Trường Đại học Điện lực Tập đoàn Điện lực Việt Nam
Kiến trúc chung hệ thống máy tính [2]
tải về 1.67 Mb.
|
- Điều hướng trang này:
- 1.2.1. Bộ nhớ
1.2. Kiến trúc chung hệ thống máy tính [2]
• Bộ nhớ (memory): là nơi lưu trữ các dữ liệu. Bộ nhớ được phân cấp thành 2 loại. Bộ nhớ trong là bộ nhớ làm việc trong quá trình xử lý. Máy tính xử lý trực tiếp các thông tin trong bộ nhớ trong. Bộ nhớ ngoài có tốc độ làm việc chậm. Bù lại, thông tin trên bộ nhớ ngoài có thể lưu trữ lâu dài mà không cần nguồn nuôi. Tuy nhiên máy tính không thể xử lý trực tiếp các thông tin trên bộ nhớ ngoài mà trước khi xử lý phải chuyển chúng vào bộ nhớ trong. • Bộ số học và logic (Arithmetic Logic Unit - ALU) là nơi thực hiện các xử lý như thực hiện các phép tính số học hay logic. • Bộ điều khiển (Control Unit) là đơn vị chức năng đảm bảo cho máy tính thực hiện đúng theo chương trình đã định. Bộ điều khiển phải điều phối, đồng bộ hoá tất cả các thiết bị của máy để phục vụ yêu cầu xử lý do chương trình quy định. Do bộ điều khiển và bộ số học logic phải phối hợp hết sức chặt chẽ trong suốt quá trình thực hiện chương trình nên kể từ các máy tính thế hệ thứ 3, người ta thường chế tạo chúng trong một khối chức năng chung gọi là bộ xử lí trung tâm (Central Processing Unit - CPU). • Thiết bị ngọai vi (Peripheral Device) là các thiết bị giúp máy tính giao tiếp với môi trường bên ngoài kể cả với người sử dụng. 1.2.1. Bộ nhớBộ nhớ là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu và chương trình. Tính năng của bộ nhớ đánh giá qua các đặc trưng chính sau: •Thời gian truy cập (access time) là khoảng thời gian cần thiết kể từ khi phát tín hiệu điều khiển đọc/ghi đến khi việc đọc/ghi hoàn thành. Tốc độ truy cập là một yếu tố quyết định tốc độ chung của máy tính. • Sức chứa bộ nhớ (memory capacity) chỉ khối lượng dữ liệu mà bộ nhớ có thể lưu trữ đồng thời. • Độ tin cậy: đo bằng khoảng thời gian trung bình giữa hai lần lỗi. 1.2.1.1 Bộ nhớ trong (BNT) Bộ nhớ trong là loại bộ nhớ có thời gian truy cập nhỏ. Nó được dùng để ghi chương trình và dữ liệu trong thời gian xử lý. 
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc logic của MTĐT. Các mũi tên là đường chuyển dữ liệu, các đường đứt nét thể hiện các kênh điều khiển BNT được cấu tạo từ các phần tử vật lý có hai trạng thái đối lập. Một trạng thái dùng để thể hiện bit 0 còn trạng thái kia thể hiện bit 1. Có nhiều kỹ thuật chế tạo các phần tử có hai trạng thái. Trong thập kỷ 60, 70 người ta thường dùng bộ nhớ từ tính như xuyến ferit hoặc màng mỏng từ và ghi nhớ các bít bằng chiều của từ thông. Sau này người ta dùng các bộ nhớ bán dẫn là các mạch bán dẫn điều khiển được có hai trạng thái đóng/mở để thể hiện các bit. Cần phân biệt thiết bị vật lý (ví dụ mạch điện) là phần cứng cố định còn trạng thái của thiết bị thì không cố định, dễ dàng thay đổi (ví dụ bằng cách đóng/mở mạch điện) để thể hiện các bít. Nhờ tiến bộ của công nghệ vi điện tử, các bộ nhớ bán dẫn có thể được chế tạo theo qui mô công nghiệp, giảm được giá thành. Thành phần chủ yếu của bộ nhớ MTĐT hiện đại là mạch tích hợp. Hiện nay, một vi mạch nhỏ cỡ vài cm2 có sức nhớ tới vài trăm MB. Bộ nhớ bán dẫn được chia thành hai loại: • Bộ nhớ RAM (Random Access Memory) RAM là loại bộ nhớ có thể ghi và đọc dữ liệu. Chính vì vậy nó còn có một tên gọi khác là RWM (Read Write Memory). Dữ liệu phải nuôi bằng nguồn điện nên chúng sẽ bị xóa khi mất nguồn. Bản thân cụm từ “Random Access Memory” có nghĩa là bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên với ý nghĩa là thời gian truy nhập đến bất kỳ ô nhớ nào (ngẫu nhiên) cũng như nhau, và việc sao lưu hay xóa bỏ dữ liệu trên RAM phụ thuộc vào cách thức và trạng thái làm việc của hệ thống lúc đó. 
