Giáo trình Kiến trúc máy tính (Bản mới)

CHƯƠNG 1 
KIẾN TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY TÍNH 
§ 1. Những thành phần cơ bản của máy tính 
Biểu diễn thông tin trong máy tính 
 I. Hệ đếm nhị phân và phương pháp biểu diễn thông tin trong máy tính. 
1. Hệ nhị phân (Binary) 
1.1. Khái niệm: 
 Hệ nhị phân hay hệ đếm cơ số 2 chỉ có hai con số 0 và 1. Đó là hệ đếm dựa 
theo vị trí. Giá trị của một số bất kỳ nào đó tuỳ thuộc vào vị trí của nó. Các 
vị trí có trọng số bằng bậc luỹ thừa của cơ số 2. Chấm cơ số được gọi là 
chấm nhị phân trong hệ đếm cơ số 2. Mỗi một con số nhị phân được gọi là 
một bit (Binary digit). Bit ngoài cùng bên trái là bit có trọng số lớn nhất 
(MSB, Most Significant Bit) và bit ngoài cùng bên phải là bit có trọng số 
nhỏ nhất (LSB, Least Significant Bit) như dưới đây: 
 23 22 21 20 2-1 2-2 
MSB 1 0 1 0 . 1 1 LSB 
 Chấm nhị phân 
Số nhị phân (1010.11)2 có thể biểu diễn thành: 
(1010.11)2 = 1*23 + 0*22 + 1*21 + 0*20 + 1*2-1 + 1*2-2 = (10.75)10. 
Chú ý: dùng dấu ngoặc đơn và chỉ số dưới để ký hiệu cơ số của hệ đếm. 
 Đối với phần lẻ của các số thập phân, số lẻ được nhân với cơ số và số nhớ 
được ghi lại làm một số nhị phân. Trong quá trình biến đổi, số nhớ đầu chính 
là bit MSB và số nhớ cuối là bit LSB. 
Ví dụ 2: Biến đổi số thập phân (0.625)10 thành nhị phân: 
0.625*2 = 1.250. Số nhớ là 1, là bit MSB. 
0.250*2 = 0.500. Số nhớ là 0 
0.500*2 = 1.000. Số nhớ là 1, là bit LSB. 
Vậy : (0.625)10 = (0.101)2. 
2. Hệ thập lục phân (Hexadecima). 
2.1. Khái niệm: 
 Các hệ máy tính hiện đại thường dùng một hệ đếm khác là hệ thập lục 
phân. 
Hệ thập lục phân là hệ đếm dựa vào vị trí với cơ số là 16. Hệ này dùng các 
con số từ 0 đến 9 và các ký tự từ A đến F như trong bảng sau: 
Bảng 1.1 Hệ thập lục phân: 
Thập lục phân Thập phân Nhị phân 
0 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
A 
B 
C 
D 
E 
F 
0 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
11 
12 
13 
14 
15 
0000 
0001 
0010 
0011 
0100 
0101 
0110 
0111 
1000 
1001 
1010 
1011 
1100 
1101 
1110 
1111 
3. Bảng mã ASCII.(American Standard Code for Information Interchange). 
 Người ta đã xây dựng bộ mã để biểu diễn cho các ký tự cũng như các con 
số Và các ký hiệu đặc biệt khác. Các mã đó gọi là bộ mã ký tự và số. Bảng 
mã ASCII là mã 7 bit được dùng phổ biến trong các hệ máy tính hiện nay. 
Với mã 7 bit nên có 27 = 128 tổ hợp mã. Mỗi ký tự (chữ hoa và chữ thường) 
cũng như các con số thập phân từ 0..9 và các ký hiệu đặc biệt khác đều được 
biểu diễn bằng một mã số như bảng 2-2. 
 Việc biến đổi thành ASCII và các mã ký tự số khác, tốt nhất là sử dụng mã 
tương đương trong bảng. 
 Ví dụ: Đổi các ký tự BILL thành mã ASCII: 
Ký tự B I L L 
ASCII 1000010 1001001 1001100 1001100 
HEXA 42 49 4C 4C 
Bảng 1.2: Mã ASCII. 
 Column bits(B7B6B5) 
 Bits(row) 000 001 010 011 100 101 110 
111 
B4 B3 B2 B1 0 1 2 3 4 5 6 7 R 
O 
W 
0 0 0 0 0 NUL DLE SP 0 @ P \ p 
1 0 0 0 1 SOH DC1 ! 1 A Q A q 
2 0 0 1 0 STX DC2 “ 2 B R B r 
3 0 0 1 1 ETX DC3 # 3 C S C s 
4 0 1 0 0 EOT DC4 $ 4 D T D t 
5 0 1 0 1 ENQ NAK % 5 E U E u 
6 0 1 1 0 ACK SYN & 6 F V F v 
7 0 1 1 1 BEL ETB ‘ 7 G W G w 
8 1 0 0 0 BS CAN ( 8 H X H x 
9 1 0 0 1 HT EM ) 9 I Y I y 
A 1 0 1 0 LF SUB * : J Z J z 
B 1 0 1 1 VT ESC + ; K [ K { 
C 1 1 0 0 FF FS - < L \ L | 
D 1 1 0 1 CR GS , = M ] M } 
E 1 1 1 0 SO RS . > N ^ N ~ 
F 1 1 1 1 SI US / ? O _ O DEL 
Control characters: 
NUL = Null; DLE = Data link escape; SOH = Start Of Heading; 
DC1 = Device control 1; DC2 = Device control 2; DC3 = Device 
control 3. 
