Giáo trình Kiến trúc máy tính (Ngành: Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính) - CĐ Công nghiệp Hải Phòng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.87 MB, 105 trang )
UBND TỈNH HẢI PHỊNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHIỆP HẢI PHỊNG
...................................................
GIÁO TRÌNH KIẾN TRÚC MÁY TÍNH
Chun ngành: Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính
(Lưu hành nội bộ)
HẢI PHỊNG
1
LỜI GIỚI THIỆU
”Cấu trúc máy tính” là mơn học bắt buộc trong các trường nghề. Tuỳ thuộc vào
đối tượng người học và cấp bậc học mà trang bị cho học sinh, sinh viên những kiến
thức cơ bản nhất.
Để thống nhất chương trình và nội dung giảng dạy trong các nhà trường chúng
tơi biên soạn cuốn giáo trình: Cấu trúc máy tính. Giáo trình được biên soạn phù hợp
với các nghề trong các trường đào tạo nghề phục vụ theo yêu cầu của thực tế xã hội
hiện nay.
Tài liệu tham khảo để biên soạn gồm:
[1]. Nguyễn Kim Khánh, Bài giảng kiến trúc máy tính, ĐH Bách Khoa Hà Nội,
2010.
[2]. Trần Quang Vinh, Cấu trúc máy vi tính, nxb ĐH Quốc gia Hà Nội, 2009.
[3]. Hoàng Xuân Dậu, Bài giảng kiến trúc máy tính, Học viện Cơng nghệ Bưu
chính viễn thơng, 2010.
[4]. Willian Stallings, Computer Organization and ArchitectureDesigning for
Performance –2009 (8thedition).
Kết hợp với kiến thức mới có liên quan mơn học và những vấn đề thực tế
thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo trình có tính thực tế cao, giúp cho người
học dễ hiểu, dễ dàng lĩnh hội được kiến thức mơn học.
Trong q trình biên soạn giáo trình kinh nghiệm cịn hạn chế, chúng tơi rất
mong nhận được ý kiến đóng góp của bạn đọc để lần hiệu đính sau được hồn chỉnh
hơn.
Tổ bộ mơn Kỹ thuật hệ thống và
mạng máy tính
2
Mục lục
LỜI GIỚI THIỆU .............................................................................................................................................1
Chương 1: HỆ THỐNG MÁY TÍNH ..................................................................................................................6
1.1. Các thành phần cơ bản của máy tính .......................................................................................................6
1.2. Hoạt động cơ bản của máy tính ..............................................................................................................13
1.3. LIÊN KẾT HỆ THỐNG .........................................................................................................................16
Chương 2: BỘ VI XỬ LÝ TRUNG TÂM ........................................................................................................25
2.1. Cấu trúc của CPU ...................................................................................................................................25
2.2. Tập lệnh ..................................................................................................................................................32
2.3. Hoạt động của CPU ................................................................................................................................36
2.4. Kiến trúc Intel.........................................................................................................................................38
2.5. Cấu trúc chung của các bộ xử lý tiên tiến ..............................................................................................46
2.6. Bộ xử lý đa lõi ........................................................................................................................................48
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG NHỚ.......................................................................................................................52
3.1. Tổng quan về hệ thống nhớ ....................................................................................................................52
3.2. Bộ nhớ bán dẫn.......................................................................................................................................55
3.3. Bộ nhớ đệm Cache .................................................................................................................................67
CHƯƠNG IV: HỆ THỐNG VÀO RA ..............................................................................................................88
4.1. Tổng quan về hệ thống vào ra ................................................................................................................88
4.2. Các phương pháp điều khiển vào ra .......................................................................................................90
4.4. Các cổng vào ra thơng dụng trên máy tính .............................................................................................96
3
CẤU TRÚC MÁY TÍNH
I. Vị trí, tính chất của mơn học:
- Vị trí: Được bố trí học sau các mơn học chung, các môn tin học đại cương, tin
học văn phịng.
