Giáo trình Kiến trúc máy tính (Mới nhất)

í dụ bộ xử lý luôn là một 
chủ nhân của bus. Một bus có nhiều chủ nhân khi nó có nhiều bộ xử lý, hoặc khi các 
ngoại vi có thể khởi động một tác vụ có dùng bus. Nếu có nhiều chủ nhân của bus thì 
phải có một cơ chế trọng tài để quyết định chủ nhân nào được quyền chiếm lĩnh bus. Một 
bus có nhiều chủ, có thể cấp một dãi thông rộng (bandwidth) bằng cách sử dụng các gói 
tin thay vì dùng bus cho từng tác vụ riêng lẻ. Kỹ thuật sử dụng gói tin được gọi là phân 
chia nhỏ tác vụ (dùng bus chuyển gói). Một tác vụ đọc được phân tích thành một tác vụ 
yêu cầu đọc (tác vụ này chứa địa chỉ cần đọc), và một tác vụ trả lời của bộ nhớ (chứa 
thông tin cần đọc). Mỗi tác vụ đều có một nhãn cho biết loại của tác vụ. Trong kỹ thuật 
phân chia nhỏ tác vụ, trong khi bộ nhớ đọc các thông tin ở địa chỉ đã xác định thì bus 
được dành cho các chủ khác. 
 Bus hệ thống là một bus đồng bộ, nó gồm có một xung nhịp trong các đường 
dây điều khiển, và một nghi thức cho các địa chỉ và các số liệu đối với xung nhịp. Do có 
rất ít hoặc không có mạch logic nào dùng để quyết định hành động kế tiếp nào cần thực 
hiện, nên các bus đồng bộ vừa nhanh, vừa rẻ tiền. Trên bus này, tất cả đều phải vận hành 
với cùng một xung nhịp. 
 Ngược lại, các bus vào/ra thuộc loại bus bất đồng bộ, các bus này không có xung 
nhịp đồng bộ trong hệ thống bus. Thay vào đó có các nghi thức bắt tay với các quy định 
riêng về thời gian, được dùng giữa các bộ phận phát và bộ phận thu của bus. Bus bất 
đồng bộ rất dễ thích ứng với nhiều ngoại vi và cho phép nối dài bus mà không phải lo 
ngại gì đến vấn đề đồng bộ. Bus bất đồng bộ cũng dễ thích ứng với những thay đổi công 
nghệ. 
V.7. CÁC CHUẨN VỀ BUS 
 Số lượng và chủng loại các bộ phận vào/ra không cần định trước trong các hệ 
thống xử lý thông tin. Điều này giúp cho người sử dụng máy tính dùng bộ phận vào/ra 
nào đáp ứng được các yêu cầu của họ. Vào/ra là giao diện trên đó các bộ phận (thiết bị) 
 89
Kiến trúc máy tính Chương V: Nhập xuất 
được kết nối vào hệ thống. Nó có thể xem như một bus nới rộng dùng để kết nối thêm 
ngoại vi vào máy tính. Các chuẩn làm cho việc nối kết các ngoại vi vào máy tính được dễ 
dàng; bởi vì, trong khi các nhà thiết kế-sản xuất máy tính và các nhà thiết kế-sản xuất 
ngoại vi có thể thuộc các công ty khác nhau. Sự tồn tại các chuẩn về bus là rất cần thiết. 
Như vậy, nếu nhà thiết kế máy tính và nhà thiết kế ngoại vi tôn trọng các chuẩn về bus 
này thì các ngoại vi có thể kết nối dễ dàng vào máy tính. Chuẩn của bus vào/ra là tài liệu 
quy định cách kết nối ngoại vi vào máy tính. 
 Các máy tính quá thông dụng thì các chuẩn về bus vào/ra của chúng có thể được 
xem là chuẩn cho các hãng khác (ví dụ: trước đây, UNIBUS của máy PDP 11, các chuẩn 
về bus của máy IBM PC, AT và hiện nay là các chuẩn của hãng Intel liên quan đến các 
máy vi tính). Các chuẩn về bus phải được các cơ quan về chuẩn như ISO, ANSI và IEEE 
công nhận. 
V.8. GIAO DIỆN GIỮA BỘ XỬ LÝ VỚI CÁC BỘ PHẬN VÀO RA 
 Bộ xử lý dùng 2 cách để liên lạc với các bộ phận vào ra: 
 Cách thứ nhất, thường được dùng: là cách dùng một vùng địa chỉ của bộ nhớ 
làm vùng địa chỉ của các ngoại vi. Khi đọc hay viết vào vùng địa chỉ này của bộ nhớ là 
liên hệ đến các ngoại vi. 
