Giáo trình cấu trúc máy tính

Máy tính ENIAC, dài 10m, rộng 3m, cao 3m - Năm 1947 khái niệm về bộ nhớ chương trình stored program được đưa ra bao gồm các đặc trưng cơ bản: o Dữ liệu và các lệnh chương trình được ch

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Giáo trình môn học:

CẤU TRÚC MÁY TÍNH

Biên soạn

Đoàn Chánh Tín

Lưu hành nội bộ Thành phố Hồ Chí Minh, Năm 2019

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình được tác giả biên soạn nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên tiếp thu tốt kiến thức liên quan đến môn học Đây là tài liệu tham khảo chính dành cho sinh viên khoa Điện-Điện tử, trường Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức học tập và nghiên cứu môn học Cấu trúc máy tính

Nội dung giáo trình được biên soạn phù hợp với đề cương chi tiết của môn học Cấu trúc máy tính, bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về máy tính Chương này cung cấp cho người học cái nhìn tổng quan về lịch sử và quá trình phát triển của máy tính trong quá khứ, hiện tại và xu hướng phát triển máy tính trong tương lai Đồng thời cung cấp cho người học các khái niệm cơ bản để làm cơ sở tiếp cận môn học Cấu trúc máy tính dễ dàng hơn

Chương 2: Phân tích cấu trúc bên trong một máy tính Chương này giới thiệu tổng quan về cấu trúc bên trong của máy tính Giúp người học nắm được tổng quát sơ đồ khối chung của một máy tính, cấu trúc của mainboard, bộ xử lý trung tâm, và tổ chức bộ nhớ

Chương 3: BIOS và hệ điều hành Chương này trình bày về BIOS và hệ điều hành Cung cấp cho người học khái niệm và chức năng của BIOS, UEFI, hướng dẫn người học tự thiết lập cấu hình CMOS cho máy tính Đồng thời giúp người học nắm được các thao tác cơ bản và nâng cao trong hai hiệu điều hành MS-DOS và Window

Chương 4: Lắp ráp và cài đặt máy tính Chương này tập trung hướng dẫn người học cách lắp ráp và cài đặt một hệ thống máy tính hoàn chỉnh Giúp người học nắm rõ cách lựa chọn các linh kiện để lắp ráp một bộ máy tính hoàn chỉnh theo yêu cầu người dùng, đồng thời cung cấp cho người học kiến thức về quy trình tháo lắp một máy tính cá nhân, cách thức định dạng và phân cùng ở đĩa cứng, cách thức cài đặt hệ điều hành Window và các phần mềm ứng dụng, cách thức sao lưu và phục hồi hệ thống

Ở phần cuối giáo trình có các câu hỏi tự luận và trắc nghiệm để giúp sinh viên ôn lại các kiến thức đã học Đồng thời kèm theo các bài LAB có hướng dẫn từng bước cụ thể để giúp sinh viên dễ dàng thao tác hơn trong quá trình thực hành

Giáo trình được biên soạn dựa trên các kiến thức nền tảng được tham khảo từ các giáo trình trong và ngoài nước Trong quá trình biên soạn, tác giả đã cố gắng đưa ra những hình ảnh minh họa, ví dụ, giải thích đơn giản dễ hiểu, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của Sinh viên, học sinh và giảng viên để giáo trình này được hoàn thiện hơn

