Giáo Trình Kiến Trúc Máy Tính - Nguyễn Hữu Lộ phần 3

Chia sẻ: Dqwdqweferg Vgergerghegh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

75
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tập lệnh mà máy tính thực hiện trực tiếp tạo ra một ngôn ngữ cho phép người sử dụng trao đổi được với máy tính. Đó là ngôn ngữ máy.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo Trình Kiến Trúc Máy Tính - Nguyễn Hữu Lộ phần 3

-27- Caán Truùc Maùy Tính Moät vaán ñeà quan troïng ñaõ xaûy ra trong caùc PC laø söï xung ñoät giöõa caùc chip boä nhôù RAM (Random Access Memory) ñöôïc caøi ñaët cuøng vôùi boä nhôù daønh cho heä thoáng, do vaäy 384 KB RAM truøng ñòa chæ vôùi vuøng nhôù daønh cho heä thoáng seõ bò boû qua (nghóa laø toång dung löôïng boä nhôù RAM söû duïng ñöôïc seõ baèng toång dung löôïng boä nhôù RAM caøi ñaët tröø ñi 384 K). Thí duï caùc PC coù 4 MB RAM ñöôïc caøi ñaët cho thaáy chæ coù 3712 KB ñöôïc söû duïng bao goàm 640KB cho vuøng nhôù qui öôùc vaø 3072 KB cho vuøng nhôù môû roäng. Tuy vaäy vaãn coù caùc PC chæ thieáu 128KB thay vì 384KB nhôø vaøo caùc bieän phaùp saép xeáp laïi boä nhôù. Söï xung ñoät xaûy ra do caùc phaân ñoaïn A000 vaø B000 ñöôïc daønh cho RAM video, caùc phaân ñoaïn C000 vaø D000 ñöôïc daønh cho boä nhôù chæ ñoïc ROM vaø RAM cuûa caùc board caém treân caùc khe caém môû roäng (expansion slot) cuûa board chính (mainboard), caùc phaân ñoaïn E000 vaø F000 ñöôïc daønh cho boä nhôù chæ ñoïc chöùa heä xuaát nhaäp cô baûn ROM BIOS (Basic Input Output System) treân board chính. Ñieàu naøy coù nghóa laø taát caû RAM chieám nhöõng ñòa chæ naøy phaûi bò taét hoaëc caùc thaønh phaàn neâu treân khoâng thöïc hieän ñöôïc chöùc naêng cuûa mình ñeå traùnh xung ñoät trong vuøng UMA. Caùc nhaø thieát keá board chính thöôøng thöïc hieän caùc khaû naêng sau ñeå traùnh xung ñoät: Söû duïng RAM nhanh hôn ñeå löu tröõ baûn sao cuûa caùc ROM chaäâm, - goïi laø taïo cöûa soå, voâ hieäu hoaù caùc ROM naøy trong xöû lyù. Taét caùc RAM khoâng söû duïng taïo cöûa soå nhaèm traùnh xung ñoät - trong vuøng UMA. Saép xeáp laïi RAM khoâng ñöôïc söû duïng taïo cöûa soå. - Phaàn lôùn caùc PC taïo cöûa soå cho ROM BIOS (thöôøng laø 64K), ROM video (32K)RAM duøng trong boä nhôù chính laø RAM ñoäng (Dynamic RAM) vaø caùc RAM ñoäng caûi tieán nhö EDO-RAM (Extended Data Out RAM) vaø SDRAM (Synchronous DRAM) coù thôøi gian truy xuaát trong khoaûng töø 10 nsec ñeán 200 nsec. Caùc chip nhôù RAM hieän nay ñöôïc gheùp thaønh caùc moñun nhôù moät haøng chaân goïi laø SIMM hoaëc caùc moñun nhôù hai haøng chaân goïi laø DIMM. Caùc SIMM 30 chaân coù dung löôïng 256K, 1M, 4M, 16 MB nhôù (8 bit hoaëc 9 bit neáu coù bit chaün leû) Caùc SIMM 72 chaân coù dung löôïng 1 M, 2M, 4M, 8 M, 16 M, 32M vaø 64 MB nhôù hay 256K, 512K, 1M, 2M, 4M, 8 M, 16 M töø nhôù 32 bit (hoaëc 36 bit neáu keå theâm caùc bit kieåm tra chaún leû) Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-28- Caán Truùc Maùy Tính Caùc DIMM 168 chaân coù dung löôïng 1M, 2M, 4M, 8 M, 16 M töø nhôù 64 bit (hoaëc 72 bit neáu keå theâm caùc bit kieåm tra chaün leû). Ngoaøi boä nhôù RAM ñoäng, trong caùc PC coøn toàn taïi caùc boä nhôù chæ ñoïc ROM löu caùc chöông trình coá ñònh nhö ROM BIOS vaø ROM baøn phím hay boä ñieàu khieån baøn phím. ROM BIOS chöùa caùc chöông trình thöïc hieän caùc chöùc naêng cô baûn sau: Kieåm tra nhöõng thaønh phaàn cuûa maùy tính khi khôûi ñoäng nhö: boä - nhôù, board chính, board video, boä ñieàu khieån ñóa, baøn phím vaø nhöõng thaønh phaàn quan troïng khaùc cuûa maùy tính. Tìm vaø naïp heä ñieàu haønh. - Cung caáp caùc chöông trình cho boä vi xöû lyù ñeå thöïc hieän caùc thao - taùc lieân quan ñeán caùc thieát bò xuaát/nhaäp. III- CAÙC THIEÁT BÒ LÖU TRÖÕ (BOÄ NHÔÙ PHUÏ): Vì moãi töø nhôù trong boä nhôù chính ñöôïc truy xuaát tröïc tieáp vôùi thôøi gian raát ngaén, giaù thaønh cuûa boä nhôù chính töông ñoái cao. Do ñoù haàu heát caùc maùy tính ñeàu coù theâm caùc thieát bò löu tröõ (boä nhôù phuï) toác ñoä thaáp, reû hôn vaø thöôøng coù dung löôïng lôùn hôn nhieàu. 