Giáo trình cấu trúc máy tính (nghề kỹ thuật sửa chữa và lắp ráp máy tính trình độ trung cấpcao đẳng)

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Cấu trúc máy tínhMã môn học: MH 07 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Môn học được bố trí dạy sau khi học xong các môn học chung

UBND TỈNH BÌNH ĐỊNH TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ QUY NHƠN

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CẤU TRÚC MÁY TÍNH NGHỀ: KỸ THUẬT SỮA CHỮA LẮP RÁP MÁY TÍNH

TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP - CAO ĐẲNG

Ban hành kèm theo Quyết định số: 99/QĐ-CĐKTCNQN ngày 14 tháng 3 năm 2018

của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Kỹ thuật công nghệ Quy Nhơn

Bình Định, năm 2018

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Giáo trình này được biên soạn bởi giáo viên khoa Điện tử trường Caođẳng Kỹ thuật công nghệ Quy Nhơn, sử dụng cho việc tham khảo và giảng dạy

nghề Kỹ thuật sữa chữa lắp ráp máy tính tại trường Cao đẳng Kỹ thuật Công

nghệ Quy Nhơn Mọi hình thức sao chép, in ấn và đưa lên mạng Internet khôngđược sự cho phép của Hiệu trưởng trường Cao đẳng Kỹ thuật công nghệ QuyNhơn là vi phạm pháp luật

LỜI GIỚI THIỆU

Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề nghề Kỹ thuật sữa chữa lắp ráp máy tính ở trình độ Cao Đẳng và Trung Cấp, giáo trình Cấu trúc máy tính là một trong những giáo trình môn học đào tạo chuyên ngành được biên

soạn Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặtchẽ với nhau, logíc

Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới

có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo,nội dung lý thuyết và thực hành được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế trongsản xuất đồng thời có tính thực tiển cao

Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học

và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thứcmới cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập củatừng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng Tuynhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sửdụng cho phù hợp Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mụctiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết

Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc đểnhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn Các ý kiến đóng góp xin gửi vềTrường Cao Đẳng Kỹ thuật công nghệ Quy Nhơn, 172 An Dương Vương, TP.Quy Nhơn

Biên soạn

Lê Tấn Hòa

2

MỤC LỤC

Trang

LỜI GIỚI THIỆU 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY TÍNH 5

1.1 Tổng quan về máy tính 5

1.2 Phân loại máy tính 6

1.3 Thành quả của máy tính 7

1.4 Các thành phần trong máy tính 8

CHƯƠNG 2: MAINBOARD 10

2.1 Tổng quan về mainboard 10

2.2 Khảo sát các thành phần trên mainboard 13

2.3 Khảo sát các thế hệ Mainboard 20

3.1 Khảo sát các dòng CPU và thông số 23

CHƯƠNG 4 : BỘ NHỚ LƯU TRỮ 29

4.1 Cấu tạo ổ cứng 29

4.2 Nguyên tắc lưu trữ trên đĩa cứng 30

4.3 Định dạng đĩa cứng 30

4.4 Các thiết bị lưu trữ khác 31

CHƯƠNG 5 : KHẢO SÁT CÁC THIẾT BỊ NHẬP XUẤT 34

5.1 Lý thuyết liên quan 34

5.2 Trình tự thực hiện 37

5.3 Thực hành: 37

5.4 Câu hỏi ôn tập: 37

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Cấu trúc máy tính

Mã môn học: MH 07

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:

- Vị trí: Môn học được bố trí dạy sau khi học xong các môn học chung

của chương trình đào tạo;

- Tính chất: Là môn học cơ sở;

- Ý nghĩa và vai trò của môn học: trang bị cho học viên các kiến thức cơbản về các thành phần cơ bản cấu thành nên máy tính cũng như luyện tập kỹnăng quan sát, phân tích

Mục tiêu của môn học:

TT Tên ch ương, mục TS Th ời gian (giờ) LT TH KT

CH ƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY TÍNH

Mã bài: MH07-01

Th ời gian: 10 giờ (LT: 1; TH: 4; Tự học: 5)

Gi ới thiệu:

Ngày nay, máy vi tính là một thiết bị rất phổ biến trong cuộc sống Máy

vi tính có mặt ở mọi nơi, trong mọi lĩnh vực Việc ra đời của máy vi tính đãgiúp cho công việc của con người thuận lợi hơn, mọi việc được thực hiệnnhanh chóng hơn, nâng cao hiệu suất, hiệu quả của công việc

M ục tiêu:

- Trình bày được lịch sử phát triển của máy tính

- Trình bày được các thành phần cơ bản của một máy vi tính

- Trình bày được các thành tựu của máy tính; nhiệm vụ các thiết

b ị trong máy tính

- Rèn luy ện tính tự giác trong học tập.