Những ý kiến đóng góp xin vui lòng gửi về địa chỉ mail: doanchanhtin@tdc.edu.vn,

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 năm 2019

Chủ biên

CẤU TRÚC MÁY TÍNH 1

MỤC LỤC

TRANG

CHƯƠNG 1: Tổng quan về máy tính 9

1 Các khái niệm cơ bản 9

2 Lịch sử ra đời của máy tính 10

2.1 Thế hệ thứ nhất (1945 - 1955) 10

2.2 Thế hệ thứ hai (1955 - 1965) 12

2.3 Thế hệ thứ ba (1965- 1980) 12

2.4 Thế hệ thứ tư (1980 - nay) 12

3 Phân loại hệ thống máy tính 12

3.1 Phân loại theo quan điểm truyền thống 12

3.2 Phân loại theo quan điểm hiện đại 13

CHƯƠNG 2: Phân tích cấu trúc bên trong một máy tính 15

1 Giới thiệu và khảo sát sơ đồ khối của một máy tính 15

1.1 Bus liên kết hệ thống 15

1.1.1 Phân cấp Bus trong máy tính: 15

1.1.2 Phân loại Bus 16

1.1.2.1 Bus địa chỉ (Address bus) 16

1.1.2.2 Bus dữ liệu (Data bus) 16

1.1.2.3 Bus điều khiển (Control bus) 17

1.1.3 Nguyên lý hoạt động chung 17

2 Cấu trúc chung của mainboard 18

2.1 Chức năng của mainboard 18

2.2 Các thành phần cơ bản trên mainboard 19

3 Bộ xử lý trung tâm CPU 21

3.1 Khái niệm: 21

3.2 Cấu trúc chung của bộ xử lý trung tâm CPU 22

3.3 Hoạt động của CPU 25

3.3.1 Nhận lệnh (Fetch Instruction - FI) 26

3.3.2 Giải mã lệnh (Interpret Instructions - II) 26

3.3.3 Nhận dữ liệu (Fetch Data - FD) 26

3.3.4 Xử lý dữ liệu (Process Data - PD) 27

3.3.5 Ghi dữ liệu (Write Data - WD) 27

3.3.6 Ngắt 27

4 Tổ chức bộ nhớ 28

4.1 Phân loại bộ nhớ 28

4.1.1 Bộ nhớ trong (Internal memory) 28

4.1.2 Bộ nhớ ngoài (External Memory) 29

4.1.3 Bộ nhớ cache 29

4.2 Các đặc trưng của hệ thống nhớ 29

4.2.1 Dung lượng bộ nhớ 29

4.2.2 Đơn vị truyền nhận 29

4.2.3 Phương thức truy cập 30

4.2.4 Hiệu năng 30

4.3 Mô hình phân cấp và tổ chức bộ nhớ 31

4.3.1 Mô hình phân cấp 31

4.3.2 Tổ chức- Thiết kế bộ nhớ 32

4.4 Bộ nhớ trong 32

4.4.1 Bộ nhớ Rom 32

4.4.1.1 Khái niệm và chức năng của ROM 32

Khoa Điện-Điện tử

4.4.1.2 Phân loại ROM 32

4.4.2 Bộ nhớ RAM 33

4.4.2.1 Khái niệm, chức năng, thông số và phân loại RAM 33

4.4.2.2 Nguyên lý hoạt động của RAM 34

4.5 Ổ đĩa cứng (HDD - Hard Disk Drive) 35

4.5.1 Cấu tạo ổ đĩa cứng 36

4.5.1.1 Cấu tạo vật lý 36

4.5.1.2 Cấu tạo luận lý của ổ cứng 39

4.5.2 Nguyên lý hoạt động 39

4.6 Các thiết bị lưu trữ khác 41

4.6.1 Đĩa quang 41

4.6.1.1 Cấu tạo đĩa quang 41

4.6.1.2 Nguyên lý ghi dữ liệu 42

4.6.1.3 Nguyên lý đọc dữ liệu 43

4.6.1.4 Cấu tạo ổ đĩa quang 44

4.6.2 Đĩa cứng thể rắn SSD (Solid State Drive) 46

4.6.3 Đĩa USB (Universal Serial Bus) 47

4.6.3.1 Cấu tạo 47

4.6.3.2 Chức năng các thành phần 48

CHƯƠNG 3: BIOS và hệ điều hành 50

1 Khái niệm và mô tả chức năng bên trong của BIOS 50

1.1 Khái niệm ROM BIOS 50

1.2 Chức năng BIOS: 50

1.3 Khái niệm UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) 51

1.4 Ưu điểm của UEFI so với BIOS 51

1.5 Khái niệm CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 52

2 Thiết lập cấu hình CMOS 55

2.1 Truy cập cấu hình CMOS 55

2.2 Các thông số trong cấu hình CMOS 56

2.2.1 Giao diện cấu hình CMOS 57

2.2.2 Cấu hình Stadard CMOS Features 59

2.2.3 Cấu hình IDE Primary master 60

2.2.4 Cấu hình BIOS Features 61

2.2.5 Cấu hình Advanced BIOS Features 62

2.2.6 Cấu hình VIA Onchip IDE Device 63

2.2.7 Cấu hình Super IO Device 65

2.2.8 Cấu hình Power Management Setup 66

2.2.9 Xem tình trạng hệ thống máy tính (PC Health Status) 67

3 Hệ điều hành 67

3.1 Khái niệm hệ điều hành 67

3.2 Hệ điều hành MS-DOS (Microsoft Disk Operating System) 68

3.2.1 Đặc điểm 68

3.2.2 Các loại lệnh 68

3.2.2.1 Lệnh nội trú 68

3.2.2.1.1 Lệnh DIR (Directory) 68

3.2.2.1.2 Lệnh MD (Make Directory) 68

3.2.2.1.3 Lệnh RD (eRase Directory) 69

3.2.2.1.4 Lệnh COPY 69

3.2.2.1.5 Lệnh DEL (Delete) 69

3.2.2.1.6 Lệnh COPY CON 69

Khoa Điện-Điện tử

3.2.2.1.7 Lệnh TYPE 69

3.2.2.1.8 Lệnh REN (Rename) 69

3.2.2.1.9 Lệnh chuyển đổi ổ đĩa làm việc 70

3.2.2.1.10 Lệnh CD (Change Directory) 70

3.2.2.1.11 Lệnh DATE 70

3.2.2.1.12 Lệnh TIME 70

3.2.2.1.13 Lệnh PROMPT 70

3.2.2.1.14 Lệnh VER 71

3.2.2.1.15 Lệnh CLS 71

3.2.2.2 Lệnh ngoại trú 71

3.2.2.2.1 Lệnh FORMAT 71

3.2.2.2.2 Lệnh TREE 71

3.2.2.2.3 Lệnh Move 71

3.2.2.2.4 Lệnh ATTRIB 72

3.2.2.2.5 Lệnh UNDELETE 72

3.2.2.2.6 Lệnh XCOPY 72

3.2.2.2.7 Lệnh SYS 72

3.2.2.2.8 Lệnh CHKDSK 72

3.2.2.2.9 Lệnh SCANDISK 73

3.2.2.2.10 Lệnh LABEL 73

3.3 Hệ điều hành Window 73

3.3.1 Khái niệm 73

3.3.2 Lịch sử phát triển của hệ điều hành Window NT 73

3.3.3 Cấu hình Local User & Group 77

3.3.3.1 Khái niệm 77

3.3.3.2 Tạo Group và User trong Window 78

3.3.3.2.1 Cách truy cập Local User & Group 78

3.3.3.2.2 Tạo Group 79

3.3.3.2.3 Tạo Users 82

3.3.4 Cấu hình Local Group Policy 86

3.3.4.1 Khái niệm: 86

3.3.4.2 Các cách truy cập Local Group Policy 87

3.3.4.3 Computer Configuration: 88

3.3.4.3.1 Account Policies: Các chính sách tài khoản 88

3.3.4.3.2 Local Policy: các chính sách cục bộ 92

3.3.4.4 User configuration 94

3.3.5 Cấu hình Share Permission (chia sẽ dữ liệu) 97

3.3.5.1 Khái niệm 97

3.3.5.2 Các quyền chia sẽ dữ liệu: 97

3.3.5.3 Share ẩn và share công khai: 99

3.3.5.4 Truy cập dữ liệu share: 100

3.3.6 Cấu hình NTFS Permission 102

3.3.6.1 Khái niệm 102

3.3.6.2 Các quyền cơ bản trên hệ thống NTFS: 103

3.3.6.3 Tính kế thừa (inheritance) NTFS Permission 103

3.3.6.4 Phân quyền NTFS 106

CHƯƠNG 4: Lắp ráp và cài đặt máy tính 116

1 Trình tự lắp ráp một máy tính 116

1.1 Lựa chọn cấu hình 116

1.2 Lựa chọn Mainboard 116

Khoa Điện-Điện tử

1.3 Lựa chọn vi xử lý (CPU) 117

1.4 Lựa chọn bộ nhớ chính (RAM) 118

1.5 Quy trình tháo lắp máy tính 118

1.5.1 Quy trình tháo máy tính 118

1.5.2 Quy trình lắp ráp máy tính 122

2 Định dạng và phân vùng đĩa cứng HDD 144

2.1 Định dạng đĩa cứng 144

2.2 Quản lý Partiton (phân vùng) 145

2.3 Phân vùng và định dạng ổ cứng bằng Partition Magic Pro 147

2.3.1 Khởi động chương trình Partition Magic Pro 147

2.3.2 Tạo phân vùng (Create Partiton) 150

2.3.3 Định dạng phân vùng (Format Partition) 160

2.3.4 Nối 2 phân vùng (Merge Partition) 160

2.3.5 Sao chép phân vùng (Copy Partition) 163

2.3.6 Xóa phân vùng (Delete Partition) 164

2.3.7 Các chức năng nâng cao 165

3 Cài đặt hệ điều hành và các phần mềm ứng dụng 166

3.1 Các cách cài đặt hệ điều hành Window 166

3.2 Các bước cài đặt hệ điều hành Window 166

3.3 Cài đặt phần mềm ứng dụng 178

3.3.1 Các nguồn cài đặt chương trình trong Windows 178

3.3.2 Nguyên tắc chung cài đặt chương trình: 178

4 Sao lưu và phục hồi hệ thống 180

4.1 Phần mềm Norton Ghost 180

4.2 Sao lưu hệ thống 182

4.3 Phục hồi hệ thống 186

CÂU HỎI ÔN TẬP 190

CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 193

LAB 01 - BÀI BIOS SETUP 203

LAB 02 - BÀI CHIA ĐĨA 215

LAB 03 - BÀI NORTON GHOST 238

LAB 04 - BÀI LOCAL USER & LOCAL GROUP 263

LAB 05 - BÀI SHARE 269

Khoa Điện-Điện tử

CHƯƠNG 1: Tổng quan về máy tính

1 Các khái niệm cơ bản

- Máy tính (computer) là một thiết bị điện tử được sử dụng để thực hiện các phép

biến đổi toán học Máy tính thực hiện các công việc sau:

o Nhận thông tin vào

o Xử lý thông tin theo chương trình được nhớ sẵn bên trong bộ nhớ o Đưa thông tin ra

Hình 1 Mô hình cơ bản của máy tính

- Chương trình (program) là dãy các lệnh nằm trong bộ nhớ để yêu cầu máy tính

thực hiện công việc cụ thể

Hình 2 Mô hình phân lớp của máy tính

- Phần cứng ( Hardware ) gồm toàn bộ hệ thống vật lý của máy tính như: các vi

mạch IC, các bảng mạch in, cáp nguồn, nguồn điện, bộ nhớ, màn hình, chuột, bàn phím,…

- Phần mềm (Software) là các chương trình được lập trình, chứa các mã lệnh giúp

phần cứng làm việc và ứng dụng cho người sử dụng Phần mềm của máy tính có thể chia thành hai loại: Phần mềm hệ thống (System Software) và phần mềm ứng dụng (Applications software)

- Phần dẻo (Firmware) là một thuật ngữ thỉnh thoảng được dùng để biểu thị

những phần mềm cố định, thường là khá nhỏ, để điều khiển nội quan nhiều thiết

bị điện tử

- Kiến trúc máy (Computer Architecture) gồm hai khía cạnh:

o Kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture): nghiên cứu máy tính theo cách nhìn của người lập trình (cấu trúc mã lệnh, các dạng lệnh, các kiểu định vị)

o Tổ chức máy tính (Computer Organization): nghiên cứu cấu trúc phần cứng máy tính (cấu trúc CPU, các cấp bộ nhớ, cấu trúc bus…)

o Kiến trúc máy tính thay đổi chậm, còn tổ chức thay đổi rất nhanh Ví dụ: Các máy tính PC dùng các bộ xử lý Intel 32-bit từ 80386 đến Pentium 4:

