Giáo trình môn Kiến trúc máy tính

cận thời gian truy nhập cache với trƣờng hợp cache đạt hệ số hit cao. 4.4.6.2 Các yếu tố ảnh hưởng Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu năng cache, trong đó ba vấn đề (1) kích thƣớc cache, (2) chia tách cache và (3) tạo cache nhiều mức có ảnh hƣởng lớn nhất. Chúng ta lần lƣợt xem xét ảnh hƣởng của từng yếu tố đến hiệu năng cache. Vấn đề kích thƣớc cache Vấn đề kích thƣớc cache liên quan đến việc trả lời câu hỏi: nên lựa chọn kích thƣớc cache lớn hay nhỏ? Nhiều số liệu thống kê cho thấy, kích thƣớc cache không ảnh hƣởng nhiều đến hệ số miss và hệ số miss của cache lệnh thấp hơn nhiều so với cache dữ liệu: 8KB cache lệnh có hệ số miss nhỏ hơn 1% 256KB cache lệnh có hệ số miss nhỏ hơn 0.002% nhƣ vậy, tăng kích thƣớc cache lệnh không giảm miss hiệu quả. 8KB cache dữ liệu có hệ số miss nhỏ hơn 4% 256KB cache dữ liệu có hệ số miss nhỏ hơn 3% nhƣ vậy, tăng kích thƣớc cache dữ liệu lên 32 lần, hệ số miss giảm 25%. Trên thực tế, xu hƣớng chung mong muốn kích thƣớc cache càng lớn trong giới hạn cho phép của giá thành. Với kích thƣớc lớn, có thể tăng đƣợc số dòng bộ nhớ lƣu trong cache và nhờ vậy giảm tần suất tráo đổi các dòng cache của các chƣơng trình khác nhau với bộ nhớ chính. Đồng thời, cache lớn hỗ trợ đa nhiệm, xử lý song song và các hệ thống CPU nhiều nhân tốt hơn do không gian cache lớn có khả năng chứa đồng thời thông tin của nhiều chƣơng trình. Nhƣợc điểm của cache lớn là chậm, do có không gian tìm kiếm lớn hơn cache nhỏ. Vấn đề chia tách cache Cache có thể đƣợc tách thành cache lệnh (I-Cache) và cache dữ liệu (D-Cache) để cải thiện hiệu năng, do:  Dữ liệu và lệnh có tính lân cận khác nhau;  Dữ liệu thƣờng có tính lân cận về thời gian cao hơn lân cận về không gian; lệnh có tính lân cận về không gian cao hơn lân cận về thời gian;  Cache lệnh chỉ cần hỗ trợ thao tác đọc; cache dữ liệu cần hỗ trợ cả 2 thao tác đọc và ghi và tách cache giúp tối ƣu hoá dễ dàng hơn;  Tách cache hỗ trợ nhiều lệnh truy nhập đồng thời hệ thống nhớ, nhờ vậy giảm xung đột tài nguyên cho CPU pipeline. Vấn đề tạo cache nhiều mức Chương 4- Bộ nhớ trong 55 Khi cache đƣợc chia thành nhiều mức với kích thƣớc tăng dần và tốc độ truy nhập giảm dần sẽ giúp cải thiện đƣợc hiệu năng hệ thống do hệ thống cache nhiều mức có khả năng dung hoà tốt hơn tốc độ của CPU với tốc độ của bộ nhớ chính. Ví dụ: xem xét 2 hệ thống nhớ có số mức cache khác nhau: hệ thống 3 mức cache (L1, L2 và L3) và hệ thống 1 mức cache (L1). Giả thiết CPU có thời gian truy nhập là 1ns, các mức cache L1, L2, L3 có thời gian truy nhập lần lƣợt là 5ns, 15ns và 30ns. Bộ nhớ chính có thời gian truy nhập là 60ns. CPU L1 L2 L3 Bộ nhớ chính Cache 3 mức: 1ns 5ns 15ns 30ns 60ns Cache 1 mức: 1ns 5ns 60ns Có thể thấy hệ thống nhớ với nhiều mức cache có khả năng dung hoà tốc độ giữa các thành phần tốt hơn và có thời gian truy nhập trung bình hệ thống nhớ thấp hơn. Trên thực tế, đa số cache đƣợc tổ chức thành 2 mức: L1 và L2. Một số cache có 3 mức: L1, L2 và L3. Ngoài ra, nhiều mức cache có thể giúp giảm giá thành hệ thống nhớ. 4.4.7 Các phƣơng pháp giảm miss cho cache 4.4.7.1 Các loại miss của cache Một hệ thống nhớ với cache tốt cần đạt đƣợc các yếu tố: (1) hệ số hit cao, (2) hệ số miss thấp và (3) nếu xảy ra miss thì không quá chậm. Để có thể có giải pháp giảm miss hiệu quả, ta cần phân biệt rõ các loại miss. Cụ thể, tồn tại ba loại miss chính: miss bắt buộc (Compulsory misses), miss do dung lượng (Capacity misses) và miss do xung đột (Conflict misses). Miss bắt buộc thƣờng xảy ra tại thời điểm chƣơng trình đƣợc kích hoạt, khi mã chƣơng trình đang đƣợc tải vào bộ nhớ và chƣa đƣợc nạp vao cache. Miss do dung lƣợng lại thƣờng xảy ra do kích thƣớc của cache hạn chế, đặc biệt trong môi trƣờng đa nhiệm. Do kích thƣớc cache nhỏ nên mã của các chƣơng trình thƣờng xuyên bị tráo đổi giữa bộ nhớ và cache. Theo một khía cạnh khác, miss do xung đột xảy ra khi có nhiều dòng bộ nhớ cùng cạnh tranh một dòng cache. 4.4.7.2 Các phương pháp giảm miss cho cache Trên cơ sở các loại miss đã đƣợc đề cập, hai phƣơng pháp giảm miss có thể phối hợp áp dụng nhằm đạt hiểu quả giảm miss tối đa, gồm: tăng kích thước dòng cache và tăng mức độ liên kết cache. Biện pháp tăng kích thƣớc dòng cache có thể giúp giảm miss bắt buộc do dòng có kích thƣớc lớn sẽ có khả năng bao phủ các mục tin lân cận tốt hơn. Tuy nhiên, biện pháp này sẽ làm tăng miss xung đột, do dòng kích thƣớc lớn sẽ làm giảm số dòng cache, dẫn đến tăng mức độ cạnh tranh của các dòng nhớ đến một dòng cache. Ngoài ra, dòng kích thƣớc lớn có thể gây lãng phí dung lƣợng cache do có thể có nhiều phần của dòng cache lớn không bao giờ đƣợc sử dụng. Hiện nay, kích thƣớc dòng cache thƣờng dùng hiện nay là 64 bytes. Biện pháp tăng mức độ liên kết cache hay tăng số đƣờng cache có thể giúp giảm miss xung đột, do tăng số đƣờng cache làm tăng tính mềm dẻo của ánh xạ trang bộ nhớ đến đƣờng cache do có nhiều lựa chọn hơn. Tuy nhiên, nếu tăng số đƣờng cache quá lớn, có thể làm cache chậm do tăng không giam tìm kiếm các đƣờng cache. Hiện nay, số đƣờng cache hợp lý cho miss tối ƣu thƣờng dùng là khoảng 8 đƣờng. Chương 4- Bộ nhớ trong 56 4.5 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Hệ thống bộ nhớ phân cấp: đặc điểm, vai trò. 2. ROM là gì? các loại ROM. 3. RAM, SRAM, DRAM là gì? Cấu tạo của SRAM và DRAM. 4. Bộ nhớ cache:  Cache là gì? vai trò và nguyên lý hoạt động.  