N ội dung chương:

1.1 T ổng quan về máy tính

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

a Th ế 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 tínhđiện tử

số đầu tiên do Giáo sư Mauchly và người học trò Eckert tại Đại họcPennsylvania thiết kế vào năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946.ENIAC là chiếc máy khổng lồ với hơn 18.000 bóng đèn điện tử, 1500 rơ le,

nặng hơn 30 tấn, tiêu thụ một lượng điện năng vào khoảng 140kW và chiếm

độ trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiệntrên mạch tích hợp Sử dụng vi mạch tích hợp mật độ cao (LSI - Large ScaleIntegrated) làm linh kiện chính

d Th ế hệ thứ tư (1980 – nay):

Máy tính thế hệ 4 sử dụng mạch tích hợp mật độ rất cao (VLSI – VeryLarge Scale Integrated Circuit) làm linh kiện chính Máy tính thế hệ thứ tư

6

đạt hiệu năng xử lý rất cao, 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

1.2 Phân lo ại máy tính

1.2.1 Theo kích th ước, công dụng:

a Super Computer:

Một siêu máy tính là một máy tính vượt trội trong khả năng và tốc độ

xử lý Thuật ngữ Siêu Tính Toán được dùng lần đầu trong báo New YorkWorld vào năm 1920 để nói đến những bảng tính (tabulators) lớn

của IBM làm cho trường Đại học Columbia Siêu máy tính hiện nay có tốc độ

xử lý hàng nghìn teraflop (một teraflop tương đương với hiệu suất một nghìn

tỷ phép tính/giây) hay bằng tổng hiệu suất của 6.000 chiếc máy tính hiện đại

nhất hiện nay gộp lại (một máy có tốc độ khoảng từ 3-3,8 gigaflop)

Có thể hiểu siêu máy tính là hệ thống những máy tính làm việc songsong

Hình 1.1 Siêu máy tính TITAN (2009) – T ốc độ 20 Pflop

b Mainframe

Máy tính có cấu hình phần cứng lớn, tốc độ xử lý cao được dùng trongcác công việc đòi hỏi tính toán lớn như làm máy chủ phục vụ mạng Internet,máy chủ để tính toán phục vụ dự báo thời tiết, vũ trụ

Hình 1.2 Máy tính Mainframe

c Mini Computer

Máy tính mini cònđược gọi là máy tính tầm trung Chúng được sử dụngtrong kiểm soát quá trình sản xuất, chuyển mạch điện thoại và kiểm soátthiết bị phòng thí nghiệm Trong những năm 1970, chúng là phần cứng được

sử dụng để khởi động ngành công nghiệp thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) vàcác ngành công nghiệp tương tự khác mà cần có một hệ thống dành riêng nhỏ

nguồn gốc của thành quả các máy tính.

Sự phát triển của công nghệ máy tính và đặc biệt là sự phát triển của bộ

vi xử lý của các máy vi tính làm cho các máy vi tính có tốc độ vượt qua tốc độ

bộ xử lý của các máy tính lớn hơn

8

B ảng 1.1 Các bộ vi xử lý

Sự phát triển của máy tính trong những năm qua đều tuân theo qui luật

Moore “Kh ả năng của máy tính sẽ tăng lên gấp đôi sau 18 tháng với giá thành

là nh ư nhau.”

Kết quả của quy luật Moore:

- Chi phí cho máy tính sẽ giảm

- Giảm kích thước các linh kiện, máy tính sẽ giảm kích thước

- Hệ thống kết nối bên trong mạch ngắn: tăng độ tin cậy, tăng chất

lượng

- Tiết kiệm năng lượng cung cấp, tỏa nhiệt thấp

- Các IC thay thay cho các linh kiện rời

1.4 Các thành ph ần trong máy tính

Hình 1.3 S ơ đồ các thành phần linh kiện máy tính

10

Câu h ỏi chương 1:

1 Nêu các thành ph ần cơ bản trong máy tính?

2 Trình bày các k ết quả ảnh hưởng của qui luật Moore đến sự phát triển của máy tính?

3 Trình bày nhi ệm vụ của các thiết bị trong máy tính?

M ục tiêu:

- Trình bày được tập lệnh của các kiến trúc máy tính.

