Thảo luận Bài 2

Vai Trò Của Ổ Đĩa Cứng Hiện Nay.
Như chúng ta đã biết, Ổ đĩa cứng hay còn gọi là Ổ cứng (HDD) là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ tính.
Là loại bộ nhớ "không thay đổi" (non-volatile), có nghĩa là chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng.
Là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống bởi chúng chứa dữ liệu thành quả của một quá trình làm việc của những người sử dụng máy tính. Những sự hư hỏng của các thiết bị khác trong hệ thống máy tính có thể sửa chữa hoặc thay thế được, nhưng dữ liệu bị mất do yếu tố hư hỏng phần cứng của ổ đĩa cứng thường rất khó lấy lại được.
Ổ cứng được sử dụng chủ yếu trên các máy tính như: máy tính cá nhân, máy tính xách tay, máy chủ, máy trạm…
Với các thiết bị lưu trữ dữ liệu chuyên dụng như: các thiết bị sao lưu dữ liệu tự động hoặc các thiết bị sao lưu dữ liệu dùng cho văn phòng/cá nhân bán trên thị trường hiện nay đều sử dụng các ổ cứng. Khi ổ cứng có dung lượng ngày càng lớn, chi phí tính theo mỗi GB dữ liệu rẻ đi khiến chúng hoàn toàn có thể thay thế các hệ thống sao lưu dữ liệu dự phòng trước đây như: băng từ (mà ưu điểm nổi bật của chúng là chi phí cho mỗi GB thấp).
Ngày nay, một số hãng sản xuất ổ đĩa cứng đã có thể chế tạo các đĩa cứng rất nhỏ. Các ổ đĩa cứng nhỏ này có thể được sử dụng thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân, thiết bị cầm tay, điện thoại di động, máy ảnh số, máy nghe nhạc cá nhân, tai nghe không dây, máy quay phim kỹ thuật số (thay cho băng từ và đĩa quang với ưu thế về tốc độ ghi và sự soạn thảo hiệu ứng tức thời)...
Những thiết bị gia dụng mới xuất hiện đáp ứng nhu cầu của con người cũng được sử dụng các ổ đĩa cứng như: Thiết bị ghi lại các chương trình ti vi cho phép người sử dụng không bỏ sót một kênh yêu thích nào bởi chúng ghi lại một kênh thứ hai trong khi người sử dụng xem kênh thứ nhất, hoặc đặt lịch trình ghi lại khi vắng nhà.

Phân tích Hai chế độ vận hành của máy tính.

1.Hệ điều hành hiện đại dùng cơ chế Dual-Mode để duy trì 2 chế độ là User Mode và Monitor Mode (còn gọi là Supervisor Mode, System Mode hoặc Privileged Mode) để bảo vệ hệ thống và các tiến trình đang vận hành.

2. Một Mode Bit được đưa vào phần cứng của máy để chỉ báo chế độ làm việc hiện hành: 0 - Monitor Mode, 1 - User Mode.

3. Khi xảy ra ngắt, phần cứng chuyển từ User Mode sang Monitor Mode bằng cách đặt Mode Bit thành 0.

4. Hệ điều hành đặt Mode Bit bằng 1 trước khi trả điều khiển về tiến trình người dùng.

5. Một số lệnh máy chỉ thực hiện được trong Monitor Mode (Các lệnh ưu tiên).

6. Tiến trình người dùng có thể gián tiếp thực hiện các lệnh ưu tiên qua Lời gọi hệ thống (System Call).

7. MS-DOS không có Dual-Mode.
8. Bộ xử lý Pentium hỗ trợ Mode bit, do đó các HĐH Windows 2000/XP/2003/Vista và OS/2 tận dụng được tính năng này để bảo vệ máy tính tốt hơn.

Trong kiến trúc máy tính, một thanh ghi là một bộ nhớ dung lượng nhỏ và rất nhanh được sử dụng để tăng tốc độ xử lý của các chương trình máy tính bằng cách cung cấp các truy cập trực tiếp đến các giá trị cần dùng. Hầu hết, nhưng không phải tất cả, các máy tính hiện đại hoạt động theo nguyên lý chuyển dữ liệu từ bộ nhớ chính vào các thanh ghi, tính toán trên chúng, sau đó chuyển kết quả vào bộ nhớ chính.
Các thanh ghi xử lý là phần đầu tiên của phân cấp bộ nhớ, và cung cấp nhanh nhất vào hệ thống để xử lý dữ liệu. Thuật ngữ này thường được dùng để nói đến một tập các thanh ghi có thể được chỉ trực tiếp cho việc nhập hay xuất các câu lệnh. Chúng được gọi là " kiến trúc thanh ghi".
Để tiến trình người dùng không can thiệp được vào vùng nhớ của HĐH và của các tiến trình khác, thường sử dụng 2 thanh ghi: Thanh ghi Cơ sở (Base Register) và Thanh ghi Giới hạn (Limit Register).
Chỉ có HĐH mới có thể sửa được nội dung 2 thanh ghi này.

* Các đặc trưng của hệ thống bộ nhớ

             Các đặc trưng chính của hệ thống bộ nhớ máy tính bao gồm:
           . Vị trí
           . Dung lượng
           . Đơn vị truyền
           . Phương thức truy cập
           . Hiệu suất
           . Kiểu vật lý
           . Đặc tính vật lý
           . Cách tổ chức

Các mục tiếp sau sẽ trình bày một cách chi tiết về ý nghĩa và tầm quan trọng của từng đặc trưng nói trên.

- Vị trí
 Bộ nhớ máy tính bao gồm cả hai loại bộ nhớ trong và ngoài. Bộ nhớ trong của máy tính thường được đề cập đến
như bộ nhớ chính. Bộ nhớ ngoài của máy tính gồm các thiết bị lưu trữ ngoại vi, như đĩa và băng từ, vốn có thể truy cập được đối với CPU thông qua các bộ điều khiển nhập/xuất.

- Dung lượng
 Với bộ nhớ trong, dung lượng thường được biểu diễn dưới dạng byte. (1 byte = 8 bit) hay word. Các độ dài word phổ biến là 8, 16, và 32 bit. Bộ nhớ ngoài có dung lượng được biểu thị theo byte.

-  Đơn vị truyền
  Với bộ nhớ trong, đơn vị truyền bằng với số đường dữ liệu vào/ra khỏi module bộ nhớ. Giá trị này thường bằng với độ dài của một word, nhưng cũng có thể không. Để hiểu rõ hơn khái niệm này, chúng ta hãy xem xét ba khái niệm có liên quan đến bộ nhớ trong:
          + Word:
          Đơn vị tự nhiên của tổ chức máy tính. Kích thước của một word thường bằng với số bit được sử dụng để biểu diễn một số hay độ dài của chỉ thị. Tuy nhiên có rất nhiều ngoại lệ. Lấy ví dụ, máy CRAY-1 có độ dài word 64 bit trong khi có biểu diễn số nguyên 24 bit. Máy VAX có nhiều loại độ dài chỉ thị dưới dạng bội số của byte, và có kích thước word 32 bit.
          + Các đơn vị khả định địa chỉ: Trong nhiều hệ thống, đơn vị khả định địa chỉ là word. Mặc dù vậy, có một số hệ thống cho phép định địa chỉ ở mức byte. Trong mọi trường hợp, mối quan hệ giữa độ dài A của một địa chỉ và số N các đơn vị khả định địa chỉ là 2A = N.
          + Đơn vị truyền: Đối với bộ nhớ chính, đây là số bit đọc/ghi vào bộ nhớ tại một thời điểm. Đơn vị truyền không nhất thiết bằng một word hay một đơn vị khả định địa chỉ. Với bộ nhớ ngoài, dữ liệu thường được truyền theo những đơn vị lớn hơn nhiều so với word và được gọi là khối.

- Phương thức truy cập
    Đây là một trong những yếu tố rõ nhất giúp phân biệt các kiểu bộ nhớ. Có bốn loại phương thức truy cập:
   Truy cập tuần tự: Bộ nhớ được tổ chức thành các đơn vị dữ liệu gọi là bản ghi. Việc truy cập phải được thực hiện theo một dãy tuyến tính cụ thể. Thông tin địa chỉ được lưu trữ được dùng để phân tách các bản ghi và hỗ trợ quá trình tìm kiếm lấy thông tin. Một bộ phận đọc/ghi dùng chung được sử dụng. Bộ phận này phải được di chuyển từ vị trí hiện thời của nó đến vị trí được yêu cầu, quét qua và từ chối các bản ghi trung gian. Do đó, thời gian để truy cập một bản ghi tùy ý biến đổi khá cao. Các đơn vị băng từ, được thảo luận trong chương 5, là các đơn vị có dạng truy cập tuần tự.

 Truy cập trực tiếp: Cũng như với truy cập tuần tự, truy cập trực tiếp bao gồm việc dùng chung một bộ phận đọc/ghi. Tuy nhiên, các khối hay bản ghi riêng lẻ có một địa chỉ duy nhất dựa trên vị trí vật lý. Việc truy cập được thực hiện thông qua truy cập trực tiếp cộng với tìm kiếm tuần tự, đếm, hay chờ để đến được vị trí cuối cùng. Một lần nữa, thời gian truy cập là biến đổi. Các đơn vị đĩa được trình bày trong chương 5 là các đơn vị truy cập trực tiếp.

 Truy cập ngẫu nhiên: Mỗi vị trí khả định địa chỉ trong bộ nhớ có motä cơ chế định địa chỉ vật lý duy nhất. Thời gian truy cập một vị trí cho trước độc lập với dãy các truy cập trước đó và không thay đổi. Do đó, bất kỳ một vị trí nào cũng có thể được chọn ngẫu nhiên và được định địa chỉ cũng như truy cập trực tiếp. Các hệ thống bộ nhớ chính được truy cập ngẫu nhiên.

 Liên kết: Đây là kiểu truy cập ngẫu nhiên bộ nhớ cho phép thực hiện việc so sánh các vị trí bit có yêu cầu trong một word phục vụ cho việc đối sánh đặc biệt nào đó, và có thể thực hiện thao tác này cùng một lúc cho tất cả các word. Do đó một word được trích ra dựa trên một phần nội dung của nó chứ không phải dựa trên địa chỉ. Tương tự như với phương thức truy cập ngẫu nhiên thông thường, mỗi vị trí nhớ có cơ chế định địa chỉ riêng, và thời gian lấy thông tin không đổi, độc lập với vị trí hoặc khuôn dạng truy cập trước đó. Bộ nhớ cache, được đề cập đến trong mục 4.3 có thể tận dụng cách truy cập liên kết này.

 Hiệu suất

Đứng trên quan điểm người sử dụng, hai đặc trưng quan trọng nhất của bộ nhớ là dung lượng và hiệu suất vận hành. Có ba tham số hiệu suất được sử dụng
Thời gian truy cập: Đối với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, đây là thời gian cần thiết để thực hiện một thao tác đọc hay ghi, tức là thời gian từ lúc một địa chỉ có mặt trong bộ nhớ cho đến lúc dữ liệu được lưu trữ xong hoặc đã sẵn sàng để sử dụng. Với bộ nhớ truy cập không ngẫu nhiên, thời gian truy cập là thời gian cần để định vị bộ phận đọc/ghi tại vị trí được yêu cầu.

