Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KIẾN TRÚC MÁY TÍNH Trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về kiến trúc máy tính: Các khái niệm, các thành phần cơ bản, phần mềm của máy tính và lịch sử phát triển của máy tính. CÁC KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN Kiến trúc máy tính là khoa học về việc lựa chọn và kết nối các thành phần phần cứng để tạo ra các máy tính đạt được các yêu cầu về chức năng (functionality), hiệu năng (performance) và giá thành (cost). Yêu cầu chức năng đòi hỏi máy tính phải có thêm nhiều tính năng phong phú và hữu ích; yêu cầu hiệu năng đòi hỏi máy tính phải đạt tốc độ xử lý cao hơn và yêu cầu giá thành đòi hỏi máy tính phải càng ngày càng rẻ hơn. Để đạt được cả ba yêu cầu về chức năng, hiệu năng và giá thành là rất khó khăn.
Tuy nhiên, nhờ có sự phát triển rất mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý, các máy tính ngày nay có tính năng phong phú, nhanh hơn và rẻ hơn so với máy tính các thế hệ trước. Khái niệm máy tính Máy tính (computer) là một thiết bị điện tử hoạt động dưới sự điều khiển của các chỉ thị được lưu trữ trong bộ nhớ. Nó thực hiện các công việc sau: - Nhận thông tin đầu vào - Xử lý thông tin theo chương trình được lưu trong bộ nhớ - Đưa thông tin ra Máy tính hoạt động theo chương trình. Mô hình máy tính cơ bản 1.
Kiến trúc máy tính và cấu trúc máy tính - Kiến trúc máy tính (architecture) nghiên cứu những thuộc tính của một hệ thống mà người lập trình có thể nhìn thấy được, những thuộc tính quyết định trực tiếp đến việc thực thi một chương trình tính toán, xử lý dữ liệu - Cấu trúc máy tính (structure) nghiên cứu về các thành phần chức năng và sự kết nối giữa chúng để tạo nên một máy tính, nhằm thực hiện chức năng và tính toán kỹ thuật của kiến trúc. Những thuộc tính liên quan đến kiến trúc bao gồm tập lệnh cơ bản mà CPU có thể thực hiện, số bit được sử dụng để biểu diễn các loại dữ liệu khác nhau, cơ chế nhập/xuất dữ liệu và các kỹ thuật đánh địa chỉ ô nhớ,…Cấu trúc máy tính lại bao gồm các thuộc tính kỹ thuật mà người lập trình không nhận biết được như các tín hiệu điều khiển, giao diện giữa máy tính và thiết bị ngoại vi, công nghệ xây dựng bộ nhớ… 17 Ví dụ việc quyết định máy tính có cần một lệnh cơ bản để thực hiện phép nhân hay không là vấn đề về kiến trúc. Còn thể hiện lệnh nhân bằng các đơn vị vật lý cụ thể nào (chẳng hạn, một đơn vị thuộc phần cứng đặc biệt, hay thực hiện lặp nhiều phép cộng) lại là vấn đề về cấu trúc. Để làm ví dụ minh họa sự khác biệt đó ta có thể xem các máy tính ở Trung tâm nghiên cứu nào đó.
Các máy tính này có thể có kiến trúc rất giống nhau theo quan điểm của người lập trình. Chúng có cùng số thanh ghi (tức là thiết bị lưu trữ tạm thời), có cùng một tập lệnh cơ bản và dạng các toán hạng được nạp vào bộ nhớ giống nhau. Tuy nhiên các hệ thống này khác nhau về mặt cấu trúc: số bộ vi xử lý khác nhau, kích thước bộ nhớ của chúng cũng khác hẳn nhau, cách thức dữ liệu được truyền từ bộ nhớ đến bộ vi xử lý cũng không giống nhau. Kiến trúc máy tính thường được ứng dụng trong khoảng thời gian dài, hàng chục năm; trong khi cấu trúc thường thay đổi cùng với sự phát triển của công nghệ.