- Tính chất: Là mơn học kỹ thuật cơ sở thuộc môn học đào tạo nghề bắt buộc.
II. Mục tiêu mơn học:
Kiến thức:
- Trình bày đúng chức năng của các thành phần cơ bản trên Máy tính, cấu trúc và
nguyên tắc làm việc của Bộ xử lý trung tâm-CPU, cấu trúc một số dòng CPU tiên tiến
ngày nay;
- Chỉ ra được chức năng và phân biệt được các loại bộ nhớ khác nhau được sử
dụng trong máy tính. Mơ tả được cách thức quản lý và làm việc của Cache, HDD,
CDROM;
- Nhắc lại được vai trò của hệ thống vào-ra trong hoạt động của máy tính, các
phương pháp điều khiển vào-ra mà CPU sử dụng trong trao đổi thông tin.
Kỹ năng:
- Nhận biết được các thành phần cơ bản của máy tính;
- Phân biệt được CPU 2 hãng Intel và AMD;
- Phân biệt RAM và ROM;
- Kiểm tra được thông số máy tính;
- Lắp ráp máy tính bằng phần mềm giả lập.
- Phân biệt được các kiểu ghép nối, nhận biết được các cổng vào ra thơng dụng
trên máy tính.
Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Cẩn thận tỷ mỉ, tuân thủ nội quy phòng học;
- Linh hoạt vận dụng kiến thức vào thực tế.
III. Nội dung môn học:
1. Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:
Số TT
I
II
III
IV
V
VI
Tên chương/mục
Chương 1: Hệ thống máy tính
Chương 2: Bộ vi xử lý trung tâm
Chương 3: Hệ thống nhớ
Chương 4: Hệ thống vào ra
Bài tập lớn
Ôn tập
4
Chương 1: HỆ THỐNG MÁY TÍNH
1.1. Các thành phần cơ bản của máy tính
1.1.1. Mơ hình cơ bản của máy tính
1.1.2. Bộ vi xử lý trung tâm - CPU
1.1.3. Hệ thống nhớ
1.1.4. Hệ thống vào-ra
1.1.5. Hệ thống BUS
1.2. Hoạt động cơ bản của máy tính
1.2.1. Thực hiện chương trình
1.2.2. Hoạt động ngắt
1.3. Liên kết hệ thống
1.3.1. Hệ thống BUS
1.3.2. Mainboard
5
Chương 1: HỆ THỐNG MÁY TÍNH
1.1. Các thành phần cơ bản của máy tính
1.1.1. Mơ hình cơ bản của máy tính
Chức năng của máy tính
- Xử lý dữ liệu: là chức năng quan trọng nhất của máy tính. Dữ liệu có thể có rất
nhiều dạng khác nhau và có yêu cầu xử lý khác nhau.
- Lưu trữ dữ liệu: Dữ liệu đưa vào máy tính được xử lý ngay hoặc có thể được lưu
trong bộ nhớ. Khi cần chúng sẽ được lấy ra xử lý.
- Trao đổi dữ liệu: Trao đổi dữ liệu giữa các thành phần bên trong và bên ngồi
máy tính -> Q trình vào ra (input-output). Các thiết bị vào-ra: nguồn cung cấp
dữ liệu hoặc nơi tiếp nhận dữ liệu. Dữ liệu được vận chuyển trên khoảng cách xa
gọi là truyền dữ liệu (data communication).
- Điều khiển: Máy tính cần phải điều khiển ba chức năng trên.
6
Cấu trúc cơ bản của máy tính
- Bộ xử lý trung tâm - CPU (Central Processor Unit): Điều khiển các hoạt động
của máy tính và thực hiện xử lý dữ liệu.
- Hệ thống nhớ: Lưu trữ chương trình và dữ liệu
- Hệ thống vào ra (Input-Output System): Trao đổi thơng tin giữa máy tính và thế
giới bên ngồi.
- Hệ thống BUS: Kết nối và vận chuyển thông tin giữa CPU, bộ nhớ chính và hệ
thống vào ra của máy tính với nhau.