 Thời gian chu kỳ bộ nhớ: Khái niệm này chủ yếu được áp dụng cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên và bao gồm thời gian truy cập cộng với bất kỳ thời gian phụ thêm nào được yêu cầu trước khi truy cập thứ hai có thể được thực hiện. Phần thời gian phụ thêm này có thể được yêu cầu nhằm phát sinh dữ liệu nếu chúng được đọc một cách không loại trừ.

 Tốc độ truyền: Đây là tốc độ truyền dữ liệu vào/ra một đơn vị bộ nhớ. Với bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, giá trị này bằng 1/(Thời gian Chu kỳ). Với bộ nhớ truy cập không ngẫu nhiên, quan hệ sau đây được duy trì:

TN = TA + N/R

Trong đó:

TN = thời gian trung bình để đọc/ghi N bit

TA = thời gian truy cập trung bình

N = số các bit

R = tốc độ truyền, theo đơn vị bit/giây (bps)



Kiểu vật lý

Hiện nay có hai kiểu vật lý phổ biến nhất là bộ nhớ bán dẫn, sử dụng công nghệ LSI hay VLSI, và bộ nhớ với bề mặt từ hóa, được dùng cho đĩa và băng từ.

 Đặc tính vật lý

Nhiều đặc tính vật lý của sự lưu trữ dữ liệu là rất quan trọng. Trong một bộ nhớ khả biến, thông tin phân rã một cách tự nhiên hoặc bị mất đi khi nguồn điện bị tắt. Trong một bộ nhớ bất biến, thông tin một khi đã được ghi sẽ được lưu giữ mà không bị thoái hóa. Các bộ nhớ có bề mặt từ hóa thuộc loại bất biến. Bộ nhớ bán dẫn có thể khả biến hoặc bất biến. Bộ nhớ không thể xóa thì không thể thay đổi được, ngoại trừ việc phá hủy đơn vị lưu trữ. Bộ nhớ bán dẫn kiểu này được biết đến với tên gọi bộ nhớ chỉ đọc (ROM).

Cách tổ chức

Ở đây là cách sắp xếp vật lý các bit để tạo thành các word. Cách sắp xếp hiển nhiên không phải lúc nào cũng được sử dụng, như sẽ được đề cập đến ở phần tiếp theo.



 Sự phân cấp bộ nhớ

Một sự phân cấp bộ nhớ kiểu mẫu được chỉ ra trên hình 4.1. Khi chúng ta đi từ trên xuống trong sơ đồ phân cấp này, những sự kiện sau sẽ xảy ra:

Giảm phí tổn cho một bit

Tăng dung lượng

Tăng thời gian truy cập

 Giảm tần số truy cập bộ nhớ bởi CPU

Do vậy bộ nhớ nhỏ hơn, nhanh hơn, đắt tiền hơn được phụ trợ bởi bộ nhớ lớn hơn, chậm hơn, rẻ hơn. Chìa khóa cho sự thành công trong cách tổ chức này là yếu tố cuối cùng, tức là giảm thiểu tần số truy cập.

Nếu bộ nhớ được tổ chức theo các mục từ (a) đến (c) ở trên, và dữ liệu cùng với chỉ thị có thể được phân phối qua bộ nhớ theo (d), thì một cách trực quan cho thấy sơ đồ này sẽ làm giảm phí tổn toàn thể trong khi vẫn duy trì một mức độ hiệu suất cho trước.

Nếu bạn từng đi tìm mua máy tính tại các cửa hàng thì có lẽ đã nghe đến từ “cache” hay bộ nhớ cache. Các máy tính hiện đại có cả cache cấp 1 (L1) và cấp 2 (L2). Vậy cache là gì?

Đây là một khái niệm quan trọng trong ngành khoa học máy tính, được thể hiện trên mọi máy tính dưới rất nhiều dạng khác nhau. Có cache bộ nhớ, cache đĩa phần cứng và phần mềm, cache trang và nhiều loại khác. Thậm chí, bộ nhớ ảo cũng là một dạng cache.

Một ví dụ đơn giản

Cache là một công nghệ được xây dựng dựa trên một hệ thống phụ của bộ nhớ trong máy tính. Mục đích chính của cache là nhằm tăng tốc độ máy tính trong khi vẫn giữ mức giá máy thấp. Cache cho phép bạn thực hiện các tác vụ máy tính nhanh hơn.

Để hiểu được những ý tưởng căn bản đằng sau hệ thống cache, chúng ta hãy bắt đầu với một ví dụ rất đơn giản để minh họa cho khái niệm này. Hãy tưởng tượng người thủ thư đang ngồi sau bàn của mình. Cô ta có mặt tại đây để giao sách mà sinh viên yêu cầu. Để cho tiện lợi, đặt trường hợp bạn không thể tự mình lấy sách, phải yêu cầu người thủ thư. Cô ta sẽ đi lấy những cuốn sách bạn cần từ vô số kệ sách. Trước tiên hãy bắt đầu với một thủ thư không có cache.

Người đọc đầu tiên tới. Anh ta yêu cầu cuốn sách Vietnam - past and future. Thủ thư vào kho và lấy sách, quay trở lại và trao nó cho người mượn. Sau đó, người mượn sẽ quay lại trả sách. Thủ thư đem sách để về vị trí cũ. Một người khác khác cũng hỏi mượn cuốn Vietnam - past and future. Khi đó, thủ thư phải quay lại chỗ trước đó để lấy sách. Theo mô hình này, cô thủ thư phải thực hiện một chuyến đi hoàn chỉnh để lấy mọi cuốn sách - thậm chí cả những cuốn phổ biến thường xuyên có người hỏi mượn. Có cách nào để tăng hiệu quả hoạt động của người này?

Có một cách: Chúng ta có thể đặt một cache cho người thủ thư. Hãy cho cô ta một chiếc ba lô có thể chứa 10 cuốn sách (theo thuật ngữ máy tính thì người này giờ đây đã có cache 10 cuốn sách). Trong ba lô này, cô ta sẽ đặt các cuốn sách mà khách hàng trả, tối đa là 10.

Ngày mới bắt đầu. Ba lô của thủ thư trống rỗng. Người đọc đầu tiên tới và yêu cầu Vietnam - past and future. Thủ thư sẽ phải đi vào kho để lấy sách. Và chu trình lặp lại như trên, nhưng thay vì để sách trở lại giá, người thủ thư bỏ nó vào ba lô (trước tiên phải kiểm tra xem ba lô đã đầy chưa). Người khách khác tới và hỏi Vietnam - past and future. Trước khi đi vào kho, người thủ thư kiểm tra tên đó có trong ba lô của mình, và tìm thấy nó. Tất cả những gì cần làm là lấy cuốn sách trong ba lô và trao cho khách hàng. Cách phục vụ này hoàn toàn hiệu quả.

Điều gì sẽ xảy ra nếu cuốn sách khách hàng yêu cầu không nằm trong cache (ba lô)? Trong trường hợp này, người thủ thư không có cache sẽ làm việc kém hiệu quả hơn khi có cache, bởi vì khoảng thời gian lấy sách được rút ngắn rất nhiều. Một trong những thách thức của thiết kế cache là giảm tối thiểu những tác vụ khi tìm kiếm trong cache, và phần cứng hiện đại đã giảm thời gian trì hoãn gần như bằng 0.

Từ ví dụ này, bạn có thể thấy một số yếu tố quan trọng về cache. Công nghệ cache là sử dụng loại bộ nhớ nhỏ nhưng nhanh để tăng tốc độ loại bộ nhớ lớn nhưng chậm. Có thể có nhiều lớp cache. Với ví dụ về người thủ thư, loại bộ nhớ nhỏ nhưng nhanh là chiếc ba lô, và kho sách là đại diện cho loại bộ nhớ lớn và chậm. Đây là cache cấp 1. Có thể có một lớp cache khác bao gồm một giá sách có thể để 100 cuốn sách đặt gần thủ thư. Khi đó, thủ thư có thể trước tiên kiểm tra ba lô, sau đó giá sách rồi mới đến kho. Đây là cache cấp 2.

Trong máy tính, Internet là hình thức kết nối chậm nhất. Vì thế, các trình duyệt Internet như Internet Explorer, Netscape hay Opera sử dụng ổ cứng để lưu các trang HTML, đặt chúng vào một thư mục đặc biệt trên ổ cứng. Lần đầu tiên bạn yêu cầu mở một trang HTML, trình duyệt sẽ thực hiện lệnh và tự copy một bản đó vào trong đĩa. Lần sau, khi bạn muốn đến trang đó, trình duyệt sẽ kiểm tra ngày của file đó so với bản trên Internet. Nếu ngày giống nhau, trình duyệt sẽ lấy dữ liệu lưu trong ổ cứng thay vì tải nó từ Internet. Trong trường hợp này, hệ thống bộ nhớ nhanh nhưng nhỏ là ổ cứng và chậm nhưng lớn là Internet.

Cache có thể được gắn trực tiếp trên các thiết bị ngoại vi. Các đĩa cứng hiện đại được gắn bộ nhớ truy cập nhanh, khoảng 512 KB. Máy tính không trực tiếp sử dụng bộ nhớ này mà là chương trình điều khiển ổ cứng. Đối với máy tính, các chip có bộ nhớ này được coi là đĩa. Khi máy tính yêu cầu dữ liệu từ ổ cứng, chương trình quản lý đĩa sẽ kiểm tra bộ nhớ đó trước khi di chuyển các bộ phận cơ khí của đĩa cứng (tốc độ rất chậm so với bộ nhớ). Nếu nó tìm thấy dữ liệu mà máy tính yêu cầu trong cache, nó sẽ cung cấp thông tin đó mặc dù không thực sự truy cập vào ổ đĩa, tiết kiệm rất nhiều thời gian.

- Synchronous I/O: Sau khi phát ra lệnh Nhập/Xuất, tiến trình chuyển sang trạng thái chờ đến
khi Nhập/Xuất hoàn tất rồi mới chạy tiếp (thực hiện lệnh kế tiếp)
Ví dụ: Khi ta tạo mới một tài liệu nhập dữ liệu từ bàn phím, khi muốn lưu lại ta phải chọn Save, sau đó đặt tên file, và chọn nơi lưu trữ. Các tiến trình đó ở trạng thái chờ tiến trình trước nhập
xuất hoàn tất đã.

- ASynchronous I/O: Sau khi phát ra lệnh Nhập/Xuất, tiến trình không chờ Nhập/Xuất hoàn
tất mà thực hiện ngay lệnh kế tiếp. Như vậy, tiến trình vận hành song song với công việc Nhập/Xuất.
Ví dụ: Khi ta nhập dữ liệu mới hoặc thêm vào tài liệu đã có, khi ta muốn lưu thì ta chọn Save và lúc này tiến trình vận hành song song với việc phát ra lệnh từ Save.

§ Hai loại ngắt chính:

o Tín hiệu ngắt (Interrupt Signal) từ các thiết bị (Ngắt cứng) truyền qua System Bus.

o Tín hiệu ngắt từ chương trình người dùng (Ngắt mềm) nhờ Lời gọi hệ thống (System Call hay Monitor Call). Lệnh đặc biệt này (ví dụ có tên INT hoặc SysCall) là cơ chế để tiến trình người dùng yêu cầu một dịch vụ của HĐH (ví dụ, yêu cầu thực hiện lệnh I/O).

