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):

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. 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.

BUS VÀ TRUYÊN THÔNG TIN TRONG MÁY TÍNH

3. Định nghĩa BUS:

Bus là đường truyền tín hiệu điện nối các thiết bị khác nhau trong một hệ thống máy tính. Bus có nhiều 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 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.

2.2 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.

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.

KHE CẮM MỞ RỘNG VÀ CÁC LOẠI BUS

I. Các khái niệm cơ bản :

  1. Bus là gì ? 

  Để khỏi nhức đầu về những từ chuyên môn, bạn chỉ cần biết một cách đơn giản

là đường dẫn tín hiệu, dữ liệu nội bộ truyền trong máy tính từ bộ phận này đến bộ

phận kia hoặc đến thiết bị ngoại vi. Vậy nó có đặc trưng là tần số làm việc tính theo

MHz, nếu có mainboard nào nói Bus66/100/133 là nó có thể làm việc với các tần số

66/100 hoặc 133 MHz.

II. Các khe cắm mở rộng :

Các khe cắm mở rộng (expansion slots) được lắp trực tiếp trên bản mạch in

của bo mạch chủ. Tất cả các máy tính đều có các khe cắm mở rộng này nhằm cho

phép hỗ trợ thêm nhiều thiết bị khác (như card màn hình, card âm thanh, card mạng,

card TV, ...).

Một bo mạch chủ có thể có nhiều loại khe cắm mở rộng. Số lượng và loại khe

cắm mở rộng trên máy tính biểu thị khả năng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Thông thường, các khe cắm mở rộng bao gồm các loại sau :

1.  ISA (Industry Standard Architecture): 

Đây là loại khe cắm mở rộng 16-bit được phát triển bởi IBM có tốc độ truyền

trên bo mạch chủ là 8 MHz, có thể truyền dữ liệu tối đa 8 MB/s. Hiện nay, các khe

cắm ISA đã trở nên lỗi thời và đã được thay thế bởi loại khe cắm PCI trong các hệ

thống mới. Tuy nhiên, nhiều hãng sản xuất bo mạch chủ vẫn còn hỗ trợ 1 hoặc 2 khe

cắm ISA trên bo mạch chủ của họ nhằm đảm bảo tính “tương thích ngược” với các

card mở rộng cũ. 

Vào năm 1987, IBM đã giới thiệu loại khe cắm ISA 32-bit, có thể truyền dữ

liệu tối đa 33 MB/s, được gọi là Extended ISA (EISA), thích hợp với các loại vi xử lý

Pentium. EISA trở nên thông dụng trên thị trường máy tính.

2.  MCA (Micro Channel Architecture): 

Là cấu trúc khe cắm mở rộng hoàn toàn khác với ISA. Bus MCA hổ trợ tính

năng tự nhận dạng các card điều khiển được gắn vào (là tiền thân của tính năng Plug

and Play). Bus MCA rộng 32 bit, tốc độ  10 MHz. Bus MCA ngày nay đã qua xưa nên

chúng ta khó mà gặp được.

3. VESA (Video Electronics Standard Association): 

Sự ra đời giao diện đồ hoạ của phần mềm Windows yêu cầu màn hình có độ

phân giải cao hơn và độ sâu về màu sắc lớn hơn, mà với card điều khiển màn hình

được kết nối thông qua bus ISA thì có những giới hạn, bus VESA là sự cải tiến nhằm

hỗ trợ điều đó. Bus VESA rộng 32 bit hoặc 64 bit. Tốc độ truyền trên bo mạch chủ là

33MHz, tốc độ truyền tải tối đa 150 MB/s. Bus này ngày nay cung trở nên lỗi thời.

4.  PCI (Peripheral Component Interconnect): 

Đây là loại khe cắm 32-bit được phát triển bởi Intel. Với tốc độ truyền trên bo

mạch chủ là 33 MHz, có thể truyền dữ liệu tối đa lên đến 528 MB/s, khe cắm PCI tạo

nên sự cải tiến vượt trội so với loại khe cắm ISA hoặc EISA. Đối với PCI bus, mỗi

card cắm thêm vào bo mạch chủ đều có chứa thông tin nhằm để CPU sử dụng cho

việc cấu hình tự động. PCI bus là một trong ba thành phần cần thiết cho khả năng

Cắm-và-Chạy (Plug-and-Play). Mục đích chính của PCI bus là cho phép truy cập trực

tiếp đến CPU đối với các thiết bị như bộ nhớ và video. Khe cắm PCI thường được sử

dụng trong các loại bo mạch chủ ngày nay.