- Trình bày được các kiểu định vị được dùng trong kiến trúc, loại và chi ều dài của toán hạng, tác vụ mà máy tính có thể thực hiện.

- Trình bày được kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer).

- Rèn luy ện tính cẩn thận, tỉ mỉ.

2.1 T ổng quan về mainboard

2.1.1 S ơ đồ khối mainboard:

Bo mạch chủ là bảng mạch chính và lớn nhất trong cấu trúc máy tính,

nóđóng vai trò là trung gian giao tiếp giữa các thiết bị với nhau

Hình 2.1 S ơ đồ khối mainboard

- Các thành phần chính của Mainboard:

+ Soket CPU: Có nhiều loại đế cắm cho CPU tuỳ theo chủng loạiMainboard

- Socket 370 trên các Mainboard Pentium 3

- Socket 478 trên các Mainboard Pentium 4, Celeron

- Socket 775 trên các Mainboard Core 2 Duo, Pentium E6000series

- Socket 1155 trên các Mainboard các dòng Core i+ North Bridge (Chipset bắc)

Chipset bắc có nhiệm vụ điều khiển các thành phần có tốc độ cao nhưCPU, RAM và Card Video

Chipset điều khiển về tốc độ BUS và điều khiển chuyển mạch dữ liệu,đảm bảo cho dữ liệu qua lại giữa các thành phần được thông suốt và liên tục,khai thác hết được tốc độ của CPU và bộ nhớ RAM

Có thể ví Chipset giống như một nút giao thông ở một ngã tư, điềukhiển chuyển mạch như các đèn xanh đèn đỏ cho phép từng luồng dữ liệu điqua trong một khoảng thời gian nhất định, còn điều khiển tốc độ BUS là mỗi

hướng của ngã tư khác nhau thì các phương tiện phải chạy theo một tốc độquyđịnh

+ Sourth Bridge (Chipset nam)

Chức năng của Chipset nam tương tụ như Chipset bắc, nhưng Chipsetnam điều khiển các thành phần có tốc độ chậm như: Card Sound, Card Net, ổ

cứng, ổ CD ROM, các cổng USB, IC SIO và BIOS v v

+ ROM BIOS (Read Olly Memory - Basic In Out System)

ROM là IC nhớ chỉ đọc, BIOS là chương trình nạp trong ROM do nhà sản

xuất Mainboard nạp vào, chương trình BIOS có các chức năng chính sau đây:

Khởi động máy tính, duy trì sự hoạt động của CPU

Kiểm tra lỗi của bộ nhớ RAM và Card Video

Quản lý trình điều khiển cho chipset bắc, chipset nam, IC-SIO và cardvideo onboard

Cung cấp bản cài đặt CMOS SETUP mặc định để máy có thể hoạt động ta

chưa thiết lập CMOS

+ IC SIO (Super In Out) - ICđiều khiển các cổng vào ra dữ liệu

SIO điều khiển các thiết bị trên cổng Parallel như máy In, máy Scaner,điều khiển ổ mềm, các cổng Serial như cổng COM, cổng PS/2

Ngoài ra SIO còn thực hiện giám sát các bộ phận khác trên Main hoạtđộng để cung cấp tín hiệu báo sự cố

Tích hợp mạch điều khiển tắt mở nguồn, tạo tín hiệu Reset hệ thống.+ Clockgen (Clocking) - Mạch tạo xung Clock

Mạch tạo xung Clock có vai trò quan trọng trên Main, chúng tạo xung

nhịp cung cấp cho các thành phần trên Main hoạt động đồng thời đồng bộ sự

hoạt động của toàn hệ thống máy tính, nếu mạch Clock bị hỏng thì các thành

phần trên Main không thể hoạt động được, mạch Clocking hoạt động đầu tiênsau khi Main có nguồn chính cung cấp

