Tài liệu Phần cứng máy tính (Phần 2)

Nội dung text: Tài liệu Phần cứng máy tính (Phần 2)

1. Trang 33 nối với bus của bộ nhớ thông qua bus hệ thống, lúc khác CPU có thể kết nối với thiết bị khác. Lúc khác nữa thiết bị lưu trữ có thể kết nối với bộ nhớ để trao đổi dữ liệu với bộ nhớ. Như vậy trong hệ thống cần có một bộ phận có nhiệm vụ tao ra các kết nối thích hợp khi hệ thống yêu cầu. Bộ phận này là 1 chip set hay còn gọi là cầu nối bus, hay chip điều khiển bus (bus controller). Trong bảng mạch chính, Chip set giữ vai trò tạo ra sự kết nối và quản lý dữ liệu từ các thành phần phần cứng. Chip set giới hạn loại CPU (chip set hỗ trợ cho họ CPU nào thì chỉ có tác dụng trong họ CPU đó), giới hạn tốc độ bus hệ thống, quyết định loại RAM, khả năng tích hợp đồ hoạ, âm thanh( hỗ trợ multimedia) và các cổng giao tiếp. Các bo mạch cũ thường bố trí các chipset như sau: Bộ VXL Bus của bộ vi xử lý Bus của bộ nhớ chính Cầu nối bus CHIPSET Bus vào ra tốc độ cao PCI Cầu nối Bus Bus vào ra tốc độ chậm ISA Hình 3.2 Sơ đồ bố trí các chip set trên mainboard VI. Rom Bios Hệ vào ra cơ sở BIOS (Basic Input/Output System) là một tập hợp các chương trình sơ cấp để hướng dẫn hoạt động cơ bản của máy tính, bao gồm cả thủ tục khởi động và việc quản lý tín hiệu từ bàn phím. BIOS được nạp cố định trong một chip nhớ chỉ đọc (ROM) lắp trên Bo mẹ. Khi bắt đầu mở máy hoặc khởi động lại, bằng nút restart hay tổ hợp phím Ctrl + Alt + Del, các chương trình sơ cấp này sẽ được đưa vào máy tính để thực hiện quá
2. Trang 34 trình tự kiểm tra mở máy (POST : Power on Self Test) và kiểm tra bộ nhớ (Memory check). Nếu phát hiện được một trục trặc bất kỳ nào trong các bộ phận máy như bàn phím, ổ đĩa, thông báo lỗi sẽ xuất hiện trên màn hình. Còn nếu các phép thử chẩn đoán này không phát hiện bất thường nào thì BIOS sẽ hướng dẫn tìm đến hệ điều hành của máy tính. Một chức năng khác của BIOS là cung cấp chương trình cài đặt (setup program), đó là một chương trình dựa vào trình đơn để người dùng tự chọn các thông số cấu hình hệ thống cơ bản như ngày giờ hệ thống, cấu hình ổ đĩa, kích cỡ bộ nhớ, thông số cache, trình tự khởi động và mật khẩu. Một số BIOS còn có khả năng cài đặt tiên tiến (advanced setup options) cho phép lựa chọn thông số cài đặt đối với các cổng, các giao diện đĩa cứng, các thiết lập ngắt, các trạng thái đợi và nhiều thông số khác. Các thông số tự chọn mang tính sống còn này sẽ được giữ lại trong chip CMOS thuộc BIOS, không bị mất thông tin khi tắt máy vì được nuôi bằng pin. CMOS còn chứa mạch đồng hồ thời gian thực. Chương trình sơ cấp nạp trong chip BIOS do nhà máy chế tạo sẵn và không thể thay đổi được. Hiện nay người ta dùng rộng rãi loại flash BIOS, một chip có thể lập trình lại, dùng để lưu giữ hệ vào/ra cơ sở. Khi phát hiện có lỗi thì hãng sản xuất sẽ cung cấp chương trình cặp nhật. Sau khi chạy chương trình này, chip BIOS