Bài giảng Cấu trúc máy tính - Nghề: Công nghệ thông tin
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ VÀ NÔNG LÂM NAM BỘ
------- -------
BÀI GIẢNG
CẤU TRÚC MÁY TÍNH
Mã số: MĐ11.
NGHỀ: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Địa chỉ: 456 QL 1K, Phường Bình An, TX. Dĩ An, Tỉnh Bình Dương
Email: cn.cnnlnb@gmail.com.
[Lưu hành nội bộ]
-2018-
GIỚI THIỆU
Cấu trúc máy tính là một trong các lĩnh vực khoa học cơ sở của ngành Khoa
học máy tính nói riêng và Công nghệ thông tin nói chung. Cấu trúc máy tính là khoa
học về lựa chọn và ghép nối các thành phần phần cứng của máy tính nhằm đạt được
các mục tiêu về hiệu năng cao, tính năng đa dạng và giá thành thấp.
Môn học Cấu trúc máy tính là môn học cơ sở trong chương trình đào tạo ngành
Công nghệ thông tin. Mục tiêu của môn học là cung cấp cho học sinh - sinh viên các
kiến thức cơ sở của cấu trúc máy tính, bao gồm: cấu trúc máy tính tổng quát, kiến
trúc bộ xử lý trung tâm, kiến trúc tập lệnh máy tính, cơ chế ống lệnh, hệ thống phân
cấp bộ nhớ, hệ thống bus và thiết bị vào ra; Cấu trúc máy tính là lĩnh vực đã được
phát triển trong một thời gian tương đối dài với lượng kiến thức đồ sộ, nhưng do
khuôn khổ của tài liệu có tính chất là bài giảng môn học, nhóm tác giả cố gắng trình
bày những vấn đề cơ sở nhất, phục vụ mục tiêu môn học. Nội dung của tài liệu được
biên soạn như sau:
- Chương 1. Giới thiệu chung.
- Chương 2. Hệ thống máy tính.
- Chương 3. Bộ xử lý trung tâm CPU.
- Chương 4. Bộ nhớ máy tính.
- Chương 5. Giới thiệu về hệ thống vào, ra.
- Chương 6. Bộ nguồn máy tính.
Tài liệu được biên soạn có tham khảo từ các tài liệu, bài giảng và kinh nghiệm
giảng dạy của tập thể giáo viên Khoa, nên không thể tránh khỏi các thiếu soát rất
mong nhận được ý kiến góp ý để tài liệu hoàn thiện hơn.
Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Khoa Công nghệ thông tin, Trường Cao đẳng
Công nghệ và Nông Lâm Nam Bộ.
Chân thành cảm ơn !
Bình Dương, ngày 01 tháng 8 năm 2017
Nhóm biên soạn
MỤC LỤC
Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG..............................................................................................1
1.1. CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY TÍNH. ...............................................................1
1.1.1. Máy tính (Computer) là gì?...................................................................................1
1.1.2. Nguyên tắc làm việc của máy tính.........................................................................1
1.1.3. Biểu diễn và xử lý thông tin trong máy tính. .......................................................2
1.2. PHÂN LOẠI MÁY TÍNH...............................................................................................3
1.2.1. Theo mục đích sử dụng. .........................................................................................3
1.2.2. Theo mức cải tiến công nghệ. ................................................................................4
1.2.3. Theo đặc trưng thiết kế..........................................................................................5
1.2.4. Theo năng lực sử dụng...........................................................................................5
Chương 2. HỆ THỐNG MÁY TÍNH........................................................................................8
2.1.1. Mô hình tổng quát của máy tính...........................................................................8
2.1.2. Bộ nhớ/ Memory.....................................................................................................9
2.1.3. Xử lý trung tâm/ CPU. .........................................................................................11
2.1.4. Thiết bị nhập/ Input Device.................................................................................14
2.1.5. Thiết bị xuất/ Output Device. ..............................................................................14
2.1.6. Thiết bị lưu trữ/ Storage Device..........................................................................14
2.2. HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH. ................................................................14
2.2.1. Sơ đồ khối một PC với các thiết bị ngoại vi........................................................14
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy tính......................................................................15
2.3. HỆ THỐNG LIÊN KẾT................................................................................................18
2.3.1. Giới thiệu...............................................................................................................18
2.3.2 Các chức năng của Mainboard.............................................................................18
2.3.3. Các thành phần chính của Mainboard...............................................................19
Chương 3. BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM CPU............................................................................30
3.1. CẤU TRÚC CPU. .........................................................................................................30
3.1.1. Đường truyền dữ liệu............................................................................................31
3.1.2. Bộ điều khiển.........................................................................................................32
3.1.3. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy. ..........................................................................35
3.1.4. Ngắt quãng (interrupt). ........................................................................................36
3.2. TẬP LỆNH....................................................................................................................37
3.3. HOẠT ĐỘNG CỦA CPU............................................................................................. 42
3.3.1. Quy trình hoạt động............................................................................................. 42
3.3.2. Sơ đồ khối của một CPU hiện đại....................................................................... 45
3.4. KIẾN TRÚC INTEL..................................................................................................... 51