DC4 = Device control 4; STX = Start of text; ETX = End of text; 
EOT = End of transmission; ENQ = Enquiry; NAK = Negative 
acknowlege. 
ACK = Acknowlege; SYN = Synidle; BEL = Bell. 
ETB = End od transmission block; BS = Backspace; CAN = Cancel. 
HT = Horizontal tab; EM = End of medium; LF = Line feed; SUB = 
Substitute. 
VT = Vertical tab; ESC = Escape; FF = From feed; FS = File separator. 
SO = Shift out; RS = Record separator; SI = Shift in; US = Unit separator. 
4. Biểu diễn giá trị số trong máy tính. 
4.1. Biểu diễn số nguyên. 
a. Biểu diễn số nguyên không dấu: 
 Tất cả các số cũng như các mã ... trong máy vi tính đều được biểu diễn bằng 
các chữ số nhị phân. Để biểu diễn các số nguyên không dấu, người ta dùng n 
bit. Tương ứng với độ dài của số bit được sử dụng, ta có các khoảng giá trị 
xác định như sau: 
 Số bit Khoảng giá trị 
 n bit: 0.. 2n - 1 
 8 bit 0.. 255 Byte 
16 bit 0.. 65535 Word 
b. Biểu diễn số nguyên có dấu: 
 Người ta sử dụng bit cao nhất biểu diễn dấu; bit dấu có giá trị 0 tương ứng 
với số nguyên dương, bit dấu có giá trị 1 biểu diễn số âm. Như vậy khoảng 
giá trị số được biểu diễn sẽ được tính như sau: 
 Số bit Khoảng giá trị: 
 n bit 2n-1-1 
 8 bit -128.. 127 Short integer 
 16 bit -32768.. 32767 Integer 
 32 bit -231.. 231-1 (-2147483648.. 2147483647) Long integer 
4.2. Biểu diễn số thực(số có dấu chấm (phẩy) động). 
 Có hai cách biểu diễn số thực trong một hệ nhị phân: số có dấu chấm cố 
định (fĩed point number) và số có dấu chấm động (floating point number). 
Cách thứ nhất được dùng trong những bộ VXL(micro processor) hay những 
bộ vi điều khiển (micro controller) cũ. Cách thứ 2 hay được dùng hiện nay 
có độ chính xác cao. Đối với cách biểu diễn số thực dấu chấm động có khả 
năng hiệu chỉnh theo giá trị của số thực. Cách biểu diễn chung cho mọi hệ 
đếm như sau: 
 R = m.Be. 
Trong đó m là phần định trị, trong hệ thập phân giá trị tuyệt đối của nó phải 
luôn nhỏ hơn 1. Số e là phần mũ và B là cơ số của hệ đếm. 
 Có hai chuẩn định dạng dấu chấm động quan trọng là: chuẩn MSBIN của 
Microsoft và chuẩn IEEE. Cả hai chuẩn này đều dùng hệ đếm nhị phân. 
 Thường dùng là theo tiêu chuẩn biểu diễn số thực của IEEE 754-
1985(Institute of Electric & Electronic Engineers), là chuẩn được mọi hãng 
chấp nhận và được dùng trong bộ xử lý toán học của Intel. Bit dấu nằm tại vị 
trí cao nhất; kích thước phần mũ và khuôn dạng phần định trị thay đổi theo 
từng loại số thực. 
Giá trị số thực IEEE được tính như sau: 
 R = (-1)S*(1+M1*2-1 + ... +Mn*2-n)*2E 7...E 0 -127. 
Chú ý: giá trị đầu tiên M0 luôn mặc định là 1. 
- Dùng 32 bit để biểu diễn số thực, được số thực ngắn: -3,4.1038 < R < 
3,4.1038 
31 30 23 22 0 
S E7 - E0 |Định trị (M1 - M23) 
- Dùng 64 bit để biểu diễn số thực, được số thực dài: -1,7.10308 < R < 
1,7.10308 
63 62 52 51 0 
S E10 - E0 Định trị (M1 - M52) 
 Ví dụ tính số thực: 
 0100 0010 1000 1100 1110 1001 1111 1100 
 Phần định trị: 2-4+2-5+2-8+2-9+2-10+2-12+2-15+ 
 +2-16+2-17+2-18+2-19+2-20+2-21 = 0,1008906. 
 Giá trị ngầm định là: 1,1008906. 
 Phần mũ: 28+22+20 =133 
 Giá trị thực (bit cao nhất là bit dấu): 133-128=6. 
 Dấu: 0 = số dương 
 Giá trị số thực là: R = 1,1008906.26 = 70,457. 
Phương pháp đổi số thực sang số dấu phẩy động 32 bit: 
- Đổi số thập phân thành số nhị phân. 
- Biểu diễn số nhị phân dưới dạng ±1, xxxBy (B: cơ số 2). 
- Bit cao nhất 31: lấy giá trị 0 với số dương, 1 với số âm. 
- Phần mũ y đổi sang mã excess -127 của y, được xác định bằng cách: 
 y + (7F)16. 