sẽ được nạp lại mà không phải thay chip. Hiện nay, Microsoft hỗ trợ một tiêu chuẩn mới là Plug and Play (cắm vào là chạy). Người sử dụng có thể bổ xung thêm một card mở rộng mà không phải gặp phải các vấn đề cài đặt phiền phức và các tranh chấp cổng, tranh chấp ngắt, tranh chấp DMA xảy ra. Sự phát triển của các kỹ thuật chế tạo ROM: 9 ROM (Read Only Memory) 9 PROM (Programmable ROM) – ROM có thể lập trình lại một lần nữa. 9 EPROM (Erasable Programmable ROM) – ROM có thể lập trình và có thể xóa. 9 EEPROM (Electronic Erasable Programmable ROM) – ROM có thể lập trình và có thể xóa bằng điện. Bộ nhớ Shadow: thời gian truy cập đối với ROM thường hơn vài trăm nanôgiây, chậm hơn rất nhiều so với tốc độ truy cập bộ nhớ RAM trong máy tính, nhưng các chương trình lưu trữ trong BIOS (đặc biệt là ROM BIOS video trên Card video) là những thủ tục thường được truy cập nhất trong máy tính. Từ khi 80386 ra đời, máy tính sử dụng một kỹ thuật nhớ gọi là shadowing (tạo bóng). Nội dung của ROM được nạp vào một khu vực của RAM trong quá trình khởi động hệ thống. Trong quá trình hoạt động, thay vì máy tính truy cập ở các chip ROM có tốc độ chậm, thông tin được lấy ngay từ ROM shadow ( cái bóng của ROM ở trên RAM).
3. Trang 35 VII. RAM và CACHE Bộ nhớ RAM và CACHE là các thành phần của bộ nhớ chính của máy tính, là thành phần nhớ mà CPU có khả năng trao đổi thông tin trực tiếp. Đặc điểm: ƒ Tốc độ nhanh ƒ Dung lượng nhỏ ƒ Sử dụng bộ nhớ bán dẫn. ƒ Tồn tại trên mọi hệ thống máy tính ƒ Chứa các chương trình hay các đoạn chương trình (cache) mà CPU đang thực hiện. ƒ Tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa chỉ theo Byte Cần phân biệt giữa bộ nhớ và thiết bị lưu trữ, bộ nhớ thường chỉ dùng để lưu trữ tạm thời chương trình và dữ liệu trong phiên làm việc, tắt máy thì nội dung nhớ cũng mất (trừ ROM: bộ nhớ cố định chỉ dùng để lưu trữ các chương trình vào ra cơ bản). Còn thiết bị lưu trữ dùng để cất giữ thông tin lâu dài và không bị mất nội dung khi mất điện ( các đĩa cứng, đĩa mềm, đĩa CD-ROM ) RAM và CACHE được chế tạo theo công nghệ RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên: mỗi vị trí (địa chỉ ) trong bộ nhớ đều có thể được truy cập trực tiếp (phân biệt với bộ nhớ truy cập tuần tự). 9 Chức năng: lưu trữ chương trình và dữ liệu 9 Các thao tác cơ bản: o thao tác đọc (Read) o thao tác ghi (Write) Về mặt cấu trúc, bộ nhớ lưu trữ thông tin dưới dạng một dãy các con số nhị phân 0 và 1 gọi là bit. Máy tính đọc giá trị của bit và kết quả được thể hiện bằng tín hiệu đọc được ở đầu ra. Nếu có điện áp ở tín hiệu đầu ra thì máy tính hiểu rằng bit đó bằng 1 và ngược lại, nếu đầu ra không có điện áp hay có điện áp 0V thì bit đó được hiểu bằng không. Vì mỗi bit được đại diện bởi 1 mức điện áp nên để lưu trữ thì điện áp đó phải được duy trì trong một mạch điện tử nhớ gọi là tế bào nhớ. Trong bộ nhớ, các tế bào nhớ được sắp xếp thành các hàng và các cột gọi là ma trận nhớ. Người ta đã lấy một mức điện áp làm điện áp chuẩn để quy định giá trị của bit. Chẳng hạn với điện áp chuẩn 5V, thì với bit được coi là bằng 1 khi điện áp của bit ở mức logic 1 (4,5 ÷ 5,5V) thì bit đó được coi là có giá trị bằng 1. Khi điện áp của bit ở mức logic 0 (0÷0,5 V) thì bít đó được coi là giá trị bằng 0. Với mức điện áp (0,5÷4,5 V) thì bít đó sẽ nhận giá trị sai: bằng 0 hoặc bằng 1, đây có thể coi là một sự cố sai hỏng của hệ thống khi có trục trặc về nguồn điện như: sụt áp hay nhiễu điện trong hệ thống. Với một bộ nguồn không tốt có thể là một trong những nguyên nhân gây ra sự sai hỏng về xử lý dữ liệu (tính không ổn định của hệ thống) hay dẫn đến trục trặc hệ thống. Do không thể đảm bảo rằng thông tin được khi vào và đọc ra là hoàn toàn chính xác, máy tính có cơ chế để sửa lổi: thêm vào thành phần nhớ (các bit kiểm tra) khi ghi dữ liệu (chuỗi các bit) vào bộ nhớ. Nếu một chuỗi bit đọc ra
4. Trang 36 sai thì máy tính sẽ tiến hành đọc lại cho hay sửa lỗi cho đến khi việc đọc được coi là đúng. Điện áp chuẩn quá cao cũng là nguyên nhân làm hệ thống sinh nhiều nhiệt và cần phải có hệ thống làm mát, ngày nay người ta thường sản xuất chip với những điện áp chuẩn 3,3 V, 2,6 V. 1. Các loại RAM RAM được phân loại theo công nghệ chế tạo RAM, bao gồm các phân loại sau: ¾ SRAM ( RAM tĩnh: Static RAM): lưu trữ các bít trong những tế bào nhớ dạng chuyển mạch điện tử có khả năng thiết lập trạng thái nhớ và giữ trạng thái nhớ. Tế bào SRAM mở mạch điện (logic 1) hoặc tắt mạch điện để phản ánh trạng thái của tế bào. Thực chất đây là mạch điện tử flip-flop trong các trạng thái set (đặt trạng thái nhớ bằng 1) hoặc reset (đặt trạng thái nhớ bằng 0) và mạch sẽ giữ nguyên trạng thái cho đến khi được thay đổi bởi một thao tác ghi hoặc ngắt điện. Đặc điểm: ƒ Kích thước lớn ƒ Chế tạo phức tạp, đắt tiền ƒ Tốc độ nhanh ƒ Giới hạn trong khoảng 512 KB, thường chỉ sử dụng trong các bộ phận cần tốc độ cao như cache. ¾ DRAM: RAM động (Dynamic RAM): lưu giữ các bít dưới dạng điện tích trong các tụ điện cực nhỏ. Do tụ điện nhỏ nên điện tích được nạp vào và phóng rất nhanh (cỡ chục nanô giây). Vì vậy thông tin trong DRAM không giữ thông tin lâu quá vài miligiây nên phải thường xuyên nạp lại năng lượng cho DRAM gọi là làm tươi hay hồi phục (refresh - thực chất là nạp đầy lại điện tích cho các tụ điện nhớ tí hon). DRAM hầu như không tiêu thụ điện nên DRAM có mật độ cao và giá rẻ. Chú ý: vì bộ nhớ RAM lưu trữ các bit dưới dạng điện áp của các tế bào nhớ nên nó sẽ bị mất thông tin khi mất điện. 2. Bộ nhớ CACHE Là bộ nhớ có tốc độ hoạt động cực nhanh (thường dùng SRAM) để cất giữ tạm các dữ liệu mới truy cập được và các lệnh chương trình hay dùng đến, nằm giữa CPU và bộ nhớ chính, được điều khiển sao cho các thông tin cần xử lý sẵn sàng có mặt hơn cho bộ xử lý. Nếu cần dùng