3.4.3. Nhận biết các ký hiệu trên CPU Core I. ............................................................ 66
3.4.5. Đặc trưng và ứng dụng của Core i3, i5, i7. ........................................................ 71
Chương 4. BỘ NHỚ MÁY TÍNH............................................................................................ 76
4.1. TỔNG QUAN............................................................................................................... 76
4.1.1. Giới thiệu. ............................................................................................................. 76
4.1.2. Phân loại bộ nhớ................................................................................................... 76
4.2. BỘ NHỚ BÁN DẪN. ................................................................................................... 80
4.2.1. Giới thiêu. ............................................................................................................. 80
4.2.2. Các loại bộ nhớ..................................................................................................... 80
4.2.3. Cách tính dung lượng của memory (ram). ........................................................ 94
4.3. BỘ NHỚ ĐỆM.............................................................................................................. 94
4.3.1. Giới thiệu. ............................................................................................................. 94
4.3.2. Nguyên tắc hoạt động. ......................................................................................... 95
4.3.3. Các cấp độ khác nhau của bộ nhớ cache. .......................................................... 96
4.4. BỘ NHỚ NGOÀI.......................................................................................................... 97
4.4.1. Bộ nhớ bán dẫn. ................................................................................................... 97
4.4.2. Đĩa từ..................................................................................................................... 97
4.4.3. Đĩa quang.............................................................................................................. 99
4.4.4. Băng từ. ............................................................................................................... 101
4.5. CÁC GIẢI PHÁP SAO LƯU DỮ LIỆU. ................................................................... 103
4.5.1. Một số thiết bị lưu trữ........................................................................................ 104
4.5.2. Các giải pháp sao lưu......................................................................................... 105
4.5.3. Chiến lược sao lưu.............................................................................................. 106
4.5.4. Lựa chọn giải pháp lưu trữ. .............................................................................. 108
Chương 5. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VÀO, RA ........................................................... 111
5.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀO RA. ............................................................... 112
5.2.1. Truy xuất cổng nối tiếp dùng Dos và Bios. ...................................................... 112
ii
5.2.2. Giao tiếp với bàn phím.......................................................................................113
5.3. GHÉP NỐI THIẾT BỊ VÀO RA.................................................................................118
5.3.1. Chuẩn ghép nối RS-232......................................................................................118
5.3.2. Cổng song song (Parallel). .................................................................................120
5.3.3. Cổng nối tiếp (Serial port) .................................................................................121
5.4. CÁC CỔNG VÀO RA THÔNG DỤNG.....................................................................122
5.4.2. PCI EXPRESS. ...................................................................................................124
5.4.3. Cổng USB. ...........................................................................................................127
Chương 6. BỘ NGUỒN MÁY TÍNH ....................................................................................137
6.1. CHỨC NĂNG CỦA NGUỒN MÁY TÍNH................................................................137
6.3. CẤU TẠO BỘ NGUỒN MÁY TÍNH.........................................................................138
6.3.1. Bộ biến áp............................................................................................................139
6.3.2. Bộ nắn điện (hay còn gọi là bộ chỉnh lưu). .......................................................139
6.3.3. Bộ lọc chỉnh lưu. .................................................................................................139
6.3.4. Bộ lọc nhiễu điện.................................................................................................139
6.3.5. Mạch ổn áp..........................................................................................................139
6.3.6. Mạch bảo vệ. .......................................................................................................139
6.5. CÔNG SUẤT NGUỒN ĐIỆN. ...................................................................................140
6.6.1. Màu dây...............................................................................................................141
6.6.2. Tác dụng chính của các dòng điện. ...................................................................142
6.8. BỘ TẢN NHIỆT NGUỒN MÁY TÍNH.....................................................................143
6.9.1. Thời gian duy trì điện (Hold-up time) ..............................................................144
6.9.2. Power Factor Correction (PFC)........................................................................144
6.9.3. Năng lượng cực đại và năng lượng liên tục......................................................145
6.9.4. Chiết áp chỉnh điện thế (Adjustable Pot). ........................................................145
6.9.5. Chế độ Soft Power và tín hiệu chờ 5V. .............................................................145
iii
Chương 1.