+ VRM (Vol Regu Module) - Modulổn áp

14

Đây là mạch điều khiển nguồn VCORE cấp cho CPU, mạch có nhiệm vụ

biến đổi điện áp 12V/2A thành điện áp khoảng 1,5V và cho dòng lên tới 10A

để cấp cho CPU, mạch bao gồm các linh kiện như đèn Mosfet, IC dao động, các

mạch lọc L,C

+ Khe AGP hoặc PCI Express

Khe AGP và PCI Express dùng để gắn Card video, khe AGP hoặc PCIExpress do Chipset bắc điều khiển

+ Khe RAM

Khe RAM do Chipset bắc điều khiển dùng để gắn bộ nhớ RAM, đây là bộ

nhớ trung gian không thể thiếu được trong một hệ thống máy tính

- Các thiết bị này có tốc độ chạy rất khác nhau

- Ngoài ra số đường mạch (số BUS) cũng khác nhau, vì vậy mà các thiết

bị trên không thể kết nối trực tiếp với nhau được

- Mainboard chính là thiết bị đóng vai trò trung gian để kết nối tất cảcác thiết bị trên hệ thống máy tính liên kết lại với nhau thành một bộ máy

thống nhất, vì vậy Mainboard có những chức năng sau:

+ 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 khácnhau

+ Quản lý nguồn cấp cho các thành phần trên Mainboard

+ Cung cấp xung nhịp chủ (xung Clock) để đồng bộ sự hoạt động củatoàn hệ thống

Chính vì những chức năng quan trọng trên mà khi Mainboard có sự cốthì máy tính không thể hoạt động được

2.1.3 Nguyên lý ho ạt động mainboard

Mainboard có 2 IC quan trọng là Chipset cầu bắc và Chipset cầu nam,chúng có nhiệm vụ là cầu nối giữa các thành phần cắm vào Mainboard như

nối giữa CPU với RAM, giữa RAM với các khe mở rộng PCI v v

Giữa các thiết bị này thông thường có tốc độ truyền qua lại rất khácnhau còn gọi là tốc độ Bus

Ví dụ trên một Mainboard Pentium 4, tốc độ dữ liệu ra vào CPU là533MHz nhưng tốc độ ra vào bộ nhớ RAM chỉ có 266MHz và tốc độ ra vàoCard Sound gắn trên khe PCI lại chỉ có 66MHz

Giả sử ta nghe một bản nhạc MP3, đầu tiên dữ liệu của bản nhạc được

nạp từ ổ cứng lên bộ nhớ RAM sau đó dữ liệu được xử lý trên CPU rồi lại tạm

thời đưa kết quả xuống bộ nhớ RAM trước khi đua qua Card Sound ra ngoài,toàn bộ hành trình của dữ liệu di chuyển như sau:

Dữ liệu đọc trên ổ cứng truyền qua cổng IDE với vận tốc 33MHz đi quaChipset cầu nam đổi vận tốc thành 133MHz đi qua Chipset cầu bắc vào bộ

nhớ RAM với vận tốc 266MHz, dữ liệu từ Ram được nạp lên CPU ban đầu đivào Chipset bắc với tốc độ 266MHz sau đó đi từ Chipset bắc lên CPU với tốc

độ 533MHz, kết qủa xử lý được nạp trở lại RAM theo hướng ngược lại, sau đó

dữ liệu được gửi tới Card Sound qua Bus 266MHz của RAM, qua tiếp Bus133MHz giữa hai Chipset và qua Bus 66MHz của khe PCI => Như vậy ta thấy

rằng 4 thiết bị có tốc độ truyền rất khác nhau là:

+ CPU có Bus (tốc độ truyền qua chân) là 533MHz

+ RAM có Bus là 266MHz

+ Card Sound có Bus là 66MHz

+ Ổ cứng có Bus là 33MHz đã làm việc được với nhau thông qua hệ

thống Chipset điều

2.2 Kh ảo sát các thành phần trên mainboard

2.2.1 Lý thuy ết liên quan

- Nhi ệm vụ chipset

a Chip c ầu bắc

Cách nhận dang:

16

+ Chip lớn nhất trên Mainboard.

+ Thường được gắn thêm 1 miếng tản nhiệt

Hình 2.4 S ơ đồ kết nối chip cầu bắc

b Chip c ầu nam

Có nhiệm vụ truyền dẫn truyền tín hiệu từ các thiết bị còn lại đến chip

cầu Bắc và ngược lại Khác với chip cầu bắc, chip cầu nam không được kết nối

trực tiếp với CPU Chip cầu nam được đặt xa CPU hơn, là chíp lớn thứ 2 trênmainboard (chỉ thua Chip cầu Bắc)

- Socket CPU

CPU giao tiếp với mainboard thông qua đế cắm (Socket) hoặc khe cắm(Slot) Hệ thống kết nối này thường được gọi là Front Side Bus.