Kiến trúc cache  Tổ chức/ánh xạ cache  Đọc ghi thông tin trong cache  Các chính sách thay thế dòng cache  Hiệu năng cache và các yếu tố ảnh hƣởng  Các biện pháp giam miss cho cache. CHƢƠNG 5 BỘ NHỚ NGOÀI 5.1 ĐĨA TỪ 5.1.1 Giới thiệu Đĩa từ (Magnetic Disks) là một trong các loại thiết bị lƣu trữ đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong các thiết bị tính toán nói chung và các máy tính cá nhân nói riêng. Đĩa từ thuộc loại bộ nhớ ổn định – thông tin lƣu trên đĩa từ luôn đƣợc duy trì, không phụ thuộc vào nguồn điện nuôi bên ngoài. Đĩa từ cũng là bộ nhớ kiểu khối có dung lƣợng lớn, đặc biệt là các đĩa cứng, dùng để lƣu trữ thông tin lâu dài dƣới dạng các tệp (files). Để lƣu đƣợc thông tin, đĩa từ sử dụng các đĩa nhựa hoặc đĩa kim loại có phủ lớp bột từ trên bề mặt. Bột từ đƣợc sử dụng thƣờng là oxit sắt hoặc các hợp kim của sắt. Có hai dạng đĩa từ chủ yếu là đĩa từ mềm (gọi tắt là đĩa mềm – Floppy Disks) và đĩa từ cứng (gọi tắt là đĩa cứng – Hard Disks). Đĩa mềm làm bằng plastic, có dung lƣợng nhỏ, tốc độ chậm và dễ bị hƣ hỏng. Ngƣời ta sử dụng ổ đĩa mềm (FDD – Floppy Disk Drive) để đọc ghi đĩa mềm. Hình 51 minh hoạ đĩa mềm và ổ đĩa mềm dung lƣợng 1,44MB với kích thƣớc đĩa 3,5 inches. Ngày nay, do sự phát triển mạnh mẽ của các loại đĩa quang và đặc biệt là các thẻ nhớ flash kết nối qua cổng USB, đĩa mềm ngày càng ít đƣợc sử dụng. Nhiều hệ thống máy tính lắp mới không đi kèm ổ đĩa mềm. Hình 51 Đĩa mềm và ổ đĩa mềm kích thƣớc 3,5 inches Khác với đĩa mềm, đĩa cứng thƣờng đƣợc gắn cố định trong ổ đĩa và đƣợc bọc trong một hộp kim loại bảo vệ nhƣ minh hoạ trên hình Hình 52. Đĩa cứng đƣợc làm bằng kim loại hoặc bằng thuỷ tinh, có dung lƣợng lớn và tốc độ cao hơn nhiều lần so với đĩa mềm. Hiện nay, các ổ đĩa cứng thƣờng có dung lƣợng rất lớn, từ vài chục gigabyte đến hàng ngàn gigabyte và là thiết bị lƣu trữ chủ yếu của các hệ thống máy tính. Do đĩa từ mềm ngày càng ít đƣợc sử dụng, phần tiếp theo của chƣơng này chỉ đề cập đến đĩa từ cứng và ổ đĩa cứng. Chương 5- Bộ nhớ ngoài 58 Hình 52 Ổ đĩa cứng kích thƣớc 3,5 inches 5.1.2 Đĩa cứng 5.1.2.1 Cấu tạo đĩa cứng Hình 53 Các thành phần của đĩa cứng Hình 53 minh hoạ cấu trúc của đĩa cứng và Hình 54 minh hoạ hệ thống đĩa và đầu từ đọc/ghi đĩa cứng. Đĩa cứng thƣờng gồm các thành phần chính: các đĩa từ (Disks), các đầu từ đọc/ghi (Heads), các rãnh (Tracks), các mặt trụ (Cylinders) và các cung (Sectors). Một ổ đĩa cứng có thể gồm một hoặc nhiều đĩa đƣợc lắp đồng trục. Các đĩa thƣờng phẳng và đƣợc chế tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh với lớp bột từ rất mỏng (khoảng 10-20nm) phủ trên bề mặt đĩa để lƣu thông tin. Vật liệu từ thƣờng dùng là oxit sắt ba (Fe2O3) với các ổ đĩa cứng cũ. Hiện nay vật liệu từ thƣờng dùng là hợp kim của côban. Đĩa có thể lƣu thông tin trên cả hai mặt (side), đƣợc đánh số mặt 0 và mặt 1. Đầu từ hay đầu đọc ghi cũng là một trong các bộ phận chủ chốt của ổ đĩa cứng. Mỗi đầu từ đĩa cứng thƣờng có kích thƣớc rất nhỏ, đƣợc sử dụng để đọc và ghi thông tin lên đĩa. Khoảng Chương 5- Bộ nhớ ngoài 59 cách giữa đầu từ và bề mặt đĩa là rất nhỏ, nhƣng không tiếp xúc mà “bay” trên mặt đĩa. Mỗi ổ đĩa cứng thƣờng có nhiều đầu từ kết hợp thành một hệ thống đầu từ trên cùng một giá đỡ, nhƣ minh hoạ trên Hình 54. Số lƣợng đầu từ của mỗi ổ đĩa phụ thuộc vào thiết kế và dung lƣợng đĩa và thƣờng rất khác nhau: 4, 8, 12, 16, 24, 32, 64... Hình 54 Hệ thống đĩa và đầu từ đọc/ghi đĩa cứng Rãnh có dạng là một đƣờng tròn đồng tâm trên mặt đĩa để lƣu thông tin. Các rãnh đƣợc đánh số từ 0 theo trật từ từ phía ngoài đĩa vào trong tâm và mỗi mặt đĩa có thể chứa hàng ngàn rãnh. Tiếp theo rãnh, mặt trụ là tập hợp của các rãnh ở các mặt đĩa khác nhau nằm trên cùng một vị trí đầu từ. Trên thực tế, mặt trụ là tham số đƣợc sử dụng nhiều hơn rãnh trong các hệ thống đĩa cứng. Cung là một phần của rãnh trên bề mặt đĩa và là đơn vị lƣu trữ nhỏ nhất có thể quản lý của đĩa. Kích thƣớc thông dụng của mỗi cung là 512 bytes. Với ổ đĩa cứng, ba tham số đƣợc sử dụng để tính dung lƣợng đĩa là: Số lƣợng mặt trụ (C), số lƣợng đầu từ (H) và số lƣợng cung trong một rãnh (S). Nhƣ vậy, dung lƣợng của đĩa cứng tính theo các tham số trên là: Dung lƣợng của đĩa cứng = C x H x S x 512 bytes 5.1.2.2 Các chuẩn ghép nối đĩa cứng Các chuẩn hay giao diện ghép nối ổ đĩa cứng giải quyết vấn đề các ổ đĩa cứng đƣợc ghép nối và trao đổi dữ liệu với CPU nhƣ thế nào. Cho đến hiện nay, các giao diện thông dụng ghép nối ổ đĩa cứng với máy tính gồm: (1) Parallel ATA (PATA - Parallel Advanced Technology Attachments), còn gọi là ATA/IDE/EIDE (Integrated Drive Electronics), (2) Serial ATA (SATA), (3) SCSI – Small Computer System Interface (phát âm là scuzzy /skʌzi/), (4) Serial Attached SCSI (SAS) và (5) iSCSI – Internet SCSI. Trong tài liệu này, ta đề cập chi tiết ba chuẩn ghép nối thông dụng nhất cho máy tính là PATA/ATA/IDE, SATA và SCSI. Chương 5- Bộ nhớ ngoài 60 Chuẩn ghép nối ATA/IDE/PATA Hình 55 Giao diện ghép nối và cáp ATA/IDE/PATA Hình 56 IDE HDD jumpers & cài đặt jumpers Chuẩn ghép nối ATA/IDE/PATA sử dụng cáp dẹt 40 hoặc 80 sợi để ghép nối ổ cứng với bảng mạch chính của máy tính. Mỗi cáp thƣờng hỗ trợ ghép nối với 2 ổ đĩa: một ổ đĩa chủ (master) và một ổ đĩa tớ (slave). Băng thông đƣờng truyền là 16 bít, đạt các mức thông lƣợng theo tần số làm việc: 16, 33, 66, 100 và 133MB/s. Hình 55 và Hình 56 minh hoạ khe cắm, cáp ghép nối và các chuyển mạch chế độ làm việc (jumpers) của ổ đĩa chuẩn ATA/IDE/PATA. Chuẩn ghép nối SATA Hình 57 Khe cắm và cáp ghép nối SATA Khe cắm dữ liệu SATA Đầu cắm dữ liệu SATA Đầu cắm nguồn SATA Chương 5- Bộ nhớ ngoài 61 Hình 57 minh hoạ các thành phần ghép nối ổ đĩa cứng với bảng mạch chính theo chuẩn SATA. Chuẩn SATA sử dụng cùng tập lệnh mức thấp nhƣ chuẩn ATA nhƣng SATA sử dụng đƣờng truyền tin nối tiếp tốc độ cao qua 2 đôi dây với bộ điều khiển SATA sử dụng chuẩn AHCI (Advanced Host Controller Interface). SATA hỗ trợ nhiều tính năng tiên tiến vƣợt trội so với ATA, nhƣ truyền dữ liệu nhanh và hiệu quả hơn và đặc biệt là tính năng cắm nóng (hot plug). SATA cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhiều so với ATA. Với SATA thế hệ 1, tốc độ đạt 1,5 Gb/s và lần lƣợt đạt 3,0 Gb/s và 6,0 Gb/s với các thế hệ 2 và thế hệ 3. Chuẩn ghép nối SCSI SCSI là một tập các chuẩn về kết nối vật lý và truyền dữ liệu giữa máy tính và thiết bị ngoại vi, thƣờng đƣợc sử dụng trong các máy chủ. Tất cả các thiết bị SCSI đều kết nối đến bus SCSI theo cùng một kiểu và mỗi bus SCSI có thể kết nối 8-16 thiết bị SCSI. Tƣơng tự SATA, chuẩn SCSI cũng cung cấp nhiều tính năng tiên tiến nhƣ tốc độ truyền dữ liệu và tính ổn định rất cao và tính năng cắm nóng. Tính năng cắm nóng rất hữu dụng trong các máy chủ do SCSI cho phép thêm, bớt các ổ cứng mà không phải tắt máy, giảm thời gian ngừng cung cấp dịch vụ. SCSI đạt đƣợc tốc độ truyền dữ liệu: 5, 10, 20, 40MB/s với các ổ SCSI cũ và 160, 320, 640 MB/s với các ổ SCSI mới. Các ổ cứng