GIỚI THIỆU CHUNG
A. MỤC TIÊU:
- Trình bày được cấu trúc, phân loại máy tính, chức năng của các thành phần và
các nguyên lý làm việc giữa các thành phần trong hệ thống;
- Phân biệt được các linh kiện, thiết bị phần cứng trong máy tính, thiết bị nhập,
xuất và thiết bị ngoại vi.
- Rèn luyện ý thức lao động, tác phong công nghiệp, có trách nhiệm và sáng tạo.
B. DỤNG CỤ - THIẾT BỊ - VẬT LIỆU:
C. NỘI DUNG:
1.1. CÁC KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MÁY TÍNH.
1.1.1. Máy tính (Computer) là gì?
Máy tính là công cụ cho phép xử lý thông tin một cách tự động theo những
chương trình (program) đã được lập sẵn từ trước.
Mục đích làm việc của máy tính là xử lý thông tin, trong đó chương trình đã
được lập sẵn quy định máy tính sẽ tiến hành xử lý thông tin như thế nào.
Chương trình là một dãy các lệnh (tập các lệnh: set of instructions) theo một trình
tự nhất định để thực hiện một công việc nào đó từng bước một theo ý muốn của người
lập trình.
Như vậy, chương trình là một tập các chỉ thị để ra lệnh cho máy tính thực hiện
công việc nhằm đạt đến mục tiêu hay kết quả của việc thực hiện chương trình. Muốn
máy tính thực hiện chương trình tự động thì máy tính phải có chức năng “nhớ” tập
lệnh của chương trình.
1.1.2. Nguyên tắc làm việc của máy tính.
Máy tính làm việc theo hai nguyên tắc:
+ Máy tính thực hiện công việc theo các chương trình đã được lưu trữ trong bộ
nhớ.
1
+ Thực hiện chương trình, máy tính tuần tự đọc các lệnh, giải mã lệnh, thực thi
lệnh (thi hành lệnh).
Chẳng hạn ta có một chương trình yêu cầu máy tính thực hiện, theo nguyên tắc
nhất thì chương trình đó phải được “nạp” hay được lưu trữ trong bộ nhớ. Để thực hiện
chương trình đó, theo nguyên tắc làm việc thứ hai thì máy tính lần lượt đọc các lệnh
của chương trình, giải mã lệnh đó và thực hiện lệnh. Chỉ khi máy tính thực hiện xong
một lệnh thì lệnh kế tiếp mới được đọc vào, giải mã và thực hiện. Nếu một lệnh không
thực hiện được thì máy tính sẽ bị ngưng làm việc (treo máy) hay báo lỗi nếu có cơ chế
báo lỗi.
Ví dụ: Với lệnh chia mà số chia bằng 0, thì lệnh này sẽ không thể thực hiện được.
Để giải quyết vấn đề này, máy tính sẽ thực hiện việc kiểm tra trước số chia của phép
chia, nếu số chia bằng 0, máy tính sẽ báo một lỗi và trên thực tế, phép chia này không
được thực hiện.
1.1.3. Biểu diễn và xử lý thông tin trong máy tính.
Khái niệm thông tin (information) được sử dụng thường ngày. Con người có nhu
cầu đọc báo, nghe đài, xem phim, video, đi tham quan, du lịch, tham khảo ý kiến
người khác,... để nhận được thêm thông tin mới. Thông tin mang lại cho con người sự
hiểu biết, nhận thức tốt hơn về những đối tượng trong đời sống xã hội, trong thiên
nhiên,... giúp cho họ thực hiện hợp lý công việc cần làm để đạt tới mục đích một cách
tốt nhất.
Thông tin chứa đựng ý nghĩa, còn dữ liệu là các dữ kiện không có cấu trúc và
không có ý nghĩa rõ ràng nếu nó không được tổ chức và xử lý. Cùng một thông tin, có
thể được biểu diễn bằng những dữ liệu khác nhau. Cùng biểu diễn một đơn vị, nhưng
trong chữ số thập phân ta cùng ký hiệu 1, còn trong hệ đếm La Mã lại dùng ký hiệu I.
Mỗi dữ liệu lại có thể được thể hiện bằng những ký hiệu vật lý khác nhau. Cũng là gật
đầu, đối với nhiều dân tộc trên thế giới thì đó là tín hiệu thể hiện sự đồng tình; nhưng
ngược lại, đối với người Hy Lạp, gật đầu để biểu lộ sự bất đồng. Cùng là ký hiệu I
nhưng trong tiếng Anh có nghĩa là đại từ nhân xưng ngôi thứ nhất (tôi) còn trong toán
học lại là chữ số La Mã có giá trị là 1. Mỗi tín hiệu có thể dùng để thể hiện các thông
tin khác nhau. Uống một chén rượu để mừng ngày gặp mặt, cũng có thể uống chén
rượu để giải sầu, để tiễn đưa người thân lên đường đi xa.
2
Trong máy tính, các thông tin được biểu diễn bằng hệ đếm nhị phân. Tuy chỉ
dùng 2 ký số là 0 và 1 mà ta gọi là bit nhưng hệ nhị phân đã giúp máy tính biểu diễn -
xử lý được trên hầu hết các loại thông tin mà con người hiện đang sử dụng như văn
bản, hình ảnh, âm thanh, video,...
1.2. PHÂN LOẠI MÁY TÍNH.
Máy tính có thể làm việc thông qua sự chuyển động của các bộ phận cơ khí, điện
tử (electron), photon, hạt lượng tử hay các hiện tượng vật lý khác đã biết. Mặc dù máy
tính được xây dựng từ nhiều công nghệ khác nhau song gần như tất cả các máy tính
hiện nay đều là máy tính điện tử.
Căn cứ vào các ddwawcj tính khác nhau của máy tính mà sự phân loại máy tính
cũng khác nhau.
1.2.1. Theo mục đích sử dụng.
- Siêu máy tính.
- Siêu máy tính cỡ nhỏ.
- Mainframe.
- Máy chủ doanh nghiệp.
- Máy tính mini.
- Máy trạm (workstation).
- Máy tính cá nhân (PC).
- Máy tính để bàn (Desktop).
- Máy tính xách tay (Laptop).
- Máy tính bảng con.
- Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân (PDA).
- Máy tính tháo lắp.
Điểm yếu của xu hướng phân loại này là tính chất mơ hồ. Cách phân loại này
thường được sử dụng khi cần phân loại tại một thời điểm nào đó trong quá trình phát
triển của ngành công nghiệp máy tính. Sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp
máy tính đã làm cho định nghĩa trên nhanh chóng trở nên lạc hậu. Rất nhiều loại máy
tính hiện nay không được còn sử dụng nữa, như máy phân tích vi phân (differential
analyzer), không được đưa vào danh sách này. Những sơ đồ phân loại khác cần được
đề ra để định nghĩa thuật ngữ máy tính một cách ít (hoặc không) mơ hồ hơn.
3
1.2.2. Theo mức cải tiến công nghệ.
Một cách phân loại máy tính ít mơ hồ hơn là theo mức độ hoàn thiện của công
nghệ. Những chiếc máy tính có mặt sớm nhất thuần túy là máy cơ khí. Trong thập niên
1930, các thành phần relay cơ-điện đã được giới thiệu vào máy tính từ ngành công
nghiệp liên lạc viễn thông. Trong thập niên 1940, những chiếc máy tính thuần túy điện
tử đã được chế tạo từ những bóng điện tử. Trong hai thập niên 1950 và thập niên 1960,
bóng điện tử dần dà được thay thế bởi bóng bán dẫn, và từ cuối thập niên 1960
đầu thập niên 1970 là bởi mạch tích hợp bán dẫn (chíp bán dẫn, hay IC) cho đến hiện
nay.