 Cùng chung kiến trúc tập lệnh (IA-32)

 Có tổ chức khác nhau

- Kiến trúc tập lệnh của máy tính bao gồm:

o Tập lệnh: Tập hợp các chuỗi số nhị phân mã hoá cho các thao tác mà máy tính có thể thực hiện

o Các kiểu dữ liệu: Các kiểu dữ liệu mà máy tính có thể xử lý

2 Lịch sử ra đời của máy tính

- Lịch sử phát triển máy tính có thể chia thành 4 giai đoạn lớn:

2.1 Thế hệ thứ nhất (1945 - 1955)

- Máy tính thế hệ 1 sử dụng đèn điện tử làm linh kiện chính, tiêu thụ năng lượng

rất lớn Kích thước máy rất lớn (khoảng 250m2) nhưng tốc độ xử lý lại rất chậm Đại diện tiêu biểu của thế hệ máy tính này là ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) ENIAC là máy tính điện tử số đầu tiên do Giáo sư

Khoa Điện-Điện tử

Mauchly và người học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania thiết kế vào năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946, thuộc dự án bộ quốc phòng Mỹ có các đặc điểm như sau:

o Lập trình bằng cách thiết lập các chuyển mạch và các cáp nối

Hình 3 Máy tính ENIAC, dài 10m, rộng 3m, cao 3m

- Năm 1947 khái niệm về bộ nhớ chương trình (stored program) được đưa ra bao

gồm các đặc trưng cơ bản:

o Dữ liệu và các lệnh (chương trình) được chứa trong một bộ nhớ đọc ghi o

Bộ nhớ được đánh địa chỉ theo từng ngăn nhớ, không phụ thuộc vào nội dung của nó

o Máy tính thực hiện lệnh một cách tuần tự

2.2 Thế hệ thứ hai (1955 - 1965)

- Sử dụng bóng bán dẫn (transistor) làm linh kiện chính Transistor do công ty Bell

đã phát minh ra vào năm 1947 Tuy nhiên đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor mới xuất hiện trên thị trường Kích thước máy tính giảm, rẻ tiền hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn

2.3 Thế hệ thứ ba (1965- 1980)

- Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạch tích hợp (mạch

tích hợp - IC: Integrated Circuit) Các mạch tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale Integration) có thể chứa vài chục linh kiện và tích hợp mật độ trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp, điển hình là thế hệ máy System/360 của IBM Thế hệ máy tính này có những bước đột phá mới như sau:

o Tính tương thích cao: Các máy tính trong cùng một họ có khả năng chạy các chương trình, phần mềm của nhau

o Đặc tính đa chương trình: Tại một thời điểm có thể có vài chương trình nằm trong bộ nhớ và một trong số đó được cho chạy trong khi các chương trình khác chờ hoàn thành các thao tác vào/ra

o Không gian địa chỉ rất lớn

2.4 Thế hệ thứ tư (1980 - nay)

- Máy tính được xây dựng trên các vi mạch tích hợp loại lớn (LSI - Large Scale

Integrated) và mạch tích hợp loại siêu lớn (VLSI - Very Large Scale Integrated Circuit) Đây là thế hệ máy tính số ngày nay, nhờ công nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc, mà người ta có thể chế tạo các mạch tổ hợp ở mức độ cực lớn Nhờ đó máy tính ngày càng nhỏ hơn, nhẹ hơn, mạnh hơn và giá thành rẻ hơn Máy tính cung cấp nhiều tính năng tiến tiến, như hỗ trợ xử lý song song, tích hợp khả năng

xử lý âm thanh và hình ảnh Máy tính cá nhân bắt đầu xuất hiện và phát triển trong thời kỳ này

3 Phân loại hệ thống máy tính

3.1 Phân loại theo quan điểm truyền thống

Khoa Điện-Điện tử

- Máy vi tính (Microcomputer): là những máy tính nhỏ, có 1 chip vi xử lý và một

số thiết bị ngoại vi Thường dùng cho một người, có thể dùng độc lập hoặc dùng trong mạng máy tính Còn được gọi là máy tính cá nhân PC (Personal Computer)

- Máy tính nhỏ (Minicomputer): Là những máy tính cỡ trung bình, kích thước

thường lớn hơn PC Nó có thể thực hiện được các ứng dụng mà máy tính cỡ lớn thực hiện Nó có khả năng hỗ trợ hàng chục đến hàng trăm người làm việc Minicomputer được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thời gian thực, ví dụ trong điều khiển hàng không, trong tự động hoá sản xuất

- Máy tính lớn (Mainframe Computer): Là những máy tính cỡ lớn, có cấu hình

phần cứng lớn, tốc độ xử lý cao, có khả năng hỗ trợ cho hàng trăm đến hàng ngàn người sử dụng Thường được sử dụng trong chế độ các công việc sắp xếp theo

lô lớn (Large-Batch-Job) hoặc xử lý các giao dịch (Transaction Processing), ví

dụ trong ngân hàng

- Siêu máy tính (Supercomputer): Là những máy Minicomputer có tốc độ xử lý

nhanh nhất trong họ Mini ở những thời điểm nhất định Đây là những siêu máy tính, được thiết kế đặc biệt để đạt tốc độ thực hiện các phép tính dấu phẩy động cao nhất có thể được Chúng thường có kiến trúc song song, chỉ hoạt động hiệu quả cao trong một số lĩnh vực

3.2 Phân loại theo quan điểm hiện đại

- Máy tính cá nhân (Personal Computer): Là loại máy tính phổ biến nhất Các loại

máy tính cá nhân: Máy tính để bàn (Desktop), Máy tính xách tay (Laptop)

Hình 4 Máy tính cá nhân

- Máy chủ (Server Computer): Thực chất là máy phục vụ, dùng trong mạng theo

mô hình Client/Server (Khách hàng/Người phục vụ) Tốc độ và hiệu năng tính toán cao, dung lượng bộ nhớ lớn, độ tin cậy cao

Hình 5 Máy chủ Server

- Máy tính nhúng (Embedded Computer): được đặt trong thiết bị khác để điều

khiển thiết bị đó làm việc, thiết kế chuyên dụng Ví dụ: điện thoại di động Bộ điều khiển trong máy giặt, điều hoà nhiệt độ

Hình 6 Máy tính nhúng

Khoa Điện-Điện tử

CHƯƠNG 2: Phân tích cấu trúc bên trong một máy tính

1 Giới thiệu và khảo sát sơ đồ khối của một máy tính

1.1 Bus liên kết hệ thống

- Máy tính có các thiết bị ngoại vi Các thiết bị này được nối với VXL theo 3 nhóm

dây song song dùng chung cho tất cả các thiết bị gọi là Bus hệ thống Bus hệ thống bao gồm 3 nhóm:

o Bus địa chỉ (bus A) dùng để truyền các thông tin địa chỉ o Bus dữ liệu (bus D) dùng để trao đổi dữ liệu

o Bus điều khiển (bus C) dùng để truyền các tín hiệu điều khiển và các thông tin về trạng thái thiết bị