- Phần xxx là phần định trị, được đưa vào từ bit 22..0. 
 Ví dụ: Biểu diễn số thực (9,75)10 dưới dạng dấu phẩy động. 
Ta đổi sang dạng nhị phân: (9,75)10 = (1001.11)2 = 1,00111B3. 
Bit dấu: bit 31 = 0. 
Mã excess - 127 của 3 là: 7F + 3 = (82)16 = 82H = (10000010)2. Được đưa 
vào các bit tiếp theo: từ bit 30 đến bit 23. Bit 22 luôn mặc định là 0. 
Cuối cùng số thực (9,75)10 được biểu diễn dướiư dạng dấu phẩy động 32 bit 
như sau: 
 0100 0001 0001 1100 0000 0000 0000 0000 
 bit |31|30 23|22 0| 
§ 2. Kiến trúc một máy tính đơn giản 
2.1. Giới thiệu sơ lược cấu trúc của máy vi tính. 
So với từ khi ra đời, cấu trúc cơ sở của các máy vi tính ngày nay không thay 
đổi mấy. Mọi máy tính số đều có thể coi như được hình thành từ sáu phần 
chính (như hình 2-1): 
 Hình 2-1: Giới thiệu sơ đồ khối tổng quát của máy tính số 
Trong sơ đồ này, các khối chức năng chính của máy tính số gồm: 
 - Khối xử lý trung tâm (central processing unit, CPU), 
 - Bộ nhớ trong (memory), như RAM, ROM 
 - Bộ nhớ ngoài, như các loại ổ đĩa, băng từ 
 - Khối phối ghép với các thiết bị ngoại vi (vào/ra) 
 - Các bộ phận đầu vào, như bàn phím, chuột, máy quét ... . 
 - Các bộ phận đầu ra, như màn hình, máy in ... . 
2.2 Lịch sử phát triển của CPU 
2.2.1.-BXL 4 bit 
4004 là BXL đầu tiên được Intel đưa ra tháng 11 năm 1971, có tốc độ 
740KHz, khả năng xử lý 0,06 triệu lệnh mỗi giây (milion instructions per 
second - MIPS); được sản xuất trên công nghệ 10 µm, có 2.300 transistor 
(bóng bán dẫn), bộ nhớ mở rộng đến 640 byte. 
2.2.2 BXL 8bit 
8008 (năm 1972) được sử dụng trong thiết bị đầu cuối Datapoint 2200 
của Computer Terminal Corporation (CTC). 8008 có tốc độ 200kHz, sản 
xuất trên công nghệ 10 µm, với 3.500 transistor, bộ nhớ mở rộng đến 
 Bộ xử lý 
 trung tâm 
 (CPU) 
Bộ nhớ trong 
(Memory) 
ROM-RAM 
Bộ nhớ 
ngoài 
(Mass store 
 Unit) 
Phối ghép 
 vào/ra 
 (I/O) 
Thiết bị vào 
(Input Unit) 
Thiết bị ra 
(Output Unit) 
Data Bus 
Control Bus 
Adrress Bus 
16KB. 8080 (năm 1974) sử dụng trong máy tính Altair 8800, có tốc độ 
gấp 10 lần 8008 (2MHz), sản xuất trên công nghệ 6 µm, khả năng xử lý 
0,64 MIPS với 6.000 transistor, có 8 bit bus dữ liệu và 16 bit bus địa chỉ, 
bộ nhớ mở rộng tới 64KB. 8085 có tốc độ 2MHz, sản xuất trên công 
nghệ 3 µm, với 6.500 transistor, có 8 bit bus dữ liệu và 16 bit bus địa chỉ, 
bộ nhớ mở rộng 64KB. 
2.2.3.-BXL 16bit 
80186 (năm 1982) còn gọi là IAPX 186. Sử dụng chủ yếu trong những 
ứng dụng nhúng, bộ điều khiển thiết bị đầu cuối. Các phiên bản của 
80186 gồm 10 và 12 MHz. 80286 (năm 1982) sử dụng công nghệ 1,5 
µm, 134.000 transistor, bộ nhớ mở rộng tới 16 MB. Các phiên bản của 
286 gồm 6, 8, 10, 12,5, 16, 20 và 25MHz. 
2.2.4. BXL 32bit vi kiến trúc NetBurst (NetBurst micro-architecture) 
Intel386 gồm các họ 386DX, 386SX và 386SL. Intel386DX là BXL 32 
bit đầu tiên Intel giới thiệu vào năm 1985, 386 sử dụng các thanh ghi 32 
bit, có thể truyền 32 bit dữ liệu cùng lúc trên bus dữ liệu và dùng 32 bit 
để xác định địa chỉ. Cũng như BXL 80286, 80386 hoạt động ở 2 chế độ: 
real mode và protect mode. 