Một hướng nghiên cứu phát triển gần đây là máy tính quang (optical computer)
trong đó máy tính hoạt động theo nguyên lý của ánh sáng hơn là theo nguyên lý của
các dòng điện; đồng thời, khả năng sử dụng DNA trong công nghệ máy tính cũng đang
được thử nghiệm.
Máy tính ADN hay còn gọi là máy tính phân tử sinh học. Đây là một công nghệ
nổi bật nghiên cứu việc sử dụng ADN và công nghệ sinh hóa để thực hiện tính toán
thay vì dùng công nghệ điện tử.
Mô hình sử dụng ADN để thực hiện tính toán được đưa ra lần đầu tiên bởi giáo
sư Leonard Adleman tại trường đại học Nam California (University of Southern
California) vào năm 1994.
Mục đích ban đầu của công nghệ này là cho ra đời những máy tính sử dụng phân
tử sinh học đủ mạnh để cạnh tranh với các máy tính silicon trong viêc giải quyết các
vấn đề phức tạp.
Tuy nhiên, "Ngày nay, nhiều người nhận ra rằng máy tính sử dụng phân tử sinh
học sẽ không cạnh tranh được với máy tính điện tử trong một tương lai gần." Giáo sư
Ehud Shapiro từ viện khoa học Weizmann (Weizmann Institute ò Science) Israel đã
công nhận như vậy.
Mục đích hiện nay của công nghệ tính toán sử dụng ADN là làm những điều mà
máy tính silicon không thể làm được. Một ví dụ cụ thể hơn, trung tâm nghiên cứu
Israel đang phát triển một loại "thuốc thông minh" có thể thực hiện tính toán. Giáo sư
Shapiro cho biết: "Chúng tôi đang nghiên cứu một loại thuốc có thể cảm nhận môi
4
trường sinh hóa bên ngoài, phân tích nó và sau đó giải phóng một lượng thuốc thích
hợp cho từng trường hợp cụ thể."
Một nhánh khác của việc nghiên cứu có thể dẫn công nghiệp máy tính tới những
khả năng mới như tính toán lượng tử, tuy rằng nó vẫn còn ở giai đoạn đầu của việc
nghiên cứu.
1.2.3. Theo đặc trưng thiết kế.
Các máy tính hiện đại đã liên kết các đặc trưng thiết kế chính được phát triển bởi
nhiều người đóng góp trong nhiều năm. Các đặc trưng này phần lớn không phụ thuộc
vào mức độ hoàn thiện của công nghệ. Các máy tính hiện đại nhận được khả năng tổng
thể của chúng theo cách mà các đặc trưng này tác động qua lại với nhau.
1.2.4. Theo năng lực sử dụng.
Có lẽ cách tốt nhất để phân loại các thiết bị máy tính là theo năng lực nội tại của
nó, hơn là theo việc sử dụng, sự hoàn thiện công nghệ hay các đặc trưng thiết kế. Máy
tính có thể chia làm ba dạng chính dựa theo năng lực sử dụng:
1.2.4.1. Theo tín hiệu xử lý.
- Máy tính tương tự (Analog Computer): xử lý dữ liệu tương tự, dùng trong
nghiên cứu khoa học, y học, đo lường khí tượng thuỷ văn..vv
- Máy tính số (Digital Computer): xử lý tín hiệu số, dùng rộng rãi trong việc lưu
trữ dữ liệu, giáo dục, thương mại, giải trí…
Theo khả năng:
- Supercomputer: Siêu máy tính, khả năng tính toán, tốc độ xử lý, khả năng lưu
trữ rất lớn. Dùng để chứa cơ sở dữ liệu trong các mạng an ninh quốc phòng, các tập
đoàn đa quốc gia… của Mỹ và các nước đồng minh. Có giá từ vài chục đến vài trăm
triệu đô la.
- Minicomputer: máy tính nhỏ, khả năng lưu trử, tốc độ … kém hơn siêu máy
tính. Thường dùng để chứa cơ sở dữ liệu trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Giá cỡ
vài triệu đôla.
