CHƯƠNG 1

KIẾN TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH

§ 1. Những thành phần cơ bản của máy tính

Biểu diễn thông tin trong máy tính

I. Hệ đếm nhị phân và phương pháp biểu diễn thông tin trong máy tính.

1. Hệ nhị phân (Binary)

1.1. Khái niệm:

Hệ nhị phân hay hệ đếm cơ số 2 chỉ có hai con số 0 và 1. Đó là hệ đếm dựa

theo vị trí. Giá trị của một số bất kỳ nào đó tuỳ thuộc vào vị trí của nó. Các

vị trí có trọng số bằng bậc luỹ thừa của cơ số 2. Chấm cơ số được gọi là

chấm nhị phân trong hệ đếm cơ số 2. Mỗi một con số nhị phân được gọi là

một bit (Binary digit). Bit ngoài cùng bên trái là bit có trọng số lớn nhất

(MSB, Most Significant Bit) và bit ngoài cùng bên phải là bit có trọng số

nhỏ nhất (LSB, Least Significant Bit) như dưới đây:

23 22 21 20 2-1 2-2

MSB 1 0 1 0 . 1 1 LSB

Chấm nhị phân

Số nhị phân (1010.11)2 có thể biểu diễn thành:

(1010.11)2 = 1*23 + 0*22 + 1*21 + 0*20 + 1*2-1 + 1*2-2 = (10.75)10.

Chú ý: dùng dấu ngoặc đơn và chỉ số dưới để ký hiệu cơ số của hệ đếm.

Đối với phần lẻ của các số thập phân, số lẻ được nhân với cơ số và số nhớ

được ghi lại làm một số nhị phân. Trong quá trình biến đổi, số nhớ đầu chính

là bit MSB và số nhớ cuối là bit LSB.

Ví dụ 2: Biến đổi số thập phân (0.625)10 thành nhị phân:

0.625*2 = 1.250. Số nhớ là 1, là bit MSB.

0.250*2 = 0.500. Số nhớ là 0

0.500*2 = 1.000. Số nhớ là 1, là bit LSB.

Vậy : (0.625)10 = (0.101)2.

2. Hệ thập lục phân (Hexadecima).

2.1. Khái niệm:

Các hệ máy tính hiện đại thường dùng một hệ đếm khác là hệ thập lục

phân.

Hệ thập lục phân là hệ đếm dựa vào vị trí với cơ số là 16. Hệ này dùng các

con số từ 0 đến 9 và các ký tự từ A đến F như trong bảng sau:

http://www.ebook.edu.vn

Bảng 1.1 Hệ thập lục phân:

Thập lục phân

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

A

B

C

D

E

F

Thập phân

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Nhị phân

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

3. Bảng mã ASCII.(American Standard Code for Information Interchange).

Người ta đã xây dựng bộ mã để biểu diễn cho các ký tự cũng như các con

số Và các ký hiệu đặc biệt khác. Các mã đó gọi là bộ mã ký tự và số. Bảng

mã ASCII là mã 7 bit được dùng phổ biến trong các hệ máy tính hiện nay.

Với mã 7 bit nên có 27 = 128 tổ hợp mã. Mỗi ký tự (chữ hoa và chữ thường)

cũng như các con số thập phân từ 0..9 và các ký hiệu đặc biệt khác đều được

biểu diễn bằng một mã số như bảng 2-2.

Việc biến đổi thành ASCII và các mã ký tự số khác, tốt nhất là sử dụng mã

tương đương trong bảng.

Ví dụ: Đổi các ký tự BILL thành mã ASCII:

Ký tự B I

L L

ASCII

1000010 1001001 1001100 1001100

HEXA 42 49 4C 4C

http://www.ebook.edu.vn

R

O

Bảng 1.2: Mã ASCII.

Bits(row)

111

B4B3B2B1

Column bits(B7B6B5)

000 001 010 011 100 101 110

0 1 2 3 4 5 6 7

W

0 0

0

0

0

NUL DLE SP 0

@ P

\

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

0

0

0

1

1

1

1

0

1

1

0

0

1

1

1

0

1

0

1

0

1

SOH DC1 !

STX DC2 "

ETX DC3 #

EOT DC4 $

ENQ NAK %

ACK SYN &

BEL ETB '

1

2

3

4

5

6

7

A Q

B R

C S

D T

E U

F V

G W

A

B

C

D

E

F

G

q

u

v

w

8 1

0

0

0

BS

CAN (

8

H X

H

x

9 1

0

0

1

HT

EM

9

I

Y

I

y

A 1

0

1

0

LF

SUB *

:

J

Z

J

z

B 1

0

1

1

VT

ESC +

K [

K

{

C 1

1

0

0

FF

FS -

< L \

L

D 1

E 1

1

1

0

1

1

0

CR

SO

GS

RS

,

.

= M ]

> N ^

M

N

}

~

F 1

1

1

1

SI

US

?

O _

O

DEL

Control characters:

NUL = Null; DLE = Data link escape; SOH = Start Of Heading;

DC1 = Device control 1; DC2 = Device control 2; DC3 = Device

control 3.

DC4 = Device control 4; STX = Start of text; ETX = End of text;

EOT = End of transmission; ENQ = Enquiry; NAK = Negative

acknowlege.

ACK = Acknowlege; SYN = Synidle; BEL = Bell.

ETB = End od transmission block; BS = Backspace; CAN = Cancel.

HT = Horizontal tab; EM = End of medium; LF = Line feed; SUB =

Substitute.

VT = Vertical tab; ESC = Escape; FF = From feed; FS = File separator.

SO = Shift out; RS = Record separator; SI = Shift in; US = Unit separator.

4. Biểu diễn giá trị số trong máy tính.

4.1. Biểu diễn số nguyên.

a. Biểu diễn số nguyên không dấu:

http://www.ebook.edu.vn

Tất cả các số cũng như các mã ... trong máy vi tính đều được biểu diễn bằng

các chữ số nhị phân. Để biểu diễn các số nguyên không dấu, người ta dùng n

bit. Tương ứng với độ dài của số bit được sử dụng, ta có các khoảng giá trị

xác định như sau:

Số bit

n bit:

8 bit

16 bit

Khoảng giá trị

0.. 2n - 1

0.. 255 Byte

0.. 65535 Word

b. Biểu diễn số nguyên có dấu:

Người ta sử dụng bit cao nhất biểu diễn dấu; bit dấu có giá trị 0 tương ứng

với số nguyên dương, bit dấu có giá trị 1 biểu diễn số âm. Như vậy khoảng

giá trị số được biểu diễn sẽ được tính như sau:

Số bit

Khoảng giá trị:

n bitn-1-1

8 bit

16 bit

-128.. 127 Short integer

-32768.. 32767 Integer

32 bit -231.. 231-1 (-2147483648.. 2147483647) Long integer

4.2. Biểu diễn số thực(số có dấu chấm (phẩy) động).

Có hai cách biểu diễn số thực trong một hệ nhị phân: số có dấu chấm cố

định (fĩed point number) và số có dấu chấm động (floating point number).

Cách thứ nhất được dùng trong những bộ VXL(micro processor) hay những

bộ vi điều khiển (micro controller) cũ. Cách thứ 2 hay được dùng hiện nay

có độ chính xác cao. Đối với cách biểu diễn số thực dấu chấm động có khả

năng hiệu chỉnh theo giá trị của số thực. Cách biểu diễn chung cho mọi hệ

đếm như sau:

R = m.Be.

Trong đó m là phần định trị, trong hệ thập phân giá trị tuyệt đối của nó phải

luôn nhỏ hơn 1. Số e là phần mũ và B là cơ số của hệ đếm.

Có hai chuẩn định dạng dấu chấm động quan trọng là: chuẩn MSBIN của

Microsoft và chuẩn IEEE. Cả hai chuẩn này đều dùng hệ đếm nhị phân.

Thường dùng là theo tiêu chuẩn biểu diễn số thực của IEEE 754-

1985(Institute of Electric & Electronic Engineers), là chuẩn được mọi hãng

chấp nhận và được dùng trong bộ xử lý toán học của Intel. Bit dấu nằm tại vị

trí cao nhất; kích thước phần mũ và khuôn dạng phần định trị thay đổi theo

từng loại số thực.

Giá trị số thực IEEE được tính như sau:

R = (-1)S*(1+M1*2-1 + ... +Mn*2-n)*2E 7...E 0 -127.

http://www.ebook.edu.vn

Chú ý: giá trị đầu tiên M0 luôn mặc định là 1.

- Dùng 32 bit để biểu diễn số thực, được số thực ngắn: -3,4.1038< R <

3,4.1038

31 30 23 22

0

S

E7 - E0

|Định trị (M1 - M23)

- Dùng 64 bit để biểu diễn số thực, được số thực dài: -1,7.10308< R <

1,7.10308

63 62 52 51

S E10 - E0 Định trị (M1 - M52)

Ví dụ tính số thực:

0

0100 0010 1000 1100 1110 1001 1111 1100

Phần định trị: 2-4+2-5+2-8+2-9+2-10+2-12+2-15+

+2-16+2-17+2-18+2-19+2-20+2-21 = 0,1008906.

Giá trị ngầm định là: 1,1008906.

Phần mũ: 28+22+20 =133

Giá trị thực (bit cao nhất là bit dấu): 133-128=6.

Dấu: 0 = số dương

Giá trị số thực là: R = 1,1008906.26 = 70,457.

Phương pháp đổi số thực sang số dấu phẩy động 32 bit:

- Đổi số thập phân thành số nhị phân.

- Biểu diễn số nhị phân dưới dạng ±1, xxxBy (B: cơ số 2).

- Bit cao nhất 31: lấy giá trị 0 với số dương, 1 với số âm.

- Phần mũ y đổi sang mã excess -127 của y, được xác định bằng cách:

y + (7F)16.

- Phần xxx là phần định trị, được đưa vào từ bit 22..0.

Ví dụ: Biểu diễn số thực (9,75)10dưới dạng dấu phẩy động.

Ta đổi sang dạng nhị phân: (9,75)10 = (1001.11)2 = 1,00111B3.

Bit dấu: bit 31 = 0.

Mã excess - 127 của 3 là: 7F + 3 = (82)16 = 82H = (10000010)2. Được đưa

vào các bit tiếp theo: từ bit 30 đến bit 23. Bit 22 luôn mặc định là 0.

http://www.ebook.edu.vn

Cuối cùng số thực (9,75)10được biểu diễn dướiư dạng dấu phẩy động 32 bit

như sau:

0100 0001 0001 1100 0000 0000 0000 0000

bit |31|30 23|22 0|

http://www.ebook.edu.vn

§ 2. Kiến trúc một máy tính đơn giản

2.1. Giới thiệu sơ lược cấu trúc của máy vi tính.

So với từ khi ra đời, cấu trúc cơ sở của các máy vi tính ngày nay không thay

đổi mấy. Mọi máy tính số đều có thể coi như được hình thành từ sáu phần

chính (như hình 2-1):

Hình 2-1: Giới thiệu sơ đồ khối tổng quát của máy tính số

Data Bus

Control Bus

Thiết bị vào

Bộ xử lý

trung tâm

(CPU)

Bộ nhớ trong

(Memory)

ROM-RAM

Bộ nhớ

ngoài

(Mass store

Unit)

Phối ghép

vào/ra

(I/O)

(Input Unit)

Thiết bị ra

(Output Unit)

Adrress Bus

Trong sơ đồ này, các khối chức năng chính của máy tính số gồm:

- Khối xử lý trung tâm (central processing unit, CPU),

- Bộ nhớ trong (memory), như RAM, ROM

- Bộ nhớ ngoài, như các loại ổ đĩa, băng từ

- Khối phối ghép với các thiết bị ngoại vi (vào/ra)

- Các bộ phận đầu vào, như bàn phím, chuột, máy quét ... .

- Các bộ phận đầu ra, như màn hình, máy in ... .

2.2 Lịch sử phát triển của CPU

2.2.1.-BXL 4 bit

4004 là BXL đầu tiên được Intel đưa ra tháng 11 năm 1971, có tốc độ

740KHz, khả năng xử lý 0,06 triệu lệnh mỗi giây (milion instructions per

second - MIPS); được sản xuất trên công nghệ 10 µm, có 2.300 transistor

(bóng bán dẫn), bộ nhớ mở rộng đến 640 byte.

2.2.2 BXL 8bit

8008 (năm 1972) được sử dụng trong thiết bị đầu cuối Datapoint 2200

của Computer Terminal Corporation (CTC). 8008 có tốc độ 200kHz, sản

xuất trên công nghệ 10 µm, với 3.500 transistor, bộ nhớ mở rộng đến

http://www.ebook.edu.vn

16KB. 8080 (năm 1974) sử dụng trong máy tính Altair 8800, có tốc độ

gấp 10 lần 8008 (2MHz), sản xuất trên công nghệ 6 µm, khả năng xử lý

0,64 MIPS với 6.000 transistor, có 8 bit bus dữ liệu và 16 bit bus địa chỉ,

bộ nhớ mở rộng tới 64KB. 8085 có tốc độ 2MHz, sản xuất trên công

nghệ 3 µm, với 6.500 transistor, có 8 bit bus dữ liệu và 16 bit bus địa chỉ,

bộ nhớ mở rộng 64KB.

2.2.3.-BXL 16bit

80186 (năm 1982) còn gọi là IAPX 186. Sử dụng chủ yếu trong những

ứng dụng nhúng, bộ điều khiển thiết bị đầu cuối. Các phiên bản của

80186 gồm 10 và 12 MHz. 80286 (năm 1982) sử dụng công nghệ 1,5

µm, 134.000 transistor, bộ nhớ mở rộng tới 16 MB. Các phiên bản của

286 gồm 6, 8, 10, 12,5, 16, 20 và 25MHz.

2.2.4. BXL 32bit vi kiến trúc NetBurst (NetBurst micro-architecture)

Intel386 gồm các họ 386DX, 386SX và 386SL. Intel386DX là BXL 32

bit đầu tiên Intel giới thiệu vào năm 1985, 386 sử dụng các thanh ghi 32

bit, có thể truyền 32 bit dữ liệu cùng lúc trên bus dữ liệu và dùng 32 bit

để xác định địa chỉ. Cũng như BXL 80286, 80386 hoạt động ở 2 chế độ:

real mode và protect mode.

386SL (năm1990) được thiết kế cho thiết bị di động, sử dụng công nghệ

1 µm, 855.000 transistor, bộ nhớ mở rộng 4GB; gồm các phiên bản 16,

20, 25 MHz. 486DX sử dụng công nghệ 1 µm, 1,2 triệu transistor, bộ nhớ

mở rộng 4GB; gồm các phiên bản 25 MHz, 35 MHz và 50 MHz (0,8

µm). Pentium sử dụng công nghệ 0,8 µm chứa 3,1 triệu transistor, có các

tốc độ 60, 66 MHz (socket 4 273 chân, PGA). Các phiên bản 75, 90, 100,

120 MHz sử dụng công nghệ 0,6 µm chứa 3,3 triệu transistor (socket 7,

PGA). Phiên bản 133, 150, 166, 200 sử dụng công nghệ 0,35 µm chứa

3,3 triệu transistor (socket 7, PGA). Pentium MMX sử dụng công nghệ

0,35 µm chứa 4,5 triệu transistor, có các tốc độ 166, 200, 233 MHz

(Socket 7, PGA).

2.2.5. Pentium Pro:

Nối tiếp sự thành công của dòng Pentium, Pentium Pro được Intel giới

thiệu vào tháng 9 năm 1995, sử dụng công nghệ 0,6 và 0,35 µm chứa 5,5

triệu transistor, socket 8 387 chân, Dual SPGA, hỗ trợ bộ nhớ RAM tối

đa 4GB.

http://www.ebook.edu.vn

2.2.6. BXL Pentium II

Đầu tiên, tên mã Klamath, sản xuất trên công nghệ 0,35 µm, có 7,5 triệu

transistor, bus hệ thống 66 MHz, gồm các phiên bản 233, 266, 300MHz.

Pentium II, tên mã Deschutes, sử dụng công nghệ 0,25 µm, 7,5 triệu

transistor, gồm các phiên bản 333MHz (bus hệ thống 66MHz), 350, 400,

450 MHz (bus hệ thống 100MHz). Celeron (năm 1998) được "rút gọn" từ

kiến trúc BXL Pentium II, dành cho dòng máy cấp thấp.

2.2.7. Pentium III (năm 1999)

Bổ sung 70 lệnh mới (Streaming SIMD Extensions - SSE) giúp tăng hiệu

suất hoạt động của BXL trong các tác vụ xử lý hình ảnh, audio, video và

nhận dạng giọng nói. Pentium III gồm các tên mã Katmai, Coppermine

và Tualatin. Coppermine sử dụng công nghệ 0,18 µm, 28,1 triệu

transistor, bộ nhớ đệm L2 256 KB được tích hợp bên trong nhằm tăng tốc

độ xử lý. Tualatin áp dụng công nghệ 0,13 µm có 28,1 triệu transistor, bộ

nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB hoặc 512 KB tích hợp bên trong BXL,

socket 370 FC-PGA (Flip-chip pin grid array), bus hệ thống 133 MHz.

Có các tốc độ như 1133, 1200, 1266, 1333, 1400 MHz. Celeron

Coppermine (năm 2000) được "rút gọn" từ kiến trúc BXL Pentium III

Coppermine, còn gọi là Celeron II, được bổ sung 70 lệnh SSE. Sử dụng

công nghệ 0,18 µm có 28,1 triệu transistor, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2

256 KB tích hợp bên trong BXL, socket 370 FC-PGA, Có các tốc độ như

533, 566, 600, 633, 667, 700, 733, 766, 800 MHz (bus 66 MHz), 850,

900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300 MHz (bus 100 MHz). Tualatin Celeron

(Celeron S) (năm 2000) được "rút gọn" từ kiến trúc BXL Pentium III

Tualatin, áp dụng công nghệ 0,13 µm, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB

tích hợp, socket 370 FC-PGA, bus hệ thống 100 MHz, gồm các tốc độ

1,0, 1,1, 1,2, 1,3 và 1,4 GHz.

2.2.8. Pentium 4

Intel Pentium 4 (P4) là BXL thế hệ thứ 7 dòng x86 phổ thông, được giới

thiệu vào tháng 11 năm 2000. P4 sử dụng vi kiến trúc NetBurst có thiết

kế hoàn toàn mới so với các BXL cũ (PII, PIII và Celeron sử dụng vi kiến

trúc P6). Một số công nghệ nổi bật được áp dụng trong vi kiến trúc

NetBurst như Hyper Pipelined Technology mở rộng số hàng lệnh xử lý,

Execution Trace Cache tránh tình trạng lệnh bị chậm trễ khi chuyển từ bộ

nhớ đến CPU, Rapid Execution Engine tăng tốc bộ đồng xử lý toán học,

bus hệ thống (system bus) 400 MHz và 533 MHz; các công nghệ

Advanced Transfer Cache, Advanced Dynamic Execution, Enhanced

http://www.ebook.edu.vn

Floating point và Multimedia Unit, Streaming SIMD Extensions 2

(SSE2) cũng được cải tiến nhằm tạo ra những BXL tốc độ cao hơn, khả

năng tính toán mạnh hơn, xử lý đa phương tiện tốt hơn. Pentium 4 đầu

tiên (tên mã Willamette) xuất hiện cuối năm 2000 đặt dấu chấm hết cho

"triều đại" Pentium III. Willamette sản xuất trên công nghệ 0,18 µm, có

42 triệu transistor (nhiều hơn gần 50% so với Pentium III), bus hệ thống

(system bus) 400 MHz, bộ nhớ đệm tích hợp L2 256 KB, socket 423 và

478. P4 Willamette có một số tốc độ như 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9,

2,0 GHz. P4 Northwood. Xuất hiện vào tháng 1 năm 2002, được sản xuất

trên công nghệ 0,13 µm, có khoảng 55 triệu transistor, bộ nhớ đệm tích

hợp L2 512 KB, socket 478. Northwood có 3 dòng gồm Northwood A

(system bus 400 MHz), tốc độ 1,6, 1,8, 2,0, 2,2, 2,4, 2,5, 2,6 và 2,8 GHz.

Northwood B (system bus 533 MHz), tốc độ 2,26, 2,4, 2,53, 2,66, 2,8 và

3,06 GHz (riêng 3,06 GHz có hỗ trợ công nghệ siêu phân luồng Hyper

Threading - HT). Northwood C (system bus 800 MHz, tất cả hỗ trợ HT),

gồm 2,4, 2,6, 2,8, 3,0, 3,2, 3,4 GHz. P4 Prescott (năm 2004). Là BXL

đầu tiên Intel sản xuất theo công nghệ 90 nm, kích thước vi mạch giảm

50% so với P4 Willamette. Điều này cho phép tích hợp nhiều transistor

hơn trên cùng kích thước (125 triệu transistor so với 55 triệu transistor

của P4 Northwood), tốc độ chuyển đổi của transistor nhanh hơn, tăng khả

năng xử lý, tính toán. Dung lượng bộ nhớ đệm tích hợp L2 của P4

Prescott gấp đôi so với P4 Northwood (1MB so với 512 KB). Ngoài tập

lệnh MMX, SSE, SSE2, Prescott được bổ sung tập lệnh SSE3 giúp các

ứng dụng xử lý video và game chạy nhanh hơn. Đây là giai đoạn "giao

thời" giữa socket 478 - 775LGA, system bus 533 MHz - 800 MHz và mỗi

sản phẩm được đặt tên riêng khiến người dùng càng bối rối khi chọn

mua. Prescott A (FSB 533 MHz) có các tốc độ 2,26, 2,4, 2,66, 2,8 (socket

478), Prescott 505 (2,66 GHz), 505J (2,66 GHz), 506 (2,66 GHz), 511

(2,8 GHz), 515 (2,93 GHz), 515J (2,93 GHz), 516 (2,93 GHz), 519J

(3,06 GHz), 519K (3,06 GHz) sử dụng socket 775LGA. Prescott E, F

(năm 2004) có bộ nhớ đệm L2 1 MB (các phiên bản sau được mở rộng 2

MB), bus hệ thống 800 MHz. Ngoài tập lệnh MMX, SSE, SSE2, SSE3

tích hợp, Prescott E, F còn hỗ trợ công nghệ siêu phân luồng, một số

phiên bản sau có hỗ trợ tính toán 64 bit.

Dòng sử dụng socket 478 gồm Pentium 4 HT 2.8E (2,8 GHz), 3.0E (3,0

GHz), 3.2E (3,2 GHz), 3.4E (3,4 GHz). Dòng sử dụng socket 775LGA

gồm Pentium 4 HT 3.2F, 3.4F, 3.6F, 3.8F với các tốc độ tương ứng từ 3,2

GHz đến 3,8 GHz, Pentium 4 HT 517, 520, 520J, 521, 524, 530, 530J,

531, 540, 540J, 541, 550, 550J, 551, 560, 560J, 561, 570J, 571 với các

tốc độ từ 2,8 GHz đến 3,8 GHz.

http://www.ebook.edu.vn

2.2.9. BXL Celeron

BXL Celeron được thiết kế với mục tiêu dung hòa giữa công nghệ và giá

cả, đáp ứng các yêu cầu phổ thông như truy cập Internet, Email, chat, xử

lý các ứng dụng văn phòng. Celeron Willamette 128 (2002), bản "rút

gọn" từ P4 Willamette, sản xuất trên công nghệ 0,18 µm, bộ nhớ đệm L2

128 KB, bus hệ thống 400 MHz, socket 478. Celeron Willamette 128 hỗ

trợ tập lệnh MMX, SSE, SSE2. Một số BXL thuộc dòng này như Celeron

1.7 (1,7 GHz) và Celeron 1.8 (1,8 GHz). Celeron NorthWood 128, "rút

gọn" từ P4 Northwood, công nghệ 0,13 µm, bộ nhớ đệm tích hợp L2 128

KB, bus hệ thống 400 MHz, socket 478. Celeron NorthWood 128 cũng

hỗ trợ các tập lệnh MMX, SSE, SSE2, gồm Celeron 1.8A, 2.0, 2.1, 2.2,

2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8 tương ứng với các tốc độ từ 1,8 GHz đến 2,8

GHz. Celeron D (Presscott 256), được xây dựng từ nền tảng P4 Prescott,

sản xuất trên công nghệ 90nm, bộ nhớ đệm tích hợp L2 256 KB (gấp đôi

dòng Celeron NorthWood), bus hệ thống 533 MHz, socket 478 và

775LGA. Ngoài các tập lệnh MMX, SSE, SSE2, Celeron D hỗ trợ tập

lệnh SSE3, một số phiên bản sau có hỗ trợ tính toán 64 bit. Celeron D

gồm 310, 315, 320, 325, 325J, 326, 330, 330J, 331, 335, 335J, 336, 340,

340J, 341, 345, 345J, 346, 350, 351, 355 với các tốc độ tương ứng từ

2,13 GHz đến 3,33 GHz.

2.2.10. Pentium 4 Extreme Edition

Pentium 4 Extreme Edition (P4EE) xuất hiện vào tháng 9 năm 2003, là

BXL được Intel "ưu ái" dành cho game thủ và người dùng cao cấp. P4EE

được xây dựng từ BXL Xeon dành cho máy chủ và trạm làm việc. Ngoài

công nghệ HT "đình đám" thời bấy giờ, điểm nổi bật của P4EE là bổ

sung bộ nhớ đệm L3 2 MB. Phiên bản đầu tiên của P4 EE (nhân Gallatin)

sản xuất trên công nghệ 0,13 µm, bộ nhớ đệm L2 512 KB, L3 2 MB, bus

hệ thống 800 MHz, sử dụng socket 478 và 775LGA, gồm P4 EE 3.2 (3,2

GHz), P4 EE 3.4 (3,4 GHz).

2.2.11.BXL 64 bit, vi kiến trúc NETBURST

P4 Prescott (năm 2004) Vi kiến trúc NetBurst 64 bit (Extended Memory

64 Technology - EM64T) đầu tiên được Intel sử dụng trong BXL P4

Prescott (tên mã Prescott 2M). Prescott 2M cũng sử dụng công nghệ 90

nm, bộ nhớ đệm L2 2 MB, bus hệ thống 800 MHz, socket 775LGA.

Ngoài các tập lệnh MX, SSE, SSE2, SSE3, công nghệ HT và khả năng

tính toán 64 bit, Prescott 2M (trừ BXL 620) có hỗ trợ công nghệ

Enhanced SpeedStep để tối ưu tốc độ làm việc nhằm tiết kiệm điện năng.

http://www.ebook.edu.vn

Các BXL 6x2 có thêm công nghệ ảo hóa (Virtualization Technology).

Prescott 2M có một số tốc độ như P4 HT 620 (2,8 GHz), 630 (3,0 GHz),

640 (3,2 GHz), 650 (3,4 GHz), 660, 662 (3,6 GHz) và 670, 672 (3,8

GHz).

2.2.12. Pentium D (năm 2005)

Pentium D (tên mã Smithfield, 8xx) là BXL lõi kép (dual core) đầu tiên

của Intel, được cải tiến từ P4 Prescott nên cũng gặp một số hạn chế như

hiện tượng thắt cổ chai do băng thông BXL ở mức 800 MHz (400 MHz

cho mỗi lõi), Cùng sử dụng vi kiến trúc NetBurst, Pentium D (mã Presler,

9xx) được Intel thiết kế mới trên công nghệ 65nm, 376 triệu transistor, bộ

nhớ đệm L2 4 MB (2x2 MB), hiệu năng cao hơn, nhiều tính năng mới và

ít tốn điện năng hơn Smithfield. Pentium D 915 và 920 tốc độ 2,8 GHz,

925 và 930 (3,0GHz), 935 và 940 (3,2 GHz), 945 và 950 (3,4 GHz), 960

(3,6GHz). Presler dòng 9x0 có hỗ trợ Virtualization Technology.

2.2.13. Pentium Extreme Edition (năm 2005)

BXL lõi kép dành cho game thủ và người dùng cao cấp. Pentium EE sử

dụng nhân Smithfield, Presler của Pentium D trong đó Smithfield sử

dụng công nghệ 90nm, bộ nhớ đệm L2 được mở rộng đến 2 MB (2x1

MB), hỗ trợ tập lệnh MMX, SSE, SSE2, SSE3, công nghệ HT, Enhanced

Intel SpeedStep Technology (EIST) và EM64T. Pentium 840 EE (3,20

GHz, bus hệ thống 800 MHz, socket 775LGA) là một trong những BXL

thuộc dòng này.

2.2.14. BXL 64bit, kiến trúc Core

Tại diễn đàn IDF đầu năm 2006, Intel đã giới thiệu kiến trúc Intel Core

với năm cải tiến quan trọng là khả năng mở rộng thực thi động (Wide

Dynamic Execution), tính năng quản lý điện năng thông minh (Intelligent

Power Capability), chia sẻ bộ nhớ đệm linh hoạt (Advanced Smart

Cache), truy xuất bộ nhớ thông minh (Smart Memory Access) và tăng tốc

phương tiện số tiên tiến (Advanced Digital Media Boost).

2.2.15. Intel Core 2 Duo

BXL lõi kép sản xuất trên công nghệ 65 nm, hỗ trợ SIMD instructions,

công nghệ Virtualization Technology cho phép chạy cùng lúc nhiều

HĐH, tăng cường bảo vệ hệ thống trước sự tấn công của virus (Execute

Disable Bit), tối ưu tốc độ BXL nhằm tiết kiệm điện năng (Enhanced

http://www.ebook.edu.vn

Intel SpeedStep Technology), quản lý máy tính từ xa (Intel Active

Management Technology). Ngoài ra, còn hỗ trợ các tập lệnh MMX, SSE,

SSE2, SSE3, SSSE3.

Core 2 Duo (tên mã Conroe) có 291 triệu transistor, bộ nhớ đệm L2 4

MB, bus hệ thống 1066 MHz, socket 775LGA. Một số BXL thuộc dòng

này: E6600 (2,4 GHz), E6700 (2,66 GHz). Core 2 Duo (tên mã

Allendale) E6300 (1,86 GHz), E6400 (2,13 GHz) có 167 triệu transistor,

bộ nhớ đệm L2 2MB, bus hệ thống 1066 MHz, socket 775LGA. E4300

(1,8 GHz) xuất hiện năm 2007 có bộ nhớ đệm L2 2 MB, bus 800 MHz,

không hỗ trợ Virtualization Technology.

2.2.16. Core 2 Extreme

BXL lõi kép dành cho game thủ sử dụng kiến trúc Core, có nhiều đặc

điểm giống với BXL Core 2 như công nghệ sản xuất 65 nm, hỗ trợ các

công nghệ mới Enhanced Intel SpeedStep Technology, Intel x86-64,

Execute Disable Bit, Intel Active Management, Virtualization

Technology, Intel Trusted Execution Technology... các tập lệnh MMX,

SSE, SSE2, SSE3, SSSE3.

2.2.17. Core 2 Extreme

Core 2 Extreme (tên mã Conroe XE) (tháng 7 năm 2006) với đại diện

X6800 2,93 Ghz, bộ nhớ đệm L2 đến 4 MB, bus hệ thống 1066 MHz,

socket 775LGA. Cuối năm 2006, con đường phía trước của BXL tiếp tục

rộng mở khi Intel giới thiệu BXL 4 nhân (Quad Core) như Core 2

Extreme QX6700, Core 2 Quad Q6300, Q6400, Q6600 và BXL 8 nhân

trong vài năm tới. Chắc chắn những BXL này sẽ thỏa mãn nhu cầu người

dùng đam mê công nghệ và tốc độ.

Hiện đã có loại CPU Quad-Core (4 nhân). Hãng AMD đã cho ra công

nghệ gồm 2 bộ xử ly, mỗi bộ 2-4 nhân. Tuy nhiên loại CPU này vẫn chưa

có mặt trên thị trường.

2.3 Chất liệu và công nghệ chế tạo CPU

2.3.1.Chất liệu

Gốm và organic (hữu cơ) từ dòng Thoroughbred trở đi đều làm bằng

organic. Hiện tại, công nghệ được áp dụng cho các CPU Chất liệu chủ

yếu chế tạo cpu AMD là ceramic à MOS (Metal Oxide Semi-Conductor -

bán dẫn ôxít kim loại), dựa vào một lớp ôxít kim loại nằm trên tấm

http://www.ebook.edu.vn

silicon kết nối bởi các đường hợp chất dẫn điện. Người ta đã cải tiến

MOS thành CMOS (Complimentary MOS - MOS bổ trợ) hoạt động ở

điện thế thấp. Đây là 2 công nghệ có mặt trong hầu hết các thiết bị máy

tính. Để đáp ứng nhu cầu làm cho CPU ngày càng nhanh hơn, ít tiêu hao

năng lượng hơn các công nghệ 0,25 -> 0,18 -> 0,13 micron lần lượt ra

đời. Nhưng chính sự thu nhỏ các cầu nối trong CPU này khiến việc áp

dụng MOS và CMOS trở nên ngày càng khó khăn hơn, do các cầu nối

này nằm quá sát nhau nên dễ dẫn đến hiện tượng đóng điện chéo lên các

cầu bên cạnh. Một nhược điểm quan trọng khác của công nghệ MOS là

phần silicon ở giữa các cầu nối (có vai trò như một tụ điện) phải nạp

được điện dung tối đa để có thể đóng - và lại phải thoát hết điện dung để

có thể mở. Việc này tốn thời gian xử lý, và lãng phí thời gian xử lý trên

CPU. Các nhà sản xuất CPU đã cải tiến MOS hiện có như việc thay oxit

nhôm bằng oxit đồng làm tăng xung nhịp lên đáng kể. Nhưng để CPU có

thể đạt tới tốc độ 5-10 GHz phải có một giải pháp khắc phục triệt để hơn

nữa 2 nhược điểm nêu trên. Đó chính là công nghệ SOI (Silicon On

Insulator). IBM đã phát triển công nghệ này từ năm 1990 cho CPU của

IBM, với mục đích giảm điện năng sử dụng, tăng xung nhịp v.v...nhưng

công nghệ này vẫn chưa thực sự được ứng dụng ngay cho đến cuối thế kỉ

20, khi việc tăng xung nhịp cho các dòng CPU hiện đại cần thêm các

phương pháp sản xuất khác. Cải tiến SOI là điện dung của tụ silicon giữa

các cầu được cực tiểu hoá làm giảm thời gian cần thiết để thoát/nạp, để

mở và đóng cầu nối. Điều này giúp tăng xung nhịp lên rất nhiều. Sở dĩ

SOI làm được điều đó là nhờ việc chèn vào giữa tấm silicon một lớp vật

liệu cách điện và để lại một phần silicon nhỏ ở giữa các cầu nối. Lớp vật

liệu cách điện này là một dạng của ôxít silicon được tạo ra bằng kĩ thuật

SIMOX (Seperation by Implantation of Oxygen) - khí ôxi được ép lên bề

mặt của silicon wafer ở áp suất và nhiệt độ cao, khi đó silicon phản ứng

với ôxi tạo nên 1 lớp ôxít silicon bám vào silicon wafer bên dưới.

SOI sẽ không thay thế hoàn toàn MOS/CMOS mà chỉ tối ưu hoá cho hai

công nghệ này:

- CPU dùng SOI sẽ nhanh hơn đến 30% so với CPU dùng MOS/CMOS

nếu có cùng một xung đồng hồ như nhau.

- Yêu cầu về điện năng thấp hơn nhiều so với MOS/CMOS (ít hơn

khoảng 50%), CPU sẽ chạy mát hơn - vượt qua một trở ngại lớn của việc

nâng tốc độ các bộ xử lý.