386SL (năm1990) được thiết kế cho thiết bị di động, sử dụng công nghệ 
1 µm, 855.000 transistor, bộ nhớ mở rộng 4GB; gồm các phiên bản 16, 
20, 25 MHz. 486DX sử dụng công nghệ 1 µm, 1,2 triệu transistor, bộ nhớ 
mở rộng 4GB; gồm các phiên bản 25 MHz, 35 MHz và 50 MHz (0,8 
µm). Pentium sử dụng công nghệ 0,8 µm chứa 3,1 triệu transistor, có các 
tốc độ 60, 66 MHz (socket 4 273 chân, PGA). Các phiên bản 75, 90, 100, 
120 MHz sử dụng công nghệ 0,6 µm chứa 3,3 triệu transistor (socket 7, 
PGA). Phiên bản 133, 150, 166, 200 sử dụng công nghệ 0,35 µm chứa 
3,3 triệu transistor (socket 7, PGA). Pentium MMX sử dụng công nghệ 
0,35 µm chứa 4,5 triệu transistor, có các tốc độ 166, 200, 233 MHz 
(Socket 7, PGA). 
2.2.5. Pentium Pro: 
Nối tiếp sự thành công của dòng Pentium, Pentium Pro được Intel giới 
thiệu vào tháng 9 năm 1995, sử dụng công nghệ 0,6 và 0,35 µm chứa 5,5 
triệu transistor, socket 8 387 chân, Dual SPGA, hỗ trợ bộ nhớ RAM tối 
đa 4GB. 
2.2.6. BXL Pentium II 
Đầu tiên, tên mã Klamath, sản xuất trên công nghệ 0,35 µm, có 7,5 triệu 
transistor, bus hệ thống 66 MHz, gồm các phiên bản 233, 266, 300MHz. 
Pentium II, tên mã Deschutes, sử dụng công nghệ 0,25 µm, 7,5 triệu 
transistor, gồm các phiên bản 333MHz (bus hệ thống 66MHz), 350, 400, 
450 MHz (bus hệ thống 100MHz). Celeron (năm 1998) được “rút gọn” từ 
kiến trúc BXL Pentium II, dành cho dòng máy cấp thấp. 
2.2.7. Pentium III (năm 1999) 
Bổ sung 70 lệnh mới (Streaming SIMD Extensions - SSE) giúp tăng hiệu 
suất hoạt động của BXL trong các tác vụ xử lý hình ảnh, audio, video và 
nhận dạng giọng nói. Pentium III gồm các tên mã Katmai, Coppermine 
và Tualatin. Coppermine sử dụng công nghệ 0,18 µm, 28,1 triệu 
transistor, bộ nhớ đệm L2 256 KB được tích hợp bên trong nhằm tăng tốc 
độ xử lý. Tualatin áp dụng công nghệ 0,13 µm có 28,1 triệu transistor, bộ 
nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB hoặc 512 KB tích hợp bên trong BXL, 
socket 370 FC-PGA (Flip-chip pin grid array), bus hệ thống 133 MHz. 
Có các tốc độ như 1133, 1200, 1266, 1333, 1400 MHz. Celeron 
Coppermine (năm 2000) được “rút gọn” từ kiến trúc BXL Pentium III 
Coppermine, còn gọi là Celeron II, được bổ sung 70 lệnh SSE. Sử dụng 
công nghệ 0,18 µm có 28,1 triệu transistor, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 
256 KB tích hợp bên trong BXL, socket 370 FC-PGA, Có các tốc độ như 
533, 566, 600, 633, 667, 700, 733, 766, 800 MHz (bus 66 MHz), 850, 
900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300 MHz (bus 100 MHz). Tualatin Celeron 
(Celeron S) (năm 2000) được “rút gọn” từ kiến trúc BXL Pentium III 
Tualatin, áp dụng công nghệ 0,13 µm, bộ nhớ đệm L1 32KB, L2 256 KB 
tích hợp, socket 370 FC-PGA, bus hệ thống 100 MHz, gồm các tốc độ 
1,0, 1,1, 1,2, 1,3 và 1,4 GHz. 
2.2.8. Pentium 4 
Intel Pentium 4 (P4) là BXL thế hệ thứ 7 dòng x86 phổ thông, được giới 
thiệu vào tháng 11 năm 2000. P4 sử dụng vi kiến trúc NetBurst có thiết 
kế hoàn toàn mới so với các BXL cũ (PII, PIII và Celeron sử dụng vi kiến 
trúc P6). Một số công nghệ nổi bật được áp dụng trong vi kiến trúc 
NetBurst như Hyper Pipelined Technology mở rộng số hàng lệnh xử lý, 
Execution Trace Cache tránh tình trạng lệnh bị chậm trễ khi chuyển từ bộ 
nhớ đến CPU, Rapid Execution Engine tăng tốc bộ đồng xử lý toán học, 
bus hệ thống (system bus) 400 MHz và 533 MHz; các công nghệ 
Advanced Transfer Cache, Advanced Dynamic Execution, Enhanced 
Floating point và Multimedia Unit, Streaming SIMD Extensions 2 
(SSE2) cũng được cải tiến nhằm tạo ra những BXL tốc độ cao hơn, khả 
năng tính toán mạnh hơn, xử lý đa phương tiện tốt hơn. Pentium 4 đầu 
tiên (tên mã Willamette) xuất hiện cuối năm 2000 đặt dấu chấm hết cho 
"triều đại" Pentium III. Willamette sản xuất trên công nghệ 0,18 µm, có 
42 triệu transistor (nhiều hơn gần 50% so với Pentium III), bus hệ thống 
(system bus) 400 MHz, bộ nhớ đệm tích hợp L2 256 KB, socket 423 và 
478. P4 Willamette có một số tốc độ như 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 
2,0 GHz. P4 Northwood. Xuất hiện vào tháng 1 năm 2002, được sản xuất 
trên công nghệ 0,13 µm, có khoảng 55 triệu transistor, bộ nhớ đệm tích 
hợp L2 512 KB, socket 478. Northwood có 3 dòng gồm Northwood A 
(system bus 400 MHz), tốc độ 1,6, 1,8, 2,0, 2,2, 2,4, 2,5, 2,6 và 2,8 GHz. 