§ Với mỗi loại ngắt, có đoạn mã riêng của HĐH dùng để xử lý.

§ Các HĐH hiện đại được dẫn dắt bởi các sự kiện. Nếu không có tiến trình nào vận hành, không có thiết bị I/O nào làm việc, HĐH im lặng chờ và theo dõi.

§ Thông thường, mỗi loại ngắt tương ứng với 1 dòng trong bảng (Véc-tơ ngắt) chứa con trỏ (Pointer) tới chương trình xử lý loại ngắt đó. Bảng này nằm ở vùng thấp của RAM (ví dụ: 100 bytes đầu tiên).

§ Cơ chế xử lý ngắt phải có trách nhiệm ghi lại địa chỉ lệnh bị ngắt để sau đó có thể quay lại. Địa chỉ này cùng với nhiều thông tin khác có thể được ghi vào Ngăn xếp hệ thống (System Stack) với nguyên tắc làm việc LIFO ( Last-In, First-Out ).

Bộ nhớ RAM là bộ nhớ không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống
máy tính nào, CPU chỉ có thể làm việc được với dữ liệu trên
RAM vì chúng có tốc độ truy cập nhanh, toàn bộ dữ liệu hiển
thị trên màn hình cũng được truy xuất từ RAM .
Khi ta khởi động máy tính để bắt đầu một phiên làm việc mới,
hệ điều hành cùng với các trình điều khiển phần cứng được nạp
lên bộ nhớ RAM .
Khi ta chạy một chương trình ứng dụng : Thí dụ Photo Shop thì
công cụ của chương trình này cũng được nạp lên bộ nhớ RAM
=> Tóm lại khi ta chạy bất kể một chương trình nào, thì công
cụ của chương trình đó đều được nạp lên RAM trước khi có thể
sử dụng được chúng.
Với một hệ thống để chạy đúng tốc độ thì khoảng chống của
RAM phải còn khoảng 30% trở lên, nếu ta sử dụng hết khoảng
trống của Ram thì máy sẽ chạy chậm hoặc b ịtreo .

-Cấu tạo:
Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh: Hard Disk Drive, viết tắt: HDD) là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ tính.
Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đổi" (non-volatile), có nghĩa là chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng.
Ổ đĩa cứng là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống bởi chúng chứa dữ liệu thành quả của một quá trình làm việc của những người sử dụng máy tính. Những sự hư hỏng của các thiết bị khác trong hệ thống máy tính có thể sửa chữa hoặc thay thế được, nhưng dữ liệu bị mất do yếu tố hư hỏng phần cứng của ổ đĩa cứng thường rất khó lấy lại được.
Ổ đĩa cứng là một khối duy nhất, các đĩa cứng được lắp ráp cố định trong ổ ngay từ khi sản xuất nên không thể thay thế được các "đĩa cứng" như với cách hiểu như đối với ổ đĩa mềm hoặc ổ đĩa quang.

-Nguyên lý hoạt động:
Dữ liệu sẽ được lưu trên những đĩa từ, khi cần truy xuất dữ liệu thì mạch điều khiển sẽ điều khiển cần đọc/ghi di chuyển trên bề mặt đĩa. Đầu đọc/ghi sẽ tiếp nhận những thông tin trên bề mặt đĩa và truyền thông tin đến bộ xử lý nằm trên bản mạch của HDD.

-Ngắt (interrupt) là quá trình dừng chương trình chính đang chạy để ưu tiên thực hiện
một chương trình khác, chương trình này được gọi là chương trình phục vụ ngắt (ISR –
Interrupt Service Routine).

-Trong các quá trình ngắt, ta phân biệt thành 2 loại: ngắt cứng và ngắt mềm
Ngắt mềm là ngắt được gọi bằng một lệnh trong chương trình ngôn ngữ máy
Khác với ngắt mềm, ngắt cứng không được khởi động bên trong máy tính mà do các
linh kiện điện tử tác đông lên hệ thống

-hoạt động: Khi thực hiện lệnh gọi ngắt, CPU sẽ tìm kiếm trong bảng vector ngắt địa chỉ của chương trình phục vụ ngắt. Người sử dụng cũng có thể xây dựng môt chương trình cơ sở như các chương trình xử lý ngắt. Sau đó, các chương trình khác có thể gọi ngắt ra để sử dụng. Một chương trình có thể gọi chương trình con loại này mà không cần
biết địa chỉ của nó.

-RAM (viết tắt từ Random Access Memory trong tiếng Anh) là một loại bộ nhớ chính của máy tính. RAM được gọi là bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên vì nó có đặc tính: thời gian thực hiện thao tác đọc hoặc ghi đối với mỗi ô nhớ là như nhau, cho dù đang ở bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ. Mỗi ô nhớ của RAM đều có một địa chỉ. Thông thường, mỗi ô nhớ là một byte (8 bit); tuy nhiên hệ thống lại có thể đọc ra hay ghi vào nhiều byte (2, 4, 8 byte).

-RAM khác biệt với các thiết bị bộ nhớ tuần tự (sequential memory device) chẳng hạn như các băng từ, đĩa; mà các loại thiết bị này bắt buộc máy tính phải di chuyển cơ học một cách tuần tự để truy cập dữ liệu.

-Bởi vì các chip RAM có thể đọc hay ghi dữ liệu nên thuật ngữ RAM cũng được hiểu như là một bộ nhớ đọc-ghi (read/write memory), trái ngược với bộ nhớ chỉ đọc ROM (read-only memory).

-RAM thông thường được sử dụng cho bộ nhớ chính (main memory) trong máy tính để lưu trữ các thông tin thay đổi, và các thông tin được sử dụng hiện hành. Cũng có những thiết bị sử dụng một vài loại RAM như là một thiết bị lưu trữ thứ cấp (secondary storage).
Thông tin lưu trên RAM chỉ là tạm thời, chúng sẽ mất đi khi mất nguồn điện cung cấp.

Ngắt (interrupt) là quá trình dừng chương trình chính đang chạy để ưu tiên thực hiện một chương trình khác, chương trình này được gọi là chương trình phục vụ ngắt (ISR –Interrupt Service Routine).

        Trong các quá trình ngắt, ta phân biệt thành 2 loại: ngắt cứng và ngắt mềm
                 - Ngắt mềm là ngắt được gọi bằng một lệnh trong chương trình ngôn ngữ máy
                 - Ngắt cứng không được khởi động bên trong máy tính mà do cáclinh kiện điện tử tác đông lên hệ thống .

       Hoạt động: Khi thực hiện lệnh gọi ngắt, CPU sẽ tìm kiếm trong bảng vector ngắt địa chỉ của chương trình phục vụ ngắt. Người sử dụng cũng có thể xây dựng môt chương trình cơ sở như các chương trình xử lý ngắt. Sau đó, các chương trình khác có thể gọi ngắt ra để sử dụng. Một chương trình có thể gọi chương trình con loại này mà không cần biết địa chỉ của nó.

Câu 1: Nguyên lý ngắt của hệ điều hành, phân biệt ngắt cứng và ngắt mềm. Khái niệm lời gọi hệ thống ?
* Ngắt (interrupt) là quá trình dừng chương trình chính đang chạy để ưu tiên thực hiện
một chương trình khác, chương trình này được gọi là chương trình phục vụ ngắt (ISR –
Interrupt Service Routine). ISR hoàn toàn giống với một chương trình bình thường trên máy
tính, nghĩa là nó có khả năng truy xuất đến tất cả các lệnh ngôn ngữ máy của μP. Tuy nhiên
cuối ISR sẽ kết thúc bằng lệnh IRET (Interrupt Return) để μP tiếp tục thực hiện lệnh đã kết
thúc trước đây.
Các nguyên nhân dẫn đến ngắt là:
- Bản thân chương trình đang thực hiện bị lỗi, ví dụ như: chia cho 0, …
- Do tác động của thiết bị ngoại vi, ví dụ như: thực hiện lệnh in nhưng máy in lỗi,
ghi dữ liệu vào đĩa nhưng không có đĩa, …
- Do lập trình viên chủ động gọi các ngắt có sẵn.
Một cách đơn giản, chúng ta có thể xem ngắt như là quá trình gọi chương trình con
nhưng các chương trình con này được tạo ra sẵn trong máy tính và quá trình gọi này có thể
xảy ra tại thời điểm không xác định trước
* Ngắt cứng và ngắt mềm :
- Ngắt cứng :là tín hiệu ngắt được truyền từ thiết bị phần cứng của hệ thống. Ngắt cứng cũng được chia thành 2 loại: ngắt che được và ngắt không che được. Ngắt che được là ngắt có thể cho phép hay không cho phép thực thi bằng phần mềm thông qua cờ ngắt IF Interrupt Flag): lệnh CLI (Clear Interrupt Flag) sẽ cấm ngắt và lệnh STI (Set Interrupt Flag) sẽ cho phép các ngắt này hoạt động.
- Ngắt mềm: là ngắt được gọi bằng một lệnh trong chương trình ngôn ngữ máy. Ngắt mềm được
thục hiện trên hợp ngữ thông qua lệnh INT
* Ngắt chuyển điều khiển đến 1 chương trình con xử lý ngắt thông qua vectơ ngắt (là vectơ chứa địa chỉ của các chương trình con xử lý ngắt).
* Lời gọi hệ thống(System Call) : cung cấp 1 giao tiếp giữa tiến trình và hệ điều hành. Lời gọi này cũng như 1 lệnh hợp ngữ . Một số hệ thống cho phép lời gọi hệ thống được thực hiện từ các cấp lập trình bậc cao như các hàm và lời gọi hàm nó có thể phát sinh lời gọi từ các thủ tục hay gọi trực tiếp trong dòng.

* Nguyên lý : Khi thực hiện lệnh gọi ngắt, CPU sẽ tìm kiếm trong bảng vector ngắt địa chỉ của chương trình phục vụ ngắt. Người sử dụng cũng có thể xây dựng môt chương trình cơ sở như các chương trình xử lý ngắt. Sau đó, các chương trình khác có thể gọi ngắt ra để sử dụng. Một chương trình có thể gọi chương trình con loại này mà không cần biết địa chỉ của nó.
Câu 2: Trình bày tuyến thời gian, công việc của 1 tiến trình có 3 yêu cầu nhập xuất tới thiết bị ngoài


Trình bày:

• Tại thời điểm T1 có 1 yều cầu nhập xuất được gửi tới, CPU sẽ đáp ứng yêu cầu đó, đến thời điểm T2 thì yêu cầu được truyền xong khi đó CPU được nghỉ 1 khoảng thời gian ngắn, sau đó thì tiếp tục hoạt động.


• Tới thời điểm T3 lại có 1 yêu cầu nhập xuất được gửi tới, đến thời điểm T4 thì yêu cầu kết thúc khi đó CPU lại được nghỉ 1 khoảng thời gian ngắn, sau đó tiếp tục chạy.