- Cho phép thu nhỏ công nghệ sản xuất CPU xuống 0.09 micron hay thấp

hơn cùng với SOI có nghĩa rằng các bộ vi xử lý sẽ được tăng tốc rất

nhanh và tốc độ 5-10GHz sẽ sớm đạt được. Thế nhưng SOI cần có silicon

đạt độ nguyên chất 100% - thứ mà công nghệ hiện nay chưa sản xuất

được. Isonics là 1 công ty đang nghiên cứu sản xuất loại silicon wafer

http://www.ebook.edu.vn

này. AMD thực sự trông đợi vào SOI để khắc phục những nhược điểm

của CPU như tiêu tốn nhiều điện năng và chạy nóng hơn. bộ xử lý K8

của IBM, hay còn gọi là Hammer dùng công nghệ SOI đang được mong

đợi. Nội lực công nghệ - HyperTransport, Cool'n'Quiet. AMD đặc biệt ưu

ái CPU 64 bit với công nghệ 'siêu chuyển' HyperTransport và tự điều

chỉnh hoạt động Cool'n'Quiet. HyperTransport giúp việc truyền thông tin

giữa các chip (cầu nam, cầu bắc, BXL, bộ nhớ,...) nhanh hơn, khả năng

'nói chuyện' với một chip hoặc thiết bị khác nhanh hơn với lượng tiêu thụ

lớn hơn. HyperTransport làm cho đường truyền rộng hơn, do đó tốc độ

truyền nhanh và nhiều hơn. Công nghệ này có thể áp dụng cho tất cả

băng thông của bo mạch chủ, từ chipset đến BXL, bộ nhớ, AGP,

PCI,...Cool'n'Quiet là một cải tiến khác dành cho dòng BXL 64 bit, tốc

độ và điện năng tiêu thụ của BXL sẽ được điều chỉnh tự động. Nếu có ít

ứng dụng được chạy (BXL xử lý ít) thì Cool'n'Quiet sẽ giảm tốc độ và

điện thế BXL, ngược lại, khi cần xử lý nhiều thì BXL sẽ được tăng tốc độ

và điện thế.

2.4 Nguyên tắc hoạt động của CPU

CPU (Central Processing Unit) - cũng được gọi là microprocessor hay

processor - là một đơn vị xử lý dữ liệu trung tâm. Cách nó xử lý dữ liệu như

thế nào hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình được viết từ trước. Chương

trình nói chung có thể là một bảng tính, một bộ xử lý từ hay một game nào

đó. Nó chỉ tuân theo các thứ tự (được gọi là các chỉ lệnh hay các lệnh) có

bên trong chương trình.

Khi một chương trình nào đó được chạy thì thứ tự được thực hiện như sau:

a. Chương trình đã lưu bên trong ổ đĩa cứng sẽ được đưa vào bộ nhớ RAM.

Ở đây chương trình chính là một loạt các chỉ lệnh đối với CPU.

b. CPU sử dụng mạch phần cứng được gọi là memory controller để tải dữ

liệu chương trình từ bộ nhớ RAM.

c. Lúc đó dữ liệu bên trong CPU sẽ được xử lý.

d. Những gì diễn ra tiếp theo sẽ phụ thuộc vào chương trình vừa được nạp.

CPU có thể tiếp tục tải và thực thi chương trình hoặc có thể thực hiện một

công việc nào đó với dữ liệu đã được xử lý, như việc hiển thị kết quả thực

hiện nào đó lên màn hình.

Hình 2.4: Dữ liệu lưu được đưa vào CPU

http://www.ebook.edu.vn

Sự truyền tải dữ liệu giữa ổ đĩa cứng và bộ nhớ RAM được thực hiện mà

không sử dụng đến CPU, như vậy nó sẽ làm cho hệ thống hoạt động nhanh

hơn. Phương pháp này được gọi là bus mastering hay DMA (Direct Memory

Access). Các bộ vi xử lý của AMD dựa trên sockets 754, 939 và 940 (Athlon

64, Athlon 64 X2, Athlon 64 FX, Opteron và một số mô hình Sempron) có

một memory controller được nhúng bên trong. Điều đó có nghĩa rằng với

các bộ vi xử lý này, CPU truy cập trực tiếp bộ nhớ RAM.

2.4.1.Clock

Clock chính là một tín hiệu được sử dụng để đồng bộ hóa mọi thứ bên trong

máy tính. Hãy xem trong hình 2.4.1, đây chính là một xung clock điển hình:

nó là một xung hình vuông biến thiên ở mức "0" và "1" với một tốc độ được

cố định. Trên hình vẽ ta có thể thấy 3 chu kỳ của xung clock này. Bắt đầu

của mỗi một chu kỳ khi tín hiệu clock biến thiên từ "0" lên "1"; chúng được

đánh dấu nó bằng một mũi tên. Tín hiệu clock được đo theo đơn vị có tên

gọi là Hertz (Hz), đây là số chu kỳ clock trong mỗi giây đồng hồ. Một xung

clock 100MHz có nghĩa là trong một giây đồng hồ có 100 triệu chu kỳ xung

nhịp.

Hình 2: Tín hiệu xung clock

Trong máy tính, tất cả các bộ định thời đều được đo dưới dạng các chu kỳ

clock. Ví dụ, một bộ nhớ RAM có độ trễ là "5" thì điều đó có nghĩa là nó sẽ

giữ chậm 5 chu kỳ xung nhịp để thực hiện công việc cung cấp dữ liệu. Trong

CPU, tất cả các chỉ lệnh giữ chậm một số chu kỳ xung clock nào đó để được

thực thi. Ví dụ, một chỉ lệnh nào đó có thể được giữ chậm đến 7 chu kỳ xung

clock để được thực thi xong.

CPU biết được bao nhiêu chu kỳ xung clock mà mỗi chỉ lệnh cần, nó biết

được điều này bởi CPU giữ một bảng liệt kê các thông tin này. Chính vì vậy

nếu CPU có hai chỉ lệnh được thực thi và nó biết rằng chỉ lệnh đầu tiên sẽ

giữ chậm 7 chu kỳ xung clock để thực thi thì nó sẽ tự động thực thi chỉ lệnh

kế tiếp vào chu kỳ clock thứ 8. Rõ ràng đây là một cách lý giải chung cho

CPU với một khối thực thi - các bộ vi xử lý hiện đại có một số khối thực thi

làm việc song song và nó có thể thực thi chỉ lệnh thứ hai tại cùng thời điểm

với chỉ lệnh đầu. Điều này được gọi là kiến trúc "superscalar".

Nếu so sánh hai CPU giống nhau, CPU nào chạy ở tốc độ clock cao hơn sẽ

http://www.ebook.edu.vn

nhanh hơn. Trong trường hợp này, với một tốc độ clock cao hơn, thời gian

giữa mỗi chu kỳ clock sẽ ngắn hơn, vì vậy những công việc sẽ được thực thi

tốn ít thời gian hơn và hiệu xuất sẽ cao hơn. Tuy nhiên khi so sánh hai bộ bộ

vi xử lý khác nhau thì điều này hoàn toàn không đúng.

Nếu ta lấy hai bộ vi xử lý có kiến trúc khác nhau - ví dụ, khác nhau về nhà

sản xuất như Intel và AMD - những thứ bên trong hai CPU này là hoàn toàn

khác nhau. Như đã đề cập, mỗi chỉ lệnh cần đến một số chu kỳ clock nhất

định để được thực thi. Chúng ta hãy nói rằng bộ vi xử lý "A" cần đến 7 chu

kỳ clock để thực thi một chỉ lệnh nào đó và bộ vi xử lý "B" cần 5 chu kỳ

clock để thực hiện một chỉ lệnh tương tự. Nếu chúng đang chạy với cùng

một tốc độ clock thì bộ vi xử lý "B" sẽ nhanh hơn, vì nó có thể xử lý chỉ

lệnh này tốn ít thời gian hơn. Với các CPU hiện đại, có nhiều vấn đề cần

phải xem xét đến hiệu xuất này, vì các CPU có số lượng khối thực thi khác

nhau, kích thước cache khác nhau, các cách truyền tải dữ liệu bên trong CPU

cũng khác nhau, cách xử lý các chỉ lệnh bên trong các khối thực thi và tốc độ

clock khác nhau với thế giới thực bên ngoài,...

Khi tín hiệu clock của bộ vi xử lý cao thì có một vấn đề mà chúng ta gặp

phải. Bo mạch chủ, nơi mà bộ vi xử lý được cài đặt không thể làm việc bằng

cách sử dụng cùng tín hiệu clock. Nếu xem bo mạch chủ, ta sẽ thấy một số

đường và rãnh. Các đường và rãnh này là những mạch in nối một số mạch

của máy tính. Vấn đề ở đây là với tốc độ clock cao, các dây mạch in này sẽ

bắt đầu làm việc như anten, chính vì vậy tính hiệu, thay vì đến vị trí cần đến

ở phía cuối đầu dây lại biến mất, được truyền đi như các sóng vô tuyến.

2.4.2 External Clock

Vì vậy các nhà sản xuất CPU đã bắt đầu sử dụng một khái niệm mới, khái

niệm được gọi là nhân xung clock, ứng dụng này bắt đầu được sử dụng trong

bộ vi xử lý 486DX2. Với cơ chế này (được sử dụng trong tất cả các CPU

ngày nay), CPU có một clock ngoài (external clock) được sử dụng khi

truyền tải dữ liệu vào ra bộ nhớ RAM (sử dụng north bridge chip) và một

clock trong cao hơn.

Để đưa ra một ví dụ thực, trong số 3.4 GHz Pentium 4 thì con số "3.4 GHz"

chính là clock trong của CPU, clock này đạt được bằng cách nhân 17 với

clock ngoài là 200 của nó. Mô phỏng ví dụ này trong hình 2.4.2

http://www.ebook.edu.vn

Hình 2.4.2: Clock trong và ngoài trên Pentium 4 3.4 GHz.

Sự khác nhau lớn giữa clock trong và clock ngoài trên các CPU hiện đại là

cách vượt qua nhược điểm từ tính như đã nói trên để tăng hiệu suất máy

tính. Tiếp tục với ví dụ về Pentium 4 3.4 GHz ở trên, nó phải giảm tốc độ

của nó đi 17 lần khi thực hiện đọc dữ liệu từ bộ nhớ RAM! Trong suốt quá

trình này, nó làm việc như một CPU với tốc độ 200MHz.

Một số kỹ thuật được sử dụng để tối thiểu hóa ảnh hưởng của sự khác nhau

clock này. Một trong số chúng là sử dụng cache nhớ bên trong CPU. Phương

pháp khác là truyền tải nhiều khối dữ liệu trên mỗi một chu kỳ clock. Các bộ

vi xử lý của hai hãng Intel và AMD đều sử dụng tính năng này, tuy nhiên

trong khi CPU của AMD truyền tải hai dữ liệu trên một chu kỳ clock thì các

CPU của Intel truyền tải 4 dữ liệu trên mỗi chu kỳ.

Hình 2.4.3: Truyền tải nhiều dữ liệu trên mỗi chu kỳ clock

http://www.ebook.edu.vn

Chính vì điều đó nên các CPU của AMD được liệt vào loại có tốc độ gấp hai

clock ngoài thực. Ví dụ, một CPU của AMD với external clock là 200MHz

được liệt vào CPU có clock ngoài là 400MHz. Điều tương tự cũng được áp

dụng đối với các CPU của Intel, với external clock là 200MHz thì CPU của

nó sẽ có tốc độ clock ngoài là 800Mhz.

Kỹ thuật truyền tải hai dữ liệu trên mỗi một chu kỳ clock được gọi là DDR

(Dual Data Rate), còn kỹ thuật truyền tải 4 dữ liệu trên một chu kỳ clock

được gọi là QDR (Quad Data Rate).

2.4.3 Sơ đồ khối của một CPU

Trên hình 2.4.4 sơ đồ khối cơ bản của một CPU hiện đại. Có nhiều sự khác

nhau giữa các kiến trúc của AMD và Intel. Việc hiểu được các kiến thức cơ

bản này sẽ là một bước để ta có thể hiểu được cách các CPU của Intel và

AMD làm việc như thế nào và sự khác nhau giữa chúng. Dòng nét chấm

trên hình 2.4.4 thể hiện phần "body" của CPU, vì bộ nhớ RAM được đặt bên

ngoài CPU. Đường dữ liệu giữa bộ nhớ RAM và CPU thường là 64-bit

(hoặc 128-bit khi sử dụng cấu hình bộ nhớ kênh dual), đang sử dụng clock

nhớ hoặc clock ngoài của CPU (clock thấp). Số lượng bit đã sử dụng và tốc

độ clock có thể được kết hợp trong một khối có tên gọi là tốc độ truyền tải,

tính theo MB/s. Để tính toán tốc độ truyền tải, công thức được thực hiện tính

tốc độ này bằng số bit x clock/8. Với hệ thống sử dụng các bộ nhớ DDR400

trong cấu hình kênh đơn (64 bit) thì tốc độ truyền tải sẽ là 3.200MB/s, còn

với hệ thống tương tự sử dụng các bộ nhớ kênh dual (128 bit) sẽ có tốc độ

truyền tải bộ nhớ là 6.400 MB/s.

http://www.ebook.edu.vn

Hình 2.4.4. Sơ đồ khối cơ bản của một CPU

Tất cả các mạch bên trong phần đánh dấu chấm chạy ở tốc độ clock trong

của CPU. Phụ thuộc vào CPU mà một số phần bên trong có nó có thể chạy ở

tốc độ clock cao hơn. Cũng vậy, đường dữ liệu giữa các khối CPU có thể

rộng hơn, nghĩa là truyền tải nhiều bit hơn trên mỗi chu kỳ clock 64 và 128.

Ví dụ, đường dữ liệu giữa bộ nhớ cache L2 và cache chỉ lệnh L1 trên các bộ

vi xử lý hiện đại thường là 256 bit. Số bit được truyền tải trên mỗi chu kỳ

clock càng cao thì sự truyền tải sẽ được thực hiện càng nhanh (hay nói cách

http://www.ebook.edu.vn

khác, tốc độ truyền tải sẽ cao hơn). Trên hình 2.4.4, mũi tên giữa bộ nhớ

RAM và cache nhớ L2; mũi tên giữa các khối khác để diễn tả tốc độ clock

khác nhau và bề rộng của đường dữ liệu đã sử dụng.

2.4.4 Memory Cache

Memory Cache là một kiểu bộ nhớ hiệu suất cao, cũng được gọi là bộ nhớ

tĩnh. Kiểu bộ nhớ đã sử dụng trên bộ nhớ RAM chính của máy tính được gọi

là bộ nhớ động. Bộ nhớ tĩnh tiêu tốn nhiều năng lượng điện hơn, đắt hơn và

có kích thước vật lý lớn hơn so với bộ nhớ động, tuy nhiên nó lại chạy nhanh

hơn. Nó có thể làm việc với cùng tốc độ clock của CPU, điều mà bộ nhớ

động không thể thực hiện được. Khi CPU cần nạp dữ liệu ở ngoài, nó phải

làm việc ở tốc độ clock thấp hơn do vậy mà kỹ thuật cache nhớ được sử

dụng ở đây để khắc phục nhược điểm này. Khi CPU nạp dữ liệu từ một vị trí

nhớ nào đó thì mạch điều khiển memory cache controller nạp vào cache nhớ

một khối dữ liệu bên dưới vị trí hiện hành mà CPU đã nạp. Vì các chương

trình được thực hiện theo thứ tự nên vị trí nhớ tiếp theo mà CPU sẽ yêu cầu

có thể là bị trí ngay dưới vị trí nhớ mà nó đã nạp. Do memory cache

controller đã nạp rất nhiều dữ liệu dưới vị trí nhớ đầu tiên được đọc bởi CPU

nên dữ liệu kế tiếp sẽ ở bên trong cache nhớ, chính vì vậy CPU không cần

phải thực hiện thao tác lấy dữ liệu bên ngoài: nó đã được nạp vào bên trong

cache nhớ nhúng trong CPU, chính vì nhúng trong CPU mà chúng có thể

truy cập bằng tốc độ clock trong.

Cache controller luôn luôn quan sát các vị trí nhớ đã và đang được nạp dữ

liệu từ một vài vị trí nhớ sau khi vị trí nhớ vừa được đọc. Một ví dụ thực tế,

nếu một CPU đã nạp dữ liệu được lưu tại địa chỉ 1.000 thì cache controller

sẽ nạp dữ liệu từ "n" địa chỉ sau địa chỉ 1.000. Số "n" được gọi là trang; nếu

một bộ vi xử lý này làm việc với 4KB trang (giá trị điển hình) thì nó sẽ nạp

dữ liệu từ các địa chỉ 4.096 dưới vị trí nhớ hiện

http://www.ebook.edu.vn

Hình 2.4.5: Memory cache controller làm việc như thế nào

hành đang được nạp (địa chỉ 1.000 trong ví dụ). 1KB bằng 1.024 byte, do đó

là 4,096 chứ không phải 4,000. Chúng tôi đã thể hiện ví dụ này trên hình

2.4.5. Memory cache càng lớn thì cơ hội cho dữ liệu yêu cầu bởi CPU ở đây

càng cao, chính vì vậy CPU sẽ giảm sự truy cập trực tiếp vào bộ nhớ RAM,

do đó hiệu suất hệ thống tăng (hãy nên nhớ rằng khi CPU cần truy cập trực

tiếp vào bộ nhớ RAM thì nó phải thực hiện ở tốc độ clock thấp hơn nên

giảm hiệu suất của toàn hệ thống).

Chúng ta gọi là "hit" khi CPU nạp một dữ liệu yêu cầu từ cache và "miss"

nếu dữ liệu yêu cầu không có ở đó và CPU cần phải truy cập vào bộ nhớ

RAM của hệ thống. L1 và L2 tương ứng là "Level 1" và "Level 2", được đại

diện cho khoảng cách chúng cách lõi CPU (khối thực thi). Một sự ngờ vực

hay có ở đây là tại sao có đến 3 bộ nhớ Cache (L1 data cache, L1 instruction

cache và L2 cache). Hãy chú ý trên hình 2.4.5 và thấy được rằng L1

instruction cache làm việc như một "input cache", trong khi đó L1 data

cache làm việc như một "output cache". L1 instruction cache - thường nhỏ

hơn L2 cache - chỉ hiệu quả khi chương trình bắt đầu lặp lại một phần nhỏ

của nó (loop), vì các chỉ lệnh yêu cầu sẽ gần hơn với khối tìm nạp. Trên

trang chi tiết kỹ thuật của một CPU, L1 cache có thể được thể hiện bằng một

hình ảnh hoàn toàn khác. Một số nhà máy sản xuất liệt kê hai L1 cache riêng

biệt (đôi khi gọi cache chỉ lệnh là "I" và cache dữ liệu là "D"), một số hãng

ghi số lượng của cả hai là 128 KB nhưng điều đó có nghĩa là 64 KB cho

http://www.ebook.edu.vn

cache chỉ lệnh và 64 KB cho cache dữ liệu. Mặc dù vậy đối với các CPU

Pentium 4 và Celeronn đời mới dựa trên socket 478 và 775 thì không có hiện

tượng này. Các bộ vi xử lý Pentium 4 (và các bộ vi xử lý Celeron sử dụng

socket 478 và 775) không có L1 instruction cache mà thay vào đó chúng có

một trace execution cache, đây là cache được đặt giữa khối giải mã và khối

thực thi. Chính vì vậy đây là L1 instruction cache nhưng tên đã được thay

đổi và ở một vị trí cũng khác. Chúng ta đang đề cập đến điều này là vì đây là

một lỗi rất thường xảy ra khi nghĩ rằng các bộ vi xử lý Pentium 4 không có

L1 instruction cache. Vậy khi so sánh Pentium 4 với các CPU khác mọi

người hãy nghĩ rằng L1 cache của nó nhỏ hơn nhiều.

2.4.6 Rẽ nhánh

Nhưng chúng tôi đã đề cập đến một vài lần từ trước, một trong những vấn đề

chính đối với các CPU là có quá nhiều '"miss" đối với cache, vì khối tìm

nạp phải truy cập trực tiếp vào bộ nhớ RAM (chậm), nên làm chậm cả hệ

thống. Thường sử dụng cache nhớ tránh được rất nhiều vấn đề này nhưng có

một giải pháp điển hình có thể giải quyết vấn đề này đó là rẽ nhánh: Nếu ở

giữa chương trình có một chỉ lệnh JMP ("jump" hoặc "go to") gửi chương

trình đến một vị trí nhớ khác hoàn toàn, vị trí mới này sẽ không được nạp

trong L2 memory cache, mà chỉ làm cho khối tìm nạp vào vị trí đó một cách

trực tiếp trong bộ nhớ RAM. Để giải quyết vấn đề này, cache controller của

các CPU hiện đại phân tích khối nhớ mà nó đã nạp và bất cứ khi nào có tìm

thấy một chỉ lệnh JMP thì nó sẽ nạp khối nhớ này vào vị trí đó trong L2

memory cache trước khi CPU xử lý chỉ lệnh JMP đó.

Hình 2.4.6. Giải pháp nhánh không điều kiện

http://www.ebook.edu.vn

Điều này quả mang lại sự thực thi dễ dàng hơn nhiều, vấn đề ở đây là khi

chương trình có một rẽ nhánh điều kiện, nghĩa là địa chỉ mà chương trình sẽ

vào phục thuộc vào một điều kiện vẫn chưa được biết. Ví dụ, nếu a =< b vào

địa chỉ 1, hoặc nếu a>b thì vào địa chỉ 2. Minh họa ví dụ này trên hình 2.4.7.

Điều này sẽ tạo ra một "miss" đối với cache, vì các giá trị của a và b hoàn

toàn không được biết đến và cache controller sẽ chỉ đang xem xét các chỉ

lệnh giống JMP. Giải pháp thực hiện ở đây là: cache controller nạp cả hai

điều kiện vào cache nhớ. Sau khi CPU xử lý chỉ lệnh rẽ nhánh, nó sẽ đơn

giản loại bỏ một trường hợp không được chọn. Việc nạp bộ nhớ cache với

dữ liệu không cần thiết sẽ tốt hơn so với việc truy cập vào bộ nhớ RAM.

Hình 2.4.7: Giải pháp rẽ nhánh có điều kiện

2.4.7 Việc xử lý chỉ lệnh

Khối tìm nạp chịu hoàn toàn trách nhiệm về việc nạp các chỉ lệnh từ bộ nhớ.

Đầu tiên, nó xem xem chỉ lệnh được yêu cầu bởi CPU có trong L1

instruction cache hay không. Nếu không có ở đây, nó sẽ vào L2 memory

cache. Nếu chỉ lệnh cũng không có trong L2 memory cache thì nó sẽ phải

nạp trực tiếp từ bộ nhớ RAM. Khi ta bật máy tính, tất cả các cache đều trống

rỗng, tuy nhiên khi hệ thống bắt đầu nạp hệ điều hành, CPU bắt đầu xử lý

các chỉ lệnh đầu tiên từ ổ cứng và cache controller bắt đầu nạp các cache và

đó là những gì bắt đầu để chuẩn bị thực hiện xử lý một chỉ lệnh. Sau khi

khối tìm nạp đã có được chỉ lệnh cần thiết cho CPU để được xử lý, nó gửi

chỉ lệnh này đến khối giải mã. Khối giải mã sẽ chỉ ra chỉ lệnh này thực hiện

những nhiệm vụ gì. Nó thực hiện điều đó bằng cách hỏi ý kiến bộ nhớ ROM

http://www.ebook.edu.vn

tồn tại bên trong CPU, được gọi là microcode. Mỗi chỉ lệnh mà CPU hiểu

đều có một microcode của nó. Microcode sẽ "ra lệnh" cho CPU thực hiện

những gì. Nó giống như hướng dẫn từng bước trong các tài liệu hướng dẫn.

Ví dụ, nếu chỉ lệnh đã nạp bổ sung a+b thì microcode của nó sẽ bảo với khối

giải mã rằng nó cần có hai tham số a và b. Khối giải mã sau đó sẽ yêu cầu

khối tìm nạp lấy dữ liệu có trong hai vị trí nhớ kế tiếp, phù hợp với các giá

trị của a và b. Sau khi khối giải mã "dịch" xong chỉ lệnh và lấy được tất cả

dữ liệu cần thiết để thực thi chỉ lệnh, nó sẽ gửi tất cả dữ liệu này và hướng

dẫn từng bước về cách thực thi chỉ lệnh đó đến khối thực thi. Khối thực thi

sẽ thực thi chỉ lệnh này. Trên các CPU hiện đại, ta sẽ thấy có nhiều khối

thực thi làm việc song song. Điều này được thực hiện để tăng hiệu suất của

CPU. Ví dụ, một CPU có 6 khối thực thi sẽ có thể thực thi đến 6 chỉ lệnh

song song đồng thời, chính vì vậy theo lý thuyết nó hoàn toàn có thể thực

hiện được một hiệu suất bằng với 6 bộ vi xử lý mà chỉ có một khối thực thi.

Kiểu kiến trúc này được gọi là kiến trúc "superscalar". Thông thường các

CPU hiện đại không có nhiều khối thực thi giống nhau; chúng có các khối

thực thi dành riêng cho mỗi loại chỉ lệnh. Một ví dụ dễ hiểu nhất ở đây là

FPU, Float Point Unit, khối chịu trách nhiệm thực thi các chỉ lệnh toán học

phức tạp. Thường giữa khối giải mã và khối thực thi có một khối (gọi là khối

gửi đi hoặc lập biểu) chịu trách nhiệm về việc gửi chỉ lệnh đến đúng khối

thực thi, có nghĩa là nếu là một chỉ lệnh toán học thì nó sẽ gửi chỉ lệnh đó

đến FPU chứ không gửi đến khối thực thi chung. Cũng vì vậy các khối thực

thi chung được gọi là ALU (Arithmetic and Logic Unit). Cuối cùng, khi việc

xử lý được thực hiện, các kết quả sẽ được gửi đến L1 data cache. Tiếp tục ví

dụ a+b của chúng ta, kết quả sẽ được gửi ra L1 data cache. Kết quả này có

thế sau đó được gửi lại đến bộ nhớ RAM hoặc đến một địa điểm khác như

video card chẳng hạn. Tuy nhiên điều này sẽ phụ thuộc vào chỉ lệnh kế tiếp

sẽ được xử lý tiếp theo (chỉ lệnh kế tiếp có thể là in kết quả ra màn hình).

Một tính năng thú vị khác mà tất cả các bộ vi xử lý đều có đó là "pipeline" -

trong thiết kế máy tính đây là một tuyến lắp ráp thuộc phần cứng làm tăng

tốc độ xử lý các lệnh thông qua quá trình thực hiện, truy tìm và ghi trở lại.

Thiết kế này có khả năng có một số chỉ lệnh khác ở một số tầng khác của

CPU ở cùng thời điểm. Sau khi khối tìm nạp đã gửi chỉ lệnh đến khối giải

mã, nó sẽ không làm gì (nhàn rỗi)? Vậy về việc thay thế không làm gì bằng

cách cho khối này lấy chỉ lệnh kế tiếp thì sao? Khi chỉ lệnh đầu tiên vào tới

khối thực thi, khối chỉ lệnh có thể gửi chỉ lệnh thứ hai đến khối giải mã và

lấy chỉ lệnh thứ ba, và quá trình cứ tiếp tục như vậy. Trong CPU hiện đại có

pipeline 11 tầng (mỗi tầng là một khối của CPU), nó sẽ có thể có đến 11 chỉ

lệnh bên trong tại cùng một thời điểm. Trong thực tế, khi tất cả các CPU

hiệu đại đều có kiến trúc "superscalar" thì số chỉ lệnh đồng thời bên trong

CPU sẽ cao hơn. Cũng vậy, với CPU pipeline có 11 tầng, một chỉ lệnh được

http://www.ebook.edu.vn

thực thi hoàn toàn sẽ phải chuyển qua 11 khối. Nếu càng có nhiều số tầng

hay khối như vậy thì lượng thời gian mà mỗi chỉ lệnh giữ chậm để được thực

thi sẽ nhiều hơn. Hay nói cách khác, hãy nhớ rằng một số chỉ lệnh có thể

chạy bên trong CPU cùng một thời điểm. Chỉ lệnh đầu tiên đã nạp bởi CPU

có thể giữ chậm 11 bước để được xử lý xong, nhưng khi nó đi ra thì chỉ lệnh

thứ hai sẽ cũng được xử lý ngay sau đó (chỉ mất một số bước giữ chậm chứ

không phải là toàn bộ 11 tầng). Có một số mẹo khác được sử dụng bởi các

CPU hiện đại nhằm tăng hiệu suất hệ thống.

Chúng sẽ xét hai trong số chúng, đó là thực thi không tuân theo thứ tự

(OOO) và thực thi có suy đoán

a. Thực thi không tuân theo thứ tự (OOO)

Hãy nhớ rằng chúng tôi đã nói rằng các CPU hiện đại có một số khối thực

thi làm việc song song và có một số kiểu khác đối với các khối thực thi, như

ALU - khối thực thi chung, và FPU - khối thực thi toán học. Hãy lấy một ví

dụ chung để hiểu rõ vấn đề này, chúng ta hãy cho CPU ví dụ có 6 cỗ máy

thực thi, 4 chỉ lệnh chung (generic instruction) cho ALU và 2 chỉ lệnh toán

học (math instruction) cho FPU. Chúng ta cũng cho rằng chương trình có

thứ tự chỉ lệnh dưới đây.

1. chỉ lệnh chung (ALU)

2. chỉ lệnh chung

3. chỉ lệnh chung

4. chỉ lệnh chung

5. chỉ lệnh chung

6. chỉ lệnh chung

7. chỉ lệnh toán học (FPU)

8. chỉ lệnh chung

9. chỉ lệnh chung

10. chỉ lệnh toán học

Điều gì sẽ xảy ra? Khối gửi đi/lập lịch sẽ gửi 4 chỉ lệnh đầu tiên đến các

khối ALU nhưng sau đó chỉ lệnh thứ 5 CPU sẽ cần phải đợi cho một chỉ

lệnh của ALU của chúng được giải phóng để tiếp tục xử lý, vì lúc này tất cả

http://www.ebook.edu.vn

4 khối thực thi chung đều bận cả. Điều này không tốt bởi vì chúng ta vẫn có

2 chỉ khối toán học (FPU) chưa dùng đến, rõ ràng chúng đang trong chế độ

nhàn rỗi. Chính vì vậy, một thực thi không tuân theo thứ tự (OOO) (tất cả

các CPU hiện đại đều có tính năng này) sẽ xem chỉ lệnh kế tiếp xem nó có

thể được gửi đến một trong hai khối thực thi đang nhàn rỗi kia không. Trong

ví dụ của chúng ta, nó không thể, vì chỉ lệnh thứ 6 cũng cần đến một khối

thực thi chung (ALU) để xử lý. Cỗ máy thực thi không tuân theo thứ tự vẫn

tiếp tục công việc tìm kiếm của nó và tìm ra rằng chỉ lệnh thứ 7 là một chỉ

lệnh toán học và có thể được thực thi tại khối thực thi toán học đang nhàn

rỗi. Do các khối thực thi toán học khác vẫn đang nhàn rỗi nên nó sẽ vào

chương trình để tìm kiếm chỉ lệnh toán học khác. Trong ví dụ của chúng ta,

nó sẽ nhảy qua chỉ lệnh thứ 8 và 9 và nạp chỉ lệnh thứ 10.

Trong ví dụ của chúng ta, các khối thực thi sẽ luôn xử lý tại cùng một thời

điểm, các chỉ lệnh được thực thi lúc này là chỉ lệnh thứ 1, 2, 3, 4, 7 và 10.

Tên OOO đến từ thực tế rằng CPU không cần phải đợi mà nó có thể kéo một

chỉ lệnh ở cuối chương trình và xử lý nó trước các chỉ lệnh ở trên. Rõ ràng

cỗ máy thực thi không tuân theo thứ tự OOO không thể mãi tìm kiếm một

chỉ lệnh nếu không có chỉ lệnh nào cần (ví dụ như trong ví dụ trên là không

có chỉ lệnh toán học chẳng hạn). Cỗ máy này của tất cả các CPU có một giới

hạn nhất định về số lượng chỉ lệnh mà có có thể tìm (thường là 512).

b. Thực thi có suy đoán

Hãy cho rằng một trong những chỉ lệnh chung là một chỉ lệnh rẽ nhánh có

điều kiện. Vậy cỗ máy thực thi OOO sẽ thực hiện những gì? Nếu CPU bổ

sung một tính năng gọi là thực thi có suy đoán (tất cả các CPU hiện đại đều

có), nó sẽ thực thi cả hai nhánh. Xem xét ví dụ bên dưới.

1. chỉ lệnh chung

2. chỉ lệnh chung

3. nếu a=<b tới chỉ lệnh 15

4. chỉ lệnh chung

5. chỉ lệnh chung

6. chỉ lệnh chung

7. chỉ lệnh toán học

8. chỉ lệnh chung

9. chỉ lệnh chung

10. chỉ lệnh toán học

...

15. chỉ lệnh toán học

16. chỉ lệnh chung

...

http://www.ebook.edu.vn

Khi cỗ máy thực thi không theo thứ tự phân tích chương trình này, nó sẽ kéo

chỉ lệnh 15 vào FPU, lúc này FPU đang nhàn rỗi. Chính vì vậy tại thời điểm

này, chúng ta có cả hai nhánh cùng được xử lý đồng thời. Nếu khi CPU kết

thúc việc xử lý chỉ lệnh thứ ba biết được a>b thì CPU sẽ loại bỏ việc xử lý

của chỉ lệnh 15. Ta có thể nghĩ điều này gây tốn thời gian nhưng trong thực

tế nó hoàn toàn không tốn thời gian. Nó hoàn toàn không đáng bao nhiêu để

CPU thực thi chỉ lệnh riêng đó, vì FPU kiểu gì cũng nhàn rỗi. Mặt khác nếu

a=<b thì CPU sẽ có được mức lợi về hiệu suất ở đây, vì khi chỉ lệnh thứ ba

yêu cầu chỉ lệnh 15, đây là chỉ lệnh đã được xử lý rồi, tiếp theo đó là chỉ

lệnh 16, và các chỉ lệnh sau đó. Chỉ lệnh 16 cũng đã được xử lý bởi cỗ máy

thực thi không theo thứ tự.

2.5.CÔNG NGHÊ SOI

2.5.1 Các công nghệ chế tạo vi mạch hiện tại

Vật liệu bán dẫn là một loại vật liệu không dẫn điện ở điều kiện thường

nhưng dẫn điện ở một điều kiện đặc biệt nào đó. Công nghệ hiện tại dựa

vào một lớp ôxít kim loại nằm trên phiến silíc kết nối bởi các đường hợp

chất dẫn điện. Lớp kim loại ôxít đóng vai trò như một transistor, khi được

nối với nguồn có điện thế cao, lớp ôxít này làm cho phần silíc bên dưới trở

nên dẫn điện và cho dòng điện được truyền từ cầu nối này qua cầu nối kia,

tạo thành các vi mạch điện tử thuộc loại "bật/tắt" hay "1/0" - nguồn gốc

của công nghệ máy vi tính hiện đại (Hình 2.5.1).

Hình 2.5.1. Nguyên lý làm việc của vi mạch điện tử

Khi làm việc, dòng điện sẽ chạy từ cầu nối có điện thế cao sang cầu nối

có điện thế thấp mỗi khi phiến silíc dẫn điện. Người ta điều khiển việc

này bằng cách cho dòng điện đi qua lớp ôxít bên trên khi nào cần dẫn

điện và ngắt khi không cần. Công nghệ này được gọi là công nghệ MOS

http://www.ebook.edu.vn

(Metal Oxide Semi-Conductor - bán dẫn ôxít kim loại). Một công nghệ

khác nữa là CMOS (Complimentary MOS - MOS bổ trợ), CMOS chỉ yêu

cầu điện thế thấp chạy qua lớp ôxít kim loại, ngược với MOS. Hầu hết

các thiết bị bán dẫn, đặc biệt là máy tính, đều dùng một hoặc cả hai công

nghệ này. Các cầu nối trên càng ngày càng nhỏ đi cùng với sự thu nhỏ

của liên kết CPU qua các công nghệ 0,25 → 0,18 → 0,13μm... Công

nghệ nói trên càng ngày càng khó áp dụng mà không xảy ra hiện tượng

đóng điện chéo qua các cầu khác không liên quan nằm bên cạnh do

chúng nằm quá sát nhau. Do vậy, công nghệ này cần phải được thay đổi

nếu muốn có được những bước tiến mới trong sản xuất các linh kiện bán

dẫn nói chung, và sản xuất CPU nói riêng. Các cải tiến khác cho công

nghệ MOS/CMOS có sẵn cũng mang đến một sự tiến bộ nào đó, bằng

chứng là cả AMD và Intel đều đã sản xuất sản phẩm của mình bằng công

nghệ 0,13μm.