Northwood B (system bus 533 MHz), tốc độ 2,26, 2,4, 2,53, 2,66, 2,8 và 
3,06 GHz (riêng 3,06 GHz có hỗ trợ công nghệ siêu phân luồng Hyper 
Threading - HT). Northwood C (system bus 800 MHz, tất cả hỗ trợ HT), 
gồm 2,4, 2,6, 2,8, 3,0, 3,2, 3,4 GHz. P4 Prescott (năm 2004). Là BXL 
đầu tiên Intel sản xuất theo công nghệ 90 nm, kích thước vi mạch giảm 
50% so với P4 Willamette. Điều này cho phép tích hợp nhiều transistor 
hơn trên cùng kích thước (125 triệu transistor so với 55 triệu transistor 
của P4 Northwood), tốc độ chuyển đổi của transistor nhanh hơn, tăng khả 
năng xử lý, tính toán. Dung lượng bộ nhớ đệm tích hợp L2 của P4 
Prescott gấp đôi so với P4 Northwood (1MB so với 512 KB). Ngoài tập 
lệnh MMX, SSE, SSE2, Prescott được bổ sung tập lệnh SSE3 giúp các 
ứng dụng xử lý video và game chạy nhanh hơn. Đây là giai đoạn "giao 
thời" giữa socket 478 - 775LGA, system bus 5 ... các đĩa từ lên nó, chúng được nối trực tiếp với động 
cơ quay đĩa cứng. Trục quay có nhiệm vụ truyền chuyển động quay từ động 
cơ đến các đĩa từ. Trục quay thường chế tạo bằng các vật liệu nhẹ (như hợp 
kim nhôm) và được chế tạo tuyệt đối chính xác để đảm bảo trọng tâm của 
chúng không được sai lệch - bởi chỉ một sự sai lệch nhỏ có thể gây lên sự 
rung lắc của toàn bộ đĩa cứng khi làm việc ở tốc độ cao, dẫn đến quá trình 
đọc/ghi không chính xác. 
* Đầu đọc/ghi 
Đầu đọc đơn giản được cấu tạo gồm lõi ferit (trước đây là lõi sắt) và cuộn 
dây (giống như nam châm điện). Gần đây các công nghệ mới hơn giúp cho 
ổ đĩa cứng hoạt động với mật độ xít chặt hơn như: chuyển các hạt từ sắp xếp 
theo phương vuông góc với bề mặt đĩa nên các đầu đọc được thiết kế nhỏ 
gọn và phát triển theo các ứng dụng công nghệ mới. Đầu đọc trong đĩa cứng 
có công dụng đọc dữ liệu dưới dạng từ hoá trên bề mặt đĩa từ hoặc từ hoá 
lên các mặt đĩa khi ghi dữ liệu. Số đầu đọc ghi luôn bằng số mặt hoạt động 
được của các đĩa cứng, có nghĩa chúng nhỏ hơn hoặc bằng hai lần số đĩa 
(nhỏ hơn trong trường hợp ví dụ hai đĩa nhưng chỉ sử dụng 3 mặt). 
* Cần di chuyển đầu đọc/ghi 
Cần di chuyển đầu đọc/ghi là các thiết bị mà đầu đọc/ghi gắn vào nó. Cần có 
nhiệm vụ di chuyển theo phương song song với các đĩa từ ở một khoảng 
cách nhất định, dịch chuyển và định vị chính xác đầu đọc tại các vị trí từ 
mép đĩa đến vùng phía trong của đĩa (phía trục quay). Các cần di chuyển đầu 
đọc được di chuyển đồng thời với nhau do chúng được gắn chung trên một 
trục quay (đồng trục), có nghĩa rằng khi việc đọc/ghi dữ liệu trên bề mặt 
(trên và dưới nếu là loại hai mặt) ở một vị trí nào thì chúng cũng hoạt động 
cùng vị trí tương ứng ở các bề mặt đĩa còn lại. Sự di chuyển cần có thể thực 
hiện theo hai phương thức: 
• Sử dụng động cơ bước để truyền chuyển động. 
• Sử dụng cuộn cảm để di chuyển cần bằng lực từ. 
* Hoạt động Giao tiếp với máy tính 
Cơ chế đọc và ghi dữ liệu ở ổ đĩa cứng không đơn thuần thực hiện từ theo 
tuần tự mà chúng có thể truy cập và ghi dữ liệu ngẫu nhiên tại bất kỳ điểm 
nào trên bề mặt đĩa từ, đó là đặc điểm khác biệt nổi bật của ổ đĩa cứng so với 
các hình thức lưu trữ truy cập tuần tự (như băng từ). 