1. Baêng töø: Veà maët lòch söû, baêng töø (magnetic tape) laø thieát bò löu tröõ ñaàu tieân. OÅ baêng töø cuûa maùy tính töông töï nhö maùy ghi baêng trong gia ñình. Baêng töø coù chieàu daøi 2400 ft ñöôïc quaán treân moät oáng cho (feed reel) qua 1 ñaàu ghi ñeán oáng nhaän (take-up reel). Baèng caùch thay ñoåi doøng ñieän trong ñaàu ghi, maùy tính coù theå ghi thoâng tin leân baêng töø ôû daïng caùc veät töø hoaù nhoû (magnetized spot) Hình 2.11 Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-29- Caán Truùc Maùy Tính Hình 2.11 trình baøy caùch toå chöùc thoâng tin treân baêng töø. ÔÛ moät maùy tính vôùi caùc byte 8 bit, moãi khung (frame) chöùa 1 byte coäng theâm 1 bit phuï (dö), goïi laø bit kieåm tra chaün leû ñeå caûi thieän ñoä tin caäy. Maät ñoä ghi tieâu bieåu cuûa baêng töø laø 1600bpi (byte per inch). Maät ñoä thöôøng duøng khaùc laø 800bpi vaø 6250 bpi. Sau khi oå baêng töø thöïc hieän xong vieäc ghi 1 baûn ghi vaät lyù (physical record), 1 khe (gap) ñöôïc ñeå laïi treân baêng töø trong luùc oå baêng töø giaûm (taêng) toác ñoä xuoáng (leân) khi döøng (khôûi ñoäng) baêng tröôùc ñaàu ñoïc . Neáu chöông trình ghi caùc baûn ghi ngaén treân baêng töø, nhieàu khoaûng troáng seõ bò boû phí ôû caùc khe. Baèng caùch ghi caùc baûn ghi daøi hôn caùc khe nhieàu, vieäc söû duïng baêng töø seõ coù hieäu quaû cao. Baêng töø laø loaïi thieát bò truy xuaát tuaàn töï noái tieáp. Neáu baêng töø ñöôïc ñònh vò ôû vò trí khôûi ñaàu (ñaàu töø ñang ôû ñaàu baêng), muoán ñoïc baûn ghi n, ta phaûi ñoïc qua heát caùc baûn ghi töø 1 tôùi n-1. Neáu thoâng tin muoán ñoïc naèm ôû cuoái baêng, chöông trình phaûi ñoïc haàu nhö toaøn boä baêng vaø maát khoaûng vaøi phuùt. CPU coù theå thöïc hieän haøng trieäu leänh moãi giaây, trong luùc baêng töø laïi laøm gia taêng söï laõng phí veà thôøi gian. Haàu nhö baêng töø chæ thích hôïp khi döõ lieäu ñöôïc truy xuaát tuaàn töï noái tieáp. 2. Ñóa töø Ñóa töø (disk) laø moät ñóa kim loaïi hình troøn coù ñöôøng kính töø 5 tôùi 10 inch ñöôïc phuû töø treân 2 maët bôûi nhaø saûn xuaát (hình 2.12). Thoâng tin ñöôïc ghi treân moät soá voøng troøn ñoàng taâm goïi laø raõnh hoaëc coøn goïi töø ñaïo (track). Ñóa coù töø vaøi chuïc ñeán vaøi traêm raõnh treân moãi maët. Caùc ñaàu töø ñöôïc ñaët treân 1 giaù (caùnh tay - arm ) dòch chuyeån vaøo ra theo ñöôøng baùn kính. Ñaàu töø coù beà roäng ñuû ñeå ñoïc hoaëc ghi thoâng tin leân raõnh moät caùch chính xaùc. OÅ ñóa thöôøng goàm nhieàu ñóa xeáp theo chieàu ñöùng caùch xa nhau khoaûng 1 inch. Vò trí xuyeân taâm cuûa caùc ñaàu töø (khoaûng caùch töø truïc) goïi laø töø truï (cylinder). OÅ ñóa coù n ñóa seõ coù 2n ñaàu töø vaø coù 2n raõnh treân 1 töø truï. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-30- Caán Truùc Maùy Tính (a) OÅ ñóa coù 1 ñóa (b) OÅ ñóa coù 4 ñóa Hình 2.12 Caùc raõnh ñöôïc chia thaønh nhieàu cung (sector), thöôøng coù khoaûng töø 10 ñeán 100 cung treân 1 raõnh. Moät cung chöùa moät soá byte naøo ñoù, thöôøng laø 512 bytes. Ñeå chæ roõ moät thao taùc truy xuaát ñóa, chöông trình phaûi cung caáp nhöõng thoâng tin sau: töø truï (cylinder), ñaàu töø (head) (caû 2 thoâng tin treân ñònh roõ 1 raõnh naøo ñoù), cung (sector) naøo ôû ñoù thoâng tin baét ñaàu, soá löôïng töø ñöôïc truyeàn ñi, ñòa chæ boä nhôù chính nôi thoâng tin ñeán hoaëc ñi vaø thoâng tin ñöôïc ñoïc töø ñóa vaøo boä nhôù hay ñöôïc ghi töø boä nhôù leân ñóa. Caùc thao taùc truy xuaát ñóa luoân baét ñaàu ôû ñaàu cuûa moät cung, khoâng bao giôø ôû giöõa cung. Neáu phaûi truy xuaát nhieàu cung vöôït qua raõnh khaùc trong cuøng moät töø truï (nghóa laø töø maët 0 sang maët 1 ôû cuøng vò trí cuûa giaù noái ñaàu töø), ta seõ khoâng maát thôøi gian bôûi vì vieäc chuyeån töø ñaàu töø naøy sang ñaàu töø khaùc ñöôïc thöïc hieän baèng maïch ñieän töû maø khoâng lieân quan ñeán phaàn cô khí. Tuy nhieân, neáu truy xuaát qua ranh giôùi cuûa töø truï, phaûi maát thôøi gian quay trong khi ñònh vò laïi caùc ñaàu töø cho töø truï keá tieáp vaø ñôïi cho cung 0 quay trôû laïi. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-31- Caán Truùc Maùy Tính Hình 2.13 : Khoaûng caùch ñaàu töø vôùi maët ñóa Neáu ñaàu töø ñöôïc ñònh vò treân moät töø truï sai, tröôùc tieân ñaàu töø phaûi di chuyeån. Söï di chuyeån naøy goïi laø tìm kieám (seek). Moãi laàn tìm kieám seõ maát 3 msec giöõa caùc raõnh keá caän nhau, vaø maát töø 20 ñeán 100msec ñeå ñi töø töø truï trong cuøng ra ñeán töø truï ngoaøi cuøng. Khi ñaàu töø ñaõ ôû ñuùng vò trí, boä ñieàu khieån phaûi ñôïi cho tôùi khi cung ñaàu tieân quay tôùi ñuùng taïi ñaàu töø ñoïc vieát thì môùi baét ñaàu truy xuaát. Thôøi gian ñôïi (bò boû phí) ñeå quay tôùi cung ñuùng thay ñoåi töø 0 (neáu chöông trình gaëp may) ñeán heát toaøn boä thôøi gian quay. Thôøi gian ñôïi naøy goïi laø thôøi gian treã luaân phieân (rotational latency). Ña soá caùc ñóa thôøi kyø ñaàu ñeàu quay vôùi vaän toác 3600 voøng /phuù neân thôøi gian treã cöïc ñaïi laø 16,67 msec. (Hieän nay vaän toác quay ñaõ leân ñeán 5400-7200 rpm). Thôøi gian truy xuaát toång coäng chính laø thôøi gian tìm kieám coäng vôùi thôøi gian treã luaân phieân vaø thôøi gian truy xuaát thöïc. Gaàn nhö taát caû caùc maùy tính ñeàu söû duïng oå ñóa coù nhieàu ñóa nhö moâ taû ôû treân ñeå löu tröõ caùc döõ lieäu quan troïng. Nhöõng ñóa naøy thöôøng goïi laø ñóa cöùng (hard disk). Loaïi thöôøng duøng nhaát laø ñóa winchester (thaäp nieân 60). OÅ ñóa ñöôïc bòt kín (traùnh oâ nhieãm do buïi). Caùc ñaàu töø treân ñóa winchester ñöôïc ñònh daïng theo phöông phaùp khí ñoäng löïc hoïc vaø lô löûng treân moät ñeäm khí taïo ra do söï quay troøn cuûa ñóa. Dung löôïng cuûa ñóa ban ñaàu thöôøng khoaûng haøng chuïc MB, coøn hieän nay laø haøng chuïc, haøng traêm GB (teân caùc mainframe) Döõ lieäu nhò phaân döôùi daïng caùc chuoãi bit 0, 1 (daïng thoâ) khoâng ñöôïc ghi tröïc tieáp leân ñóa. Thay vaøo ñoù ngöôøi ta maõ hoaù chuùng, nghóa laø chuyeån ñoåi döõ lieäu nhò phaân thoâ thaønh chuoãi xung vaø ghi leân ñóa. Vieäc chuyeån ñoåi naøy nhaèm phuø hôïp vôùi vieäc ñaûo chieàu cöïc tính caùc vuøng töø tính treân ñóa khi coù söï thay ñoåi chieàu doøng ñieän treân ñaàu ghi. Khi ñoïc döõ lieäu treân ñóa, quaù trình giaûi maõ chuoãi xung seõ dieãn ra ñeå ta coù laïi döõ lieäu nhò phaân thoâ ban ñaàu. Thieát bò laøm coâng vieäc maõ hoaù vaø giaûi maõ ñöôïc goïi laø boä maõ hoaù/giaûi maõ ENDEC (Encoder - Decoder). Coù nhieàu phöông phaùp maõ hoaù khaùc nhau nhö ñieàu cheá taàn soá FM (Frequency Modulation), ñieàu cheá taàn soá thay ñoåi MFM (Modified Frequency Modulation) v.v… Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-32- Caán Truùc Maùy Tính 3. Ñóa meàm Vôùi söï xuaát hieän cuûa maùy vi tính, ngöôøi