2.5.2 Công nghệ SOI

Trong công nghệ SOI, một lớp vật liệu cách điện được chèn vào giữa

phiến silíc, để lại một phần silíc nhỏ ở giữa các cầu nối (Hình 2.5.2). Lợi

thế của SOI là với sự chèn thêm lớp cách điện này, điện dung của tụ silíc

giữa các cầu được cực tiểu hoá, do đó giảm thời gian cần thiết để

thoát/nạp, để mở và đóng cầu nối. Điều này giúp tăng số công việc xử lý

được trong một đơn vị thời gian.

Hình 2.5.2. Công nghệ SOI

Hình 2.5.3 là một ví dụ so sánh giữa một mạch điện MOS và một mạch

điện SOI. Điểm bất lợi của vi xử lý dùng công nghệ MOS là phần silíc ở

giữa các cầu nối (có vai trò như một tụ điện) phải nạp được điện dung tối

đa để có thể đóng - và lại phải thoát hết điện dung khi mở. Việc này tốn

thời gian xử lý, lãng phí thời gian xử lý trên CPU và là điều mà cả các

nhà sản xuất lẫn chúng ta đều không mong muốn. Còn đối với công nghệ

SOI thì phần silíc giữa các cầu nhỏ, thời gian tích điện nhỏ, tốc độ nhanh.

Lớp cách điện được dùng trong công nghệ SOI phổ biến là một dạng của

http://www.ebook.edu.vn

ôxít silíc hay thậm chí thuỷ tinh, nhưng có cấu trúc khác với cấu trúc pha

lê dẫn điện của phiến silíc.

Hình 2.5.3. So sánh công nghệ MOS và SOI

Về mặt hoá học, rất khó có thể ghép được 2 lớp silíc có cấu trúc pha lê và

không phải pha lê với nhau. Hãng IBM đã sử dụng một kĩ thuật có tên là

SIMOX (Seperation by Implantation of Oxygen - ngăn cách bởi phương

pháp cấy khí ôxi) để tạo một lớp ngăn cách bằng ôxít silíc (SiO2) trên

phiến silíc. Khí ôxi được ép lên bề mặt của bề mặt phiến silíc ở áp suất và

nhiệt độ cao, khi đó silíc phản ứng với ôxi tạo nên một lớp ôxít silíc bám

vào phiến silíc bên dưới. Tức là họ không tìm cách hàn gắn hai phần silíc

và ôxít silíc vào nhau mà tạo một lớp ôxít silíc ngay trên phần silíc có sẵn

(Hình 2.5.4).

Hình 2.5.4. Phương pháp SIMOX

a. Ưu điểm của SOI

SOI có nhiều ưu điểm. Thứ nhất, việc giảm thời gian đóng mở các cầu

nối có nghĩa rằng các bộ vi xử lý dùng công nghệ này sẽ nhanh hơn đến

http://www.ebook.edu.vn

30% so với các bộ vi xử lý dùng công MOS/CMOS nếu có cùng một

xung đồng hồ như nhau. Một ưu điểm nữa của SOI là các vi xử lý dùng

công nghệ này sẽ yêu cầu công suất thấp hơn nhiều so với MOS/CMOS.

Một xu hướng vài năm gần đây là khi mọi người sử dụng nhiều công

nghệ tiên tiến hơn thì công suất của các bộ vi xử lý càng tăng theo. Ví dụ,

vi xử lý 486 yêu cầu công suất khoảng 5W, trong khi đó một vi xử lý

Pentium tiêu tốn khoảng 10W và một vi xử lý Pentium II 400MHz có

công suất tiêu thụ khoảng 28W. Công suất tăng có nghĩa là hạn chế

những ứng dụng của các bộ vi xử lý, đặc biệt là trong các ứng dụng di

động. Khả năng của công nghệ SOI là yêu cầu một nguồn công suất thấp

xuất phát từ thực tế mạch điện SOI có thể hoạt động tại điện thế thấp với

cùng hiệu suất như công nghệ CMOS tại điện thế cao. Do đó, SOI sẽ có

một tác động rất lớn vào các ứng dụng yêu cầu công suất thấp chẳng hạn

như các ứng dụng vô tuyến và xách tay.

Bên cạnh đó, SOI cho phép thu nhỏ vi mạch lại đáng kể. Việc thu nhỏ

tiến trình sản xuất xuống 90nm (0,09μm) hay thấp hơn cùng với SOI có

nghĩa rằng các bộ vi xử lý sẽ được tăng tốc rất nhanh và tốc độ 5-10GHz

sẽ sớm đạt được.

b. Tương lai của công nghệ SOI

Tuy SOI có rất nhiều ưu điểm so với MOS/CMOS nhưng nó sẽ không

thay thế hoàn toàn MOS/CMOS mà chỉ tối ưu hoá cho hai công nghệ

này. SOI sẽ được kết hợp với các công nghệ khác để tạo ra các loại vi xử

lý mới. AMD, Intel và IBM đang nghiên cứu công nghệ 90nm, bước tiếp

theo trong quá trình phát triển công nghệ chế tạo vi mạch. Intel hi vọng

sẽ đưa ra bộ vi xử lý Pentium 4 dựa trên công nghệ này vào nửa cuối năm

2003, trong khi đó các sản phẩm của AMD sẽ được đưa vào sản xuất

trong quí 4 năm 2003 và đưa ra thị trường vào quí 1 năm 2004. Và vừa

qua, IBM và AMD đã ký một thoả thuận cùng nghiên cứu và phát triển

các loại vi xử lý mới dựa trên công nghệ 65nm và 45nm. Đây thực sự là

một bước tiến to lớn trong công nghệ chế tạo vi mạch và thúc đẩy việc

ứng dụng rộng rãi vi mạch vào tất cả các lĩnh vực như công nghệ thông

tin, viễn thông và tự động hoá.

2.6 kiến trúc Pentium M

khi tất cả các CPU mới của Intel sử dụng kiến trúc Pentium M, việc nghiên

cứu kiến trúc này là một việc quan trọng để từ đó ta có thể hiểu sâu được

kiến trúc của các CPU Core Solo hay Core Duo (Yonah) và cũng hiểu được

http://www.ebook.edu.vn

lớp nền tảng cho việc tiến tới kiến trúc lõi siêu nhỏ (Core microarchitecture),

được sử dụng bởi các CPU Merom, Conroe và Woodcrest.

Pentium M được xây dựng dựa trên kiến trúc thế hệ thứ 6 của Intel, cùng

được sử dụng trong các CPU Pentium Pro, Pentium II và Pentium III, tuy

nhiên lại không trên Pentium 4 như nhiều ta nghĩ, mục đích của nó nhằm

vào các máy tính di động. Ta có thể nghĩ Pentium M như một Pentium III

được nâng cao. Nhưng cần chú ý để không nhầm lẫn Pentium M với

Pentium III. Đôi khi Pentium M còn được gọi là Centrino. Quả thực nó có

thể được gọi như vậy khi ta có một laptop CPU Pentium M, chipset Intel

855 hay 915 và Intel/PRO wireless LAN. Chính vì vậy nếu ta có một laptop

được xây dựng trên Pentium M mà không có những điều kiện bổ sung như

trên thì không thể được coi là Centrino. Cơ bản về cách kiến trúc P6 làm

việc như thế nào và những điểm gì mới khi so sánh Pentium M với Pentium

III. Cũng vì vậy mà trong này ta sẽ biết thêm được về cách làm việc của các

CPU Pentium Pro, Pentium II, Pentium III và Celeron (chúng cũng chính là

các mô hình dựa trên P6, nghĩa là slot 1 và socket 370).

Trước khi tiếp tục, chúng ta hãy xem xét đến sự khác nhau giữa các CPU

Pentium M và Pentium III:

Nhìn bên ngoài, Pentium M làm việc giống như Pentium 4, truyền tải 4 dữ

liệu trên một chu kỳ clock. Kỹ thuật này được gọi là QDR (Quad Data Rate

- Gấp bốn lần tốc độ dữ liệu) và làm cho bus nội bộ có hiệu suất tăng gấp 4

lần với tốc độ clock thực của nó, ta có thể xem bảng dưới đây.

Clock thực Hiệu suất Tốc độ truyền

100 MHz

400 MHz

3.2 GB/s

133 MHz 533 MHz

4.2 GB/s

• L1 memory cache: Hai L1 memory cache 32 KB, một cho dữ liệu và

một cho chỉ lệnh (Pentium III có hai L1 memory cache16 KB).

• L2 memory cache: 1 MB trên các mô hình 130 nm (lõi "Banias") hay

2 MB trên các mô hình 90 nm (lõi "Dothan"). Pentium II chỉ có đến

512 KB. Celeron M, phiên bản rẻ tiền nhất của Pentium M cũng có

512 KB L2 memory cache. Hỗ trợ cho các chỉ lệnh SSE2.

• Dự báo nhánh cao cấp: Dự báo nhánh đã được thiết kế lại (và được

dựa trên mạch của Pentium 4) để cải thiện hiệu suất.

• Sự hợp nhất nhiều hoạt động nhỏ: Bộ giải mã chỉ lệnh hợp nhất được

hai hành động nhỏ thành một để có thể tiết kiệm được năng lượng và

http://www.ebook.edu.vn

cải thiện hiệu suất. Chúng ta sẽ nói kỹ hơn về vấn đề này ở phần dưới.

• Công nghệ SpeedStep nâng cao, đây là công nghệ cho phép các CPU

có thể giảm được clock trong chế độ nhàn rỗi để tiết kiệm thời gian

sống của pin. Một số tính năng nhằm tiết kiệm cho pin cũng đã được

bổ sung vào kiến trúc siêu nhỏ của Pentium M, vì mục đích của các

CPU này ban đầu được thiết kế cho máy tính di động.

Bây giờ chúng ta hãy đi xem xét sâu hơn về kiến trúc của Pentium M.

2.6.1 Nguyên lý của Pentium M

Nguyên lý là một danh sách tất cả các tầng mà chỉ lệnh đã cho phải được

thực thi theo đúng thuật toán. Intel đã không tiết lộ các nguyên lý của

Pentium M, chính vì vậy chúng ta sẽ nói về nguyên lý của Pentium III.

Nguyên lý của Pentium M có thể sẽ có nhiều tầng hơn so với Pentium III

nhưng việc phân tích nó sẽ cho chúng ta có được ý tưởng về kiến trúc của

Pentium M làm việc như thế nào.

Hãy nhớ rằng, nguyên lý làm việc của Pentium 4 có đến 20 tầng và nguyên

lý làm việc của các CPU Pentium 4 mới hơn được dựa trên lõi "Prescott" có

đến 31 tầng.

Trên hình 2.6.1 ta có thể thấy được nguyên lý 11 tầng của Pentium III

http://www.ebook.edu.vn

Hình 2.6.1: Nguyên lý của Pentium III

Dưới đây là giải thích một cách cơ bản về mỗi tầng, giải thích sẽ làm sáng tỏ

cách mỗi chỉ lệnh được gán được thực hiện như thế nào bởi các bộ vi xử lý

lớp P6. Đây chỉ là tóm tắt và những giải thích cụ thể dễ hiểu

IFU1: Nạp một dòng (32 byte tương đương với 256 bit) từ chỉ lệnh L1 cache

và lưu nó vào trong bộ đệm luồng chỉ lệnh (Instruction Streaming Buffer).

* IFU2: Nhận dạng các chỉ lệnh đường biên (16byte tương đương với

128bit). Vì các chỉ lệnh x86 không có một chiều dài cố định nên tầng này

đánh dấu vị trí mà mỗi chỉ lệnh bắt đầu và kết thúc bên trong 16byte đã được

nạp. Nếu có bất kỳ nhánh nào bên trong 16byte thì địa chỉ có nó sẽ được lưu

tại Branch Target Buffer (BTB), chính vì vậy CPU có thể sử dụng những

thông tin này sau trên mạnh tiên đoán nhánh của nó.

* IFU3: Đánh dấu đơn vị giải mã chỉ lệnh của mỗi chỉ lệnh phải được gửi.

Có ba khối giải mã chỉ lệnh khác nhau mà chúng ta sẽ đề cập đến chúng

trong phần dưới.

* DEC1: Giải mã chỉ lệnh x86 thành những chỉ lệnh nhỏ RISC (các hoạt

động nhỏ). Vì CPU có đến 3 bộ giải mã chỉ lệnh nên nó có thể giải mã được

đến 3 chỉ lệnh cùng lúc.

* DEC2: Gửi các chỉ lệnh nhỏ vừa được giải mã vào hàng đợi chỉ lệnh đã

giải mã (Decoded Instruction Queue), hàng đợi này có khả năng lưu trữ

http://www.ebook.edu.vn

được đến 6 chỉ lệnh nhỏ. Nếu chỉ lệnh đã được chuyển đổi nhiều hơn 6 chỉ

lệnh nhỏ thì tầng này cần phải được lặp lại để không bỏ sót chúng.

* RAT: Vì kiến trúc P6 thực hiện việc thi hành out-of-order (không tuân

theo thứ tự, viết tắt là OOO), nên giá trị của thanh ghi đã cho có thể được

thay đổi bởi một chỉ lệnh được thực thi trước vị trí chương trình diễn ra, sửa

dữ liệu cần thiết cho chỉ lệnh khác. Chính vì vậy để giải quyết được kiểu

xung đột này, tại tầng này, thanh ghi gốc được sử dụng bởi chỉ lệnh sẽ được

thay đổi thành 40 thanh ghi bên trong mà kiến trúc siêu nhỏ mà P6 có.

* ROB: Tại tầng này, ba chỉ lệnh nhỏ được giải mã sẽ nạp vào Reorder

Buffer (ROB). Nếu tất cả dữ liệu đều cần thiết cho việc thực thi của một chỉ

lệnh nhỏ đã được cung cấp và nếu có một khe mở tại hàng đợi chỉ lệnh đã

giải mã Reservation Station thì chỉ lệnh này sẽ được chuyển vào hàng đợi

này.

* DIS: Nếu chỉ lệnh đã giải mã này lại không được gửi đến hàng đợi trên thì

nó có thể được thực hiện tại tầng này. Chỉ lệnh giải mã sẽ được gửi đến khối

thực thi thích hợp.

* EX: Chỉ lệnh được giải mã sẽ được thực thi tại khối thực thi này. Mỗi một

chỉ lệnh đã giải mã này chỉ cần một chu kỳ xung nhịp để được thực thi.

* RET1: Kiểm tra tại bộ đệm Reorder Buffer xem có bất kỳ chỉ lệnh đã giải

mã nào được đánh dấu như "đã thực thi" không.

* RET2: Khi tất cả các chỉ lệnh đã giải mã có liên quan đến chỉ lệnh x86

thực sự đã được xóa hết khỏi bộ đệm Reorder Buffer và tất cả các chỉ lệnh

nhỏ (đã được giải mã) có liên quan với chỉ lệnh x86 hiện hành đã được thực

thi, thì các chỉ lệnh này sẽ được xóa khỏi bộ đệm Reorder Buffer và các

thanh ghi x86 sẽ được nâng cấp (tiến trình được quay trở về tầng RAT). Tiến

trình trở lại làm việc phải được thực hiện theo thứ tự. Ba chỉ lệnh đã giải mã

có thể được xóa khỏi bộ đệm Reorder Buffer trong mỗi một chu kỳ clock.

2.6.2. Memory Cache và Khối tìm nạp

Nhưng chúng tôi đã đề cập từ trước, L2 memory cache của Pentium M có

thể là 1 MB trên các mô hình 130 nm (lõi "Banias") hay 2 MB trên các mô

hình 90 nm (lõi "Dothan"). Trong khi đó nó có hai memory cache L1, một

cái là 32KB cho chỉ lệnh và cái kia là 32KB cho dữ liệu. Như đã giải thích ở

phần trước, khối tìm nạp được chia thành 3 tầng. Trong hình 2.6.3, ta có thể

xem được cách khối tìm nạp làm việc như thế nào.

Khối tìm nạp nạp dòng thứ nhất (32 bytes = 256 bits) vào bộ đệm luồng chỉ

lệnh của nó (Instruction Streaming Buffer). Sau đó bộ giải mã chiều dài chỉ

lệnh sẽ nhận ra các ranh giới chỉ lệnh bên trong mỗi 16byte. Vì chỉ lệnh x86

không có chiều dài cố định nên tầng này sẽ đánh dấu vị trí mỗi chỉ lệnh bắt

đầu và kết thúc bên trong 128bit đã được nạp. Nếu có một chỉ lệnh nhánh

http://www.ebook.edu.vn

nào đó bên trong 128 bit đó thì địa chỉ sẽ được lưu vào Branch Target Buffer

(BTB), chính vì vậy CPU của ta có thể sử dụng các thông tin này sau trên

mạnh dự báo nhánh của nó. BTB có 512 đầu vào.

Sau khi tầng Decoder Alignment Stage đánh dấu khối giải mã chỉ lệnh nào

thì mỗi chỉ lệnh sẽ được gửi đi. Có 3 khối giải mã chỉ lệnh khác nhau sẽ giới

thiệu ở phần dưới đây.

Hình 2.6.3: Khối tìm nạp

2.6.4 Giải mã chỉ lệnh và thay đổi tên cho thanh ghi

Vì kiến trúc P6 sử dụng cho các bộ vi xử lý Pentium Pro kiến trúc

CISC/RISC lai nên bộ vi xử lý phải chấp nhận các chỉ lệnh CISC và cũng

được biết đến với tư cách là các chỉ lệnh x86, điều này là do tất cả các phần

mềm cung cấp ngày nay đều được viết bằng kiểu chỉ lệnh này. CPU chỉ sử

dụng RISC không phải là tạo ra cho máy tính, vì nó không chạy phần mềm

hiện nay như Windows và Office.

Vì vậy, giải pháp được sử dụng bởi tất cả các bộ vi xử lý hiện đang cung cấp

http://www.ebook.edu.vn

trên thị trường ngay nay từ cả Intel và AMD là đều sử dụng giải mã

CISC/RISC. Bên trong, CPU xử lý các chỉ lệnh RISC nhưng front-end của

nó lại chỉ chấp nhận các chỉ lệnh CISC x86. Các chỉ lệnh CISC x86 được đề

cập đến như chỉ lệnh thông thường còn các chỉ lệnh RISC bên trong được đề

cập đến như các chỉ lệnh đã được giải mã. Mặc dù vậy, các chỉ lệnh đã được

giải mã RISC không thể được truy cập một cách trực tiếp, do đó chúng ta

không thể tạo phần mềm dựa trên các chỉ lệnh này để vòng tránh qua bộ giải

mã. Cũng vậy, mỗi CPU sử dụng các chỉ lệnh RISC của riêng nó, các chỉ

lệnh này không được công bố và không tương thích với chỉ lệnh đã giải mã

từ các CPU khác. Điều đó có nghĩa là các chỉ lệnh đã giải mã của Pentium

M khác hoàn toàn với chỉ lệnh đã giải mã của Pentium 4, sự khác biệt này

chính là từ các chỉ lệnh giải mã Athlon 64. Phụ thuộc vào độ phức tạp của

chỉ lệnh x86 mà nó phải được chuyển thành các chỉ lệnh giải mã RISC.

Bộ giải mã chỉ lệnh Pentium M làm việc giống như trên hình 2.6.3. Như

những gì ta có thể quan sát thấy, có ba bộ giải mã và một bộ xếp dãy chỉ

lệnh đã giải mã (MIS). Hai bộ giải mã được tối ưu hóa cho các chỉ lệnh đơn

giản, trong đó các chỉ lệnh đơn giản là chỉ lệnh thường chỉ là một chỉ lệnh

giải mã. Kiểu chỉ lệnh này được chuyển đổi như một chỉ lệnh giải mã. Một

bộ giải mã được tối ưu hóa cho các chỉ lệnh x86 phức tạp, chỉ lệnh này có

thể được chuyển đổi thành 4 chỉ lệnh đã giải mã. Nếu chỉ lệnh x86 quá phức

tạp, có nghĩa là nó chuyển đổi tới hơn bốn chỉ lệnh giải mã thì nó sẽ được

gửi đến MIS là bộ nhớ ROM, gồm có một danh sách các chỉ lệnh có thể

được dùng để thay thế cho x86 trên.

Hình 2.6.3: Bộ giải mã và đổi tên thanh ghi

Bộ giải mã chỉ lệnh có thể chuyển đổi lên đến 3 chỉ lệnh x86 trên mỗi một

chu kỳ clock, một bộ giải mã phức tạp Decoder 0 và hai bộ giải mã đơn giản

http://www.ebook.edu.vn

1 và 2, điều này làm cho chúng ta có cảm giác hàng đợi chỉ lệnh đã được

giải mã (Decoded Instruction Queue) có thể lên đến 6 chỉ lệnh giải mã trên

mỗi chu kỳ clock, kịch bản có thể khi Decoder 0 gửi 4 chỉ lệnh đã giải mã và

hai bộ giải mã kia gửi mỗi bộ một chỉ lệnh đã được giải mã - hoặc khi MIS

được sử dụng. Các chỉ lệnh x86 phức tạp sử dụng (MIS) Micro Instruction

Sequencer có thể dữ chậm một số chu kỳ clock khi giải mã, điều đó phụ

thuộc vào số lượng chỉ lệnh được giải mã sẽ tạo ra từ sự chuyển đổi. Ta cần

nên lưu ý rằng Decoded Instruction Queue chỉ có thể giữ được đến 6 chỉ

lệnh đã giải mã, chính vì vậy nếu có hơn 6 chỉ lệnh giải mã được sinh ra bởi

bộ giải mã cộng với MIS thì một chu kỳ khác sẽ được sử dụng để gửi các chỉ

lệnh hiện hành trong hàng đợi tới Register Allocation Table (RAT), làm

trống hàng đợi và chấp nhận các chỉ lệnh đã giải mã mà không phù hợp với

nó trước đó. Pentium M sử dụng một khái niệm mới đối với kiến trúc P6,

khái niệm này được gọi là hợp nhất chỉ lệnh giải mã. Trên Pentium M, mỗi

một bộ giải mã nối hai chỉ lệnh đã giải mã thành một. Chúng sẽ chỉ được

tách ra khi được thực thi, tại tầng thực thi. Trên kiến trúc P6, mỗi chỉ lệnh có

chiều dài 118 bit. Pentium M thay vì làm việc với các chỉ lệnh 118bit, nó

làm việc với các chỉ lệnh có chiều dài 236bit mà chính là kích thước nối của

hai chỉ lệnh 118bit. Cần phải lưu ý rằng các chỉ lệnh đã giải mã liên tục có

chiều dài là 118bit, còn những gì được thay đổi là chúng được truyền tải

thành một nhóm gồm hai chỉ lệnh cơ bản này.

Ý tưởng đằng sau phương pháp này là để tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu

suất. Việc gửi một chỉ lệnh có kích thước 236bit dài sẽ nhanh hơn việc gửi

hai chỉ lệnh 118bit. Thêm vào đó, CPU sẽ tiêu tốn ít nguồn điện hơn vì sẽ có

ít chỉ lệnh đã giải mã lưu thông bên trong nó. Các chỉ lệnh được gắn sau đó

sẽ gửi đến bảng Register Allocation Table (RAT). Kiến trúc CISC x86 chỉ

có 8 thanh ghi 32bit đó là EAX, EBX, ECX, EDX, EBP, ESI, EDI và ESP.

Số lượng này là quá thấp vì các CPU hiện đại có thể thực thi mã out-of-

order, và nó sẽ "phá hỏng" nội dung bên trong thanh ghi đã có, từ đó gây ra

hỏng các chương trình.

Chính vì vậy, tại tầng này, bộ vi xử lý thay đổi tên và nội dung của các thanh

ghi đã được sử dụng bởi chương trình thành một trong 40 thanh ghi bên

trong đã có (mỗi một thanh ghi này có 80 bit rộng, như vậy việc chấp nhận

cả dữ liệu nguyên và dữ liệu thay đổi), cho phép chỉ lệnh có thể chạy tại

cùng một thời điểm với chỉ lệnh khác mà sử dụng cũng cùng một thanh ghi

chuẩn, hoặc thậm chí out-of-order, có nghĩa là cho phép chỉ lệnh thứ hai có

thể chạy trước chỉ lệnh thứ nhất dù là chúng cùng chung trên một thanh ghi.

2.6.5 Bộ đệm Reorder Buffer

Khi các chỉ lệnh x86 và chỉ lệnh đã được giải mã có kết quả truyền tải giữ

http://www.ebook.edu.vn

các tầng CPU

theo cùng một

thứ tự thì chúng

sẽ xuất hiện trên

chương trình

đang chạy.

Khi vào ROB,

các chỉ lệnh đã

giải mã có thể

được nạp và thực

thi out-of-order

bởi các khối thực

thi. Sau khi thực

thi, các chỉ lệnh

được gửi trở lại

về Reorder

Hình 2.6.4: bộ đệm Reorder

Buffer. Sau đó tại tầng cuối cùng (Retirement), các chỉ lệnh đã thực thi được

xuất ra khỏi bộ đệm Reorder Buffer với cùng thứ tự mà chúng đã nạp vào,

có nghĩa là chúng được chuyển theo thứ tự. Trên hình 2.6.4, ta có thể có

được ý tưởng vè cách chúng làm việc như thế nào. Trên hình 2.6.4, chúng ta

đã đơn giản hóa trạm dành riêng (Reservation Station) và các khối thực thi

để có thể tạo sự dễ hiểu cho bộ đệm này.

2.6.6 Reservation Station và các khối thực thi

Như chúng ta đã đề cập từ trước, Pentium M sử dụng các chỉ lệnh được nối

(thường là hai chỉ lệnh được nối với nhau) từ khối giải mã đến vị trí các

cổng gửi đi được đặt trên Reservation Station. Reservation Station gửi đi các

chỉ lệnh giải mã một cách riêng biệt (đã tách ghép đôi).

Pentium M có 5 cổng như vậy, các cổng này được đánh số từ 0 đến 4 trên

Reservation Station. Mỗi cổng được kết nối đến một hoặc nhiều khối thực

thi, các ta có thể xem trên hình 2.6.6.

http://www.ebook.edu.vn

Hình 2.6.6: Reservation Station và các khối thực thi

Dưới đây là giải thích vắn tắt về mỗi khối thực thi có trên CPU này:

• IEU: Instruction Execution Unit - Khối thực thi chỉ lệnh là nơi các chỉ

lệnh thường được thực thi. Cũng được biết đến trong các sách giới

thiệu về cấu trúc máy tính với tên ALU (Khối logic số học -

Arithmetic and Logic Unit). Các chỉ lệnh thông thường này cũng được

hiểu là các chỉ lệnh "integer".

• FPU: Floating Point Unit là nơi các chỉ lệnh toán học phức tạp được

thực thi. Trước kia, khối này cũng có tên gọi là "math co-processor" -

khối đồng xử lý toán học.

• SIMD: là nơi các chỉ lệnh SIMD được thực thi, nghĩa là MMX, SSE

và SSE2.

• WIRE: Các hàm phức tạp.

• JEU: Jump Execution Unit xử lý các nhánh và cũng được biết đến là

Branch Unit.

• Shuffle: Khối này thực thi một loại chỉ lệnh của SSE có tên gọi là

"shuffle".

• PFADD: Thực thi một chỉ lệnh SSE có tên gọi PFADD (Packed FP

Add) và cả các chỉ lệnh COMPARE, SUBTRACT, MIN/MAX và

CONVERT. Khối này được cung cấp riêng, chính vì vậy nó có thể bắt

đầu việc thực thi một chỉ lệnh giải mã mới mỗi chu kỳ clock dù là nó

http://www.ebook.edu.vn

không hoàn tất được sự thực thi của chỉ lệnh đã giải mã trước. Khối

này có một độ trễ ba chu kỳ clock, nghĩa là nó sẽ giữ chậm 3 chu kỳ

clock đối với mỗi chỉ lệnh đã được xử lý.

• Reciprocal Estimates: Thực thi hai chỉ lệnh SSE, một được gọi là RCP

(Reciprocal.Estimate) và một gọi là RSQRT (Reciprocal Square Root

Estimate).

• Load: Khối này dùng để xử lý các lệnh hỏi dữ liệu để được đọc từ bộ

nhớ RAM.

• Store Address: Khối xử lý các chỉ lệnh hỏi dữ liệu để được ghi tại bộ

nhớ RAM. Khối này cũng có tên gọi là AGU, Address Generator

Unit. Kiểu chỉ lệnh này sử dụng cả hai khối Store Address và Store

Data tại cùng một thời điểm.

• Store Data: Xử lý các chỉ lệnh hỏi dữ liệu để ghi vào bộ nhơ RAM.

Loại chỉ lệnh này sử dụng cả hai khối Store Address và Store Data tại

cùng một thời điểm.

Chỉ lệnh phức tạp có thể mất đến vài chu kỳ clock để được xử lý. Chúng

ta hãy lấy một ví dụ của cổng 0, nơi mà khối floating point unit (FPU) có

mặt ở đó. Trong khi khối này đang xử lý một chỉ lệnh rất phức tạp, mất

đến vài clock để thực thi thì cổng 0 sẽ không ngừng hoạt động: nó luôn

luôn gửi các chỉ lệnh đơn giản đến IEU mặc dù khi đó FPU lại đang rất

bận. Chính vì vậy, mặc dù tốc độ gửi đi lớn nhất là 5 chỉ lệnh giải mã trên

mỗi một chu kỳ clock, nhưng thực tế CPU có thể tăng lên đến 12 chỉ lệnh

giải mã tại cùng một thời điểm. Các chỉ lệnh yêu cầu CPU để có thể đọc

dữ liệu được lưu trữ tại địa chỉ RAM đã cho, Khối lưu trữ địa chỉ (Store

Address Unit) và lưu trữ dữ liệu (Store Data Unit) được sử dụng tại cùng

một thời điểm, một dùng cho định địa chỉ và một dùng cho đọc dữ liệu.

Đây là lý do tại sao cổng 0 và cổng 1 có nhiều khối thực thi. Nếu chú ý

một chút thì sẽ thấy được Intel đã đặt trên cùng một cổng cả khối

"nhanh" và ít nhất cùng với một khối "chậm" (phức tạp). Chính vì vậy,

trong khi khối phức tạp đang bận xử lý dữ liệu thì các khối khác có thể

vẫn nhận các chỉ lệnh đã giải mã từ cổng gửi đi tương ứng của nó. Ý

tưởng này là để giữ tất cả các khối thực thi luôn làm việc.

Sau mỗi một chỉ lệnh đã giải mã được thực thi, nó lại trở về bộ đệm

Reorder Buffer, đây chính là nơi cờ của nó được thiết lập chế độ thực thi.

Sau đó tại tầng cuối (Retirement Stage), các chỉ lệnh đã giải mã có cờ

"thực thi" của chúng sẽ được xóa khỏi bộ đệm Reorder Buffer theo thứ tự

ban đầu của nó (nghĩa là theo thứ tự mà chúng đã được giải mã) và sau

đó các thanh ghi x86 được cập nhật (ngược lại bước của tầng đặt lại tên

của thanh ghi). Có thể có đến 3 chỉ lệnh giải mã được xóa bỏ từ bộ đệm

Reorder Buffer trên mỗi một chu kỳ clock. Sau đó, mỗi chỉ lệnh này được

http://www.ebook.edu.vn

thực thi hoàn toàn.

2.6.7 Công nghệ SpeedStep nâng cao

Công nghệ SpeedStep đã được tạo ra để tăng thời gian sống của pin và nó

đã được giới thiệu đầu tiên trong các bộ vi xử lý của Pentium III, M.

Phiên bản đầu tiên của công nghệ này cho phép các CPU có thể chuyển

giữa hai tần số clock một cách động. Chế độ tần số thấp (LFM), chế độ

cho phép thời lượng sống của pin lớn nhất, và chế độ tần số cao (HFM),

chế độ cho phép chạy CPU tại tốc độ lớn nhất. CPU có hai tỉ lệ nhân

clock. Tỉ lệnh LFM là tỉ lệnh factory-lock và ta không thể thay đổi được

tỉ lệ này.

Pentium M đã giới thiệu công nghệ SpeedStep nâng cao (Enhanced

SpeedStep Technology), công nghệ này là công nghệ có một vài cấu hình

clock và điện áp khác giữa LFM (cố định là 600 MHz) và HFM.

Một ví dụ để các ta có thể dễ hiểu hơn trong trường hợp này, bảng cấu

hình clock và điện áp cho 1.6 GHz Pentium M dựa trên công nghệ

130nm:

Điện áp

1.484 V

1.42 V

1.276 V

1.164 V

1.036 V

0.956 V

Clock

1.6 GHz

1.4 GHz

1.2 GHz

1 GHz

800 MHz

600 MHz

Mỗi một mô hình của Pentium M lại có một bảng điện áp/clock của riêng

nó. Cần phải chú ý một điều rằng khi không cần tốn nhiều năng lương đối

với laptop thì không những chỉ giảm tốc độ clock mà còn giảm cả điện áp,

việc giảm điện áp sẽ giúp giảm tiêu tốn rất nhiều pin máy.

Công nghệ Enhanced SpeedStep làm việc bằng cách kiểm tra các thanh ghi

model cụ thể MSR (Model Specific Registers) của CPU, thành phần này

được gọi là Performance Counter. Với thông tin thu nhận từ bộ phận này,

CPU có thể giảm hoặc tăng clock/điện áp của nó phụ thuộc vào khả năng sử

dụng của CPU. Đơn giản nếu ta tăng yêu cầu sử dụng CPU thì nó sẽ tăng

clock/điện áp còn nếu ta giảm hiệu suất sử dụng CPU thì nó sẽ giảm

clock/điện áp.

http://www.ebook.edu.vn

Enhanced SpeedStep chỉ là một trong những nâng cao đã được thực hiện với

kiến trúc siêu nhỏ Pentium M nhằm mục đích tăng thời lượng sử dụng của

pin.

http://www.ebook.edu.vn

2.7 kiến trúc Core của Intel

Kiến trúc Core của Intel đã xuất hiện vào năm 2006, đây là kiến trúc được sử

dụng trên tất cả các CPU mới vào thời điểm này của Intel như Merom,

Conroe và Woodcrest. Kiến trúc mới này được xây dựng trên kiến trúc của

Pentium M và có thêm một số tính năng mới. Thứ đầu tiên mà ta cần phải

lưu ý đó là phần tên, kiến trúc Core không có liên quan gì với các CPU Core

Solo và Core Duo của Intel. Core Single là một CPU Pentium M được sản

xuất ở công nghệ 65 nm, còn các CPU Core Duo - trước đây được gọi là

Yonah - là loại CPU dual-core công nghệ 65 nm dựa trên kiến trúc của

Pentium M.

Pentium M được xây dựng trên kiến trúc thế hệ thứ 6 của Intel, kiến trúc này

cũng được sử dụng trong các CPU Pentium Pro, Pentium II, Pentium III và

các CPU trước đây của Celeron chứ không phải trên Pentium 4 như ta vẫn

nghĩ, ý tưởng ban đầu được nhắm đến các máy tính di động. Nếu ta có thể

nghĩ Pentium M là một Pentium III nâng cao thì cũng có thể nghĩ kiến trúc

Core là một Pentium M nâng cao.

Kiến trúc Core sử dụng cấu trúc 14 tầng. Cấu trúc này là một danh sách tất

cả các tầng mà một chỉ lệnh được cho phải trải qua khi thực thi hoàn tất.

Intel đã không tiết lộ cấu trúc của Pentium M và chính vì vậy cho tới nay họ

vẫn chưa công bố những chỉ dẫn của mỗi tầng trong kiến trúc Core. Pentium

III đã sử dụng cấu trúc 11 tầng, Pentium 4 ban đầu có 20 tầng và các CPU

Pentium 4 mới hơn dựa trên lõi "Prescott" được biết có đến 31 tầng.