Hình 1.2 : Bộ nhớ RAM • Bộ nhớ ROM (Read Only Memory) ROM là loại bộ nhớ cố định, chỉ cho phép người sử dụng đọc dữ liệu ra nhưng không cho phép ghi vào. Dữ liệu được ghi vào ROM trong lúc chế tạo hoặc bằng phương tiện chuyên dụng. Loại ROM có thể ghi lại được bằng phương tiện chuyên dụng gọi là EPROM (Erasable Programmable ROM). Dữ liệu ghi trong ROM không cần nguồn nuôi. ROM thường dùng để lưu trữ các chương trình điều hành cơ sở của máy tính. Khi bật máy tính các chương trình này có thể thực hiện được ngay mà không cần nạp từ một nơi nào đó vào bộ nhớ trong. Tổ chức bộ nhớ trong (BNT) Ta có thể hình dung BNT như dãy liên tiếp các ô nhớ được đánh số. Chỉ số của một ô nhớ gọi là địa chỉ của ô nhớ đó. Địa chỉ được đánh số lần lượt từ 0, 1, 2,. . . Mỗi ô nhớ gồm nhiều ngăn, mỗi ngăn dùng để lưu một bit. Độ dài của ô nhớ là khác nhau theo từng loại máy. Trước đây khi máy tính dùng chủ yếu với mục đich khoa học kỹ thuật thì độ dài ô nhớ khá lớn. Ví dụ IBM/360 dùng ô nhớ 32 bít, chiếc máy tính đầu tiên dùng ở Việt nam, máy Minsk-22 của Liên xô dùng ở Việt Nam những năm 60 dùng ô nhớ 37 bít. . . Phần lớn các máy tính ngày nay dùng ô
Mỗi MTĐT có độ dài từ máy (số lượng các bit nhớ) xác định, thường là 8, 16, 32... bits (tương ứng một, hai, bốn... byte). Ví dụ từ máy của máy vi tính dùng bộ xử lý Intel 80286 là 16 bít, còn từ máy vi tính dùng bộ xử lý Pentium của Intel là 32 bit, từ máy của máy dùng bộ xử lý Alpha hay bộ vi xử lý Itanium mà Intel là 64 bít. Từ máy càng dài thể hiện mức song song hoá trong xử lý càng cao. Địa chỉ từ máy là địa chỉ byte đầu tiên của từ máy đó. Như vậy, mỗi ô nhớ có hai đặc trưng: • Địa chỉ là giá trị bằng số, chỉ thứ tự của vị trí ô nhớ trong BNT. Địa chỉ của mỗi ô nhớ là cố định. • Nội dung là giá trị số dạng mã nhị phân, được lưu trữ bằng các trạng thái vật lí trong ô nhớ. Nội dung ô nhớ có thể thay đổi. Do mỗi ô nhớ có địa chỉ riêng của nó, nên có thể truy nhập tới dữ liệu trong từng ô nhớ không phụ thuộc vào các ô nhớ khác. Chính vì thế, BNT còn được gọi là bộ nhớ truy nhập trực tiếp. Dữ liệu truyền giữa CPU và bộ nhớ mỗi lần thường là một byte hay một từ.
