Giáo trình Kiến trúc máy tính - Kỹ thuật lắp ráp, sửa chữa máy tính

thiết bị ngoại vi. 
 - Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt động của thiết bị ngoại vi theo tín hiệu 
từ Module I/O gửi tới thiết bị. 
 Module I/O 
 Chức năng: Nối ghép thiết bị ngoại vi với bus của máy tính. 
 89 
 - Điều khiển và định thời 
 - Trao đổi thông tin với CPU 
 - Trao đổi thông tin với thiết bị ngoại vi 
 - Đệm giữa máy tính với thiết bị ngoại vi 
 - Phát hiện lỗi của các thiết bị ngoại vi 
 Cấu trúc chung: 
 - Thanh ghi đệm dữ liệu: đệm dữ liệu trong quá trình trao đổi 
 - Cổng nối ghép vào ra: kết nối thiết bị ngoại vi, mỗi cổng có địa chỉ xác định và 
chuẩn kết nối riêng phụ thuộc sơ đồ chân. 
 - Thanh ghi trạng thái/điều khiển: lưu trữ thông tin trạng thái cho các cổng vào ra 
 - Khối logic điều khiển: điều khiển Module vào ra 
4.2. Các phương pháp điều khiển vào ra 
 Phân loại: 
 - Vào ra bằng chương trình 
 - Vào ra bằng ngắt 
 - Truy cập bộ nhớ trực tiếp DMA 
4.2.1. Vào ra bằng chương trình – polling 
 Nguyên tắc chung: 
 90 
 - Sử dụng lệnh vào ra trong chương trình để trao đổi dữ liệu với cổng vào ra 
 - Khi CPU thực hiện chương trình gặp lệnh vào ra thì CPU điều khiển trao đổi 
dữ liệu với cổng vào ra. 
 - CPU và thiết bị ngoại vi chỉ trao đổi dữ liệu khi có tín hiệu móc nối báo sẵn 
sàng (Ready/ACK) của các phía. Sau khi máy tính khởi động thiết bị ngoại vi (khối 
ghép nối), máy tính luôn chờ và kiểm tra trạng thái sẵn sàng của thiết bị ngoại vi gồm 
các bước: 
 (1) Đọc thông tin về trạng thái sẵn sàng của thiết bị ngoại vi 
 (2) Kiểm tra: Nếu thiết bị ngoại vi sẵn sàng thì trao đổi dữ liệu, ngược lại thì về 
bước (1) để kiểm tra lại. 
 Phương pháp này được dùng khi tốc độ trao đổi dữ liệu của các bên (CPU và 
thiết bị ngoại vi) rất không bằng nhau. 
 Nhận xét: 
 - Việc trao đổi thông tin là tin cậy vì chỉ trao đổi khi thiết bị ngoại vi sẵn sàng. 
 91 
 - Tốn thời gian CPU vì phải kiểm tra trạng thái sẵn sàng của thiết bị ngoại vi, 
việc kiểm tra này do CPU đảm nhiệm nên giảm hiệu suất của hệ thống. 
 - Phù hợp với những hệ thống không đòi hỏi cao về tốc độ trao đổi dữ liệu, hệ 
thống có ít thiết bị ngoại vi. 
4.2.2. Vào ra bằng phương pháp ngắt 
 Bình thường máy tính thực hiện một chương trình (công việc) nào đó. Khi thiết 
bị ngoại vi có yêu cầu trao đổi dữ liệu, nó sẽ gửi tín hiệu yêu cầu ngắt CPU dừng công 
việc hiện tại, phục vụ cho trao đổi dữ liệu thông qua tín hiệu yêu cầu ngắt IRQ 
(Interrupt Request) tác động vào chân INTR (chân tiếp nhận yêu cầu ngắt) của CPU. 
CPU nhận được yêu cầu ngắt, nếu chấp nhận nó sẽ đưa ra xung INTA xác nhận tới 
thiết bị ngoại vi, sau đó CPU tìm chương trình con phục vụ ngắt tương ứng số hiệu 
ngắt và thực hiện nó. Đó chính là chương trình con thực hiện trao đổi(vào/ra) dữ liệu 
do thiết bị ngoại vi yêu cầu. Khi trao đổi xong (ISR – Interrupt Service Routine) kết 
thúc thì CPU tiếp tục công việc (chương trình) đã bị gián đoạn. 