2.7.1 Cache nhớ và khối tìm nạp

Hãy nhớ rằng Cache nhớ là bộ nhớ tốc độ cao (SRAM) được nhúng vào bên

trong CPU, sử dụng để lưu dữ liệu mà CPU có thể cần đến. Nếu dữ liệu

được yêu cầu bởi CPU không có trong Cache nhớ thì nó sẽ phải truy cập vào

bộ nhớ RAM chính, điều này sẽ làm giảm tốc độ của CPU vì bộ nhớ RAM

được truy vập bằng sử dụng tốc độ clock ngoài của CPU. Ví dụ, trên một

CPU 3,2GHz, Cache nhớ được truy cập ở tốc độ 3,2GHz nhưng bộ nhớ

RAM chính chỉ được truy cập ở tốc độ clock 800MHz. Kiến trúc Core được

tạo bằng việc có khái niệm multi-core, nghĩa là có nhiều chip trên một đóng

gói. Trên Pentium D, phiên bản dual-core của Pentium 4, mỗi core đều có

Cache nhớ L2 của riêng nó. Vấn đề với hai Cache riêng ở đây là tại một thời

điểm nào đó khi một lõi này sử dụng hết Cache nhớ trong khi lõi kia lại

không sử dụng hết hiệu suất trên Cache nhớ L2 của riêng nó. Khi xảy ra điều

này thì lõi đầu tiên phải truy cập và lấy dữ liệu từ bộ nhớ RAM chính, thậm

chí Cache nhớ L2 của lõi thứ hai là hoàn toàn trống rỗng mà lẽ ra có thể

http://www.ebook.edu.vn

được sử dụng để lưu dữ liệu, tránh tình trạng lõi phải truy cập trực tiếp vào

bộ nhớ RAM chính. Đối với kiến trúc Core, vấn đề này đã được giải quyết.

Cache nhớ L2 được chia sẻ, có nghĩa là cả hai lõi đều có thể sử dụng Cache

nhớ L2 một cách chung nhau, cấu hình động sẽ được thực hiện cho mỗi

Cache. Ví dụ với một CPU có 2 MB L2 cache, một lõi có thể đang sử dụng

1,5MB còn lõi kia sử dụng 512 KB (0.5 MB), ngược lại với tỷ lệ chia cố

định 50-50 như đã được sử dụng trước đây trong các CPU dual-core.

Khối tiền tìm nạp được chia sẻ giữa các lõi, nghĩa là nếu hệ thống Cache nhớ

đã nạp một khối dữ liệu để được sử dụng bởi lõi đầu tiên thì lõi thứ hai cũng

có thể sử dụng dữ liệu đã được nạp trên Cache này rồi. Trong các kiến trúc

trước, nếu lõi thứ hai cần dữ liệu giống như dữ liệu đã được nạp vào Cache

của lõi đầu tiên thì nó vẫn phải truy cập thông qua bus ngoài (điều đó khiến

CPU làm việc ở tốc độ clock ngoài, có tốc độ clock thấp hơn tốc độ clock

trong) hoặc thậm chí lấy dữ liệu cần thiết trực tiếp từ bộ nhớ RAM của hệ

thống. Intel cũng đã cải thiện khối tiền tìm nạp của CPU, đưa ra các mẫu

theo cách mà CPU hiện đang lấy dữ liệu từ bộ nhớ để đoán thử dữ liệu mà

CPU sẽ tìm nạp tiếp theo là gì và nạp nó vào Cache nhớ trước khi CPU yêu

cầu. Ví dụ, nếu CPU đã nạp dữ liệu từ địa chỉ 1, sau đó yêu cầu dữ liệu trên

địa chỉ 3 và sau đó yêu cầu tiếp dữ liệu trên địa chỉ 5 thì khối tiền tìm nạp sẽ

đoán rằng chương trình sẽ nạp dữ liệu từ địa chỉ 7 và nó sẽ nạp từ địa chỉ

này ra Cache nhớ trước khi CPU yêu cầu đến nó. Quả thực ý tưởng này

không có gì mới mẻ và tất cả các CPU từ Pentium Pro sẽ dụng một số kiểu

dự đoán để cung cấp Cache nhớ L2. Trên kiến trúc Core, Intel đã có một

chút nâng cao về tính năng này bằng cách tạo ra một khối tiền tìm nạp tìm

kiếm các mẫu trong dữ liệu tìm nạp thay vì các bộ chỉ thị tĩnh của dữ liệu mà

CPU sẽ yêu cầu tiếp theo.

2.7.2 Bộ giải mã chỉ lệnh: Macro-Fusion

Một khái niệm mới được giới thiệu trong kiến trúc Core đó là macro-fusion.

Macro-fusion là khả năng gắn (joining) hai chỉ lệnh x86 vào thành một chỉ

lệnh micro-op. Cách làm này có thể cải thiện được hiệu suất của CPU và tiêu

tốn ít năng lượng của CPU hơn vì nó sẽ chỉ thực thi một chỉ lệnh micro-op

thay vì hai. Mặc dù vậy cơ chế này lại bị hạn chế đối với các chỉ lệnh so

sánh và các chỉ lệnh rẽ nhánh có điều kiện (có nghĩa là các chỉ lệnh CMP và

TEST và Jcc). Ví dụ, chúng ta hãy xem đoạn chương trình dưới đây:

...

load eax, [mem1]

cmp eax, [mem2]

http://www.ebook.edu.vn

jne target

...

Đoạn chương trình này sẽ thực hiện nạp thanh ghi 32 bit EAX bằng dữ liệu

được chứa trong vị trí nhớ 1, so sách giá trị của nó với dữ liệu có trong vị trí

nhớ 2 và nếu chúng khác nhau thì (jne = jump if not equal), thì chương trình

sẽ truy cập vào địa chỉ "target", còn nếu bằng nhau thì chương trình sẽ tiếp

tục trên vị trí hiện hành. Với macro-fusion, các chỉ lệnh so sánh (cmp) và rẽ

nhánh (jne) sẽ được hợp nhất vào một chỉ lệnh micro-op. Chính vì vậy sau

khi chuyển qua bộ giải mã chỉ lệnh, phần chương trình này sẽ giống như

dưới đây:

...

load eax, [mem1]

cmp eax, [mem2] + jne target

...

Như những gì thấy ở trên, chúng ta đã lưu một chỉ lệnh. Càng ít chỉ lệnh

được thực thi thì máy tính của ta sẽ thực hiện việc thực thi nhiệm vụ nhanh

hơn và tốn ít công suất tiêu thụ hơn. Bộ giải mã chỉ lệnh có trên kiến trúc

Core có thể giải mã 4 chỉ lệnh trên một chu kỳ clock, trong khi đó ở các

CPU trước như Pentium M và Pentium 4 thì chỉ có thể giải mã được đến 3.

Ở đây bộ giải mã chỉ lệnh của kiến trúc Core kéo đến 5 chỉ lệnh mỗi lần vào

hàng đợi chỉ lệnh, thậm chí nó còn có thể giải mã đến 4 chỉ lệnh trên một

chu kỳ clock. Chính vì vậy nếu hai trong số 5 chỉ lệnh được nối thành một

thì bộ giải mã vẫn có thể giải mã bốn chỉ lệnh trên một chu kỳ clock. Và nó

sẽ ở chế độ nhàn rỗi cục bộ bất cứ khi nào macro-fusion xảy ra, nghĩa là bộ

giải mã sẽ chỉ cung cấp ba chỉ lệnh nối micro-op ở đầu ra của nó trong khi

có khả năng cung cấp đến bốn.

Trong hình 2.7.1 bên dưới ta có thể thấy những thông tin tóm tắt đã giải

thích ở trên.

http://www.ebook.edu.vn

Hình 2.7.2: Khối tìm nạp và bộ giải mã chỉ lệnh trong kiến trúc Core

2.7.3 Khối thực thi

Pentium M có 5 cổng gửi đi được đặt trên trạm dành riêng Reservation

Station của nó, nhưng chỉ có hai cổng được sử dụng để gửi đi các chỉ lệnh

micro-ops đến các khối thực thi. Ba chỉ lệnh còn lại được sử dụng bởi các

khối có liên quan đến bộ nhớ (Load, Store Address và Store Data). Kiến trúc

Core cũng có 5 cổng gửi đi như vậy nhưng ba trong số chúng được sử dụng

cho việc gửi các chỉ lệnh nối micro-ops đến các khối thực thi. Điều đó có

nghĩa rằng các CPU đang sử dụng kiến trúc Core đó có thể gửi ba chỉ lệnh

micro-ops đến khối thực thi trên một chu kỳ clock. Kiến trúc Core cung cấp

một FPU mở rộng và một IEU mở rộng (ALU) khi chúng ta mang ra so với

kiến trúc Pentium M. Điều này có nghĩa rằng kiến trúc Core có thể xử lý đến

ba chỉ lệnh số nguyên trên một chu kỳ clock, trong khi Pentium M chỉ có

http://www.ebook.edu.vn

hai. Tuy nhiên không phải tất cả các chỉ lệnh toán học đều có thể được thực

thi trên tất cả các FPU. Như những gì ta có thể quan sát được trong hình

2.7.3, các toán tử nhân floating-point chỉ có thể được thực thi trong FPU thứ

ba và phần thêm vào floating-point chỉ có thể được thực thi trên FPU thứ

hai. Các chỉ lệnh Fpmov có thể được thực thi trên FPU thứ nhất hoặc trên

hai FPU khác nếu không có chỉ lệnh phức tạp hơn (FPadd or FPmul) đã sẵn

sàng được gửi đến chúng. Các chỉ lệnh MMX/SSE đều được xử lý bởi FPU.

Trong hình 2.7.3 ta sẽ thấy sơ đồ khối chính của các khối thực thi trong kiến

trúc Core.

Hình 2.7.3: Các khối thực thi trong kiến trúc Core

Một sự khác nhau lớn giữa hai kiến trúc Pentium M và Pentium 4 với kiến

trúc Core là trên kiến trúc Core, các khối Load và Store có khối tạo địa chỉ

của riêng nó nhúng trong. Pentium 4 và Pentium M có các khối tạo địa chỉ

riêng và trên Pentium 4 ALU đầu tiên được sử dụng để lưu dữ liệu trên bộ

nhớ.

Dưới đây là những giải thích nhỏ về những khối có trong CPU này:

• IEU: Instruction Execution Unit là nơi các chỉ lệnh được thực thi.

Khối này cũng được biết đến là khối ALU (Arithmetic and Logic

Unit). Các chỉ lệnh thông thường cũng được biết là các chỉ lệnh số

nguyên.

• JEU: Jump Execution Unit xử lý rẽ nhánh và cũng được biết đến với

tên Branch Unit.

• FPU: Floating-Point Unit. Khối này chịu trách nhiệm cho việc thực thi

các biểu thức toán học floating-point và cũng cả các chỉ lệnh MMX và

http://www.ebook.edu.vn

SSE. Trong CPU này, các FPU không "hoàn thiện" vì một số kiểu chỉ

lệnh (FPmov, FPadd và FPmul) chỉ được thực thi trên các FPU nào

đó:

o FPadd: Chỉ có FPU này mới có thể xử lý các chỉ lệnh cộng

floating-point như ADDPS.

o FPmul: Chỉ có FPU này mới có thể xử lý các chỉ lệnh nhân

floating-point như MULPS

o FPmov: Các chỉ lệnh cho việc nạp hoặc copy một thanh ghi

FPU, như MOVAPS (được dùng để truyền tải dữ liệu đến thanh

ghi SSE 128-bit XMM). Kiểu chỉ lệnh này có thể được thực thi

trên các FPU, nhưng chỉ trên các FPU thứ hai và thứ ba nếu các

chỉ lệnh Fpadd hay Fpmul không có trong Reservation Station.

• Load: khối này dùng để xử lý các chỉ lệnh yêu cầu dữ liệu được đọc từ

bộ nhớ RAM.

• Store Data: Khối này xử lý các chỉ lệnh yêu cầu dữ liệu được ghi vào

bộ nhớ RAM.

Lưu ý: rằng các chỉ lệnh phức tạp có thể mất đến một số chu kỳ clock trong

khi xử lý. Chúng ta hãy lấy một ví dụ về cổng 2, nơi khối FPmul nằm ở đó.

Khi khối này đang xử lý một chỉ lệnh rất phức tạp phải mất đến vài chu kỳ

clock để được thực thi thì cổng 2 sẽ không chết: nó sẽ luôn gửi các chỉ lệnh

đơn giản đến IEU trong khi FPU đang bận.

2.7.4 Đường dẫn 128-bit bên trong và kiến trúc nhớ mới

Một tính năng khác có trong kiến trúc Core là đường dẫn dữ liệu 128 bit bên

trong. Trong các CPU trước, đường dẫn dữ liệu bên trong chỉ có 64bit. Đây

là một vấn đề đối với các chỉ lệnh SSE, chỉ lệnh được gọi là XMM có dài

128 bit. Chính vì vậy khi thực thi một chỉ lệnh đã biến đổi thành 128 bit dữ

liệu thì toán tử này được chia thành hai toán tử 64bit. Đường dữ liệu 128 bit

mới làm cho kiến trúc Core trở nên nhanh hơn trong việc xử lý các chỉ lệnh

SSE có 128 bit dữ liệu. Kiến trúc nhớ mới là kỹ thuật tăng tốc thực thi các

chỉ lệnh có liên quan đến bộ nhớ. Tất cả các CPU của Intel từ Pentium Pro

đều có cơ chế không tuân theo trình tự (out-of-order), cơ chế này cho phép

CPU có thể thực thi các chỉ lệnh không phụ thuộc theo bất cứ một thứ tự

nào. Những gì xảy ra với các chỉ lệnh liên quan đến bộ nhớ được thực thi

theo kiểu truyền thống diễn ra theo một thứ tự giống hệt với thứ tự chúng

xuất hiện trong chương trình. Ví dụ, nếu chương trình gốc có một chỉ lệnh

như "store 10 at address 5555" và sau đó là một chỉ lệnh "load data stored at

5555", thì chúng sẽ không thể được đảo ngược (nghĩa là được thực thi không

tuân theo thứ tự) hoặc chỉ lệnh thứ hai sẽ lấy sai dữ liệu, vì dữ liệu ở địa chỉ

http://www.ebook.edu.vn

5555 đã bị thay đổi bởi chỉ lệnh thứ nhất. Những gì mà cơ chế kiến trúc nhớ

mới thực hiện là định vị và thực thi các chỉ lệnh có liên quan đến bộ nhớ để

có thể thực thi không theo thứ tự, tăng tốc độ thực thi của chương trình

(chúng tôi sẽ giải thích thêm về điều này được thực hiện như thế nào).

Trong hình 2.7.4, ta có một ví dụ về một CPU không có cơ chế nhớ này

(nghĩa là tất cả các CPU không được xây dựng trên kiến trúc Core). Như

những gì ta có thể nhìn thấy, CPU phải thực thi các chỉ lệnh khi chúng xuất

hiện trong chương trình gốc. Ví dụ, chỉ lệnh "Load4" không liên quan tới bất

kỳ đến bộ nhớ nào và có thể được thực thi trước, mặc dù vậy nó vẫn phải đợi

tất cả các chỉ lệnh khác.

Hình 2.7.4: CPU không có kiến trúc nhớ mới

Trong hình 2.7.5, ta sẽ thấy cách chương trình trong hình 2.7.4 làm việc như

thế nào trên CPU có kiến trúc Core. Nó "biết" rằng chỉ lệnh "Load4" không

có liên quan đến các chỉ lệnh khác và có thể được thực thi trước.

Hình 2.7.5: CPU với cơ chế nhớ mới.

Điều này đã cải thiện được hiệu suất của CPU vì lúc này chỉ lệnh "Load4" sẽ

được thực thi ngay từ đầu, CPU có dữ liệu cần thiết cho việc thực thi các chỉ

http://www.ebook.edu.vn

lệnh khác cần đến giá trị "X" để được thực thi.

Trong các CPU thông thường, nếu sau khi chỉ lệnh "Load4" này có chỉ lệnh

"Add 50", thì chỉ lệnh "Add 50" (và tất cả các chỉ lệnh khác phụ thuộc vào

kết quả đó) sẽ phải đợi các chỉ lệnh khác như đã thể hiện trong hình 2.7.4 để

được thực thi. Với kiến trúc nhớ mới này, các chỉ lệnh đó có thể được thực

thi sớm, vì CPU lúc này sẽ có được giá trị "X" từ sớm.

2.7.5 Điều chỉnh tiết lưu công suất

Với việc điều chỉnh tiết lưu công suất tiên tiến, kiến trúc Core làm tiết kiệm

được nhiều năng lượng tiêu thụ hơn so với các CPU trước đó. Tính năng này

cho phép CPU có thể tắt các khối đang không được sử dụng ở thời điểm đó.

Ý tưởng này thậm chí còn cho phép nhiều ưu việt hơn vì khi CPU có thể tắt

các phần cụ thể bên trong mỗi khối CPU để tiết kiệm năng lượng, tốn ít công

suất và cải thiện được thời gian sử dụng của pin (trong trường hợp xét đến

các CPU di động).

Một khả năng tiết kiệm năng lượng khác của kiến trúc Core là chỉ bật các bit

cần thiết trong các bus bên trong CPU. Nhiều bus bên trong của CPU được

kích thước một cách cồng kềnh và lãng phí. Chính vì vậy thay cho việc bật

tất cả ví dụ 480 làn dữ liệu của một bus nào đó thì CPU có thể chỉ cần bật 32

làn dữ liệu của nó, tất cả các dữ liệu trong làn đó đều cần thiết cho việc

truyền tải chỉ lệnh 32bit.

* Có thể hơi khó hiểu ở tuyên bố này, vì ta vẫn thường nghe thấy rằng kiến

trúc của Intel sử dụng các chỉ lệnh 32bit, vì vậy chúng tôi cần đưa ra giải

thích này để làm sáng tỏ vấn đề. Bên trong CPU, những gì được xem xét ở

một chỉ lệnh là mã thao tác (opcode) của chỉ lệnh đó (ngôn ngữ máy tương

đương với ngôn ngữ chỉ lệnh assembly) cộng với tất cả các dữ liệu được yêu

cầu. Điều này là vì để được thực thi, chỉ lệnh phải nhập vào cơ chế thực thi

"hoàn tất", nghĩa là cùng với tất cả các dữ liệu được yêu cầu. Cũng theo cách

đó, kích thước của mỗi mã thao tác chỉ lệnh x86 là một biến và không cố

đinh là 32bit như những gì ta vẫn nghĩ. Ví dụ, một chỉ lệnh "mov eax, (32-

bit data)", dùng để lưu (32-bit data) và thanh ghi EAX của CPU được xem

xét bên trong như một chỉ lệnh 40bit (mov eax dịch vào 8-bit opcode cộng

với 32bit dữ liệu). Việc các chỉ lệnh có số chiều dài khác nhau là những gì

đặt trưng cho tập chỉ lệnh CISC (Complex Instruction Set Computing).

2.8 Các mô hình Core 2 Duo

các model của Core 2 Duo, Core 2 Quad và Core 2 Extreme cho tới thời

điểm này và sẽ giới thiệu thêm về một số tính năng chính của chúng.

http://www.ebook.edu.vn

Dưới đây là những tóm tắt về các tính năng chính của họ Core 2:

• Kiến trúc lõi

• Cache nhớ chỉ lệnh L1 32KB và Cache nhớ dữ liệu L1 32KB cho mỗi

lõi.

• Công nghệ Dual-core hoặc công nghệ quad-core.

• Quá trình sản xuất 65 nm

• Socket 775.

• 800 MHz (200 MHz x 4), tốc độ clock ngoài 1.066 MHz (266 MHz x

4) hoặc 1.333 MHz (333 MHz x 4).

• Cache nhớ hợp nhất L2 2 MB, 4 MB hoặc 8 MAILBOX.

• Công nghệ ảo của Intel (ngoại trừ Core 2 Duo E4300)

• Công nghệ Intel EM64T.

• Tập chỉ lệnh SSE3.

• Execute Disable Bit

• Khả năng xử lý công suất tiêu thụ thông minh

• Công nghệ Enhanced SpeedStep.

Trên hình 2.7.1 ta có thể thấy được một bức tranh về chân đế của Core 2

Duo CPU.

Hình 2.7.1: Chân đế của bộ vi xử lý Core 2

http://www.ebook.edu.vn

Các model

Trong bảng dưới đây chúng tôi sẽ liệt kê tất cả các model của Core 2 Duo đã

được phát hành cho tới gần thời điểm này.

Chi

tiết kỹ

thuật

Model

Cloc

k

Cloc

k

ngoà

1,33

L2

Cach

Số lượng

transistor

291

Kích

thướ

c

chân

143

TDP

Nhiệ

t độ

tối

đa (º

C)

Điện

áp

0.962V

SLA9U E6850 3 GH

3

4 MB

million

mm2 65 W 72

-1.35V

z

SLA9V E6750 2.66

GHz

SL9ZF E6700 2.66

MHz

1,33

3

MHz

1,06

6

4 MB

4 MB

291

million

291

143

mm2 65 W 72

143

0.962V

-1.35V

-

GHz

SL9S7 E6700 2.66

MHz

1,06

6

4 MB

million

291

million

mm2 65 W 60.1

143

mm2 65 W 60.1

0.85V-

1.35V

GHz

SL9ZL E6600 2.40

MHz

1,06

6

4 MB

291

143

mm2 65 W 60.1

1.18V-

GHz

SL9S8 E6600 2.40

MHz

1,06

6

4 MB

million

291

million

143

mm2 65 W 60.1

1.32V

0.85V-

1.35V

GHz

SLA9X E6550 2.33

MHz

1,33

3

4 MB

291

143

mm2 65 W 72

0.962

V-

SLAA

X

E654

0

GHz

2.33

GHz

MHz

1,33

3

MHz

1,06

4

MB

million

291

million

291

143

mm2 65

143

W 72

1.35V

0.962

V-

1.35V

SL94T E6420 2.13

GHz

6

MHz

4 MB

million

mm2 65 W 60.1

-

http://www.ebook.edu.vn

SL9T9 E6400 2.13

GHz

SL9S9 E6400 2.13

1,06

6

MHz

1,06

6

2 MB

2 MB

167

million

167

million

111

mm2 65 W 61.4

111

mm2 65 W 61.4

1.22V-

1.32V

0.85V-

1.35V

GHz

SLA4U E6320 1.86

MHz

1,06

6

4 MB

291

million

143

mm2 65 W 60.1

-

GHz

SL9TA E6300 1.86

MHz

1,06

6

2 MB

167

million

111

mm2 65 W 61.4

1.22V-

1.32V

GHz

SL9SA E6300 1.86

MHz

1,06

6

2 MB

167

million

111

mm2 65 W 61.4

0.85V-

1.35V

GHz

MHz

111

73.3 0.962

SLA95 E450

2.20

800

2

167

mm2 65

V-

0

GHz MHz

MB

million

W

1.35V

SL93F E4400 2 GH

800

167

111

1.16V-

z

MHz 2 MB

million

mm2 65 W 61.4

1.31V

SLA98 E440

2

800

MHz 2

167 millio

111

mm2 65

73.3 1.16V-

1.31V

0

GHz

MB

W

SL9TB E43001.8

GHz

800

MHz 2 MB

167

million

111

mm2 65 W 61.4

0.85V-

1.35V

Trong bảng dưới đây là liệt kê của các model Core 2 Quad.

Nhiệt

Chi tiết

kỹ

Model Clock

Clock

ngoài

L2

CacheTDP

độ

tối

Điện

áp

Số

nhân

thuật

đa (º

C)

SLACQ Q6700 2.66 GHz 1,066

MHz 8 MB 95

71 1.10V-

1.37V4

SL9UM Q6600 2.4 GHz 1,066

MHz

8

MB

105

W 62,2

1.10V-

1.37V4

http://www.ebook.edu.vn

SL9UM Q6600 2.4 GHz 1,066

MHz 8 MB

105

W 62,2

1.10V-

1.37V4

Trong bảng dưới đây là các model Core 2 Extreme đã được phát hành.

Nhiệt

Chi

tiết kỹ

Model Clock

Clock

L2

độ

tối

Điện ápSố

thuật

ngoài

CacheTDP

đa (º

C)

nhân

SLAFN QX6850 3 GHz 1,333

MHz 8 MB

SL9UK QX6800 2.93 1,066

130

W 64.5

130

1.10V-

1.37V

1.10V-

4

GHz

SL9S5 X6800 2.93

GHz

SLACP QX6800 2.93

MHz 8 MB

1,066 4

MHz MB

1,066 8

W 64.5

75

W 60.4

130

1.37V

0.85V-

1.35V

1.10V-

4

2

GHz

SLA33 X7900 2.80

MHz

MB

W 64.5

44

1.37V

4

GHz 800 MHz 4 MB

SLAF4 X7900 2.80

W 100

44

-

1.125V-

2

GHz 800 MHz 4 MB

W 100 1.325V 2

SL9UL QX6700 2.66

1,066

130

65 1.10V-

GHz

MHz 8 MB

W

1.37V

4

SLA6Z X7800 2.60

GHz 800 MHz 4 MB 44 W 100

-

2

Bảng dưới đây là những gì chúng tôi tổng hợp từ các chi tiết kỹ thuật của

các thế hệ Centrino:

Nền

Centrino

Centrino

Centrino

Centrino Centrino Centrin

tảng

Tên mã

Pro

Santa

Rosa

Duo

Santa

Rosa

Duo

Napa

Napa

Sonoma Carmel

Bộ vi xử

lý

Core 2

Duo

Core 2

Duo

Core Duo

(Yonah) Core Solo

Pentium

M

Pentium

M

http://www.ebook.edu.vn

Chipset Intel 965

Intel 965

Core 2

Duo

(Meron)

Intel 945

Intel 945

(Dothan) (Banias)

Intel 915

Express

Express

Express

Express

Express Intel 855

Intel PRO

Wireles

Network

Intel PRO

/ Wireless

4965AG

N

Intel PRO

/ Wireless

4965AG

N

Intel PRO

/ Wireless

3945AB

G

Intel PRO

/ Wireless

3945AB

G

/ Wireless

2200BG

Intel PRO

/ Wireless

2915AB

G

Intel

PRO /

Wireless

2100

http://www.ebook.edu.vn

CHƯƠNG 2:

BUS VÀ TRUYÊN THÔNG TIN TRONG MÁY TÍNH

2.1.1. Định nghĩa BUS:

Bus là đường truyền tín hiệu điện nối các thiết bị khác nhau trong một

hệ thống máy tính. Bus có nhiề u dây dẫn được gắn trên mainboard, trên

các dây này có các đầu nối đưa ra, các đầu này được sắp xếp và cách

nhau những khoảng quy định để có thể cắm vào đó những I/O board hay

board bộ nhớ (bus hệ thống - system bus).

2.1.2. Phân loại các Bus trong hệ thống:

Các Bus trong hệ thống máy tính

Cũng có những bus dùng cho mục đích chuyên biệt, thí dụ nối 1 vi xử lý

với 1 hay nhiều vi xử lý khác hoặc nối với bộ nhớ cục bộ (local bus).

Trong vi xử lý cũng có một số bus để nối các thành phần bên trong của

bộ vi xử lý với nhau. Người thiết kế chip vi xử lý có thể tuỳ ý lựa chọn loại

bus bên trong nó, còn với các bus liên hệ bên ngoài cần phải xác định rõ

các quy tắc làm việc cũng như các đặc điểm kỹ thuật về điện và cơ khí của

bus để người thiết kế mainboard có thể ghép nối chip vi xử lý với các thiết

bị khác. Một số bus được sử dụng phổ biến:

Tên Bus

Camac

EISA

IBM PC,

PC/AT

Massbus

Microchannel

Multibus I

Lĩnh vực áp dụng

Vật lý hạt nhân

Một số hệ thống có chip 80386

Máy IBM/PC, IBM/PC/AT

Máy PDP - 11, và VAX

Máy PS/2

Một số hệ thống 8086

http://www.ebook.edu.vn

Multibus II

Versabus

VME

Một số hệ thống có chip 80386

Một số hệ thống có chip xử lý của Motorola

Một số hệ thống có chip xử lý họ 68x0 của

Motorola

Nói cách khác, các bus này phải tuân theo 1 chuẩn nào đó. Tập các quy tắc

của chuẩn còn được gọi là giao thức bus (bus protocol)

Ngoài ra, có rất nhiều loại bus khác nhau được sử dụng, các bus này nói

chung là không tương thích với nhau.

Bus thường phân loại theo 3 cách sau:

• Theo tổ chức phần cứng (như trên)

• Theo giao thức truyền thông ( bus đồng bộ và không đồng bộ)

• Theo loại tín hiệu truyền trên bus ( bus địa chỉ, bus dữ liệu,...)

2.1.3. Bus hệ thống:

Thường có nhiều thiết bị nối với bus, một số thiết bị là tích cực (active) có

thể đòi hỏi truyền thông trên bus, trong khi đó có các thiết bị thụ động

chờ yêu cầu từ các thiết bị khác. Các thiết bị tích cực được gọi là

chủ (master) còn thiết bị thụ động là tớ (slave).

Ví dụ: Khi CPU ra lệnh cho bộ điều khiển đĩa đọc/ghi một khối dữ liệu thì

CPU là master còn bộ điều khiển đĩa là slave. Tuy nhiên, bộ điều khiển

đĩa ra lệnh cho bộ nhớ nhận dữ liệu thì nó lại giữ vai trò master.

2.1.3 Bus Driver và Bus Receiver:

Tín hiệu điện trong máy tính phát ra thường không đủ để điều khiển bus,

nhất là khi bus khá dài và có nhiều thiết bị nối với nó. Chính vì thế mà

hầu hết các bus master được nối với bus thông qua 1 chip gọi là bus driver,

về cơ bản nó là một bộ khuếch đại tín hiệu số. Tương tự như vậy, hầu hết

các slave được nối với bus thông qua bus receiver. Đối với các thiết

bị khi thì đóng vai trò master, khi thì đóng vai trò slave, người ta sử dụng

1 chip kết hợp gọi là transceiver. Các chip này đóng vai trò ghép nối và là

các thiết bị 3 trạng thái, cho phép nó có thể ở trạng thái thứ 3 - hở mạch

(thả nổi). Giống như vi xử lý, bus có các đường địa chỉ, đường số liệu và

đường điều khiển. Tuy nhiên, không nhất thiết có ánh xạ 1 - 1 giữa các tín

hiệu ở các chân ra của vi xử lý và các đường dây của bus. Thí dụ: một

số chíp vi xử lý có 3 chân ra, truyền ra các tín hiệu báo chíp vi xử lý đang

thực hiện các thao tác MEMR, MEMW, IOR, IOW hay thao tác khác, một

số Bus điển hình có các đường trên. Các vấn đề quan trọng nhất liên quan

đến thiết kế bus là: xung clock bus (sự phân chia thời gian, hay còn gọi là

bus blocking), cơ chế phân xử bus (bus arbitration), xử lý ngắt và xử lý lỗi.

http://www.ebook.edu.vn

Các bus có thể được chia theo giao thức truyền thông thành hai loại riêng

biệt là bus đồng bộ và bus không đồng bộ phụ thuộc vào việc sử dụng clock

bus.

2.1.4 Bus đồng bộ (Synchronous bus):

Bus đồng bộ có một đường điều khiển bởi một bộ dao động thạch anh, tín

hiệu trên đường dây này có dạng sóng vuông, với tần số thường nằm

trong khoảng 5MHz ÷ 50MHz. Mọi hoạt động bus xảy ra trong một

số nguyên lần chu kỳ này và được gọi là chu kỳ bus.

Chu kỳ đọc trong Bus đồng bộ

Hình trên là giản đồ thời gian của một bus đồng bộ với tần số xung clock là

4MHz, như vậy chu kỳ bus là 250ns.

Giả sử đọc 1 byte từ bộ nhớ chiếm 3 chu kỳ bus (750ns), tương ứng với T1,

T2, T3 như hình vẽ. Vì tất cả các tín hiệu điện thay đổi mức không phải là

tức thời, nên trên hình vẽ có các sườn xung, ta giả sử các sườn xung kéo dài

10ns.

• T1 bắt đầu bằng cạnh dương của xung clock, trong một phần thời

gian của T1, vi xử lý đặt địa chỉ byte cần đọc lên bus địa chỉ. Sau

khi tín hiệu địa chỉ được xác lập, vi xử lý đặt các tín hiệu MREQ và

RD tích cực mức thấp, tín hiệu MREQ (Memory Request) - xác định

truy xuất bộ nhớ chứ không phải thiết bị I/O, còn tín hiệu RD - chọn

đọc chứ không phải ghi dữ liệu.

• T2: thời gian cần thiết để bộ nhớ giải mã địa chỉ và đưa dữ liệu lên bus

dữ liệu.

• T3: tại cạnh âm của T3, vi xử lý nhận dữ liệu trên bus dữ liệu, chứa

vào thanh ghi bên trong vi xử lý và chốt dữ liệu. Sau đó vi xử lý đảo

các tín hiệu MREQ v à R D .

http://www.ebook.edu.vn

Như vậy thao tác đọc đã hoàn thành, tại chu kỳ máy tiếp theo vi xử lý có

thể thực hiện thao tác khác. Các giá trị cụ thể về thời gian của hình vẽ trên

có thể được giải thích chi tiết như sau:

• TAD: TAD<110ns, nghĩa là nhà sản xuất vi xử lý đảm bảo rằng trong

mọi chu kỳ đọc toán hạng từ bộ nhớ, vi xử lý sẽ đưa ra tín hiệu địa

chỉ không nhiều hơn 110 ns tính từ thời điểm cạnh dương của T1.

• TDS: giá trị nhỏ nhất là 50ns, có nghĩa là nhà sản xuất bộ nhớ phải đảm

bảo rằng dữ liệu đã ổn định trên bus dữ liệu ít nhất là 50ns trước điểm

giữa cạnh âm của T3. Yêu cầu này đảm bảo cho vi xử lý đọc dữ liệu

tin cậy.

Khoảng thời gian bắt buộc đối với TADvà TDSxác định rằng trong trường

hợp xấu nhất, bộ nhớ chỉ có 250 + 250 + 125 - 110 - 50 = 465 ns tính

từ thời điểm có tín hiệu địa chỉ cho tới khi tạo ra dữ liệu trên bus dữ liệu.

Nếu bộ nhớ không có khả năng đáp ứng đủ nhanh, nó phát tín hiệu

WAIT trước cạnh âm của T2. Thao tác này đưa thêm các trạng thái chờ -

wait state (tức là đưa thêm vào 1 chu kỳ bus), khi bộ nhớ đã đưa ra tín hiệu

ổn định, nó sẽ đảo WAIT thành WAIT

• TML: đảm bảo tín hiệu địa chỉ sẽ được xác lập trước tín hiệu

MREQ ít nhất 60ns. Khoảng thời gian này sẽ quan trọng nếu tín

hiệu MREQ điều khiển quá trình tạo tín hiệu chon chip CS hay CE

do một số chip nhớ đòi hỏi phải nhận

được tín hiệu địa chỉ trước tín hiệu chọn chip. Như vậy, không

thể chọn chip nhớ với thời gian thiết lập 75ns.

• TM, TRL cho phép hai tín hiệu MREQ và RD tích cực trong khoảng

thời gian 85ns tính từ thời điểm xuống của xung clock T1. Trong

trường hợp xấu nhất, chíp nhớ chỉ có 250 + 250 - 85 - 50 = 365ns

sau khi 2 tín hiệu trên tích cực để đưa dữ liệu ra bus dữ liệu. Sự bắt

buộc về thời gian này bổ sung thêm sự bắt buộc thời gian với tín

hiệu clock.

• TMH, TRH: thời gian để các tín hiệu MREQ và RD được đảo sau khi

dữ liệu đã được vi xử lý nhận vào.

• TDH: Thời gian bộ nhớ cần giữ data trên bus sau khi tín hiệu RD đã

đảo.

Giản đồ thời gian một chu kỳ đọc trên bus đồng bộ đã được đơn giản hoá

so với thực tế, trong đó các tín hiệu cần sử dụng lớn hơn nhiều. Giá trị tới

hạn của các thông số cho trong bảng sau:

Ký hiệu

TAD

TML

Tham số

Thời gian trể của địa chỉ

Thời gian địa chỉ ổn định trước MREQ

bù

http://www.ebook.edu.vn

Min (ns) Max (ns)

100

60

TM

TRL

TDS

TMH

TRH

TDH

Thời gian trể của MREQ so với cạnh âm

của T1

Thời gian trễ của RD bù so sườn xuống

của tín hiệu đồng bộ T1

Thời gian thiết lập dữ liệu trước sườn

xuống của tín hiệu xung clock( tín hiệu

đồng hồ)

Thời gian trể của MREQ bù so với sườn

xuống của tín hiệu đồng hồ T3

Thời gian trể của RD bù so với sườn

xuống của tín hiệu đồng hồ T3

Thời gian lưu trữ dữ liệu từ lúc đảo tín

hiệu RD bù

50

0

85

85

85

85

Truyền theo khối:

Ngoài các chu kỳ đọc/ghi, một số bus truyền dữ liệu đồng bộ còn

hỗ trợ truyền dữ liệu theo khối. Khi bắt đầu thao tác đọc khối, bus master

báo cho slave biết số byte cần được truyền đi, thí dụ truyền con số này đi

trong chu kỳ T1, sau đó đáng lẽ truyền đi 1 byte, slave đưa ra trong mỗi

chu kỳ 1 byte cho tới khi đủ số byte được thông báo. Như vậy, khi đọc

dữ liệu theo khối, n byte dữ liệu cần n+2 chu kỳ clock chứ không phải 3n

chu kỳ.