Khi đọc bộ nhớ, nội dung chứa trong ô nhớ không thay đổi (tương tự như khi ta đọc sách thì chữ viết trong trang sách đó vẫn còn nguyên). Khi ghi vào bộ nhớ thì nội dung cũ có trong bộ nhớ đó bị xoá để lưu nội dung mới (tương tự như viết lên bảng, khi viết thì xoá nội dung trước đó. Để đọc/ghi với bộ nhớ trong, đầu tiên CPU gửi địa chỉ của vùng nhớ tới một mạch gọi là bộ giải mã điạ chỉ, sau đó gửi một tín hiệu điều khiển tới kích họat bộ giải mã điạ chỉ. Kết quả là bộ giải mã địa chỉ mở mạch nối trực tiếp với mạch lưu trạng thái của ô nhớ tương ứng rồi sao chép nội dung ra một vùng nhớ phụ nếu thao tác là đọc hoặc nội dung của vùng nhớ phụ được sao vào ô nhớ nếu thao tác là ghi. Vùng nhớ phụ này có tên là các thanh ghi - register mà ta sẽ nói kỹ hơn trong phần mô tả CPU. Do cơ chế địa chỉ hoá và phần nào đó do giá thành nên bộ nhớ trong thường có dung lượng không lớn lắm. 1.2.1.2 Bộ nhớ ngoài (BNN) RAM chỉ dùng cho việc ghi dữ liệu khi xử lí, không dùng được khi không còn nguồn nuôi. Vì vậy, đối với các dữ liệu cần lưu giữ lâu dài, không thể để trên RAM được. Mặt khác tuy tốc độ truy nhập trên RAM là nhanh, nhưng dung lượng nhớ của nó nhỏ không cho phép lưu trữ lượng thông tin lớn. Để có thể lưu trữ thông tin lâu dài với khối lượng lớn, ta phải sử dụng bộ nhớ ngoài. BNN thường làm bằng các vật liệu từ. Với BNN, tuy tốc độ khai thác chậm hơn, nhưng chi phí lưu trữ rẻ hơn và giữ được thông tin lâu dài không phụ thuộc vào nguồn. Có nhiều loại BNN. Cho đến nay chỉ còn sử dụng thông dụng một số loại là đĩa từ, băng từ và gần đây ta còn dùng đĩa quang (đọc bằng tia laser). Ta mô tả một số loại BNN thông dụng • Đĩa mềm (floppy disk) là một đĩa hình tròn làm bằng nhựa tổng hợp, trên đó có phủ lớp vật liệu có từ tính. Đĩa mềm được chứa trong vỏ bọc hình vuông để bảo vệ khỏi bụi và chỉ để mở ở hai chỗ, một chỗ cho đầu đọc/ghi tiếp xúc được với đĩa. Một chỗ gọi là lẫy bảo vệ đĩa mà khi ta cài lại thì việc ghi vào đĩa không thực hiện được. Biện pháp này giúp người sử dụng có thể bảo vệ thông tin ghi trên đĩa chống ghi nhầm hay xoá mất thông tin đang có trên đĩa. Dữ liệu được ghi trên một hoặc hai mặt của đĩa theo các đường tròn đồng tâm mà ta gọi là đường ghi (track). Để tiện định vị các dữ liệu trên các đường ghi, đường ghi được chia thành các cung (sector). Các cung được đánh số liên tiếp từ 0, 1, 2,. . . 
Hình 1.4: Đĩa mềm (trái) và ổ đĩa mềm (phải). Dữ liệu được định vị trên đĩa theo địa chỉ, được xác định thông qua tên đĩa, mặt dưới hay trên của đĩa, chỉ số đường ghi, chỉ số cung. Việc đọc/ghi thông tin với đĩa thực hiện theo các đơn vị vài cung gọi là liên cung (cluster) trên một đường ghi chứ không thực hiện theo từng byte. Thiết bị đọc ghi đĩa (mà sau đây ta sẽ gọi là ổ đĩa) họat động giống với bộ phận quay đĩa của máy hát. Ở tâm đĩa mềm có lỗ để bộ phận quay gắn vào đó và quay đĩa. Đầu từ đọc/ghi mặt đĩa qua cửa đọc/ghi. Khi có yêu cầu đọc/ghi, CPU gửi tín hiệu điều khiển đến ổ đĩa. Khi đó bộ phận quay gắn vào đĩa và quay đĩa còn đầu từ được di chuyển theo phương bán kính đến đường ghi cần thiết. Thời gian truy nhập đối đĩa bao gồm cả thời gian đặt đầu từ vào vùng đĩa chứa thông tin và cả thời gian đọc/ghi. Có nhiều loại đĩa mềm có dung lượng và kích cỡ khác nhau. Đĩa mềm thông dụng nhất hiện nay là loại có đường kính 3. 5 inch với sức chứa 1.44 MB. • Đĩa cứng (Hard disk) thường là một bộ đĩa gồm nhiều đĩa xếp thành chồng, đồng trục. Các đĩa này là các đĩa hợp kim có phủ vật liệu từ trên mặt để ghi thông tin. Mỗi đĩa cũng quy định các đường ghi, các cung tương tự như đĩa mềm. Do có nhiều đĩa nên các đường ghi trên các đĩa có cùng một bán kính tạo nên một mặt trụ (cylinder). Khi nói tới số trụ của đĩa cứng ta hiểu đó chính là số thứ tự của đường ghi trên đĩa. 
