Bài giảng Bo mạch chủ và vi xử lý

CHƯƠNG 2 BO MẠCH CHỦ VÀ VI XỬ LÝ I. BO MẠCH CHỦ (MAINBOARD) 1. Sơ đồ khối của Mainboard 2. Chức năng của Mainboard Là bản mạch chính liên kết tất cả các linh kiện và thiết bị ngoại vi thành một bộ máy vi tính thống nhất . Điều khiển tốc độ và đường đi của luồng dữ liệu giữa các thiết bị trên. Điều khiển điện áp cung cấp cho các linh kiện gắn chết hoặc cắm rời trên Mainboard . 3. Nguyên lý hoạt động của Mainboard Mainboard hoạt động nhờ vào 2 IC quan trọng là Chipset cầu bắc và Chipset cầu nam, chúng có nhiệm vụ là cầu nối giữa các thành phần cắm vào Mainboard như nối giữa CPU với RAM, giữa RAM với các khe mở rộng PCI v v... Các thiết bị kết nối với các chipset thông qua các đường truyền gọi là Bus 4. CÁC THÀNH PHẦN TRÊN MAINBOARD Chipset cầu Bắc (North Bridge) và Chipset cầu Nam (Sourth Bridge) Kết nối các thành phần trên Mainboard và các thiết bị ngoại vi lại với nhau Điều khiển tốc độ Bus cho phù hợp giữa các thiết bị Khái niệm về tốc độ Bus: là tốc độ tryền dữ liệu giữa thiết bị với các Chipset Đế cắm CPU (slot hoặc socket) Khe cắm CPU kiểu Slot - Cho các máy Pentium 2 Đế cắm CPU kiểu Socket 370 - Cho các máy Pentium 3 Đế cắm CPU - Socket 423 và 478- Cho các máy Pentium 4 Pentium 4 đời đầu Pentium 4 thế hệ sau Đế cắm CPU- Socket 775-Cho các máy Pentium 4 đời mới Đế cắm CPU - Socket 939 – cho CPU AMD Khe cắm bộ nhớ RAM Khe cắm SDRam Khe cắm DDRam Khe cắm mở rộng(Expansion slots) ISA ( Industry Standar Architecture - Kiến trúc tiêu chuẩn công nghệ, 8-16 bit, tốc độ: 8-10 MHz PCI ( Peripheral Component Interconnect => Liên kết thiết bị ngoại vi ) 32-64 bit, tốc độ: 33 MHz AGP ( Accelerated Graphic Port )- Cổng tăng tốc đồ hoạ Đây là cổng giành riêng cho Card Video có hỗ trợ đồ hoạ, tốc độ Bus thấp nhất của khe này đạt 66MHz 1X 1X = 66 MHZ ( Cho máy Pentium 2 & Pentium 3 ) 2X = 66 MHz x 2 ~ 133 MHz ( Cho máy Pentium 3 ) 4X = 66 MHz x 4 ~ 266 MHz ( Cho máy Pentium 4 ) 8X = 66 MHz x 8 ~ 533 MHz ( Cho máy Pentium 4 ) 16X = 66 MHz x 16 ~ 1066 MHz ( Cho máy Pentium 4 Các thành phần khác Bộ nhớ Cache : Là bộ nhớ đệm nằm giữa bộ nhớ RAM và CPU nhằm rút ngắn thời gian lấy dữ liệu trong lúc CPU xử lý, có hai loại Cache là: Cache L1 và Cache L2. ROM BIOS ( Read Only Memory Basic Input/Output System => Bộ nhớ chỉ đọc, lưu trữ các chương trình vào ra cơ sở) Đây là bộ nhớ chỉ đọc được các nhà sản xuất Mainboard nạp sẵn các chương trình phục vụ các công việc: Khởi động máy tính và kiểm tra bộ nhớ Ram, kiểm tra Card Video, bộ điều khiển ổ đĩa , bàn phím ... Tìm hệ điều hành và nạp chương trình khởi động hệ điều hành. Cung cấp chương trình cài đặt cấu hình máy ( CMOS Setup ) Các cổng giao tiếp Đầu cắm nguồn Jumper và Switch(máy p2, p3) Thiết lập tốc độ Bus cho CPU Thiết lập số nhân tốc độ của CPU Clear ( Xoá ) chương trình trong CMOS ... Đặc điểm các thế hệ Mainboard Mainboard của máy Pentium 2 CPU gắn