Một cách khác để cho truyền dữ liệu nhanh hơn là giảm chu kỳ. Ở ví

dụ trên: 1 byte được truyền đi trong 750ns, vậy bus có tốc độ truyền

1.33MBps. Nếu xung clock có tần số 8MHz, thời gian 1 chu kỳ chỉ còn một

nửa, tốc độ sẽ là 2.67MBps. Tuy nhiên, giảm chu kỳ bus dẫn đến khó khăn

về mặt kỹ thuật, các tín hiệu truyền trên các đường khác nhau không phải

luôn có cùng tốc độ, dẫn đến hiệu ứng bus skew. Điều quan trọng là thời

gian chu kỳ phải dài hơn so với skew để tránh việc những khoảng thời gian

được số hoá lại trở thành các đại lượng biến thiên liên tục.

2.1.5 Bus bất đồng bộ( Asynchronous bus)

Bus bất đồng bộ không sử dụng xung clock đồng bộ, chu kỳ của nó có

thể kéo dài tuỳ ý và có thể khác nhau đối với các cặp thiết bị khác nhau.

Làm việc với các bus đồng bộ dễ dàng hơn do nó được định thời một cách

gián đoạn , tuy vậy chính đặc điểm này cũng dẫn đên nhược điểm. Mọi

công việc được tiến hành trong khoảng thời gian là bội số của xung clock,

nếu 1 thao tác nào đó của vi xử lý hay bộ nhớ hoàn thành trong 3.1 chu

kỳ thì nó cũng sẽ phải kéo dài trong 4 chu kỳ. Khi đã chọn chu kỳ bus và đã

xây dựng bộ nhớ, I/O card cho bus này thì khó có thể tận dụng những tiến

bộ của công nghệ. Chẳng hạn sau khi đã xây bus với sự định thời như trên,

http://www.ebook.edu.vn

công nghệ mới đưa ra các vi xử lý và bộ nhớ có thời gian chu kỳ là 100ns

chứ không còn là 750ns như cũ, thì chúng vẫn chạy với tốc độ thấp như các

vi xử lý, bộ nhớ loại cũ, bởi vì giao thức bus đòi hỏi bộ nhớ phải đưa được

dữ liệu ra và ổn định trước thời điểm cạnh âm của T3. Nếu có nhiều thiết

bị khác nhau cùng nối với 1 bus, trong đó có thể có một số thiết bị hoạt

động nhanh hơn hơn các thiết bị khác thì cần phải đặt bus hoạt động phù

hợp với thiết bị có tốc độ thấp nhất.

Bus bất đồng bộ ra đời nhằm khắc phục những nhược điểm của bus

đồng bộ. Trước hết master phát ra địa chỉ nhớ mà nó muốn truy cập, sau

đó phát tín hiệu MREQ bù tích cực để xác định cần truy xuất bộ nhớ. Tín

hiệu này cần thiết khi bộ nhớ và các cổng I/O sử dụng chung miền địa chỉ.

Sau khi phát địa chỉ, bên master cũng phải phát tín hiệu RD tích cực để bên

slave biết rằng master sẽ thực hiện thao tác đọc chứ không phải ghi.

Các tính hiệu MREQ bù và RD bù được đưa ra sau tín hiệu địa chỉ một

khoảng thời gian phụ thuộc tốc độ hoạt động của master. Sau khi 2 tín hiệu

này đã ổn định, master sẽ phát ra tính hiệu MSYN (master synchrization)

ở mức tích cực để báo cho slave biết rằng các tín hiệu cần thiết đã sẵn sàng

trên bus, slave có thể nhận lấy. Khi slave nhận được tín hiệu này, nó sẽ thực

hiện công việc với tốc độ nhanh nhất có thể được, đưa dữ liệu của ô nhớ

được yêu cầu lên bus dữ liệu. Khi hoàn thành slave sẽ phát tín hiệu

SSYN (slave synchronization) tích cực.

Chu kỳ đọc của Bus bất đồng bộ

Master nhận được tín hiệu SSYN tích cực thì xác định được dữ liệu của

slave đã sẵn sàng nên thực hiện việc chốt dữ liệu, sau đó đảo các đường

địa chỉ cũng như các tín hiệu MREQ, RD, và SSYN. Khi slave nhận được

tín hiệu MSYN không tích cực, nó xác định kết thúc chu kỳ và đảo tín hiệu

SSYN làm bus trở lại trạng thái ban đầu, mọi tín hiệu đều không tích cực,

chờ bus master mới. Trên giản đồ thời gian của bus bất đồng bộ, ta sử dụng

mũi tên để thể hiện nguyên nhân và kết quả MSYN tích cực dẫn đến việc

http://www.ebook.edu.vn

truyền dữ liệu ra bus dữ liệu và đồng thời cũng dẫn đến việc slave phát ra

tín hiệu SSYN tích cực, đến lượt mình tín hiệu SSYN lại gây ra sự đảo mức

của các đường địa chỉ, MREQ bù, RD bù, và SSYN. Cuối cùng sự đảo mức

của MSYN lại gây ra sự đảo mức tín hiệu SSYN và kết thúc chu kỳ.

Tập các tín hiệu phối hợp với nhau như vậy được gọi là bắt tay toàn

phần (full handshake), chủ yếu gồm 4 tín hiệu sau:

• MSYN tích cực.

• SSYN bù tích cực để đáp lại tín hiệu MSYN.

• MSYN được đảo để đáp lại tín hiệu SSYN bù (tích cực).

• SSYN bù được đảo để đáp lại tính hiệu MSYN không tích cực.

Ta có thể nhận thấy bắt tay toàn phần là độc lập thời gian, mỗi sự kiện được

gây ra bởi 1 sự kiện trước đó chứ không phải bởi xung clock. Nếu 1 cặp

master-slave nào đó hoạt động chậm thì cặp master-slave kế tiếp không

hề bị ảnh hưởng. Tuy ưu điểm của bus bất đồng bộ rất rõ ràng, nhưng trong

thực tế phần lớn các bus đang sử dụng là loại đồng bộ. Nguyên nhân là các

hệ thống sử dụng bus đồng bộ dễ thiết kế hơn. Vi xử lý chỉ cần chuyển các

mức tín hiệu cần thiết sang trạng thái tích cực là bộ nhớ đáp ứng ngay,

không cần tín hiệu phản hồi. Chỉ cần các chọn phù hợp thì mọi hoạt động

đều trôi chảy, không cần phải bắt tay.

2.1.6 Phân xử bus (bus arbitration)

Trong hệ thống máy tính không phải chỉ có CPU làm bus master, các chip

I/O cũng có lúc làm bus master để có thể đọc hay ghi bộ nhớ và gọi ngắt.

Các bộ đồng xử lý cũng có thể làm bus master. Như vậy nảy sinh ra vấn đề:

điều gì sẽ xảy ra khi 2 thiết bị trở lên đồng thời cần làm bus master? Từ đó

cần có một cơ chế phân xử để tránh sự hỗn loạn của hệ thống. Cơ chế phân

xử có thể là tập trung hay không tập trung.

2.1.7 Phân xử bus tập trung

Nhiều vi xử lý có đơn vị phân xử được chế tạo nằm ngay trong chip

CPU, trong một số máy tính mini, đơn vị này nằm ngoài chíp CPU. Theo

cơ chế này thì bộ phân xử (arbiter) chỉ có thể biết có yêu cầu chiếm dụng

bus hay không mà không biết có bao nhiêu đơn vị muốn chiếm dụng bus.

Khi arbiter nhận được yêu cầu, nó sẽ phát ra 1 tín hiệu cho phép trên đường

dây (bus grant: cho phép sử dụng bus). Đường dây này nối qua tất cả các

thiết bị I/O theo kiểu nối tiếp.

Khi thiết bị nằm gần arbiter nhất nhận được tín hiệu cho phép, nó kiểm tra

xem có phải chính nó đã phát ra yêu cầu hay không. Nếu có thì nó

sẽ chiếm lấy bus và không truyền tiếp tín hiệu cho phép trên đường dây.

Nếu không thì nó sẽ truyền tín hiệu cho phép tới thiết bị kế tiếp trên

đường dây, với thiết bị này sự việc xảy ra giống thiết bị trước nó, quá trình

http://www.ebook.edu.vn

cứ tiếp diễn cho đến khi có một thiết bị chiếm lấy bus.

Sơ đồ xử lý như vậy có tên gọi là daisy chaining (chuỗi cánh hoa). Điểm

nổi bật của sơ đồ này là các thiết bị được gán thứ tự ưu tiên tuỳ thuộc vào

vị trí của nó so với arbiter, thiết bị gần hơn thì mức ưu tiên cao hơn.

Phân sử Bus tập trung một mức nối tiếp

Một số loại bus có nhiều mức độ ưu tiên, với mỗi mức độ ưu tiên có

đường yêu cầu bus (bus request) và đường dây cho phép bus (bus grant).

Ví dụ: giả sử 1 bus có 2 mức ưu tiên 1 và 2 (các bus thực tế có 4, 8 hay 16

mức). Mỗi thiết bị trong hệ thống máy tính nối với 1 trong các mức yêu

cầu bus, các đường thường được sử dụng nhiều hơn được gắn với đường

dây có mức ưu tiên cao hơn. Ở ví du, các thiết bị 1, 2 sử dụng mức ưu tiên

1, còn các thiết bị 3, 4 sử dụng mức ưu tiên 2.

Phân sử Bus tập trung 2 mức

Nếu có một số thiết bị ở các mức ưu tiên khác nhau cùng yêu cầu, arbiter

chỉ phát ra tín hiệu grant đối với yêu cầu có mức ưu tiên cao nhất. Trong

số các thiết bị có cùng mức ưu tiên, thiết bị nào gần arbiter hơn sẽ ưu tiên

hơn. Về mặt kỹ thuật, không cần nối đường grant level 2 giữa các thiết

bị vì chúng không bao giờ đòi hỏi bus ở mức 2. Tuy nhiên, trong thực tế

để thuận tiện cho việc lắp đặt người ta hay làm như sau: nối tất cả các đường

grant thông qua tất cả các thiết bị, như vậy sẽ dể dàng hơn là nối các đường

http://www.ebook.edu.vn

grant một cách riêng biệt, và từ đó căn cứ vào thiết bị nào có quyền ưu

tiên cao hơn.

Một arbiter(phân xử) có đường dây thứ 3 nối tới các thiết bị để các thiết

bị xác nhận đã nhận được tín hiệu grant và chiếm dụng bus - đường ACK

(acknowledgement). Ngay sau 1 thiết bị phát tín hiệu tích cực trên đường

dây ACK, có thể đảo tín hiệu trên các đường dây request và grant xuống

mức không tích cực. Các thiết bị khác có thể yêu cầu bus khi thiết bị đầu

tiên đang dùng bus. Khi sự truyền thông kết thúc, bus master kế tiếp sẽ

được lựa chọn. Cách làm việc như vậy làm tăng hiệu quả sử dụng bus,

nhưng cần thêm 1 đường truyền tín hiệu và cấu trúc thiết bị cũng phức tạp

hơn. Các chip trong máy tính PDP-11 và các chip Motorola làm việc với các

bus như vậy.

2.1.7 Phân xử bus không tập trung:

Trong Multibus, người ta cho phép có thể lựa chọn sử dụng phân xử bus

tập trung hay không tập trung, cơ chế phân xử bus không tập trung được

thực hiện như sau:

Phân xử Bus không tập trung trong multibus

Cơ chế sử dụng 3 đường dây, không phụ thuộc vào số lượng thiết bị nối với

bus:

• Bus request: yêu cầu chiếm dụng bus.

• Bus busy: đường báo bận, được bus master đặt ở mức tích cực khi

có thiết bị đang chiếm dụng bus

• Bus arbitration: được mắc nối tiếp thành 1 chuỗi xích qua tất

cả các thiết bị ngoại vi. Đầu của chuỗi này được gắn với mức điện áp

5V của nguồn nuôi.

Khi không có đơn vị nào yêu cầu chiếm dụng bus, đường dây phân xử bus

truyền mức tích cực tới tất cả các thiết bị trong chuỗi xích. Khi 1 đơn

vị nào đó muốn chiếm dụng bus, đầu tiên nó kiểm tra xem bus có rảnh

không và đầu vào In của đường trọng tài bus có mức tích cực hay không.

Nếu không (not active) thì nó không trở thành bus master. Ngược lại, nó

sẽ đảo đầu Out thành không tích cực, làm cho các thiết bị đứng sau nó trong

chuỗi xích có đầu In không tích cực. Khi trạng thái có thể hiểu lầm

(khoảng thời gian tín hiệu trên đầu In và Out đang thay đổi) qua đi, chỉ còn

http://www.ebook.edu.vn

lại duy nhất 1 thiết bị có đầu In tích cực và Out không tích cực. Thiết

bị này trở thành bus master, nó sẽ đặt bus busy tích cực và bắt đầu truyền

thông tin trên bus.

2.1.8 Xử lý ngắt:

Ở trên, ta chỉ khảo sát các chu kỳ bus thông thường, trong đó master nhận

hay gởi thông tin từ / đến slave. Một ứng dụng quan trọng nữa của bus là

dùng để xử lý ngắt. Khi CPU ra lệnh cho thiết bị I/O làm một việc gì đó, nó

thường chờ đợi tín hiệu ngắt do thiết bị I/O phát ra khi hoàn thành công

việc được CPU yêu cầu. Khi nhận được tín hiệu ngắt, CPU sẽ đáp ứng

ngay, có thể nhận dữ liệu do thiết bị I/O truyền về, hay gởi tiếp dữ liệu ra

thiết bị I/O, hay CPU sẽ sử dụng bus cho một thao tác khác.... Như vậy

chính ngắt phát ra tín hiệu yêu cầu sử dụng bus. Vì có thể nhiều thiết

bị ngoại vi cùng phát ra ngắt, cho nên cần có 1 cơ chế phân xử giống như

đối với các bus thông thường. Giải pháp thường dùng là gán các mức độ ưu

tiên cho các thiết bị và sử dụng 1 arbiter tập trung để trao quyền ưu tiên

cho các thiết bị quan trọng thường xuyên được sử dụng.

§ 2.2 Bus mở rộng (Expansion bus)

Bus mở rộng cho phép PC liên lạc được với các thiết bị ngoại vi, các thiết

bị này được cài đặt qua các khe cắm mở rộng (expansion slot). Các thông

số chính của bus mở rộng: tốc độ truyền tối đa giữa các thiết bị với nhau và

giữa các thiết bị với bộ nhớ chính, số đường địa chỉ (số lượng ô nhớ có

thể được truy xuất bởi 1 thiết bị), số đường ngắt cứng, ....

2.2.1 Bus ISA (Industry Standard Architecture)

Bus ISA dùng cho hệ thống chỉ được điều khiển bởi 1 CPU trên bảng mạch

chính, tức là tất cả các chương trình và thiết bị đều chỉ được điều khiển bởi

CPU đó. Tần số làm việc cực đại là 8.33 MHz ( tốc độ chuyển tải cực đại là

16.66 MBps với số liệu 2 bytes). Bề rộng dữ liệu là 8 hay 16 bits. ISA có

24 đường địa chỉ nên quản lý được 16 MB bộ nhớ. Bus ISA tương thích

90% với bus AT.

2.2.2 Bus EISA và MCA:

Sử dụng cho các CPU 32 bits ( số liệu và đường địa chỉ) từ 80386 trở đi.

2.2.3 Bus EISA (Extended ISA):

Đây là chuẩn mở rộng của ISA để bố trí các dữ liệu 32 bits nhưng vẫn giữ

được sự tương thích với mạch nối ghép cũ. Bus EISA có 2 nấc, các tín hiệu

ISA được gửi qua nấc trên và các tín hiệu phụ trợ EISA qua nấc dưới. Các

đặc trưng của EISA như sau:

• Về mặt cơ khí: có nhiều chân cắm hơn nhưng vẫn tương thích với ISA

http://www.ebook.edu.vn

• Độ rộng dữ liệu: có thể truy xuất 2 đường 8 bits (tương thích với

ISA), hay 2 đường 16 bits Do. đó, đơn vị quản lý bus 32 bits có

thể chuyển tải 4 byte với bộ nhớ hoặc thiết bị ngoại vi. Điều này góp

phần tăng tốc độ truyền tải lên khoảng 33 MBps so với 16.66 MBps

của ISA.

• Độ rộng địa chỉ: ngoài 24 đường như ISA còn thêm 8 đường

bổ sung nữa, do đó có thể định địa chỉ trong 4 GB bộ nhớ.

• Phần cứng được thiết kế theo hệ thống EISA phức tạp hơn ISA vì nó

cũng phải thực hiện các chu kỳ bus tương thích với ISA. EISA có

thể thực hiện phân xử bus, nó cho phép vi xử lý nằm ngoài bảng

mạch chính có thể điều khiển toàn bộ bus. Điều này rất hiệu

quả trong các hệ thống đa xử lý (multiprocessor). Hãng Intel đã phát

triển 4 chip điện tử phục vụ cho bus EISA như sau:

o ISP (Intergrated system peripheral)

o BMIC (Bus master interface controller)

o EBC (EISA bus controller)

o EBB (EISA bus buffer)

2.2.3 Bus MCA (Micro Channel Architecture)

Phục vụ cho hệ thống IBM PS/2 không tương thích với bus ISA, có

thể hoạt động với 16 hay 32 bits dữ liệu. Nó có nhiều đường dẫn hơn ISA,

thiết kế phức tạp cho phép giảm bớt các nhiễu cao tần của PC tới các thiết

bị xung quanh. Tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 160 MBps.

2.2.4 Bus cục bộ (Local Bus)

Nhược điểm của các bus chuẩn trên là mặc dù xung clock của CPU rất cao

nhưng cũng chỉ làm việc với các ngoại vi với tốc độ truyền tải không quá

33MBps. Điều này không thể đáp ứng được tốc độ của các card

đồ hoạ cắm vào khe cắm của bus mở rộng trong chế độ đồ họa. Chuẩn các

bus cục bộ tạo thêm các khe cắ m mở rộng nối trực tiếp vào bus cục

bộ (bus nối giữa CPU và các bộ đệm). Do vậy, bus mở rộng loại này cho

phép truy xuất lên trên 32 bit cũng như tận dụng được tốc độ xung clock

của chính CPU, tránh được rào cản 8.33MHz của bus hệ thống. Theo

hướng giải quyết này, Intel đã phát triển bus PCI và Uỷ ban VESA (Video

Electronics Standards Association) đã phát triển bus VL.

2.2.5 Bus PCI (Peripheral Component Interconnect)

http://www.ebook.edu.vn

Sơ đồ Bus PCI

Bus PCI là bus của i486 trong đó dữ liệu và địa chỉ được gởi đi theo cách

thức dồn kênh (multiplexing), các đường địa chỉ và dữ liệu được dồn

chung trên các đường của PCI. Cách này tiết kiệm được số chân PCI

nhưng lại hạn chế tốc độ vì phải cần 2 xung clock cho một quá trình

truyền dữ liệu (1 cho địa chỉ và 1 cho dữ liệu). Việc nối giữa CPU,

bộ nhớ chính, và bus PCI được thực hiện bằng cầ u PCI (PCI bridge), qua đó

bus PC sẽ phục vụ cho tất cả các đơn vị của bus PCI. Tối đa là 10 thiết bị có

thể được nối tới bus PCI, trong đó cầu PCI được coi là một. Chu kỳ bus

của PCI đạt gần bằng tốc độ chu kỳ bus của i486. Nó có thể hoạt động với

độ rộng 32 bits dữ liệu và tốc độ 33MHz (có thể đạt 64 bits với tốc độ 66

MHz). Một điểm mạnh của PCI là dữ liệu được truyền tải theo kiểu cụm

(burst), trong đó địa chỉ chỉ truyền đi 1 lần, sau đó nó sẽ được hiểu ngầm

bằng cách cho các đơn vị phát hoặc thu đếm lên trong mỗi xung clock. Do

đó, bus PCI hầu như được lấp đầy bởi dữ liệu. Tốc độ truyền tối đa trong

kiểu burst có thể lên đến 120MBps.

2.4.6 Bus VL ( VESA local bus)

Giống như PCI, bus VL cũng phân cách giữa hệ CPU, bộ nhớ chính, và

bus mở rộng chuẩn. Thông qua bus cục bộ trên board mạch chính, nó có thể

để điều khiển tối đa 3 thiết bị ngoại vi. Khe cắm VL có 116 tiếp điểm. Bus

VL chạy với xung clock bên ngoài CPU, như vậy trong các máy DX2 thì

http://www.ebook.edu.vn

tần số này chỉ bằng một nửa clock CPU. Về mặt logic, mỗi một thiết bị có

thể ở một trong hai vị trí: LMB (Local bus master) hoặc LBT (Local bus

target). Bộ phận điều khiển bus cục bộ LBC (local bus controller) trên

main board sẽ quyết định thiết bị nào sẽ trở thành LMB , tức là được nắm

quyền điều khiển bus và cho phép nhường quyền đó cho thiết bị có quyền

ưu tiên cao hơn. Thường có 3 cấp ưu tiên được sắp xếp theo thứ tự giảm dần

như sau: DMA/làm tươi, CPU/đơn vị làm chủ bus (bus master) và các đơn

vị làm chủ bus khác. Thiết bị nào ở vị trí LBT thì không có khả năng làm

các việc liên quan đến chuyển tải dữ liệu.

Bus VL chỉ làm việc với 32 bits, trong tương lai sẽ được mở rộng đến 64

bits.

http://www.ebook.edu.vn

§ 3.1. Các đặc trưng của bộ nhớ.

CHƯƠNG 3:

BỘ NHỚ

Memory: Memory đơn giản là một thiết bị nhớ nó có thể ghi và chứa thông tin.

ROM, RAM, Cache, Hard disk, Floppy disk, CD.... đều có thể gọi là memory

cả (vì nó vẫn lưu thông tin). Dù là loại memory nào ta cũng có các thông số sau

đây:

3.1.1. TÊN GỌI

Khái niệm RAM (Random Access Memory) là bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên,

mất dữ liệu trong RAM khi mất điện. DRAM hay SDRAM là khái niệm mở

rộng hơn (Synchronous Dynamic Random Access Memory - RAM đồng bộ).

SDRAM là tên gọi chung của một dòng bộ nhớ máy tính, nó được phân ra SDR

(Single Data Rate) và DDR (Double Data Rate). Do đó nếu gọi một cách chính

xác, chúng ta sẽ có hai loại RAM chính là SDR SDRAM và DDR SDRAM.

Cấu trúc của hai loại RAM này tương đối giống nhau, nhưng DDR có khả năng

truyền dữ liệu ở cả hai điểm lên và xuống của tín hiệu nên tốc độ nhanh gấp

đôi.

3.1.2. TỐC ĐỘ (SPEED)

Đây có lẽ là khái niệm được người dùng quan tâm nhất, tuy nhiên có người thắc

mắc về cách gọi tên, đối với DDR thì có hai cách gọi theo tốc độ MHz hoặc

theo băng thông. Ví dụ, khi nói DDR333 tức là thanh RAM đó mặc định hoạt

động ở tốc độ 333MHz nhưng cách gọi PC2700 thì lại nói về băng thông RAM,

tức là khi chạy ở tốc độ 333MHz thì nó sẽ đạt băng thông là 2700MB/s (trên lý

thuyết).

3.1.3. ĐỘ TRỄ (LATENCY)

Là khoảng thời gian từ khi ra lệnh đến khi nhận được sự phản hồi. CAS là viết

tắt của 'Column Address Strobe' (địa chỉ cột). RAS (Row Adress Strobe) là địa

chỉ hàng. khi chipset sẽ truy cập vào hàng ngang (ROW) của ma trận bộ nhớ

thông qua việc đưa địa chỉ vào chân nhớ (chân RAM) rồi kích hoạt tín hiệu

RAS. Chúng ta sẽ phải chờ khoảng vài xung nhịp hệ thống (RAS to CAS

Delay) trước khi địa chỉ cột được đặt vào chân nhớ và tín hiệu CAS phát ra. Sau

khi tín hiệu CAS phát đi, chúng ta tiếp tục phải chờ một khoảng thời gian nữa

(đây chính là CAS Latency) thì dữ liệu sẽ được tìm thấy.

3.1.4. TẦN SỐ LÀM TƯƠI

Module DRAM được tạo nên bởi nhiều tế bào điện tử, mỗi tế bào này phải

http://www.ebook.edu.vn

được nạp lại điện hàng nghìn lần mỗi giây vì nếu không dữ liệu chứa trong

chúng sẽ bị mất. Một số loại DRAM có khả năng tự làm tươi dữ liệu độc lập

với bộ xử lý thường được sử dụng trong những thiết bị di động để tiết kiệm điện

năng.

3.1.5. SDRAM ACCESS TIME

Việc cho ra đời cách đọc dữ liệu theo từng chuỗi (Burst Mode) đã giúp khắc

phục nhiều nhược điểm và tăng hiệu năng cho RAM, chu kì của chuỗi ngắn hơn

rất nhiều chu kì trang của RAM loại cũ. Chu kì của chuỗi cũng được coi như là

chu kì xung nhịp của SDRAM và chính vì thế nó được coi như thang xác định

cho tốc độ của RAM bởi đó là khoảng thời gian cần thiết giữa các lần truy xuất

dữ liệu theo chuỗi của RAM. Những con số -12, -10, -8... ghi trên các chip

RAM cho biết khoảng thời gian tối thiểu giữa mỗi lần truy xuất dữ liệu: nhãn -

12 xác định chu kì truy cập dữ liệu của RAM là 12ns (nano-giây).

3.1.6 Các loại bộ nhớ

+ ROM (Read Only Memory)

Có đặc tính là thông tin lưu trữ trong ROM không thể xoá được và không sửa

được, thông tin sẽ được lưu trữ mãi mãi. Nhưng ngược lại ROM có bất lợi là

một khi đã cài đặt thông tin vào rồi thì ROM sẽ không còn tính đa dụng

+ PROM (Programmable ROM)

Mặc dù ROM nguyên thủy là không xoá/ghi được, nhưng do sự tiến bộ trong

khoa học, Thông tin có thể được "cài" vào chip và nó sẽ lưu lại mãi trong chip.

Một đặc điểm lớn nhất của loại PROM là thông tin chỉ cài đặt một lần mà thôi.

+ EPROM (Erasable Programmable ROM)

Một dạng cao hơn PROM là EPROM, tức là ROM nhưng chúng ta có thể xoá

và viết lại được. Dạng "CD-Erasable" là một điển hình. EPROM khác PROM ở

chổ là thông tin có thể được viết và xoá nhiều lần theo ý người xử dụng, và

phương pháp xoá là hardware (dùng tia cực tím xoá) cho nên khá là tốn kém và

không phải ai cũng trang bị được.

+ EEPROM (Electronic Erasable Programmable ROM)

Ðây là một dạng cao hơn EPROM, đặt điểm khác biệt duy nhất so với EPROM

là có thể ghi và xoá thông tin lại nhiều lần bằng software thay vì hardware. Ứng

dụng của EEPROM cụ thể nhất là "flash BIOS". BIOS vốn là ROM và flash

BIOS tức là tái cài đặt thông tin (upgrade) cho BIOS.

+RAM (Random Access Memory) thông tin có thể được truy cập không cần

theo thứ tự.

+ SRAM (Static RAM) và DRAM (Dynamic RAM)

SRAM là loại RAM lưu giữ data mà không cần cập nhật thường xuyên (static).

http://www.ebook.edu.vn

Trên thực tế, chế tạo SRAM tốn kém hơn hơn DRAM và SRAM thường có

kích cỡ lớn hơn DRAM, nhưng tốc độ nhanh hơn DRAM vì không phải tốn thời

gian refresh nhiều lần.

+ BDEO-DRAM (Burst Extended Data Out DRAM)

Là thế hệ sau của EDO DRAM, dùng kỹ thuật "pineline technology" để rút

ngắn thời gian dò địa chỉ của data. Nếu các ta để ý những mẫu RAM tôi giới

thiệu trên theo trình tự kỹ thuật thì thấy là hầu hết các nhà chế tạo tìm cách nâng

cao tốc độ truy cập thông tin của RAM bằng cách cải tiến cách dò địa chỉ hoặt

cách chế tạo hardware.

+ SDRAM (Synchronous DRAM)

Ðây là một loại RAM có nguyên lý chế tạo khác hẳn với các loại RAM trước.

Như tên gọi của nó là "synchronous" DRAM, synchronous có nghĩa là đồng bộ,

tốc độ xung đồng hồ của RAM đồng bộ với dữ liệu.

+ DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

Ðây là loại memory cải tiến từ SDRAM. Nó nhân đôi tốc độ truy cập của

SDRAM bằng cách dùng cả hai quá trình đồng bộ khi clock chuyển từ 0 sang 1

và từ 1 sang 0. Ngay khi clock của memory chuyển từ 0 sang 1 hoặc từ 1 sang 0

thì thông tin trong memory được truy cập.

+ DRDRAM (Direct Rambus DRAM)

Ðây lại là một bước ngoặc mới trong lĩnh vực chế tạo memory, hệ thống

Rambus (cũng là tên của một hãng chế tạo nó) có nguyên lý và cấu trúc chế tạo

hoàn toàn khác loại SDRAM truyền thống. Memory sẽ được vận hành bởi một

hệ thống phụ gọi là Direct Rambus Channel có độ rộng 16 bit và một clock

400MHz điều khiển. (có thể lên 800MHz)

+ SLDRAM (Synchronous-Link DRAM)

Là thế hệ sau của DRDRAM, thay vì dùng Direct Rambus Channel với chiều

rộng 16bit và tốc độ 400MHz, SLDRAM dùng bus 64bit chạy với tốc độ

200MHz. Theo lý thuyết thì hệ thống mới có thể đạt được tốc độ 400Mhz x 64

bits = 400Mhz x 8 bytes = 3.2Gb/giây, tức là gấp đôi DRDRAM. Ðiều thuận

tiện là là SLDRAM được phát triển bởi một nhóm 20 công ty hàng đầu về vi

tính cho nên nó rất da dụng và phù hợp nhiều hệ thống khác nhau.

+ PC66, PC100, PC133, PC1600, PC2100, PC2400....

PC xxx *2*8 = băng thông . Chiều rộng của DDR SDRAM: PC200 * 8 =

PC1600. Tương tự PC133 sẽ là PC133 * 2 * 8bytes = PC2100 và PC150 sẽ là

PC150 * 2 * 8 = PC2400.

+ Cache memory

Là loại memory có dung lượng rất nhỏ và chạy rất nhanh (gần như tốc độ của

CPU). Thông thường thì Cache memory nằm gần CPU và có nhiệm vụ cung

cấp những data thường (đang) dùng cho CPU. Sự hình thành của Cache là một

cách nâng cao hiệu quả truy cập thông tin của máy tính mà thôi. Những thông

http://www.ebook.edu.vn

tin ta thường dùng (hoặc đang dùng) thường được chứa trong Cache, mổi khi

xử lý hay thay đổi thông tin, CPU sẽ dò trong Cache memory trước xem có tồn

tại hay không, nếu có nó sẽ lấy ra dùng lại còn không thì sẽ tìm tiếp vào RAM

hoặc các bộ phận khác.

Lý do Cache memory nhỏ là vì nó rất đắt tiền và chế tạo rất khó khăn bởi nó

gần như là CPU (về cấu thành và tốc độ). Thông thường Cache memory nằm

gần CPU, trong nhiều trường hợp Cache memory nằm trong con CPU luôn.

Người ta gọi Cache Level 1 (L1), Cache level 2 (L2)...là do vị trí của nó gần

hay xa CPU. Cache L1 gần CPU nhất, sau đó là Cache L2...

+ Interleave

Là một kỹ thuật làm tăng tốc độ truy cập thông tin bằng giảm bớt thời gian nhàn

rổi của CPU. Ví dụ, CPU cần đọc thông tin thông từ hai nơi A và B khác nhau,

vì CPU chạy quá lẹ cho nên A chưa kịp lấy đồ ra CPU phải chờ rồi! A thấy

CPU chờ thì phiền quá mới bảo CPU sang B đòi luôn sau đó trở lại A lấy cũng

chưa muộn! Bởi thế CPU có thể rút bớt thời gian mà lấy được đồ ở cả A và B.

Toàn bộ nghĩa interleave là vậy.

+ Bursting

Cũng là một kỹ thuật khác để giảm thời gian truyền tải thông tin trong máy tính.

Thay vì CPU lấy thông tin từng byte một, bursting sẽ giúp CPU lấy thông tin

mỗi lần là một block.

3.1.7. Cách Tính Dung Lượng Của Memory (RAM)

Thông thường RAM có hai chỉ số, ví dụ, 32Mx4. Thông số đầu biểu thị số hàng

(chiều sâu) của RAM trong đơn vị Mega Bit, thông số thứ nhì biểu thị số cột

(chiều ngang) của RAM. 32x4 = 32MegaBit x 4 cột = 128 Mega Bit = 128/8

Mega Bytes = 16MB.

- Số Pin của RAM

Khi chọn RAM, ngoài việc chú ý tốc độ, sức chứa, ta phải coi số Pin của nó.

Thông thường sốPin của RAM là (tuỳ vào loại RAM): 30, 72, 144, 160, 168,

184 pins.

- SIMM (Single In-Line Memory Module)Ðây là loại ra đời sớm và có hai

loại hoặc là 30 pins hoặc là 72 pins. Người ta hay gọi rõ là 30-pin SIMM hoặc

72-pin SIMM. Loại RAM (có cấu hình SIMM) nầy thường tải thông tin mỗi lần

8bits, sau đó phát triễn lên 32bits. Ta cũng không cần quan tâm lắm đến cách

vận hành của nó, nếu ra ngoài thị trường ta chỉ cần nhận dạng SIMM khi nó có

30 hoặc 72 pins. Loại 72-pin SIMM có chiều rộng 41/2" trong khi loại 30-pin

SIMM có chiều rộng 31/2" (xem hình)

http://www.ebook.edu.vn

- DIMM (Dual In-line Memory Modules)

Cũng gần giống như loại SIMM mà thôi nhưng có số pins là 72 hoặc 168. Một

đặc điểm khác để phân biệt DIMM với SIMM là cái chân (pins) của SIMM

dính lại với nhau tạo thành một mảng để tiếp xúc với memory slot trong khi

DIMM có các chân hoàn toàn cách rời độc lập với nhau. Một đặc điểm phụ nửa

là DIMM được cài đặt thẳng đứng (ấn miếng RAM thẳng đứng vào memory

slot) trong khi SIMM thì ấn vào nghiêng khoảng 45 độ. Thông thường loại 30

pins tải data 16bits, loại 72 pins tải data 32bits, loại 144 (cho notebook) hay 168

pins tải data 64bits.

- SO DIMM (Small Outline DIMM)

Ðây là loại memory dùng cho notebook, có hai loại pin là 72 hoặc 144. Nếu ta

để ý một tý thì thấy chúng có khổ hình nhỏ phù hợp cho notebook. Loại 72pins

vận hành với 32bits, loại 144pins vận hành với 64bits.

- RIMM (Rambus In-line Memory Modules) và SO RIMM (RIMM dùng

cho notebook)

Là technology của hãng Rambus, có 184 pins (RIMM) và 160 pins (SO RIMM)

và truyền data mỗi lần 16bit (thế hệ củ chỉ có 8bits mà thôi) cho nên chạy nhanh

hơn các loại củ. Tuy nhiên do chạy với tốc độ cao, RIMM memory tụ nhiệt rất

cao thành ra lối chế tạo nó cũng phải khác so với các loại RAM truyền thống.

