hạn điểm.

• Để có thể hiển thị thông tin cần:

• Lưu trữ các thông tin mô tả thuộc tính sáng của từng điểm trên màn hình trong bộ nhớ

• Truyền các thông tin của từng điểm từ bộ nhớ ra thiết bị màn hình

• Việc lưu trữ hoặc truyền một lượng thông tin lớn vô hạn là không thể thực hiện được

 Phải nghiên cứu kỹ các đặc điểm của thị giác con người để dựa vào đó xây dựng các phương pháp hiển thị tốt nhất có thể thực hiện được một cách hữu hiệu.

• Khả năng phân giải hữu hạn của mắt người: 1’ (góc 1 phút)  hết sức quan trọng: chỉ cần hiển thị một số hữu hạn điểm của màn hình

• Hiện tượng lưu ảnh trên võng mạc: 25 lần/giây: không nhận ra được sự nhấp nháy

 Sử dụng phương pháp quét mành để hiển thị thông tin tĩnh và động trên màn hình.

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

• Trên mỗi dòng chỉ cần hiển thị một số hữu hạn điểm ảnh - pixel (Picture element), đó là đơn vị nhỏ nhất của hình ảnh, nó có kích thước hữu hạn

8.3.2 Phương pháp quét mành Xác định số dòng của một mành:

• k=B/h thường được chọn bằng 4/3 căn cứ vào

việc khi nhìn một hình ảnh dưới góc 80 theo chiều

ngang và 60 theo chiều đứng thì hình ảnh hoàn

toàn nằm trong “điểm vàng”.

z = 2arctg[h/(2(4 6))h]/(1/60) = 600 840 dòng

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

Việt

20/53

8.3.2.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của CRT

• Hệ thống lái tia điện tử (điện

trường hoặc từ trường)

• Điều chế dòng tia điện tử (G1)

8.3.2.2 Nguyên lý tổng hợp màu sắc và cấu tạo đèn hình màu

• Phổ tần số của ánh sáng trắng

• Là tổ hợp của các bước sóng có giá trị thay đổi liên tục

• Ba màu cơ bản: Red, Green, Blue

• Trộn lại theo các tỷ lệ nhất định, thì có thể tạo lại cảm giác màu của tất cả các màu có trong thiên nhiên

• Về mặt kỹ thuật, có thể chọn các bộ ba màu cơ bản không hoàn toàn giống nhau

• Việc trộn màu được thực hiện trên mặt CRT màu: bố trí 3 hạt màu cơ bản gần nhau, tạo

thành 1 pixel

• Sự tổng hợp màu sắc xảy ra trong mắt người

• Bộ 3 màu (Triad màu) và các kiểu màn hình

• Tam giác đều, bộ ba màu (Color Triad)

• 3 hình chữ nhật ngang (Trinitron) v.v

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

Việt

22/53

8.3.2.2 Nguyên lý tổng hợp màu sắc và cấu tạo đèn hình màu

Khả năng hiển thị màu sắc và độ phân giải của các loại màn hình

• Độ phân giải màu phụ thuộc vào:

- Mật độ Triad màu & dải tần số truyền qua của kênh truyền tín hiệu hình ảnh

• Số tổ hợp màu có thể nhận được phụ thuộc vào:

- Khả năng điều khiển cường độ của từng màu cơ bản

- Dung lượng bộ nhớ để lưu trữ thông tin về thuộc tính của các pixel

Bài tập:

- Sinh viên đọc tại 8.3.2.2

8.3.3 Làm tươi hình ảnh bằng phương pháp DMA

Việc làm tươi hình ảnh

• Để nhận được (cảm giác) hình ảnh tồn tại liên tục, dù là ảnh tĩnh hay là ảnh động

• Tần số làm tươi cần phải đủ lớn, thường được chọn  50 mành/giây

Sử dụng phương pháp DMA để làm tươi hình ảnh

• Quá trình làm tươi hình ảnh thực chất là quá trình liên tục chuyển nội dung của bộ nhớ hiển thị lên màn hình, lượng thông tin phải vận chuyển rất lớn, trong hiển thị đồ hoạ chất lượng cao

• Để CPU không phải làm việc này, có thể sử dụng một đơn vị chức năng chuyên trách – DMAC

• Phương pháp này được gọi là phương pháp truy cập trực tiếp bộ nhớ DMA (Direct Memory

Access)

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

• Bộ nhớ hiển thị, thường thuộc Main memory.