vào Mainboard theo kiểu khe Slot 1 Hỗ trợ tốc độ CPU từ 233MHz đến 450MHz Hỗ trợ Bus của CPU ( FSB ) là 66MHz và 100MHz Trên Mainboard có các Jumper để thiết lập tốc độ . Sử dụng SDRam có Bus 66MHz hoặc 100MHz Sử dụng Card Video AGP 1X Mainboard máy Pentium 3 CPU gắn vào Mainboard theo kiểu đế cắm Socket 370 Hỗ trợ tốc độ CPU từ 500MHz đến 1,4GHz Hỗ trợ Bus của CPU ( FSB ) là 100MHz và 133MHz Trên Mainboard có các Jumper để thiết lập tốc độ, các đời về sau không có . Sử dụng SDRam có Bus 100MHz hoặc 133MHz Sử dụng Card Video AGP 2X Mainboard máy Pentium 4 soket 478 CPU gắn vào Mainboard theo kiểu đế cắm Socket 478 Hỗ trợ tốc độ CPU từ 1,5GHz đến trên 3GHz Tốc độ Bus của CPU ( FSB ) từ 400MHz trở lên Sử dụng Card Video AGP 4X, 8X Sử dụng bộ nhớ DDRam có tốc độ Bus Ram từ 266MHz -> 400 MHz Mainboard máy Pentium 4 socket 775 CPU gắn vào Mainboard theo kiểu đế cắm Socket 775 Hỗ trợ tốc độ CPU từ 2GHz đến trên 3,8GHz Tốc độ Bus của CPU ( FSB ) từ 533MHz trở lên Sử dụng Card Video AGP 16X hoặc Card Video PCI Express16X Sử dụng bộ nhớ DDRam có tốc độ Bus từ 667MHz trở lên Mainboard Socket 939 cho CPU hãng AMD Sử dụng CPU của hãng AMD gắn vào Mainboard theo kiểu đế cắm Socket 939 Hỗ trợ tốc độ CPU từ 2GHz đến trên 4GHz Tốc độ Bus của CPU ( FSB ) từ 533MHz trở lên Sử dụng bộ nhớ DDRam có tốc độ Bus từ 400MHz trở lên Mainboard Socket 775 hỗ trợ Chip Intel Core™ 2 DuoProcessor và hỗ trợ Dual DDR2 . CPU gắn vào Mainboard theo kiểu đế cắm Socket 775 Hỗ trợ tốc độ CPU Core™ 2 DuoProcessor Tốc độ Bus của CPU( FSB ) từ 800MHz trở lên Hỗ trợ 2 khe AGP Mainboard mới có 2 ROM BIOS Mainboard hỗ trợ Dual DDR RAM CPU gắn vào Mainboard Socket 1366 Hỗ trợ tốc độ CPU Core i7 Processor Quick Path Interconnect (QPI) 4.8GT/s / 6.4GT/s 6 x 1.5V DDR3 DIMM sockets supporting up to 24 GB of system memory Dual 3 channel memory architecture Support for DDR3 2000+/1333/1066/800 MHz memory modules Expansion Slots: 2 x PCI Express x16 slots, 1 xPCI Expressx8 slot, 6 x SATA 3Gb/s connectors… Tài nguyên hệ thống Khái niệm: Là công cụ được phần cứng hoặc phần mềm sử dụng để trao đổi thông tin với phần kia Có 4 kiểu tài nguyên hệ thống Số yêu cầu ngắt (Interrupt request numbers -IRQs) Địa chỉ bộ nhớ Địa chỉ vào/ra (Input/Output - I/O) Các kênh truy cập bộ nhớ trực tiếp (Direct memory access - DMA) Hệ thống Bus a. Số yêu cầu ngắt (Interrupt request numbers -IRQs) Là một đường truyền trong những đường truyền của bo mạch chủ mà thiết bị phần cứng có thể sử dụng để gửi tín hiệu đến CPU, thông báo thiết bị cần được chú ý. Một số đường có độ ưu tiên cao hơn so với những đường khác. Mỗi đường IRQ được gán cho một số (từ 0 tới 15) để nhận dạng. b. Địa chỉ bộ nhớ Là những số được gán cho bộ nhớ vật lý trong các chíp RAM hoặc các chíp ROM. Phần mềm có thể truy cập bộ nhớ bằng cách sử dụng các địa chỉ này. Địa chỉ bộ nhớ được được truyền trên đường truyền địa chỉ. Hệ điều hành coi bộ nhớ tương tự một danh sách dài các ô dùng để chứa dữ liệu và lệnh Mỗi ô được gán cho một số Bắt đầu bằng số 0 c. Địa chỉ vào/ra Là số được gán cho các thiết bị phần cứng, phần mềm sử dụng các số này để gửi lệnh đến thiết bị. Mỗi thiết bị "nghe" trên các số này và trả lời theo các số đã được gán cho nó. Địa chỉ vào/ra được truyền trên đường truyền địa chỉ. d. Các kênh DMA Một số được chỉ định cho một kênh mà qua nó thiết bị có thể chuyển dữ liệu tới bộ nhớ mà không cần qua CPU. Kênh DMA là đường trao đổi dữ liệu trực tiếp giữa thiết bị và bộ nhớ. Các máy tính đời đầu sử dụng các kênh 0, 1, 2, 3 Các kênh 5, 6, và 7 đã được thêm vào và kênh 4 được dùng để thay thế các DMA mức thấp hơn CPU(Central Processing Unit) II. CPU (Central Processing Unit) Nhiệm vụ Là đơn vị xử lý trung tâm, thực hiện toàn bộ quá trình xử lý, tính toán và điều khiển hệ thống. Các thành phần cơ bản của CPU Đơn vị điều khiển (CU: control unit) Điều khiển hoạt động của hệ thống theo chương trình đã dịch sẵn Đơn vị số học & Logic (ALU: Arimethic Logic Unit) Thực hiện phép toán số học và logic Tập các thanh ghi (Registers) Dùng để chứa thông tin tạm thời phục vụ cho các hoạt động hiện tại của CPU. Gồm có các thanh ghi địa chỉ, thanh ghi dữ liệu, thanh ghi lệnh và các thanh ghi cờ trạng thái. Nguyên lý hoạt động Đối với CPU, do việc xử lý thông tin trong CPU là hoàn toàn tự động theo những chương trình có sẵn trong bộ nhớ. CPU cần phải biết thời điểm đọc lệnh, đọc lệnh xong thì mới chuyển đến thời điểm CPU tiến hành giải mã lệnh, giải mã lệnh xong thì CPU mới tiến hành việc thực hiện lệnh. Thực hiện xong thì CPU mới tiến hành việc đọc lệnh kế tiếp. Đây là các công đoạn khi CPU thực hiện và không thể lẫn lộn được mà phải được thực hiện một cách tuần tự. Để giải quyết vấn đề này, trong CPU cần phải có một bộ tạo nhịp thời gian làm việc (CPU Clock). Tại nhịp thời gian này, CPU thực hiện việc đọc lệnh, tại nhịp thời gian tiếp theo, CPU thực hiện việc giải mã lệnh… Nhịp thời gian càng ngắn, tốc độ CPU thực hiện lệnh càng nhanh. Ví dụ: Việc phân chia thời gian thực hiện lệnh đối với một CPU (đời cũ) có thể mô tả như sau:  Trong đó: F (Fetch): đọc lệnhD (Decode): giải mã lệnhE (Execute) : thực thi lệnh.ti: chu kì làm việc thứ i 1. Các yếu tố tác động đến hiệu suất của CPU Độ rộng Bus dữ liệu và Bus địa chỉ ( Data Bus và Add Bus ) Tốc độ xử lý và tốc độ Bus ( tốc độ dữ liệu ra vào chân ) còn gọi là FSB Dung lượng bộ nhớ đệm Cache Hệ thống Bus a. Bus dữ liệu và Bus địa chỉ Độ rộng Bus dữ liệu là số lượng đường truyền dữ liệu bên trong và bên ngoài CPU. Như ví dụ hình dưới đây thì CPU có 12 đường truyền dữ liệu (ta gọi độ rộng Data Bus là 12 bit ), hiện nay trong các CPU từ Pentium 2 đến Pentium 4 đều có độ rộng Data Bus là 64 bit Độ rộng Bus địa chỉ ( Add Bus ) cũng là số đường dây truyền các thông tin về địa chỉ. Địa chỉ ở đây có thể là các địa chỉ của bộ nhớ RAM, địa chỉ các cổng vào ra và các thiết bị ngoại vi v v .. và địa chỉ này được truyền đi qua các Bus địa chỉ. Giả sử : Nếu số đường địa chỉ là 8 đường thì CPU sẽ quản lý được 28 = 256 địa chỉ b. Tốc độ xử lý và tốc độ Bus của CPU Tốc độ xử lý của CPU ( Speed ) : Là tốc độ chạy bên trong của CPU, tốc độ này được tính bằng MHz hoặc GHz Thí dụ một CPU Pentium 3 có tốc độ 800MHz tức là nó dao động ở tần số 800.000.000 Hz , CPU pentium 4 có tốc độ là 2,4GHz tức là nó dao động ở tần số 2.400.000.000 Hz Tốc độ Bus của CPU ( FSB ) :Là tốc độ dữ liệu ra vào các chân của CPU - còn gọi là Bus phía trước : Front Side Bus ( FSB ) Đặc biệt: CPU thế hệ Core i7 không sử dụng FSB mà sử dụng QPI (Quick Path Interconect) Công nghệ QPI (Quick Path Interconect) c. Bộ nhớ Cache ( Bộ nhớ đệm ) Bộ nhớ Cache là bộ nhớ nằm bên trong của CPU, nó có tốc độ truy cập dữ liệu theo kịp tốc độ xử lý của CPU, điều này khiến cho CPU trong lúc xử lý không phải chờ dữ liệu từ RAM vì dữ liệu từ RAM phải đi qua Bus của hệ thống nên mất nhiều thời gian. Một số CPU Pentium có bộ nhớ đệm L2 trên một chip riêng (bộ nhớ đệm L2 riêng biệt), một số có bộ nhớ đệm L2 trên cùng chip (bộ nhớ đệm cao cấp) Một số loại CPU thông dụng CPU cho các máy Pentium 3 Tốc độ CPU từ 500 MHz đến 1.300 MHz Tốc độ Bus ( FSB ) 100 MHz và 133 MHz Bộ nhớ Cache từ 256K- 512K Năm sản xuất : 1999 -2000 Đế cắm trên Mainboard là Socket 370 CPU cho các máy Pentium 4 Tốc độ xử lý từ 1.400 MHz đến 3.800 MHz ( 2006 ) Tốc độ Bus ( FSB ) 266, 333, 400, 533, 666, 800 MHz Bộ nhớ Cache từ 256 đến 512K Năm sản xuất từ 2002 đến nay Sử dụng Mainboard có đế cắm CPU là Socket 478 Các dòng CPU mới Core Duo Core Duo Core 2 Duo Core i7 Đưa Memory Controller Hub (MCH) vào trong CPU và trở thành Intergrated Memory Controller (IMC) Khái niệm Front Side Bus (FSB) truyền thống được thay thế bằng QuickPath Interconnect (QPI) Công nghệ Hyper-Threading trong Core i7 Tóm lược những đặc điểm chính của Nehalem Dựa vào Vi cấu trúc Intel Core Có 02 tới 08 lõi Tích hợp Bộ phận điều khiển bộ nhớ , có thể hỗ trợ Triple-Channel DDR3 . 256KB Cache L2 cho mỗi lõi 8MB Cache L3 Tập lệnh SSE 4.2 mới với 07 lệnh mới Hỗ trợ công nghệ HyperThreading Turbo Mode ( tự động Overclock ) Nâng cấp vi cấu trúc ( hỗ trợ Maro-Fusion 64-bit , cải tiến Loop Stream Detector , 06 cổng gửi dữ liệu – Dispatch …) . Cải tiến Bộ phận Dự đoán rẽ nhánh bằng cách thêm BTB thứ hai ( Branch Target Buffer ) Tối ưu hoá những lệnh SSE không thẳng hàng . Cải thiện hiệu suất ảo hoá . Theo Intel thời gian trễ giảm đi 65% so với bộ vi xử lí 65nm Core 2 và giảm 20% so với 45nm Core 2 . Bus ngoài QPI ( QuickPath Interconnect ) mới . Bộ phận điều khiển năng lượng mới . Công nghệ sản xuất hiện tại là 45nm và những Model tương lai sẽ là 32nm có tên mã “Westmere” . Socket mới với 1366 chân . Khởi động máy tính Khởi động máy tính: có 2 cách Khởi động cứng