SCSI thƣờng rất đắt tiền và đƣợc thƣờng đƣợc sử dụng cho các máy chủ và các hệ thống lƣu trữ tiên tiến nhƣ RAID, NAS và SAN. 5.1.2.3 Quản lý đĩa cứng Các đĩa cứng đƣợc quản lý theo hai mức: mức thấp (lower level) và mức cao (high level). Quản lý đĩa ở mức thấp đƣợc thực hiện bởi các chức năng của ROM-BIOS, đĩa đƣợc quản lý ở mức cao bởi hệ điều hành. Các vấn đề liên quan đến quản lý đĩa cứng gồm: định dạng đĩa cứng, phân khu và bảng phân khu đĩa cứng, cung khởi động, hệ thống file và thƣ mục gốc. Định dạng đĩa cứng Đĩa cứng cần đƣợc định dạng (format) trƣớc khi sử dụng. Có hai mức định dạng đĩa cứng: định dạng mức thấp (lower level format) và định dạng mức cao (high level format). Định dạng mức thấp là quá trình gán địa chỉ cho các cung vật lý trên đĩa và có thể đƣợc thực hiện bởi các chức năng của BIOS. Hiện nay, hầu hết các ổ đĩa cứng đều đã đƣợc định dạng mức thấp khi xuất xƣởng. Sau khi đƣợc định dạng mức thấp, ổ đĩa cần đƣợc định dạng ở mức cao bởi hệ điều hành trƣớc khi có thể lƣu thông tin. Định dạng mức cao là quá trình gán địa chỉ cho các cung logic và khởi tạo hệ thống file. Phân khu và bảng phân khu đĩa cứng Một đĩa cứng vật lý có thể đƣợc chia thành nhiều phần để thuận tiện cho quản lý và lƣu trữ. Mỗi phần đƣợc gọi là một phân đoạn hay một phân khu (partition). Có hai loại phân khu: phân khu chính (primary partition) và phân khu mở rộng (extended partition). Thông thƣờng, mỗi ổ đĩa chỉ có thể có một phân khu chính và một hoặc một số phân khu mở rộng. Một phân khu lại có thể đƣợc chia thành một hoặc một số ổ đĩa logic. Phân khu chính chỉ có thể chứa duy nhất một ổ đĩa logic, nhƣng phân khu mở rộng có thể đƣợc chia thành một hoặc một số ổ đĩa logic. Bảng phân khu (partition table) là một bảng gồm các bản ghi lƣu thông tin quản lý các phân khu đĩa cứng. Các thông tin cụ thể về mỗi phân khu nhƣ sau: Chương 5- Bộ nhớ ngoài 62  Phân khu có thuộc loại tích cực (active) ?  Số mặt trụ (C), đầu từ (H) và cung (S) điểm bắt đầu phân khu;  Số mặt trụ (C), đầu từ (H) và cung (S) điểm kết thúc phân khu;  Kiểu định dạng phân khu (FAT, NTFS, EXT);  Kích thƣớc của phân khu tính theo số cung. Cung khởi động Cung khởi động (boot sector) là một cung đặc biệt, luôn nằm ở vị trí cung số 1 của ổ đĩa logic. Cung khởi động chứa chƣơng trình mồi khởi động (Bootstrap loader) có nhiệm vụ kích hoạt việc nạp các thành phần của hệ điều hành từ đĩa vào bộ nhớ. Hệ thống file Hệ thống file (file system) là một dạng bảng danh mục (directory) để quản lý việc lƣu trữ các files trên đĩa. Các files thƣờng đƣợc lƣu trữ trong các thƣ mục (folders) và các thƣ mục đƣợc tổ chức theo mô hình cây. Hệ thống file là một thành phần của hệ điều hành và có thiết kế khác khác nhau. Sau đây là một số hệ thống file thông dụng kèm theo hệ điều hành:  FAT (DOS, Windows 3.x, Windows 95, 98, ME)  NTFS (Windows NT, 2000, XP, 2003, Vista, 7)  Ext2, Ext3 (Unix, Linux)  MFS (Macintosh FS)/HFS (Hierarchical FS) (Mac OS) Thƣ mục gốc Thƣ mục gốc (Root directory) là thƣ mục ở mức thấp nhất trong hệ thống cây thƣ mục của ổ đĩa logic. Thƣ mục gốc là điểm bắt đầu khi hệ thống tìm kiếm và truy nhập file. Cũng nhƣ các thƣ mục khác, thƣ mục gốc có thể chứa các thƣ mục con và các file. Điểm khác biệt của thƣ mục gốc với các thƣ mục khác là nó không có thƣ mục mẹ. 5.2 ĐĨA QUANG 5.2.1 Giới thiệu và nguyên lý Đĩa quang (Optical Disks) hoạt động dựa trên nguyên lý quang học: sử dụng ánh sáng để đọc và ghi thông tin trên đĩa. Các đĩa quang thƣờng đƣợc chế tạo bằng plastic với một mặt đƣợc tráng một lớp nhôm mỏng để phản xạ tia laser. Mặt đĩa quang đƣợc “khắc” rãnh và mức lõm của rãnh đƣợc sử dụng để biểu diễn các bit thông tin, nhƣ minh hoạ trên Hình 58. Trên thực tế, các đĩa quang âm nhạc và phim đƣợc chế tạo hàng loạt theo kiểu chế bản in gồm 2 khâu: Trƣớc hết, tạo bản đĩa chủ chứa thông tin ở dạng “âm bản” bằng thiết bị chuyên dụng, sau đó sử dụng bản đĩa chủ để “in” thông tin lên các đĩa quang trắng. Việc đọc thông tin trên đĩa quang đƣợc thực hiện trong ổ đĩa quang (Optical Disk Drive), nhƣ minh hoạ trên Hình 59 theo các bƣớc: 1. Tia laser từ điốt phát laser đi qua bộ tách tia đến gƣơng quay; 2. Gƣơng quay đƣợc điều khiển bởi tín hiệu đọc, lái tia laser đến vị trí cần đọc trên mặt đĩa; 3. Tia phản xạ từ mặt đĩa phản ánh mức lồi lõm trên mặt đĩa quay trở lại gƣơng quay; Chương 5- Bộ nhớ ngoài 63 4. Gƣơng quay chuyển tia phản xạ về bộ tách tia và sau đó đến bộ cảm biến quang điện; 5. Bộ cảm biến quang điện chuyển đổi tia laser phản xạ thành tín hiệu điện đầu ra. Cƣờng độ của tia laser đƣợc biểu diễn thành mức tín hiệu ra. Hình 58 Lƣu thông tin trên đĩa quang Hình 59 Nguyên lý đọc thông tin trên đĩa CD-ROM 5.2.2 Các loại đĩa quang Có hai họ đĩa quang chính: đĩa CD (Compact Disk) và đĩa DVD (Digital Video Disk). Đĩa CD ra đời trƣớc có dung lƣợng nhỏ, tốc độ chậm, thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu dữ liệu, âm thanh và phim ảnh có chất lƣợng thấp. Đĩa DVD ra đời sau, có dung lƣợng lớn, tốc độ truy nhập cao và cho phép lƣu dữ liệu, âm thanh và phim ảnh có chất lƣợng cao hơn. Laser Diode Sensor Output signal Beam spitter Rotation mirror CD-ROM Chương 5- Bộ nhớ ngoài 64 Họ đĩa CD gồm 3 loại chính: đĩa CD chỉ đọc (CD-ROM - Read Only CD), đĩa CD có thể ghi 1 lần (CD-R - Recordable CD) và đĩa CD có thể ghi lại (CD-RW - Rewritable CD). Đĩa CD- ROM đƣợc ghi sẵn nội dung từ khi sản xuất và chỉ có thể đọc ra trong quá trình sử dụng. CD- ROM thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu âm nhạc và các phần mềm. Đĩa CD-R là đĩa có thể ghi một lần duy nhất bởi ngƣời sử dụng. Sau khi thông tin đƣợc ghi, đĩa trở thành loại chỉ đọc. Ngƣợc lại, đĩa CD-RW cho phép xoá thông tin đã ghi và ghi lại nhiều lần. Đĩa CD-RW thƣờng có giá thành cao và có thể ghi lại khoảng 1000 lần. Tƣơng tự họ CD, họ DVD cũng gồm nhiều loại: đĩa DVD chỉ đọc (DVD-ROM - Read Only DVD), đĩa có thể ghi 1 lần (DVD-R - Recordable DVD), đĩa có thể ghi lại (DVD-RW - Rewritable DVD), đĩa DVD mật độ cao (HD-DVD - High-density DVD) và đĩa DVD mật độ siêu cao (Blu-ray DVD - Ultra-high density DVD). DVD-ROM thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu phim ảnh và các phần mềm có dung