Thông qua giao tiếp với máy tính, khi giải quyết một tác vụ, CPU sẽ đòi hỏi 
dữ liệu (nó sẽ hỏi tuần tự các bộ nhớ khác trước khi đến đĩa cứng mà thứ tự 
thường là cache L1-> cache L2 ->RAM) và đĩa cứng cần truy cập đến các dữ 
liệu chứa trên nó. Không đơn thuần như vậy CPU có thể đòi hỏi nhiều hơn 
một tập tin dữ liệu tại một thời điểm, khi đó sẽ xảy ra các trường hợp: 
1. Ổ đĩa cứng chỉ đáp ứng một yêu cầu truy cập dữ liệu trong một 
thời điểm, các yêu cầu được đáp ứng tuần tự. 
2. Ổ đĩa cứng đồng thời đáp ứng các yêu cầu cung cấp dữ liệu 
theo phương thức riêng của nó. 
Trước đây đa số các ổ đĩa cứng đều thực hiện theo phương thức 1, có nghĩa 
là chúng chỉ truy cập từng tập tin cho CPU. Ngày nay các ổ đĩa cứng đã 
được tích hợp các bộ nhớ đệm (cache) cùng các công nghệ riêng của chúng 
(TCQ, NCQ) giúp tối ưu cho hành động truy cập dữ liệu trên bề mặt đĩa nên 
ổ đĩa cứng sẽ thực hiện theo phương thức thứ 2 nhằm tăng tốc độ chung cho 
toàn hệ thống. 
* Đọc và ghi dữ liệu trên bề mặt đĩa 
Sự hoạt động của đĩa cứng cần thực hiện đồng thời hai chuyển động: 
Chuyển động quay của các đĩa và chuyển động của các đầu đọc. Sự quay 
của các đĩa từ được thực hiện nhờ các động cơ gắn cùng trục (với tốc độ rất 
lớn: từ 3600 rpm cho đến 15.000 rpm) chúng thường được quay ổn định tại 
một tốc độ nhất định theo mỗi loại ổ đĩa cứng. Khi đĩa cứng quay đều, cần di 
chuyển đầu đọc sẽ di chuyển đến các vị trí trên các bề mặt chứa phủ vật liệu 
từ theo phương bán kính của đĩa. Chuyển động này kết hợp với chuyển 
động quay của đĩa có thể làm đầu đọc/ghi tới bất kỳ vị trí nào trên bề mặt 
đĩa.Tại các vị trí cần đọc ghi, đầu đọc/ghi có các bộ cảm biến với điện 
trường để đọc dữ liệu (và tương ứng: phát ra một điện trường để xoay hướng 
các hạt từ khi ghi dữ liệu). Dữ liệu được ghi/đọc đồng thời trên mọi đĩa. 
Việc thực hiện phân bổ dữ liệu trên các đĩa được thực hiện nhờ các mạch 
điều khiển trên bo mạch của ổ đĩa cứng. 
5.2.2 Các công nghệ chế tạo ổ đĩa cứng 
5.2.2.1 S.M.A.R.T 
S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology) là công 
nghệ tự động giám sát, chuẩn đoán và báo cáo các hư hỏng có thể xuất hiện 
của ổ đĩa cứng để thông qua BIOS, các phần mềm thông báo cho người sử 
dụng biết trước sự hư hỏng để có các hành động chuẩn bị đối phó (như sao 
chép dữ liệu dự phòng hoặc có các kế hoạch thay thế ổ đĩa cứng mới). 
Trong thời gian gần đây S.M.AR.T được coi là một tiêu chuẩn quan trọng 
trong ổ đĩa cứng. S.M.A.R.T chỉ thực sự giám sát những sự thay đổi, ảnh 
hưởng của phần cứng đến quá trình lỗi xảy ra của ổ đĩa cứng (mà theo hãng 
Seagate thì sự hư hỏng trong đĩa cứng chiếm tới 60% xuất phát từ các vấn 
đề liên quan đến cơ khí): Chúng có thể bao gồm những sự hư hỏng theo thời 
gian của phần cứng: đầu đọc/ghi (mất kết nối, khoảng cách làm việc với bề 
mặt đĩa thay đổi), động cơ (xuống cấp, rơ rão), bo mạch của ổ đĩa (hư hỏng 
linh kiện hoặc làm việc sai). 
S.M.A.R.T không nên được hiểu là từ "smart" bởi chúng không 
làm cải thiện đến tốc độ làm việc và truyền dữ liệu của ổ đĩa 
cứng. Người sử dụng có thể bật (enable) hoặc tắt (disable) 
chức năng này trong BIOS (tuy nhiên không phải BIOS của 
hãng nào cũng hỗ trợ việc can thiệp này). 
Ổ cứng lai (hybrid hard disk drive) 
Ổ cứng lai (hybrid hard disk drive) là các ổ đĩa cứng thông thường được gắn 
thêm các phần bộ nhớ flash trên bo mạch của ổ đĩa cứng. Cụm bộ nhớ này 
hoạt động khác với cơ chế làm việc của bộ nhớ đệm (cache) của ổ đĩa cứng: 
Dữ liệu chứa trên chúng không bị mất đi khi mất điện. 
Trong quá trình làm việc của ổ cứng lai, vai trò của phần bộ nhớ flash như 
sau: 
• Lưu trữ trung gian dữ liệu trước khi ghi vào đĩa cứng, chỉ khi 
máy tính đã đưa các dữ liệu đến một mức nhất định (tuỳ từng 
loại ổ cứng lai) thì ổ đĩa cứng mới tiến hành ghi dữ liệu vào các 
đĩa từ, điều này giúp sự vận hành của ổ đĩa cứng tối hiệu quả 
và tiết kiệm điện năng hơn nhờ việc không phải thường xuyên 
hoạt động. 