 Cách thứ hai, dùng mã lệnh riêng biệt cho vào/ra (tức là có các lệnh vào/ra riêng, 
không trùng với lệnh đọc hay viết vào ô nhớ). Trong trường hợp này, bộ xử lý gởi một tín 
hiệu điều khiển cho biết địa chỉ đang dùng là của một ngoại vi. Vi mạch Intel 8086 và 
máy IBM 370 là các ví dụ về bộ xử lý dùng lệnh vào/ra riêng biệt. 
 Dù dùng cách nào để định vị vào/ra thì mỗi bộ phận vào/ra đều có các thanh ghi 
để cung cấp thông tin về trạng thái và về điều khiển. Bộ phận vào/ra dùng bit trạng thái 
“sẵn sàng” để báo cho bộ xử lý nó sẵn sàng nhận số liệu. Định kỳ bộ xử lý xem xét bít 
này để biết bộ phận vào ra có sẵn sàng hay không. Phương pháp này là phương pháp 
thăm dò (polling). Và nhược điểm của phương pháp này là làm mất thời gian của bộ xử 
lý vì định kỳ phải thăm dò tính sẵn sàng của các thiết bị ngoại vi. Điều này đã được nhận 
thấy từ lâu và đã dẫn đến phát minh ra ngắt quãng (interrupt) để báo cho bộ xử lý biết lúc 
có một bộ phận vào/ra cần được phục vụ. 
 Việc dùng ngắt quãng làm cho bộ xử lý không mất thời gian thăm dò xem các 
ngoại vi có yêu cầu phục vụ hay không, nhưng bộ xử lý phải mất thời gian chuyển dữ 
liệu. Thông thường việc trao đổi số liệu giữa ngoại vi và CPU là theo khối số liệu, nên vi 
mạch thâm nhập trực tiếp bộ nhớ trong (DMA: Direct Memory Access) được dùng trong 
nhiều máy tính để chuyển một khối nhiều từ mà không có sự can thiệp của CPU. 
 Hình V.7. Sơ đồ hoạt động của hệ thống bus có vi mạch DMA 
 90
Kiến trúc máy tính Chương V: Nhập xuất 
 DMA là một vi mạch chức năng đặc biệt. Nó chuyển số liệu giữa ngoại vi và bộ 
nhớ trong, trong lúc đó CPU rãnh rỗi để làm công việc khác. Vậy DMA nằm ngoài CPU 
và tác động như là một chủ nhân của bus. Bộ xử lý khởi động các thanh ghi của DMA, 
các thanh ghi này chứa địa chỉ ô nhớ và số byte cần chuyển. DMA chủ động chuyển số 
liệu và khi chấm dứt thì trả quyền điều khiển cho bộ xử lý. 
 Vi mạch DMA càng thông minh thì công việc của CPU càng nhẹ đi. Nhiều vi 
mạch được gọi là bộ xử lý vào/ra (hay bộ điều khiển vào/ra) thực hiện công việc mình 
theo một chương trình cố định (chứa trong ROM), hay theo một chương trình mà hệ điều 
hành nạp vào bộ nhớ trong. Hệ điều hành thiết lập một hàng chờ đợi gồm các khối điều 
khiển các bộ phận vào/ ra. Các khối chứa các thông tin như là vị trí của số liệu (nguồn và 
đích) và số số liệu. Các bộ xử lý vào/ra lấy các thông tin này trong hàng chờ đợi, thực 
hiện các việc cần phải làm và gởi về CPU tín hiệu ngắt khi đã thực hiện xong công việc. 
 Một máy tính có bộ xử lý vào/ra được xem như một máy tính đa xử lý vì DMA 
giúp cho máy tính thực hiện cùng lúc nhiều quá trình. Tuy nhiên bộ xử lý vào/ra không 
tổng quát bằng các bộ xử lý vì chúng chỉ làm được một số việc nhất định. Hơn nữa bộ xử 
lý vào/ra không chế biến số liệu như các bộ xử lý thường làm. Nó chỉ di chuyển số liệu từ 
nơi này sang nơi khác. 