- MicroComputer: máy vi tính, khả năng xử lý, lưu trữ…phù hợp với cá nhân nên
được dùng cho PC (Personal Computer : máy tính cá nhân). Có giá từ vài trăm đến vài
ngàn đôla.
1.2.4.2. Theo công dụng, có một số thuật ngữ sau.
5
- Mainframe (máy chính) – terminate (máy trạm): Máy chính dùng để chứa toàn
bộ cơ sở dữ liệu và được cài đặt một hệ điều hành đa xử lý (Multiproccessor Operating
System: Chẳng hạn MAC OS, Unix). Máy trạm đơn giản chỉ là một thiết bị đầu cuối
(Gồm bàn phím để nhập, màn hình hoặc máy in để xuất nối vào Mainframe dùng làm
hệ thống nhập xuất. Mọi công việc xử lý đều thuộc về máy chính.
- Server (Máy chủ) – Client (Máy khách): Máy chủ chứa cơ sở dữ liệu server
(Server Database), cài đặt một hệ điều hành chạy được trên nền server (Windows NT,
Windows 2008 server…). Máy khách có thể hiểu đơn giản là một PC, cài đặt một hệ
điều hành (Win 2000, XP, Win 7) và cài đặt các giao thức mạng để có thể truy xuất
đến cơ sở dữ liệu của máy chủ.
1.2.4.3. Theo kiểu thiết kế họ phần cứng máy tính cá nhân.
Các đặc tính kỹ thuật và các chuẩn dành cho PC vào thuở ban đầu đều do IBM đưa ra.
Từ những hệ thống đời đầu như IBM PC, XT(eXTended) và AT(Advanced
Technology) cùng với nhiều chuẩn mà các hệ thống ngày nay sử dụng đều phải phù
hợp với chuẩn mà IBM đã đưa ra. Bao gồm các nhân tố về bo mạch chủ, cách thiết kế
thùng máy và bộ nguồn, cấu trúc bus, cách thức sử dụng tài nguyên hệ thống, cấu trúc
và cách thức ánh xạ bộ nhớ, các giao tiếp hệ thống, bộ nối, chân cắm..vv.
Các hệ thống PC được giới thiệu dưới đây ngày nay đang được thịnh hành:
Hình 1.1: Desktop Computer: Máy tính cá nhân để bàn.
Hình 1.2: Laptop - Máy tính cá nhân xách tay.
6
Hình 1.3: Palmtop Computer - Máy tính cá nhân thu nhỏ.
7
Chương 2.
HỆ THỐNG MÁY TÍNH
A. MỤC TIÊU:
Sau khi học xong phần này người học có khả năng:
- Trình bày được cách biểu diễn thông tin trong máy tính, lịch sử phát triển của
bộ vi xử lý và nguyên tắc hoạt động của bộ vi xử lý;
- Phân biệt được kiến trúc vi xử lý Pentium và Core Duo;
- Rèn luyện ý thức lao động, tác phong công nghiệp, có trách nhiệm và sáng tạo.
B. DỤNG CỤ - THIẾT BỊ - VẬT LIỆU:
B. NỘI DUNG:
2.1. THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MỘT MÁY TÍNH.
2.1.1. Mô hình tổng quát của máy tính.
Từ mục đích làm việc của máy tính, chúng ta có thể nhìn nhận máy tính theo sơ
đồ sau:
Mô hình cho chúng ta thấy một máy tính có các thành phần cơ bản sau:
1) Memory
4) Các thiết bị ra
Output device
3) Các thiết bị vào
Input device
2) CPU
5) Các thiết bị lưu trữ
Storage device
Hình 2.1: Mô hình cấu trúc tổng quát của một máy tính PC.
8
2.1.2. Bộ nhớ/ Memory.
Hầu hết máy tính được xây dựng sử dụng mô hình Von Neumann, với trung
tâm là bộ nhớ. Chương trình thực thi quá trình được lưu trong bộ nhớ. Chúng ta biết bộ
nhớ là cấu trúc logic như 1 dãy các điểm, với địa chỉ từ 0 đến tối đa kích thước bộ nhớ
mà vi xử lý có thể đánh địa chỉ. Trong phần này chúng ta sẽ xem xét các loại bộ nhớ
khác nhau và cách mà mỗi cái là một phần của hệ thống phân cấp bộ nhớ. Sau đó
chúng ta sẽ xem xét một bộ nhớ đệm nhanh (1 bộ nhớ đặc biệt tốc độ cao) và phương
thức tận dụng bộ nhớ tối đa của các bộ nhớ ảo thực thi thông qua phân trang.