- Độ rộng bus: là số đường dây của bus có thể truyền các bit thông tin đồng thời

Khái niệm này chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu

Hình 7 Sơ đồ cấu trúc chung của máy tính

1.1.1 Phân cấp Bus trong máy tính:

- Có sự phân cấp cho các thành phần:

o Bus của bộ xử lý

o Bus của bộ nhớ chính

o Các bus vào/ra

- Các phân cấp bus này khác nhau về tốc độ Bus bộ nhớ chính và các bus vào/ra

không phụ thuộc vào bộ xử lý cụ thể

- Bus của bộ xử lý: có tốc độ nhanh nhất

- Bus của bộ nhớ chính: nối ghép với các modul RAM

- Bus AGP (Accelerated Graphic Port): bus đồ họa tăng tốc - nối ghép card màn

hình tăng tốc

- Bus PCI (Peripheral Component Interconnect): nối ghép với các TBNV có tốc

độ trao đổi dữ liệu nhanh

- USB (Universal Serial Bus): bus nối tiếp đa năng 1.1.2 Phân loại Bus

- Có nhiều cách phân loại bus như: Theo tổ chức phần cứng, theo nghi thức truyền

thông (bus đồng bộ và bus không đồng bộ), theo loại tín chức năng (bus địa chỉ, bus

dữ liệu, bus điều khiển)

- Phân loại theo chức năng thì một hệ thống Bus gồm 3 thành phần: bus dữ liệu

(data bus), bus địa chỉ (address bus) và bus điều khiển (control bus)

1.1.2.1 Bus địa chỉ (Address bus)

- Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác định ngăn nhớ hay cổng vào-ra (chỉ định

nguồn hay đích của dữ liệu có trên đường truyền dữ liệu hay chỉ định các cổng nhập xuất)

- Độ rộng bus địa chỉ: xác định dung lượng bộ nhớ cực đại của hệ thống

- Nếu độ rộng bus địa chỉ là N bit: AN-1, AN-2, A2, A1, A0

byte (còn gọi là không gian địa chỉ bộ nhớ)

byte = 4 GB

1.1.2.2 Bus dữ liệu (Data bus)

- Chức năng: Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU, vận chuyển dữ liệu giữa CPU,

các môđun nhớ và môđun vào-ra

- Độ rộng bus dữ liệu: xác định số bit dữ liệu có thể được trao đổi đồng thời

o M bit: DM-1, DM-2, … D2, D1, D0

Khoa Điện-Điện tử

o M thường là 8, 16, 32, 64, 128 bit

- Ví dụ: Các bộ xử lý Pentium có bus dữ liệu là 64 bit

1.1.2.3 Bus điều khiển (Control bus)

- Chức năng: vận chuyển các tín hiệu điều khiển

- Các loại tín hiệu điều khiển:

o Các tín hiệu điều khiển phát ra từ CPU để điều khiển hệ thống nhớ, hệ thống vào/ra hoạt động

o Các tín hiệu yêu cầu, trạng thái từ hệ thống nhớ, hệ thống vào/ra đến CPU

1.1.3 Nguyên lý hoạt động chung

Hình 8 Sơ đồ Bus liên kết hệ thống

- Bước 1: VXL khi cần trao đổi thông tin với thiết bị I/O nào thì sẽ phát địa chỉ

của thiết bị đó theo mã nhị phân trên bus địa chỉ Giả sử bus địa chỉ có 8 dây, 8 dây đang truyền số nhị phân 00000010, số nhị phân này có giá trị thập phân là 2

và thập lục phân là 2h Điều đó có nghĩa là VXL cần làm việc với thiết bị I/O có địa chỉ là 2 (hoặc 2h)

- Khi đó bộ giải mã địa chỉ, có ở mỗi thiết bị ngoại vi sẽ nhận được số nhị phân

nói trên từ bus A và so sánh với địa chỉ của mình Nếu đúng thì bộ giải mã địa

chỉ sẽ phát tín hiệu để mở bộ đệm số liệu - phần nối giữa thiết bị số 2 và bus D, còn các bộ đệm dữ liệu của các thiết bị khác sẽ đóng lại

- Bước 2: VXL trao đổi dữ liệu với thiết bị số 2 qua bus D Còn trên bus C chỉ

truyền tín hiệu đọc/viết (R/W) để xác định chiều trao đổi dữ liệu

o R/W = 1 : VXL đọc dữ liệu từ thiết bị ngoại vi (dữ liệu được truyền từ thiết bị ngoại vi về VXL)

o R/W = 0 : VXL viết dữ liệu vào thiết bị ngoại vi (dữ liệu được truyền từ VXL đến thiết bị ngoại vi)

2 Cấu trúc chung của mainboard 2.1 Chức năng của mainboard

- Gắn kết các thành phần trên một hệ thống máy tính lại với nhau

- Điều khiển thay đổi tốc độ BUS cho phù hợp với các thành phần khác nhau

- Quản lý nguồn cấp cho các thành phần trên Main

- Cung cấp xung nhịp chủ (xung Clock) để đồng bộ sự hoạt động của toàn hệ

thống

- Chính vì những chức năng quan trọng trên mà khi Mainboard có sự cố thì máy

tính không thể hoạt động được

Hình 9 Sơ đồ khối mainboard

Khoa Điện-Điện tử

2.2 Các thành phần cơ bản trên mainboard

Hình 10 Các thành phần cơ bản trên mainboard

- Socket CPU: Socket cpu là nơi dùng để kết nối cpu lên mainbard máy tính

Chúng thường có các hình dạng khác nhau và tùy theo đời của cpu và chipset Được thiết kế tương ứng với chipset mà mainboard đó sử dụng

o Có 2 chuẩn chính của Socket cpu là Intel và Amd

o Trên thị trường hiện nay ta chỉ cần quan tâm đến Socket cpu của 2 hãng chính đó là intel và Amd Bởi vì hầu hết Cpu được sản xuất bới 2 công ty này

- Khe cắm RAM: Khe cắm RAM được thiết kế phù hợp với từng kiểu cấu tạo bộ

nhớ RAM (SDRAM, RDRAM, DDRAM…)

- Chip cầu nối hạ tốc độ: Vì các thiết bị ngoại vi và các card giao diện làm việc

với các tần số khác nhau và thấp hơn nhiều so với VXL nên cần phải hạ tốc độ của VXL xuống trước khi ghép nối với bộ nhớ hay các thiết bị ngoại vi

o Chip MCH (chip cầu bắc): dùng hạ tốc độ của VXL xuống tốc độ của DRAM và khe cắm AGP, PCIe

o Chip ICH (chip cầu nam): hạ tốc độ từ MCH đến tần số dùng cho chuẩn PCI và các chip hoạt động ở tần số thấp

Hình 11 Sơ đồ điều khiển của chip cầu Bắc và chip cầu Nam

- Bộ nhớ ROM BIOS: PC chỉ hoạt động được khi bên cạnh phần cứng, máy còn

được nạp các chương trình phần mềm điều khiển, trong đó phải kể đến HĐH HĐH thường được chia làm 2 phần: Phần thứ nhất được nạp cố định vào ROM

và VXL được thiết kế để chạy ngay phần này khi vừa bật máy Phần thứ hai thường được nạp vào HDD

- Phần HĐH nạp vào trong ROM chủ yếu là các lệnh kiểm tra, điều khiển hoạt

động của các thiết bị ngoại vi, quản lý bộ nhớ, nên được gọi là ROM BIOS

- RAM CMOS: Người sử dụng có thể cài đặt một số thông số như: ngày tháng

năm, mật khẩu, khởi động từ ổ đĩa nào… để khi hoạt động PC phải tuân theo cấu hình đó RAM CMOS sẽ giúp làm được điều đó RAM CMOS được cấu tạo từ transistor loại CMOS và được cấp điện riêng biệt bằng một pin điện nạp được (Pin CMOS)

Khoa Điện-Điện tử

- Chip I/O: Hỗ trợ và là cầu nối thực hiện việc giao tiếp của VXL thông qua chip

MCH với một số thiết bị ngoại vi như keyboard, cổng serial, parallel…

- Các chip hỗ trợ:

o Ngắt (interup): Dừng chương trình chính để chạy chương trình con

o Thâm nhập bộ nhớ trực tiếp DMA: truyền dữ liệu trực tiếp từ bộ nhớ và thiết bị I/O mà không có sự điều khiển của VXL

o Định thời: chia tần số thành các khoảng thời gian khác nhau

- Các khe cắm card giao diện: Là một phần của thiết bị ngoại vi, Card giao diện

có thể được tích hợp trên Mainboard (on board) hoặc cắm vào các khe mở rộng chuẩn ISA, PCI, AGP, PCIe…(card rời) từ đó trao đổi dữ liệu với VXL