lại các dữ liệu và lệnh này, bộ xử lý có thể tìm ngay ở cache nên gần và nhanh hơn rất nhiều so với tìm ở RAM. ¾ Memory Cache Đây là một khu vực bộ nhớ được tạo bằng bộ nhớ tĩnh SRAM có tốc độ cao nhưng đắt tiền thay vì bộ nhớ động DRAM có tốc độ thấp và rẻ hơn được dùng cho bộ nhớ chính. Một số bộ nhớ cache được tích hợp vào trong kiến trúc của bộ vi xử lý gọi là cache nội – internal - cache (cache L2). Chẳng hạn CPU Intel đời 80486 có bộ nhớ cache 8 KB, đến đời Pentium là 16 KB. Các máy tính còn có thêm bộ nhớ cache ngoại
5. Trang 37 – etrnal cache – (cache L2). Các máy chủ Server và mới đây là CPU Pentium 4 Etreme Edition được tăng cường thêm bộ nhớ đệm L3 cache. L2 cache Trước thời kỳ Pentium, bộ nhớ cache được thiết kế nằm trên mainboard và một số mainboard có chừa sẵn socket để người dùng có thể gắn thêm cache khi có nhu cầu. Đến thế hệ Pentium II, Intel phát triển được công nghệ đưa bộ nhớ cache vào khối CPU. Nhờ nằm trong CPU nên tốc độ truy xuất cache tăng lên rất nhiều so với nằm trên mainboard. Trong thế hệ Pentium II, do L2 Cache vẫn phải nằm ngoài nhân CPU nên Intel phải chế ra một bo mạch gắn cả nhân CPU lẫn L2 cache và được gắn vào mainboard qua khe cắm slot 1. Sang đến thế hệ Pentium III, Intel đã thành công trong việc tích hợp ngay L2 Cache vào nhân chip (gọi là on-die cache). Lúc này tốc độ của L2 cache bằng với tốc độ của CPU và CPU được thu gọn lại, đóng gói với giao diện Socket 370. Bộ nhớ đệm càng lớn, CPU hoạt động càng nhanh. Vì vậy đối với các nhà sản xuất bện cạnh việc tăng xung nhịp cho nhân CPU còn phải chú ý tới việc tăng dung lượng cache. Do giá cả nên dung lượng cache tăng rất chậm. L1 cache ở mức 8 đến 32 KB, L2 cache ở mức 128/256/512 KB và hiện nay đã được đẩy lên 2 MB. Pentium 4 Etreme Edition có L3 cache mức 2 MB. ¾ DISK CACHE Bộ nhớ đệm đĩa cũng hoạt động cùng nguyên tắc với bộ nhớ cache, nhưng thay vì dùng SRAM tốc độ cao, nó lại sử dụng ngay bộ nhớ chính DRAM làm đệm. Các dữ liệu được truy xuất gần đây nhất từ đĩa cững sẽ được lưu trữ trong một buffer (phần đệm) của bộ nhớ. Khi chương trình nào cần truy xuất dữ liệu từ ổ đĩa, nó sẽ kiểm tra trước tiên trong bộ nhớ đệm đĩa xem dữ liệu cần đang có sẵn không. Cơ chế này cải thiện tốc độ của hệ thống một cách đáng kể, bởi vì việc truy xuất 1 byte dữ liệu trong bộ nhớ RAM có thể nhanh hơn hàng ngàn lần nếu truy xuất từ ổ đĩa cứng. ¾ Các kiểu thiết kế RAM Có nhiều kiểu thiết kế RAM và được phân biệt qua hình dáng bên ngoài cũng như các khe dùng để cắm RAM nằm trên main board, hiện nay thường sử dụng hai loại RAM sau: + SIMM RAM: (Single In-line Memory Module): Đây là loại modul nhớ một hàng chân ra để dễ dàng cắm vào các khe SIMM trên bo mẹ. SIMM gồm nhiều vi mạch nhỏ DRAM được gắn trên một tấm mạch nhỏ để tổ chức thành các loại có dung lượng nhớ 1MB, 4 MB, 8 MB, 16 MB. SIMM loại cũ có 30 chân, hiện nay là 72 chân.