lƣợng lớn. Đĩa DVD-R là đĩa có thể ghi một lần duy nhất bởi ngƣời sử dụng. Sau khi thông tin đƣợc ghi, đĩa trở thành loại chỉ đọc. Ngƣợc lại, đĩa DVD-RW cho phép xoá thông tin đã ghi và ghi lại nhiều lần. Đĩa HD-DVD và Blu-ray DVD là các loại đĩa DVD có dung lƣợng siêu cao với dung lƣơng tƣơng ứng vào khoảng 15GB và 25GB với đĩa một lớp. 5.2.3 Giới thiệu cấu tạo một số đĩa quang thông dụng 5.2.3.1 Đĩa CD-ROM, CD-R và CD-RW Dung lƣợng tối đa của đĩa CD là 700MB hoặc 80 phút nếu lƣu âm thanh. Ổ đĩa sử dụng tia laser hồng ngoại với bƣớc sóng 780 nm để đọc thông tin. Tốc độ truyền thông tin của đĩa CD đƣợc tính theo tốc độ cơ sở (150KB/s) nhân với hệ số nhân. Ví dụ, đĩa có tốc độ đọc 4x thì tốc độ tối đa có thể đọc là 4 x 150KB/s = 600 KB/s; nếu đĩa có tốc độ đọc 50x thì tốc độ tối đa có thể đọc là 50 x 150KB/s = 7500 KB/s. Hình 60 Cấu tạo đĩa CD-R Đĩa CD-R về mặt hình thức và cấu tạo tƣơng tự đĩa CD-ROM. Tuy nhiên, đĩa CD-R có thêm một lớp gọi là “organic dye”, tạm dịch là lớp hữu cơ nằm giữa lớp plastic và lớp phản xạ bằng kim loại. Tia laser đã đƣợc điều chế bởi tín hiệu ghi đƣợc sử dụng để “đốt” lớp hữu cơ tạo thành các mức lồi lõm khác nhau trên lớp này để lƣu thông tin. Sau khi đốt lớp hữu cơ bị cố Chương 5- Bộ nhớ ngoài 65 định và do vậy đĩa CD-R chỉ ghi đƣợc 1 lần. Trong đĩa CD-RW, lớp hữu cơ đƣợc thay bằng một lớp bán kim loại. Nhờ vậy, đĩa CD-RW có thể ghi đƣợc nhiều lần. Đa số các đĩa CD-RW cho phép ghi lại đến khoảng 1000 lần. 5.2.3.2 Đĩa DVD-ROM, DVD-R và DVD-RW Dung lƣợng tối đa của đĩa DVD là 4,7GB với đĩa một mặt và 8,5GB với đĩa 2 mặt. Ổ đĩa DVD sử dụng tia laser hồng ngoại có bƣớc sóng 650nm, ngắn hơn nhiều so với bƣớc sóng tia laser dùng trong ổ đĩa CD. Nhờ sử dụng bƣớc sóng laser ngắn hơn, đĩa DVD có mật độ ghi cao hơn nhiều so với CD, nhƣng minh hoạ trên Hình 61. Tốc độ truyền thông tin của đĩa DVD đƣợc tính theo tốc độ cơ sở (1350KB/s) nhân với hệ số nhân. Ví dụ, đĩa có tốc độ đọc 4x thì tốc độ tối đa có thể đọc là 4 x 1350KB/s = 5400 KB/s; nếu đĩa có tốc độ đọc 16x thì tốc độ tối đa có thể đọc là 16 x 1350KB/s = 21600 KB/s. Hình 61 Mật độ ghi thông tin trên đĩa CD và DVD Hình 62 Cấu tạo đĩa DVD-R Chương 5- Bộ nhớ ngoài 66 Đĩa DVD-R có cấu tạo tƣơng tự đĩa CD-R, nhƣng sử dụng tia laser có bƣớc sóng ngắn hơn, là 650nm, nhƣ minh hoạ trên Hình 62. Hình 63 minh hoạ mặt cắt các lớp trong đĩa DVD-RW. Lớp bán kim loại để ghi thông tin đƣợc đặt trong hai lớp bảo vệ. Hình 63 Cấu tạo đĩa DVD-RW 5.2.3.3 Đĩa HD-DVD và Blu-ray DVD Đĩa HD-DVD và Blu-ray DVD là các “siêu” đĩa quang với dung lƣợng rất lớn và tốc độ truy nhập cao. Đĩa HD-DVD do Toshiba phát minh, sử dụng tia laser xanh với bƣớc sóng rất ngắn. Đĩa HD-DVD đạt dung lƣợng 15GB cho một lớp và 30GB cho hai lớp. Do thất bại trong cạnh tranh với đĩa Blu-ray DVD, nên đĩa HD-DVD đã phải ngừng sản xuất từ tháng 2 năm 2008. Đĩa Blu-ray DVD do Sony phát minh, sử dụng tia laser với bƣớc sóng 405nm. Đĩa Blu-ray DVD đạt dung lƣợng 30GB cho một lớp và 50GB cho hai lớp. 5.3 RAID 5.3.1 Giới thiệu RAID RAID (Redundant Array of Independent Disks) là một công nghệ tạo các thiết bị lƣu trữ tiên tiến trên cơ sở các ổ đĩa cứng, nhằm đạt các yêu cầu về tốc độ cao (high performance / speed), tính tin cậy cao (high reliability) và dung lƣợng lớn (large volume). Mặc dù RAID là một mảng của các ổ đĩa cứng, nhƣng không phải tất cả các loại ổ cứng đều có thể sử dụng để tạo RAID. Trên thực tế, chỉ có các ổ cứng theo chuẩn SATA, SCSI và tƣơng đƣơng mới hỗ trợ tạo RAID. 5.3.2 Các kỹ thuật tạo RAID Có hai kỹ thuật chính đƣợc sử dụng để tạo RAID: kỹ thuật tạo lát đĩa (Disk Stripping) và kỹ thuật soi gƣơng đĩa (Disk Mirroring). Hình 64 minh hoạ kỹ thuật tạo lát đĩa. Điểm mấu chốt của kỹ thuật này là điều khiển RAID cung cấp khả năng ghi và đọc song song các khối của cùng một đơn vị dữ liệu. Nhờ vậy tăng đƣợc tốc độ đọc ghi. Theo đó, các dữ liệu cần ghi đƣợc chia thành các khối cùng kích thƣớc và đƣợc ghi đồng thời vào các ổ đĩa vật lý độc lập. Tƣơng tự, trong quá trình đọc, các khối của dữ liệu cần đọc đƣợc đọc đồng thời từ các đĩa cứng độc lập, giúp giảm thời gian đọc. Chương 5- Bộ nhớ ngoài 67 Trong khi kỹ thuật tạo lát đĩa hƣớng đến tốc độ cao, kỹ thuật soi gƣơng đĩa nhằm đạt độ tin cậy cao cho hệ thống lƣu trữ. Hình 65 minh hoạ kỹ thuật soi gƣơng đĩa. Theo đó, dữ liệu cũng đƣợc chia thành các khối và mỗi khối đƣợc ghi đồng thời lên hai hay nhiều ổ đĩa độc lập. Nhƣ vậy, tại mọi thời điểm ta đều có nhiều bản sao dữ liệu trên các đĩa cứng độc lập, đảm bảo tính an toàn cao. Hình 64 RAID - Kỹ thuật tạo lát đĩa Hình 65 RAID – Kỹ thuật soi gƣơng đĩa 5.3.3 Giới thiệu một số loại RAID thông dụng Trên cơ sở các kỹ thuật RAID đƣợc đề cập tại mục 5.3.2, trong mục này giới thiệu ba dạng RAID đƣợc sử dụng phổ biến nhất: RAID 0, RAID 1 và RAID 10. Các dạng RAID khác chẳng hạn RAID 2, 3, 4, 5, 6, 01, độc giả có thể tham khảo ở các tài liệu khác. 5.3.3.1 RAID 0 Cấu hình RAID 0 dựa trên kỹ thuật tạo lát đĩa và cần tối thiểu hai ổ đĩa vật lý, nhƣ minh hoạ trên Hình 66. Ƣu điểm chính của RAID 0 là đạt tốc độ cao – tốc độ truy nhập RAID tỷ lệ thuận với số lƣợng đĩa độc lập của RAID. Ngoài ra, RAID 0 có thể giúp tăng dung lƣợng: dung lƣợng RAID 0 bằng tổng dung lƣợng của các đĩa độc lập tham gia. Hạn chế lớn nhất của RAID 0 là tính tin cậy – tính tin cậy của RAID 0 chỉ tƣơng đƣơng tính tin cậy của một ổ đĩa đơn. A B A B Computer RAID Controller C C Disk 2 Disk 1 A1 B1 A2 B2 Computer RAID Controller C1 C2 Disk 2 Disk 1 Chương 5- Bộ nhớ ngoài 68 5.3.3.2 RAID 1 Khác với RAID 0, cấu hình RAID 1 dựa trên kỹ thuật soi gƣơng đĩa và cũng cần tối thiểu hai ổ đĩa vật lý, nhƣ minh hoạ trên Hình 67. Ƣu điểm chính của RAID 1 là đạt độ tin cậy cao, do tại mỗi thời điểm luôn có nhiều bản sao lƣu dữ liệu trên các đĩa độc lập. Tốc độ truy nhập và dung lƣợng của RAID 1 đều tƣơng đƣơng với một ổ đĩa đơn. Hình 66 Cấu hình RAID 0 Hình 67 Cấu hình RAID 1 5.3.3.3 RAID 10 Cấu hình RAID 10 là sự kết hợp của RAID 1 và RAID 0, dựa trên cả hai kỹ thuật tạo lát đĩa và soi gƣơng đĩa. RAID 10 cần tối thiểu 4 ổ đĩa độc lập nhƣ minh hoạ trên Hình 68. Ƣu điểm của RAID 10 là đạt đƣợc cả tốc độ cao và tính tin cậy cao, nên rất phù