- Nguồn nuôi VXL: Điện áp cấp cho VXL từ 0,9375V đến 3,3V VXL càng hiện

đại thì điện áp nguồn nuôi càng thấp để giảm công suất toả nhiệt khi dòng tiêu thụ tăng

3 Bộ xử lý trung tâm CPU 3.1 Khái niệm:

- Bộ xử lý trung tâm (CPU - Central Processing Unit) còn được gọi là

microprocessor hay processor có chức năng điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống, xử lý dữ liệu CPU hoạt động dựa theo chương trình nằm sẵn trong bộ nhớ

- Các nhiệm vụ của CPU thực hiện lệnh của chương trình bao gồm:

o Nhận lệnh (Fetch Instruction): CPU nhận lệnh từ bộ nhớ

o Giải mã lệnh (Decode Instruction): Xác định thao tác mà lệnh yêu cầu

o Nhận dữ liệu (Fetch Data): Nhận dữ liệu từ bộ nhớ hay cổng vào ra

o Xử lý dữ liệu (Process Data): thực hiện các phép toán số học và logic đối với dữ liệu

o Ghi dữ liệu (Write Data): Ghi dữ liệu ra bộ nhớ hay cổng vào ra

3.2 Cấu trúc chung của bộ xử lý trung tâm CPU

Hình 12 Sơ đồ cấu trúc chung của bộ xử lý trung tâm

- Đơn vị điều khiển CU (Control unit): Là thành phần của CPU có nhiệm vụ

thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lý, được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống Chức năng của khối EU gồm:

o Nhận lệnh từ bộ nhớ đưa vào thanh ghi lệnh IR (Instruction Register)

o Tăng nội dung thanh ghi bộ đếm chương trình PC (Program Couter) mỗi khi nhận lệnh xong

o Giải mã lệnh và xác định thao tác mà lệnh yêu cầu o Phát ra tín hiệu điều khiển thực thi lệnh

o Nhận các tín hiệu yêu cầu từ BUS hệ thống và giải quyết đáp ứng yêu cầu

đó

- Bộ xử lý thuật toán ALU (Arithmetic and Logic Unit): có chức năng thực hiện

việc tính toán số học và logic

o Số học: cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm, đảo, o Logic: AND, OR,XOR, NOT, dịch bit,…

- Các thông tin kết nối đến đơn vị điều khiển CU:

o Clock: tín hiệu xung nhịp từ mạch tạo dao động

o Mã lệnh từ thanh ghi lệnh đưa đến CU giải mã

Khoa Điện-Điện tử

o Các trạng thái cờ đưa đến cho biết trạng thái của CPU cũng như trạng thái thực hiện các phép toán trong ALU

o Các tín hiệu điều khiển từ BUS điều khiển

o Các tín hiệu điều khiển bên trong CPU: điều khiển thanh ghi, ALU

o Các tín hiệu điều khiển bên ngoài CPU đó là Bộ nhớ hay cổng vào ra

- Các thanh ghi (Register): Là vùng nhớ được CPU nhận biết qua tên thanh ghi

và có tốc độ truy xuất cực nhanh

- Thanh ghi (Register) có chức năng: Chứa thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt

động ở thời điểm hiện tại của CPU Thanh ghi được coi là mức đầu tiên của hệ thống nhớ, có tốc độ truy xuất cực nhanh Số lượng thanh ghi càng nhiều thì hiệu năng CPU càng tăng

- Thanh ghi chia làm 2 loại: lập trình được và không lập trình được

- Phân loại thanh ghi theo chức năng:

o Thanh ghi địa chỉ: thanh ghi được sử dụng để quản lý địa chỉ của ngăn nhớ hay cổng vào ra

o Thanh ghi dữ liệu: thanh ghi dùng để lưu trữ dữ liệu tam thời

o Thanh ghi đa năng: thanh ghi có thể chứa dữ liệu hoặc địa chỉ đều được o Thanh ghi điều kiển/trạng thái: thanh ghi chứa thông tin về trạng thái CPU o Thanh ghi lệnh: thanh ghi chứa lệnh đang được thực hiện

- Các thanh ghi địa chỉ:

o Bộ đếm chương trình PC (program counter): còn được gọi là con trỏ lệnh

IP (Instruction Pointer) Giữ địa chỉ của lệnh tiếp theo sẽ được nhận vào

Sau khi một lệnh được nhận vào, nội dung PC tự động tăng để trỏ sang lệnh kế tiếp

o Con trỏ dữ liệu DP (Data pointer): Chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu mà CPU muốn truy nhập Thường có một số thanh ghi con trỏ dữ liệu

o Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer): là vùng nhớ có cấu trúc LIFO (Last

in -First out) Ngăn xếp thường dùng để phục vụ cho chương trình con Đáy ngăn xếp là một ngăn nhớ xác định Đỉnh ngăn xếp là thông tin nằm

ở vị trí trên cùng trong ngăn xếp Đỉnh ngăn xếp có thể bị thay đổi

o Thanh ghi cơ sở (Base Register): chứa địa chỉ của ngăn nhớ cơ sở (ngăn nhớ gốc tương đối), còn goi: địa chỉ đoạn (segment)

o Thanh ghi chỉ số (Index Register): chứa độ lệch của địa chỉ giữa ngăn nhớ

mà BXL cần truy nhập so với ngăn nhớ cơ sở, còn gọi: địa chỉ offset

o Địa chỉ của ngăn nhớ cần truy nhập = địa chỉ cơ sở + chỉ số

- Các thanh ghi dữ liệu: Chứa các dữ liệu tạm thời hoặc các kết quả trung gian

Cần có nhiều thanh ghi dữ liệu Các thanh ghi số nguyên: 8, 16, 32, 64 bit Các thanh ghi số dấu chấm động

o Thanh ghi trạng thái (Status Register) còn gọi là thanh ghi cờ (Flag Register): Chứa các thông tin trạng thái của CPU, các cờ phép toán báo

hiệu trạng thái của kết quả phép toán Các cờ điều kiển biểu thị trạng thái điều khiển của CPU

o Ví dụ cờ phép toán:

 Cờ zero (ZF): được thiết lập khi kết quả của phép toán bằng 0

 Cờ Sign (SF): được thiết lập khi kết quả của phép toán là giá trị âm

 Cờ Carry (CF): được thiết lập khi phép toán có nhớ hoặc có mượn

ra khỏi bit cao nhấ ụng báo tràn với số không dấu

 Cờ Overflow (OF): được thiết lập khi cộng hai số nguyên cùng dấu

mà kết quả có dấu ngược lạ ụng báo tràn với số có dấu

Hình 13 Bộ thanh ghi của vi xử lý 8086

Khoa Điện-Điện tử

- Đơn vị định địa chỉ AU ( Address Unit): dựa vào kết quả tính toán từ EU

(Execution Unit) sẽ truyền địa chỉ cần truy nhập vào bus A thông qua BIU (Bus Interface Unit)

- Đơn vị ghép nối bus BIU (Bus interface Unit): Thực hiện tất cả chức năng về

bus cho EU, chịu trách nhiệm đưa tín hiệu địa chỉ ra ngoài bus A và trao đổi dữ liệu với bus D Bên trong BIU có hàng nhận lệnh trước PQ (đây là bộ nhớ đệm

sơ cấp cache L1), sử dụng để chứa các mã lệnh lấy từ bộ nhớ chính, các mã lệnh này nằm chờ EU xử lý

- Hàng nhận lệnh trước PQ (Prefetch Queue): làm tăng tốc độ xử lý của CPU,

nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống, cho phép bộ vi xử lý có thể xử lý liên tục các dòng mã lệnh PQ hoạt động theo nguyên tắc FIFO (first in first out), lệnh nào vào trước được xử lý trước, sự vào ra liên tục của dòng mã lệnh làm cho hoạt động giữa BIU và EU nhịp nhàng