3.1.8 Điện thế làm việc

Có một chỉ số về điện thế cung cấp cho RAM (DRAM Voltage). Thường thì

DDR sử dụng mức điện thế 2,5v và DDR-II là 1,8v. Một số loại RAM DDR tốc

độ cao có thể yêu cầu tới 2,8v hoặc 2,85v, đối với những loại này ta phải tham

khảo tài liệu hướng dẫn đi kèm để có được thông tin.

Tuy nhiên cần tuân theo một nguyên tắc an toàn là: Không nên kéo điện thế lên

quá 2,9v nếu không có giải pháp tản nhiệt hữu hiệu vì RAM có thể sẽ bị cháy

hoặc phồng IC sau một thời gian sử dụng.

§ 3.2. Sự phân cấp bộ nhớ

3.2.1 Xác định loại bộ nhớ

Hiện có 3 công nghệ bộ nhớ phổ biến là SDRAM, DDR-SDRAM và RDRAM

nên ta cần xác định loại bộ nhớ dựa theo tài liệu hướng dẫn của bo mạch chủ.

SDRAM: Phổ biến trong các hệ thống Pentium, Pentium II, và Pentium III,

http://www.ebook.edu.vn

SDRAM có 3 loại: PC66, PC100 và PC133; tương ứng với tần số làm việc

66MHz, 100MHz và 133 MHz.

DDR SDRAM: Phổ biến trong hệ thống Pentium IV hay AMD. Cũng giống

như SDRAM, DDR SDRAM cũng có nhiều loại tốc độ khác nhau như PC2100,

PC2700, PC3200, PC3500 và PC3700 (xung làm việc tương ứng là 266MHz,

333MHz, 400MHz, 433MHz, và 466MHz)

RDRAM: Là công nghệ bộ nhớ tốt nhất, RDRAM sử dụng cho các hệ thống

Xeon và Pentium IV cao cấp.

3.2.2 Video Ram (Vram)

VRAM được phát triển dựa trên công nghệ FPM (fast page mode), có hai cổng

giao tiếp thay vì một cổng như thông thường: một cổng dành cho chức năng

làm tươi màn hình) cổng còn lại xuất ảnh ra màn hình. Nhờ thiết kế này,

VRAM hoạt động hiệu quả hơn DRAM trong những ứng dụng video. Tuy

nhiên, do sản lượng tiêu thụ chip video ít hơn chip nhớ chính nên giá còn cao.

Vì thế, trong một số hệ thống card video ít tiền, người ta có thể dùng DRAM

thông thường để giảm giá thành.

3.2.3 Graphic ddr (gddr)

GDDR (DDR đồ họa) được phát triển dựa trên công nghệ DDR SDRAM dành

riêng cho đồ họa. Sau phiên bản GDDR-2 thiết kế dựa trên DDR-II, ATI và

NVIDIA đã kết hợp chặt chẽ với các nhà sản xuất bộ nhớ để đưa ra phiên bản

GDDR-3 có điện áp làm việc thấp hơn GDDR-2, làm việc từ tần số 500MHz

đến 800MHz với mục tiêu giảm điện năng tiêu thụ, tăng mật độ chip nhớ và

đơn giản hóa giải pháp tản nhiệt.

3.2.4 Window ram (wram)

WRAM là một dạng bộ nhớ hai cổng khác, được dùng trong những hệ thống

chuyên xử lý đồ họa. Hơi khác VRAM, WRAM có cổng hiển thị nhỏ hơn và hỗ

trợ tính năng EDO (Extended Data Out).

3.2.5 Synchronous Graphic Ram (SGRAM)

SGRAM là loại SDRAM thiết kế riêng cho video với chức năng đọc/ghi đặc

biệt. SGRAM cho phép truy xuất và chỉnh sửa dữ liệu theo khối thay vì từng

đơn vị nên giảm bớt số lượt đọc/ghi bộ nhớ và tăng hiệu năng của bộ điều khiển

đồ họa.

3.2.6 Base Rambus VÀ Concurrent Rambus

Trước khi trở thành công nghệ bộ nhớ chính, công nghệ Rambus được dùng

làm bộ nhớ video. Công nghệ bộ nhớ Rambus dùng làm bộ nhớ chính hiện tại

được gọi là Direct Rambus. Còn hai dạng Rambus sơ khai là Base Rambus và

Concurrent Rambus được dùng cho ứng dụng video trong máy trạm và hệ thống

game video như Nintendo 64

http://www.ebook.edu.vn

3.2.7 Bộ nhớ cải tiến

+ Enhanced Sdram (Esdram)

Để tăng tốc độ và hiệu năng, thanh nhớ chuẩn có thể được tích hợp thêm bộ

đệm SRAM (Static RAM) trực tiếp trên chip. ESDRAM là SDRAM có thêm bộ

đệm SRAM để có khả năng làm việc với tần số 200MHz. Cũng tương tự

nguyên lý bộ nhớ đệm ngoài, DRAM cũng dùng một bộ đệm SRAM để lưu dữ

liệu thường dùng, nhằm rút ngắn thời gian truy xuất DRAM. Ưu điểm của

SRAM trên chip là tạo lập tuyến bus rộng hơn giữa SRAM và DRAM, tăng

cường băng thông và tốc độ DRAM một cách hiệu quả.

+ Fast Cycle Ram (Fcram)

FCRAM được Toshiba và Fujitsu đồng phát triển nhằm phục vụ máy chủ, máy

in cao cấp và hệ thống chuyển mạch viễn thông. Bộ nhớ được phân thành nhiều

mảng và có thiết kế hàng đợi nên tăng được tốc độ truy xuất ngẫu nhiên và

giảm điện năng tiêu thụ.

+ Synclink Dram (Sldram)

Hiện tại tuy đã lỗi thời nhưng SLDRAM từng được cộng đồng chế tạo DRAM

phát triển nhằm cạnh tranh với Rambus vào cuối thập niên 1990.

+ Virtual Channel Memory (Vcm)

Do NEC phát triển, VCM cho phép các 'khối' bộ nhớ khác nhau giao tiếp độc

lập với bộ điều khiển nhớ và có đệm riêng. Cách này cho phép mỗi tác vụ hệ

thống thành một khối riêng, không chia sẻ hay dùng chung với các tác vụ cùng

chạy khác

§ 3.3. Xây dựng bộ nhớ từ các chip nhớ.

3.3.1 Lưu trữ từ tính

kiểu lưu trữ từ tính dùng để lưu dữ liệu trên một trục các đĩa mỏng. Các đĩa này

được chế tạo từ aluminum, thủy tinh

hoặc ceramic và được bọc bên ngoài với

một lớp vật liệu sắt từ, thường là hợp

kim coban. Lớp vật liệu sắt từ này bao

phủ sẽ cho phép đầu đọc/ghi có thể từ

hóa các vùng nhỏ của đĩa để thể hiện dữ

liệu số trên đó. Có nhiều đĩa mỏng bên

trong một ổ cứng, chúng được cách ly

với nhau bởi các miếng đệm trên một

trục đơn. Trục này được điều khiển bởi

một mô tơ có thể quay tròn các đĩa. Tốc

độ của mô tơ này là không đổi và là tốc

http://www.ebook.edu.vn

độ của ổ cứng.

Các đầu đọc ghi trên từng mặt đĩa được gắn với một cánh tay chuyển động

riêng. Cánh tay chuyển động này được điều khiển bằng một mô tơ servo có thể

chuyển đầu đọc vào gần hoặc ra xa với trục. Có hai cách để ghi dữ liệu lên đĩa:

theo chiều ngang và chiều vuông góc. Chiều ngang là cách truyền thống để ghi

dữ liệu lên đĩa.

Công nghệ ghi vuông góc có thể cho phép các thiết kế đóng gói được nhiều dữ

liệu hơn trên cùng một vùng của đĩa mà không phải buồn phiền về hiệu quả của

siêu thuận từ cho các vùng có kích thước giống nhau. Nó hơi khó hiểu trong

vấn đề tại sao chúng ta không phải lo lắng về hiệu quả của siêu thuận từ. Về bản

chất vấn đề này là hướng của trường từ tính đã thay đổi, và vì vậy chúng tương

tác với các thành phần bên cạnh của chúng khác nhau. Sự tương tác này rất

quan trọng trong việc xác định xem siêu thuận từ có ảnh hưởng hay không.

Tương tự với ổ cứng, các bit được lưu trên một dải băng bằng cách đảo cực một

vùng từ tính nhỏ. Có hai kiểu cơ bản của dải băng đó là: tuyến tính và xoắn ốc.

Các ổ băng tuyến tính có các rãnh tuyến tính. Trên băng có một số rãnh mở

rộng từ băng này đến băng khác. Mỗi rãnh gồm có nhiều vùng từ tính nhỏ, các

vùng này có thể được sử dụng để thể hiện bít dữ liệu '1' hoặc '0'. Các băng

xoắn ốc có các rãnh có thể chạy theo đường chéo lên xuống theo băng. Điều đó

có nghĩa rằng các rãnh sẽ chồng lên nhau. Bình thường điều đó là không tốt, tuy

nhiên kiểu băng này sẽ dụng hai đầu ghi, mỗi đầu ghi lại sử dụng một trạng thái

phân cực đối nhau, điều đó cho phép đầu đọc có thể phân biệt được các rãnh.

Do vậy nó có thể cho dung lượng cao hơn khi sử dụng băng.

3.3.2 Bộ nhớ bán dẫn

Một trong những loại bộ nhớ bán dẫn thông thường đó là RAM, bạn có thể xem

hình 3.3.2. Có hai loại RAM chung đó là động và tĩnh. Ram tĩnh (SRAM) lưu

dữ liệu trong một bộ gồm có 6 transistor (6 transistor này tạo thành một khối

được biết đến đó là một flip-flop (FF)). Ram động (DRAM) lưu dữ liệu bằng

các tụ điện, cần phải làm tươi liên tục, đây là lý do tại sao DRAM không lưu

được dữ liệu khi mất điện. Ưu điểm của DRAM là chỉ cần đến một trasistor và

mỗi tụ điện cho mỗi bit. Điều này làm cho nó có dung lượng nhớ cao hơn

SRAM. Còn ưu điểm của SRAM là các transistor không cần đến việc làm tươi

và tương tác nhanh hơn các tụ điện.

http://www.ebook.edu.vn

Hình 3.3.2: RAM

Một kiểu bộ nhớ bán dẫn khác đang được sử dụng nhiều hiện nay đó là bộ

nhớ Flash. Trong loại bộ nhớ này cũng được chia thành hai kiểu: NOR và

NAND. NOR (Not OR) thường sử dụng các cổng logic NOR trong khi đó

NAND (Not AND) lại sử dụng các cổng logic NAND. Cả hai cổng lôgic

NAND và NOR đều được cấu tạo từ các transistor và không chứa tụ điện

trong đó. Điều này nghĩa là khi mất điện dữ liệu được lưu bên trong chúng

sẽ không bị mất.

Mặc dù cả NAND và NOR Flash đều tương tự nhau nhưng chúng cũng có

một số điểm khác nhau. NAND flash sử dụng công nghệ truy cập tuần tự

phù hợp hơn cho việc lưu trữ dữ liệu. NOR flash là một công nghệ truy cập

ngẫu nhiên, điều này làm cho nó tốt hơn trong việc lưu trữ các chương trình

sử dụng tốn ít bộ nhớ. NOR flash thường được sử dụng trong các ứng dụng

như chạy một hệ điều hành của điện thoại di động. NAND flash được sử

dụng điển hình trong các ứng dụng như các thẻ nhớ USB.

3.3.3 Bộ nhớ quang

Một kiểu lưu trữ quang học thường được sử dụng nhất đó là CD. Các CD

được sản xuất từ polycarbonat plastic có các lỗ nhỏ, các lỗ nhỏ này được sắp

xếp theo hình xoắn ốc xung quanh đĩa, đó là các lỗ dùng để biểu thị dữ liệu.

Trên polycarbonat này là một lớp vật liệu phản chiếu mỏng, thường là

aluminum hay vàng và trên đó là một lớp acrylic để bảo vệ đĩa.

Khi một CD đang đọc, tia laser sẽ đập vào lớp polycarbonat và được phản

chiếu vào lớp vật liệu phản chiếu. Tia laser phản chiếu quay trở lại được

phát hiện bằng một cảm biến quang, dùng để chuyển đổi tín hiệu tia laser

nhận được thành tín hiệu điện. Phụ thuộc vào tia laser tập trung vào các lỗ

hổng khác nhau thì tín hiệu điện thu được cũng sẽ khác nhau vì tia phản

chiếu khác nhau. Sự khác nhau trong các tín hiệu điện là cách một máy tính

có thể đọc dữ liệu trên đĩa CD như thế nào. Đó là trường hợp đối với các CD

thông thường, nhưng việc ghi dữ liệu lên các đĩa CD như thế nào? Một CD-

R cũng tương tự như một CD trong cấu trúc chung của nó ngoại trừ có hai

khía cạnh chính. Đầu tiên đó là nó không có các lỗ.Thứ hai, giữa

polycarbonat và aluminum phản chiếu có một lớp thuốc nhuộm trong suốt.

http://www.ebook.edu.vn

Để lưu dữ liệu vào CD-R, tia laser dùng để ghi được tập trung vào phần

xoắn ốc muốn ghi (đường xoắn ốc này không tồn tại cho tới khi bạn tạo nó

bằng việc ghi dữ liệu lên) và nung nóng lớp thuốc nhuộm. Các thuộc tính

hóa học của lớp thuốc nhuộm thay đổi tương ứng ở độ mờ của nó với nhiệt

độ đốt nóng. Vì vậy tia laser dùng để ghi có thể chuyển động dọc theo

đường xoắn ốc và thay đổi độ mờ của các vùng nhỏ, sự khác biệt trong độ

mờ thể hiện ra dữ liệu đó là các con số '1' và '0'. Dữ liệu sau đó được đọc từ

CD-R theo cách như một CD. CD-R chỉ có thể được ghi một lần. Điều này

là bởi vì khi đã làm lớp thuốc nhuộm thay đổi thì bạn không thể làm cho nó

trong suốt lại được lần nữa. Vậy sau CD-R là gì? CD-RW sử dụng lớp thuốc

nhuộm khác, lúc đầu có màu đục, sau khi được đốt nóng có màu trong suốt.

Thuốc nhuộm này cũng có thuộc tính khá thú vị đó là có thể trở lại trạng thái

ban đầu nếu được đốt nóng đến một nhiệt độ cao hơn. Điều này cho phép

bạn dễ dàng xóa các dữ liệu đã được lưu trên đĩa trước đó.

Hình 3.3.3. Ảnh của các lỗ trên một đĩa DVD

Các đĩa DVD làm việc cũng giống như đĩa CD. Các đĩa này có thể lưu nhiều

dữ liệu hơn đĩa CD vì về bản chất chúng gồm nhiều đĩa CD mỏng được cất

trữ trên một DVD. Điều đó được tạo từ một số lớp polycarbonat và vật liệu

phản chiếu. Các tia laser và cảm biến quang cũng có nhiều cải tiến hơn,

trong đó tia laser có khả năng xuyên qua các lớp khác nhau và cảm biến

quang cũng có thể phát hiện được tất cả các lớp khác nhau đó.

http://www.ebook.edu.vn

3.3.4. Bộ nhớ phân tử

Động cơ cho việc phát triển công nghệ lưu trữ mới là chúng ta muốn nhanh

chóng vươn đến được giới hạn nhỏ và nhanh trong các thiết bị, trong khi đó

người dùng luôn yêu cầu dung lượng và hiệu suất tốt hơn. Chính vì vậy các

công nghệ mới càng cần phải được nghiên cứu và sớm đưa ra hơn. Trong

phần này chúng tôi có giới thiệu đến công nghệ nhớ phân tử. Vậy công nghệ

nhớ phân tử là gì? Điều gì làm cho bộ nhớ phân tử hấp dẫn đến vậy, câu trả

lời là các phân tử rất nhỏ và có thể cung cấp một mật độ nhớ lớn hơn gấp

nhiều lần so với các công nghệ hiện tại. Để giữ một bit trong một phân tử,

theo lý thuyết điều này khá đơn giản. Ta chỉ cần thêm hoặc bớt các electron

trong mỗi phân tử đó. Điều khó khăn ở đây là việc đọc và ghi các bit dữ liệu

đó như thế nào.

Để truy cập vào các phân tử để đọc và ghi, một số nhà nghiên cứu đã sắp

xếp một mảng phân tử xung quanh các ống nano nhỏ có khả năng tích điện.

Phương pháp này được thể hiện như trong hình 3.3.4. Một số chuyên gia

nghiên cứu khác lại muốn gia công các bít dữ liệu thông qua sóng vô tuyến.

Họ thực hiện điều đó bằng cách tạo một xung điện từ ở một tần số nào đó,

xung này sau đó có thể thay đổi để nạp cho phân tử. Để đọc các bít dữ liệu,

một xung tần số khác sẽ được tạo ra sau đó. Kết quả phân tử có xung thứ hai

này có thể cho bạn biết rằng xung đầu tiên đã tương tác với phân tử, do vậy

cho phép bạn lưu và sau đó đọc bit dữ liệu đó.

Hình 3.3.4. Sơ đồ thiết bị nhớ phân tử

Như những gì bạn có thể nhìn thấy ở trên là công nghệ bộ nhớ phân tử, công

nghệ này có thể hứa hẹn sẽ cung cấp cho người dùng một mật độ nhớ lớn.

Tuy nhiên, hiện nay bộ nhớ phân tử vẫn nằm trong các phòng thí nghiệm, vì

vậy có lẽ chúng ta sẽ phải đợi đến vài năm tiếp theo để có thể thấy được

công nghệ mới này sẽ mang đến những thuận lợi trong ứng dụng cho chúng

ta như thế nào.

3.3.5. Bộ nhớ thay đổi pha

Không giống như bộ nhớ phân tử, bộ nhớ thay đổi pha hiện đã được đưa vào

http://www.ebook.edu.vn

ứng dụng. Trong thực tế, công nghệ bộ nhớ thay đổi pha được đưa ra cách

đây khoảng vài thập kỷ. Vào năm những năm 60, Stanford Ovshinsky đã

phát minh ra cách để kết tinh các vật liệu vô định hình, các vật liệu không có

cấu trúc cụ thể. Các CD-R và CD-RW làm việc bởi tia laser thay đổi độ mờ

của một vùng nhỏ trên mỗi đĩa. Sự thay đổi tính mờ của vật liệu từ vô định

sang kết tinh, và ngược lại. Đây cũng là công nghệ được phát minh bởi

Ovshinsky. Ovshinsky là người đầu tiên chế tạo CD-RW vào năm 1970.

Sự khác nhau giữa công nghệ CD-R và công nghệ thay đổi pha là với bộ nhớ

của công nghệ thay đổi pha, trạng thái kết tinh của một vùng nhỏ được thay

đổi bằng một dòng điện chứ không phải tia laser. Khi không sử dụng tia

laser để đọc và ghi dữ liệu thì chúng ta sẽ không làm mờ vùng nhưng lại

xuất hiện điện trở suất ở vùng đó. Khi vùng đó thay đổi sang kết tinh hoặc

vô định hình thì điện trở suất của vùng có thể đo được và dựa vào số điện trở

suất người ta có thể phân biệt được đó là '1' hay '0'.

Bây giờ ta có thể thấy được điện trở xuất khá giống với tính mờ đục. Một vật

liệu có điện trở không cho phép nhiều điện tích để lưu thông qua nó và vật

liệu mờ không cho phép nhiều ánh sáng xuyên qua nó. Cũng nên biết rằng

các vật liệu mờ trong thực tế có sự phản chiếu ánh sáng. Ta có thể không

nhận ra rằng các vật liệu có điện trở cũng phản chiếu. Đúng hơn, nó là trở

kháng (impedance) của vật liệu sẽ phản chiếu điện. Điện trở là một khía

cạnh của những gì tạo nên trở kháng; các thành phần khác là điện dung và

điện cảm. Trong nhiều ứng dụng, việc hạn chế sự phản chiếu bởi trở kháng

phù hợp là một vấn đề lớn trong thiết kế. Bộ nhớ thay đổi pha có tiềm năng

thay thế được bộ nhớ flash trong một vài năm tới. Vậy làm thế nào để có thể

so sánh được với ổ flash? Giống như ổ flash, bộ nhớ thay đổi pha là bộ nhớ

truy cập ngẫu nhiên ổn định làm cho nó phù hợp với cả chạy mã và lưu trữ

dữ liệu. Năm 2006, IBM cùng với Macronix và Qimonda đã tuyên bố các

kết quả nghiên cứu rằng họ đã thiết kế, xây dựng và minh chứng được thiết

bị nhớ thay đổi pha đầu tiên. Thiết bị này nhanh hơn gấp 500 lần so với ổ

flash trong khi sử dụng ít hơn một nửa công suất tiêu thụ. Thiết bị đầu tiên

này cũng nhỏ gọn hơn các bộ nhớ flash.

3.3.6. Bộ nhớ Holographic

Nhiều người nghĩ rằng công nghệ holographic chỉ là mang tính lý thuyết,

nhưng ngày nay nó đang dần trở thành một công nghệ hiện thực. Rõ ràng nó

chưa được sử dụng rộng rãi và khá đắt đỏ. Tuy nhiên tình trạng này sẽ sớm

được thay đổi bởi vì có rất nhiều ưu điểm để lưu trữ dữ liệu của bạn trên bộ

nhớ công nghệ holographic này.

http://www.ebook.edu.vn

Hình 3.3.6. Thiết bị nhớ công nghệ holographic

Bộ nhớ holographic làm việc bằng cách chiếu hai chùng sáng dính liền vào

một môi trường nhạy cảm với ánh sáng, một chùm dữ liệu và một chùm

tham chiếu. Mẫu giao thoa kích thước ba chiều được tạo bởi hai chùm sáng

này được lưu như một kỹ thuật tạo ảnh ba chiều. Mẫu giao thoa này có thể

được đọc bằng cách chỉ chiếu sáng chùm tham chiếu vào mẫu giao thoa;

chùm thu được sẽ giống với chùm dữ liệu gốc.

Kiểu bộ nhớ ba chiều này nghĩa là chúng ta có thể lưu và truy cập các trang

bộ nhớ cùng một thời điểm. Nó cũng có nghĩa là các thiết bị nhớ

holographic sẽ có một khả năng nhớ với số lượng lớn không tưởng.

Với các ưu điểm của nó, holographic sẽ sớm trở thành một công nghệ lưu

trữ được sử dụng trong thị trường lưu trữ thứ ba. Mặc dù vậy các thiết bị

holographic sẽ ít phổ biến như các đĩa CD và DVD ngày nay.

http://www.ebook.edu.vn

3.3.7 MRAM_ Hiệu ứng Từ Điện Trở Của Ram

Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên (RAM) là phần tử nhớ không thể thiếu

trong các máy tính hiện nay. Điểm kém của bộ nhớ RAM hiện nay là dữ

liệu bị xóa mất sau khi ngắt nguồn điện và tốc độ truy nhập còn hạn chế.

Bộ nhớ RAM từ điện trở (MRAM) đang được nghiên cứu mạnh mẽ và sẽ

là một thay thế hữu hiệu cho RAM truyền thống.

a. Sơ lược về hiệu ứng từ điện trở và MRAM

Bộ nhớ MRAM được mở đầu từ năm

1984 bởi 2 tiến sĩ Arthur Pohm và Jim

Daughton lúc đó đang làm việc cho

Honeywell, đưa ý tưởng về một loại bộ

nhớ sử dụng hiệu ứng từ điện trở

(Magnetoresistance Effect) cho phép tạo

ra các bộ nhớ với mật độ lưu trữ thông

tin cao, truy nhập ngẫu nhiên, và không

tự xóa. Năm 1989, Daughton rời

Honeywell và ý tưởng này bắt đầu được

phát triển thành thương phẩm, đồng thời

với sự nhảy vọt của hiệu ứng từ trở là sự phát hiện ra hiệu ứng từ điện trở

khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR) và từ điện trở chui hầm

(Tunelling Magnetoresistance - TMR).

Thực chất hiệu ứng từ điện trở đã được nghiên cứu và sử dụng trước đó khá

lâu, hiểu đơn giản là sự thay đổi điện trở suất trong chất rắn dưới sự tác dụng

của từ trường. Trước đó, người ta thường ứng dụng hiệu ứng từ điện trở dị

hướng (Anisotropic Magnetoresistance - AMR) trong các màng hợp kim

Permalloy NiFe cho đầu đọc bộ nhớ và sensor từ. Để định nghĩa hiệu ứng từ

trở, người ta đưa ra tỉ số từ trở:

Hiệu ứng GMR lần đầu tiên được phát hiện bởi nhóm của Fert năm 1988

trên các màng đa lớp siêu mạng Fe/Cr. Với các màng này, có thể cho tỉ số

MR tới vài chục % và còn có thể lớn hơn, và được gọi là hiệu ứng từ điện

trở khổng lồ (xem hình 1). Các nghiên cứu sau này đã chỉ ra rằng tên gọi

"khổng lồ" không xuất phát từ giá trị lớn của MR mà xuất phát từ cơ chế tạo

ra hiệu ứng GMR, đó là cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử qua các lớp

sắt từ. Như ta biết rằng, điện tử có spin, điện trở của một chất phụ thuộc vào

sự tán xạ của điện tử trên: trên nút mạng tinh thể, trên các moment từ, và

trên sai hỏng. Từ trường ngoài gây ra sự định hướng của các moment từ và

http://www.ebook.edu.vn

do đó làm thay đổi sự tán xạ của điện tử trên các spin và đó là các hiểu đơn

giản về hiệu ứng GMR.

Hình 1. Hiệu ứng GMR: đường cong thay đổi điện trở theo từ trường ngoai

trong cấu trúc siêu mạng Fe/Cr.

Hiệu ứng từ điện trở chui hầm (Tunneling Magnetoresistance - TMR) lần

đầu tiên được phát hiện bởi nhóm của J.S. Moodera của MIT năm 1995 trên

màng đa lớp. Lớp cách điện đóng vai trò là lớp cho điện tử chui hầm từ các

lớp sắt từ sang nhau và tán xạ trên các lớp sắt từ. Có thể nói hai phát hiện

này là đóng góp quan trọng cho sự nhảy vọt của MRAM biến ý tưởng của

Pohm và Daughton thành hiện thực và MRAM bắt đầu được nghiên cứu chế

tạo thành thương phẩm ở quy mô lớn tại hầu hết các phòng thí nghiệm lớn

trên thế giới.

http://www.ebook.edu.vn

Hình 2. Đường cong MR trong các màng CoFe/Al2O3/Co - Hiệu ứng từ điện trở chui

hầm

a. Cấu Trúc Của MRAM

- Ô nhớ cơ bản của RAM: Tiếp xúc chui hầm từ tính (Magnetic Tunnel Junction -

MTJ)

http://www.ebook.edu.vn

Hình 3. Ô nhớ của MRAM và các bit (0), (1) tương ứng với trạng thái điện

trở thấp và cao (J.P. Nozieres, Spintech, CNRS).

Trong MRAM, thông tin không được lưu trữ bởi điện tích của điện tử như

bộ nhớ bán dẫn mà được lưu trữ bởi spin của điện tử, mà cụ thể là theo sự

định hướng của moment từ theo 2 chiều. Một ô nhớ cơ bản của MRAM

được gọi là MTJ gồm 2 lớp từ tính kẹp giữa là một lớp cách điện mỏng (cỡ

dưới nm) như hình 3. Moment từ của một lớp đóng vai trò lớp chuẩn, bị giữ

cố định theo một chiều, còn moment từ của lớp còn lại như là lớp lưu trữ có

thể đảo dưới tác dụng của từ trường từ song song đến phản song song với

lớp chuẩn do đó dẫn đến sự thay đổi về điện trở của cấu hình (do sự tán xạ

khác nhau của điện tử trong các trạng thái song song và phản song song).

Các bit (0) và (1) được quy ước tương ứng với trạng thái điện trở thấp và

cao. Trên thực tế, cấu trúc thực của một MTJ phức tạp hơn nhiều, mô hình

trên chỉ là đơn giản hóa. Sự lưu trữ thông tin sau khi ngắt nguồn điện được

xác lập nhờ sự giữ lại trạng thái của các moment từ (bản chất cố hữu của từ

tính).

- Thế hệ đầu tiên: Đảo từ trường cảm ứng (Field-Induced Magnetic

Switching - FIMS)

Một MRAM hoàn chỉnh gồm các dãy 2 chiều các ô nhớ riêng biệt có địa chỉ

riêng. Trong cấu trúc ngày nay, mỗi ô nhớ là sự kết hợp của một transitor

CMOS với một tiếp xúc chui hầm từ và 3 mức thẳng (line levels) như hình

4.

http://www.ebook.edu.vn

Hình 4. Phương pháp đọc và ghi ở MRAM trong các cấy trúc phổ biến (a):

Nguyên tắc đọc, (b) cách ghi trong cấu trúc FIMS, (c) cách ghi trong cấu

trúc TAS, (d) cách ghi trong cấu trúc CIS.

+ Khi đọc dữ liệu, một dòng xung công suất thấp sẽ đi vào qua cổng Control

và mở transistor dẫn tới địa chỉ ô nhớ được chọn, điện trở của ô được xác

định bằng cách điều khiển dòng qua "word line" qua tiếp xúc chui hầm từ và

so sánh với ô lấy mẫu trong dãy (hình 4a).

+ Dữ liệu được ghi theo nguyên lý từ trễ. Các "word line" và "bit line" sắp

xếp qua 2 cực của tiếp xúc chui hầm từ và được hoạt động nhờ một dòng

xung đồng bộ để tạo ra một từ trường tại địa chỉ ô nhớ. Cường độ dòng được

chọn sao cho chỉ lớp nhớ của tiếp xúc từ có thể bị đảo từ còn các lớp lấy

mẫu vẫn giữ nguyên trạng thái. Điều này có thể tạo được là do đặc tính của

các cấu trúc nano.

Cấu trúc FIMS đã được sử dụng rất hiệu quả trong thế hệ MRAM đầu tiên.

Tuy nhiên, nó có những hạn chế khi kích thước ô nhớ giảm xuống dưới 1

μm:

+ Công suất ghi sẽ tăng lên do trường đảo từ tỷ lệ nghịch với kích thước hạt.

+ Các lỗi lựa chọn ở chế độ ghi cũng tăng lên khi phân bố trường đảo từ

SFD (Switching Field Distribution) có xu hướng tăng vọt lên.

http://www.ebook.edu.vn

+ Sự bền vững của dữ liệu trong thời gian dài có nguy cơ bị tác động do sự

tăng các tác động của kích thích nhiệt.

- Thế hệ sử dụng chế độ đảo từ nhờ nhiệt (Thermally Assisted Switching -

TAS)

Như vậy, giảm kích thước ô nhớ xuống dưới 1 μm là một thách thức cho

MRAM. Một kỹ thuật ghi khác phát triển bởi SPINTECH (CNRS, France)

có thể loại bỏ điều này là đảo từ nhờ nhiệt (TAS). Điều này thực hiện nhờ

đặc tính phụ thuộc nhiệt độ của trường đảo từ trong các hạt nano. Trong chế

độ TAS, các transistor CMOS sẽ mở ở chế độ ghi, và sẽ có một dòng xung

ngắn chạy qua lớn tiếp xúc từ đồng thời với dòng xung tạo ra từ trường ghi

và sinh ra nhiệt tại lớp rào thế chui hầm (như một điện trở) và nhanh tróng

đốt nóng lớp kim loại của tiếp xúc từ. Kết quả là trường đảo từ bị giảm

xuống tại lớp lưu trữ và cho phép ghi dễ dàng hơn

Cách này có nhiều ưu thế hơn so với phương pháp cũ:

+ Lỗi địa chỉ bị giảm xuống do quá trình lựa chọn ghi lúc này hầu như bị

điều khiển bởi nhiệt độ.

+ Dù dòng đốt bổ sung, nhưng công suất ghi toàn thể có thể giảm giảm rất

nhiều so với chế độ FIMS và hầu như không phụ thuộc vào kích thước ô

nhớ.

+ Tốc độ ghi được tăng lên do khả năng địa chỉ đồng thời (song song) với

xác suất lỗi thấp.

+ Sự bền nhiệt có thể cải tiến bằng cách thay thế các vật liệu có trường đảo

từ lớn hơn tại nhiệt độ hoạt động.

- Thế hệ sử dụng dòng phân cực spin cảm ứng (Spin Polarized Current

Induced Switching - CIS)

Đây là phương pháp mới được phát hiện gần đây sử dụng nguyên tắc kiểu bộ

nhớ RAM truyền thống như các flash RAM. Bức tranh đơn giản của CIS là

khi dòng chạy qua vậy liệu từ, các spin bị phân cực, ví dụ như sự mất cân

bằng giữa spin up và down. Khi dòng điện đi vào các lớp từ tính khác, sự

mất cân bằng spin này sinh ra các mômen xoắn tại các từ độ địa phương và

có thể gây ra một sự đảo từ. Cách thức này có rất nhiều ưu thế:

+ Không hề có lỗi địa chỉ

+ Có thể nâng gấp đôi mật độ bộ nhớ

+ Loại trừ sự ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước ô nhớ

+ Giảm công suất đọc ghi

Tuy nhiên, phương pháp này mới đang được phát triển gần đây.

Có thể nói, MRAM sẽ là một tiến bộ thay thế cho các bộ nhớ RAM truyền

thống (SRAM, DRAM) với các ưu điểm:

- Mật độ cao (tăng dung lượng)

- Dữ liệu không bị xóa mất

- Tốc độ truy xuất cao hơn

http://www.ebook.edu.vn

- Công suất tiêu tốn giảm

MRAM chính là một sản phẩm của công nghệ spintronics, điều khiển các

spin của điện tử trong các linh kiện mới mà những thành tựu của nó được

phát triển từ các kết quả nghiên cứu về vật liệu từ nano (hiệu ứng từ điện trở,

từ trễ...). Trong một tương lai không xa, bộ nhớ MRAM sẽ trở thành thương

phẩm phổ biến thay thế cho các bộ nhớ cũ. Bảng dưới đây so sánh MRAM

với các loại RAM truyền thống.

Dưới đây là một hình chụp MRAM phát triển bởi SPINTEC

Hình 5. Ảnh chụp một MRAM phát triển bởi SPINTEC.

http://www.ebook.edu.vn

CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀO-RA DỮ LIỆU

§ 4.1. Cấu trúc phần cứng của các hệ thống vào-ra dữ liệu

4.1.1. Song song (Parallel)

Các máy tính PC được trang bị ít nhất là 1 cổng song song và 1 cổng nối

tiếp. Khác với ghép nối nối tiếp có nhiều ứng dụng, ghép nối song song

thường chỉ phục vụ cho máy in. Sơ đồ ghép nối song song như hình sau:

Hình 4.1.1 sơ đồ kết nối cổng song song

Có ba thanh ghi có thể truyền số liệu và điều khiển máy in cũng như khối

ghép nối. Địa chỉ cơ sở của các thanh ghi cho tất cả cổng LPT (line printer)

từ LPT1 đến LPT4 được lưu trữ trong vùng số liệu BIOS. Thanh ghi số liệu

được định vị ở offset 00h, thanh ghi trang thái ở 01h, và thanh ghi điều khiển

ở 02h. Thông thường, địa chỉ cơ sở của LPT1 là 378h, LPT2 là 278h, do đó

địa chỉ của thanh ghi trạng thái là 379h hoặc 279h và địa chỉ thanh ghi điều

khiển là 37Ah hoặc 27Ah. Định dạng các thanh ghi như sau:địa chỉ thanh

ghi điều khiển là 37Ah hoặc 27Ah. Định dạng các thanh ghi như sau:

Thanh ghi dữ liệu (hai chiều):

http://www.ebook.edu.vn

Thanh ghi trạng thái máy in (chỉ đọc):

Thanh ghi điều khiển máy in:

x: không sử dụng

IRQ: yêu cầu ngắt cứng; 1 = cho phép; 0 = không cho phép

Bản mạch ghép nối chỉ có bus dữ liệu 8 bit do dữ liệu luôn đi qua máy in

thành

từng khối 8 bit. Các chân tín hiệu của đầu cắm 25 chân của cổng song song

LPT như sau:

http://www.ebook.edu.vn

Thường tốc độ xử lý dữ liệu của các thiết bị ngoại vi như máy in chậm hơn

PC

nhiều nên các đường ACK, BSY và STR được sử dụng cho kỹ thuật bắt tay.