hợp với các hệ thống máy chủ đòi hỏi tính an toàn cao, hiệu năng lớn nhƣ máy chủ cơ sở dữ liệu. Dung lƣợng RAID 10 bằng một nửa tổng dung lƣợng các đĩa độc lập tham gia tạo RAID. Nhƣợc điểm duy nhất của RAID 10 là giá thành cao. A B A B Computer RAID Controller C C Disk 2 Disk 1 A1 B1 A2 B2 Computer RAID Controller C1 C2 Disk 2 Disk 1 Chương 5- Bộ nhớ ngoài 69 Hình 68 Cấu hình RAID 10 5.4 NAS NAS (Network Attached Storage) là một dạng thiết bị lƣu trữ đƣợc gắn trực tiếp vào mạng, thƣờng là mạng cục bộ LAN. Hình 69 minh hoạ một thiết bị NAS USR8700 đƣợc gắn vào mạng LAN và cung cấp thiết bị lƣu trữ cho cả mạng. Hình 69 NAS trong một mạng LAN Trên thực tế, NAS thƣờng là một máy chủ chuyên dùng làm thiết bị lƣu trữ, đƣợc kết nối vào mạng (thƣờng là LAN tốc độ cao) và cung cấp các dịch vụ lƣu trữ thông qua mạng. NAS thƣờng dựa trên nền tảng là một RAID có tốc độ cao, dung lƣợng lớn và độ tin cậy rất cao. NAS có thể cung cấp dịch vụ lƣu trữ cho hầu hết các loại máy chủ có cấu hình phần cứng khác nhau và chạy các hệ điều hành khác nhau, cũng nhƣ các phần mềm ứng dụng khác nhau, nhƣ minh hoạ trên Hình 70. A1 B1 A2 B2 Computer RAID Controller C1 C2 Disk 2 Disk 1 A1 B1 A2 B2 C1 C2 Disk 4 Disk 3 Stripping Stripping Mirroring Chương 5- Bộ nhớ ngoài 70 Hình 70 NAS của hãng D-Link và mô hình sử dụng trong mạng LAN 5.5 SAN Hình 71 Mô hình mạng lƣu trữ SAN và ứng dụng SAN (Storage Area Network) là một mạng của các máy chủ chuyên dụng cung cấp dịch vụ lƣu trữ, với các đặc điểm: Chương 5- Bộ nhớ ngoài 71  Tốc độ truy nhập rất cao;  Dung lƣợng cực lớn;  Độ an toàn rất cao  An toàn dữ liệu cục bộ  An toàn dữ liệu với các bản copy đƣợc đồng bộ ở khoảng cách xa về địa lý. Thông thƣờng, các SAN thƣờng đƣợc tổ chức dƣới dạng các hệ thống file phân tán (Distributed File System) phục vụ tổ chức lƣu trữ lƣợng dữ liệu khổng lồ cho các tổ chức và công ty lớn. 5.6 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Đĩa cứng: cấu tạo, các chuẩn ghép nối, bảng phân khu, thƣ mục gốc và hệ thống file. 2. Đĩa quang: cấu tạo, nguyên lý đọc CD và các loại đĩa quang. 3. RAID: RAID là gì? các kỹ thuật chính tạo RAID; các cấu hình RAID 0, 1 và 10. 4. Khái niệm về NAS. 5. Khái niệm về SAN. CHƢƠNG 6 HỆ THỐNG BUS VÀ CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI 6.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG BUS Bus là một hệ thống con (subsystem) có nhiệm vụ truyền dữ liệu giữa các bộ phận trong máy tính. Một hệ thống bus thƣờng gồm ba thành phần: bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Bus địa chỉ (Address Bus – A Bus) là bus một chiều có nhiệm vụ truyền các tín hiệu địa chỉ phát hành bởi CPU đến bộ nhớ hoặc các thiết bị vào ra. Các tín hiệu địa chỉ giúp CPU chọn đƣợc ô nhớ cần đọc/ghi hoặc thiết bị vào ra cần trao đổi dữ liệu. Bus dữ liệu (Data Bus – D Bus) là bus hai chiều có nhiệm vụ truyền các tín hiệu dữ liệu đi và đến CPU. Dữ liệu đƣợc bus dữ liệu chuyển từ CPU đến bộ nhớ hoặc thiết bị vào ra và ngƣợc lại. Bus điều khiển (Control Bus – C Bus) là bus một chiều theo một hƣớng, có nhiệm vụ truyền các tín hiệu điều khiển từ CPU đến bộ nhớ hoặc thiết bị vào ra, và truyền các tín hiệu trạng thái từ bộ nhớ hoặc thiết bị vào ra về CPU. Các bus địa chỉ, dữ liệu và điều khiển thƣờng phối hợp cùng tham gia truyền dẫn các tín hiệu địa chỉ, dữ liệu và điều khiển trong quá trình CPU trao đổi thông tin với bộ nhớ hoặc các thiết bị vào ra. Hình 72 Hệ thống bus nguyên lý Hình 72 minh hoạ hệ thống bus nguyên lý – một hệ thống bus duy nhất kết nối ba thành phần quan trọng nhất của máy tính là CPU, bộ nhớ (memory) và các thiết bị vào ra (I/O). Trên thực tế, hệ thống bus thƣờng đƣợc chia thành một số hệ thống bus con theo tần số làm việc và băng thông, nhằm làm cho hệ thống bus làm việc nhịp nhàng hơn với các thành phần có liên quan. Hình 73 minh hoạ hệ thống bus của các máy vi tính đƣợc sử dụng gần đây. Theo đó, hệ thống bus gồm các bus: Backside Bus (BSB), Frontside Bus (FSB), AGP Bus, PCI Bus và ISA Bus. BSB là bus riêng kết nối CPU với bộ nhớ cache, còn FSB kết nối CPU với bộ nhớ chính. AGP là bus dành riêng phục vụ card giao tiếp đồ hoạ và PCI bus thƣờng đƣợc sử dụng để kết nối với các thiết bị ngoại vi. Bus ISA đƣợc sử dụng để kết nối với các thiết bị ngoại vi cũ. Các hệ thống bus con đƣợc kết nối với nhau thông qua các cầu bus (Bus Bridge). Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 73 Hình 73 Hệ thống bus thực tế 6.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI BUS THÔNG DỤNG 6.2.1 Bus ISA và EISA Bus ISA (Industrial Standard Architecture) là một trong các bus đƣợc phát triển sớm nhất. Bus ISA do IBM phát triển năm 1981 với băng thông 8 bit trên máy XT, hoặc 16 bit trên máy AT. ISA hỗ trợ tối đa 6 thiết bị kết nối đồng thời và hoạt động ở các xung nhịp 4, 6 và 8MHz. Hình 74 minh hoạ các khe cắm mở rộng của bus ISA đƣợc dùng để kết nối với các card mở rộng ISA. Hình 74 Khe cắm mở rộng ISA Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 74 Bus EISA là một mở rộng của bus ISA ra đời vào năm 1988. EISA hỗ trợ băng thông 32 bits, nhƣng nó vẫn tƣơng thích với các thiết bị theo chuẩn ISA 8 và 16 bit. EISA hoạt động với xung nhịp 8.33MHz và đạt tốc độ truyền dữ liệu 33MB/s. Hình 75 minh hoạ các khe cắm mở rộng của bus EISA đƣợc dùng để kết nối với các card mở rộng ISA và EISA. Hiện nay, bus ISA và EISA đã lạc hậu và không còn đƣợc sử dụng. Hình 75 Khe cắm mở rộng EISA 6.2.2 Bus PCI 6.2.2.1 Giới thiệu bus PCI Bus PCI (Peripheral Component Interconnect) do Intel phát triển năm 1993 và đƣợc phát triển thành một trong các bus đƣợc sử dụng rộng rãi nhất cho đến ngày nay. PCI hỗ trợ băng thông 32 bit hoặc 64 bit và đạt tốc độ truyền dữ liệu khá cao theo tần số làm việc và băng thông. Với băng thông 32 bit, tốc độ truyền dữ liệu đạt 133 MB/s tại tần số 33MHz và 266 MB/s tại tần số 66MHz. Với băng thông 64 bit, tốc độ truyền dữ liệu đạt 266 MB/s tại tần số 33MHz và 533 MB/s tại tần số 66MHz. Hình 76 minh hoạ khe cắm PCI và card mở rộng thiết bị PCI và Hình 77 minh hoạ bus cục bộ PCI – các thành phần tham gia vào “gia đình” PCI. Hình 76 Khe cắm và card thiết bị PCI Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 75 Hình 77 Bus cục bộ PCI 6.