Trên cùng một kiến trúc, các hãng chế tạo máy tính có thể đưa ra nhiều loại máy tính khác nhau về cấu trúc, do đó các đặc trưng về hiệu suất, giá thành cũng khác nhau. Các sản phẩm của IBM là một ví dụ điển hình. Kiến trúc máy tính của IBM vẫn còn được ứng dụng cho tới ngày nay và là ngọn cờ của thương hiệu IBM. Trong lĩnh vực máy PC, người ta thường không phân biệt rõ ràng giữa kiến trúc và cấu trúc vì sự khác biệt giữa hai khái niệm này đã rút ngắn đáng kể.
Sự phát triển của công nghệ không chỉ tác động lên cấu trúc mà còn tạo điều kiện phát triển các kiến trúc mạnh hơn và nhiều tính năng hơn; và do đó tác động qua lại giữa kiến trúc và cấu trúc thường xuyên hơn [3,4]. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH Để đảm bảo tính tương thích, cấu trúc phần cứng bên trong các máy vi tính cá nhân về cơ bản là giống nhau. Vì thế chúng ta có cấu trúc chung của máy vi tính như sau: NGUỒN CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG CÁC CÁC BỘ XỬ BỘ CÁC BỘ LÝ NHỚ BỘ CHUỘT NHỚ BÀN MÁY MÀN TRUNG GHI/ NHỚ MODEM MÁY CỐ PHÍM IN HÌNH TÂM ĐỌC NGOÀI TÍNH ĐỊNH (CPU) (RAM) (ROM) CÁC KÊNH ĐỊA CHỈ, KÊNH DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN Hình 1-2. Cấu trúc chung của máy vi tính 18 1.
Nguồn cấp điện cho máy lớn Bộ nguồn có chức năng chuyển điện xoay chiều AC 110 – 220V thành điện một chiều DC để cung cấp cho các mạch điện tử bên trong máy, cũng như các bộ phận ngoại vi. Nguồn điện là điều kiện cơ bản cho các máy tính hoạt động nên một bộ nguồn hoạt động ổn định và cung cấp đủ công suất rất quan trọng đối với một máy vi tính cá nhân. Tùy theo chủng loại cấu hình, mỗi máy vi tính cá nhân cần một công suất khác nhau. Ví dụ: Laptop công suất 60 – 80W; để bàn: 200W- 400W.
Để máy tính làm việc tốt thì bộ nguồn cần phải ổn định, làm nguội tốt, hiệu suất cao và phải có khả năng mở rộng. Bộ nguồn cung cấp cho bản mạch chính và các thiết bị ngoại vi những điện thế: ± 5V; ± 12V; ± 3,3V; 0V. Ngày nay, có nhiều bộ nguồn với công nghệ mới nhất và chất lượng tốt nhất điển hình như: Corsair, Seasonic, Superflower. Bộ nguồn được chia theo nguyên tắc hoạt động thành 2 loại: Bộ nguồn tuyến tính: Gồm một biến thế để hạ điện áp, một mạch nắn dòng (Dùng 4 Diode công suất) và một hoặc nhiều bộ ổn định hiệu điện thế ( Có thể đổi 12V – 5V ).
Do bộ nguồn tuyến tính giải phóng rất nhiều nhiệt lượng và hao tốn điện năng nên ngày nay gần như không tồn tại trong vi tính cá nhân. Bộ ổn áp ngắt: Là bộ nguồn rất nhẹ và hiệu suất cao. Năng lượng điện được điều tiết theo nguyên tắc đóng – mở. Nguồn pin cho máy tính xách tay Thế hệ đầu tiên bộ nguồn dành cho máy tính xách tay là pin NiCad (Nickel Cadmium).
Thế hệ sau của nó là pin NiMH (Nickel Metal Hybride). Năm 1998, trên thị trường xuất hiện thêm pin Li – Ion (Lithium Ion). Pin Li – Ion có thời gian làm việc lâu hơn pin NiMH (Khoảng 3 tiếng làm việc liên tục), nhẹ hơn và không cần xả hết trước khi nạp. Nhược điểm duy nhất của loại pin này là sẽ tự xả hết điện nếu như không được sử dụng trong thời gian dài.