Khởi đầu, PC đặt dữ liệu lên bus sau đó kích hoạt đường STR xuống mức

thấp để thông tin cho máy in biết rằng số liệu đã ổn định trên bus. Khi máy

in xử lý xong dữ liệu, nó sẽ trả lại tín hiệu ACK xuống mức thấp để ghi

nhận. PC đợi cho đến khi đường BSY từ máy in xuống thấp (máy in không

bận) thì sẽ đưa tiếp dữ liệu lên bus.

Dữ liệu có thể trao đổi trực tiếp giữa 2 PC qua các cổng song song với nhau.

Muốn vậy, các đường điều khiển bên này phải được kết nối với các đường

trạng thái bên kia.

Máy in có thể được truy xuất bằng chương trình qua DOS, BIOS hay trực

tiếp qua

các cổng. Các lệnh như "copy tên_file << PRN" trong DOS cho phép in 1

file ra máy in. Ngắt 17h với hàm 01h khởi động máy in, 00h in 1 ký tự ra

máy in, 02h trả về trạng thái của máy in,... có sẵn trong BIOS.

4.1.2. Cổng Nối tiếp (Serial port)

a. Truyền nối tiếp đồng bộ và bất đồng bộ

Ghép nối tiếp cho phép trao đổi giữa các thiết bị từng bit một. Dữ liệu

thường được gửi theo các nhóm bit SDU (serial data unit) mà mỗi nhóm tạo

thành 1 byte hay 1 word. Các thiết bị ngọai vi như: máy vẽ, modem, chuột

có thể được nối với PC qua cổng nối tiếp COM. Sự khác nhau giữa truyền

nối tiếp đồng bộ và bất đồng bộ là: trong kỹ thuật truyền đồng bộ, ngoài

đường dây dữ liệu phải đưa thêm vào một hoặc vài đường tín hiệu đồng bộ

để cho biết rằng khi nào bit tiếp theo ổn định trên đường truyền. Ngược lại

http://www.ebook.edu.vn

trong truyền bất đồng bộ, các bit dữ liệu tự nó chứa các thông tin để đồng

bộ; phần phát và phầnthu phải họat động với cùng 1 tần số xung clock.

Thông tin đồng bộ (trong truyền bất đồng bộ) gồm có các bit start (cho biết

bắt đầu của khối dữ liệu được truyền) và một bit stop (cho biết kết thúc khối

dữ liệu).

b. Kiểm tra chẵn lẻ và tốc độ truyền

Bit chẵn lẻ (parity bit) được đưa vào khung SDU dùng để phát hiện lỗi trên

đường truyền. Việc truyền bit chẵn lẻ chỉ kiểm soát được các lỗi trên đường

truyền ngắn và các lỗi bit đơn nên trong một số ứng dụng đặc biệt người ta

phải dùng mã CRC mặc dù phức tạp hơn. Tuy nhiên, gần như tất cả các chip

hỗ trợ cho ghép nối nối tiếp ngày nay đều được thiết kế phần cứng kiểm tra

chẵn lẻ. Một thông số khác liên quan tới truyền dữ liệu nối tiếp là tốc độ

truyền dữ liệu được gọi là tốc độ baud. Trong việc truyền mã nhị phân, đó là

số bit được truyền trong một giây (bps - bit per second).

c. Nhóm dữ liệu nối tiếp SDU và nối tiếp hóa

Trước khi truyền chuỗi số liệu nối tiếp, máy phát và máy thu phải được khởi

tạo để họat động với cùng một định dạng dữ liệu, cùng một tốc độ truyền.

Một SDU với 1 bit start, 7 bits số liệu, 1 bit chẵn lẻ và 1 bit stop mô tả như

hình vẽ. Lưu ý rằng: bit start luôn bằng 0 (space) và bit stop luôn bằng 1

(mark).

Bus interface: ghép nối bus;

Serial data: dữ liệu nối tiếp;

Transmitter holder register: thanh ghi đệm giữ dữ liệu phát;

Transmitter shift register: thanh ghi dịch dữ liệu phát;

http://www.ebook.edu.vn

Receiver buffer register: thanh ghi đệm dữ liệu thu;

Receiver shift register: thanh ghi dịch dữ liệu thu;

SDU logic: mạch logic SDU;

Interface control baud generator: máy phát điều khiển tốc độ truyền dữ liệu

baud;

Clock: xung clock;

4.1.3 Chuẩn ghép nối RS-232

Các ghép nối của PC cho trao đổi nối tiếp đều theo tiêu chuẩn RS-232 của

EIA (Electronic Industries Association) hoặc của CCITT ở Châu Âu. Chuẩn

này quy định ghép nối về cơ khí, điện, và logic giữa một thiết bị đầu cuối số

liệu DTE (Data Terminal Equipment) và thiết bị thông tin số liệu DCE (Data

Communication Equipment). Thí dụ, DTE là PC và DCE là MODEM. Có

25 đường với đầu cắm 25 chân D25 giữa DTE và DCE. Hầu hết việc truyền

số liệu là bất đồng bộ. Có 11 tín hiệu trong chuẩn RS232C dùng cho PC,

IBM còn quy định thêm đầu cắm 9 chân D9. Các chân tín hiệu và mối quan

hệ giữa các đầu cắm 25 chân và 9 chân:

Chuẩn RS-232C cho phép truyền tín hiệu với tốc độ đến 20.000 bps nhưng

nếu cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115.200 bps. Chiều dài cáp cực đại là

17-20m.

Các phương thức nối giữa DTE và DCE:

- Đơn công (simplex connection): dữ liệu chỉ được truyền theo 1 hướng.

- Bán song công ( half-duplex): dữ liệu truyền theo 2 hướng, nhưng mỗi thời

điểm

chỉ được truyền theo 1 hướng.

- Song công (full-duplex): số liệu được truyền đồng thời theo 2 hướng.

§ 4.2. Các phương pháp vào-ra dữ liệu

4.2.1. Truy xuất cổng nối tiếp dùng DOS và BIOS

http://www.ebook.edu.vn

Lệnh ngọai trú MODE của DOS có thể đặt các thông số cho cổng nối tiếp

RS232.

Thí dụ: MODE COM2:2400, E,8 ,1 chọn cổng COM2, tốc độ 2400 baud,

parity

chẵn, 8 bit dữ liệu và 1 bit stop. Cũng có thể dùng ngắt 21h của DOS để phát

hoặc thu dữ liệu qua cổng nối tiếp

bằng 4 hàm sau:

- Hàm 03h: đọc 1 ký tự

- Hàm 04h: phát 1 ký tự

- Hàm 3Fh: đọc 1 file

- Hàm 40h: ghi 1 file

BIOS cho phép truy xuất khối ghép nối nối tiếp qua ngắt 14h.

- Hàm 00h: khởi động khối ghép nối, định dạng dữ liệu, tốc độ truyền,....

- Hàm 01h, 02h: phát và thu 1 ký tự

- Hàm 03h: trạng thái của cổng nối tiếp

- Hàm 04h,05h: mở rộng các điều kiện khởi động khối ghép nối, cho phép

truy

xuất các thanh ghi điều khiển MODEM.

D7: lỗi quá thời gian (time-out); 1 = có lỗi; 0 = không lỗi;

D6: thanh ghi dịch phát; 1 = rỗng ; 0 = không rỗng

D5: thanh ghi đệm phát; 1 = rỗng; 0 = không rỗng

D4: ngắt đường truyền; 1= có ; 0 = không

D3: lỗi khung truyền SDU; 1 = có ; 0 = không

D2: lỗi chẵn lẻ; 1 = có ; 0 = không

D1: lỗi tràn; 1 = có ; 0 = không

D0: số liệu thu; 1 = có ; 0 = không

D7: phát hiện sóng mang; 1= phát hiện, 0 = không

D6: chỉ báo tín hiệu chuông; 1= có ; 0= không

D5: tín hiệu DTR; 1 = có , 0 = không

D4: tín hiệu CTS; 1 = có , 0 = không

D3: tín hiệu DDC, 1 = có , 0 = không

D2: tín hiệu delta RI; 1 = có, 0 = không

D1: tín hiệu delta DTR; 1 = có , 0 = không

D0: tín hiệu delta CTS; 1 = có , 0 = không

Thanh ghi DX chứa giá trị tương ứng với các cổng cần truy xuất (00h cho

COM1,

http://www.ebook.edu.vn

01h cho COM2, 10h cho COM3, 11h cho COM4). Các thông số định dạng

khung truyền

SDU được nạp vào thanh ghi AL theo nội dung như sau:

D7, D6, D5: tốc độ baud

000 = 110 baud

001 = 150 baud

010 = 300 baud

011 = 600 baud

100 =1200 baud

101 = 2400 baud

110 = 4800 baud

111 = 9600 baud

D4-D3: bit parity

00= không có

01= lẻ

10 = không có

11= chẵn

D2: số bit stop

0 = 1 bit

1 = 2 bits

D1-D0: số bit số liệu

10 = 7 bits

11= 8 bits

4.4.2. Giao tiếp PC Game

Cấu trúc và chức năng của board ghép nối trò chơi (PC game) như hình bên

dưới. Bằng lệnh IN và OUT có thể truy xuất qua địa chỉ 201h.

http://www.ebook.edu.vn

Board mạch được nối với bus hệ thống của PC chỉ qua 8 bits thấp của bus dữ

liệu, 10 bits thấp của bus địa chỉ và các đường điều khiển IOR và IOW. Một

đầu nối 15 chân được nối với board mạch cho phép nối cực đại hai thiết bị

cho PC game gọi là joystick. Mỗi joystick có 2 biến trở có giá trị biến đổi từ

0 đến 100kΩ được đặt vuông góc với nhau đại diện cho vị trí x và y của

joystick. Thêm nữa chúng có 2 phím bấm, thường là các công tắc thường hở

phù hợp với các mức logic cao của các dây trên mạch. Có thể xác định được

trạng thái nhấn hoặc nhả phím một cách dễ dàng bằng lệnh IN tới địa chỉ

201h. Nibble cao chỉ thị trạng thái của phím. Vì board không dùng đường

IRQ do đó không có khả năng phát ra 1 ngắt, do vậy board chỉ hoạt động

trong chế độ hỏi vòng (polling). Byte trạng thái của board game như sau:

BB2, BB1, BA2, BA1: Trạng thái của các phím B2, B1, A2, A1; 1 = nhả; 0 = nhấn

BY, BX, AY, AX: Trạng thái của mạch đa hài tuỳ thuộc vào biến trở tương ứng.

4.4.3. Giao tiếp với bàn phím

4.4.3.1. Bàn phím _ Cấu trúc và chức năng:

http://www.ebook.edu.vn

Chip xử lý bàn phím liên tục kiểm tra trạng thái của ma trận quét (scan

matrix) để

xác định công tắc tại các tọa độ X,Y đang được đóng hay mở và ghi một mã

tương ứng vào bộ đệm bên trong bàn phím. Sau đó mã này sẽ được truyền

nối tiếp tới mạch ghép nối bàn phím trong PC. Cấu trúc của SDU cho việc

truyền số liệu này và các chân cắm của đầu nối bàn phím.

STRT: bit start (luôn bằng 0)

DB0 - DB7: bit số liệu từ 0 đến 7.

PAR: bit parity (luôn lẻ)

STOP: bit stop (luôn bằng 1).

Tín hiệu xung nhịp dùng

cho việc trao đổi dữ liệu

thông tin nối tiếp đồng bộ

với mạch ghép nối bàn

phím (keyboard interface)

trên main board được

truyền qua chân số 1. Một

bộ điều khiển bàn phím đã

được lắp đặt trên cơ sở các

chíp 8042, hoặc 8742,8741.

Nó có thể được chương

trình hóa (thí dụ khóa bàn

phím) hơn nữa số liệu có

http://www.ebook.edu.vn

thể truyền theo 2 hướng từ bàn phím và mạch ghép nối, do vậy vi mã của

chíp bàn phím có thể giúp cho việc nhận lệnh điều khiển từ PC, thí dụ như

đặt tốc độ lặp lại của nhấn bàn phím,....

4.4.3.2. Mã quét bàn phím:

Mỗi phím nhấn sẽ được gán cho 1 mã quét (scan code) gồm 1 byte. Nếu 1

phím được nhấn thì bàn phím phát ra 1 mã make code tương ứng với mã

quét truyền tới mạch ghép nối bàn phím của PC. Ngắt cứng INT 09h được

phát ra qua IRQ1.Chương trình xử lý ngắt sẽ xử lý mã này tuỳ theo phím

SHIFT có được nhấn hay không. Ví dụ: nhấn phím SHIFT trước, không rời

tay và sau đó nhấn 'C':make code được truyền - 42(SHIFT) - 46 ('C').

Nếu rời tay nhấn phím SHIFT thì bàn phím sẽ phát ra break code và mã này

được

truyền như make code. Mã này giống như mã quét nhưng bit 7 được đặt lên

1, do vậy nó tương đương với make code công với 128. Tuỳ theo break

code, chương trình con xử lý ngắt sẽ xác định trạng thái nhấn hay rời của các

phím. Thí dụ, phím SHIFT và 'C' được rời theo thứ tự ngược lại với thí dụ

trên: break code được truyền 174 ( bằng 46 cộng 128 tương ứng với 'C') và

170 (bằng 42 cộng 128 tương ứng với SHIFT). Phần cứng và phần mềm xử

lý bàn phím còn giải quyết các vấn đề vật lý sau:

- Nhấn và nhả phím nhưng không được phát hiện.

- Khử nhiễu rung cơ khí và phân biệt 1 phím được nhấn nhiều lần hay được

nhấn chỉ 1 lần nhưng được giữ trong một khoảng thời gian dài.

4.4.3.3. Truy xuất bàn phím qua BIOS

BIOS ghi các ký tự do việc nhấn các phím vào bộ đệm tạm thời được gọi là

bộ đệm bàn phím (keyboard buffer), có địa chỉ 40:1E, gồm 32 byte và do

vậy kết thúc ở địa chỉ 40:3D. Mỗi ký tự được lưu trữ bằng 2 bytes, byte cao

là mã quét, và byte thấp là mã ASCII. Như vậy, bộ đệm có thể lưu trữ tạm

thời 16 ký tự. Chương trình xử lý ngắt sẽ xác định mã ASCII từ mã quét

bằng bảng biến đổi và ghi cả 2 mã vào bộ đệm bàn phím. Bộ đệm bàn phím

được tổ chức như bộ đệm vòng (ring buffer) và được quản lý bởi 2 con

trỏ.Các giá trị con trỏ được lưu trữ trong vùng số liệu của BIOS ở địa chỉ

40:1A và 40:1C. Ngắt INT 16h trong BIOS cung cấp 8 hàm cho bàn phím.

Thường các hàm BIOS trả về một giá trị 0 của ASCII nếu phím điều khiển

hoặc chức năng được nhấn..

Các thí dụ:

- Giả sử phím 'a' đã được nhấn.

MOV AH,00h ; chạy hàm 00h, đọc ký tự

INT 16h ; phát một interrupt

Kết quả: AH = 30 (mã quét cho phím 'a'); AL = 97 (ASSCII cho 'a')

- Giả sử phím '.HOME' đã được nhấn.

http://www.ebook.edu.vn

MOV AH,00h ; chạy hàm 00h, đọc ký tự

INT 16h ; phát một interrupt

Kết quả: AH = 71 ( mã quét cho phím 'HOME')

AL = 00 (các phím chức năng và điều khiển không có mã ASCII)

- Giả sử phím 'HOME' đã được nhấn.

MOV AH,10h ; chạy hàm 10h, đọc ký tự

INT 16h ; phát một interrupt

Kết quả: AH = 71 (mã quét cho phím 'HOME')

AL = E0h

4.4.3.4. Chương trình với bàn phím qua các cổng:

Bàn phím cũng là một thiết bị ngoại vi nên về nguyên tắc có thể truy xuất nó

qua các cổng vào ra.

Các thanh ghi và các port:

Sử dụng 2 địa chỉ port 60h và 64h có thể truy xuất bộ đệm vào, bộ đệm ra và

thanh ghi điều khiển của bàn phím.

Thanh ghi trạng thái xác định trạng thái hiện tại của bộ điều khiển bàn phím.

Thanh ghi này chỉ đọc (read only). Có thể đọc nó bằng lệnh IN tại port 64h.

PARE: Lỗi chẵn lẻ của byte cuối cùng được vào từ bàn phím; 1 = có lỗi

chẵn lẻ, 0 = không có.

TIM: Lỗi quá thời gian (time-out); 1 = có lỗi, 0 = không có.

AUXB: Đệm ra cho thiết bị phụ (chỉ có ở máy PS/2); 1 = giữ số liệu cho

thiết

bị, 0 = giữ số liệu cho bàn phím.

KEYL: Trạng thái khóa bàn phím; 1 = không khóa, 0 = khóa.

C/D: Lệnh/số liệu; 1 = Ghi qua port 64h, 0 = Ghi qua port 60h.

INPB: Trạng thái đệm vào; 1 = số liệu CPU trong bộ đệm vào, 0 = đệm vào

rỗng.

OUTB: Trạng thái đệm ra; 1 = số liệu bộ điều khiển bàn phím trong bộ đệm

ra, 0 = đệm ra rỗng.

http://www.ebook.edu.vn

Thanh ghi điều khiển (64h)

Các lệnh cho bộ điều khiển bàn phím:

Mã Lệnh

A7h Cấm thiết bị phụ, A8h Cho phép thiết bị phụ, A9h Kiểm tra ghép nối

tới thiết bị phụ

AAh Tự kiểm tra, ABh Kiểm tra ghép nối bàn phím, ADh Cấm bàn phím,

AEh Cho phép bàn phím

C0h Đọc cổng vào

C1h Đọc cổng vào ra (byte thấp)

C2h Đọc cổng vào ra (byte cao)

D0h Đọc cổng ra

D1h Ghi cổng ra

D2h Ghi đệm ra bàn phím

D3h Ghi đệm ra thiết bị phụ

D4h Ghi thiết bị phụ

E0h Kiểm tra đọc cổng vào

http://www.ebook.edu.vn

F0h Gửi 1 xung tới lối ra

FFh Cổng

Khóa bàn phím:

Start:

IN AL, 64h ; đọc byte trạng thái

TEST AL, 02h ; kiểm tra bộ đệm có đầy hay không

JNZ start ; một vài byte vẫn còn trong bộ đệm vào

OUT 64h, 0ADh ; khóa bàn phím

Các lệnh cho bàn phím:

Tóm tắt các lệnh bàn phím:

Thí dụ: lệnh bật đèn led cho phím NUMCLOCK, tắt tất cả các đèn khác.

OUT 60H, EDH ; ra lệnh cho bật tắt các đèn led

WAIT:

IN AL, 64H ; đọc thanh ghi trạng thái

JNZ WAIT ; bộ đệm vào đầy

OUT 60H, 02H ; bật đèn cho numclock

Cấu trúc của byte chỉ thị như sau:

4.4.4 AGP - Accelerated Graphics Port

4.4.4.1 Nguyên lý chung

Các hình ảnh mà chúng ta thấy được trên màn hình máy tính được tạo bởi rất

http://www.ebook.edu.vn

nhiều điểm ảnh gọi là pixel. Trong hầu hết các thiết lập cho độ phân giải thì

màn hình thường hiển thị khoảng hơn 1 triệu điểm ảnh. Máy tính sẽ quyết

định cần phải làm gì theo thứ tự đối với từng điểm ảnh để tạo ra một hình

ảnh. Để có thể làm được việc này, nó sử dụng một bộ chuyển đổi, lấy các dữ

liệu nhị phân từ CPU và chuyển chúng thành hình ảnh hiển thị trên màn

hình.Khi CPU nhận được yêu cầu xem một hình ảnh từ phía người sử dụng,

nó sẽ chuyển yêu cầu này tới card đồ họa để quyết định sẽ dùng những pixel

nào hiển thị hình ảnh. Sau đó nó sẽ gửi những thông tin để màn hình hiển thị

thông qua dây cáp.

Quá trình tạo ra những hình ảnh không phải là dữ liệu nhị phân thường đòi

hỏi quá trình xử lý phức tạp hơn rất nhiều. Để có thể vẽ ra một hình ảnh 3D,

card đồ họa phải tạo ra một khung điện từ, sau đó quét hình ảnh và thêm vào

đó ánh sáng, màu. Đối với trò chơi có nhiều hình ảnh 3D, máy tính phải lặp

lại quá trình này khoảng 60 lần mỗi giây.

Như các thành phần khác của máy tính, Graphic Card AGP được ưu tiên kết

nối với CPU qua Bus. Về cơ bản, Bus được hiểu như kênh truyền hay đường

nối giữa các thành phần trong máy tính. Do AGP được xây dựng dựa trên

các chuẩn PCI Bus và được coi như một AGP Bus nên nó là một dạng kết

nối điểm (Point to Point ). Nói cách khác chỉ có một thiết bị kết nối giữa

AGP với CPU và bộ nhớ, đó là Graphic Card và do vậy nó thực sự nó không

phải là một Bus. AGP có hai cải tiến so với PCI là tốc độ nhanh hơn và truy

xuất trực tiếp tới bộ nhớ hệ thống. AGP sử dụng các công nghệ sau để đạt

được tốc độ nhanh hơn:

• AGP là một Bus 32 bit với xung nhịp 66 MHz. Điều đó có nghĩa là

trong một giây nó có thể truyền tải một lượng thông tin có độ lớn 32

Bit (4 Byte) đến 66 triệu lần. Tốc độ truyền tải sẽ tăng lên khi nó hoạt

động ở chế độ 2X và 4X.

• Không có thiết bị nào khác trên máy tính sử dụng AGP Bus, do vậy

Graphic Card sẽ không phải chia sẻ Bus với các thiết bị khác và luôn

hoạt động với khả năng két nối tối đa.

• AGP sử dụng Pipelining để tăng tốc. Pipelining tổ chức việc thu hồi

dữ liệu theo trình tự và Graphic Card nhận được các đoạn dữ liệu

hoàn trả lại các yêu cầu đơn lẻ.

AGP sử dụng Sideband Addressing cho phép Graphic Card đưa ra các yêu

cầu và phân bổ các thông tin địa chỉ sử dụng 8 Bit trong số 32 Bit dùng để

truyền dữ liệu.

http://www.ebook.edu.vn

Bên cạnh cải tiến về tốc độ, một cải tiến nữa của AGP-based Graphic Card

so với PCI là khả năng truy xuất trực tiếp tới bộ nhớ hệ thống qua AGP Bus

với tốc độ tối đa. Đây là một thành phần rất quan trọng của AGP. Bảng lưu

kết cấu (Texture Map) là chìa khoá quan trọng trong đồ hoạ máy tính, nó

chiếm một lượng tương đối lớn bộ nhớ ở các Graphic Card thông thường.

Do Video RAM thường đòi hỏi tương đối lớn trong khi lại bị hạn chế bởi

dung lượng Graphic Card nên số lượng và độ lớn của Texture Map cũng bị

giới hạn gần bằng dung lượng Graphic Card. Hệ thống AGP-based thuận lợi

hơn ở chỗ có thể sử dụng bộ nhớ hệ thống để lưu trữ các Texture Map và các

dữ liệu khác mà vẫn thường phải lưu ở Video RAM trên Card.

http://www.ebook.edu.vn

Trong các hệ thống không hỗ trợ AGP chẳng hạn như PCI-based Graphic

Card, mọi Texture Map đều được lưu hai lần. Lần thứ nhất nó được nạp từ

đĩa cứng lên bộ nhớ hệ thống. Sau đó nó được đọc từ bộ nhớ hệ thống ra để

CPU xử lý rồi được gửi trả lại

qua PCI Bus và lưu trên

Framebuffer của Graphic Card.

Kết quả là mọi Texture Map đều

được xử lý và lưu hai lần, một

lần bởi hệ thống và một lần bởi

Graphic Card.

AGP chỉ lưu các Texture Map

một lần với Chip GART

(Graphic Address Remapping

Table). GART sẽ phân bổ các

phần bộ nhớ hệ thống để lưu giữ các Texture Map nhưng luôn làm CPU và

Graphic Card lầm tưởng rằng các Texture Map được lưu trên Framebufer

của Card. GART có thể lưu kiểm soát các Bit của Texture Map cho dù

chúng được lưu ở những vùng khác nhau trên bộ nhớ hệ thống nhưng lại

được thể hiện như một đoạn bộ nhớ liên tục trên Graphic Card. Trong trường

hợp sử dụng non-AGP Card, mỗi Texture Map đều bị lưu thành hai lần dẫn

đến CPU phải làm việc nhiều hơn. Đây chính là những hạn chế của non-

AGP Card so với các AGP-based Card. AGP chỉ lưu các Texture Map một

lần với Chip GART (Graphic Address Remapping Table). GART sẽ phân bổ

các phần bộ nhớ hệ thống để lưu giữ các Texture Map nhưng luôn làm CPU

và Graphic Card lầm tưởng rằng các Texture Map được lưu trên Framebufer

http://www.ebook.edu.vn

của Card. GART có thể lưu kiểm soát các Bit của Texture Map cho dù

chúng được lưu ở những vùng khác nhau trên bộ nhớ hệ thống nhưng lại

được thể hiện như một đoạn bộ nhớ liên tục trên Graphic Card. Trong trường

hợp sử dụng non-AGP Card, mỗi Texture Map đều bị lưu thành hai lần dẫn

đến CPU phải làm việc nhiều hơn. Đây chính là những hạn chế của non-

AGP Card so với các AGP-based Card.

Hiện tại có 3 thế hệ AGP 1.0, AGP 2.0 và AGP Pro. AGP 2.0 được xây

dựng trên phiên bản AGP 1.0 cung cấp 3 chế độ hoạt động. Các chế độ này

đều chạy với tốc độ 66 MHz qua AGP Bus. Đối với 2X AGP, Graphic Card

gửi dữ liệu 2 lần sau mỗi xung nhịp còn ở chế độ 4X AGP nó sẽ gửi dữ liệu

4 lần sau mỗi xung nhịp.

Chế độ

1x

2x

4x

4.4.5. PCI EXPRESS

Xung nhịp

66 MHz

133 MHz

266 MHz

Tốc độ truyền

266 MBps

533 MBps

1,066 MBps

PCI Express, viết tắt là PCIe là một dạng giao diện bus hệ thống/card mở

rộng của máy tính. Nó là một giao diện nhanh hơn nhiều và được thiết kế để

thay thế giao diện PCI, PCI-X ( PCI Extended ) , và AGP cho các card mở

rộng và card đồ họa. Khe cắm PCI Express (PCIe) hoàn toàn khác so với các

chuẩn trước như PCI hay PCI Extended (PCI-X).

-Nhưng PCI có một vài hạn chế . Những CPU , Card màn hình , Card âm

thanh và những Card mạng ngày càng nhanh hơn và mạnh hơn trong khi đó

PCI cố định độ rộng dữ liệu 32-bit và chỉ có thể điều khiển 05 thiết bị trong

cùng một lúc .

-Một giao thức mới gọi là PCI

Express (PCIe ) đã giải quyết được

những hạn chế trên , cung cấp băng

thông lớn hơn , tương thích với những

hệ điều hành đang có .

4.4.5.1. Kết nối nối tiếp tốc độ cao :

Ngay từ khi ra đời của máy tính ,

việc cần thiết để trao đổi dữ liệu vô

cùng lớn . Trong kết nối nối tiếp máy

http://www.ebook.edu.vn

tính tách dữ liệu thành những nhóm và chuyển từng gói dữ liệu đi một , hết

gói này rồi đến gói kia . Kết nối như thế trong thời điểm ban đầu của ký

nguyên máy tính có tốc độ chậm , do đó nhiều nhà sản xuất bắt đầu chuyển

sang dùng kết nối song song để gửi nhiều mẩu dữ liệu đi cùng một lúc .

Một vấn đề xảy ra khi những kết nối song song đạt tới tốc độ cao nào đó thì

những dây dẫn cạnh nhau gây ảnh hưởng qua lại với nhau, do dòng điện đi

qua dây dẫn tạo nên môi trường xung quanh nó một từ trường . Với cường

độ từ trường một mức độ nào đó sẽ ảnh hưởng lên dây dẫn bên cạnh làm sai

lệch tín hiệu bên trong một dây dẫn khác và ngược lại . Điều này đã xảy ra

đối với Cable ATA 133. Do đó với tín hiệu truyền song song chỉ có thể đạt

được một tốc độ cao nhất định . Để truyền tín hiệu song song với tốc độ cao

không ảnh hưởng tới tín hiệu sang nhau đòi hỏi thiết kế lại hệ thống Bus có

mức độ lọc nhiễu cao

lúc đó lại ảnh hưởng

tới giá thành của thiết

bị .

PCIe là kết nối nối

tiếp mà hoạt động như

là mạng hơn là Bus.

Thay vì một Bus mà

điều khiển dữ liệu từ

nhiều nguồn. PCIe có

Switch điều khiển vài

kết nối Point-to-Point.

Những kết nối này do

Switch mang đến,

hướng dữ liệu trực

tiếp tới thiết bị cần

đến. Mọi thiết bị có

kết nối riêng của nó ,

do đó những thiết bị

không mất thời gian

chia xẻ băng thông

như Bus bình thường

khác .

Khi máy tính khởi

động lên , PCIe xác

định những thiết bị

nào được cắm bên

trong Mainboard . Sau

đó nó nhận dạng

http://www.ebook.edu.vn

những liên kết giữa các thiết bị và tạo một bản đồ cho biết dữ liệu chuyển

động ở đâu sẽ đi và phân chia độ rộng của mỗi liên kết . Sự nhận dạng của

những thiết bị này và những kết nối là dùng cùng một giao thức PCI , do đó

PCIe không cần thay đổi phần mềm hoặc những hệ điều hành.

4.4.5.2. Vấn đề băng thông :

Hiện thời, PCI Express được chia

làm nhiều loại ứng với từng tốc

độ truyền tải dữ liệu khác nhau

là: 1x, 2x, 4x, 8x, 12x, 16x (và cả

32x), tất cả đều có băng thông lớn

hơn nhiều so với chuẩn PCI cũ.

Trong đó loại 4x, 8x và 12x sử

dụng trong thị trường máy chủ,

còn 1x, 2x và 16x thì sử dụng cho

người dùng thông thường. Bảng

bên cạnh so sánh các loại này với

nhau và với các chuẩn truyền tải

dữ liệu khác:

Lưu ý: vì PCI Express là công nghệ dựa trên nền tảng tương tự (serial) nên

dữ liệu có thể truyền tải qua bus theo hai hướng, do đó con số trong bảng sau

là băng thông tổng cộng theo cả hai hướng.

-Mỗi đường ( lane ) của kết nối PCIe gồm hai cặp dây, một để truyền dữ liệu

và một để gửi dữ liệu. Những gói dữ liệu di chuyển trong Lane với tốc độ

1bit/chu kì. Và kết nối x1 là kết nối nhỏ nhất trong kết nối PCIe, như vậy

một Lane có 04 dây dẫn, mang 1bit/chu kì theo mỗi hướng. Kết nối x2 gồm

08 dây dẫn và truyền 2 bit một lúc, kết nối x4 truyền 4 bit và cứ như thế.

Những cấu hình khác là x12 , x16 và x32 .

http://www.ebook.edu.vn

4.4.5.3. Tốc độ nhanh hơn

Bus PCI có độ rộng 32-bit , tốc độ xung nhịp đồng hồ cao nhất là 33MHz ,

cho phép dữ liệu cao nhất truyền 133MB/s . Bus PCI-X có độ rộng 64-bit ,

rộng gấp đôi so với Bus PCI . Những tính năng khác nhau của PCI-X cho

phép tốc độ truyền dữ liệu lên tới từ 512MB tới 1GB/s

http://www.ebook.edu.vn

Một Lane trong kết nối PCIe có thể truyền dữ liệu lên tới 200MB/s cho mỗi

hướng . PCIe 16x có thể gây kinh ngạc khi lên tới 64.GB/s cho mỗi hướng .

Với tốc độ kết nối x1 có thể dễ dàng điều khiển kết nối Gigabit Ethernet , âm

thanh và những ứng dụng lưu trữ . Kết nối x16 có thể dễ dàng điều khiển sức

mạnh của Card màn hình .

Những điều kiện thuận lợi khi chuyển tốc độ kết nối nối tiếp :

http://www.ebook.edu.vn

• Ưu tiên dữ liệu , điều này cho phép hệ thống di chuyển hầu hết những

dữ liệu quan trọng đầu tiên và ngăn chạn hiện tượng kiểu nghẽn mạch

cổ chai .

• Dữ liệu được truyền theo thời gian thực .

• Sử dụng ít chân cắm hơn do độ rộng dữ liệu nhỏ hơn Bus thông

thường .

• Dễ dàng kết nối và dò tìm lỗi .

• Đơn giản hơn để ngắt dữ liệu thành những gói nhỏ và đặt những gói

nhỏ cùng với nhau . Mỗi một thiết bị có những đường dữ liệu riêng do

kết nối Point-to-Point từ Switch , tín hiệu từ nhiều nguồn không mất

thời gian làm việc trên cùng một Bus .

http://www.ebook.edu.vn

CHƯƠNG 5:

CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI

§ 5.1. Các thiết bị nhập, xuất dữ liệu

5.1.1.Cách hoạt động của một máy in laser:

Các máy in laser hoạt động bằng cách đặt mực toner (toner: chất mực

dạng bột có khả năng tích điện) trên một trống quay (drum) được tích

điện, rồi sau đó chuyển mực toner lên giấy in khi tờ giấy này dịch

chuyển qua hệ thống ở cùng một tốc độ với trống quay. Hình 5.1.1 cho

ta thấy sáu bước tuần tự của tiến trình in trong máy in laser. Bốn bước

đầu tiên sẽ sử dụng các thàng phần máy in vốn chịu dựng sự hao mòn

nhiều nhất, tức các thành phần được chứa bên trong hộp tháo ra được

(cartridge). Việc chứa đựng các thành phần này bên trong một hộp

cartridge sẽ khiến máy in bền hơn. Hai bước sau cùng được thực hiện

bên ngoài hộp cartridge. Các thủ tục in laser trong hình 5.1.1 như sau:

Hình 5.1.1 Sáu bước liên tục của việc in ấn trên máy in laser

1.Làm sạch : Mực toner còn sót lại và điện tích sẽ được lấy ra khỏi trống.

2.Chuẩn bị : Trống được nạp một điện tích cao.

http://www.ebook.edu.vn

3.Ghi : Một tia laser được sử dụng để giảm điện tích cao xuống một điện tích

thấp hơn, chỉ ở những nơi mà mực toner sẽ bám vào.

4.Triển khai : Mực toner được đặt vào trống tại những nơi điện tích đã được

giảm thấp xuống.

5.Chuyển giao: Một điện tích mạnh sẽ hút mực toner từ trống lên giấy. Đây là

bước đầu tiên diễn ra bên ngoài hộp cartridge.

6.Nung chảy: Sức nóng và áp suất được sử dụng để nung chảy mực toner trên

giấy.

Lưu ý rằng hình 5.1.1 chỉ cho ta thấy mặt cắt của trống, các cơ cấu và giấy in.

Khi hính dung tiến trình này, cần nhớ rằng trống quay có chiều rộng bằng

với chiều rộng của giấy in. Gương phản chiếu (mirror), thanh gạt mực và các

trục lăn trong hình này cũng có chiều rộng bằng với chiều rộng của tờ giấy in.

Trước hết bạn hãy để ý vị trí của hộp cartrige trong hình vẽ, trống cảm

quang quay theo chiều kim đồng hồ nằm bên trong cartridge và đường đi của

tờ giấy in, vốn di chuyển qua hình vẽ từ phải sang trái

Bước 1: Làm sạch.

Trước hết các thang gạt (blade) sẽ chùi sạch mực toner còn sót lại trên trống.