• Giúp tăng tốc độ giao tiếp với máy tính: Việc đọc dữ liệu từ bộ 
nhớ flash nhanh hơn so với việc đọc dữ liệu tại các đĩa từ. 
• Giúp hệ điều hành khởi động nhanh hơn nhờ việc lưu các tập 
tin khởi động của hệ thống lên vùng bộ nhớ flash. 
• Kết hợp với bộ nhớ đệm của ổ đĩa cứng tạo thành một hệ 
thống hoạt động hiệu quả. 
Những ổ cứng lai được sản xuất hiện nay thường sử dụng bộ nhớ flash với 
dung lượng khiêm tốn ở 256 MB bởi chịu áp lực của vấn đề giá thành sản 
xuất. Do sử dụng dung lượng nhỏ như vậy nên chưa cải thiện nhiều đến việc 
giảm thời gian khởi động hệ điều hành, dẫn đến nhiều người sử dụng chưa 
cảm thấy hài lòng với chúng. Tuy nhiên người sử dụng thường khó nhận ra 
sự hiệu quả của chúng khi thực hiện các tác vụ thông thường hoặc việc tiết 
kiệm năng lượng của chúng. 
Hiện ổ cứng lai có giá thành khá đắt (khoảng vài trăm USD cho dung lượng 
vài chục GB) nên chúng mới được sử dụng trong một số loại máy tính xách 
tay cao cấp. 
5.2.3 Thông số và đặc tính của HDD 
* Dung lượng 
Dung lượng ổ đĩa cứng được tính bằng: (số byte/sector) × (số sector/track) × 
(số cylinder) × (số đầu đọc/ghi). 
Dung lượng của ổ đĩa cứng tính theo các đơn vị dung lượng cơ bản thông 
thường: byte, kB MB, GB, TB. 
Đa số các hãng sản xuất đều tính dung lượng theo cách có lợi (theo 
cách tính 1 GB = 1000 MB mà thực ra phải là 1 GB = 1024 MB) nên 
dung lượng mà hệ điều hành (hoặc các phần mềm kiểm tra) nhận ra 
của ổ đĩa cứng thường thấp hơn so với dung lượng ghi trên nhãn đĩa 
(ví dụ ổ đĩa cứng 40 GB thường chỉ đạt khoảng 37-38 GB). 
* Tốc độ quay của ổ đĩa cứng 
Tốc độ quay của đĩa cứng thường được ký hiệu bằng rpm (viết tắt của từ 
tiếng Anh: revolutions per minute) số vòng quay trong một phút. 
Tốc độ quay càng cao thì ổ càng làm việc nhanh do chúng thực hiện đọc/ghi 
nhanh hơn, thời giam tìm kiếm thấp. 
Các tốc độ quay thông dụng thường là: 
• 5.400 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng 3,5” sản xuất cách 
đây 2-3 năm; với các ổ đĩa cứng 2,5” cho các máy tính xách 
tay hiện nay đã chuyển sang tốc độ 5400 rpm để đáp ứng nhu 
cầu đọc/ghi dữ liệu nhanh hơn. 
• 7.200 rpm: Thông dụng với các ổ đĩa cứng sản xuất trong thời 
gian hiện tại (2007) 
• 10.000 rpm, 15.000 rpm: Thường sử dụng cho các ổ đĩa cứng 
trong các máy tính cá nhân cao cấp, máy trạm và các máy chủ 
có sử dụng giao tiếp SCSI 
5.2.4 Các thông số về thời gian trong ổ đĩa cứng 
* Thời gian tìm kiếm trung bình 
Thời gian tìm kiếm trung bình (Average Seek Time) là khoảng thời gian 
trung bình (theo mili giây: ms) mà đầu đọc có thể di chuyển từ một cylinder 
này đến một cylinder khác ngẫu nhiên (ở vị trí xa chúng). Thời gian tìm 
kiếm trung bình được cung cấp bởi nhà sản xuất khi họ tiến hành hàng loạt 
các việc thử việc đọc/ghi ở các vị trí khác nhau rồi chia cho số lần thực hiện 
để có kết quả thông số cuối cùng.Thông số này càng thấp càng tốt. 
Thời gian tìm kiếm trung bình không kiểm tra bằng các phần mềm bởi các 
phần mềm không can thiệp được sâu đến các hoạt động của ổ đĩa cứng. 
* Thời gian truy cập ngẫu nhiên 
Thời gian truy cập ngẫu nhiên (Random Access Time): Là khoảng thời gian 
trung bình để đĩa cứng tìm kiếm một dữ liệu ngẫu nhiên. Tính bằng mili 
giây (ms). 
Đây là tham số quan trọng do chúng ảnh hưởng đến hiệu năng làm việc của 
hệ thống, do đó người sử dụng nên quan tâm đến chúng khi lựa chọn giữa 
các ổ đĩa cứng. Thông số này càng thấp càng tốt. 
Tham số: Các ổ đĩa cứng sản xuất gần đây (2007) có thời gian truy cập ngẫu 
nhiên trong khoảng: 5 đến 15 ms. 