hoặc khởi động nguội: bật điện bằng công tắc nguồn Khởi động mềm hoặc khởi động nóng: sử dụng hệ điều hành để khởi động lại Các bước khởi động một máy tính Khởi động máy tính BIOS khởi động chạy chương trình Tự kiểm tra khi bật điện (POST) và gán các tài nguyên hệ thống ROM BIOS chạy chương trình tìm và nạp hệ điều hành Hệ điều hành cấu hình hệ thống và hoàn thành việc nạp bản thân nó Nạp các phần mềm ứng dụng và thực thi BIOS khởi động I. BIOS khởi động chạy chương trình Tự kiểm tra khi bật điện (POST) và gán các tài nguyên hệ thống BIOS khởi động Khi bật điện, đồng hồ hệ thống bắt đầu tạo ra các xung nhịp đồng hồ CPU bắt đầu làm việc và khởi động bản thân nó (đặt lại các giá trị bên trong của CPU) CPU chỉ đến địa chỉ bộ nhớ FFFF0h (là địa chỉ bộ nhớ luôn được gán cho lệnh đầu tiên của chương trình khởi động trong ROM BIOS) Thực hiện quá trình POST Quá trình POST Chương trình POST kiểm tra bộ vi xử lý đầu tiên, bằng cách cho nó chạy thử một vài thao tác đơn giản. Sau đó POST sẽ đọc bộ nhớ CMOS RAM, trong đó lưu trữ thông tin về dung lượng bộ nhớ và kiểu loại các ổ đĩa dùng trong hệ máy của bạn. Tiếp theo, POST ghi vào rồi đọc ra một số mẫu dữ liệu khác nhau đối với từng byte bộ nhớ (bạn có thể nhìn thấy các byte được đếm trên màn hình). Cuối cùng, POST tiến hành thông tin với từng thiết bị(bạn sẽ nhìn thấy các đèn báo ở bàn phím và ổ đĩa sáng nhấp nháy và máy in được reset chẳng hạn). BIOS sẽ tiếp tục kiểm thử các phần cứng rồi xét qua ổ đĩa A đối với DOS; nếu ổ đĩa A không tìm thấy, nó chuyển qua xem xét ổ đĩa C Các ngắt phần cứng bị vô hiệu CPU tiếp tục khởi động và kiểm tra: 16K RAM đầu tiên Các thiết bị phần cứng được lắp trên máy tính được kiểm kê và so sánh với thông tin cấu hình Màn hình, bộ nhớ, bàn phím, ổ mềm, ổ cứng, các cổng và các thiết bị phần cứng khác được kiểm tra và cấu hình Các IRQ, các địa chỉ vào/ra, và việc gán DMA được thực hiện Xác định một số thiết bị được đặt ở chế độ “ngủ” để tiết kiệm điện BIOS khởi động II. BIOS tìm kiếm và nạp hệ điều hành BIOS khởi động kiểm tra trong thiết lập CMOS để xác định thiết bị khởi động Tìm kiếm Master Boot Record (MBR) có chương trình khởi động và bảng phân vùng Bản ghi khởi động hệ điều hành nạp file chương trình đầu tiên. (Windows NT/2000/XP: Ntldr.Windows 9x: Io.sys) Chương trình nạp hệ điều hành bắt đầu quá trình nạp hệ điều hành vào bộ nhớ BIOS tìm kiếm và nạp hệ điều hành Quá trình đọc file Boot Record Rãnh đầu tiên (rãnh 0) trên các đĩa loại tương thích với IBM PC. Sau khi bật mở máy, phần mềm khởi động trong ROM sẽ ra lệnh cho máy tính đọc khối dữ liệu đầu tiên trên rãnh này và nạp vào máy bất kỳ chương trình nào tìm thấy ở đây. Nếu máy đọc một đĩa hệ thống thì chương trình trong bảng ghi khởi động sẽ hướng máy tính vào thư mục gốc để nạp MS-DOS vào máy Hệ điều hành cấu hình hệ thống và hoàn thành việc nạp bản thân nó Nạp các phần mềm ứng dụng và thực thi