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của bus PCI Hình 78 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của bus PCI Hình 78 nêu sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của bus PCI. Theo đó PCI là một bus dùng chung hay bus chia sẻ (shared bus). PCI hỗ trợ nhiều thiết bị kết nối đồng thời, nhƣng tại mỗi thời điểm, chỉ có một cặp thiết bị đƣợc sử dụng bus để trao đổi dữ liệu. Việc trao đổi dữ liệu trên bus PCI đƣợc thực hiện thông qua các giao dịch (transaction). Thiết bị khởi tạo (Initiator) quá trình truyền dữ liệu đƣợc gọi là thiết bị chủ (ABH Master) và thiết bị nhận dữ liệu hay Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 76 thiết bị đích (Target) là thiết bị thợ (ABH Slave). Một trọng tài có nhiệm vụ điều độ các giao dịch trên bus PCI đƣợc gọi là bộ tuỳ chọn (PCI Arbiter). Việc thực hiện các giao dịch trên bus PCI đƣợc điều khiển bởi các tín hiệu. Hai nhóm tín hiệu chính đƣợc sử dụng, gồm: tín hiệu khởi tạo giao dịch và tín hiệu điều khiển giao dịch. Các tín hiệu khởi tạo một giao dịch, gồm tín hiệu REQ# do thiết bị khởi tạo giao dịch gửi tín hiệu yêu cầu sử dụng bus và tín hiệu GNT# do bộ tuỳ chọn gửi tín hiệu cho phép sử dụng bus. Các tín hiệu điều khiển một giao dịch, gồm tín hiệu FRAME# - bắt đầu chu kỳ bus, tín hiệu IRDY# - thiết bị khởi tạo đã sẵn sàng, tín hiệu DEVSEL# - thiết bị đích xác nhận bắt đầu giao dịch, tín hiệu TRDY# - thiết bị đích đã sẵn sàng và tín hiệu STOP# - dừng giao dịch. Một giao dịch PCI đƣợc thực hiện theo 3 pha: pha tuỳ chọn (Arbitration), pha địa chỉ (Address) và pha dữ liệu (Data). Pha tuỳ chọn có nhiệm vụ khởi tạo giao dịch, pha địa chỉ xác định địa chỉ bên tham gia giao dịch và pha dữ liệu truyền dữ liệu giữa các bên. Pha tuỳ chọn đƣợc thực hiện thông qua các bƣớc sau:  Thiết bị PCI (Initiator) gửi tín hiệu REQ# đến Arbiter yêu cầu sử dụng bus;  Nếu bus rỗi, Arbiter gửi tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# đến Initiator;  Nếu bus bận, yêu cầu sử dụng bus đƣợc đƣa vào hàng đợi;  Tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# có thể bị Arbiter huỷ tại bất kỳ thời điểm nào;  Thiết bị PCI đƣợc cấp tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# có thể bắt đầu phiên truyền dữ liệu nếu bus rỗi. Pha địa chỉ của giao dịch nhƣ minh hoạ trên Hình 79, có thể gồm các bƣớc:  Thiết bị PCI (Initiator) có tín hiệu cho phép sử dụng bus GNT# có thể bắt đầu một giao dịch PCI bằng việc gửi tín hiệu FRAME# và gửi địa chỉ thiết bị đích cùng các lệnh liên quan (Read/Write);  Mỗi thiết bị PCI sẽ kiểm tra địa chỉ và lệnh kèm theo để xác định mình có phải là thiết bị đích hay không. Thiết bị đích (có địa chỉ trùng với địa chỉ gửi bởi Initiator) sẽ gửi tín hiệu trả lời DEVSEL# đến Initiator;  Thiết bị đích phải gửi tín hiệu trả lời DEVSEL# trong thời gian 3 chu kỳ đồng hồ. Hình 79 Pha địa chỉ giao dịch PCI Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 77 Hình 80 Pha dữ liệu giao dịch PCI Hình 80 minh hoạ các tín hiệu trong pha dữ liệu của giao dịch PCI. Sau pha địa chỉ, khi tín hiệu DEVSEL# ở mức thấp là một hoặc một số pha dữ liệu. Kết thúc pha dữ liệu, thiết bị đích gửi tín hiệu STOP#. 6.2.3 Bus AGP Hình 81 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của AGP Bus AGP (Accelerated Graphic Port) do Intel phát triển năm 1993 với mục đích chính sử dụng cho kết nối với các mạch xử lý đồ hoạ tốc độ cao. AGP đã hoàn toàn thay thế PCI trong lĩnh vực giao tiếp đồ hoạ trong các năm sau đó. AGP hỗ trợ băng thông 32 bít với tốc độ truyền dữ liệu nhanh gấp nhiều lần so với bus PCI. Cụ thể, AGP hỗ trợ 4 cấp tốc độ truyền dữ liệu là 1x, 2x, 4x và 8x, với tốc độ lần lƣợt là 266MB/s, 533MB/s, 1066MB/s và 2133MB/s tại các tần số tƣơng ứng 66MHz, 133MHz, 266MHz và 533MHz. Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 78 6.2.4 Bus PCI Express Bus PCI Express (còn gọi là PCIe) do Intel phát triển năm 2004, là một dạng bus truyền dữ liệu nối tiếp, kiểu điểm đến điểm (point to point) với tốc độ cao. Độ rộng bus là từ 1-32 bit tuỳ theo cấu hình. PCI Express đƣợc cấu trúc từ các liên kết nối tiếp điểm đến điểm và một cặp liên kết nối tiếp (theo 2 chiều ngƣợc nhau) tạo thành một luồng (lane). Các luồng đƣợc định tuyến đồng thời qua một bộ chuyển mạch (crossbar switch). Tối đa, bus PCI Express có thể hỗ trợ đến 32 luồng. Tốc độ truyền dữ liệu của bus PCI Express phụ thuộc số luồng sử dụng và phiên bản của chuẩn. Với một luồng, tốc độ truyền đạt 250MB/s, 500MB/s và 1GB/s tƣơng ứng với các phiên bản 1.x, 2.0 và 3.0. Hình 82 Truyền dữ liệu qua bộ Switch trong PCI Express Khác với PCI là bus chia sẻ, bus PCI Express có khả năng cung cấp đƣờng truyền riêng cho các cặp thiết bị tham gia sử dụng bus. Đồng thời PCI Express cũng hỗ trợ nhiều cặp thiết bị cùng tham gia truyền dữ liệu sử dụng các luồng truyền khác nhau. Hình 82 minh hoạ việc truyền dữ liệu qua bộ chuyển mạch (Switch) trong PCI Express. 6.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI 6.3.1 Giới thiệu chung Các thiết bị ngoại vi (peripheral devices) hay còn gọi là thiết bị vào ra, là các bộ phận của hệ thống máy tính có nhiệm vụ: (1) tiếp nhận các thông tin từ thế giới bên ngoài đi vào máy tính và (2) kết xuất các thông tin từ máy tính ra thế giới bên ngoài. Nhiệm vụ (1) đƣợc đảm bảo bởi nhóm các thiết bị vào (input devices) và nhiệm vụ (2) đƣợc đảm bảo bởi nhóm các thiết bị ra (output devices). Các thiết bị vào gồm có: bàn phím, chuột, ổ đĩa (đọc thông tin), máy quét ảnh và máy đọc mã vạch. Hình 83 minh hoạ thiết bị vào chuẩn là bàn phím và chuột. Các thiết bị ra gồm có: màn hình, máy in, ổ đĩa (ghi thông tin) và máy vẽ. Hình 84 minh hoạ hai loại màn hình thông dụng: màn hình CRT và LCD. Hình 85 minh hoạ các máy in laser và máy in phun mực. Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 79 Hình 83 Bàn phím và chuột Hình 84 Màn hình CRT và LCD Hình 85 Máy in Laser và máy in phun mực 6.3.2 Các cổng giao tiếp Các thiết bị vào ra thƣờng kết nối với máy tính thông qua các cổng giao tiếp (communication ports). Mỗi cổng giao tiếp đƣợc gán một địa chỉ và có tập tham số làm việc riêng. Hình 86 minh hoạ các cổng giao tiếp ở phía sau máy tính. Các cổng giao tiếp thông dụng: Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 80 1. PS/2: kết nối chuột và bàn phím. 2. Cổng COM và LPT. 3. Cổng USB: cổng giao tiếp đa năng theo chuẩn USB  USB 1.0: 12Mb/s  USB 2.0: 480Mb/s (hiện tại)  USB 3.0: 1.5Gb/s (tƣơng lai). 