1.1.2. Bộ vi xử lý trung tâm - CPU
Chức năng:
- Điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống máy tính
- Xử lý dữ liệu
Nguyên tắc hoạt động: CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính,
bằng cách:
- Nhận lệnh từ bộ nhớ chính
- Giải mã lệnh và phát các tín hiệu điều khiển thực thi lệnh
7
- CPU có thể trao đổi dữ liệu với bộ nhớ chính hay hệ thống vào-ra.
- Thực hiện lệnh
- Ghi kết quả
Các thành phần cơ bản:
- Đơn vị điều khiển (Control Unit- CU): điều khiển hoạt động của máy tính theo
chương trình đã định sẵn.
- Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic Unit- ALU): thực hiện các phép
toán số học và phép toán logic.
- Tập thanh ghi (Register File- RF): lưu giữ các thông tin tạm thời phục vụ cho
hoạt động của CPU.
- Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit-BIU) kết nối và trao đổi thông tin giữa
bus bên trong (internal bus) và bus bên ngoài (external bus).
Tốc độ của bộ xử lý:
- Số lệnh được thực hiện trong 1 giây, MIPS (Million of Instructions per Second).
- Khó đánh giá chính xác (cịn phụ thuộc bộ nhớ, bo mạch đồ họa…).
Tần số xung nhịp của bộ xử lý:
8
- Bộ xử lý hoạt động theo một xung nhịp (Clock) có tần số xác định.
- Tốc độ của bộ xử lý được đánh giá gián tiếp thông qua tần số của xung nhịp.
Dạng
xung
nhịp:
T0: chu kỳ xung
nhịp
Mỗi thao tác của bộ xử lý mất một số nguyên lần chu kỳ T 0 => T0 càng nhỏ thì bộ xử
lý chạy càng nhanh.
Tần số xung nhịp: f0 = 1/T0 gọi là tần số làm việc của CPU.
Ví dụ: Máy tính dùng bộ xử lý Intel Pentium IV 2 GHz
Ta có: f0 = 2 GHz = 2 x 109 Hz ---> T0 = 1/f0 = 1/(2x109) = 0,5 ns
1.1.3. Hệ thống nhớ
Chức năng: Lưu trữ chương trình và dữ liệu.
Các thao tác cơ bản với bộ nhớ: Thao tác ghi (Write) và thao tác đọc (Read).
Các thành phần chính của bộ nhớ:
- Bộ nhớ trong (Internal Memory)
- Bộ nhớ ngoài (External Memory)
1.1.3.1. Bộ nhớ trong
Chức năng và đặc điểm:
9
- Chứa các thơng tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp
- Tốc độ rất nhanh
- Dung lượng không lớn
- Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM và RAM
Các loại bộ nhớ trong:
- Bộ nhớ chính (Main Memory)
- Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm)
Bộ nhớ chính (Main Memory)
- Là thành phần nhớ tồn tại trên mọi hệ thống máy tính.
- Chứa các chương trình và dữ liệu đang được CPU sử dụng.
- Tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa chỉ.
- Ngăn nhớ thường được tổ chức theo Byte.
- Nội dung của ngăn nhớ có thể thay đổi, song địa chỉ vật lý của ngăn nhớ ln cố
định.
- Thơng thường, bộ nhớ chính gồm 2 phần: RAM và ROM
+ ROM (Read Only Memory), hay Bộ nhớ chỉ đọc, lưu trữ các chương trình
mà khi mất nguồn điện cung cấp sẽ khơng bị (xóa) mất. Ngày nay cịn có
cơng nghệ FlashROM tức bộ nhớ ROM khơng những chỉ đọc mà cịn có thể
ghi lại được, nhờ có công nghệ này BIOS được cải tiến thành Flash BIOS.
+ RAM (Random Access Memory), hay Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên có tốc độ
truy cập nhanh, lưu trữ dữ liệu tạm thời, dữ liệu sẽ bị mất vĩnh viễn khi
không còn nguồn điện cung cấp.
Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm)
- Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc
độ CPU truy cập bộ nhớ.
- Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính. Tốc độ nhanh hơn.
- Cache thường được chia thành một số mức: Cache L1, L2, L3
- Cache có thể được tích hợp trên cùng chip bộ xử lý.
10
- Cache có thể có hoặc khơng.
1.1.3.2. Bộ nhớ ngồi
Chức năng và đặc điểm:
- Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính, bao gồm: Hệ điều hành, các chương
trình và dữ liệu.
- Bộ nhớ ngồi được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào ra
- Dung lượng lớn
- Tốc độ chậm
Các loại bộ nhớ ngoài:
- Bộ nhớ từ: Đĩa cứng, đĩa mềm
- Bộ nhớ quang: Đĩa CD, DVD,…
- Bộ nhớ bán dẫn: Thẻ nhớ, USB flash.
1.1.4. Hệ thống vào-ra
Chức năng: Trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngồi.
Các thao tác cơ bản: Vào dữ liệu (Input), Ra dữ liệu (Output)
Các thành phần chính:
- Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)
- Các mô-đun vào-ra (IO Modules).
Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra
11
Các thiết bị ngoại vi
Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngồi máy tính.
Các loại thiết bị ngoại vi cơ bản:
- Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy qt ...
- Thiết bị ra: màn hình, máy in ...
- Thiết bị nhớ: các ổ đĩa ...
- Thiết bị truyền thông: MODEM ..
Các mô-đun vào-ra
- Chức năng: nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính
- Mỗi mơ-đun vào-ra có một hoặc một vài cổng vào-ra (I/O Port).
- Mỗi cổng vào-ra được đánh một địa chỉ xác định.
- Các thiết bị ngoại vi được kết nối và trao đổi dữ liệu với máy tính thơng qua các
cổng vào-ra.
1.1.5. Hệ thống BUS
Hệ thống BUS (Bus system) làm nhiệm vụ vận chuyển thông tin giữa các phần
khác nhau trong máy tính.
12
Hệ thống Bus bao gồm:
- Bus dữ liệu dùng để vận chuyển dữ liệu từ bộ nhớ tới CPU hoặc ngược lại.
- Bus địa chỉ dùng để vận chuyển tín hiệu địa chỉ (ơ nhớ hay cổng vào/ra do CPU
phát ra).
- Bus điều khiển dùng để vận chuyển tín hiệu điều khiển do CPU phát ra để điều
khiển các khối trong hệ thống hoặc do thiết bị ngoại vi gửi tới CPU yêu cầu thực
hiện một công việc nào đó.
1.2. Hoạt động cơ bản của máy tính
1.2.1. Thực hiện chương trình
Là hoạt động cơ bản của Máy tính. Máy tính lặp đi lặp lại q trình thực hiện
lệnh gồm hai bước cơ bản:
- Nhận lệnh (Fetch)
- Thực hiện lệnh (Execute)
Chương trình dừng khi:
- Mất nguồn
- Gặp lệnh dừng
- Gặp tình huống khơng giải quyết được(lỗi)
Chu
lệnh:
trình
13
Nhận lệnh (Fetch)
- Bắt đầu mỗi chu kỳ lệnh là CPU tiến hành lấy lệnh từ bộ nhớ chính. Trong q
trình lấy và thực hiện lệnh có 2 thanh ghi bên trong CPU mà ta quan tâm đó là
PC (Program Counter) và thanh ghi IR (Instruction Register).
- CPU lấy lệnh từ ngăn nhớ được trỏ bởi thanh ghi PC đưa vào thanh ghi lệnh IR
lưu giữ.
- Sau mỗi lệnh được nhận thì nội dung của thanh ghi PC tự động tăng để trỏ tới
lệnh kế tiếp sẽ được thực hiện.
Thực hiện lệnh (Execute)
- Bộ xử lý giải mã lệnh đã được nhận và phát tín hiệu điều khiển thực hiện thao
tác mà lệnh yêu cầu thông qua khối điều khiển CU.