• Tới thời điểm T5 có yêu cầu nhập xuất tới, đến thời điểm T6 thì yêu cầu kết thúc, CPU lại được nghỉ 1 khoảng thời gian rồi tiếp tục chạy để chời yêu cầu nhập xuất tới để đáp ứng.
Câu 3: Trình bày và phân biệt hai phương thức I/O với thiết bị ngoại vi: I/O đồng bộ ( Synchronous) và I/O không đồng bộ (Asynchronous) và nêu ví dụ minh họa ?
- Synchronous I/O: Sau khi phát ra lệnh Nhập/Xuất, tiến trình chuyển sang trạng thái chờ đến
khi Nhập/Xuất hoàn tất rồi mới chạy tiếp (thực hiện lệnh kế tiếp)
Ví dụ: Khi ta tạo mới một tài liệu nhập dữ liệu từ bàn phím, khi muốn lưu lại ta phải chọn Save, sau đó đặt tên file, và chọn nơi lưu trữ. Các tiến trình đó ở trạng thái chờ tiến trình trước nhập
xuất hoàn tất đã.

- ASynchronous I/O: Sau khi phát ra lệnh Nhập/Xuất, tiến trình không chờ Nhập/Xuất hoàn
tất mà thực hiện ngay lệnh kế tiếp. Như vậy, tiến trình vận hành song song với công việc Nhập/Xuất.
Ví dụ: Khi ta nhập dữ liệu mới hoặc thêm vào tài liệu đã có, khi ta muốn lưu thì ta chọn Save và lúc này tiến trình vận hành song song với việc phát ra lệnh từ Save.
Câu 4 : Nguyên tắc lưu gần (caching) và hệ thống phân cấp các loại bộ nhớ khác nhau
- Cache là bộ nhớ đệm của CPU, cache nằm trong CPU ngay cạnh lõi xử lý. CPU muốn đọc hay ghi một vị trí trên Ram thì trước hết nó sẽ tìm trong L1 cache xem có sẵn dữ liệu đó không nếu không nó sẽ tìm trong các bộ nhớ cache còn lại. Cache giúp giảm tình trạng thắt nút cổ chai giữa ram và cpu.
- Cache memory Là loại memory có dung lượng rất nhỏ (thường nhỏ hơn 1MB) và chạy rất lẹ (gần như tốc độ của CPU). Thông thường thì Cache memory nằm gần CPU và có nhiệm vụ cung cấp những data thường (đang) dùng cho CPU. Sự hình thành của Cache là một cách nâng cao hiệu quả truy cập thông tin của máy tính mà thôi. Những thông tin bạn thường dùng (hoặc đang dùng) thường được chứa trong Cache, mỗi khi xử lý hay thay đổi thông tin, CPU sẽ dò trong Cache memory trước xem có tồn tại hay không, nếu có nó sẽ lấy ra dùng lại còn không thì sẽ tìm tiếp vào RAM hoặc các bộ phận khác.
Ví dụ: nếu mở Microsoft Word lên lần đầu tiên sẽ thấy hơi lâu nhưng mở lên lần thứ nhì thì lẹ hơn rất nhiều vì trong lần mở thứ nhất các lệnh (instructions) để mở Microsoft Word đã được lưu giữ trong Cache, CPU chỉ việc tìm nó và xài lại thôi.

Lý do Cache memory nhỏ là vì nó rất đắt tiền và chế tạo rất khó khăn bởi nó gần như là CPU (về cấu thành và tốc độ). Thông thường Cache memory nằm gần CPU, trong nhiều trường hợp Cache memory nằm trong con CPU luôn. Người ta gọi Cache Level 1 (L1), Cache level 2 (L2)...là do vị trí của nó gần hay xa CPU. Cache L1 gần CPU nhất, sau đó là Cache L2...
=>cache rất gần với CPU, tốc độ truy xuất rất nhanh ( nhanh hơn RAM rất nhiều) => Dỡ tốn công và thời gian truy xuất, Sẽ tăng được tốc độ truy xuất của CPU rất nhiều, thường thì CPU sẽ vào cache tìm và truy xuất nếu có trước khi vào ram và bộ nhớ ngoài truy xuất.

+Mục đích của nguyên tắc Caching
-Là nguyên tắc quan trọng của hệ thống máy tính.
-Thông tin từ RAM có thể được cơ chế phần cứng đưa vào bộ nhớ nhanh hơn gọi là Cache. Khi CPU cần chính thông tin đó, không cần phải truy xuất RAM, mà lấy ngay từ Cache.
-Loại bộ nhớ này không do HĐH quản lý và cấp phát.
-Thực tế, RAM (Bộ nhớ Sơ cấp) là loại Cache nhanh so với đĩa cứng (Bộ nhớ thứ cấp) và HĐH có chức năng quản lý sự lưu chuyển dữ liệu giữa 2 loại bộ nhớ này
Ví dụ minh họa nguyên lý lưu gần từ đời thường :
Giếng nước : nếu ở trên cao nhà khá xa nguồn nước thì người ta thường bơm nước vào bể nước hoặc thùng gần nhà để mỗi khi cần sẽ lại thùng hay bề lấy cho nhanh và tiện, vừa đỡ tốn thời gian...
Câu 5: Trình bày nguyên lý bảo vệ phần cứng bằng 2 chế độ vận hành (Dual-Mode Operation) ?
HĐH hiện đại dùng cơ chế Dual-Mode để duy trì 2 chế độ là User Mode và MonitorMode để bảo vệ hệ thống và các tiến trình đang vận hành.
Mode Bit được đưa vào phần cứng của máy để chỉ báo chế độ làm việc hiện hành:
0-Monitor Mode , 1-User Mode
0-Monitor Mode : chỉ có chương trình HĐH đang vận hành.
1-User Mode: chương trình người dùng đang vận hành.
Khi xảy ra ngắt, phần cu7ng1chuye6n3 từ User Mode sang Monitor Mode bằng cách đặt Mode Bit bằng 0.
Câu 6 : Nguyên lý bảo vệ bộ nhớ chính bằng thanh ghi cơ sở và thanh ghi giớ hạn
- Để tiến trình người dùng không can thiệp được vào vùng nhớ của hệ điều hành và các tiến trình khác, thường sử dụng hai thanh ghi :
. Thanh ghi Cơ sở (Base register): được dùng để lưu trữ địa chỉ ô nhớ hợp lệ nhỏ nhất
. Thanh ghi Giới hạn (Limit register): lưu trữ kích thước của cả ô nhớ.
Ví dụ, nếu thanh ghi base lưu trữ giá trị 300040 và thanh ghi limit lưu trữ giá trị là 120900 thì chương trình sẽ có thể truy cập hợp lệ vào các địa chỉ ô nhớ trong khoảng từ 300040 cho đến 420940.
- Chỉ có HĐH mới có thể sửa được nội dung hai thanh ghi này. Vì thanh ghi base và limit chỉ có thể được nạp bởi hệ điều hành


Câu 7: Trình bày Nguyên lý bảo vệ bộ nhớ chính bằng thanh ghi cơ sở (Base Register) và thanh ghi giới hạn(Limit Register) ?
CPU có chức năng đó là 2 thanh ghi này để bảo vệ bộ nhớ chính.
Chỉ có HĐH mới có thể sửa được nội dung 2 thanh ghi này.
Để tiến trình người dùng không can thiệp được vào vùng nhớ của HĐH và của các tiến trình khác, thường sử dụng 2 thanh ghi này.

Lời gọi hệ thống cung cấp một giao tiếp giữa tiến trình và hệ điều hành. Lời gọi này cũng như các lệnh hợp ngữ.

Một số hệ thống cho phép lời gọi hệ thống được thực hiện từ cấp lập trình ngôn ngữ cấp cao, như các hàm và lời gọi hàm. Nó có thể phát sinh lời gọi từ các thủ tục hay gọi trực tiếp trong dòng.

Để hiểu quá trình hoạt động của lời gọi hệ thống chúng ta cùng khảo sát một chương trình nhỏ dùng để đọc dữ liệu từ một tập tin chép qua tập tin khác. Dữ liệu nhập đầu tiên của của chương trình là tên của hai tập tin : tập tin nhập và tập tin xuất. Tên này được mô tả bằng nhiều cách tùy thuộc vào thiết kế hệ điều hành như : chương trình yêu cầu người sử dụng cho biết tên của hai tập tin, họ cũng có thể cung cấp bằng cách lựa chọn với chuột. Khi có tên của hai tập tin, chương trình mở tập tin nhập và tạo tập tin xuất. Mỗi thao tác này được thực hiện bởi những lời gọi hệ thống khác. Cũng có những trường hợp phát sinh lỗi : Khi chương trình mở tập tin nhập, có thể xảy ra trường hợp không có tập tin có tên như mô tả hoặc tập tin bị cấm truy cập. Trong trường hợp này chương trình phải xuất thông điệp lên màn hình. Nếu tập tin nhập tồn tại, phải tạo tập tin mới. Hệ thống phải kiểm tra tiếp xem đã có tập tin xuất tồn tại không và sẽ có những lời gọi hệ thống tương ứng để giải quyết hoặc là hủy tiến trình, hai là xóa tập tin đã tồn tại và tạo tập tin mới. Sau khi đã thiết lập xong tập tin, hệ thống tiếp tục tạo vòng lặp đọc dữ liệu từ tập tin nhận và ghi lên tập tin xuất. Mỗi bước đều có kiểm tra lỗi. Sau khi chép xong, chương trình sẽ đóng hai tập tin lại (dùng một lời gọi hệ thống khác), xuất thông báo lên màn hình (dùng lời gọi hệ thống) cuối cùng chấm dứt chương trình (lời gọi hệ thống cuối cùng).

Trong các ngôn ngữ lập trình cấp cao, người sử dụng không cần quan tâm đến chi tiết mà chỉ cần thông qua các hàm hay các lệnh để thực hiện.Lời gọi hệ thống có thể diễn ra theo một cách khác. Kiểu và khối lượng thông tin tùy thuộc vào hệ thống và lúc gọi.

Có ba phương pháp được sử dụng để chuyển tham số cho hệ điều hành. Cách đơn giản nhất là chuyển tham số vào thanh ghi. Nếu có nhiều tham số, nó sẽ được lưu trữ trong khối hoặc bảng trong bộ nhớ. Cách cuối cùng là dùng cơ chế stack.

Lời gọi hệ thống có thể được chia thành các loại : kiểm soát tiến trình, thao tác tập tin, thao tác thiết bị, thông tin.

Caching: kỹ thuật làm tăng tốc độ xử lý của hệ thống bằng cách:
- Thực hiện copy thông tin tới thiết bị nhớ nhanh hơn để tăng tốc độ xử lý
của hệ thống.
- Giữ lại các dữ liệu mới được truy nhập trong thiết bị tốc độ cao đó.
- Yêu cầu: dữ liệu phải được lưu trữ đồng bộ trong nhiều mực hệ thống
nhớ để nhất quán.
- Vì dung lượng cach có hạn, yêu cầu có sự quản lý cache để tăng hiệu năng.
Nguyên lý hoạt động:
+ khi 1 chương trình cần truy xuất dữ liệu từ ổ đĩa: đầu tiên bộ nhớ cache được
kiểm tra.
+ nếu có dữ liệu được lấy trực tiếp từ cache.
+ không có dữ liệu đc sao tới cache và đc sử dụng.