• Trong IBM PC/AT và tương thích đều có card màn hình, trên đó có CRTC, toàn bộ hoặc một phần bộ nhớ hiển thị

• DMAC đọc nội dung của bộ nhớ hiển thị rồi chuyển ra một cổng dẫn tới mạch điều chế dòng tia điện tử

• Người ta áp dụng một số phương pháp đặc biệt để việc DMAC đọc bộ nhớ hiển thị không cản trở việc CPU đọc/ghi vào bộ nhớ này  hoạt động làm tươi hình ảnh là trong suốt

8.3.4 Một số chuẩn của màn hình máy tính

• Chuẩn Hercule (đơn sắc):

– 720 x 348 x 1

– Ma trận chữ: 9 x 14

• Chuẩn CGA (Color Graphics Adapter)

– 640 x 200 x 4/16 (Color mode), hoặc 640 x 200 x 1 (Mono chrome mode)

– Ma trận chữ: 8 x 8

• Chuẩn EGA (Enhanced Graphics Adapter)

– 640 x 350 x 16/64

– Ma trận chữ: 8 x 14 (có RAM chứa fonts)

• Chuẩn VGA (Video Graphics Array)

– 640 x 480 x 16/256

– Ma trận chữ: 9 x 14 (có RAM chứa fonts)

! Không có chuẩn chung Super VGA

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

Việt

26/53

8.3.6 Hiển thị thông tin 8.3.6.1 Hiển thị thông tin chữ số và nửa đồ hoạ

• Mỗi kí tự và mẫu đồ hoạ đơn giản có một mã ASCII tương ứng (0-127; 128-255)

• Hình dạng được thể hiện bằng một ma trận điểm: 5x7, 8x8, 7x9, 8x14, 9x14.v.v.

• NSD có thể lựa chọn các bộ ma trận ký tự khác nhau và cũng có thể xây dựng lấy

• Chúng ta sẽ lấy ma trận 5x7, như trên hình làm thí dụ

• Ký tự R sẽ được biểu diễn bằng 7 nhóm 5 bit như sau:

11110, 10001, 10001, 11110, 10100, 10010, 10001

• Byte 1: nhóm 5 bit đầu tiên (11110) và 3 bit tiếp theo của của nhóm 5 bit thứ hai (100)

• Byte 2: 2 bit còn lại của nhóm 5 bit thứ hai (01), cả nhóm 5 bit thứ ba (10001) và bit

đầu tiên của nhóm 5 bit thứ tư (1)

• Quá trình này cứ tiếp diễn, hết ký tự R sang ký tự S v.v mỗi ma trận ký tự cần 35 bit

bộ nhớ

8.3.6 Hiển thị thông tin 8.3.6.1 Hiển thị thông tin chữ số và nửa đồ hoạ

• Giữa hai dòng kí tự thường có vài dòng quét phân cách (không có tín hiệu) cho dễ đọc

• Khi quét hết các dòng thứ 7 của các ma trận ký tự ứng với dòng chữ dưới cùng của màn hình tia điện tử đã hoàn thành việc quét một mành, nó sẽ được điều khiển chuyển lên góc trên bên trái của màn hình để lặp lại quá trình quét

Kiến trúc máy tính, K54CA, 2010 PGS TS Nguyễn Đình

Việt

28/53

8.3.6 Hiển thị thông tin

8.3.6.1 Hiển thị thông tin chữ số và nửa đồ hoạ

- Mã ASCII của ký tự cần hiển thị  tính địa chỉ byte đầu tiên của nhóm byte chứa ma trận ký tự đó.

- Nếu biết được tia điện tử đang quét dòng thứ bao nhiêu của màn hình thì có thể trích ra nhóm bit cần thiết ứng với một hàng của ma trận ký tự cần hiển thị.

- Chuyển nhóm bit từ dạng song song sang nối tiếp để đưa tới bộ phận điều chế tia điện tử.

8.3.6 Hiển thị thông tin

8.3.6.2 Hiển thị thông tin đồ hoạ

• Có ý nghĩa rất lớn nhờ tính trực giác của nó

• Ngày nay các máy vi tính cũng có khả năng đồ hoạ

• Các chip LSI làm nhiệm vụ điều khiển hiển thị đồ hoạ, gọi tắt là GDC (Graphics Display

Controller), các GDC đều làm việc theo nguyên lý quét mành, chúng không trực tiếp điều

khiển CRT mà điều khiển bộ nhớ hiển thị

• Mỗi điểm ảnh (pixel) ứng với 1 bit trong trường hợp hiển thị đen trắng, hoặc ứng với 1 nhóm bit trong trường hợp hiển thị màu hoặc đen trắng với các mức đậm nhạt khác nhau

Quá trình hiển thị đồ hoạ, chương trình con vẽ điểm:

• Chức năng cơ sở nhất: vẽ điểm, ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của cả hệ đồ hoạ

• Cần phải chuyển đổi toạ độ điểm (x,y) trên màn hình sang địa chỉ bộ nhớ

• Thuật toán chuyển đổi hệ toạ độ phụ thuộc vào GDC