- Thực hiện trao đổi giữa CPU và bộ nhớ chính.
- Thực hiện trao đổi giữa CPU và mô-đun I/O.
- Xử lý dữ liệu thực hiện các phép toán số học và logic.
- Điều khiển rẽ nhánh.
- Kết hợp các thao tác trên.
Một số ví dụ về quá trình thực hiện lệnh, với giả thiết cấu trúc lệnh có dạng
như sau:
14
1.2.2. Hoạt động ngắt
Khái niệm chung về ngắt: Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình
đang thực hiện chuyển sang thực hiện một chương trình khác, gọi là chương trình con
phục vụ ngắt.
Các loại ngắt:
- Ngắt do lỗi thực hiện chương trình, ví dụ: tràn số, chia cho 0
- Ngắt do lỗi phần cứng, ví dụ: lỗi bộ nhớ RAM
- Ngắt do mơ-đun vào-ra phát ra tín hiệu ngắt đến CPU yêu cầu trao đổi dữ liệu.
Hoạt động của ngắt: Sau khi hoàn thành một lệnh, bộ xử lý kiểm tra tín hiệu
ngắt.
15
- Nếu khơng có ngắt thì bộ xử lý tiếp tục nhận lệnh tiếp theo.
- Nếu có tín hiệu ngắt:
+ Tạm dừng chương trình đang thực hiện. Cất ngữ cảnh (thơng tin có liên
quan đến chương trình đang thực hiện).
+ Thiết lập bộ đếm chương trình PC trỏ đến chương trình con phục vụ
ngắt.
+ Thực hiện chương trình con phục vụ ngắt.
+ Cuối chương trình con phục vụ ngắt. Khơi phục lại ngữ cảnh và tiếp tục
chương trình đang bị tạm dừng.
1.3. LIÊN KẾT HỆ THỐNG
1.3.1. Hệ thống Bus
1.3.1.1. Các luồng thơng tin trong máy tính
Một máy tính bao gồm một tập hợp các thành phần hay mô-đun thuộc 3 kiểu cơ bản:
- CPU
- Mô-đun nhớ
- Mô-đun vào-ra
Trong thực tế, máy tính được xem như một mạng gồm nhiều thành phần cơ bản.
16
Do đó, để máy tính hoạt động được cần phải có các đường dẫn kết nối các mơ-đun lại
với nhau.
a) Kết nối mô-đun nhớ:
- Địa chỉ đưa đến để xác định ngăn nhớ
- Dữ liệu được đưa đến khi ghi
- Dữ liệu hoặc lệnh được đưa ra khi đọc (lưu ý: bộ nhớ không phân biệt lệnh và
dữ liệu).
- Nhận các tín hiệu điều khiển: Điều khiển đọc (Read), điều khiển ghi (Write).
b) Kết nối mô-đun vào-ra:
- Địa chỉ đưa đến để xác định cổng vào-ra
- Ra dữ liệu (Output)
+ Nhận dữ liệu từ CPU hoặc bộ nhớ chính
+ Đưa dữ liệu ra thiết bị ngoại vi
- Vào dữ liệu (Input)
+ Nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi
17
+ Đưa dữ liệu vào CPU hoặc bộ nhớ chính
- Nhận các tín hiệu điều khiển từ CPU
- Phát các tín hiệu điều khiển đến thiết bị ngoại vi
- Phát các tín hiệu ngắt đến CPU
c) Kết nối CPU:
- Phát địa chỉ đến các mô-đun nhớ hay các mô-đun vào-ra
- Đọc lệnh và dữ liệu
- Đưa dữ liệu ra (sau khi xử lý)
- Phát tín hiệu điều khiển đến các mơ-đun nhớ và các mơ-đun vào-ra
- Nhận các tín hiệu ngắt
1.3.1.2. Cấu trúc Bus cơ bản
Chức năng vận chuyển thông tin giữa các thành phần trong máy tính, như thơng
tin từ CPU tới bộ nhớ, từ CPU tới bộ điều khiển vào ra I/O.