Hình 2.2: Mô hình xử lí thông tin máy tính.
Các kiểu bộ nhớ.
Công nghệ liên tục phát triển để cố gắng bắt kịp với các cải tiến trong thiết kế
CPU – tốc độ của bộ nhớ phải theo kịp CPU hoặc bộ nhớ trở thành nút cổ chai. Trong
những năm gần đây, chúng ta đã nhìn thấy rất nhiều cải tiến trong CPU. Như vậy bộ
nhớ cũng phải phát triển để theo kịp được tốc độ của CPU, trong đó bộ nhớ chính là bộ
nhớ chậm nhất. Nhưng việc cải tiến bộ nhớ chính để theo kịp với CPU không phải là
vấn đề thực sự quan trọng bởi vì lợi ích của bộ nhớ đệm nhanh (cache memory) và
phân cấp bộ nhớ (THE MEMORY HIERARCHY). Bộ nhớ đệm nhanh là một loại bộ
nhớ nhỏ, tốc độ cao (đồng nghĩa với chi phí cao). Đó là loại bộ nhớ được sử dụng
thường xuyên để truy cập dữ liệu. Việc bổ sung chi phí bằng cách sử dụng các công
nghệ tiên tiến, nhanh chóng cho bộ nhớ không phải lúc nào cũng hợp lý bởi vì bộ nhớ
chậm hơn có thể thường xuyên ẩn bởi hệ thống bộ nhớ đệm nhanh hiệu suất cao. Tuy
9
nhiên, trước khi chúng ta thảo luận về bộ nhớ đệm nhanh, chúng ta sẽ giải thích các
công nghệ bộ nhớ khác nhau.
Mặc dù có nhiều công nghệ bộ nhớ tồn tại nhưng chỉ có duy nhất 2 kiểu bộ nhớ
cơ bản là RAM (Random Access Memory)và ROM (Read Only Memory). RAM là
loại bộ nhớ đọc ghi. RAM là bộ nhớ mà một máy tính cần có. RAM được sử dụng để
lưu trữ chương trình và dữ liệu cần thiết để máy tính có thể thực hiện các chương trình,
nhưng RAM là bộ nhớ không ổn định và bị mất các thông tin khi điện bị ngắt. Hiện
nay, có 2 loại chip chính được chế tạo để sử dụng các loại RAM: và (static và dynamic
RAM).
DRAM được xây dựng từ các tụ điện tí hon. DRAM đòi hỏi cung cấp điện năng
liên tục mỗi vài mili giây để duy trì dữ liệu. SRAM thì ngược lại, duy trì nội dung cho
tới khi chừng nào vẫn còn có điện. SRAM bao gồm các mạch tương tự. SRAM nhanh
hơn và đắt hơn DRAM. Tuy nhiên người thiết kế sử dụng DRAM bởi vì nó có thể lưu
trữ nhiều bit trên 1 chip, tiêu tốn ít điện năng, và tỏa nhiệt ít hơn SRAM. Vì những lí
do đó, cả 2 công nghệ này được kết hợp sử dụng: DRAM cho bộ nhớ chính và SRAM
cho bộ nhớ cache. Hoạt động cơ bản của tất cả bộ nhớ DRAM đều tương tự nhau,
nhưng vẫn có nhiều đặc thù.
- Các loại DRAM:
+ Multibank DRAM (MDRAM).
+ Fast-Page Mode (FPM) DRAM.
+ Extended Data Out (EDO) DRAM.
+ Burst EDO DRAM (BEDO DRAM).
+ Synchronous Dynamic Random Access Memory (SDRAM).
+ Synchronous-Link (SL) DRAM.
+ Double Data Rate (DDR) SDRAM.
+ Direct Rambus (DR) DRAM.
- Các loại SRAM:
+ SRAM đồng bộ.