Chính vì lý do trên nên tới năm 1999, đã xuất hiện loại pin mới Li – polymer. Pin này có mật độ điện tích cao hơn nhiều Li- Ion. Thay vì dùng điện môi lỏng, pin dùng điện môi dạng gôm hay rắn ghép giữa các điện cực. Pin có cấu trúc lớp được sử dụng rộng rãi từ năm 2000 cho tới ngày nay [6].
Bản mạch chính Bản mạch chính (Main Board) chứa đựng những linh kiện điện tử và những chi tiết quan trọng nhất của máy vi tính cá nhân như: Bộ vi xử lý CPU (Central Processing Unit), hệ thống bus và các vi mạch hỗ trợ. Vì vậy, bản mạch chính cần phải: nhỏ gọn, ổn định với nhiễu bên ngoài và an toàn về điện. Bộ xử lý trung tâm (CPU- Central Processing Unit) Trung tâm đầu não của máy vi tính là bộ xử lý trung tâm, nó có nhiệm vụ quản lý điều hành và phân phối các tài nguyên của hệ thống tới các thiết bị làm việc khác trong hệ thống máy vi tính. Trong suốt quá trình làm việc của máy vi tính, nó thông qua các kênh điều khiển, kênh địa chỉ và kênh dữ liệu, tiến hành tất cả các phép gia công và xử 19 lý thông tin, các tín hiệu điều khiển đều được thực hiện và điều phối trong bộ xử lý trung tâm.
Trong quá trình làm việc của bộ xử lý trung tâm, nó căn cứ vào lệnh nhận được, sau đó sẽ phát ra tín hiệu điều khiển đưa đến các thiết bị khác để yêu cầu chúng hoạt động, chỉ cho chúng biết phải lấy tài nguyên ở bộ phận nào, địa chỉ nào và chỉ ra hướng truyền thông tin cho chúng. Khả năng, tốc độ của bộ xử lý trung tâm quyết định khả năng và tốc độ của máy vi tính. Bộ nhớ cố định (ROM- Read Only Memory) ROM chứa thông tin cố định chỉ được phép đọc ra từ nó, đó là thông tin chương trình khởi động máy, chương trình chạy thử máy, chương trình biên dịch ngôn ngữ. Nội dung của ROM sẽ không thay đổi khi bị mất điện.
Thông tin ghi nhớ ở trong bộ nhớ ROM thường được nạp sẵn từ khi sản xuất. Ngoài ra để thuận tiện cho người sử dụng, thiết kế, xây dựng hệ thống chuyên dùng người ta còn sử dụng các loại EPROM, PROM (các loại bộ nhớ kiểu này có thể ghi lại bằng thiết bị đặc biệt). Bộ nhớ ghi/đọc (RAM- Random Access Memory) Bộ nhớ ghi/đọc (RAM) có thể truy xuất dữ liệu một cách ngẫu nhiên, chúng ta có thể ghi vào RAM, hoặc đọc dữ liệu ra từ RAM. Bất kỳ thời điểm nào bộ xử lý trung tâm có yêu cầu trao đổi thông tin thì bộ nhớ ghi/đọc (RAM) đều phải đáp ứng.
Chúng thường được sử dụng để ghi nhớ tạm thời dữ liệu trong suốt quá trình hoạt động gia công, xử lý thông tin của máy tính. Các bộ nhớ ghi/đọc thường có hai loại đó là RAM động (DRAM) và RAM tĩnh (SRAM). RAM tĩnh được cấu tạo từ các vi mạch nhớ, xây dựng trên các TRIGƠ (flip-flop). Nếu chúng ta liên tục duy trì nguồn cung cấp thì nội dung trong RAM tĩnh được bảo toàn, thao tác trao đổi thông tin với RAM tĩnh đơn giản hơn, tốc độ truy cập nhanh hơn, nhưng dung lượng so với RAM động nhỏ hơn khi chúng cùng thể tích.
Nguyên tắc lưu trữ số liệu ở bộ nhớ RAM động giống như nguyên tắc lưu trữ năng lượng (điện áp) của tụ điện. Mỗi bit nhớ trong RAM động tương ứng với một tụ điện.