- Khái niệm BUS: Bus là tập hợp các đường kết nối dùng để vận chuyển thông
tin giữa các mơ-đun của máy tính với nhau.
- Độ rộng của BUS: Là số đường dây của Bus có thể truyền các bit thông tin
đồng thời (chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu).
- Phân loại BUS: Theo chức năng ta chia bus ra làm 3 loại là BUS địa chỉ, BUS
dữ liệu và BUS điều khiển.
18
a) BUS địa chỉ :
- Chức năng: Dùng để vận chuyển địa chỉ từ CPU đến các mô-đun nhớ hay các
mô-đun vào ra, nhằm để xác định ngăn nhớ hay cổng vào ra nào cần truy xuất trao đổi
thông tin (đây là BUS một chiều).
- Độ rộng của BUS địa chỉ (A0, A1,…, An-1). Cho biết khả năng quản lý cực đại
số các ngăn nhớ. Nếu sử dụng độ rộng bus địa chỉ n đường thì dung lượng cực đại của
bộ nhớ có thể quản lý là 2n ngăn nhớ hay tương đương với 2n Byte nhớ (nếu mỗi ngăn
nhớ 1 Byte)
b) BUS dữ liệu:
- Chức năng: Vận chuyển lệnh từ bộ nhớ đến CPU, vận chuyển dữ liệu giữa
CPU, mô-đun nhớ, mô-đun vào-ra với nhau.
- Độ rộng của Bus dữ liệu (D0, D1, ….Dm-1). Cho biết số bit dữ liệu có thể
được trao đổi đồng thời, m=8, 16, 32, 64, 128 bit.
c) BUS điều khiển:
Tập hợp các tín hiệu điều khiển gồm có:
- Các tín hiệu phát ra từ CPU để điều khiển mô-đun nhớ và mô-đun vào ra.
- Các tín hiệu từ mơ-đun nhớ, mơ-đun vào ra gửi đến CPU yêu cầu.
19
- Ngồi ra cịn là BUS cung cấp nguồn tín hiệu xung nhịp (clock) với các BUS
đồng bộ.
20
Một số tín hiệu điều khiển điển hình:
- Memory Read (MEMR): điều khiển đọc dữ liệu từ một ngăn nhớ có địa chỉ xác
định lên bus dữ liệu.
- Memory Write (MEMW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus dữ liệu đến một
ngăn nhớ có địa chỉ xác định.
- I/O Read (IOR): điều khiển đọc dữ liệu từ một cổng vào-ra có địa chỉ xác định
lên bus dữ liệu.
- I/O Write (IOW): điều khiển ghi dữ liệu có sẵn trên bus dữ liệu ra một cổng có
địa chỉ xác định
- Interupt Request (INTR): Tín hiệu phát ra từ thiết bị gửi đến CPU yêu cầu
ngắt
- Interupt Acknowledge (INTA): Tín hiệu phát ra từ CPU báo hiệu với thiết bị
rằng CPU cho phép ngắt.
- Non – Maskable Interupt (NMI): Thường dùng để báo sự cố của máy tính.
- Reset: Tín hiệu gửi đến CPU yêu cầu khởi động lại máy tính.
d) Các yếu tố trong thiết kế BUS:
- Các kiểu Bus:.
Có 2 kiểu Bus tổng quát là Bus dành riêng và Bus dồn kênh.
+ Bus dành riêng: sử dụng các đường truyền dữ liệu và địa chỉ chuyên dụng
tách biệt. Đây là sự chuyên biệt hóa về chức năng. Ưu điểm của kiều Bus này là điều
khiển đơn giản tuy nhiên lại sử dụng nhiều đường kết nối. Điều này làm gia tăng kích
thước và phí tổn cho hệ thống.