+ SRAM không đồng bộ.
+ Pipeline burst SRAM.
10
Ngoài bộ nhớ RAM, các máy tính còn chứa 1 bộ nhớ nhỏ ROM lưu trữ những
thông tin quan trọng cần thiết cho hoạt động hệ thống. ROM ổn đinh và không bị mất
dữ liệu. Loại bộ nhớ này cũng được sử dụng trong hệ thống nhúng hoặc bất cứ hệ
thống nào nơi mà các chương trình không cần thay đổi. Nhiều đồ gia dụng, đồ chơi, ô
tô sử dụng ROM để duy trì thông tin khi điện bị ngắt. ROM cũng được sử dụng rộng
rãi trong máy tính và các thiết bị ngoại vi như máy in laser, máy chiếu… trong đó lưu
trữ các font trong ROM. Các loại ROM cơ bản:
- Programmable ROM (PROM) – 1 biến thể của ROM có thể được lập trình bởi
người sử dụng với các thiết bị phù hợp. Trong khi ROM được cài đặt bằng phần mềm
thì PROM có thể cài đặt vào chương trình vào chip. Sau khi lập trình, dữ liệu và thông
tin trong PROM không thể thay đổi.
- EPROM erasable PROM, là PROM có thể xoá đi và lập trình lại (yêu cầu một
công cụ đặc biệt là tia cực tím). Để lập trình lại EPROM, toàn bộ chip trước tiên phải
bị xoá hoàn toàn.
- EEPROM electrically erasable PROM loại bỏ đi nhiều nhược điểm của
EPROM, không cần công cụ đặc biệt để xoá (nó được thực thi bằng cách áp dụng một
trường điện) và bạn chỉ có thể xoá các phần của chip, một byte tại 1 thời điểm.
- Flash memory là bộ nhớ có thêm các tính năng như ghi hoặc xoá cả 1 khối, xoá
bỏ 1 byte tại 1 thời điểm giới hạn. Điều này khiến flash memory nhanh hơn EEPROM.
2.1.3. Xử lý trung tâm/ CPU.
- CPU được viết tắt từ cụm từ Central Processing Unit (đơn vị xử lý trung tâm),
với chức năng xử lý các công việc tính toán và điều khiển hoạt động của máy tính.
CPU được coi là đầu não của máy tính.
- Sự ra đời và phát triển của CPU từ năm 1971 cho đến nay với các tên gọi tương
ứng với công nghệ và chiến lược phát triển kinh doanh của hãng Intel: CPU 4004,
CPU 8088, CPU 80286, CPU 80386, CPU 80486, CPU 80586,..... Core i3, i5, i7. Tóm
tắt qua sơ đồ mô tả:
11
2011
2014
2017
10nm
22nm
14nm
Hình 2.3: Lịch sử phát triển của CPU.
- Tại thời điểm CES (Consumer Electronics Show) 2017, Intel đã mang lên sân
khấu một thiết bị trang bị CPU Cannon Lake và dựa trên tiến trình 10nm. Coffee Lake
với 14nm++ sẽ là thế hệ CPU cho máy để bàn cuối cùng có bóng bán dẫn 14nm. Sau
đó, Intel sẽ thử nghiệm 10nm với Cannon Lake, nhiều khả năng sẽ chỉ dành cho laptop
và các thiết bị di động. Sau khi đã đạt được tỉ lệ sản xuất thành công cao, họ sẽ tiến lên
10nm+ bằng Ice lake để phục vụ cho thị trường máy để bàn.
- CPU Intel đang dần trở thành một trong những yêu cầu đầu tiên khi chọn mua
máy tính. Bởi chúng là thước đo hiệu suất là việc cũng như giá tiền của laptop. Các
dòng CPU Intel đang có trên thị trường hiện nay là:
Hình 2.4: Các dòng CPU Intel đang có trên thị trường hiện nay.
+ CPU Intel giá rẻ: Intel Atom, Intel Celeron, Intel Pentium, Intel Dual-Core
12
Tải về để xem bản đầy đủ
155 trang
25060
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cấu trúc máy tính - Nghề: Công nghệ thông tin", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_cau_truc_may_tinh_nghe_cong_nghe_thong_tin.pdf