V.9. MỘT SỐ BIỆN PHÁP AN TOÀN DỮ LIỆU TRONG VIỆC LƯU TRỮ 
THÔNG TIN TRONG ĐĨA TỪ 
 Người ta thường chú trọng đến sự an toàn trong lưu giữ thông tin ở đĩa từ hơn là 
sự an toàn của thông tin trong bộ xử lý. Bộ xử lý có thể hư mà không làm tổn hại đến 
thông tin. Ổ đĩa của máy tính bị hư có thể gây ra các thiệt hại rất to lớn. 
 Một phương pháp giúp tăng cường độ an toàn của thông tin trên đĩa từ là dùng 
một mảng đĩa từ. Mảng đĩa từ này được gọi là Hệ thống đĩa dự phòng (RAID - Redundant 
Array of Independent Disks). Cách lưu trữ dư thông tin làm tăng giá tiền và sự an toàn 
(ngoại trừ RAID 0). Cơ chế RAID có các đặc tính sau: 
 1. RAID là một tập hợp các ổ đĩa cứng (vật lý) được thiết lập theo một kỹ 
thuật mà hệ điều hành chỉ “nhìn thấy” chỉ là một ổ đĩa (logic) duy nhất. 
 2. Với cơ chế đọc/ghi thông tin diễn ra trên nhiều đĩa (ghi đan chéo hay soi 
gương). 
 3. Trong mảng đĩa có lưu các thông tin kiểm tra lỗi dữ liệu; do đó, dữ liệu có 
thể được phục hồi nếu có một đĩa trong mảng đĩa bị hư hỏng . 
 Tuỳ theo kỹ thuật thiết lập, RAID có thể có các mức sau: 
 i). RAID 0: Thực ra, kỹ thuật này không nằm trong số các kỹ thuật có cơ chế an 
toàn dữ liệu. Khi mảng được thiết lập theo RAID 0, ổ đĩa logic có được (mà hệ điều hành 
nhận biết) có dung dượng bằng tổng dung lượng của các ổ đĩa thành viên. Điều này giúp 
cho người dùng có thể có một ổ đĩa logic có dung lượng lớn hơn rất nhiều so với dung 
lượng thật của ổ đĩa vật lý cùng thời điểm. Dữ liệu được ghi phân tán trên tất cả các đĩa 
trong mảng. Đây chính là sự khác biệt so với việc ghi dữ liệu trên các đĩa riêng lẻ bình 
thường bởi vì thời gian đọc-ghi dữ liệu trên đĩa tỉ lệ nghịch với số đĩa có trong tập hợp 
(số đĩa trong tập hợp càng nhiều, thời gian đọc – ghi dữ liệu càng nhanh). Tính chất này 
 91
Kiến trúc máy tính Chương V: Nhập xuất 
của RAID 0 thật sự hữu ích trong các ứng dụng yêu cầu nhiều thâm nhập đĩa với dung 
lượng lớn, tốc độ cao (đa phương tiện, đồ hoạ,). Tuy nhiên, như đã nói ở trên, kỹ thuật 
này không có cơ chế an toàn dữ liệu, nên khi có bất kỳ một hư hỏng nào trên một đĩa 
thành viên trong mảng cũng sẽ dẫn đến việc mất dữ liệu toàn bộ trong mảng đĩa. Xác suất 
hư hỏng đĩa tỉ lệ thuận với số lượng đĩa được thiết lập trong RAID 0. RIAD 0 có thể được 
thiết lập bằng phần cứng (RAID controller) hay phần mềm (Stripped Applications) 
 Strip 0 Strip 1 Strip 2 Strip 3 
 Strip 4 Strip 5 Strip 6 Strip 7 
 Strip 8 Strip 9 Strip 10 Strip 11 
 Strip 12 Strip 13 Strip 14 Strip 15 
 Hình V.8: RAID 0 
 ii). RAID 1 (Mirror - Đĩa gương): Phương cách thông thường tránh mất thông tin 
khi ổ đĩa bị hư là dùng đĩa gương, tức là dùng 2 đĩa. Khi thông tin được viết vào một đĩa, 
thì nó cũng được viết vào đĩa gương và như vậy luôn có một bản sao của thông tin. Trong 
cơ chế này, nếu một trong hai đĩa bị hư thì đĩa còn lại được dùng bình thường. Việc thay 
thế một đĩa mới (cung thông số kỹ thuật với đĩa hư hỏng) và phục hồi dữ liệu trên đĩa đơn 
giản. Căn cứ vào dữ liệu trên đĩa còn lại, sau một khoảng thời gian, dữ liệu sẽ được tái 
tạo trên đĩa mới (rebuild). RAID 1 cũng có thể được thiết lập bằng phần cứng (RAID 
controller) hay phần mềm (Mirror Applications) với chi phí khá lớn, hiệu suất sử dụng 
đĩa không cao (50%). 