+ Bus dồn kênh: dùng chung các đường truyền địa chỉ và dữ liệu. Lợi ích của
Bus dồn kênh chính là sử dụng ít đường dữ liệu giúp tiết kiệm khơng gian và phí tổn.
Tuy nhiên điểm bất lợi của nó là cần nhiều mạch điện tử phức tạp và sụt giảm hiệu
suất.
- Phân xử Bus:
Có nhiều hơn một mơ-đun điều khiển Bus (VD:CPU, DMAcontroller…), nhưng
tại một thời điểm chỉ duy nhất một mơ-đun có thể điều kiển bus → cần phân xử Bus.
Sự phân xử bus có thể là tập trung hoặc phân tán.
+ Phân xử tập trung: có một thiết bị phần cứng điều khiển sự truy nhập bus
được gọi là Bộ điều khiển bus(Bus controller) hay Trọng tài Bus (Arbiter). Bộ điều
khiển bus này có thể nằm trên CPU hoặc tách riêng.
21
+ Phân xử phân tán: mỗi mơ-đun có thể điều khiển bus, nhưng có sự điều
khiển logic trên tất cả mơ-đun.
e) Một số Bus điển hình trong máy tính
- Bus của bộ xử lý (Front Side Bus - FSB): có tốc độ nhanh nhất
- Bus của bộ nhớ chính (nối ghép với các mô-đun RAM)
- PCI bus(Peripheral Component Interconnect): nối ghép với các thiết bị ngoại vi
có tốc độ trao đổi dữ liệu nhanh.
- IDE (Integrated Device Electronics): Bus kết nối với ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa CD,
DVD
- USB (Universal Serial Bus): Bus nối tiếp đa năng.
1.1.1. Mainboard
Trong một hệ thống máy tính có khoảng 10 thiết bị khác nhau như: CPU, RAM,
Card Video, Card Sound, Card LAN, HDD, CDROM, FDD, Keyboard, Mouse. Các
thiết bị này có tần số làm việc rất khác nhau, ví dụ: Tần số qua chân CPU là 800MHz
nhưng qua chân RAM là 400MHz và tần số qua Card Sound chỉ có 66MHz. Ngồi ra
số đường mạch (số BUS) cũng khác nhau, vì vậy mà các thiết bị trên không thể kết
nối trực tiếp với nhau được. Vậy tại sao chúng có thể làm việc với nhau ?
Mainboard chính là thiết bị đóng vai trị trung gian để kết nối tất cả các thiết bị
trên hệ thống máy tính liên kết lại với nhau thành một bộ máy thống nhất.
1.3.2.1. Chức năng của Mainboard
- Gắn kết các thành phần trên một hệ thống máy tính lại với nhau.
- Điều khiển thay đổi tần số BUS cho phù hợp với các thành phần khác nhau.
- Quản lý nguồn cấp cho các thành phần trên Main.
- Cung cấp xung nhịp chủ (xung Clock) để đồng bộ sự hoạt động của tồn hệ
thống.
Chính vì những chức năng quan trọng trên mà khi Mainboard có sự cố thì máy
tính không thể hoạt động được.
Sơ đồ khối của một Mainboard:
22
1.3.2.2. Các thành phần chính trên Mainboard
a) Socket (đế cắm CPU)
Có nhiều loại đế cắm cho CPU tuỳ theo chủng loại Mainboard
- Socket 370 trên các Mainboard dùng cho Intel Pentium 3
- Socket 478 trên các Mainboard dùng cho Intel Pentium 4
- Socket 775 trên các Mainboard dùng cho Intel Core 2 Duo, Core 2 Quad
- Socket 1155 trên các Mainboard dùng cho Intel Sandy Bridge (Core i5-2500),
Intel Ivy Bridge (Core i5-3570).
- Socket 1150 trên các Mainboard dùng cho Intel Haswell (Core i5-4570).
Các chân Socket do Chipset bắc điều khiển.
b) North Bridge (Chipset bắc)
- Chipset bắc có nhiệm vụ điều khiển các thành phần có tốc độ cao như CPU,
RAM và Card Video.