6. Trang 38 + DIMM RAM: (Double In-line Memory Module): Đây là loại modul nhớ hai hàng chân. Các mạch DRAM được tổ chức thành các dung lượng nhớ: 32 MB, 64 MB hiện nay là 512 MB. + Ngoài ra, còn có một số kỹ thuật về RAM các bạn tham khao ở phụ lục, phần nói về RAM. VIII. Bus và các cấu trúc bus cơ bản Một PC có thể bao gồm nhiều loại Bus, gồm các loại sau:  Bus bộ xử lý (Host bus) là loại bus có tốc độ nhanh nhất trong hệ thống.  Bus nối bus bộ xử lý với Cache L2: FSB (Front Site Bus : bus mặt trước). Với một số loại Mainboard mới trên thị trường hiện nay, tốc độ FSB có thể lên tới: 400/533/800 MHz  Bus bộ nhớ (Memory Bus) hay Back Site Bus (bus mặt sau). Bus bộ nhớ còn được gọi là bus hệ thống (System Bus), thường có tốc độ: 66/100/133 MHz  Bus I/O (còn gọi là bus mở rộng Expansion Bus): ) Sự cần thiết của bus I/O: Về mặt kỹ thuật, một CPU kết hợp với bộ nhớ có thể coi là đủ để thành lập một “máy tính”, trong quá trình hoạt động, CPU lấy thông tin, dữ liệu từ bộ nhớ, xử lý và thông tin, dữ liệu ra được ghi lại vào bộ nhớ. Nhưng với một “máy tính” như vậy không có giá trị trong thực tế vì nó không không có khả năng giao tiếp với thế giới bên ngoài và thiếu những khả năng mà con người cần ở máy tính như: lưu trữ, hiện thị, in ấn, truyền thông và âm thanh. Để có thể bổ xung thêm các khả năng sử dụng kết quả xử lý phù hợp và có ý nghĩa với thực tế trong cuộc sống, máy tính dùng bus mở rộng (bus vào ra – bus I/O – expansion bus) để cắm vào các card chức năng mở rộng, và các cổng (port) để nối với các thiết bị bên ngoài. D ựa vào dãy các đường dẫn chạy song song trên board mẹ, các nhà xản xuất gắn vào một số khe mở rộng (expansion slot) để cắm các card mở rộng (expansion card) vào đó.
7. Trang 39 ) Các loại Bus I/O + Bus AGP: (Accclerated Graphics Port): Bus tăng tốc đồ hoạ, sử dụng cho các card màn hình AGP. Chức năng chính của bus AGP là cung cấp sự truy cập tốc độ cao đến bus hệ thống. Có thể được sử dụng như một cổng PCI tốc độ cao (32 bits at 66MHz so với 32 bits at 33 MHz). + Bus USB: có tốc độ truyền 12 M/giây, về cơ bản USB là một cable cho phép nối kết đến 127 thiết bị. Ưu điểm của USB là các thiết bị ngoại vi tự nhận dạng nên giúp cho việc cài đặt được dễ dàng. Các thiết bị USB còn có một ưu điểm nữa là có thể được cắm vào hoặc rút ra “nóng”, nghĩa là không cần phải tắt máy tính khi muốn nối kết hoặc ngắt nối kết một thiết bị USB. + Bus ISA (Industry Standard Architecture – Tiêu chuẩn kiến trúc công nghiệp. Đây là kiểu thiết kế cho các PC loại cũ (bộ xử lý 8 bit dữ liệu), phiên bản loại cũ dùng bus mở rộng có khe cắm 62 chân trong đó có 8 đường dữ liệu (8bit). Đặc điểm của ISA là có tốc độ thấp: 4.77 MHz. Về sau, ISA cải tiến thành 16 bit dữ liệu, có tốc độ là 8 MHz, tốc độ truyền dữ liệu là 8MB/sec. Các card mở rộng ISA hiện đã lạc hậu. Không còn bán trên thị trường. + Bus MCA Trong thế hệ vi xử lý 80386 với bus dữ liệu 32 bit, bộ xử lý có thể truyền 32 bit dữ liệu 1 lần, nhưng bus ISA chỉ có thể điều khiển tối đa là 16 bit. Do vậy, bus MCA ra đời, là kiểu thiết kế bus mở rộng 32 bit do IBM giới thiệu vào năm 1987. Khe cắm MCA có kích thước bé hơn ISA, chân dày sít hơn, khả năng hoạt động với tốc độ nhanh hơn bus ISA. Đặc điểm: tốc độ truyền dữ liệu: 20 MB/sec. Thời kỳ đó MCA dùng cho việc thiết kế PC có mức độ tính toán cao. + Bus ESIA (Enhanced ISA) Là kiểu bus mở rộng ISA được nâng cao. Được thiết kế một cách nhanh chóng để cạnh tranh với bus MCA, bus EISA tương thích ngược với các chuẩn ISA 16 bit và 8 bit. Đặc điểm: tốc độ 8.33 MHz, tốc độ truyền dữ liệu: 33 MB/sec (phiên bản EISA mới có tốc độ truyền dữ liệu 132 MB/sec) + VESA – Local Bus Đây là loại bus mở rộng kéo dài trực tiếp bus dữ liệu trong của bộ vi xử lý ra ngoài, cho phép hoạt động theo tốc độ của bus dữ liệu ngoài bộ xử lý ( 33 MHz), tốc độ truyền dữ liệu đến 107 MB/sec. + Bus PCI (Peripheral Component Interconnect – liên nối thành phần ngoại vi): gồm có 32 bít dữ liệu hoạt động ở tốc độ 33 MHz.
