KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Chương 1: Nguyên lý làm việc của máy tính
2
Mục tiêu
Trong chương này, bạn sẽ học: • Một máy tính cần cả phần cứng và phần mềm
để có thể làm việc
• Các thành phần phần cứng khác nhau bên trong máy tính và các thành phần kết nối với máy tính
3
Phần cứng và phần mềm
4
Thiết bị phần cứng cần phần mềm để có thể làm việc • Phần cứng: các thành phần vật lý của máy tính
• Phần mềm: tập lệnh chỉ thị phần cứng hoàn
thành một công việc cụ thể
• Phần mềm sử dụng phần cứng để nhập, xử lý,
kiết xuất và lưu trữ dữ liệu
• Mọi ký tự và con số được lưu trong máy tính
dưới dạng một chuỗi bit thông tin
5
Thiết bị phần cứng cần phần mềm để có thể làm việc (tiếp)
Hình 1-1: Hoạt động của máy tính gồm phần nhập dữ liệu, xử lý, lưu trữ và đưa dữ liệu ra
6
Thiết bị phần cứng cần phần mềm để có thể làm việc (tiếp)
Hình 1-2: Dứ liệu trong máy tính tại tất cả các quá trình truyền thông, lưu trữ và xử lý là nhị phân
cho đến khi được truyền đến người sử dụng
7
Thiết bị phần cứng cần phần mềm để có thể làm việc (tiếp)
Hình 1-3 Tất cả những ký tự đều được lưu trong máy tính như một chuỗi các bit, mỗi bit
được hiển thị trên máy tính theo dạng tắt hay mở
8
Các thành phần phần cứng của máy PC
9
Các thành phần phần cứng của máy PC
•
Phần cứng dùng để nhập và xuất dữ liệu
•
Phần cứng bên trong thùng máy
•
Bo mạch chủ
•
CPU và Chip Set
•
Các thiết bị lưu trữ
•
Các thành phần trên bo mạch chủ dùng để trao đổi thông tin giữa các thiết bị
10
•
Các thành phần phần cứng của máy PC (tiếp) Các cạc giao tiếp (mở rộng)
• Hệ thống điện
•
Các lệnh lưu trên bo mạch chủ và các bản mạch khác
•
Các thông số thiết lập bo mạch chủ
11
Các thành phần phần cứng của máy PC (tiếp) • Tất cả các thiết bị dùng để nhập, xuất và lưu trữ dữ liệu đều cần các thành phần sau:
– Phương thức trao đổi thông tin giữa thiết bị
và CPU
– Phần mềm để chỉ thị và kiểm soát thiết bị
– Nguồn cung cấp điện cho thiết bị
12
Nhập và xuất dữ liệu
13
Phần cứng dùng để nhập và xuất dữ liệu
• Trao đổi dữ liệu thông qua kết nối không dây hoặc thông qua cáp nối với cổng giao tiếp
14
Phần cứng dùng để nhập và xuất dữ liệu (tiếp)
• Các thiết bị nhập liệu thông dụng nhất là:
– Bàn phím
– Chuột
15
Phần cứng dùng để nhập và xuất dữ liệu (tiếp)
• Các thiết bị xuất dữ liệu thông dụng nhất
là:
– Màn hình
– Máy in
16
Phần cứng dùng để nhập và xuất dữ liệu (tiếp)
Công tắc Bật/Tắt
Nguồn điện vào
Cổng chuột
Cổng bàn phím Cổng USB
Cổng Song song
Cổng trực tiếp
Cổng video (cho màn hình)
Cổng mạng
Cổng loa ra
Cổng điện thoại dùng cho kết nối moden
Cổng tiếng
Hình 1-4 Các thiết bị vào ra được kết nối với thùng máy qua các cổng thường được thiết kế ở mặt sau của thùng máy
17
Phần cứng dùng để nhập và xuất dữ liệu (tiếp)
Kết nối bàn phím và chuột 6-chân