- Đơn vị lệnh IU ( Instruction Unit): Dữ liệu là lệnh, sẽ được giải mã lệnh bằng

đơn vị lệnh IU (Instruction Unit) thành các từ điều khiển gồm các bit điều khiển

có giá trị 0 (0V) hoặc 1 (5V) Các từ điều khiển này sẽ điều khiển phần cứng nằm trong EU (Execution Unit) thực hiện lệnh

3.3 Hoạt động của CPU

- Cách CPU xử lý dữ liệu như thế nào hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình được

viết từ trước Chương trình nói chung có thể là một bảng tính, một bộ xử lý từ hay một game nào đó

- Hoạt động cơ bản của máy tính là thực hiện chương trình Máy tính thực hiện

các giai đoạn: Nhận lệnh; Giải mã lệnh; Nhận dữ liệu; Xử lý dữ liệu; Ghi dữ liệu; Ngắt

- Mỗi một giai đoạn được thi hành trong một hoặc nhiều chu kỳ xung nhịp

Hình 14 Các bước thực hiện lệnh của CPU

3.3.1 Nhận lệnh (Fetch Instruction - FI)

- Địa chỉ của lệnh cần thực hiện nằm trong bộ đếm chương trình (PC - Program

Counter), được đưa qua bộ đệm địa chỉ, qua bus địa chỉ để tìm ra ngăn nhớ chứa lệnh

- Tiếp theo, Bộ xử lý phát ra tín hiệu đọc ngăn nhớ vừa tìm được

- Nội dung của ngăn nhớ được chuyển qua bus dữ liệu và đưa đến thanh ghi lệnh

(Instruction Register.)

3.3.2 Giải mã lệnh (Interpret Instructions - II)

- Lệnh từ thanh ghi lệnh được đưa đến khối điều khiển

- Tại đây, lệnh được giải mã để xác định thao tác mà lệnh yêu cầu

- Khi đó, khối điều khiển sẽ phát ra tín hiệu điều khiển tương ứng với lệnh đó 3.3.3 Nhận dữ liệu (Fetch Data - FD)

- BXL phát ra địa chỉ của ngăn nhớ/cổng vào ra chứa dữ liệu cần nhận

- BXL phát ra tín hiệu điều khiển đọc ngăn nhớ/cổng vào ra tương ứng

- Dữ liệu được chuyển qua bus dữ liệu đưa vào tập thanh ghi bên trong

Khoa Điện-Điện tử

3.3.4 Xử lý dữ liệu (Process Data - PD)

- Dữ liệu được chuyển từ các thanh ghi vào ALU

- ALU sẽ thực hiện các phép toán dưới sự điều khiển của khối điều khiển

- Kết quả phép toán được cất tạm thời vào thanh ghi dữ liệu 3.3.5 Ghi dữ liệu (Write Data - WD)

- BXL phát ra địa chỉ của ngăn nhớ/cổng vào ra cần ghi dữ liệu

- BXL phát ra tín hiệu điều khiển ghi ngăn nhớ/cổng vào ra

- Dữ liệu từ thanh ghi dữ liệu được chuyển ra ngoài 3.3.6 Ngắt

- Khái niệm: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang thực hiện

để chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là chương trình con phục vụ ngắt

o Sau khi hoàn thành một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu ngắt

o Nếu không có ngắt bộ xử lý nhận lệnh tiếp theo của chương trình hiện tại o Nếu có tín hiệu ngắt: Tạm dừng chương trình đang thực hiện Cất ngữ

cảnh (các thông tin liên quan đến chương trình bị ngắt) Thiết lập PC trỏ đến chương trình con phục vụ ngắt Chuyển sang thực hiện chương trình con phục vụ ngắt Cuối chương trình con phục vụ ngắt, khôi phục ngữ cảnh và tiếp tục chương trình đang bị tạm dừng

Hình 15 Lưu đồ một chương trình có ngắt

4 Tổ chức bộ nhớ 4.1 Phân loại bộ nhớ

- Bộ nhớ máy tính gồm nhiều thành phần với tốc độ truy cập và và dung lượng

khác nhau được kết hợp với nhau tạo thành hệ thống nhớ Hệ thống nhớ là những thiết bị lưu trữ dữ liệu tạm thời hay cố định những thông tin dữ liệu của máy tính bao gồm bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài

- Bộ nhớ ngoài (External Memory) là thiết bị lưu trữ thông tin với dung lượng lớn,

thông tin không bị mất khi không có điện Có thể cất giữ và di chuyển bộ nhớ ngoài độc lập với máy tính Bộ nhớ ngoài bao gồm ổ cứng, đĩa mềm, đĩa CD, DVD, ổ cứng USB, thẻ nhớ và các thiết bị lưu trữ khác

4.1.1 Bộ nhớ trong (Internal memory)

- Bộ nhớ trong (Internal Memory): Chứa thông tin mà CPU có thể trao đổi trực

tiếp, tốc độ rất nhanh, dung lượng không lớn, sử dụng bộ nhớ bán dẫn: RAM, ROM

Khoa Điện-Điện tử

- Các loại bộ nhớ: Bộ nhớ chính (Main memory), Bộ nhớ cache (Cache memory-

bộ nhớ đệm)

- Bộ nhớ chính của máy tính: Chứa chương trình và dữ liệu đang được sử dụng

bởi CPU, Bộ nhớ chính được tổ chức thành các ngăn nhớ và được đánh địa chỉ, ngăn nhớ thường được tổ thức theo byte, nội dung của một ngăn nhớ có thể thay đổi nhưng địa chỉ vật lý của nó đã được đánh là không thay đổi

4.1.2 Bộ nhớ ngoài (External Memory)

- Bộ nhớ ngoài có chức năng chính là lưu trữ toàn bộ các thông tin như: hệ điều

hành (OS), software, data… Bộ nhớ ngoài còn được gọi là thiết bị lưu trữ hay bộ nhớ phụ, thuộc loại bộ nhớ bất biến (nonvolatile), có nghĩa là chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng

4.1.3 Bộ nhớ cache

- Cache hay còn gọi là bộ nhớ đệm là bộ nhớ bán dẫn có tốc độ nhanh thời gian

truy cập khoảng 1 - 5ns Kích thước nhỏ (64KB tới 16MB) Cache đóng vai trong trung gian, trung chuyển dữ liệu từ bộ nhớ chính về CPU và ngược lại Với các hệ thống CPU cũ sử dụng công nghệ tích hợp thấp, bộ nhớ cache thường nằm ngoài CPU; với các CPU mới sử dụng công nghệ tích hợp cao, bộ nhớ cache thường được tích hợp vào trong CPU nhằm nâng cao tốc độ và băng thông trao đổi dữ liệu giữa CPU và cache

4.2 Các đặc trƣng của hệ thống nhớ 4.2.1 Dung lƣợng bộ nhớ

- Kích thước từ nhớ: là đơn vị được thiết kế, bằng số bit dùng để biểu diễn số

nguyên, và bằng chiều dài một câu lệnh Chiều dài: 8, 16, 32 bits

- Số lượng từ nhớ: Bộ nhớ trong: byte / word, Bộ nhớ ngoài: byte

- Nếu dùng n bit để địa chỉ hóa thì dung lượng là 2n x Wo bit

- Ví dụ: dùng 20 bit địa chỉ, bộ nhớ tổ chức theo byte  Dung lượng bộ nhớ là

220 bytes = 1MB

4.2.2 Đơn vị truyền nhận

- Đơn vị khả truy xuất: Vùng nhớ nhỏ nhất mà có thể truy cập bằng một địa chỉ

độc nhất Địa chỉ biển diễn bằng A bits thì bộ nhớ có thể chia tối đa thành N

= 2A đơn vị khả truy xuất

- Đơn vị truyền nhận: Số lượng bit được đọc hoặc ghi vào bộ nhớ chính trong 1

lần thực hiện Không nhất thiết bằng với chiều dài từ hay đơn vị khả truy xuất

- Từ nhớ (Word): đơn vị tự nhiên ở tổ chức bộ nhớ Kích thước từ nhớ thường là

số bit dùng để biểu diễn số hoặc độ dài lệnh

- Khối nhớ (block) là đơn vị truyền dữ liệu lớn hơn từ nhớ, thường được dụng

truyền dữ liệu với bộ nhớ ngoài

4.2.3 Phương thức truy cập

- Sequential access (truy nhập tuần tự): Bộ nhớ tổ chức thành record, bắt đầu từ

đầu bộ nhớ và đọc tuần tự Thời gian truy xuất tùy vào record cần tìm nằm ở đâu và đầu đọc/ghi đang nằm ở đâu Thường được dùng truy cập băng từ