Slot: Là khe cắm dài như một thanh để cắm CPU thuộc thế hệ cũ Có 3

loại slot : Slot 1(Intel Pentium II, III), Slot 2 (Intel Server) và Slot A (AMD)

Hình 2.5 Slot c ắm CPU

Socket: là loại đế hình vuông (hoặc chữ nhật) có các tiếp điểm kết nối

tương ứng với các điểm tiếp xúc (chân) của chip CPU

Hình 2.6 Các Socket c ắm CPU

- Khe c ắm ram

Khe cắm RAM có chức năng kết nối mainboard với RAM Kích thước,hình dạng của khe cắm RAM phụ thuộc vào loại RAM được sử dụng

Các loại module khe cắm:

− Chuẩn SIMM (Single Inline Memory Modules) là dạng khe cắm RAMdùng cho mainboardđời cũ, hiện nay không còn sử dụng Có 2 loại khe cắm:

30 chân và 72 chân

− Chuẩn RIMM (Rambus Inline Memory Module): là dạng khe cắm haihàng chân dùng riêng cho RDRAM Có 2 loại khe cắm: 184 pin và 232 pin

− Chuẩn DIMM (Dual Inline Memory Module): Khe cắm hai hàng chân

sử dụng phổ biến cho các loại RAM hiện nay (SDR-SDRAM, DDR-SDRAM,DDR2- SDRAM, DDR3-SDRAM)

18

Hình 2.7 Khe c ắm RAM chuẩn DIMM

− Chuẩn SoDIMM (Small Outline Dual In-line Memory Module): Khe

cắm RAM dành cho các dòng máy Laptop Được chia làm 2 loại: 72 chân và

144 chân

- Khe c ắm mở rộng

Khe cắm mở rộng (expansion slot) dùng để kết nối các card mở rộng

Có nhiểu loại chuẩn khe cắm khác nhau Sau đây là một số chuẩn khe cắm:

a Khe c ắm PCI

Khe cắm PCI (Peripheral Component Interconnect) chuẩn kết nối phổ

biến dùng cho các card mở rộng như: card màn hình, card mạng, card âmthanh… Hoạt động ở tần số 32MHz, 66Mhz, 133Mhz với các đường truyền dữ

liệu có băng thông 32bit/64bit

Hình 2.8 Khe c ắm PCI

b Khe c ắm AGP

Khe cắm AGP (Accelerated Graphics Port) là khe cắm card mở rộng chỉdùng cho card màn hình Chuẩn AGP đầu tiên là AGP 1X tốc độ truyền266MBps vàđược phát triển lên AGP 2X, 4X, 8X

c Khe c ắm PCI Express

Khe cắm PCI Express (PCIe) là chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ caotheo dạng điểm đến điểm thay thế cho chuẩn PCI, PCI-X, AGP Đối với PCIe X1thì băng thông là 2.5Gbps (X1=250MBps) mỗi chiều, còn đồng bộ thì tới5.0Gbps (X1 = 500MBps)

Kết nối nguồn (Power Connector) thành phần quan trọng dùng để cấp

năng lượng cho mainboard và các thành phần khác kết nối đến mainboard

Gồm nhiều loại như: nguồn chính, nguồn phụ, nguồn PCIe, nguồn quạt CPU(FAN CPU), nguồn quạt mainboard

Hình 2.10 Các đầu nối nguồn

b C ổng kết nối thiết bị lưu trữ

– Giao ti ếp IDE (Intergrated Drive Electronics): Giao tiếp IDE/ATA là

chuẩn kết nối CD/DVD, HDD với mạch điều khiển IDE trên mainboard, gồm

40 chânđầu cắm Tốc độ truyền dữ liệu cao nhất là 133MBps

Hình 2.11 Đ ầu nối ATA

– Giao ti ếp FDD (Floppy Disk Drive): Là chuẩn kết nối ổ đĩa mềm

(FDD, Floppy) trên mainboard Đầu cắm FDD thường nằm gần IDE trên main

và có tiết diện nhỏ hơn IDE có 35 chân cắm

20