Hình 1-5 Bàn phím và chuột là 2 thiết bị đầu vào phổ thông nhất
18
Phần cứng dùng để nhập và xuất dữ liệu (tiếp)
Kết nối Video 3-Hàng, 15 chân
Cổng song song 25 chân cho kết nối máy in
Hình 1-6 Hai thiết bị đầu ra phổ biến nhất là màn hình và máy in
19
Bên trong thùng máy
20
Phần cứng bên trong thùng máy
• Một bo mạch chủ trên đó gắn CPU, bộ
nhớ, và các thành phần khác
• Một ổ đĩa mềm, ổ cứng, và ổ đĩa CD-ROM
dùng để lưu trữ dữ liệu
• Cáp điện nguồn và cáp dẫn điện
21
Phần cứng bên trong thùng máy (tiếp)
• Các bản mạch được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị bên trong và bên ngoài thùng máy
• Cáp nối các thiết bị với các bản mạch và
với bo mạch chủ
22
Phần cứng bên trong thùng máy (tiếp)
CPU Pentium II
Nguồn điện
Lõi nguồn Ổ đĩa CD
Ổ đĩa mềm
Mặt trước của thùng máy
Ổ Zip Ổ đĩa cứng
Cáp dữ liệu
Bo mạch chủ
Các mạch điện (Cáp mở rộng)
Phía sau của thùng máy
Hình 1-7 Bên trong thùng máy
23
Bo mạch chủ
• Là bản mạch lớn nhất và quan trọng nhất
– Còn được gọi là bo mạch chủ
• Trên đó gắn CPU – nơi thực hiện hầu hết
mọi công đoạn xử lý
24
Bo mạch chủ (tiếp)
• Tất cả các thiết bị
– Trao đổi dữ liệu với bo mạch chủ
– Hoặc được gắn trực tiếp vào bo mạch chủ hoặc kết nối với bo mạch chủ bằng cáp
25
Bo mạch chủ (tiếp)
• Xử lý: CPU và chip set hỗ trợ CPU
• Lưu trữ: RAM và bộ nhớ đệm
• Trao đổi dữ liệu: theo dõi, cung cấp các khe cắm mở rộng và đồng hồ hệ thống
26
Bo mạch chủ (tiếp)
• Hệ thống điện: nguồn điện
• Dữ liệu lập trình và thiết lập: Flash ROM,
CMOS
27
Bo mạch chủ (tiếp)
Khe cắm PCI Khe cắm PCI
Khe cắm APG cho cạc Video
CPU với Quạt ở trên
Khe cắm Ram
Chíp set
Bộ nối ổ
Kết nối nguồn điện
Pin CMOS
Hình 1-8: Tất cả các thành phần phần cứng được đặt trong bo mạch chủ, hoặc trực tiếp
hoặc gián tiếp kết nối với nó, bởi vì tất cả phần cứng cần phải giao tiếp với CPU
28
Bo mạch chủ (tiếp)
Cổng mạng
Cổng song song
Cổng 1394
Cổng chuột và bàn phím
Ba cổng âm thanh
Bốn cổng USB
Cổng nối tiếp
Cổng S/PDIF (âm thanh số)
Hình 1-9: Một bo mạch chủ chứa các cổng cho các thiết bị vào/ra thông thường
29
CPU và Chip Set • CPU – là một con chíp bên trong máy tính thực hiện hầu hết công việc xử lý dữ liệu thực tế
• Chip set – là một vi chíp trên bo mạch chủ
– Kiểm soát luồng dữ liệu và tập lệnh vào và ra
từ CPU
30
CPU và Chip Set (tiếp)
Quạt CPU
Bộ tản nhiệt
Bo mạch chủ
Hình 1-10: CPU được đặt dưới quạt và bộ tản nhiệt để làm mát cho nó
31
CPU và Chip Set (tiếp)
Hình 1-11: Bo mạch chủ dùng chíp set gồm hai chip (lưu ý những đường bus ở mỗi chíp sử dụng để giao tiếp)
32
Các thiết bị lưu trữ
• Tạm thời và lâu dài
• CPU sử dụng bộ nhớ tạm để lưu dữ liệu và
lệnh thực hiện trong khi xử lý
• Khi dữ liệu và lệnh xử lý chưa được sử dụng, chúng được lưu trong bộ nhớ lâu dài
33
Các thiết bị lưu trữ (tiếp)