- Truy nhập trực tiếp (direct memory): Bộ nhớ tổ chức thành nhiều khối có địa chỉ

riêng biệt Truy cập bằng địa chỉ (nhảy đến), cũng có thể truy cập tuần tự Thời gian truy xuất tùy vào khối nhớ ở đâu và đầu đọc/ghi đang nằm ở đâu Các loại đĩa sử dụng phương pháp truy nhập trực tiếp

- Truy nhập ngẫu nhiên (Random access): mỗi vị trí địa chỉ trong bộ nhớ là độc

nhất Thời gian truy nhập các vị trí đã cho là độc lập với dãy truy nhập ưu tiên

và là hằng số Như vậy, vị trí nào cũng có thể được chọn ngẫu nhiên, và địa chỉ trực tiếp Bộ nhớ chính là truy nhập ngẫu nhiên

- Truy nhập liên kết: Dữ liệu lưu trữ giống như nội dung của một phần bộ nhớ lớn

Thời gian truy xuất xác định! Không phụ thuộc vị trí của dữ liệu hay lần truy xuất trước đó Bộ nhớ cache dùng cách truy nhập này

4.2.4 Hiệu năng

- Truy nhập trực tiếp (direct memory): Bộ nhớ tổ chức thành nhiều khối có địa chỉ

riêng biệt Truy cập bằng địa chỉ (nhảy đến), cũng có thể truy cập tuần tự Thời gian truy xuất tùy vào khối nhớ ở đâu và đầu đọc/ghi đang nằm ở đâu Các loại đĩa sử dụng phương pháp truy nhập trực tiếp

- Thời gian truy xuất: đối với truy nhập ngẫu nhiên đó là thời gian để thực hiện

hoạt động đọc ghi Đó là thời gian từ khi địa chỉ đã sẵn sàng trong bộ nhớ đến khi dữ liệu được cất trữ hoặc được làm có thể sử dụng được Đối với truy nhập không phải là ngẫu nhiên thời gian truy nhập là thời gian đưa vị trí đọc viết cơ khí đến vị trí mong muốn

Khoa Điện-Điện tử

- Thời gian chu kỳ bộ nhớ: Sau mỗi lần truy xuất, bộ nhớ có thể cần một khoảng

thời gian “phục hồi” trước khi sẵn sàng cho lần truy cập tiếp theo Thời gian: Chu kỳ = truy xuất + phục hồi

- Tốc độ truyền tải: Tốc độ mà dữ liệu truyền vào hay nhận ra từ một thiết bị nhớ

- Kiểu vật lý của bộ nhớ (physical type):

o Bộ nhớ bán dẫn (RAM, ROM)

o Bộ nhớ từ: băng từ và đĩa từ

o Bộ nhớ quang: đĩa quang

- Các đặc trưng vật lý (physical characteristics)

o Bộ nhớ khả biến / không khả biến

o Bộ nhớ xóa được / không xóa được

4.3 Mô hình phân cấp và tổ chức bộ nhớ 4.3.1 Mô hình phân cấp

- Hầu hết hệ thống nhớ trong các thiết bị tính toán hiện đại được tổ chức theo cấu

trúc phân cấp (hierachical structure) Cấu trúc phân cấp không chỉ được sử dụng trong các hệ thống nhớ mà nó còn sử dụng rộng rãi trong đời sống xã hội, như cấu trúc tổ chức các cơ quan nhà nước, doanh nghiệp và cả các trường học Cấu trúc phân cấp hệ thống nhớ gồm các phần chính:

o Bên trong CPU: Các thanh ghi của CPU (CPU Registers)

o Bộ nhớ trong: Bộ nhớ cache (Cache), bộ nhớ chính (Main Memory)

o Bộ nhớ ngoài (Secondary/Tertiary Storage): Đĩa từ, Băng từ, CD

Hình 16 Cấu trúc phân cấp bộ nhớ

- Việc phân cấp bộ nhớ theo các tiêu chuẩn:

o Giảm giá/bit

o Tăng dung lượng

o Tăng thời gian truy nhập

o Giảm tần số truy nhập của bộ nhớ bởi CPU

- Theo chiều từ trên xuống dưới:

o Dung lượng tăng dần

o Tốc độ truy nhập giảm dần

4.3.2 Tổ chức- Thiết kế bộ nhớ

- Dựa trên các mạch Flip- flop

- Có 2N

ngăn nhớ -> N chân địa chỉ

- Độ dài mỗi ngăn nhớ m bits

4.4 Bộ nhớ trong 4.4.1 Bộ nhớ Rom 4.4.1.1 Khái niệm và chức năng của ROM

- Khái niệm: Bộ nhớ ROM (Read Olly Memory - Bộ nhớ chỉ đọc): đây là bộ nhớ

cố định, dữ liệu không bị mất khi mất điện

Hình 17 Bộ nhớ ROM

- Chức năng: dùng để lưu trữ các chương trình, các thông số kỹ thuật của các thiết

bị phục vụ cho quá trình quản lý, khởi động máy tính như: BIOS, POST… được ghi bởi nhà sản xuất

4.4.1.2 Phân loại ROM

- Có 3 kiểu ROM: ROM, PROM, EPROM, EEPROM - Flash ROM

Khoa Điện-Điện tử

o PROM (Programmable ROM): là loại chip được lập trình bằng chương trình đặc biệt, dữ liệu sẽ không bị mất khi tắt máy Được lập trình một lần

và dữ liệu trên chip không thể xóa

o EPROM (Erasable Programmable ROM): là loại chip mà thông tin lưu trữ có thể xóa bằng tia cực tím (xoá ghi bằng phần cứng)

o EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) được gọi là Flash ROM: loại chip nhớ được chế tạo bằng công nghệ bán dẫn Toàn bộ thông tin có thể xóa bằng điện và sau đó ghi lại mà không cần lấy ra khỏi máy tính

4.4.2 Bộ nhớ RAM 4.4.2.1 Khái niệm, chức năng, thông số và phân loại RAM

- Khái niệm: Bộ nhớ RAM (Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu

nhiên): Bộ nhớ này lưu các chương trình phục vụ trực tiếp cho quá trình xử lý của CPU, bộ nhớ RAM chỉ lưu trữ dữ liệu tạm thời và dữ liệu sẽ bị xoá khi mất điện

- Phân loại: Có 2 loại RAM là SRAM (Static RAM) hay còn gọi là RAM tĩnh và

DRAM (Dynamic RAM) hay còn gọi là RAM động Cả SRAM và DRAM đều

sẽ bị mất dữ liệu sau khi tắt máy

o SRAM là loại RAM không cần phải làm tươi (refresh) mà dữ liệu vẫn không bị mất Có dung lượng nhỏ, cũng đắt tiền nhưng tốc độ hoạt động rất nhanh từ 10 ns đến 20 ns SRAM được sử dụng cho bộ nhớ cache trong CPU như: cache L1, cache L2, cache L3

o DRAM là dạng chip nhớ được sử dụng làm bộ nhớ chính cho hầu hết các máy tính hiện nay Tốc độ truy xuất chậm hơn SRAM, cần phải được refresh thường xuyên (hàng triệu lần mỗi giây) để đảm bảo dữ liệu lưu trữ không bị mất đi