 Strip 0 Strip 1 Strip 2 Strip 3 Strip 0 Strip 1 Strip 2 Strip 3 
 Strip 4 Strip 5 Strip 6 Strip 7 Strip 4 Strip 5 Strip 6 Strip 7 
 Strip 8 Strip 9 Strip 10 Strip 11 Strip 8 Strip 9 Strip 10 Strip 11 
 Strip 12 Strip 13 Strip 14 Strip 15 Strip 12 Strip 13 Strip 14 Strip 15 
 Hình V.9: RAID 1 
 iii) RAID 2: Dùng kỹ thuật truy cập đĩa song song, tất cả các đĩa thành viên 
trong RAID đều được đọc khi có một yêu cầu từ ngoại vi. Một mã sửa lỗi (ECC) được 
tính toán dựa vào các dữ liệu được ghi trên đĩa lưu dữ liệu, các bit được mã hoá được lưu 
trong các đĩa dùng làm đĩa kiểm tra. Khi có một yêu cầu dữ liệu, tất cả các đĩa được truy 
cập đồng thời. Khi phát hiện có lỗi, bộ điều khiển nhận dạng và sửa lỗi ngay mà không 
làm giảm thời gian truy cập đĩa. Với một thao tác ghi dữ liệu lên một đĩa, tất cả các đĩa 
dữ liệu và đĩa sửa lỗi đều được truy cập để tiến hành thao tác ghi. Thông thường, RAID 2 
dùng mã Hamming để thiết lập cơ chế mã hoá, theo đó, để mã hoá dữ liệu được ghi, 
người ta dùng một bit sửa lỗi và hai bit phát hiện lỗi. RAID 2 thích hợp cho hệ thống yêu 
cầu giảm thiểu được khả năng xảy ra nhiều đĩa hư hỏng cùng lúc. 
 92
Kiến trúc máy tính Chương V: Nhập xuất 
 F (b) F (b) F (b) 
 b0 b1 b2 b3 0 1 2
 Hình V.10: RAID 2 
 iii). RAID 3: Dùng kỹ thuật ghi song song, trong kỹ thuật này, mảng được thiết 
lập với yêu cầu tối thiểu là 3 đĩa có các thông số kỹ thuật giống nhau, chỉ một đĩa trong 
mảng được dùng để lưu các thông tin kiểm tra lỗi (parity bit). Như vậy, khi thiết lập 
RAID 3, hệ điều hành nhận biết được một đĩa logic có dung lượng n-1/n (n: số đĩa trong 
mảng). Dữ liệu được chia nhỏ và ghi đồng thời trên n-1 đĩa và bit kiểm tra chẵn lẻ được 
ghi trên đĩa dùng làm đĩa chứa bit parity – chẵn lẻ đan chéo ở mức độ bít. Bít chẵn lẻ là 
một bít mà người ta thêm vào một tập hợp các bít làm cho số bít có trị số 1 (hoặc 0) là 
chẵn (hay lẻ). Thay vì có một bản sao hoàn chỉnh của thông tin gốc trên mỗi đĩa, người ta 
chỉ cần có đủ thông tin để phục hồi thông tin đã mất trong trường hợp có hỏng ổ đĩa. Khi 
một đĩa bất kỳ trong mảng bị hư, hệ thống vẫn hoạt động bình thường. Khi thay thế một 
đĩa mới vào mảng, căn cứ vào dữ liệu trên các đĩa còn lại, hệ thống tái tạo thông tin. Hiệu 
suất sử dụng đĩa cho cách thiết lập này là n-1/n. RAID 3 chỉ có thể được thiết lập bằng 
phần cứng (RAID controller). 
 P(b) 
 b0 b1 b2 b3
 Hình V.11: RAID 3 
 iv) RAID 4: từ RAID 4 đến RAID 6 dùng kỹ thuật truy cập các đĩa trong mảng 
độc lập. Trong một mảng truy cập độc lập, mỗi đĩa thành viên được truy xuất độc lập, do 
đó mảng có thể đáp ứng được các yêu cầu song song của ngoại vi. Kỹ thuật này thích hợp 
với các ứng dụng yêu cầu nhiều ngoại vi là các ứng dụng yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu 
cao. Trong RAID 4, một đĩa dùng để chứa các bit kiểm tra được tính toán từ dữ liệu được 
lưu trên các đĩa dữ liệu. Khuyết điểm lớn nhất của RAID 4 là bị nghẽn cổ chai tại đĩa 
kiểm tra khi có nhiều yêu cầu đồng thời từ các ngoại vi. 