 92 
4.2.3. Vào ra sử dụng DMA 
 Trong các phương pháp vào/ra dữ liệu bằng chương trình kể trên, dữ liệu phải 
được chuyển qua lại từ bộ nhớ đến CPU rồi đến thiết bị ngoại vi hoặc ngược lại bằng 
việc thực hiện từng lệnh (MOV, IN hoặc OUT) của CPU với sự tham gia của các 
thanh ghi. Dữ liệu của mỗi lần vận chuyển là byte hoặc word (2 byte), tốc độ trao đổi 
dữ liệu phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ thực hiện các lệnh trao đổi dữ liệu kể trên. Nói 
chung, tốc độ trao đổi dữ liệu là không thể nhanh được. Với các thiết bị làm việc với 
bộ nhớ khối như màn hình, ổ đĩa, ... yêu cầu trao đổi cả mảng dữ liệu thì phương pháp 
vào/ra dữ liệu bằng chương trình là không phù hợp. Khi đó người ta nghĩ đến việc 
điều khiển dữ liệu vào/ra trực tiếp từ bộ nhớ đến thiết bị ngoại vi hoặc ngược lại mà 
không thông qua CPU bằng những lệnh trao đổi dữ liệu như MOV, IN hoặc 
OUT. Đó là phương pháp vào/ra dữ liệu bằng cách truy nhập trực tiếp bộ nhớ (DMA 
– Direct Memory Access). Trong trường hợp này CPU trao quyền điều khiển cho một 
mạch phần cứng phụ điều khiển việc vào/ra dữ liệu, đó là DMAC– DMA 
Controller 
 Các thành phần của DMAC 
 - Thanh ghi dữ liệu: chứa dữ liệu trao đổi. 
 - Thanh ghi địa chỉ: chứa địa chỉ của ngăn nhớ dữ liệu 
 - Bộ đếm dữ liệu: chứa số từ dữ liệu cần trao đổi 
 93 
 - Khối logic điều khiển: điều khiển hoạt động của DMAC 
 Hoạt động của DMA 
 Khi cần vào ra dữ liệu thì CPU nhờ DMAC tiến hành vào ra dữ liệu với thông tin 
cho biết như sau: 
 - Địa chỉ thiết bị vào ra 
 - Địa chỉ đầu của mảng nhớ chứa dữ liệu và DMAC nạp thanh ghi địa chỉ 
 - Số từ dữ liệu cần truyền và DMAC nạp vào bộ đếm dữ liệu 
 - CPU sẽ đi thực hiện việc khác 
 - DMAC điều khiển việc trao đổi dữ liệu sau khi truyền một từ dữ liệu thì nội 
dung thanh ghi địa chỉ tăng lên và nội dung bộ đếm dữ liệu giảm xuống một đơn 
vị. 
 - Khi bộ đếm bằng dữ liệu bằng 0, DMAC gởi tín hiệu ngắt CPU để báo kết thúc 
DMA 
 Các kiểu thực hiện DMA 
 - DMA truyền theo khối: DMAC sử dụng BUS để truyền cả khối dữ liệu 
(CPU chuyển nhượng BUS cho DMAC) 
 - DMA lấy chu kỳ: DMAC cưỡng bức CPU treo tạm thời từng chu kỳ BUS để 
thực hiện truyền một từ dữ liệu 
 94 
 - DMA trong suốt: DMAC nhận biết những chu kỳ nào CPU không sử dụng 
BUS thì chiếm BUS để trao đổi dữ liệu (DMAC lấy lén chu kỳ) 
 Đặc điểm DMA 
 - CPU không tham gia trong quá trình trao đổi dữ liệu 
 - DMAC điều khiển trao đổi dữ liệu giữa bộ nhớ chính và Module vào ra với tốc 
độ nhanh. 
 - Phù hợp với yêu cầu trao đổi mảng dữ liệu có kích thước lớn. 
4.3. Ghép nối thiết bị ngoại vi 
 Các kiểu nối ghép vào ra 
 - Nối ghép song song 
 - Nối ghép nối tiếp 
 Nối ghép song song 
 - Truyền các bit dữ liệu được truyền song song trong cùng một thời điểm trên 
nhiều đường dây. 