4. Cổng IDE, SATA và E-SATA: ghép nối các loại ổ đĩa. 5. Cổng LAN: ghép nối mạng. 6. Cổng Audio: ghép nối âm thanh. 7. Cổng đọc các thẻ nhớ. 8. Cổng Firewire /IEEE 1394: ghép nối các loại ổ đĩa ngoài. 9. Cổng VGA/Video: ghép nối với màn hình. 10. Cổng DVI: ghép nối với màn hình số. Hình 86 Một số cổng giao tiếp với máy tính Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 81 6.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT BỊ VÀO RA THÔNG DỤNG 6.4.1 Bàn phím Bàn phím (keyboard) là thiết bị vào chuẩn của máy tính do bàn phìm có thể đảm nhiệm cả chức năng nhập dữ liệu và điều khiển máy tính. Bàn phím tiêu chuẩn có 101 phím: các phím ký tự (a-z), các phím số (0-9), các phím phép toán (+, - *, /), các phím chức năng (F1-F12), các phím điều khiển (Ctrl, Alt, Shift, ..) và các phím di chuyển: Home, End, Page Up, Page Down, Up, Down, Left, Right, ... Hình 87 Mạch tạo phím Hình 88 Ma trận phím và phát hiện các phím đƣợc nhấn Bàn phím sử dụng một ma trận hình thành bởi các dòng và cột dây dẫn, nhƣ minh hoạ trên hình Hình 87 và Hình 88. Mỗi phím hoạt động nhƣ một công tắc điện. Khi phím đƣợc ấn, dây dẫn cột đƣợc nối với dây dẫn dòng tạo thành một mạch kín. Bộ điều khiển bàn phím liên tục quét ma trận phím để phát hiện mạch kín và ghi nhận phím đƣợc ấn. Quá trình xử lý phím ấn và tạo tín hiệu gửi CPU xử lý trong bàn phím có thể đƣợc tóm tắt nhƣ sau:  Khi một phím đƣợc ấn, bộ điều khiển bàn phím phát hiện và sinh ra một mã quét tƣơng ứng (scan code);  Một ngắt (interrupt) bàn phím đƣợc gửi đến máy tính; Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 82  Khi nhận đƣợc tín hiệu ngắt bàn phím: - Máy tính thực hiện chƣơng trình điều khiển ngắt bàn phím:  Đọc mã quét phím  Chuyển mã quét phím thành mã ký tự tƣơng ứng (thông thƣờng là mã ASCII). - Một ký tự có thể đƣợc hiển thị theo nhiều hình thức khác nhau theo các bộ font. 6.4.2 Chuột Chuột (mouse) là một trong các thiết bị vào của máy tính đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Chức năng chính của chuột là điều khiển. Thông qua các phần mềm, hình thức hiển thị của chuột đƣợc thể hiện rất đa dạng, từ hình mũi tên đơn giản, đến bàn tay, đồng hồ cát, ... theo các trạng thái làm việc của chƣơng trình. Hiện nay, có rất nhiều loại chuột đang đƣợc sử dụng. Ngoài chuột bi (còn gọi là chuột cơ khí), còn có chuột quang, chuột laser, chuột cảm ứng và chuột không dây. Các phím bấm chuột cũng rất đa dạng: thông thƣờng là loại 3 phím (trái, phải và cuộn); một số chuột có thể có thêm cả phím tiến (forward) và phím lùi (backward). Hình 89 Chuột bi hay chuột cơ khí Chuột bi hay chuột cơ khí là loại chuột có cấu tạo đơn giản và đƣợc sử dụng sớm nhất. Hình 89 cho thấy các thành phần bên trong của chuột bi. Chuột bi hoạt động theo nguyên tắc cơ khí – quang – điện: biến chuyển động của viên bi khi rê chuột thành các tín hiệu điện biểu diễn các chuyển động theo phƣơng ngang và phƣơng đứng của chuột. Cụ thể, nguyên tắc hoạt động của chuột bi có thể tóm tắt nhƣ sau:  Khi chuột di chuyển, viên bi chuột quay;  Khi bi quay nó kéo theo 2 trục áp vào quay theo. Hai trục đƣợc gắn bánh xe răng cƣa ở 1 đầu: - Một trục dùng để phát hiện chuyển động theo phƣơng đứng - Một trục dùng để phát hiện chuyển động theo phƣơng ngang  Hai đi-ốt sinh tia hồng ngoại chiếu qua phần bánh răng cƣa gắn trên các trục kể trên: - Khi bánh răng cƣa quay, ánh sáng hồng ngoại chiếu qua sẽ bị ngắt quãng; Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 83 - Ở phía đối diện có 2 bộ cảm biến chuyển ánh sáng hồng ngoại sau bánh răng cƣa thành tín hiệu điện; - Tín hiệu điện thu đƣợc phản ánh chuyển động của chuột đƣợc chuyển cho máy tính xử lý. Hình 90 Chuột quang và cấu tạo Khác với chuột bi, chuột quang (optical mouse) không có bi nên thƣờng nhẹ và đạt độ chính xác cao hơn. Hiện nay, chuột quang đã thay thế hầu hết các chuột bi. Hình 90 minh hoạ chuột quang và cấu tạo của nó. Chuột quang sử dụng nguyên tắc liên tục chụp và phân tích ảnh bề mặt chuột di chuyển để phát hiện chuyển động của chuột. Cụ thể, nguyên tắc hoạt động của chuột quang có thể tóm tắt nhƣ sau:  Một đi-ốt phát ánh sáng đỏ qua ống kính chiếu xuống mặt phẳng di chuột; ánh sáng phản xạ từ mặt phẳng di chuột quay ngƣợc trở lại phía dƣới chuột;  Một camera đặt phía dƣới chuột liên tục chụp ảnh của bề mặt di chuột nhờ ánh sáng phản xạ. Tốc độ chụp là khoảng 1500 ảnh/giây;  IC điều khiển chuột sẽ phân tích và so sánh các ảnh kề nhau và qua đó phát hiện ra chuyển động chuột;  Tín hiệu biểu diễn chuyển động chuột do IC điều khiển chuột sinh ra đƣợc chuyển cho máy tính xử lý. Tƣơng tự nhƣ chuột quang, chuột laser cũng sử dụng phƣơng pháp chụp và phân tích ảnh bề mặt kề nhau để phát hiện chuyển động. Tuy nhiên, chuột laser sử dụng ánh sáng laser với tốc độ chụp ảnh lên đến 6000 ảnh/giây. Nhờ vậy, chuột laser thƣờng có độ chính xác và độ nhạy cao hơn sơ với chuột quang. 6.4.3 Màn hình Màn hình (monitor / screen) là thiết bị ra chuẩn có thể hiện thị thông tin dƣới dạng văn bản hoặc hình ảnh. Cùng với bàn phím và chuột, màn hình là thiết bị không thể thiếu đối với máy tính. Có ba dạng màn hình đƣợc sử dụng thông dụng: màn hình ống điện tử CRT, màn hình Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 84 tinh thể lỏng LCD và màn hình plasma. Tài liệu này chỉ đề cập đến hai loại màn hình đƣợc sử dụng phổ biến cho máy tính là màn hình CRT và LCD. 6.4.3.1 Màn hình CRT Màn hình CRT (Cathode Ray Tube) sử dụng tia điện tử phát ra từ cực Cathode bắn lên mặt huỳnh quang phốt pho để tạo ảnh. Tia điện tử đƣợc điều khiển bởi 2 cuộn lái tia (dòng và mành) để quét hết cả màn hình, đảm bảo tốc độ quét tối thiểu là 24 màn hình/giây. Tín hiệu hình ảnh (video) đƣợc sử dụng để điều khiển mật độ tia điện tử bắn lên màn huỳnh quang tạo các mức sáng/tối khác nhau. Màn hình đen trắng sử dụng 1 súng điện tử, còn màn hình mầu sử dụng 3 súng điện tử ứng với 3 mầu cơ bản Đỏ (Red), Xanh