Năm 1955
Ổ cứng đầu tiên trên thế giới có là IBM 350 Disk File được chế tạo bởi Reynold Johnson ra mắt năm 1955 cùng máy tính IBM 305. Ổ cứng này có tới 50 tấm đĩa kích thước 24" với tổng dung lượng là 5 triệu kí tự. Một đầu từ được dùng để truy nhập tất cả các tấm đĩa khiến cho tốc độ truy nhập trung bình khá thấp.
Năm 1961
Thiết bị lưu trữ dữ liệu IBM 1301 ra mắt năm 1961 bắt đầu sử dụng mỗi đầu từ cho một mặt đĩa.

Ổ đĩa đầu tiên có bộ phận lưu trữ tháo lắp được là ổ IBM 1311. Ổ này sử dụng đĩa IBM 1316 có dung lượng 2 triệu kí tự.
Năm 1973
IBM giới thiệu hệ thống đĩa 3340 "Winchester", ổ đĩa đầu tiên sử dụng kĩ thuật lắp ráp đóng hộp (sealed head/disk assembly - HDA). Kĩ sư trưởng dự án/chủ nhiệm dự án Kenneth Haughton đặt tên theo "súng trường Winchester" 30-30 sau khi một thành viên trong nhóm gọi nó là "30-30" vì các trục quay 30 MB của ổ đĩa cứng. Hầu hết các ổ đĩa hiện đại ngày nay đều sử dụng công nghệ này, và cái tên "Winchester" trở nên phổ biến khi nói về ổ đĩa cứng và dần biến mất trong thập niên 1990.

Trong một thời gian dài, ổ đĩa cứng có kích thước lớn và cồng kềnh, thích hợp với một môi trường được bảo vệ của một trung tâm dữ liệu hoặc một văn phòng lớn hơn là trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt (vì sự mong manh), hay văn phòng nhỏ hoặc nhà riêng (vì kích cỡ quá khổ và lượng điện năng tiêu thụ). Trước thập niên 1980, hầu hết ổ đĩa cứng có các tấm đĩa cỡ 8" (20 cm) hoặc 14-inch (35 cm), cần một giá thiết bị cũng như diện tích sàn đáng kể (tiêu biểu là các ổ đĩa cứng lớn có đĩa tháo lắp được, thường được gọi là "máy giặt"), và trong nhiều trường hợp cần tới điện cao áp hoặc thậm chí điện ba pha cho những mô tơ lớn chúng dùng. Vì lí do đó, các ổ đĩa cứng không được dùng phổ biến trong máy vi tính đến tận năm 1980, khi Seagate Technology cho ra đời ổ đĩa ST-506 - ổ đĩa 5,25" đầu tiên có dung lượng 5 MB. Có một thực tế là trong cấu hình xuất xưởng, máy IBM PC (IBM 5150) không được trang bị ổ đĩa cứng.
Thập niên 1990
Đa số các ổ đĩa cứng cho máy vi tính đầu thập kỷ 1980 không bán trực tiếp cho người dùng cuối bởi nhà sản xuất mà bởi các OEM như một phần của thiết bị lớn hơn (như Corvus Disk System và Apple ProFile). Chiếc IBM PC/XT được bán ra đã có một ổ đĩa cứng lắp trong nhưng xu hướng tự cài đặt nâng cấp bắt đầu xuất hiện. Các công ty chế tạo ổ đĩa cứng bắt đầu tiếp thị với người dùng cuối bên cạnh OEM và đến giữa thập niên 1990, ổ đĩa cứng bắt đầu xuất hiện trong các cửa hàng bán lẻ.

Ổ đĩa lắp trong ngày càng được sử dụng nhiều trong PC trong khi các ổ đĩa lắp ngoài tiếp tục phổ biến trên máy Macintosh của hãng Apple và các nền tảng khác. Mỗi máy Mac sản xuất giữa giữa các năm 1986 và 1998 đều có một cổng SCSI phía sau khiến cho việc lắp đặt thêm phần cứng mới trở nên dễ dàng; tương tự như vậy, "toaster" (máy nướng bánh) Mac không có chỗ cho ổ đĩa cứng (hay trong Mac Plus không có chỗ lắp ổ đĩa cứng), các đời tiếp theo cũng vậy thế nên ổ SCSI lắp ngoài là có thể hiểu được. Các ổ đĩa SCSI lắp ngoài cũng phổ biến trong các máy vi tính cổ như loạt Apple II và Commodore 64, và cũng được sử dụng rộng rãi trong máy chủ cho đến tận ngày nay. Sự xuất hiện vào cuối thập niên 1990 của các chuẩn giao tiếp ngoài như USB và FireWire khiến cho ổ đĩa cứng lắp ngoài trở nên phổ biến hơn trong người dùng thông thường đặc biệt đối với những ai cần di chuyển một khối lượng lớn dữ liệu giữa hai địa điểm. Vì thế, phần lớn các ổ đĩa cứng sản xuất ra đều có trở thành lõi của các vỏ lắp ngoài.
Ngày nay
Dung lượng ổ đĩa cứng tăng trưởng theo hàm mũ với thời gian. Đối với những máy PC thế hệ đầu, ổ đĩa dung lượng 20 megabyte được coi là lớn. Cuối thập niên 1990 đã có những ổ đĩa cứng với dung lượng trên 1 gigabyte. Vào thời điểm đầu năm 2005, ổ đĩa cứng có dung lượng khiêm tốn nhất cho máy tính để bàn còn được sản xuất có dung lượng lên tới 40 gigabyte còn ổ đĩa lắp trong có dung lượng lớn nhất lên tới một nửa terabyte (500 GB), và những ổ đĩa lắp ngoài đạt xấp xỉ một terabyte. Cùng với lịch sử phát triển của PC, các họ ổ đĩa cứng lớn là MFM, RLL, ESDI, SCSI, IDE và EIDE, và mới nhất là SATA. Ổ đĩa MFM đòi hỏi mạch điều khiển phải tương thích với phần điện trên ổ đĩa cứng hay nói cách khác là ổ đĩa và mạch điều khiền phải tương thích. RLL (Run Length Limited) là một phương pháp mã hóa bit trên các tấm đĩa giúp làm tăng mật độ bit. Phần lớn các ổ đĩa RLL cần phải tương thích với bộ điều khiển nó làm việc với. ESDI là một giao diện được phát triển bởi Maxtor làm tăng tốc trao đổi thông tin giữa PC và đĩa cứng. SCSI (tên cũ là SASI dành cho Shugart (sic) Associates), viết tắt cho Small Computer System Interface, là đối thủ cạnh tranh ban đầu của ESDI. Khi giá linh kiện điện tử giảm (do nhu cầu tăng lên) các chi tiết điện tử trước kia đặt trên cạc điều khiển đã được đặt lên trên chính ổ đĩa cứng. Cải tiến này được gọi là ổ đĩa cứng tích hợp linh kiện điện tử (Integrated Drive Electronics hay IDE). Các nhà sản xuất IDE mong muốn tốc độ của IDE tiếp cận tới tốc độ của SCSI. Các ổ đĩa IDE chậm hơn do không có bộ nhớ đệm lớn như các ổ đĩa SCSI và không có khả năng ghi trực tiếp lên RAM. Các công ty chế tạo IDE đã cố gắng khắc phục khoảng cách tốc độ này bằng phương pháp đánh địa chỉ logic khối (Logical Block Addressing - LBA). Các ổ đĩa này được gọi là EIDE. Cùng lúc với sự ra đời của EIDE, các nhà sản xuất SCSI đã tiếp tục cải tiến tốc độ SCSI. Những cải tiến đó đồng thời khiến cho giá thành của giao tiếp SCSI cao thêm. Để có thể vừa nâng cao hiệu suất của EIDE vừa không làm tăng chi phí cho các linh kiện điện tử không có cách nào khác là phải thay giao diện kiểu "song song" bằng kiểu "nối tiếp", và kết quả là sự ra đời của giao diện SATA. Tuy nhiên, hiệu suất làm việc của các ổ đĩa cứng SATA thế hệ đầu và các ổ đĩa PATA không có sự khác biệt đáng kể.

đặt vấn đề :Sự cố về ổ cứng là vấn đề thường thấy với máy tính nhưng SSD lại khác. Các chip nhớ flash thông thường có thể ghi/xóa 300.000 lần.
> SSD và HDD, chọn ổ nào?
ổ SSD
ổ HHD
Sự cố về ổ cứng là vấn đề thường thấy với cả desktop và laptop. Hệ quả nguy hiểm nhất là việc mất đi nhiều dữ liệu quý giá của người sử dụng. Với ổ cứng HDD, một thiết bị cơ điện tử, phần cơ qua năm tháng vận hành sẽ mòn dần và dẫn đến sự cố. Thời gian làm việc tối ưu đối với ổ cứng HDD là khoảng 4 năm.

Ổ ứng SSD lại khác. Các chip nhớ flash thông thường có thể ghi/xóa 300.000 lần và với loại chip nhớ flash tốt nhất tuổi thọ lên đến 1.000.000 lần ghi/xóa. Bên cạnh đó, các nhà sản xuất ổ SSD cũng sử dụng nhiều giải pháp khác để kéo dài tuổi thọ. Vì thế, một ổ cứng SSD có thể sử dụng tốt trong nhiều năm nhưng còn phụ thuộc vào dung lượng đĩa.

Tốc độ

Thời gian truy nhập trung bình của ổ SSD là từ 3,5 - 10 micro giây còn ổ HDD mất 5 - 10 mili giây. Dễ nhận thấy, tốc độ ổ SSD nhanh hơn ổ HDD đến cả trăm lần. Nhưng một câu hỏi đặt ra là tốc độ vượt trội trên của ổ SSD có ích lợi gì trong khi hệ thống máy tính lại chưa thể hỗ trợ tốc độ đó?

Sự “tiến hóa” của vi xử lý trung tâm (CPU) đã vượt xa sự phát triển hệ thống lưu trữ dữ liệu. Vì vậy ổ HDD nhiều khi sẽ “kìm hãm” hiệu năng “tiềm tàng” của hệ thống máy mạnh bởi không theo kịp tốc độ xử lý của các phần cứng khác, đặc biệt là CPU.

Việc thay thế ổ HDD bằng ổ SSD, hiệu năng hệ thống chắc chắn sẽ được cải thiện đáng kể.

Kích cỡ

Được phát triển và sản xuất với mục đích dần thay thế cho ổ cứng HDD truyền thống nên ổ SSD cũng có hai loại, kích cỡ tiêu chuẩn 2,5 inch và 3,5 inch. Tương tự, ổ SSD 2,5 inch được sử dụng chủ yếu cho laptop, và ổ 3,5 inch là cho máy bàn – desktop, hệ thống lưu trữ trong các loại máy chủ server. Song kích thước và trọng lượng của ổ SSD nhẹ hơn so với ổ HDD, vì vậy sẽ phù hợp hơn cho các hệ thống máy nhỏ gọn.
Độ tin cậy

Xét về độ tin cậy, ổ cứng HDD kém hơn so với ổ thể rắn SSD. Chính việc sử dụng đầu đọc/ghi chuyển động cơ học và các phiến đĩa quay tròn là yếu tố làm giảm độ tin cậy ở ổ HDD. Trong những môi trường ứng dụng di động đòi hỏi độ an toàn cao cho dữ liệu, chắc chắn ổ SSD sẽ là lựa chọn tốt hơn. Ổ SSD còn có khả năng chống sốc và chịu lực tốt. Đây cũng là những ưu điểm khiến nhiều lĩnh vực có đặc thù riêng như quân sự lựa chọn loại ổ cứng này. Đặc biệt ổ SSD còn có thể lưu trữ được trong môi trường khắc nghiệt với nhiệt độ từ - 60oC đến + 95oC.