Hình 1-12: Bộ nhớ lưu giữ tạm thời các lệnh và dữ liệu trong khi CPU xử lý cả hai
34
Bộ nhớ sơ cấp • Là các thiết bị được gọi là bộ nhớ hoặc bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random Access Memory - RAM)
• Bao gồm các loại là SIMMs, DIMMs, và
RIMMs
• Thông tin lưu trong RAM sẽ bị mất khi ta
tắt máy tính
35
Bộ nhớ sơ cấp (tiếp)
Hai khe cắm mở rộng cho các thanh DIMM bổ sung
Hình 1-13 Một SIMM, DIMM hoặc RIMM chứa RAM và được lắp trực tiếp trên một bo mạch chủ
36
Bộ nhớ sơ cấp (tiếp)
Hình 1-14: Các loại môđun RAM
37
Bộ nhớ sơ cấp (tiếp)
Hình 1-15: System Properties (các thuộc tính của hệ thống) cung cấp thông tin hữu ích về máy tính và hệ điều hành 38
Bộ nhớ thứ cấp
• Dữ liệu và lệnh xử lý được lưu trữ lâu dài
trong các thiết bị như đĩa CD, đĩa cứng, và đĩa mềm
• CPU chỉ có thể xử lý chúng khi chúng được
đưa vào bộ nhớ sơ cấp
39
Bộ nhớ thứ cấp (tiếp)
Hình 1-16 Ổ cứng với lớp vỏ niêm phong được tháo rời
40
Bộ nhớ thứ cấp (tiếp)
Cáp IDE tới ổ CD-ROM
Đầu nối IDE thứ nhất
Đầu nối IDE thứ hai
Cáp IDE tới ổ cứng
Hình 1-17: Một bo mạch chủ thường có hai đầu nối IDE, mỗi đầu có thể giao tiếp được với hai thiết bị; ổ cứng thường được kết nối với bo mạch chủ qua đầu nối IDE thứ nhất
41
Bộ nhớ thứ cấp (tiếp)
Cáp IDE 40 chân
Ô
Ổ CD-ROM
Đầu nối cho thiết bị thứ hai trên cáp này
Ổ cứng
Hình 1-18: Hai thiết bị IDE kết nối với bo mạch chủ sử dụng cả hai đầu nối IDE và hai cáp
42
Bộ nhớ thứ cấp (tiếp)
Ổ CD-ROM
Cáp IDE thứ hai Ổ zíp Hai đầu nối IDE trên bo mạch chủ
Ổ cứng
Cáp IDE thứ nhất
Cả hai cáp đều nối với bo mạch chủ
Đầu nối chưa được sử dụng, dùng cho thiết bị IDE thứ tư
Hình 1-19: Hệ thống này có ổ CD-ROM và ổ Zip cùng sử dụng cáp IDE thứ hai và một ổ cứng sử dụng cáp IDE thứ nhất
43
Bộ nhớ thứ cấp (tiếp)
Ổ cứng
Nguồn điện
Đầu nối điện
Hình 1-20 Một ổ cứng nhận điện từ nguồn điện bằng dây điện kết nối với ổ đó
44
Bộ nhớ thứ cấp (tiếp)
Đầu nối ổ đĩa mềm
Đầu nối IDE thứ hai
Bộ nối IDE thứ nhất
Hình 1-21: Bo mạch chủ thường cung cấp đầu nối cho cáp ổ đĩa mềm
45
Bộ nhớ thứ cấp (tiếp)
Cáp dữ liệu ổ đĩa mềm
Hai đầu nối có thể sử dụng cho ổ đĩa mềm khác
Đầu nối để cắm điện
Hình 1-22: Một đầu nối ổ đĩa mềm trên bo mạch chủ có thể hỗ trợ cho một hoặc hai ổ đĩa mềm
46
Bộ nhớ thứ cấp (tiếp)
Ổ CD-ROM
Cáp IDE
Dây điện
Hình 1-23: Hầu hêt ổ đĩa CD-ROM đều là các thiết bị EIDE và kết nôi với bo mạch chủ bằng cáp dữ liệu IDE
47
Các thành phần trên bo mạch chủ dùng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị
• Theo dõi và cho phép dữ liệu, lệnh xử lý và
điện di chuyển giữa các thành phần
• Hệ thống đường truyền (bus) là một hệ
thống đường dẫn, giao thức, và các phương pháp được sử dụng để truyền dữ liệu
48
Các thành phần trên bo mạch chủ dùng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị (tiếp)