Kế đó, các đèn xóa (erase lamp, được đặt bên ngoài hộp cartridge) sẽ khử điện

tích cho trống bằng cách chiếu ánh sáng lên bề mặt của trống để trung hòa

(neutralize) bất kỳ điện tích nào còn sót lại trên trống.

Bước làm sạch sẽ sạch mực toner và khử điện tích còn sót lại trên

trống.

Bước 2: Chuẩn bị.

Bước chuẩn bị sẽ đặt một điện tích đồng nhất-600v lên trống. Điện tích này

được đặt lên trống bởi một dây dẫn thiết bị điện hoa chính (primary corona

wire) vốn được nạp điện bởi một bộ nguồn cung cấp điện thế cao. (Một thiết bị

điện hoa (corona) là một thiết bị có khả năng tạo điện tích). Trong hính 5.1.1,

ta có thể thấy thiết bị điện hóa chính (primary corona) nằm giữa dây dẫn thiết

bị điện hóa chính và trống quay, nó sẽ điều hòa điện tích trên trống quay để

đảm bảo rằng điện tích này đồng nhất ở mức -600v.

Bước 3: Ghi.

http://www.ebook.edu.vn

Trong bước ghi, điện tích đồng nhất vốn được đặt trên trống quay trong

bước 2 sẽ được giảm bớt đi chỉ ở những nơi cần in. Điều này được thực hiện

bằng cách điều khiển các gương để chúng phản chiếu các tia laser vào mặt

trống theo một mẫu hình (pattern) giống hệt như ảnh cần in. Đây chính là

bước đầu tiên mà các dữ liệu từ máy tính cần phải được truyền tải tới máy in.

Hình 5.1.2 cho ta thấy tiến trình này: Các dữ liệu từ máy PC được bộ định

dạng (formatter)(1) tiếp nhận và được chuyển tới bộ kiểm soát DC (DC

controller)(2), vốn là thiết bị kiểm soát đơn vị laser (laser unit)(3). Tia laser

được khởi xướng và được dẫn hướng tới một gương hình bát giác được gọi là

gương quét (scanning mirror). Gương quét (4) được quay theo chiều kim đồng

hồ bởi mộ mô-tơ quét. Khi gương quét quay, tia laser được diều khiển theo

một chuyển động quét để quét suốt toàn bộ chiều dài của trống quay. Tia

laser được phản chiếu ra khỏi gương quét và được tập trung bởi một thấu

kính tập trung (,focusing lens) rồi được gởi tới gương phản chiếu. Gương

phản chiếu sẽ lái tia laser đi qua một khe hở trong cartridge và chiếu vào

trống quay.

Bước ghi-được thực hiện bởi một tia laser không thấy được,các gương và các

mô-tơ sẽ giảm bớt điện tích trên trống quay tại những nơi cần in.

Tốc độ của mô-tơ quay trống và tốc độ của mô-tơ quét quay gương quét

được đồng bộ hóa sao cho tia laser hoàn tất một đường quét (scanline) dọc

theo trống rồi quay trở lại phần đầu của trống này để bắt đầu một đường

quét mới, nhằm đạt được quét thích hợp cho mỗi inch của chu vi trống. Ví dụ

đối với một máy in 300 dpi (dots per inch: số lượng điểm ảnh trên mỗi inch),

tia lasre sẽ quét 300 lượt cho mỗi inch của chu vi trống. Tia laser được bật và

tắt liên tục khi nó thực hiện một quét đơn theo số chiều dài của trống, để các

điểm (dot) được ghi dọc theo trống trên mỗi lượt quét. Đối với một máy in 300

dpi, 300 điểm sẽ được ghi dọc theo trống cho mỗi inch của chiều dài trống.

300 điểm trên mỗi inch chiều dài, cùng với 300 lượt quét cho mỗi inch của

chu vi trống, hợp thành độ phân giải 300*300 điểm trên mỗi inch vuông của

chiều máy in laser để bàn.

Giống hệt như việc tia laser quét được đồng bộ hóa với trống quay, kết

xuất dữ liệu cũng được đồng bộ hóa với tia quét này. Trước khi tia laser bắt

http://www.ebook.edu.vn

đầu quét dọc theo trống, gương phát hiện tia (beam detect mirror, xem hình

5.1.1) sẽ phát hiện sự hiện diện ban đầu cùa tia laser bằng cách phản xạ tia

này vào một sợi quang (optical fiber). Tia sáng này sẽ đi dọc theo sợi quang để

tới bộ kiểm soát DC (DC controller) và tại đó nó sẽ được chuyển đổi thành

một tín hiệu điện được dùng để đồng bộ hóa kết xuất dữ liệu. Tín hiệu này

được dùng để chẩn đoán các sự cố với tia laser hoặc mô-tơ quét.

Tia laser đã ghi một hình ảnh lên bề mặt trống ở dạng các vùng mang điện

tích -100v. Điện tích -100v trên vùng hình ảnh này sẽ được sử dụng trong

giai đoạn triển khai để chuyển mực toner sang bề mặt trống.

Bước 4:Triển khai.

Hình 5.1.3 cho ta thấy rõ hơn về bước triển khai,trong đó mực toner được

trục lăn triển khai (developing cylinder) áp vào các vùng mang điện tích -100v

trên bề mặt trống. Mực toner sẽ di chuyển từ trục lăn sang trống khi cả hai

quay rất gần nhau. Trục lăn được bao phủ bởi một lớp mực toner, vốn được

chế tạo từ nhựa thông đen liên kết với sắt, tương tự như loại mực toner được

sử dụng trong các máy photocopy. Mực toner được giữ trên bề mặt của trục

lăn bởi lực hấp dẫn của chính nó đối với một nam châm nằm bên trong trục

lăn. Một thanh gạt kiểm soát (control blade) sẽ ngăn cản không cho mực

toner bám vào bề mặt trục lăn. Mực toner này sẽ nhận một điện tích âm (giữa

-200v và -500v ) vì bề mặt này được nối tới một bộ nguồn DC được gọi là bộ

thế dịch DC (DC bias).

Hình 5.1.3 bước triển khai, mực toner tích điện sẽ được đặt lên bề mặt

của trống.

Mực toner mang điện tích âm nhiều hơn các vùng mang điện tích -100v trên

bề mặt trống, nhưng ít hơn các vùng mang điện tích -600v trên bề mặt trống.

Do đó, mực toner bị hút vào các vùng -100v trên bề mặt trống. Đồng thời,

mực toner bị đẩy ra khỏi các vùng điện tích -600v của bề mặt trống, vì chúng

mang điện tích âm tương đối đối với điện tích của mực toner. Kết quả là mực

toner sẽ bám dính lên trống tại những nơi mà tia laser đã chiếu vào và bị đẩy

ra khỏi những nơi mà tia laser chưa chiếu vào.

Hầu hết các máy in đều cung cấp một cách để bạn điều chỉnh mật độ in (print

density). Với các máy in laser, khi bạn điều chỉnh mật độ in, bạn đang điều

http://www.ebook.edu.vn

chỉnh điện tích bộ thế hiệu dịch DC (DC bias) trên trục lăn triển khai; điện

tích này kiểm soát mực toner được hút vào trục lăn và do đó, khi điện tích

này thay đổi, mật độ in cũng thay đổi, mật độ in cũng thay đổi theo.

Bước 5: Chuyển giao.

Trong bước chuyển giao, thiết bị điện hoa chuyển giao sẽ sinh ra một điện

thế dương trên tờ giấy in khiến mực toner bị hút từ trống quay sang tờ giấy

in khi nó qua giữa thiết này và trống quay. Bộ khử tĩnh điện(static charge

eliminator) sẽ làm yếu điện tích dương trên tờ giấy in và điện tích âm trên

trống quay để tờ giấy này không bám chặt vào trống quay do sự chênh lệch

điện tích. Tính chất rít của tờ giấy in và bán kính nhỏ của trống quay khiến

tờ giấy này tách rời khỏi trống in và đi tới trục nung chảy (fusing roller). Nếu

sử dụng loại giấy mỏng tring một máy in laser,tờ giấy in co thể quấn tròn

quanh trống quau và đây là lý do giải thích tại saocác tài liệu hướng dẫn sử

dụng máy in laser đều chỉ dẫn bạn sử dụng chỉ những loại giấy được thiết kế

dành cho máy in laser.

Bước 6: Nung chảy.

Bước nung chảy sẽ làm cho mực toner liên kết với giấy in. Cho tới thời điểm

này, mực toner chỉ đơn thuần nằm trên giấy in. Các trục lăn nung chảy

(fusing roller) sẽ áp dụng vừa áp suất lẫn nhiệt độ trên tờ giấy này. Mực toner

sẽ lan chảy và các trục lăn sẽ ép mực toner vào tờ giấy in. Nhiệt độ của các

trục lăn này được máy in giám sát. Nếu nhiệt độ này vượt quá giá trị tối đa

cho phép (410F đối với một số máy in), máy in sẽ tự động tắt.

§ 5.2. Các thiết bị lưu trữ dữ liệu

Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng Hard Disk Drive, viết tắt: HDD là thiết bị

dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ

tính.Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đổi" (non-volatile), có nghĩa là

chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng..

5.2.1. Cấu tạo

Ổ đĩa cứng gồm các thành phần, bộ phận có thể liệt kê và giải thích như

sau:

Bộ phận đĩa: Bao gồm toàn bộ các đĩa, trục quay và động cơ.

• Đĩa từ.

• Trục quay: truyền chuyển động của đĩa từ.

• Động cơ: Được gắn đồng trục với trục quay và các đĩa.

Bộ phận đầu đọc

• Đầu đọc (head): Đầu đọc/ghi dữ liệu

• Cần di chuyển đầu đọc (head arm hoặc actuator arm).

http://www.ebook.edu.vn

Bộ phận mạch điện

• Mạch điều khiển: có nhiệm vụ điều khiển động cơ đồng trục, điều

khiển sự di chuyển của cần di chuyển đầu đọc để đảm bảo đến đúng vị

trí trên bề mặt đĩa.

• Mạch xử lý dữ liệu: dùng để xử lý những dữ liệu đọc/ghi của ổ đĩa

cứng.

• Bộ nhớ đệm (cache hoặc buffer): là nơi tạm lưu dữ liệu trong quá

trình đọc/ghi dữ liệu. Dữ liệu trên bộ nhớ đệm sẽ mất đi khi ổ đĩa

cứng ngừng được cấp điện.

• Đầu cắm nguồn cung cấp điện cho ổ đĩa cứng.

• Đầu kết nối giao tiếp với máy tính.

• Các cầu đấu thiết đặt ( jumper) thiết đặt chế độ làm việc của ổ đĩa

cứng: Lựa chọn chế độ làm việc của ổ đĩa cứng (SATA 150 hoặc

SATA 300) hay thứ tự trên các kênh trên giao tiếp IDE (master hay

slave hoặc tự lựa chọn), lựa chọn các thông số làm việc khác...

* Vỏ đĩa cứng:

Vỏ ổ đĩa cứng gồm các phần: Phần đế chứa các linh kiện gắn trên nó,

phần nắp đậy lại để bảo vệ các linh kiện bên trong.

Vỏ ổ đĩa cứng có chức năng chính nhằm định vị các linh kiện và đảm

bảo độ kín khít để không cho phép bụi được lọt vào bên trong của ổ

đĩa cứng.

http://www.ebook.edu.vn

Ngoài ra, vỏ đĩa cứng còn có tác dụng chịu đựng sự va chạm (ở mức

độ thấp) để bảo vệ ổ đĩa cứng.

Do đầu từ chuyển động rất sát mặt đĩa nên nếu có bụi lọt vào trong ổ

đĩa cứng cũng có thể làm xước bề mặt, mất lớp từ và hư hỏng từng

phần (xuất hiện các khối hư hỏng (bad block))... Thành phần bên

trong của ổ đĩa cứng là không khí có độ sạch cao, để đảm bảo áp suất

cân bằng giữa môi trường bên trong và bên ngoài, trên vỏ bảo vệ có

các hệ lỗ thoáng đảm bảo cản bụi và cân bằng áp suất.

* Đĩa từ (platter):

Đĩa thường cấu tạo bằng nhôm hoặc thuỷ tinh, trên bề mặt được phủ một

lớp vật liệu từ tính là nơi chứa dữ liệu. Tuỳ theo hãng sản xuất mà các đĩa

này được sử dụng một hoặc cả hai mặt trên và dưới. Số lượng đĩa có thể

nhiều hơn một, phụ thuộc vào dung lượng và công nghệ của mỗi hãng sản

xuất khác nhau. Mỗi đĩa từ có thể sử dụng hai mặt, đĩa cứng có thể có nhiều

đĩa từ, chúng gắn song song, quay đồng trục, cùng tốc độ với nhau khi hoạt

động.

http://www.ebook.edu.vn

* Track

Trên một mặt làm việc của đĩa từ chia ra nhiều vòng tròn đồng tâm thành

các track.

Track có thể được hiểu đơn giản giống các rãnh ghi dữ liệu giống như các

đĩa nhựa (ghi âm nhạc trước đây) nhưng sự cách biệt của các rãnh ghi này

không có các gờ phân biệt và chúng là các vòng tròn đồng tâm chứ không

nối tiếp nhau thành dạng xoắn trôn ốc như đĩa nhựa. Track trên ổ đĩa cứng

không cố định từ khi sản xuất, chúng có thể thay đổi vị trí khi định dạng cấp

thấp ổ đĩa (low format ).

http://www.ebook.edu.vn

Khi một ổ đĩa cứng đã hoạt động quá nhiều năm liên tục, khi kết quả kiểm

tra bằng các phần mềm cho thấy xuất hiện nhiều khối hư hỏng (bad block)

thì có nghĩa là phần cơ của nó đã rơ rão và làm việc không chính xác như

khi mới sản xuất, lúc này thích hợp nhất là format cấp thấp cho nó để

tương thích hơn với chế độ làm việc của phần cơ

* Sector

Khu

vực

1

2

3

4

5

Số

sector/track

456

432

416

384

360

Số

byte/track

233.472

221.184

212.992

196.608

184.320

Tốc độ

truyền dữ liệu

(MBps)

28,02

26,54

25,56

23,59

22,12

http://www.ebook.edu.vn

Trên track chia thành những phần nhỏ bằng các đoạn hướng tâm thành các

sector. Các sector là phần nhỏ cuối cùng được chia ra để chứa dữ liệu. Theo

chuẩn thông thường thì một sector chứa dung lượng 512 byte.

Số sector trên các track là khác nhau từ phần rìa đĩa vào đến vùng tâm đĩa,

các ổ đĩa cứng đều chia ra hơn 10 vùng mà trong mỗi vùng có số sector/track

bằng nhau.

* Cylinder

Tập hợp các track cùng bán kính (cùng số hiệu trên) ở các mặt đĩa khác nhau

thành các cylinder. Nói một cách chính xác hơn thì: khi đầu đọc/ghi đầu tiên

làm việc tại một track nào thì tập hợp toàn bộ các track trên các bề mặt đĩa

còn lại mà các đầu đọc còn lại đang làm việc tại đó gọi là cylinder (cách giải

thích này chính xác hơn bởi có thể xảy ra thường hợp các đầu đọc khác

nhau có khoảng cách đến tâm quay của đĩa khác nhau do quá trình chế tạo).

Trên một ổ đĩa cứng có nhiều cylinder bởi có nhiều track trên mỗi mặt đĩa

từ.

* Trục quay

Trục quay là trục để gắn các đĩa từ lên nó, chúng được nối trực tiếp với động

cơ quay đĩa cứng. Trục quay có nhiệm vụ truyền chuyển động quay từ động

cơ đến các đĩa từ. Trục quay thường chế tạo bằng các vật liệu nhẹ (như hợp

kim nhôm) và được chế tạo tuyệt đối chính xác để đảm bảo trọng tâm của

chúng không được sai lệch - bởi chỉ một sự sai lệch nhỏ có thể gây lên sự

rung lắc của toàn bộ đĩa cứng khi làm việc ở tốc độ cao, dẫn đến quá trình

đọc/ghi không chính xác.

* Đầu đọc/ghi

Đầu đọc đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộn

dây (giống như nam châm điện). Gần đây các công nghệ mới hơn giúp cho

ổ đĩa cứng hoạt động với mật độ xít chặt hơn như: chuyển các hạt từ sắp xếp

theo phương vuông góc với bề mặt đĩa nên các đầu đọc được thiết kế nhỏ

gọn và phát triển theo các ứng dụng công nghệ mới. Đầu đọc trong đĩa cứng

có công dụng đọc dữ liệu dưới dạng từ hoá trên bề mặt đĩa từ hoặc từ hoá

lên các mặt đĩa khi ghi dữ liệu. Số đầu đọc ghi luôn bằng số mặt hoạt động

được của các đĩa cứng, có nghĩa chúng nhỏ hơn hoặc bằng hai lần số đĩa

(nhỏ hơn trong trường hợp ví dụ hai đĩa nhưng chỉ sử dụng 3 mặt).

http://www.ebook.edu.vn

* Cần di chuyển đầu đọc/ghi

Cần di chuyển đầu đọc/ghi là các thiết bị mà đầu đọc/ghi gắn vào nó. Cần có

nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng

cách nhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu đọc tại các vị trí từ

mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay). Các cần di chuyển đầu

đọc được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một

trục quay (đồng trục), có nghĩa rằng khi việc đọc/ghi dữ liệu trên bề mặt

(trên và dưới nếu là loại hai mặt) ở một vị trí nào thì chúng cũng hoạt động

cùng vị trí tương ứng ở các bề mặt đĩa còn lại. Sự di chuyển cần có thể thực

hiện theo hai phương thức:

• Sử dụng động cơ bước để truyền chuyển động.

• Sử dụng cuộn cảm để di chuyển cần bằng lực từ.

* Hoạt động Giao tiếp với máy tính

Cơ chế đọc và ghi dữ liệu ở ổ đĩa cứng không đơn thuần thực hiện từ theo

tuần tự mà chúng có thể truy cập và ghi dữ liệu ngẫu nhiên tại bất kỳ điểm

nào trên bề mặt đĩa từ, đó là đặc điểm khác biệt nổi bật của ổ đĩa cứng so với

các hình thức lưu trữ truy cập tuần tự (như băng từ).

Thông qua giao tiếp với máy tính, khi giải quyết một tác vụ, CPU sẽ đòi hỏi

dữ liệu (nó sẽ hỏi tuần tự các bộ nhớ khác trước khi đến đĩa cứng mà thứ tự

thường là cache L1-> cache L2 ->RAM) và đĩa cứng cần truy cập đến các dữ

liệu chứa trên nó. Không đơn thuần như vậy CPU có thể đòi hỏi nhiều hơn

một tập tin dữ liệu tại một thời điểm, khi đó sẽ xảy ra các trường hợp:

1. Ổ đĩa cứng chỉ đáp ứng một yêu cầu truy cập dữ liệu trong một

thời điểm, các yêu cầu được đáp ứng tuần tự.

2. Ổ đĩa cứng đồng thời đáp ứng các yêu cầu cung cấp dữ liệu

theo phương thức riêng của nó.

Trước đây đa số các ổ đĩa cứng đều thực hiện theo phương thức 1, có nghĩa

là chúng chỉ truy cập từng tập tin cho CPU. Ngày nay các ổ đĩa cứng đã

được tích hợp các bộ nhớ đệm (cache) cùng các công nghệ riêng của chúng

(TCQ, NCQ) giúp tối ưu cho hành động truy cập dữ liệu trên bề mặt đĩa nên

ổ đĩa cứng sẽ thực hiện theo phương thức thứ 2 nhằm tăng tốc độ chung cho

toàn hệ thống.

* Đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa

Sự hoạt động của đĩa cứng cần thực hiện đồng thời hai chuyển động:

Chuyển động quay của các đĩa và chuyển động của các đầu đọc. Sự quay

của các đĩa từ được thực hiện nhờ các động cơ gắn cùng trục (với tốc độ rất

http://www.ebook.edu.vn

lớn: từ 3600 rpm cho đến 15.000 rpm) chúng thường được quay ổn định tại

một tốc độ nhất định theo mỗi loại ổ đĩa cứng. Khi đĩa cứng quay đều, cần di

chuyển đầu đọc sẽ di chuyển đến các vị trí trên các bề mặt chứa phủ vật liệu

từ theo phương bán kính của đĩa. Chuyển động này kết hợp với chuyển

động quay của đĩa có thể làm đầu đọc/ghi tới bất kỳ vị trí nào trên bề mặt

đĩa.Tại các vị trí cần đọc ghi, đầu đọc/ghi có các bộ cảm biến với điện

trường để đọc dữ liệu (và tương ứng: phát ra một điện trường để xoay hướng

các hạt từ khi ghi dữ liệu). Dữ liệu được ghi/đọc đồng thời trên mọi đĩa.

Việc thực hiện phân bổ dữ liệu trên các đĩa được thực hiện nhờ các mạch

điều khiển trên bo mạch của ổ đĩa cứng.

5.2.2 Các công nghệ chế tạo ổ đĩa cứng

5.2.2.1 S.M.A.R.T

S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology) là công

nghệ tự động giám sát, chuẩn đoán và báo cáo các hư hỏng có thể xuất hiện

của ổ đĩa cứng để thông qua BIOS, các phần mềm thông báo cho người sử

dụng biết trước sự hư hỏng để có các hành động chuẩn bị đối phó (như sao

chép dữ liệu dự phòng hoặc có các kế hoạch thay thế ổ đĩa cứng mới).

Trong thời gian gần đây S.M.AR.T được coi là một tiêu chuẩn quan trọng

trong ổ đĩa cứng. S.M.A.R.T chỉ thực sự giám sát những sự thay đổi, ảnh

hưởng của phần cứng đến quá trình lỗi xảy ra của ổ đĩa cứng (mà theo hãng

Seagate thì sự hư hỏng trong đĩa cứng chiếm tới 60% xuất phát từ các vấn

đề liên quan đến cơ khí): Chúng có thể bao gồm những sự hư hỏng theo thời

gian của phần cứng: đầu đọc/ghi (mất kết nối, khoảng cách làm việc với bề

mặt đĩa thay đổi), động cơ (xuống cấp, rơ rão), bo mạch của ổ đĩa (hư hỏng

linh kiện hoặc làm việc sai).

S.M.A.R.T không nên được hiểu là từ "smart" bởi chúng không

làm cải thiện đến tốc độ làm việc và truyền dữ liệu của ổ đĩa

cứng. Người sử dụng có thể bật (enable) hoặc tắt (disable)

chức năng này trong BIOS (tuy nhiên không phải BIOS của

hãng nào cũng hỗ trợ việc can thiệp này).

Ổ cứng lai (hybrid hard disk drive)

Ổ cứng lai (hybrid hard disk drive) là các ổ đĩa cứng thông thường được gắn

thêm các phần bộ nhớ flash trên bo mạch của ổ đĩa cứng. Cụm bộ nhớ này

hoạt động khác với cơ chế làm việc của bộ nhớ đệm (cache) của ổ đĩa cứng:

Dữ liệu chứa trên chúng không bị mất đi khi mất điện.

http://www.ebook.edu.vn

Trong quá trình làm việc của ổ cứng lai, vai trò của phần bộ nhớ flash như

sau:

• Lưu trữ trung gian dữ liệu trước khi ghi vào đĩa cứng, chỉ khi

máy tính đã đưa các dữ liệu đến một mức nhất định (tuỳ từng

loại ổ cứng lai) thì ổ đĩa cứng mới tiến hành ghi dữ liệu vào các

đĩa từ, điều này giúp sự vận hành của ổ đĩa cứng tối hiệu quả

và tiết kiệm điện năng hơn nhờ việc không phải thường xuyên

hoạt động.

• Giúp tăng tốc độ giao tiếp với máy tính: Việc đọc dữ liệu từ bộ

nhớ flash nhanh hơn so với việc đọc dữ liệu tại các đĩa từ.

• Giúp hệ điều hành khởi động nhanh hơn nhờ việc lưu các tập

tin khởi động của hệ thống lên vùng bộ nhớ flash.

• Kết hợp với bộ nhớ đệm của ổ đĩa cứng tạo thành một hệ

thống hoạt động hiệu quả.

Những ổ cứng lai được sản xuất hiện nay thường sử dụng bộ nhớ flash với

dung lượng khiêm tốn ở 256 MB bởi chịu áp lực của vấn đề giá thành sản

xuất. Do sử dụng dung lượng nhỏ như vậy nên chưa cải thiện nhiều đến việc

giảm thời gian khởi động hệ điều hành, dẫn đến nhiều người sử dụng chưa

cảm thấy hài lòng với chúng. Tuy nhiên người sử dụng thường khó nhận ra

sự hiệu quả của chúng khi thực hiện các tác vụ thông thường hoặc việc tiết

kiệm năng lượng của chúng.

Hiện ổ cứng lai có giá thành khá đắt (khoảng vài trăm USD cho dung lượng

vài chục GB) nên chúng mới được sử dụng trong một số loại máy tính xách

tay cao cấp.

5.2.3 Thông số và đặc tính của HDD

* Dung lượng

Dung lượng ổ đĩa cứng được tính bằng: (số byte/sector) × (số sector/track) ×

(số cylinder) × (số đầu đọc/ghi).

Dung lượng của ổ đĩa cứng tính theo các đơn vị dung lượng cơ bản thông

thường: byte, kB MB, GB, TB.

Đa số các hãng sản xuất đều tính dung lượng theo cách có lợi (theo

cách tính 1 GB = 1000 MB mà thực ra phải là 1 GB = 1024 MB) nên

dung lượng mà hệ điều hành (hoặc các phần mềm kiểm tra) nhận ra

của ổ đĩa cứng thường thấp hơn so với dung lượng ghi trên nhãn đĩa

(ví dụ ổ đĩa cứng 40 GB thường chỉ đạt khoảng 37-38 GB).

http://www.ebook.edu.vn

* Tốc độ quay của ổ đĩa cứng

Tốc độ quay của đĩa cứng thường được ký hiệu bằng rpm (viết tắt của từ

tiếng Anh: revolutions per minute) số vòng quay trong một phút.

Tốc độ quay càng cao thì ổ càng làm việc nhanh do chúng thực hiện đọc/ghi

nhanh hơn, thời giam tìm kiếm thấp.

Các tốc độ quay thông dụng thường là:

• 5.400 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng 3,5" sản xuất cách

đây 2-3 năm; với các ổ đĩa cứng 2,5" cho các máy tính xách

tay hiện nay đã chuyển sang tốc độ 5400 rpm để đáp ứng nhu

cầu đọc/ghi dữ liệu nhanh hơn.

• 7.200 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng sản xuất trong thời

gian hiện tại (2007)

• 10.000 rpm, 15.000 rpm: Thường sử dụng cho các ổ đĩa cứng

trong các máy tính cá nhân cao cấp, máy trạm và các máy chủ

có sử dụng giao tiếp SCSI

5.2.4 Các thông số về thời gian trong ổ đĩa cứng

* Thời gian tìm kiếm trung bình

Thời gian tìm kiếm trung bình (Average Seek Time) là khoảng thời gian

trung bình (theo mili giây: ms) mà đầu đọc có thể di chuyển từ một cylinder

này đến một cylinder khác ngẫu nhiên (ở vị trí xa chúng). Thời gian tìm

kiếm trung bình được cung cấp bởi nhà sản xuất khi họ tiến hành hàng loạt

các việc thử việc đọc/ghi ở các vị trí khác nhau rồi chia cho số lần thực hiện

để có kết quả thông số cuối cùng.Thông số này càng thấp càng tốt.

Thời gian tìm kiếm trung bình không kiểm tra bằng các phần mềm bởi các

phần mềm không can thiệp được sâu đến các hoạt động của ổ đĩa cứng.

* Thời gian truy cập ngẫu nhiên

Thời gian truy cập ngẫu nhiên (Random Access Time): Là khoảng thời gian

trung bình để đĩa cứng tìm kiếm một dữ liệu ngẫu nhiên. Tính bằng mili

giây (ms).

Đây là tham số quan trọng do chúng ảnh hưởng đến hiệu năng làm việc của

hệ thống, do đó người sử dụng nên quan tâm đến chúng khi lựa chọn giữa

các ổ đĩa cứng. Thông số này càng thấp càng tốt.

Tham số: Các ổ đĩa cứng sản xuất gần đây (2007) có thời gian truy cập ngẫu

nhiên trong khoảng: 5 đến 15 ms.

http://www.ebook.edu.vn

* Thời gian làm việc tin cậy

Thời gian làm việc tin cậy MTBF: (Mean Time Between Failures) được tính

theo giờ (hay có thể hiểu một cách đơn thuần là tuổi thọ của ổ đĩa cứng).

Đây là khoảng thời gian mà nhà sản xuất dự tính ổ đĩa cứng hoạt động ổn

định mà sau thời gian này ổ đĩa cứng có thể sẽ xuất hiện lỗi (và không đảm

bảo tin cậy).

Một số nhà sản xuất công bố ổ đĩa cứng của họ hoạt động với tốc độ 10.000

rpm với tham số: MTBF lên tới 1 triệu giờ, hoặc với ổ đĩa cứng hoạt động ở

tốc độ 15.000 rpm có giá trị MTBF đến 1,4 triệu giờ thì những thông số này

chỉ là kết quả của các tính toán trên lý thuyết. Hãy hình dung số năm mà nó

hoạt động tin cậy (khi chia thông số MTBF cho (24 giờ/ngày × 365

ngày/năm) sẽ thấy rằng nó có thể dài hơn lịch sử của bất kỳ hãng sản xuất ổ

đĩa cứng nào, do đó người sử dụng có thể không cần quan tâm đến thông số

này.

* Bộ nhớ đệm

Bộ nhớ đệm (cache hoặc buffer) trong ổ đĩa cứng cũng giống như RAM của

máy tính, chúng có nhiệm vụ lưu tạm dữ liệu trong quá trình làm việc của ổ

đĩa cứng.

Độ lớn của bộ nhớ đệm có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất hoạt động của ổ

đĩa cứng bởi việc đọc/ghi không xảy ra tức thời (do phụ thuộc vào sự di

chuyển của đầu đọc/ghi, dữ liệu được truyền tới hoặc đi) sẽ được đặt tạm

trong bộ nhớ đệm.

Đơn vị thường bính bằng kB hoặc MB.

Trong thời điểm năm 2007, dung lượng bộ nhớ đệm thường là 2 hoặc 8 MB

cho các loại ổ đĩa cứng dung lượng đến khoảng 160 GB, với các ổ đĩa cứng

dụng lượng lớn hơn chúng thường sử dụng bộ nhớ đệm đến 16 MB hoặc cao

hơn. Bộ nhớ đệm càng lớn thì càng tốt, nhưng hiệu năng chung của ổ đĩa

cứng sẽ chững lại ở một giá trị bộ nhớ đệm nhất định mà từ đó bộ nhớ đệm

có thể tăng lên nhưng hiệu năng không tăng đáng kể.

• Hệ điều hành cũng có thể lấy một phần bộ nhớ của hệ thống (RAM)

để tạo ra một bộ nhớ đệm lưu trữ dữ liệu được lấy từ ổ đĩa cứng

nhằm tối ưu việc xử lý đối với các dữ liệu thường xuyên phải truy

cập, đây chỉ là một cách dùng riêng của hệ điều hành mà chúng

không ảnh hưởng đến cách hoạt động hoặc hiệu suất vốn có của

mỗi loại ổ đĩa cứng. Có rất nhiều phần mềm cho phép tinh chỉnh

các thông số này của hệ điều hành tuỳ thuộc vào sự dư thừa RAM

trên hệ thống.

http://www.ebook.edu.vn

5.2.4 Các chuẩn kết nối ổ cứng

Hiện nay ổ cứng gắn trong có 2 chuẩn kết nối thông dụng là IDE và

SATA.

IDE (EIDE)

Parallel ATA (PATA) hay còn được gọi là EIDE (Enhanced

intergrated drive electronics) được biết đến như là 1 chuẩn kết nối ổ

cứng thông dụng hơn 10 năm nay. Tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa là

100 MB/giây. Các bo mạch chủ mới nhất hiện nay gần như đã bỏ

hẳn chuẩn kết nối này, tuy nhiên, người dùng vẫn có thể mua loại

card PCI EIDE Controller nếu muốn sử dụng tiếp ổ cứng EIDE.

SATA (Serial ATA)

Nhanh chóng trở thành chuẩn kết nối mới trong công nghệ ổ cứng

nhờ vào những khả năng ưu việt hơn chuẩn IDE về tốc độ xử lý và

truyền tải dữ liệu. SATA là kết quả của việc làm giảm tiếng ồn, tăng

các luồng không khí trong hệ thống do những dây cáp SATA hẹp hơn

400% so với dây cáp IDE. Tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa lên đến 150

- 300 MB/giây. Đây là lý do vì sao ta không nên sử dụng ổ cứng IDE

chung với ổ cứng SATA trên cùng một hệ thống. Ổ cứng IDE sẽ

"kéo" tốc độ ổ cứng SATA bằng với mình, khiến ổ cứng SATA không

thể hoạt động đúng với "sức lực" của mình. Ngày nay, SATA là

chuẩn kết nối ổ cứng thông dụng nhất và cũng như ở trên, ta có thể

áp dụng card PCI SATA Controller nếu bo mạch chủ không hỗ trợ

chuẩn kết nối này

các phiên bản Windows 2000/XP/2003/Vista hay phần mềm sẽ nhận

dạng và tương thích tốt với cả ổ cứng IDE lẫn SATA. Tuy vậy, cách

thức cài đặt chúng vào hệ thống thì khác nhau. Do đó, ta cần biết

cách phân biệt giữa ổ cứng IDE và SATA để có thể tự cài đặt vào hệ

thống của mình khi cần thiết. Cách thức đơn giản nhất để phân biệt

là nhìn vào phía sau của ổ cứng, phần kết nối của nó. Ổ cứng PATA

(IDE) với 40-pin kết nối song song, phần thiết lập jumper (10-pin với

thiết lập master/slave/cable select) và phần nối kết nguồn điện 4-pin,

độ rộng là 3,5-inch. Có thể gắn 2 thiết bị IDE trên cùng 1 dây cáp, có

http://www.ebook.edu.vn

nghĩa là 1 cáp IDE sẽ có 3 đầu kết nối, 1 sẽ gắn kết vào bo mạch chủ

và 2 đầu còn lại sẽ vào 2 thiết bị IDE.

Ổ cứng SATA có cùng kiểu dáng và kích cỡ, về độ dày có thể sẽ

mỏng hơn ổ cứng IDE do các hãng sản xuất ổ cứng ngày càng cải

tiến về độ dày. Điểm khác biệt dễ phân biệt là kiểu kết nối điện mà

chúng yêu cầu để giao tiếp với bo mạch chủ, đầu kết nối của ổ cứng

SATA sẽ nhỏ hơn, nguồn đóng chốt, jumper 8-pin và không có phần

thiết lập Master/Slave/Cable Select, kết nối Serial ATA riêng biệt.

Cáp SATA chỉ có thể gắn kết 1 ổ cứng SATA.

* Hai chuẩn kết nối cho ổ cứng gắn ngoài là USB, FireWire. Ưu điểm

của 2 loại kết nối này so với IDE và SATA là chúng có thể cắm

"nóng" rồi sử dụng ngay chứ không cần phải khởi động lại hệ thống.

http://www.ebook.edu.vn

CHƯƠNG 6: LẮP RÁP CÀI ĐẶT MÁY TÍNH

§ 6.1. Khảo sát, lắp ráp các thành phần phần cứng máy tính

§ 6.2. Khảo sát BIOS - đọc hiểu catalog

§ 6.3. Cài đặt WINDOWS XP, các driver thiết bị

§ 6.4. Phân chia, định dạng đĩa cứng bằng WINDOWS

§ 6.5. Cài đặt phần mềm ứng dụng

CHƯƠNG 7: SAO LƯU PHỤC HỒI DỮ LIỆU

§ 7.1. Phân chia đĩa.

§ 7.2. Backup, restore.

§ 7.3. Tạo file Image cho 1 partition.

§ 7.4. Phục hồi partition từ file Image đã tạo.

CHƯƠNG 8: BẢO MẬT VỚI REGISTRY, GROUP POLICY

§ 8.1. Giới thiệu

§ 8.2. Cấu hình máy tính với Registry, Group Policy

§ 8.3. Bảo vệ máy tính với Registry, Group Policy

http://www.ebook.edu.vn