 Block 0 Block1 Block2 Block3 P(0-3) 
 B4 B5 B6 B7 P(4-7) 
 B8 B9 B10 B11 P(8-11) 
 B12 B13 B14 B15 P(12-15) 
 Hình V.12: RAID 4 
 93
Kiến trúc máy tính Chương V: Nhập xuất 
 v). RAID 5: yêu cầu thiết lập giống như RAID 4, dữ liệu được ghi từng khối trên 
các đĩa thành viên, các bit chẵn lẻ được tính toán mức độ khối được ghi trải đều lên trên 
tất cả các ổ đĩa trong mảng. Tương tự RAID 4, khi một đĩa bất kỳ trong mảng bị hư hỏng, 
hệ thống vẫn hoạt động bình thường. Khi thay thế một đĩa mới vào mảng, căn cứ vào dữ 
liệu trên các đĩa còn lại, hệ thống tái tạo thông tin. Hiệu suất sử dụng đĩa cho cách thiết 
lập này là n-1/n. RAID 5 chỉ có thể được thiết lập bằng phần cứng (RAID controller). Cơ 
chế này khắc phục được khuyết điểm đã nêu trong cơ chế RAID 4. 
 Block 0 Block1 Block2 Block3 P(0-3) 
 B4 B5 B6 P(4-7) B7 
 B8 B9 P(8-11) B10 B11 
 B12 P(12-
 15) B13 B14 B15 
 P(16-19) B16 B17 B18 B19 
 Hình V.13: RAID 5 
 vi). RAID 6: Trong kỹ thuật này, cần có n+2 đĩa trong mảng. Trong đó, n đĩa dữ 
liệu và 2 đĩa riêng biệt để lưu các khối kiểm tra. Một trong hai đĩa kiểm tra dùng cơ chế 
kiểm tra như trong RAID 4&5, đĩa còn lại kiểm tra độc lập theo một giải thuật kiểm tra. 
Qua đó, nó có thể phục hồi được dữ liệu ngay cả khi có hai đĩa dữ liệu trong mảng bị hư 
hỏng. 
 Hiện nay, RAID 0,1,5 được dùng nhiều trong các hệ thống. Các giải pháp RAID 
trên đây (trừ RAID 6) chỉ đảm bảo an toàn dữ liệu khi có một đĩa trong mảng bị hư hỏng. 
Ngoài ra, các hư hỏng dữ liệu do phần mềm hay chủ quan của con người không được đề 
cập trong chương trình. Người dùng cần phải có kiến thức đầy đủ về hệ thống để các hệ 
thống thông tin hoạt động hiệu quả và an toàn. 
 Block 0 Block1 Block2 Block3 P(0-3) Q(0-3) 
 B4 B5 B6 P(4-7) Q(4-7) B7 
 B8 B9 P(8-11) Q(8-11) B10 B11 
 B12 P(12-15) Q(12-15) B13 B14 B15 
 B19 
 P(16-19) Q(16-19) B16 B17 B18
 Hình V.14: RAID 6 
 ***** 
 94
Kiến trúc máy tính Chương V: Nhập xuất 
 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG V 
 ***** 
 1. Mô tả vận hành của ổ đĩa cứng. Cách lưu trữ thông tin trong ổ đĩa cứng 
 2. Mô tả các biện pháp an toàn trong việc lưu trữ thông tin trong đĩa cứng. 
 3. Nguyên tắc vận hành của đĩa quang. Ưu khuyết điểm của các loại đĩa quang. 
 4. Thông thường có bao nhiêu loại bus? Tại sao phải có các chuẩn cho các bus 
 vào ra? 
 5. Thế nào là chủ nhân của bus? Khi bus có nhiều chủ nhân thì làm thế nào để 
 giải quyết tranh chấp bus? 
 6. Giải thích việc nới rộng dãi thông bằng cách sử dụng các gói tin. 
 7. Sự khác biệt giữa bộ xử lý vào ra và bộ xử lý trung tâm của máy tính. 
 95