• Dung lượng của đường truyền dữ liệu là
băng thông của đường truyền
• Đồng hồ hệ thống được gắn trên đường
truyền và chuyên dùng để giữ nhịp các hoạt động trên bo mạch chủ
49
Các thành phần trên bo mạch chủ dùng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị (tiếp)
Các đường bus
Phần đáy đế cắm CPU
Hình 1-24: Trên mặt sau của bo mạch chủ, bạn có thể thấy các đường bus kết thúc tại đế cắm CPU
50
Các thành phần trên bo mạch chủ dùng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị (tiếp)
Ký tự A trên đường truyền dữ liệu bus giữa CPU và bộ nhớ
Hình 1-25: Bus (đường truyền) dữ liệu là các đường mang điện áp, được CPU và các thiết bị khác
hiểu như các bit
51
Các thành phần trên bo mạch chủ dùng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị (tiếp)
Tinh thể trên bo mạch chủ tạo ra đồng hồ hệ thống
Hình 1-26: Đồng hồ hệ thống là một tín hiệu xung điện được gửi đến từ thành phần hoạt động giống như một tinh thể trong đồng hồ đeo tay (một đường, hoặc mạch trên bo mạch chủ được dùng để chỉ mang xung này)
52
Các thành phần trên bo mạch chủ dùng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị (tiếp)
Các chân trên đầu nối của cạc mở rộng
Khe cắm PCI
Các đường truyền bus
Hình 1-27: Các đường của bus kết thúc tại một khe cắm mở rộng, tại đây chúng nối tới các chân của khe cắm, các chân này nối tới các đường truyền trên cạc mở rộng được cắm vào khe cắm đó
53
Các thành phần trên bo mạch chủ dùng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị (tiếp)
• 3 kiểu khe cắm mở rộng:
Khe cắm AGP Khe cắm PCI
– PCI: dành cho các
Khe cắm ISA 16 bit
thiết bị vào/ra tốc độ cao
– AGP: dành cho cạc
màn hình
– ISA: dành cho các
thiết bị cũ và chậm hơn
Hình 1-28 Khe cắm mở rộng PCI ngắn hơn khe cắm ISA và cách mép bo mạch chủ xa hơn;
có một khe cắm AGP và nó được đặt xa hơn tính từ góc bo mạch chủ.
54
Cạc giao tiếp (mở rộng)
• Được gắn vào các khe cắm mở rộng trên bo
mạch chủ
• Tạo kết nối giữa CPU với một thiết bị bên
ngoài hoặc với mạng
• Công nghệ để truy cập thiết bị được tích hợp
sẵn trong cạc
55
Cạc giao tiếp (mở rộng) (tiếp)
• Công nghệ để trao đổi dữ liệu với khe cắm, với bo mạch chủ và với CPU cũng được tích hợp
• Cấu hình cổng có thể xác định chức năng của
cạc
56
Cạc giao tiếp (mở rộng) (tiếp)
Cạc môđem
Bo mạch chủ Cổng dây điện thoại
Khe cắm PCI
Hình 1-29 Bảng mạch này là một cạc môđem và được gắn vào môt khe cắm PCI trên bo mạch chủ
57
Cạc giao tiếp (mở rộng) (tiếp)
Mặt sau thùng máy
Cổng Video
Các cổng âm thanh
Cổng mạng
Các cổng dây điện thoại
Cạc modem Cạc mạng Cạc Video được cắm trên khe cắm AGP Cạc âm thanh Khe cắm PCI đã lắp cạc âm thanh
Khe cắm PCI đã lắp cạc mạng Các khe cắm PCI trống Khe cắn ISA đã cắm modem Cạc môdem
Các khe cắm ISA trống