 - Tốc độ truyền cao 
 - Cần đường truyền song song để tải các bit dữ liệu cùng đi, điều đó khiến 
phương pháp này tốn kém về dây dẫn. 
 Điển hình của phương pháp này cổng máy in 25 chân LPT. 
 Nối ghép nối tiếp 
 - Từng Bit của dữ liệu lần lượt được gửi đi trên một đường truyền duy nhất 
 - Dữ liệu trong máy tính thường ở dạng 8bit, 16bit, vì thế cần có bộ chuyển 
đổi từ song song sang nối tiếp. 
 - Tốc độ truyền của phương pháp này chậm vì truyền tường bit trên một đường 
dây 
 - Ưu điểm là kinh tế, không tốn dây, có thể dùng để truyền đi xa. 
 - Các cấu hình ghép nối: 
 + Điểm - điểm (point to point): Qua một cổng vào ra chỉ có thể ghép một thiết 
bị ngoại vi (PS/2, COM, LPT,) 
 95 
 + Điểm - đa điểm (Point to multipoint): Thông qua một cổng vào ra ghép nhiều 
thiết bị vào ra. Ví dụ: SCSI(7,15), USB (127), 
4.4. Các cổng vào ra thông dụng trên máy tính 
4.4.1. Cổng song song LPT 
 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: 
 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 trạng 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 
 96 
hoặc 279h và địa chỉ thanh ghi điều khiển là 37Ah hoặc 27Ah. Định dạng các thanh 
ghi như sau: 
 Thanh ghi dữ liệu (hai chiều): 
 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 
 97 
bit. Các chân tín hiệu của đầu cắm 25 chân của cổng song song LPT như sau: 
 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. 
 98 
Trao đổi dữ liệu qua cổng song song giữa 2 PC 
 99 
4.4.2. Cổng nối tiếp 
 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 kết nối giữa DTE và DCE: 
 - Đơn công (simplex connection): Dữ liệu chỉ được truyền theo 1 hướng. 
 100 
 - 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. 
4.4.3. Cổng bàn phím 
 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. 
 SDU 
 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). 
 101 
 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 mainboard 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 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,  
 Đầu cắm bàn phím AT 
 Đầu cắm bàn phím PS/2 
4.4.4. Cổng USB 
 USB cho phép truyền dữ liệu giữa các thiết bị, đồng thời cũng là cổng cung cấp 
nguồn qua cáp cho các thiết bị mà không cần đến nguồn riêng cho chúng. 
 USB (Universal Serial Bus) là chuẩn kết nối giao tiếp giữa máy tính cá nhân và 
các thiết bị điện tử dân dụng. Cổng USB cho phép các thiết bị điện tử dùng cáp kết 
 102 
nối đến máy tính. USB cho phép truyền dữ liệu giữa các thiết bị, đồng thời cũng là 
cổng cung cấp nguồn qua cáp cho các thiết bị mà không cần đến nguồn riêng cho 
chúng. 
 USB được phát triển bởi một nhóm gồm các thành viên "gạo cội" như Intel, 
Compaq, Microsoft, Digital, IBM, Northern Telecom và được chính thức cấp chứng 
nhận vào đầu năm 1996. USB có thể hỗ trợ cho hơn 127 loại thiết bị ngoại vi khác 
nhau với tốc độ tăng dần: 1,5Mbps (USB đầu tiên), 12Mbps (USB 1.0), 480Mbps 
(USB 2.0) và 500Mbps (USB 3.0 đã có). 
 USB có thể dùng để thay thế các cổng giao tiếp nối tiếp (series) và song song 
(parallel). Bên cạnh đó, USB còn kết nối đến các thiết bị ngoại vi trên máy tính như 
chuột, bàn phím, PDA, thiết bị chơi game (gamepad, joystick), máy quét, máy ảnh số, 
máy in, thiết bị nghe nhạc, bút lưu trữ và rất nhiều thiết bị gắn ngoài khác. 