lá cây (Green) và Xanh da trời (Blue). Ba mầu này đƣợc trộn với nhau theo tỷ lệ khác nhau tạo thành tất cả các mầu có trong tự nhiên cho điểm ảnh. Hình 91 minh hoạ bên ngoài và các bộ phận bên trong của màn hình CRT, còn Hình 92 minh hoạ nguyên lý tạo điểm ảnh của màn hình CRT mầu. Hình 91 Bên ngoài và bên trong màn hình CRT Hình 92 Nguyên lý điểm ảnh của màn hình CRT mầu Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 85 6.4.3.2 Màn hình LCD Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) là màn hình tạo ảnh dựa trên sự linh động của các “tinh thể lỏng” (Liquid Crystals). Tinh thể lỏng là các chất bán rắn lỏng rất nhạy cảm với nhiệt độ và dòng điện. So với màn hình CRT, màn hình LCD mỏng hơn, nhẹ hơn và tiêu thụ ít điện năng hơn. Ngoài ra, phần diện tích màn hình thực để hiển thị ảnh (viewable size) của LCD cũng lớn hơn. Chẳng hạn màn hình LCD 15” có phần màn hình thực tƣơng đƣơng màn hình CRT 17”. Nhƣợc điểm của LCD so với CRT là không hỗ trợ nhiều độ phân giải, chất lƣợng ảnh không cao, thời gian đáp ứng (response time) lớn và góc nhìn (view angle) nhỏ. Có thể phân loại màn hình LCD thành 2 loại theo nguồn pháp sáng: LCD chiếu sau (backlit) và LCD phản xạ (reflective). LCD chiếu sau sử dụng nguồn sáng riêng đặt ở phía sau, thƣờng dùng trong các LCD có công suất lớn, nhƣ màn hình máy tính và màn hình tivi. LCD phản xạ sử dụng ánh sáng phản xạ của nguồn sáng từ bên ngoài. LCD phản xạ có thiết kế đơn giản, rẻ tiền, thƣờng thích hợp với các màn hình có công suất nhỏ, nhƣ màn hình đồng hồ, màn hình máy tính tay. Hình 93 Mô hình lọc ánh sáng của tinh thể lỏng điều khiển bằng điện Hình 94 Một TFT - Thin Film Transitor Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 86 Bản thân tinh thể lỏng không có khả năng phát sáng, nhƣng chúng có khả năng “lọc” hay thay đổi cƣờng độ ánh sáng đi qua theo điện áp dòng điện đặt vào. Hình 93 minh hoạ mô hình lọc ánh sáng của tinh thể lỏng đƣợc điều khiển bằng điện. Dựa trên phƣơng pháp điều khiển các tinh thể lỏng, ta có 2 loại LCD: LCD ma trận thụ động (Passive matrix) và LCD ma trận chủ động (Active matrix). LCD ma trận thụ động sử dụng lƣới hoặc ma trận để định nghĩa từng điểm ảnh (pixel) bởi hàng và cột của nó. Một điểm ảnh (giao giữa 1 hàng và 1 cột) đƣợc kích hoạt khi điện áp đƣợc đặt vào cột và dòng tƣơng ứng đƣợc nối đất. Ngƣợc lại, LCD ma trận chủ động sử dụng một TFT (Thin Film Transistor) để điều khiển một phần tử tinh thể lỏng. Các TFT hoạt động tƣơng tự nhƣ các bộ chuyển mạch, nhƣ minh hoạ trên Hình 94. Hình 95 Cấu trúc của màn hình TFT-LCD Hình 95 minh hoạ cấu trúc của màn hình TFT-LCD. TFT-LCD hoạt động theo nguyên lý tóm tắt nhƣ sau:  TFT LCD là thiết bị đƣợc điều khiển bằng các tín hiệu điện;  Lớp tinh thể lỏng năm giữa 2 lớp trong suốt chứa các điện cực ITO (Indium Tin Oxide);  Các phần tử tinh thể lỏng đƣợc sắp đặt theo các hƣớng khác nhau theo sự thay đổi điện áp đặt vào các điện cực ITO;  Hƣớng của các phần tử tinh thể lỏng trực tiếp ảnh hƣởng đến cƣờng độ ánh sáng đi qua và nó gián tiếp điều khiển mức sáng / tối (còn gọi là mức xám) của ảnh hiện thị;  Mầu của hình ảnh đƣợc tạo bởi một lớp lọc mầu;  Mức xám của các điểm ảnh đƣợc thiết lập theo mức điện áp của tín hiệu video đƣa vào điện cực điều khiển. 6.4.4 Máy in Máy in (printer) là thiết bị ra phổ biến dùng để kết xuất thông tin ra giấy. Qua quá trình phát triển, có nhiều loại máy in đƣợc sử dụng nhƣ máy in búa (Typewriter-derived printers), máy in kim (Dot-matrix printers), máy in laser (Laser printers), máy in phun mực (Inkjet printers), máy in mầu (Colour printers) và các máy in đa chức năng (Multi-function printers). Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 87 Hình 96 minh hoạ máy in búa. Máy in búa sử dụng các con chữ có kích thƣớc cố định nhƣ máy đánh chữ. Ngƣợc lại, máy in kim sử dụng bộ kim để tạo ma trận các chấm để tạo khuôn chữ nhƣ minh hoạ trên Hình 97. Hình 98 và Hình 99 minh hoạ nguyên lý hoạt động của máy in laser. Khác với các dòng máy in đi trƣớc, máy in laser sử dụng phƣơng pháp chụp ảnh điện tích bằng tia laser để tạo chữ. Cụ thể nhƣ sau:  Trống cảm quang đƣợc nạp một lớp điện tích nhờ 1 điện cực;  Tia laser từ nguồn sáng laser đi qua một gƣơng quay và bộ điều chế tia đƣợc điều khiển bởi tín hiệu cần in đến mặt trống;  Ánh sáng laser làm thay đổi mật độ điện tích trên mặt trống; Nhƣ vậy, mật độ điện tích trên mặt trống thay đổi theo tín hiệu cần in;  Khi trống cảm quang quay đến hộp mực thì điện tích trên trống hút các hạt mực đƣợc tích điện trái dấu. Các hạt mực dính trên trống biểu diễn âm bản của văn bản/thông tin cần in;  Giấy từ khay đƣợc kéo lên cũng đƣợc điện cực nạp điện tích trái dấu với điện tích của mực nên hút các hạt mực khỏi trống cảm quang.  Giấy tiếp tục đi qua trống sấy nóng làm các hạt mực chảy ra và bị ép chặt vào giấy. Hình 96 Máy in búa Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 88 Hình 97 Máy in kim Hình 98 Máy in Laser Chương 6- Hệ thống Bus và các thiết bị ngoại vi 89 Hình 99 Nguyên lý in Laser 6.5 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Các thành phần của hệ thống bus và các loại bus. 2. Nguyên lý làm việc của bus PCI. 3. Nguyên lý làm việc của bus PCI Express. 4. Giới thiệu các thiết bị vào ra và các cổng vào ra. 5. Nguyên lý hoạt động của bàn phím. 6. Nguyên lý hoạt động của chuột quang. 7. Nguyên lý hoạt động của màn hình CRT. 8. Nguyên lý hoạt động của màn hình TFT LCD. 9. Nguyên lý hoạt động của máy in laser. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Stallings W., Computer Organization and Architecture: Designing for Performance, 8th Edition, Prentice – Hall 2009. 2. Mostafa Abd-El-Barr and Hesham El-Rewini, Fundamentals of Computer Organization and Architecture, John Wiley & Sons, Inc, 2005. 3. Hennesy J.L. and Patterson D.A., Computer Architecture. A Quantitative Approach, Morgan Kaufmann, 4 th Edition, 2006. 4. Hồ Khánh Lâm, Kỹ thuật vi xử lý, Nhà xuất bản Bƣu điện, 2005 5. Trần Quang Vinh, Cấu trúc máy vi tính, Nhà xuất bản Giáo dục, 1999. 6. Trang Wikipedia.org, tham khảo năm 2009 và 2010. 7. Trang Howstuffworks.com, tham khảo năm 2009 và 2010. 8. Trang PCGuide.com, tham khảo năm 2009 và 2010.