Điện năng tiêu thụ và tỏa nhiệt

So với ổ HDD, ổ SSD tiết kiệm điện hơn bởi vì không cần thêm điện năng để làm quay các phiến đĩa và dịch chuyển đầu đọc/ghi và mát hơn. Chính vì vậy đây là lựa chọn phù hợp hơn cho nhu cầu của các công ty lưu trữ dữ liệu, thêm vào đó còn tiết kiệm hơn khi không cần đến các hệ thống tản nhiệt, làm mát tốn kém.

Giá cả

Với nhiều ưu điểm và tính năng vượt trội hơn, SSD vì thế cũng đắt tiền hơn nhiều so với HDD truyền thống. Đây chính là lợi thế cạnh tranh khiến ổ HDD vẫn là lựa chọn chủ yếu của người sử dụng, và giá thành cao cũng là rào cản lớn khiến SSD chưa thể được sử dụng rộng rãi. Loại ổ ghi mới này chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực quân sự và các nghành công nghiệp đòi hỏi sự độ toàn dữ liệu cao.

Các nhà phân tích đã nhận định, khoảng cách về giá giữa ổ đĩa cứng HDD truyền thống và ổ cứng thể rắn SSD mới sẽ ngày càng thu hẹp. Bên cạnh đó, việc các tên tuổi lớn trong ngành công nghiệp chế tạo ổ cứng đang đổ dồn tiền của và công sức vào nghiên cứu sản xuất, cải thiện bộ nhớ SSD nên triển vọng thay thế ổ HDD là không xa. Song, hiện tại, những ưu điểm và tính năng nổi trội của ổ SSD vẫn chưa thể “đánh bại” lợi thế giá rẻ của ổ HDD.

Các đặc tính chính của các cấp bộ nhớ dẫn đến hai mức chính là: mức cache - bộ nhớ trong và mức bộ nhớ ảo (bao gồm bộ nhớ trong và không gian cấp phát trên đĩa cứng) . Cách tổ chức này trong suốt đối với người sử dụng. Người sử dụng chỉ thấy duy nhất một không gian định vị ô nhớ, độc lập với vị trí thực tế của các lệnh và dữ liệu cần thâm nhập.

Một sự phân cấp bộ nhớ kiểu mẫu được chỉ ra trên hình, khi chúng ta đi từ trên xuống trong sơ đồ phân cấp này, những sự kiện sau sẽ xảy ra:

Giảm phí tổn cho một bit

Tăng dung lượng

Tăng thời gian truy cập

Giảm tần số truy cập bộ nhớ bởi CPU



Các cấp bộ nhớ giúp ích cho người lập trình muốn có một bộ nhớ thật nhanh với chi phí đầu tư giới hạn. Vì các bộ nhớ nhanh đắt tiền nên các bộ nhớ được tổ chức thành nhiều cấp, cấp có dung lượng ít thì nhanh nhưng đắt tiền hơn cấp có dung lượng cao hơn. Mục tiêu của việc thiết lập các cấp bộ nhớ là người dùng có một hệ thống bộ nhớ rẻ tiền như cấp bộ nhớ thấp nhất và gần nhanh như cấp bộ nhớ cao nhất. Các cấp bộ nhớ thường được lồng vào nhau. Mọi dữ liệu trong một cấp thì được gặp lại trong cấp thấp hơn và có thể tiếp tục gặp lại trong cấp thấp nhất.

Chúng ta có nhận xét rằng, mỗi cấp bộ nhớ có dung lượng lớn hơn cấp trên mình, ánh xạ một phần địa chỉ các ô nhớ của mình vào địa chỉ ô nhớ của cấp trên trực tiếp có tốc độ nhanh hơn, và các cấp bộ nhớ phải có cơ chế quản lý và kiểm tra các địa chỉ ánh xạ.

Bộ nhớ chỉ dùng để đọc (ROM) là một dạng của bộ nhớ bán dẫn. Khi hoạt động dữ liệu không thể viết vào ROM được mà chỉ có thể đọc từ ROM ra. ROM được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và không bị mất dữ liệu khi mất điện: không bị thay đổi dữ liệu trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống. Do đó người ta thường sử dụng ROM để lưu trữ những dữ liệu có tính bất biến theo thời gian như chương trình chuyển đối mã, khởi động, ký tự ...

1.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA ROM


Hình 4.5 minh họa sơ đồ khối tiêu biểu cho một ROM, gồm có đầu vào địa chỉ, đầu vào điều khiển và đầu ra dữ liệu.

Giả sử ROM đã được lập trình với dữ liệu minh họa như ở hình 4.6. 16 từ dữ liệu khác nhau được ghi vào 16 địa chỉ khác nhau dưới dạng nhị phân. Người ta còn sử dụng số thập lục phân để biểu diễn dữ liệu đã lập trình (hình 4.7).



HOẠT ĐỘNG ĐỌC

       Để đọc một từ dữ liệu từ ROM, ta phải làm như sau: áp đầu vào địa chỉ thích hợp, sau đó kích hoạt đầu vào điều khiển.

       Ví dụ muốn đọc dữ liệu tại địa chỉ 0111 của ROM (hình 4.5) ta phải áp A3A2A1A0 = 0111 cho đầu vào địa chỉ, sau đó áp dụng trạng thái thấp cho .

Đầu vào địa chỉ được giải mã bên trong ROM để chọn được dữ liệu đúng là 11101101. giá trị này sẽ xuất hiện tại đầu ra D7 đến D0.







1.2 CẤU TRÚC CỦA ROM

Cấu trúc bên trong của ROM rất phức tạp. Hình 4.8 là sơ đồ đơn giản mô tả cấu trúc bên trong của một ROM có dung lượng 16x8. Gồm có 4 phần cơ bản: mảng thanh ghi, bộ giải mã hàng, bộ giải mã cột, bộ đệm đầu ra.

Mảng  thanh ghi (Resister array) lưu trữ dữ liệu được lập trình vào ROM. Mỗi thanh ghi gồm một ô nhớ bằng số kích thước từ. Trong trường hợp này mỗi thanh ghi chứa một từ 8 bit. Các thanh ghi được sắp xếp theo ma trận vuông, các thanh ghi ở đây là thanh ghi “ chết ”, không ghi thêm được.


Vị trí của từng thanh ghi được định rõ qua số hàng và số cột cụ thể. Tám đầu ra dữ liệu của mỗi thanh ghi được nối vào một đường dữ liệu bên trong chạy qua toàn mạch. Mối thang ghi có hai đầu vào cho phép. Cả hai phải ở mức cao thì dữ liệu ở thanh ghi mới được phép đưa vào dường truyền.

Bộ giải mã địa chỉ

Mã địa chỉ A3A2A1A0 quyết định thanh ghi nào trong dãy được phép đặt từ dữ liệu 8 bit của nó vào đường truyền. Ở đây dùng 2 bộ giải mã: bộ giải mã chọn hàng (chọn 1 trong 4) và chọn cột. Thanh ghi giao giữa hàng và cột được chọn bởi đầu vào địa chỉ sẽ là thanh ghi được kích hoạt (cho phép).

Ví dụ: Địa chỉ vào là 1101 thì thanh ghi nào xuất dữ liệu.

   Với A3A2 = 11, bộ giải mã cột sẽ kích hoạt đường chọn cột số 3

   Với A1A0 = 01, bộ giải mã hàng sẽ kích hoạt đường chọn hàng số 1

Như vậy kết quả là cả hai đầu vào cho phép thanh ghi số 13 sẽ ở mức cao và dữ liệu của thanh ghi này sẽ được đưa vào đường truyền dữ liệu.

Bộ đệm đầu ra

Thường sử dụng mạch đệm 3 trạng thái, điều khiển bằng chân . Khi ở mức thấp, bộ đệm đầu ra chuyển dữ liệu này ra ngoài. Khi ở mức cao, bộ đệm đầu ra sẽ ở trạng thái trở kháng cao. D7 đến D0 thả nổi.





1.3 THÔNG SỐ THỜI GIAN CỦA ROM

Sẽ có một khoảng thời gian trễ do truyền từ khi yêu cầu được đưa vào qua đầu vào của ROM đến khi dữ liệu xuất hiện ở đầu ra trong hoạt động đọc. Thời gian này gọi là thời gian truy xuất (tACC). Thời gian truy xuất được biểu diễn ở dạng sóng trong hình 4.9.

Dạng sóng phía trên biểu diễn đầu vào địa chỉ; dạng sóng ở giữa là một tích cực ở mức thấp; dạng sóng dưới cùng biểu diễn đầu ra của dữ liệu.

Một thông số thời gian khác cũng quan trọng đó là thời gian cho phép ra tOE. Đó là thời gian trễ giữa đầu vào và đầu ra dữ liệu hợp lệ.

               tACC ( TTL) :     30 – 90ns.

               tACC ( NMOS) : 200 – 900ns.

               tACC ( CMOS) :  20 – 60ns

               tOE (TTL) :        ROM 10 - 20ns

               tOE ( NMOS) :   ROM 25 - 100ns

               tOE ( CMOS) :   ROM 10 – 20ns

RAM: Random Access Memory – bộ nhớ truy xuất bất kỳ còn gọi là bộ nhớ đọc viết (RWM: read write memory). Nghĩa là mọi địa chỉ nhớ đều cho phép dể dàng truy cập như nhau. Trong máy tính RAM được dùng như bộ nhớ tạm hay bộ nhớ nháp.

Ưu điểm chính của RAM đọc hay viết dữ liệu lưu trữ ở RAM bất cứ lúc nào.

Nhược điểm của RAM: do RAM là một dạng bộ nhớ bốc hơi nên khi mất điện dữ liệu sẽ bị xóa do đó cần nguồn nuôi pin – accu dự phòng (back up batterry).

       Tương tự như ROM, RAM  bao gồm một số thanh ghi, mỗi thanh ghi lưu trữ một từ dữ liệu và có địa chỉ không trùng lập. RAM thường có dung lượng 1K, 4K, 8K, 64K, 128K, 256K và 1024K với kích thước từ 1, 4 hay 8 bit (có thể mở rộng thêm).


Hình 4.16 minh họa cấu trúc của đơn giản của một RAM lưu trữ 64 từ 4 bit (bộ nhớ 64x4). Số từ này có địa chỉ trong khoảng từ 0 đến 6310. Để chọn 1 trong 64 địa chỉ để đọc hay ghi, một mã địa chỉ nhị phân sẽ được đưa vào mạch giải mã. Vì 64=26 nên bộ giải mã cần mã vào 6 bit.