- Chipset bắc điều khiển về tốc độ BUS và điều khiển chuyển mạch dữ liệu, đảm
bảo cho dữ liệu qua lại giữa các thành phần được thông suốt và liên tục, khai thác hết
được tốc độ của CPU và bộ nhớ RAM.
- Có thể ví Chipset giống như một nút giao thông ở một ngã tư, điều khiển
chuyển mạch như các đèn xanh đèn đỏ cho phép từng luồng dữ liệu đi qua trong một
23
khoảng thời gian nhất định, còn điều khiển tốc độ BUS là mỗi hướng của ngã tư khác
nhau thì các phương tiện phải chạy theo một tốc độ quy định.
c) South Bridge (Chipset nam)
Chức năng của Chipset nam tương tự như Chipset bắc, nhưng Chipset nam điều
khiển các thành phần có tốc độ chậm như: Card Sound, Card Net, ổ cứng, ổ CD
ROM, các cổng USB, IC SIO và BIOS …
d) ROM BIOS (Read Only Memory - Basic In Out System)
ROM là IC nhớ chỉ đọc, BIOS là chương trình nạp trong ROM do nhà sản xuất
Mainboard nạp vào, chương trình BIOS có các chức năng chính sau đây:
- Khởi động máy tính, duy trì sự hoạt động của CPU.
- Kiểm tra lỗi của bộ nhớ RAM và Card Video.
- Quản lý trình điều khiển cho Chipset bắc, Chipset nam, IC-SIO và card video
onboard.
- Cung cấp bản cài đặt CMOS SETUP mặc định để máy có thể hoạt động khi
schưa thiết lập CMOS.
e) IC SIO (Super In Out) - IC điều khiển các cổng vào ra dữ liệu
24
- SIO điều khiển các thiết bị trên cổng Parallel như máy In, máy Scaner, điều
khiển ổ mềm, các cổng Serial như cổng COM, cổng PS/2.
- Ngồi ra SIO cịn thực hiện giám sát các bộ phận khác trên Mainboard hoạt
động để cung cấp tín hiệu báo sự cố.
- Tích hợp mạch điều khiển tắt mở nguồn, tạo tín hiệu Reset hệ thống.
f) Clock generator (Clocking) - Mạch tạo xung Clock
Mạch tạo xung Clock có vai trị quan trọng trên Main, chúng tạo xung nhịp cung
cấp cho các thành phần trên Main hoạt động đồng thời đồng bộ sự hoạt động của tồn
hệ thống máy tính, nếu mạch Clock bị hỏng thì các thành phần trên Main khơng thể
hoạt động được, mạch Clocking hoạt động đầu tiên sau khi Main có nguồn cung cấp.
g) VRM (Voltage Regulator Module) – Mơ-đun ổn áp
Đây là mạch điều khiển nguồn VCORE cấp cho CPU, mạch có nhiệm vụ biến
đổi điện áp 12V/2A thành điện áp khoảng 1,5V và cho dòng lên tới 10A để cấp cho
CPU, mạch bao gồm các linh kiện như đèn Mosfet, IC dao động, các mạch lọc L,C.
h) Khe AGP hoặc PCI Express
Khe AGP và PCI Express dùng để gắn Card video, khe AGP hoặc PCI Express
do Chipset bắc điều khiển.
i) Khe RAM
Khe RAM do Chipset bắc điều khiển dùng để gắn bộ nhớ RAM, đây là bộ nhớ
trung gian không thể thiếu được trong một hệ thống máy tính.
k) Khe PCI
Khe PCI do Chipset nam điều khiển dùng để gắn các Card mở rộng như Card
sound, Card Net …
l) Cổng IDE
Cổng IDE do Chipset nam điều khiển, cổng IDE dùng để gắn các ổ đĩa như
HDD, CDROM, DVD …
Chương 2: BỘ VI XỬ LÝ TRUNG TÂM
2.1. Cấu trúc của CPU
MỤC TIÊU CỦA BÀI
25