- Các thông số kỹ thuật đặt trưng:

o Dung lượng (Memory Capacity): Khả năng lưu trữ thông tin, tính theo Byte (MB/GB/TB…) Dung lượng của RAM càng lớn thì hệ thống hoạt động càng nhanh

o Tốc độ (Speed): tốc độ hoạt động của RAM, tính theo tần số hoạt động (MHz) hoặc theo băng thông Ví dụ:

512 DDR333: là DDR bus 333MHz, dung lượng 512MB

512 DDR PC2700: PC2700 là băng thông RAM khi chạy ở tốc độ

333 MHz nó sẽ đạt băng thông là 2700MBps (trên lý thuyết)

o Độ trễ (C.A.S Latency): Là khoảng thời gian chờ từ khi CPU ra lệnh đến khi CPU nhận được sự phản hồi

4.4.2.2 Nguyên lý hoạt động của RAM

- Tương tự như bộ vi xử lý (BVXL), chip nhớ cũng là một mạch tích hợp (IC)

được làm từ hàng triệu bóng bán dẫn (transitor) và tụ điện Đối với loại bộ nhớ thông dụng nhất trên máy vi tính, bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên động (DRAM), một bóng bán dẫn và một tụ điện đi đôi với nhau để tạo thành một tế bào nhớ

Tụ điện sẽ giữ bit thông tin 0 hoặc 1 Bóng bán dẫn hoạt động như một ngắt để mạch điều khiển trên chip nhớ đọc hoặc thay đổi trạng thái của tụ điện

- Một tụ điện giống như một thùng nước nhỏ có thể chứa các điện tử Để lưu 1 vào

tế bào nhớ, thùng nước này sẽ được đổ đầy các điện tử Để lưu 0, thùng nước sẽ được làm rỗng Tuy nhiên, thùng nước có một khuyết điểm là nó có một lỗ thủng Trong khoảng vài mili giây, một thùng nước đầy sẽ trở nên trống rỗng Do đó,

để bộ nhớ động làm việc, hoặc là CPU hoặc là bộ điều khiển bộ nhớ phải nhanh chóng nạp lại tất cả các tụ điện đang chứa 1 trước khi nó phóng điện Để làm được việc này, bộ điều khiển sẽ đọc lại nội dung nhớ rồi ghi nó vào lại Quá trình làm tươi này tự động diễn ra hàng ngàn lần trong một giây Và chính quá trình này tạo nên phần "động" cho RAM Ram động phải được làm tươi một cách liên tục nếu không nó sẽ "quên" mọi thứ nó đang giữ Mặt hạn chế của quá trình làm tươi là nó sẽ mất một khoảng thời gian để thực hiện và điều này có thể làm giảm tốc độ của bộ nhớ

- Các tế bào nhớ được khắc lên một bánh silicon theo một dãy các cột (bitlines)

và các hàng (wordlines) Điểm giao của một bitline và một wordline tạo thành địa chỉ của tế bào nhớ

- DRAM hoạt động bằng cách gửi dòng nạp điện qua cột phù hợp (CAS) để kích

hoạt bóng dẫn tại mỗi bit trong cột Khi ghi, các hàng sẽ chứa trạng thái mà tụ

Khoa Điện-Điện tử

điện đã mang Khi đọc, một bộ khuếch đại hướng sẽ xác định mức nạp điện trong

tụ điện Nếu hơn 50%, nó sẽ đọc là 1 Ngược lại, nó sẽ đọc là 0 Một bộ đếm sẽ theo dõi trình tự làm tươi dựa trên hàng nào được truy xuất theo thứ tự nào Quãng thời gian để làm tất cả việc này là rất nhỏ, do đó nó được biểu diễn bằng đơn vị nano giây (hàng tỉ của giây) Một chip nhớ được đánh giá 70ns nghĩa là

nó sẽ mất 70 nano giây để hoàn tất quá trình đọc và nạp lại điện cho mỗi tế bào Các tế bào nhớ đơn độc sẽ là vô dụng nếu không có cách lấy được thông tin vào

và ra của chúng Do đó, các tế bào nhớ có một bộ hỗ trợ toàn vẹn trên các mạch chuyên dụng khác

- RAM tĩnh (SRAM) sử dụng một công nghệ hoàn toàn khác Các bit của bộ nhớ

được giữ dưới dạng các con bật Một con bật cho tế bào nhớ tốn 4 hoặc 6 bóng bán dẫn cùng một vài dây dẫn Và chúng không cần được làm tươi Nhờ vậy, tốc

độ của RAM tĩnh nhanh hơn rất nhiều so với RAM động Tuy nhiên, vì nó cần đến nhiều thành phần nên tế bào bộ nhớ tĩnh chiếm nhiều không gian trên chip hơn là tế bào bộ nhớ động Do đó, trên cùng một chip, chúng ta có ít bộ nhớ hơn Dẫn đến việc chế tạo RAM tĩnh tốn nhiều chi phí hơn

4.5 Ổ đĩa cứng (HDD - Hard Disk Drive)

- Ổ đĩa cứng (HDD - Hard Disk Drive): thiết bị lưu trữ phổ biến nhất mà bất kì

một máy tính nào cũng có trang bị, dữ liệu được lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ tính Ưu điểm chính của HDD là nhỏ gọn, tốc

độ truy xuất nhanh, dung lượng lưu trữ lớn, thời gian sử dụng bền lâu

Hình 18 Các loại ổ cứng

4.5.1 Cấu tạo ổ đĩa cứng 4.5.1.1 Cấu tạo vật lý

- Khung sườn ổ cứng (Base Casting): Chức tất cả thành phần bên trong của ổ cứng,

làm bằng hợp kim nhôm giúp định vị các chi tiết bên trong và đảm bảo độ kín

- Đĩa từ (Platter): Nơi chứa dữ liệu của đĩa cứng Bao gồm một hoặc nhiều lớp đĩa

mỏng đặt trên một môtơ có tốc độ quay rất cao, làm bằng nhôm, hợp chất gốm

và thuỷ tinh, 2 mặt được phủ lớp từ tính và lớp bảo vệ, được gắn trên cùng 1 trục

o Vật liệu cấu tạo đĩa từ có hệ số nhiệt thấp và độ bền cũng như chịu lực cao, không bị biến dạng do tác động của lực ly tâm khi đĩa quay (tốc độ quay 3600rpm, 5400rpm, 7200rpm )

o Mật độ lưu trữ thông tin: Rất cao khoảng 10x103 bit/inch Vì vậy lớp vật liệu từ phủ lên lớp ngoài của đĩa cứng phải thật tốt, chúng phải có độ nhạy cao để cho mỗi thay đổi từ thông đều được phân biệt rõ ràng Hơn nữa lớp vật liệu từ này phải cực phẳng, chính xác đến micromet để chúng không va đập vào đầu từ khi đĩa quay

Hình 19 Đĩa từ (Platter)

Khoa Điện-Điện tử

- Đầu đọc (head): dùng đọc/ghi dữ liệu, mỗi mặt đĩa có một đầu đọc/ghi riêng

Hình 20 Đầu từ đọc, ghi

- Bo mạch điều khiển (Logic Board): truyền tín hiệu giữa máy tính và HDD Thành

phần quan trọng để điều khiển mọi hoạt động của đĩa cứng Nó được cấu tạo gồm nhiều linh kiện điện tử rất nhỏ và có các chức năng:

o Điều khiển tốc độ quay đĩa

o Điều khiển dịch chuyển các đầu từ

o Mã hóa và giải mã tín hiệu ghi / đọc

Hình 21 Bo mạch điều khiển

- Cache: bộ nhớ đệm dùng làm nơi lưu dữ liệu tạm thời

- Moto: dùng để quay đĩa từ

Hình 22 Cấu tạo vật lý ổ đĩa cứng

Khoa Điện-Điện tử