Hoạt động đọc (Read Operation)

       Mã địa chỉ nhận được từ chọn thanh ghi để đọc hoặc viết. Để đọc thanh ghi được chọn thì đầu vào đọc ghi () phải là logic 1. Ngoài ra đầu vào chip select phải ở mức logic 0. Sự kết hợp giữa = 1 và = 0 sẽ cho phép bộ đệm đầu ra, sao cho nội dung của thanh ghi được chọn xuất hiện ở bốn đầu ra dữ liệu.

= 1 cũng cấm bộ đệm đầu vào nên đầu vào dữ liệu không tác động đến bộ nhớ suốt hoạt động đọc.

Hoạt động ghi (Write Operation)

       Để viết một từ 4 bit mới vào thanh ghi được chọn, khi đó cần phải có= 0 và = 0. Tổ hợp này cho phép bộ đệm đầu vào, vì vậy từ 4 bit đã đặt vào dữ liệu sẽ được nạp vào thanh ghi đã chọn. = 0 cũng cấm bộ đệm đầu ra. Bộ đệm đầu ra là bộ đệm 3 trạng thái nên đầu ra dữ liệu sẽ ở trạng thái Hi-Z trong hoạt động ghi. Hoạt động ghi sẽ xóa bỏ từ nào đã được lưu trữ tại địa chỉ đó.

Chọn chip (Chip Select)

Hầu hết các chip nhớ đều có một hay nhiều đầu vào CS dùng để cho phép toàn chip hoặc cấm nó hoàn toàn. Trong chế độ cấm, tất cả đầu vào và ra dữ liệu đều bị vô hiệu hóa (Hi-Z), chính vì vậy không hoạt động ghi đọc nào có thể xảy ra. Ngoài tên gọi CHỌN CHIP các nhà sản xuất còn gọi là CHIP ENABLE (CE). Khi đầu vào CS hay CE ở trạng thái tích cực thì chip nhớ đã được chọn còn ngược lại thì không được chọn. Tác dụng của chân CS hay CE là dùng để mở rộng bộ nhớ khi kết hợp nhiều chip nhớ với nhau.

Các chân vào ra chung (Common Input Output)

       Để hạn chế số chân trong một IC, các nhà sản xuất thường kết hợp các chức năng nhập/xuất dữ liệu, dựa vào chân vào/ra (I/O). Đầu vào điều khiển các chân vào/ra này.

       Trong hoạt động đọc, chân I/O đóng vai trò như đầu ra dữ liệu, tái tạo nội dung của ô nhớ được chọn. Trong hoạt động ghi, chân I/O là đầu vào dữ liệu, dữ liệu cần ghi được đưa vào đây.

Các bạn ở đây có ai chưa từng dùng đến máy tính không? Hỏi hơi bị kỳ thì phải. Nếu không dùng đến máy tính thì làm sao vào diễn đàn, mà không vào diễn đàn thì sao thấy dòng chữ này hở bạn… Trước khi làm việc với máy tính thì bạn phải khởi động máy tính lên đúng không. Việc khởi động máy tính của bạn hầu như thật là đơn giản (bật nút power… ngồi chờ cho nó vô win rồi bụp… thế là xong). Bạn có biết máy tính khởi động như thế nào không. Đó là cả 1 quá trình đấy bạn à, đối với học sinh phổ thông như chúng mình thì xin chèn thêm 2 chữ “phức tạp” đằng sau 2 chữ “quá trình” ở trên bạn nhé.

Mình viết bài này gửi đến các bạn đã biết 1 chút ít về phần cứng hoặc các bạn đã học qua về phần cứng máy tính ở ngoài rồi. Nếu bạn nào chưa biết gì về phần cứng thì đừng vội đọc bài này. Các bạn đọc bài này để biết máy tính nó khởi động như thế nào thôi, hiểu chi cho mệt, tập trung hiểu bài trên lớp đi… mai mốt ra trường rồi tìm hiểu sau cũng chưa muộn…

Nói thêm:

Bộ nguồn của máy tính gồm 2 loại : AT và ATX (công nghệ mới bây giờ đã có nguồn ATX 2 rồi đó các bạn à…). Giờ P4 trở lên người ta chơi nguồn ATX ko hà. AT đã sắp ra đi rồi, có nghĩa là sắp xuống lỗ đó… không còn dùng nữa. Vấn đề về bộ nguồn mai mốt mình sẽ nói sau. Giờ chúng ta xét sự khởi động của máy tính với bộ nguồn ATX nhé.

Quá trình khởi động của máy tính

Đối với bộ nguồn ATX thì lúc chưa nhấn nút Power khởi động máy, bộ nguồn máy tính vẫn cung cấp đến bo mạch chủ (mainboard đó, cái này là điểm khác nhau giữa nguồn ATX và nguồn AT, nguồn AT chưa nhấn nút POWER thì không cấp điện) một nguồn điện từ dây PS on và + 5v Stanby để chờ tín hiệu bật nguồn. Bạn chỉ cần biết là như thế thôi, khỏi cần biết dây PS on và +5v là dây nào trong máy tính nhé. Có gì hỏi thầy tin học đó. Rất tiếc là mình không thể gặp các bạn để giải thích được. Các bạn thông cảm nhé. Có gì thắc mắc cứ góp ý vào đây.

Sau khi nhấn nút Power thì nguồn mới cung cấp điện đầy đủ cho bo mạch chủ và các thiết bị khác trong máy tính, lúc này máy tính bắt đầu khởi động.

ROM BIOS sẽ hoạt động đầu tiên, nó kiểm tra lại việc cấp điện của bộ nguồn, quá trình kiểm tra này chỉ diễn ra trong vài giây. Sau khi công việc kiểm tra cấp nguồn hoàn tất thì Card màn hình sẽ được cấp điện và hiển thị thông tin đầu tiên

Sau đó Bộ vi xử lý sẽ điều khiển ROM BIOS để thực thi chương trình POST (viết tắt của chữ: Power On Self Test).

Chương trình POST sẽ tiến hành kiểm tra tất cả các thiết bị kết nối trong máy tính, đầu tiên kiểm tra các thông số CPU, RAM, HDD và các thiết bị kết nối khác và hiển thị lên màn hình máy tính.

Khi kiểm tra xong, quá trình POST sẽ chuyển thông tin cho BIOS và lưu trữ trong CMOS và chuyển quyền điều khiển qua thiết bị khởi động đã được qui định trong CMOS

Nếu thiết bị được chọn khởi động là ổ cứng thì CPU truy cập vào vùng MBR ( Master Boot Record) để tìm kiếm thông tin về phân vùng khởi động. Tại phân vùng khởi động (Boot Record) CPU sẽ tìm thấy thông tin các tập tin mồi (trong hệ điều hành DOS, các tập tin này là io.sys, msdos.sys, command.com) của hệ điều hành và nạp các thông tin này vào vùng nhớ tạm thời (RAM).

Sau đó đến phiên các tập tin mồi này làm nhiệm vụ của nó là nạp tiếp các tập tin hoạt động của hệ điều hành, trình điều khiển (Driver)… và tiến hành khởi động hệ điều hành cho tới khi hoàn tất (vào tới màn hình Desktop trong trường hợp sử dụng Windows).

Universal Serial Bus đã xuất hiện từ năm 1995. Từ đó đến nay công nghệ USB đã trải qua hai thế hệ – USB 1.0 và USB 2.0 Universal Serial Bus đã xuất hiện từ năm 1995. Từ đó đến nay công nghệ USB đã trải qua hai thế hệ – USB 1.0 và USB 2.0. Đến tháng 8 năm 2008, tiêu chuẩn USB 3.0 được công bố và sẽ nhanh chóng được áp dụng. Rất có thể các thiết bị sử dụng công nghệ USB 3.0 này sẽ xuất hiện cuối năm nay (2009). Trong bài báo này, chúng tôi sẽ tóm tắt lịch sử của USB, sự khác biệt giữa các thế hệ USB và tương lai của USB, cùng cách thức để bạn cập nhật chiếc máy tính cũ kỹ của mình để hỗ trợ USB 2.0.

USB là gì?
USB là viết tắt của Universal Serial Bus. USB giúp máy tính kết nối với các thiết bị ngoại vi như máy in. Đặc trưng của USB là nó luôn đi kèm một ổ cắm chuẩn hóa với tất cả các thiết bị khác nhau. Tính năng tiêu chuẩn này cho phép các thiết bị kết nối với máy tính hoặc NoteBook mà không phải khởi động lại hệ điều hành. USB sử dụng cùng một loại công nghệ với điện thoại di động và camera mang tên Micro-USB. Công nghệ USB cho phép tiết kiệm điện và tăng tốc độ truyền dữ liệu giữa các thiết bị khác nhau.

Làm sao để biết được máy tính của bạn đang sử dụng công nghệ USB nào?
Khi bạn cắm một thiết bị USB 2.0 vào cổng USB 1.x, máy tính sẽ thông báo rằng thiết bị này sẽ chạy nhanh hơn nếu bạn có cổng USB 2.0. Điều này không có nghĩa là thiết bị không hoạt động được, nhưng do sự khác biệt về công nghệ giữa USB 2.0 và USB 1.x nên băng thông giữa các thiết bị sẽ kém hơn khả năng của công nghệ.
Bạn cũng có thể biết được máy tính của mình có hỗ trợ USB 2.0 hay không bằng cách mở Device Manager , bấm vào Universal Serial Bus Controllers. Không phải tất cả mạch điều khiển đều cho bạn biết loại công nghệ USB đang sử dụng, nhưng ít nhất bạn cũng đọc được những dòng chữ như “Standard Enhanced PCI to USB Host Controller,” ngôn từ có thể khác nhau nhưng nếu có chứa chữ “enhanced” thì tức là máy tính của bạn đã có cổng USB 2.0 ở phía sau lưng máy , nhưng mặt trước chỉ có cổng USB 1.x (hoặc ngược lại).

Sự khác biệt giữa các thế hệ USB
Sự khác biệt lớn nhất giữa các công nghệ USB chính là tốc độ truyền dữ liệu. Công nghệ USB 1.x đầu tiên chỉ có tốc độ từ 1.5Mb -12Mb/giây. Thực ra đây cũng đã là một tiến bộ so với các công nghệ truyền dữ liệu trước đó, và cho phép các thiết bị như ổ đĩa quang ngoại vi và ổ cứng ngoài hoạt động nhanh hơn nhiều.
Công nghệ USB 2.0 xuất hiện vào năm 2000 và được USB-IF chuẩn hóa vào năm 2001. Phiên bản này tăng tốc độ lên khoảng 480Mb/giây. Khi xuất hiện, công nghệ này còn kéo theo cả ổ cắm Mini B và bộ nối vẫn thường thấy trong máy nghe MP3 và các thiết bị điện tử mini khác. Qua thời gian, USB 2.0 ngày càng được cải tiến nhưng cơ bản thì vẫn không thay đổi.
Có một công nghệ luôn cùng tồn tại với USB 2.0, đó là công nghệ USB không dây hay WUSB. Với công nghệ này bạn có thể kết nối máy in, máy quét, bàn phím, chuột… với bất kỳ loại dây dẫn nào giữa các thiết bị với nhau! WUSB là một ứng dụng mở rộng của Universal Bus Protocol và thật đáng tiếc bởi nó đã không được ứng dụng rộng rãi.
Khi ổ cứng máy tính ngày càng phình to, bộ xử lý chạy càng nhanh và người dùng đã quen với những phương tiện như âm thanh và video clip thì công nghệ truyền dữ liệu cũng phải tiến bộ theo. Do đó USB 3.0 xuất hiện và dự tính sẽ đến tay người dùng trong năm 2009 – tuy ngày cụ thể chưa được xác định. USB 3.0 sẽ nhanh gấp 10 lần USB 2.0 hiện tại với tốc độ truyền dữ liệu 4.8 Gb/giây!
Mỗi bản USB xuất hiện đều sử dụng đúng đầu nối của bản trước. Khả năng tương thích ngược của thiết bị USB 2.0 với cổng USB 1.0 sẽ vẫn được giữ nguyên ở USB 3.0.