Hình 1-30: Bốn cạc đã được cài đặt trên bo mạch chủ cung cấp các cổng cho một số thiết bị
58
Cạc giao tiếp (mở rộng) (tiếp)
Cổng video 3 hàng, 15 pin
Hình 1-31 Cách dễ nhất để xác định cạc video này là nhìn vào cổng ở phần cuối cạc
59
Hệ thống điện
• Chuyển đổi và giảm năng lượng đến mức
điện thế máy tính có thể làm việc
• Từ điện lưới xoay chiều 110-240V được chuyển thành mức điện áp một chiều thấp hơn rất nhiều
60
Hệ thống điện (tiếp)
• Kiểu cũ: 5 hoặc 12 vôn điện một chiều
• Kiểu mới: 3.3, 5, 12 vôn điện một chiều
• Chạy quạt để giữ nhiệt độ dưới 185°F
61
Hệ thống điện (tiếp)
Hình 1-32 Nguồn cung cấp điện và dây nối
62
Hệ thống điện (tiếp)
Đầu nối từ nguồn điện tới bo mạch chủ
Hình 1-31 Bo mạch chủ nhận điện từ nguồn điện bằng một hoặc hai đầu nối được đặt ở mép bảng
63
Các lệnh
64
Lệnh xử lý lưu trên bo mạch chủ và các bản mạch khác
• Các chíp ROM (Bộ nhớ chỉ đọc)
• BIOS: Hệ thống vào/ra cơ sở
– BIOS hệ thống
– BIOS khởi động
– CMOS BIOS
• Flash ROM cho phép ghi đè chương trình
lưu trong con chip
65
Lệnh xử lý lưu trên bo mạch chủ và các bản mạch khác (tiếp)
Hình 1-34 Chíp ROM BIOS trên bo mạch chủ chứa chương trình khởi động PC cũng như thực hiện một số nhiệm vụ cơ bản khác
66
Giao tiếp cấu hình và điện nâng cao (ACPI)
• Hỗ trợ các tính năng tiết kiệm điện
• Là chuẩn do Intel, Microsoft, Toshiba phát
triển
• ACPI cho phép bật hệ thống bằng một
thiết bị ngoài ví dụ bàn phím
67
Cắm và chạy • Là chuẩn cho phép cài đặt phần cứng mới dễ
dàng hơn
• Khởi động quá trình cấu hình các thiết bị phần
cứng trong hệ thống
• Chuyển thông tin cho hệ điều hành
68
Thiết lập cấu hình bo mạch chủ
• Chíp cấu hình CMOS, chíp thiết lập CMOS
hoặc chíp CMOS RAM
• Chứa một dung lượng bộ nhớ rất nhỏ
• Lưu thông tin cấu hình hoặc thông tin thiết lập
về máy tính
• Lưu ngày và giờ hiện hành, thông tin ổ cứng và ổ mềm cũng như cấu hình cổng giao tiếp, và những thông tin khác
69
Các thông số thiết lập bo mạch chủ (tiếp)
Pin xu
Hình 1-35 Chíp Firmwave chứa flash ROM và CMOS RAM. CMOS RAM được cấp điện từ pin xu đặt cạnh chíp đó
70
Các thông số thiết lập bo mạch chủ (tiếp)
Khe cắm jamper
Vỏ jumper
Hình 1-36 Thông tin cài đặt trên bo mạch chủ có thể được lưu bằng cách thiết lập jumper bật (đóng)
hoặc tắt (mở), jumper đóng khi được lắp vỏ, kết nối hai chân của jumper, jumper mở khi vỏ không được lắp (không nối được hai chân của jumper).
71
Các thông số thiết lập bo mạch chủ (tiếp)
Hình 1-37 Có thể sử dụng các khoá chuyển đổi DIP để thiết lập cấu hình cho một bo mạch chủ
72
Tóm tắt
73
Tóm tắt nội dung đã học • Máy tính cần cả phần cứng và phần mềm để
làm việc
• Nhập, xuất, xử lý và lưu trữ dữ liệu
• Bo mạch chủ là thành phần quan trọng nhất
bên trong máy tính
• Cần rất nhiều các thành phần bên trong máy tính để thực hiện 4 chức năng nêu trên của máy tính
74