5.  AGP (Accelerated Graphics Port): 

Được phát triển bởi Intel, AGP là một bus tốc độ cao được dành riêng nhằm

đáp ứng những nhu cầu cao của các phần mềm đồ hoạ. Khe cắm này được dành riêng

cho các card chuyển đổi tín hiệu video (video adapters). Đây là cổng đồ họa chuẩn

trong tất cả các hệ thống mới. Trong các bo mạch chủ có trang bị khe cắm AGP, chỉ

có duy nhất một khe cắm AGP dành riêng hỗ trợ card màn hình, các khe PCI dùng để

cắm những thiết bị khác. Hơi nhỏ hơn các khe cắm PCI màu trắng, khe cắm AGP

thường có màu khác và được đặt phía trên các khe cắm PCI khoảng 1 inch. AGP có

tốc độ truyền trên bo mạch chủ là 66 MHz, phiên bản mới nhất của AGP, AGP-8,

được giới thiệu vào năm 1992, có tốc độ truyền dữ liệu khoảng 2.1-GB.

III. Các loại BUS :

Tất cả các thành phần cơ bản của máy tính đều được kết nối với nhau bởi các

đường dẫn giao tiếp được gọi là BUS(ES). Bus hệ thống là các đường chạy song song

truyền dẫn dữ liệu và các tín hiệu điều khiển từ một thành phần này đến một thành

phần khác. Có thể xem những đường truyền dẫn đó trong các hệ thống máy tính hiện

đại chính là những vết kim loại chạy trên bo mạch.

Các loại bus hệ thống chính được định nghĩa dựa trên loại dữ liệu mà nó truyền dẫn.

Bao gồm các loại sau :

1.  Bus địa chỉ (Address bus): 

Đây là loại đường truyền dẫn một chiều (uni-directional). Chức năng của loại bus

này là truyền dẫn các địa chỉ do CPU sinh ra đến bộ nhớ hoặc các phần tử I/O của hệ

thống. Số lượng các đường dẫn trong bus định nghĩa kích cỡ  của bus địa chỉ; hoặc nói

cách khác, đó chính là số lượng các vị trí bộ nhớ và các phần tử I/O mà bộ vi xử lý có

thể đánh địa chỉ. 

2.  Bus dữ liệu (Data bus): 

Không giống như bus địa chỉ, đây là loại đường dẫn hai chiều (bi-directional). Dữ

liệu sẽ được truyền dẫn dọc theo bus dữ liệu từ CPU đến bộ nhớ trong thao tác GHI

(write), ngược lại, dữ liệu có thể di chuyển từ bộ nhớ máy tính đến CPU trong thao tác

ĐỌC (read). Tuy nhiên, khi có hai thiết bị cùng chiếm quyền sử dụng bus dữ liệu

trong cùng một thời điểm, lỗi dữ liệu sẽ xuất hiện. Vì vậy, bất kỳ một thiết bị nào

được kết nối đến bus dữ liệu đều có khả năng lưu tạm những dữ liệu cần xuất của thiết

bị đó khi nó không được bao hàm trong một thao tác với bộ vi xử lý. Kích cỡ của bus

dữ liệu  được  đo bằng bits. Hệ thống có bus kích cỡ lớn hơn sẽ nhanh hơn một hệ

thống có kích cỡ bus thấp hơn. Thông thường, bus dữ liệu có kích cỡ là 8 bits hay 16

bits (trong hệ thống cũ) và 32 bits (trong hệ thống mới hơn). Trong thời điểm hiện

nay, các hệ thống bus dữ liệu có kích cỡ 64 bits đang được xây dựng.

3.  Bus điều khiển (control bus): 

Là loại bus dùng truyền dẫn những tín hiệu điều khiển và tín hiệu đồng hồ cần

thiết để kết hợp tất cả các hoạt động của toàn hệ thống máy tính. Không giống như

các thông tin được truyền dẫn bởi bus dữ liệu và bus địa chỉ, các tín hiệu của bus điều

khiển không liên quan  đến những dạng thông tin khác. Một số tín hiệu xuất ra từ

CPU, số khác là các tín hiệu nhập từ các phần tử I/O của hệ thống chuyển đến CPU.

Mỗi loại vi xử lý phát ra hoặc phản hồi lại chính nó một tập hợp các tín hiệu điều

khiển. Hầu hết các tín hiệu điều khiển được sử dụng hiện nay gồm có :

-  Xung nhịp hệ thống (System clock – SYSCLK).

-  Đọc từ bộ nhớ (Memory read – MEMR).

-  Ghi lên bộ nhớ (Memory write – MEMW). VPIT – Giáo trình phần cứng máy tính – Chương V

  Trang 7

-  Đọc/ghi dòng (R/W line).

-  Đọc thông tin Nhập/Xuất (I/O Read - IOR).

-  Ghi thông tin Nhập/Xuất (I/O Write - IOW).