Hình 1.5: Bên trong và bên ngoài một đĩa cứng Mỗi mặt đĩa có đầu đọc/ghi (head) riêng. Chúng được cố kết thành một chùm như một cái lược và di chuyển đồng thời. Khi có yêu cầu, bộ đọc/ghi chuyển đến một trụ và một đầu đọc được chọn để đọc/ghi trên mặt tương ứng. Có 3 tính năng thường được kể đến khi xem xét đĩa cứng. Đó là: - Sức chứa hay dung lượng tính theo MB hay GB. Mật độ ghi trên đĩa cứng cũng cao hơn nhiều so với đĩa mềm. . Những đĩa cứng ngày nay rất gọn và có thể có sức chứa tới nhiều chục GB. Các đĩa cứng dùng cho máy vi tính thông thường có sức chứa khoảng 20-40 GB. Tới năm 2002 đã xuất hiện các đĩa cứng có sức chứa tới 200 GB. - Thời gian truy nhập. Thời gian này phụ thuộc cả tốc độ quay của đĩa và thời gian cần thiết để di chuyển đầu từ tới vị trí cần thiết. Tốc độ quay phổ biến hiện nay là 5400 vòng/phút hoặc 7200 vòng /phút. Cũng đã có các đĩa cứng có tốc độ quay đạt tới 10.000 vòng/phút. Thời gian trung bình để đặt được đầu từ vào vị trí đọc mất khoảng 10 ms. Trong các đĩa cứng hiện đại để cải thiện tốc độ giao tiếp người ta còn xây dựng những bộ nhớ đệm (cache) cho phép nạp trước những dữ liệu sẽ đọc vào bộ nhớ đệm. Sau đó CPU sẽ lấy dữ liệu từ bộ nhớ đệm để giảm thời gian chờ đọc từ đĩa cứng. - Độ tin cậy thường tính bằng khoảng thời gian trung bình giữa hai lần lỗi. Bộ đĩa và bộ phận đọc/ghi được lắp đặt chung trong một hộp kín để tránh bụi. Khi họat động do tốc độ quay của đĩa rất nhanh nên dòng không khí tạo một lớp đệm tách đầu từ khỏi mặt đĩa, không làm cho đĩa cứng bị xước do những tiếp xúc cơ học như đối với đĩa mềm. Do vậy tuổi thọ đĩa cứng rất dài. Khoảng thời gian trung bình có một lỗi của đĩa cứng lên tới hàng chục nghìn giờ so với vài giờ của đĩa mềm. • Đĩa quang hay đĩa compact (viết tắt là CD) làm bằng polycarbonate, có phủ một lớp phim nhôm có tính phản xạ và một lớp bảo vệ. Dữ liệu ghi trên đĩa bằng các vết lõm (trong tiếng Anh gọi là pit) và các vùng phản xạ hay còn gọi là vùng nổi (trong tiếng Anh gọi là land). 