Các loại đầu nối USB 
USB-A và USB-B 
 Nhiều thiết bị có sẵn đầu nối 
"A" hoặc "B". Trong đó, đầu nối 
 103 
"A" (USB-A) lắp vào máy tính (upstream) còn đầu nối "B" (USB-B) nối vào các thiết 
bị cá nhân (downstream). Với 2 loại đầu nối khác nhau, giúp bạn dễ dàng phân biệt 
chúng. Ngoài USB-A và USB-B còn có Micro-A và Standard-A cũng tuân theo các 
chi tiết kỹ thuật của USB để kết hợp với các đầu nối không theo chuẩn. 
Mini và micro 
 Hai loại đầu nối loại này thường dành 
cho các thiết bị nhỏ như PDA, điện thoại di 
động hay máy ảnh số. Các đầu nối chuẩn 
như Mini-B, Micro-A, Micro-B và đầu nối 
được chuẩn hóa Mini-A. Chân cắm Mini-A và Mini-B có kích thước khoảng 3x7mm 
còn chân cắm Micro có chiều rộng bằng loại Mini nhưng mỏng chỉ bằng nửa, do đó 
chúng thường tích hợp vào các thiết bị cầm tay mỏng hơn. 
 Ngoại trừ trường hợp đặc biệt chuyển từ chuẩn sang Mini-A và chuẩn sang 
Micro-B, một sợi cáp USB luôn có đầu A và B để kết nối đến các ngõ cắm (socket) 
tương ứng. Tất cả các socket này trở thành các phiên bản chuẩn, mini và micro. 
 USB On-The-Go (OTG) hỗ trợ các loại socket khác nhau như: AB, Mini và 
Micro. Nó có thể chấp nhận đầu nối A và B. Phần mềm OTG phát hiện sự khác nhau 
bằng cách dùng ID pin (chân tiếp đất trên đầu nối A). Khi đầu nối A kết nối đến 
socket AB, các socket sẽ cung cấp nguồn VBUS cho cáp và bắt đầu thực hiện nhiệm 
vụ. Khi đầu nối B được sử dụng, socket dùng nguồn VBUS và bắt đầu giao tiếp với 
thiết bị ngoại vi. OTG cho phép cả hai bằng cách dùng phần mềm để chuyển khi cần. 
Các phiên bản USB 
 USB 1.0 được trình làng vào năm 1994, có tốc độ 12Mbps, giúp thay thế nhiều 
cổng kết nối trên máy tính cá nhân. 
 USB 2.0 ra mắt vào năm 2000 và được USB-IF (USB Implementers Forum) 
chuẩn hóa vào cuối năm 2001. Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies (nay là 
Alcatel-Lucent sau khi sáp nhập với Alcatel năm 2006), Microsoft, NEC và Philips 
cùng phát triển lên mức tốc độ cao hơn, 480Mbps. 
 104 
 USB 3.0 được Promoter Group công bố vào 2008, có tốc độ nhanh gấp 10 lần 
USB 2.0, 5Gbps - SuperSpeed USB. Sản phẩm chính thức ra mắt vào năm 2010. 
Chiều dài cáp 
 Chiều dài cáp tối đa của USB 1.1 là 3m và USB 2.0 là 5m. Số hub nối tiếp tối đa 
là 5 và số thiết bị kết nối tối đa là 127. Còn USB 3.0 mới chỉ hỗ trợ tốt nhất trong 
khoảng chiều dài dưới 3m. 
Khả năng cấp nguồn 
 USB cung cấp nguồn trong khoảng 
 Pin Tên Màu cáp Mô tả 
5,25V- 4,75 V (5 V±5%). Một đơn vị tải 1 VCC Red +5V 
(1 unit) là 100mA trên USB 2.0 và 2 D− White Data − 
 3 D+ Green Data + 
150mA trên USB 3.0. USB 2.0 hỗ trợ tối 
 4 GND Black Ground 
đa 5 unit (500 mA) và USB 3.0 là 6 unit 
(900 mA). Có hai loại thiết bị: nguồn thấp (low-power) và nguồn cao (high-power). 
Các thiết bị low-power cung cấp 1 unit và cấp nguồn tối thiểu là 4,4V đối với USB 
2.0 và 4V đối với USB 3.0. Các thiết bị high-power devices cung cấp số unit tối đa. Ở 
chế độ mặc định, tất cả các thiết bị đều ở low-power nhưng phần mềm đi kèm thiết bị 
có thể yêu cầu cung cấp high-power miễn là có nguồn sẵn trên bus. 
 105