ta coù moät phöông phaùp ñeå caøi ñaët phaàn meàm. Ñoù laø söû duïng ñóa meàm (diskette hay Floppy disk), laø phöông tieän nhoû goïn coù theå ñem ñi xa ñöôïc. Hình 2.14: Hoaït ñoäng ñóa meàm Khoâng nhö caùc ñóa Winchester, caùc ñaàu töø cuûa ñóa cöùng lô löûng treân beà maët ñóa ôû khoaûng caùch vaøi micron, ñaàu töø cuûa caùc ñóa meàm thöïc söï tieáp xuùc vôùi beà maët ñóa. Do vaäy, moâi tröôøng tieáp xuùc cuûa beà maët ñóa vaø ñaàu töø seõ bò hao moøn töông ñoái nhanh. Ñeå laøm giaûm söï hao moøn naøy, trong caùc maùy vi tính, ngöôøi ta ruùt ñaàu töø leân treân vaø ngöøng quay ñóa khi oå ñóa khoâng ñoïc hoaëc khoâng ghi thoâng tin. Do ñoù, khi coù leänh ñoïc hoaëc ghi thoâng tin keá tieáp, seõ coù thôøi gian treã khoaûng nöûa giaây ñeå moâtô taêng toác ñoä. Ngaøy nay kích thöôùc ñóa thöôøng laø 3.5 inch, coøn loaïi 5.25 inch gaàn nhö khoâng coøn söû duïng nöõa do ñóa 3.5 inch chöùa nhieàu döõ lieäu hôn vaø nhôø chöùa trong voû cöùng do vaäy ñöôïc baûo veä toát hôn. Vôùi loaïi kích thöôùc 3.5 inch, dung löôïng thöôøng laø 1.44MB, coù 80 raõnh, 15 cung treân 1 raõnh, 2 maët söû duïng ñöôïc, soá voøng quay/ phuùt laø 300 vaø toác ñoä döõ lieäu laø 500 kbps. Haõng Toshiba cuõng ñaõ saûn xuaát caùc ñóa meàm dung löôïng 2.88 MB, kích thöôùc 3.5 inch naêm 1987 vaø söû duïng trong caùc heä thoáng PS/2. Caùc phieân baûn DOS 5.0 trôû leân ñaõ hoå trôï cho loaïi ñóa meàm naøy. Caùc oå ñóa meàm ñeàu söû duïng phöông phaùp maõ hoaù MFM khi ñoïc vaø ghi döõ lieäu treân ñóa meàm. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-33- Caán Truùc Maùy Tính 4. Ñóa quang Trong nhöõng naêm gaàn ñaây, caùc ñóa quang (optical disk) (khaùc vôùi ñóa töø) ñaõ ñöôïc ñöa vaøo söû duïng. Caùc ñóa quang coù maät ñoä ghi thoâng tin cao hôn nhieàu so vôùi caùc ñóa töø thoâng thöôøng. Ban ñaàu ñóa quang ñöôïc trieån khai ñeå ghi caùc chöông trình truyeàn hình nhöng roài chuùng cuõng ñöôïc duøng laøm caùc thieát bò löu tröõ cuûa maùy tính. Caùc ñóa quang ñaàu tieân ñöôïc saùng cheá bôûi 1 taäp ñoaøn ñieän töû cuûa Haø Lan laø Philips vaø ñöôïc phaùt trieån theâm vôùi söï hôïp taùc cuûa Sony cuûa Nhaät. Caùc ñóa quang naøy döïa vaøo coâng ngheä ñaõ duøng trong maùy quay ñóa aâm taàn Compact Disc vaø ñöôïc goïi laø CD ROM (Compact Disc Read Only Memory) Ñóa CD ROM ñöôïc cheá taïo baèng caùch duøng moät tia laser coù coâng suaát cao ñeå ñoát chaùy caùc loã coù kích thöôùc 1 micron (10-6 m) treân moät ñóa chuû (master disk). Töø ñóa chuû naøy, ngöôøi ta taïo ñöôïc moät khuoâng duøng laøm maãu ñeå taïo nhöõng baûn sao treân caùc ñóa plastic. Keá ñeán phuû leân beà maët moät lôùp nhoâm moûng vaø tieáp theo laø moät lôùp plastic baûo veä trong suoát. Thieát bò duøng ñeå ñoïc ñóa CD ROM coù moät boä phaân tích ño naêng löôïng phaûn xaï töø beà maët khi coù moät tia laser coâng suaát thaáp phaùt tôùi beà maët. Caùc loã ñöôïc goïi laø pit vaø nhöõng vuøng khoâng bò ñoát chaùy giöõa caùc pit goïi laø land seõ coù söï phaûn xaï khaùc nhau giuùp ta phaân bieät ñöôïc giöõa pit vaø land. Kyõ thuaät naøy coù nhieàu heä quaû quan troïng. Thöù nhaát, do caùc ñóa CD ROM ñöôïc daäp khuoâng, khoâng ghi thoâng tin nhö caùc ñóa meàm thoâng thöôøng vaø ñöôïc cheá taïo haøng loaït baèng maùy töï ñoäng theo moät khuoân maãu saün neân giaù thaønh raát thaáp. Thöù hai, do ñóa plastic coù bao phuû moät lôùp nhoâm ñöôïc daäp theo khuoân neân seõ khoâng thaät chính xaùc, thoâng tin soá treân ñóa thöôøng chöùa nhieàu loãi. Vaán ñeà loãi ñöôïc xöû lyù baèng 2 caùch. Tröôùc tieân, ñaàu ñoïc trong oå ñóa coù moät göông chính xaùc ñöôïc ñieàu