8. Trang 40 Đặc tính của các chuẩn ISA EISA MCA VL PCI Số bít dữ liệu (bits) 16 32 32 32 32* Tốc độ tối đa (MHz) 8 8.3 10 33 33 Thông lượng truyền tối 16 32 40 132 120 đa (MBpc) Số thiết bị ngoại vi hỗ trợ 12 12 12 3 10 * Hỗ trợ cho bộ VXL Pentium 64 bit Hình vẽ ở trang sau mô tả một Mainboard phổ biến ngày nay:
9. Trang 41 14.318 MHz Slot 1 for PII/PIII Processor (hoặc Socket 370/478) 66/100/133 MHz 3.3 V SDRAM CACHE (System speed) DIMM Socket L2 FSB (Front Site Bus) 400/533/800 MHz Host bus (CPU bus) Memory bus AGP Bus South Bridge (System bus) VIA/INTEL/SYS (Chipset cầu bắc) Back Site Bus 2x/4x/8x x 66.6 MHz PCI slot for HighSpeed 33 MHz ICS xxxx-xx for PCI bus (Bộ tạo xung đồng hồ) Ultra 33 MHz DMA/33/66 48 MHz 24 MHz IDE port South Bridge VIA/SYS/INTEL 14.318 MHz IDE Bus (Chipset cầu nam) USB Bus COM1&COM2 Port I/O Chipset LPT Port ITE xxxx Floppy Port ISA Bus for SlowSpeed device PS/2 Keyboard PS/2 Mouse 14.318 MHz Hình 3.3 Cấu trúc các thành phần của một mainboard điển hình
10. Trang 42 IX. Các cổng on-board Ta gọi những cổng vào ra nào được tích hợp (có sẵn) trên bảng mạch mẹ là cổng ON-BOARD. Trên mainboard thông thường có các cổng on-board sau: + IDE 1: để cắm cab ổ cứng + IDE 2: Để cắm cab ổ CD + FDD port: để cắm cab ổ mềm + 6 pins Keyboard PS/2 Port: để cắm bàn phím. Có màu tím. + 6 pins Mouse PS/2 port: để cắm chuột. Có màu xanh. + 5 pins Keyboard port (cổng tròn): dùng cho bàn phím ngày xưa. + 9 pins COM1& 25 pins COM2: dùng cho bàn phím cổng COM, chuột cổng COM, đã lạc hậu. Cổng COM thường dùng để truyền thông trong mạng, được nối với MODEM cổng COM. Hoặc có thể được dùng để kết nối với một máy chiếu (Projector). + 34 pins LPT port: dùng để cắm cab máy in. + USB port: dùng để cắm ổ đĩa USB, hay kết nối với thiết bị tương thích với USB như máy ghi hình kỹ thuật số, chụp ảnh kỹ thuật số. + 15 pins Monitor port: dùng để cắm cab màn hình, trong trường hợp card màn hình on-board