Lịch sử phát triển USB
Nếu coi USB như một gia đình thì ông nội sẽ là USB 1.0, đến năm 1998 được cập nhật lên USB 1.1. Công nghệ này dần dần thay thế cổng PS/2 trên PC và giúp việc chuyển dữ liệu lớn lên máy in dễ dàng hơn. Cả các thiết bị tương tác với con người như bàn phím và chuột cũng nhanh chóng kết nối với USB. Năm 1998, Apple giới thiệu bộ cổng USB đặc biệt cho iMac. Theo Wikipedia, điều này đã giúp đưa công nghệ USB nhanh chóng phổ biến trên thị trường.
USB cũng có một số điểm đặc trưng. Bạn có biết chiếc USB nào kết nối được cùng lúc 127 thiết bị không? Bạn có thể làm được điều này bằng cách cắm nhiều ổ USB lại với nhau cho đến khi toàn bộ 127 thiết bị được gắn với một cổng duy nhất trên máy tính chủ. Còn việc bo mạch chủ của bạn có cấp đủ điện năng cho tất cả những thiết bị này hoạt động hay không thì lại là một câu chuyện khác!
Công nghệ USB dựa trên các đường dẫn dữ liệu từ thiết bị ngoại vi tới máy tính chủ ( Host ) . Các đường dẫn này là đường nối thông tin một chiều, 16 đường từ Host và 16 từ mạch điều khiển. Các đường dẫn liên tục đòi hỏi mạch chủ nếu có thông tin gì cần chuyển. Mỗi thiết bị USB cần được cài đặt Driver khi máy tính bật. Nếu khi đó máy tính tắt, các thiết bị sử dụng USB sẽ cài đặt lại Driver để chúng có thể hoạt động.
Ở phiên bản USB trước, có hai tiêu chuẩn thiết bị chủ điều khiển : một do Intel hỗ trợ mang tên UHCI ( Universal Host Controller Interface), nhưng đã bị EHCI ( Enhanced Host Controller Interface ) thay thế với USB 2.0. USB-IF có vai trò điều khiển công nghệ đứng sau USB và họ yêu cầu chỉ được phép có một công nghệ điều khiển chủ ( Host ) duy nhất trong USB 2.0, bởi nếu không thì các nhà sản xuất phần cứng sẽ gặp vấn đề khi làm việc với USB 1.x. Kể từ tháng 9 năm 2008 đến giờ chúng ta vẫn sử dụng tiêu chuẩn USB 2.0, nhưng điều này sẽ sớm thay đổi với USB 3.0. Tuy USB 3.0 có thể có mặt trên thị trường trong năm nay nhưng tất cả các thiết bị USB cũ vẫn được tương thích ngược, tức là bạn có thể cắm thiết bị USB 2.0 vào cổng USB 3.0 của một chiếc máy tính mới.
Làm cách nào để thêm cổng USB 2.0 vào chiếc PC cũ?
Phải làm gì để thêm cổng USB 2.0 vào chiếc máy tính cũ? Bạn có thể thực hiện điều này bằng các card bổ sung trong bo mạch chủ. Có rất nhiều hãng điện tử cung cấp card mở rộng USB như vậy.
Bạn có thể mua được một card mở rộng USB 2.0 với 4 cổng ngoài và 2 cổng trong với giá $15. Chiếc card này sẽ cài vào khe cắm PCI trên bo mạch chủ. Dưới đây là hướng dẫn từng bước cách cài đặt card USB mới vào máy tính:
Việc cài đặt cổng USB chỉ trở nên cần thiết nếu trên máy tính của bạn chưa có cổng USB 2.0. Một số máy tính chỉ có 2 cổng ở phía sau. Bạn có thể cài card mở rộng hoặc mua thêm một ổ cắm USB để tăng số cổng USB mà bạn có, đủ chỗ chứa cho cả máy in, camera và các thiết bị khác. Còn với những ai không muốn cài card mở rộng thì dưới đây là hướng dẫn.

Cài card mở rộng USB lên PC cũ
Ở mặt sau máy tính, mỗi card được cài đều đảm nhiệm một chức năng mới. Ví dụ, card này cho phép máy tính truy cập mạng, trong khi card khác lại hỗ trợ màn hình. Như bạn đã thấy, trong ảnh có 2 card mở rộng USB được cài, mỗi card có hai cổng. Đầu tiên, hãy ngắt toàn bộ nguồn điện khỏi máy tính.
Mở vỏ máy máy tính , tháo vít hoặc nậy mặt sau hoặc mặt trên vỏ máy. Sách hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất sẽ cho bạn biết cách mở vỏ máy đối với một số trường hợp quá khó.
Tìm một khe cắm PCI mở trên bo mạch chủ. Trong ảnh, máy tính này có 5 khe cắm. Vùng mở ở phía cuối là nơi đặt cổng USB. Nếu vùng này đã bị đóng, có thể gỡ tấm phủ bằng cách tháo ốc. Thường thì mỗi card chỉ có một con ốc duy nhất ở nắp vỏ máy.

Khi lắp card vào, hãy bắt đầu từ phía xa nhất so với case và lắp từ ngoài vào. Card nên song song với khe cắm. Lắp card thật chắc chắn rồi gắn lại ốc.
Lắp lại vỏ máy, cắm điện và bật máy tính. PC sẽ tự động nhận ra card mở rộng USB. Không nên cắm các thiết bị USB vào trước khi bật máy tính sau khi lắp đặt, bởi việc này có thể ảnh hưởng đến khả năng cài đặt của card.
CHÚ Ý: Khi xử lý phần bên trong máy tính, hãy luôn đặt chân xuống đất để tránh điện tĩnh đi vào bo mạch chủ. Đồng thời bạn nên làm việc trên một mặt phẳng ổn định.
Tương lai của USB
WUSB
WUSB làm việc theo nguyên lí băng thông cực rộng của công nghệ sóng vô tuyến Radio . Bó dựa trên kỹ thuậ truyền dữ liệu không dây để tạo nên kết nối an toàn và có tốc độ cao giữa những thiết bị với nhau .
Theo lí thuyết WUSB có tôc độ truyền dữ liệu cao nhất là 480 Mbps . Hiệu suất làm việc tốt nhất với phạm vi trong mạng 10m . Nhưng trong điều kiện thực tế thì có tốc độ 50 – 100 Mbps và cụ li truyền dữ liệu ngắn hơn và hiệu suất giảm đi khi khoảng cách tăng lên .
USB 3.0
Công nghệ USB 3.0 sắp tới sẽ sử dụng sợi quang hoạt động được với các bộ nối bằng đồng cũ. Việc chuyển sang USB 3.0 sẽ làm thỏa mãn cơn khát của những người tiêu tốn nhiều bộ nhớ, đồng thời đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu cực nhanh từ các thiết bị cầm tay sang những hệ thống để bàn. Công nghệ này cũng sẽ đẩy mạnh những công nghệ di động khác bởi chúng ta có thể truyền dữ liệu cực nhanh từ thiết bị này sang thiết bị khác.
USB 3.0 hay còn có tên gọi SuperSpeed USB có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn , khả năng khuyếch đại điện năng lớn hơn . Nó cũng có hệ thống quản lí năng lượng tốt hơn do vậy ngay cả những Host hoặc những thiết bị USB sẽ đều có chế độ tiết kiệm điện năng khi không sử dụng .

* Hai loại nhắt chính :
- Tín hiệu ngắt (Internal Singal) từ các thiết bị (ngắt cứng) truyền qua System Bus.
- Tín hiệu ngắt từ chương trình người dùng (ngắt mếm) nhờ lời gọi hệ thống (System Call hay Monitor Call). Lệnh đặc biệt này (ví dụ có tên INT hoặc SysCall) cơ chế để tiến trình người dùng yêu cầu một dịch vụ của HĐH (ví dụ yêu cầu thực hiện lệnh I/O).
* Với mỗi loại ngắt, có đoạn mã riêng của HĐH dùng để xử lý.
* Các HĐH hiện đại được dẩn dắt bởi các sự kiện. Nế ko có tiến trình nào vận hành, ko có thiết bị I/O nào làm việc, HĐH chờ và theo dõi.
* Thông thường mỗi loại ngắt ứng với một dòng trong bản (Véc-tơ ngắt)chứa con trỏ (Pointer) tới chương trình xử lý loại ngắt đó. Bảng này nằm ở vùng thấp của Ram (ví dụ 100 bytes đầu tiên).
* Cơ chế xử lý ngắt phải có trách nhiệm ghi lại địa chỉ lệnh bị ngắt để sau đó có thể quay lại. Địa chỉ này cùng với nhiều thông tin khác có thể được ghi vào Ngăn xếp hệ thống (System Stack) với nguyên tắc làm việc LIFO(Last-In,First-Out).

Nguyên tắt xử lý ngắt của HĐH: là sự xuất hiện thêm một sự kiện có thể ngắt tiến trình đang thực hiện của chương trình, nhồi thêm và thực hiện mốt tiến trình khác, sau khi tiến trình mới nhồi vào thực hiện xong thì chương trình quay về thực hiện tiến trình trước đó ngay tại thời điểm ngắt và tiếp tục. Những chương trình xen vào như vậy gọi là các chương trình con dịch vụ ngắt (interrupt service routing). Cơ chế xử lý ngắt cần phải có trách nhiệm ghi lại địa chỉ lệnh bị ngắt để sau đó có thể quay lại, địa chỉ này và các thông tin khác có thể được ghi vào ngăn xếp hệ thống (Stack) với nguyên tắt Last In First Out (vào sau ra trước)

Hình minh hoạ:


Phân loại gồm 2 loại ngắt chính:
- Ngắt cứng: Tín hiệu ngắt được truyền từ các thiết bị, thông qua system bus
- Ngắt mềm: Nhờ lời gọi hệ thống (system call), lệnh này còn là một lệnh đặc biệt để tiến trình người dùng yêu cầu 1 dịch vụ của hệ điều hành.

- Chia sẽ thông tin (information sharing): một tiến trình sử dụng thông tin do tiến trình khác cung cấp.
- Tăng tốc độ tính toán (Coputation speed): Các tiến trình làm việc song song trên 1 hoặc nhiều máy để giải quyết bài toán chung.
- Đảm bảo tính đơn thể (Modularity): Chương trình được chia thành các đơn thể chức năng vận hành trong các tiến trình hoặc luồng khác nhau.
- Đảm bảo tính tiện diện chung (Convenience): Người dùng có nhu cầu làm nhiều việc một lúc: Soạn thảo, In ấn, Duyệt Web, Lấy file về, Biên dịch chương trình, Kiểm tra chính tả......