khieån bôûi moät cô caáu trôï ñoäng (moät maùy ñeå ñieàu khieån moät coã maùy to hôn) duøng ñeå theo doõi beà maët ñóa nhaèm buø laïi söï khoâng hoaøn haûo khi cheá taïo. Thöù hai, döõ lieäu ñöôïc ghi leân ñóa duøng moät phöông phaùp maõ hoaù phöùc taïp goïi laø maõ söûa loãi xen keõ (cross interleave) Reed-Solomon. Phöông phaùp maõ hoaù naøy duøng nhieàu bit hôn maõ Hamming ñeå coù theå söûa nhieàu loãi. Hôn nöõa thay vì bieåu thò pit laø 0 vaø land laø 1 (hoaëc ngöôïc laïi), ngöôøi ta bieåu thò cho moãi laàn chuyeån tieáp pit-land hoaëc land-pit laø 1. Khoaûng caùch giöõa 2 laàn chuyeån tieáp cho bieát coù bao nhieâu bit zero giöõa caùc bit. Döõ lieäu ñöôïc ghi thaønh caùc nhoùm 24 byte, moãi nhoùm ñöôïc môû roäng theâm töø 8 ñeán 14 bit baèng caùch duøng maõ Reed-Solomon. Theâm 3 bit ñaëc bieät vaøo giöõa moãi nhoùm vaø theâm moät byte ñoàng boä ñeå taïo thaønh moät khung (frame). Moät nhoùm 98 khung taïo thaønh moät khoái (block) chöùa 2 KByte döõ lieäu. Khoái laø ñôn vò cô baûn ñöôïc ñòa chæ hoaù. Maëc duø phöông phaùp naøy phöùc taïp vaø toán moät Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-34- Caán Truùc Maùy Tính vuøng ñiaõ ñaùng keå nhöng laïi cho ta ñoä tin caäy raát cao vôùi vaät lieäu söû duïng coù giaù thaønh thaáp. Thoâng tin treân CD ROM ñöôïc ghi theo daïng xoaén oác lieân tuïc, khoâng gioáng nhö ñiaõ töø theo caùc töø truï vaø raõnh rieâng bieät. Khuoâng daïng naøy ñöôïc minh hoïa trong hình 2.15 Toác ñoä ñoïc cô baûn cuûa moät ñiaõ quang laø 150 KByte/sec. Caùc oå ñiaõ ñoïc nhanh coù toác ñoä laø boäi soá cuûa toác ñoä cô sôû naøy (Thí duï 24X, 32X, 36X, 48X, 52X,…) Döõ lieäu ñöôïc löu tröõ treân CD ROM theo phöông phaùp maõ hoaù EFM (Eight to Fourteen Modulation). Töông töï nhö treân ñiaõ töø, giaù trò 0 vaø 1 khoâng phaûi laø giaù trò loã vaø vuøng troáng maø laø giaù trò chuyeån ñoåi. Hình 2.15 CD ghi laïi ñöôïc CD-R (CD-Recordable) laø loaïi ñiaõ quang töøng ñöôïc goïi laø WORM (Write Once, Read Multiple). Ñiaõ naøy coù caáu truùc töông töï nhö CD thöôøng. Lôùp chöùa döõ lieäu laø lôùp polymer höõu cô (cyanine vaø phthalocyanine). Khi tia laser ñoát chaùy, lôùp maøy naøy chuyeån sang maøu ñen vaø ñoùng vai troø caùc loã döõ lieäu (pit). Coù 2 phöông phaùp ghi CD-R: Ghi toaøn ñiaõ moät laàn DAO (Disc At Once): döõ lieäu toaøn ñiaõ - chæ ñöôïc ghi leân ñiaõ moät laàn, khoâng ghi theâm leân ñöôïc nhöõng laàn sau. Ghi töøng raõnh TAO (Track At Once): cho pheùp ghi leân ñiaõ - nhieàu laàn. Chieàu daøi toái thieåu moãi laàn ghi laø 300 khoái. CD ghi laïi ñöôïc CD-RW (CD-ReWriteable) trong ñoù lôùp döõ lieäu lôùp kim loaïi . Nguyeân taéc ghi döõ lieäu döïa theo söï thay ñoåi traïng thaùi cuûa lôùp kim loaïi: traïng thaùi tinh theå (phaûn xaï aùnh saùng - vuøng troáng) vaø traïng thaùi voâ ñònh hình (khoâng phaûn xaï aùnh saùng - vuøng loã) Ñiaõ quang maät ñoä cao DVD (Digital Video Disk hay Digital Versatile Disk) laø theá heä ñiaõ quang môùi seõ thay theá ñiaõ CD trong töông lai gaàn. Ñaây laø moät loaïi ñiaõ quang coù dung löôïng döõ lieäu lôùn hôn vaø khaû naêng truy nhaäp nhanh hôn caùc ñiaõ quang Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-35- Caán Truùc Maùy Tính tröôùc noù. Dung löôïng döõ lieäu tính haøng GByte (~4,7GB) . Toác ñoä truy nhaäp cô baûn 1x cuûa 1 oå DVD laø 1,321 MByte/sec (nhanh gaáp 9 laàn toác ñoä cuûa moät oå ñiaõ CD thöôøng. Caùc oå DVD 4X ñeàu coù khaû naêng ñoïc CD-ROM vôùi vaän toác 32X. Söï phaùt trieån ñiaõ quang ôû giai ñoaïn 3 laø caùc phöông tieän quang coù theå xoaù ñöôïc baèng caùch duøng kyõ thuaät quang-töø (MO->magneto-optical). Ñiaõ plastic ñöôïc bao phuû moät hoãn hôïp kim loaïi coù nhieàu chaát laï nhö terbium vaø gadolinium. Caùc kim loaïi naøy coù tính chaát raát ñaùng quan taâm laø ôû nhieät ñoä thaáp chuùng khoâng nhaïy caûm vôùi töø tröôøng, nhöng ôû nhieät ñoä cao, caáu truùc phaân töû cuûa chuùng töï saép thaúng haøng theo baát cöù höôùng naøo hieän coù. Ngöôøi ta söû duïng tính chaát naøy ñeå ghi thoâng tin, caùc ñaàu ñoïc cuûa oå ñiaõ bao goàm moät boä phaùt tia laser vaø moät nam chaâm. Boä phaùt tia laser baén ra moät xung aùnh saùng cöïc ngaén vaøo kim loaïi, töùc thôøi laøm gia taêng nhieät ñoä nhöng khoâng taïo thaønh moät pit treân beà maët. Ñoàng thôøi nam chaâm cuõng phaùt ra moät töø tröôøng theo 1 trong 2 höôùng. Khi xung laser heát, kim loaïi ñaõ ñöôïc töø hoaùcoù theå ôû 1 trong 2 höôùng, bieåu thò laø 0 hoaëc 1. Thoâng tin naøy coù theå ñoïc theo cuøng caùch nhö vôùi CD ROM baèng caùch duøng moät tia laser coù böùc xaï yeáu hôn nhieàu. Ñiaõ naøy coù theå xoaù vaø ghi ñeø leân gioáng nhö caùch ñaõ ghi laàn ñaàu. IV - CAÙC THIEÁT BÒ VAØO / RA Tröôùc khi moät maùy tính thöïc hieän moät vieäc naøo ñoù, ta phaûi cung caáp cho noù moät chöông trình vaø caùc döõ lieäu keøm theo. Sau khi thöïc hieän xong, maùy tính phaûi thoâng baùo keát quaû cho ngöôøi söû duïng. Vieäc ñöa thoâng tin vaøo maùy tính vaø laáy thoâng tin ra khoûi maùy tính ñöôïc goïi laø vaøo/ra . Khoâng phaûi taát caû thoâng tin vaøo ra ñeàu ñöôïc döï ñònh daønh cho con ngöôøi. Moät kính thieân vaên maët trôøi hoaït ñoäng nhôø maùy tính coù theå thöïc hieän nhaäp döõ lieäu töø caùc thieát bò quan saùt maët trôøi. Moät maùy tính ñieàu khieån 1 thieát bò hoaù hoïc töï ñoäng coù theå tröïc tieáp xuaát döõ lieäu tôùi caùc maùy thoâng qua thieát bò ñeå ñieàu hoaø caùc chaát hoaù hoïc ñöôïc sinh ra. Coù 2 caùch toå chöùc vaøo/ra thöôøng söû duïng trong maùy tính ngaøy nay. Caùc mainframe lôùn söû duïng thieát keá ñöôïc trình baøy trong hình 2.16 . Trong thieát keá naøy, moät heä thoáng maùy tính bao goàm 1 CPU (Hoaëc coù theå nhieàu CPU), 1 boä nhôù vaø moät hoaëc nhieàu boä xöû lyù vaøo/ra (I/O processor) goïi laø caùc keânh döõ lieäu (data channel). Taát caû caùc thieát bò vaøo/ra ñeàu ñöôïc noái vôùi caùc keânh. Khi muoán thöïc hieän vaøo/ra , CPU naïp 1 chöông trình ñaëc bieät vaøo moät trong caùc keânh vaø yeâu caàu keânh ñoù thöïc hieän. Keânh seõ töï ñieàu khieån taát caû caùc vieäc vaøo/ra tôùi Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-36- Caán Truùc Maùy Tính vaø töø boä nhôù ñeå CPU töï do laøm nhöõng vieäc khaùc. Khi thöïc hieän xong, keânh göûi tôùi CPU moät tín hieäu ñaëc bieät goïi laø ngaét (interrupt) ñeå buoäc CPU ngöøng baát kyø ñieàu gì ñang laøm vaø chuù yù ñeán keânh ñoù. Thuaän lôïi cuûa caùch toå chöùc naøy laø cho pheùp CPU hoaøn toaøn khoâng quan taâm ñeán coâng vieäc giöõa thieát bò vaøo/ra vôùi keânh. Baèng caùch naøy ta coù theå thöïc hieän vieäc tính toaùn vaø vaøo / ra cuøng moät luùc Hình 2.16 Vì caùc mainframe taïo ra moät taûi vaøo/ra lôùn, neân chuùng thöôøng ñöôïc trang bò ít nhaát 3 bus. Bus boä nhôù (memory bus) cho pheùp keânh ñoïc vaø ghi caùc töø döõ lieäu (data word) töø boä nhôù. Bus vaøo/ra cho pheùp boä xöû lyù trung taâm phaùt caùc leänh tôùi caùc keânh vaø cho pheùp caùc keânh ngaét boä xöû lyù trung taâm. Cuoái cuøng, bus thöù 3 cho pheùp boä xöû lyù trung taâm truy xuaát boä nhôù maø khoâng phaûi duøng tôùi nhöõng bus khaùc. Caùc maùy vi tính duøng moät caáu truùc heä thoáng ñôn giaûn hôn nhö trong hình 2.17 . Haàu heát caùc maùy vi tính naøy coù moät khung chöùa caùc card vôùi 1 board maïch in lôùn ñöôïc goïi laø board chính (mainboard). Board chính chöùa moät chip vi xöû lyù, boä nhôù vaø caùc chip hoã trôï khaùc. Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-37- Caán Truùc Maùy Tính Hình 2.17 Caáu truùc logic cuûa maùy vi tính ñöôïc trình baøy trong hình 2.18. Haáu heát caùc maùy vi tính coù 1 bus goïi laø bus heä thoáng (system bus) duøng ñeå keát noái CPU, boä nhôù vaø caùc thieát bò vaøo/ra. Moãi thieát bò vaøo ra coù hai phaàn, phaàn chöùa caùc maïch ñieän töû goïi laø boä ñieàu khieån (controller), phaàn kia chöùa chính caùc thieát bò vaøo/ra nhö oå ñóa, maøn hình….. Boä ñieàu khieån thöôøng ñöôïc ñaët treân 1 card vaø caém vaøo khe môû roäng treân board chính tröø caùc boä ñieàu khieån khoâng tuøy choïn (nhö baøn phím), thöôøng ñöôïc ñaët treân board chính. Hình 2.18 Nhieäm vuï cuûa boä ñieàu khieån laø ñieàu khieån thieát bò vaøo/ra vaø ñieàu khieån truy caäp bus. Vieäc ñieàu khieån ñoïc hoaëc ghi moät khoái döõ lieäu tröïc tieáp vôùi boä nhôù maø khoâng qua boä xöû lyù goïi laø truy xuaát boä nhôù tröïc tieáp (DMA: Direct Memory Access) Bus khoâng chæ ñöôïc duøng bôûi caùc boä ñieàu khieån vaøo/ra maø coøn bôûi CPU ñeå tìm naïp caùc leänh vaø döõ lieäu. Khi CPU vaø boä ñieàu khieån vaøo/ra ñoàng thôøi muoán söû duïng bus thì ngöôøi ta duøng moät chip goïi laø boä phaân xöû bus (bus arbiter) ñeå quyeát ñònh thaønh phaàn ñöôïc söû duïng bus. Nhìn chung, caùc thieát bò vaøo/ra ñöôïc cho quyeàn öu tieân cao hôn CPU do caùc thieát bò nhö oå ñóa khoâng theå döøng hoaït ñoäng hoaëc ñôïi laøm maát döõ lieäu. Khi khoâng coù thieát bò vaøo/ra naøo laøm vieäc, CPU coù theå laáy taát caû caùc chu kyø bus ñeå truy caäp boä nhôù. Tuy nhieân khi coù moät thieát bò vaøo/ra ñang chaïy ñoàng thôøi, thieát bò ñoù seõ seõ yeâu caàu vaø ñöôïc caáp bus khi caàn ñeán. Quaù trình naøy goïi laø ñaùnh caép chu kyø (cycle Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-38- Caán Truùc Maùy Tính stealing) vaø laøm toác ñoä maùy tính chaäm laïi. So saùnh vôùi mainframe coù nhieàu bus thì hieän töôïng naøy khoâng theå xaûy ra. Ngaøy nay ngöôøi ta duøng nhieàu loaïi thieát bò vaøo/ra. Moät vaøi thieát bò vaøo/ra phoå bieán seõ ñöôïc ñeà caáp ñeán sau ñaây: 1. Baøn phím: Baøn phím coù nhieàu loaïi khaùc nhau. Ñôn giaûn nhaát laø moät chuyeån maïch (switch) ñeå taïo ra moät tieáp xuùc veà ñieän khi aán phím. Vôùi loaïi phöùc taïp hôn, döôùi moãi phím coù moät nam chaâm ñi qua 1 cuoän daây khi goõ phím, vì vaäy moät doøng ñieän caûm öùng ñöôïc nhaän bieát. Ngoaøi loaïi chuyeån maïch baèng cô khí, caùc baøn phím hieän nay coøn söû duïng loaïi chuyeån maïch baèng tuï ñieän coù öu ñieåm choáng moøn vaø buïi baùm. Chuyeån maïch coù 2 baûn baèng nhöïa noái thaønh ma traän chuyeån maïch ñöôïc thieát keá ñeå phaùt hieän nhöõng thay ñoåi veà ñieän dung cuûa maïch. Khi aán phím, baûn treân di chuyeån so vôùi baûn döôùi coá ñònh laøm ñieän dung thay ñoåi. Loaïi chuyeån maïch naøy khoâng döïa vaøo tieáp xuùc baèng kim loaïi neân traùnh ñöôïc moøn vaø buïi, cuõng nhö khoâng bò keït phím. Ngoaøi ra coøn coù loaõi phím caûm bieán ñieän töø (thay ñoåi doøng ñieän theo hieäu öùng Hall) Baøn phím trong heä thoáng IBM PC vaø töông thích ban ñaàu thöïc chaát laø moät boä xöû lyù baøn phím truyeàn thoâng vôùi maùy tính baèng moät lieân keát döõ lieäu rieâng bieät nhaèm truyeàn noái tieáp nhöõng khung 11 bit (8 bit döõ lieäu vaø caùc bit ñieàu khieån) nhöng khoâng theo chuaån RS-232C. Boä xöû lyù baøn phím laø chip vi ñieàu khieån 8048 hoaëc 8049 hoaëc caùc chip töông