Hình 1.6: Đĩa quang và nguyên tắc đọc tín hiệu trên đĩa quang Đĩa CD được đọc bằng tia laser, không có sự tiếp xúc cơ học nào giữa đầu đọc và mặt đĩa. Khi đọc, đầu đọc chiếu tia laser công suất thấp lên đĩa và phân tích tín hiệu phản hồi để nhận biết các điểm lõm và vùng nổi. Khi gặp các điểm lõm, tín hiệu phản hồi sẽ bị tán xạ. Còn khi gặp các vùng nổi, tia laser sẽ bị phản xạ lại. Để ghi đĩa người ta dùng phương pháp ép khuôn nếu sản xuất hàng lọat. Các đĩa quang tạo dạng theo kiểu này không thể ghi lại được. Cũng vì thế mà ta thường gọi chúng là các đĩa CDROM (Compact Disk Read Only Memory). Một vài loại đĩa quang có nguyên tắc ghi khác như dùng chính tia laser đề ghi, thậm chí có những loại có thể ghi được nhiều lần. Các ứng dụng đầu tiên của đĩa compact là các đĩa nhạc và đĩa hình. Tốc độ truy cập trên đĩa CD không nhanh bằng đĩa cứng. Người ta thường đo tốc độ đọc đĩa CD theo tỉ số tốc độ so với các đầu đọc đĩa nhạc số tiêu chuẩn. Ví dụ đầu đọc tốc độ 48 (kí hiệu là 48X) có tốc độ đọc nhanh gấp 48 lần đầu đọc đĩa nhạc (tốc độ khoảng 150 KB/s). Đĩa CD có sức chứa rất lớn. Các đĩa thông dụng hiện nay có sức chứa khoảng 650 MB. Các nhà sản xuất đã đưa ra một chuẩn đĩa khác là đĩa Video số (DVD) có sức chứa gấp 7 lần các đĩa CD ROM hiện nay. Với đĩa này có thể ghi một bộ phim kéo dài nhiều giờ. Người ta đã chuẩn bị đưa ra thị trường các đĩa quang có sức chức tới 100 GB. Đối với đĩa DVD tốc độ 1X không chỉ là 150 KB/s như đĩa nhạc mà tính theo tốc độ đĩa hình là 1350 KB/s. Đọc thông tin từ các loại đĩa (đĩa mềm, đĩa cứng hay đĩa quang) đều bắt đầu từ việc tính toán trước thông tin nằm ở vùng nào của đĩa (head, sector, track) sau đó mới đưa đầu từ vào đúng đường ghi (track, cylinder), sau đó kích họat việc đọc đối với đầu từ tương ứng (head) sau đó đợi cung (sector) tương ứng đi qua. Chính vì có thể tính được trước vùng chứa dữ liệu nên có thể đặt đầu đọc vào đúng vùng cần thiết mà các loại đĩa nói trên cũng được xem là bộ nhớ truy nhập trực tiếp (direct access) tương tự như bộ nhớ trong. Điều này khác hẳn với bộ nhớ kiểubăng từ mà ta nêu dưới đây.
Vài năm gần đây xuất hiện một loại bộ nhớ ngoài mới (có dung lượng từ vài chục MB đến 1 GB). Loại bộ nhớ này dùng các mạch bán dẫn và công nghệ flash. Các bộ nhớ này rất gọn, khi cần dùng thì cắm vào cổng giao tiếp của máy tính (cổng USB). Giá thành của bộ nhớ này rất rẻ. 
Hình 1.7: Một vài loại thẻ nhớ thông dụng và thẻ nhớ dùng cho máy ảnh số • Băng từ được sử dụng rất rộng rãi trong thập kỷ 60 và 70. Ưu điểm chính của băng từ là giá rất rẻ. Tuy nhiên chế độ đọc/ghi với băng từ là tuần tự (sequential access). Nếu như để đọc một vùng nào đó trên đĩa người ta có thể tính toán để đặt chính xác đầu từ vào vùng đĩa cần đọc thì với băng từ phải duyệt tuần tự. Thời gian truy nhập đối với băng từ mất nhiều phút. Chính vì vậy mà hiện nay băng từ vẫn còn được sử dụng với mục đích lưu trữ lâu dài, còn để lưu trữ với mục đích khai thác thường xuyên thì người ta không dùng băng từ mà dùng đĩa từ. Chú ý rằng CPU chỉ xử lí trực tiếp các dữ liệu được lưu trữ ở BNT. Do vậy, trước khi được xử lí, các thông tin ở BNN cần được truyền vào BNT. Vì vậy BNT còn được gọi là bộ nhớ chính, BNN gọi là bộ nhớ phụ. Каталог: images images -> Hướng dẫn sử dụng Dropbox Để sử dụng được Dropbox images -> BÀi thuyết trình cách xáC ĐỊnh và chế ĐỘ pháp lý CỦa các vùng biển theo công ưỚc của liên hiệp quốc về luật biển năM 19821 images -> Céng hßa x· héi chñ nghÜa viÖt nam Độc lập tự do hạnh phúc images -> Lúa gạo Việt Nam Giới thiệu images -> Trung Tâm kt tc-đl-cl images -> Số: 105/2008/QĐ-ttg CỘng hòa xã HỘi chủ nghĩa việt nam độc lập Tự do Hạnh phúc images -> ChuyêN ĐỀ ĐẠi số TỔ HỢP, XÁc suất kiến thức cơ bản Đại số tổ hợp images -> BỘ giáo dục và ĐÀo tạo trưỜng đẠi học luật tp. HỒ chí minh dưƠng kim thế nguyên thủ TỤc phá SẢn các tổ chức tín dụng theo pháp luật việt nam images -> Review of Condor, Sun Grid Engine and pbs tải về 1.67 Mb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