thích nhö 6805 cuûa Motorola. Boä xöû lyù ñoïc ma traän phím, giaûi maõ caùc tín hieäu aán phím, chuyeån ñoåi maõ vi trí cuûa phím thaønh maõ queùt (scan code) roài truyeàn ñeán board chính cuûa maùy tính. 2. Maøn hình: Maøn hình chuû yeáu goàm moät ñeøn tia aâm cöïc CRT (Cathode Ray Tube) vaø caùc nguoàn cung caáp ñieän. CRT chöùa moät suùng baén moät chuøm tia ñieän töû ñaäp vaøo maøn huyønh quang ñaët ôû phía tröôùc ñeøn, nhö trong hình 2.20 (caùc maøn hình maøu coù 3 suùng ñieän töû töông öùng vôùi 3 maøu ñoû, xanh laù caây vaø xanh döông). Trong thôøi gian queùt ngang, chuøm tia ñieän töû queùt qua Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù
-39- Caán Truùc Maùy Tính Hình 2. 20 maøn hình trong moät thôøi gian khoaûng 50 microsec vaø vaïch ra moät ñöôøng gaàn nhö naèm ngang treân maøn hình. Keá ñeán chuøm tia ñieän töû thöïc hieän moät ñöôøng hoài ngang trôû veà caïnh beân traùi ñeå baét ñaàu laàn queùt keá tieáp. Tia queùt ngang ñöôïc ñieàu khieån bôûi moät ñieän aùp taêng tuyeán tính ñöa ñeán caùc phieán laøm leäch ngang ñaët ôû beân traùi vaø beân phaûi suùng ñieän töû. Vieäc queùt doïc ñöôïc ñieàu khieån bôûi moät ñieän aùp tuyeán tính taêng chaäm hôn nhieàu ñöa ñeán caùc phieán laøm leäch doïc ñaët ôû phía treân vaø döôùi suùng ñieän töû. Sau 400 ñeán 1000 laàn queùt, ñieän aùp treân caùc phieán laøm leäch doïc vaø ngang ñöôïc nghòch ñaûo cuøng luùc ñeå ñaët chuøm tia ñieän töû trôû veà goùc phía treân beân traùi cuûa maøn hình huyønh quang. Toaøn boä aûnh thöôøng ñöôïc queùt laäp laïi töø 30 tôùi 60 laàn trong 1 giaây. Ñeøn CRT hieän nay coù 2 kieåu: cong vaø phaúng. Kieåu maøn hình cong coù maët ngoaøi ôû chính giöõa maøn hình phình ra. Kieåu phaúng laø loaïi ñeøn Trinitron chæ cong theo chieàu ngang vaø coù chieàu doïc phaúng. Caùc maùy tính xaùch tay söû duïng boä phaän hieån thò laø maøn hình tinh theå loûng (Liquid Crystal Display). Ñoù laø chaát loûng höõu cô maø phaân töû cuûa noù coù khaû naêng phaân cöïc aùnh saùng daãn ñeán thay ñoåi cöôøng ñoä saùng. Tröôøng tónh ñieän ñöôïc duøng ñeå ñieàu khieån höôùng phaân töû tinh theå loûng. Maøn hình tinh theå loûng döïa treân hieäu öùng tröôøng xoaén (twisted nematic field effect). Phaân töû trong lôùp tinh theå loûng chuyeån höôùng 90 ñoä giöõa hai maët kính. Aùnh saùng beân ngoaøi bò phaân cöïc vaø xoaén theo höôùng phaân töû tinh theå loûng khieán tia saùng ñi qua ñöôïc lôùp tinh theå loûng, lôùp tinh theå loûng coù traïng thaùi saùng Duøng ñieän cöïc trong suoát (thí duï indium oxyt)naèm phía döôùi lôùp kính keùo phaân töû tinh theå loûngñònh höôùng theo tröôøng tónh ñieän. Tia saùng bò giöõ laïi trong tinh theå loûng maø khoâng ñi qua hay phaûn xaï laïi ñöôïc nöõa, lôùp tinh theå loûng coù traïng thaùi toái. Ñeå ñònh höôùng aùnh saùng ñuùng theo höôùng phaân töû tinh theå loûng, ta caàn boä phaân cöïc aùnh saùng. Khi tia saùng thoaùt ra phía beân kia tinh theå loûng ta caàn boä phaân cöïc aùnh saùng khaùc. Nguoàn saùng coù theå laø LED hay caùc loaïi ñeøn khaùc. Neáu boá trí phía sau lôùp tinh theå loûng moät lôùp göông phaûn xaï, ta coù theå duøng aùnh saùng thöôøng beân ngoaøi ñeå quan saùt maøn hình. Tröôøng tónh ñieän moät chieàu coù theå phaù hoûng caáu truùc tinh theå, vì vaäy ngöôøi ta hay duøng hieäu ñieän theá xoay chieàu. Hieäu ñieän theá duøng cho tinh theå loûng töông ñoái thaáp, töø 5 ñeán 15V. Maøn hình tinh theå loûng theo nguyeân taéc keå treân coù ñoä töông phaûn raát thaáp (goùc nhìn 15o) Goùc quan saùt cuõng raát haïn cheá (20o töø ngang, 60o töø treân) Nguyeãn Höõu Loäc Khoa Vaät Lyù