* Thời gian làm việc tin cậy 
Thời gian làm việc tin cậy MTBF: (Mean Time Between Failures) được tính 
theo giờ (hay có thể hiểu một cách đơn thuần là tuổi thọ của ổ đĩa cứng). 
Đây là khoảng thời gian mà nhà sản xuất dự tính ổ đĩa cứng hoạt động ổn 
định mà sau thời gian này ổ đĩa cứng có thể sẽ xuất hiện lỗi (và không đảm 
bảo tin cậy). 
Một số nhà sản xuất công bố ổ đĩa cứng của họ hoạt động với tốc độ 10.000 
rpm với tham số: MTBF lên tới 1 triệu giờ, hoặc với ổ đĩa cứng hoạt động ở 
tốc độ 15.000 rpm có giá trị MTBF đến 1,4 triệu giờ thì những thông số này 
chỉ là kết quả của các tính toán trên lý thuyết. Hãy hình dung số năm mà nó 
hoạt động tin cậy (khi chia thông số MTBF cho (24 giờ/ngày × 365 
ngày/năm) sẽ thấy rằng nó có thể dài hơn lịch sử của bất kỳ hãng sản xuất ổ 
đĩa cứng nào, do đó người sử dụng có thể không cần quan tâm đến thông số 
này. 
* Bộ nhớ đệm 
Bộ nhớ đệm (cache hoặc buffer) trong ổ đĩa cứng cũng giống như RAM của 
máy tính, chúng có nhiệm vụ lưu tạm dữ liệu trong quá trình làm việc của ổ 
đĩa cứng. 
Độ lớn của bộ nhớ đệm có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất hoạt động của ổ 
đĩa cứng bởi việc đọc/ghi không xảy ra tức thời (do phụ thuộc vào sự di 
chuyển của đầu đọc/ghi, dữ liệu được truyền tới hoặc đi) sẽ được đặt tạm 
trong bộ nhớ đệm. 
Đơn vị thường bính bằng kB hoặc MB. 
Trong thời điểm năm 2007, dung lượng bộ nhớ đệm thường là 2 hoặc 8 MB 
cho các loại ổ đĩa cứng dung lượng đến khoảng 160 GB, với các ổ đĩa cứng 
dụng lượng lớn hơn chúng thường sử dụng bộ nhớ đệm đến 16 MB hoặc cao 
hơn. Bộ nhớ đệm càng lớn thì càng tốt, nhưng hiệu năng chung của ổ đĩa 
cứng sẽ chững lại ở một giá trị bộ nhớ đệm nhất định mà từ đó bộ nhớ đệm 
có thể tăng lên nhưng hiệu năng không tăng đáng kể. 
• Hệ điều hành cũng có thể lấy một phần bộ nhớ của hệ thống (RAM) 
để tạo ra một bộ nhớ đệm lưu trữ dữ liệu được lấy từ ổ đĩa cứng 
nhằm tối ưu việc xử lý đối với các dữ liệu thường xuyên phải truy 
cập, đây chỉ là một cách dùng riêng của hệ điều hành mà chúng 
không ảnh hưởng đến cách hoạt động hoặc hiệu suất vốn có của 
mỗi loại ổ đĩa cứng. Có rất nhiều phần mềm cho phép tinh chỉnh 
các thông số này của hệ điều hành tuỳ thuộc vào sự dư thừa RAM 
trên hệ thống. 
5.2.4 Các chuẩn kết nối ổ cứng 
Hiện nay ổ cứng gắn trong có 2 chuẩn kết nối thông dụng là IDE và 
SATA. 
IDE (EIDE) 
Parallel ATA (PATA) hay còn được gọi là EIDE (Enhanced 
intergrated drive electronics) được biết đến như là 1 chuẩn kết nối ổ 
cứng thông dụng hơn 10 năm nay. Tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa là 
100 MB/giây. Các bo mạch chủ mới nhất hiện nay gần như đã bỏ 
hẳn chuẩn kết nối này, tuy nhiên, người dùng vẫn có thể mua loại 
card PCI EIDE Controller nếu muốn sử dụng tiếp ổ cứng EIDE. 
SATA (Serial ATA) 
Nhanh chóng trở thành chuẩn kết nối mới trong công nghệ ổ cứng 
nhờ vào những khả năng ưu việt hơn chuẩn IDE về tốc độ xử lý và 
truyền tải dữ liệu. SATA là kết quả của việc làm giảm tiếng ồn, tăng 
các luồng không khí trong hệ thống do những dây cáp SATA hẹp hơn 
400% so với dây cáp IDE. Tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa lên đến 150 
- 300 MB/giây. Đây là lý do vì sao ta không nên sử dụng ổ cứng IDE 
chung với ổ cứng SATA trên cùng một hệ thống. Ổ cứng IDE sẽ 
“kéo” tốc độ ổ cứng SATA bằng với mình, khiến ổ cứng SATA không 
thể hoạt động đúng với “sức lực” của mình. Ngày nay, SATA là 
chuẩn kết nối ổ cứng thông dụng nhất và cũng như ở trên, ta có thể 
áp dụng card PCI SATA Controller nếu bo mạch chủ không hỗ trợ 
chuẩn kết nối này 
các phiên bản Windows 2000/XP/2003/Vista hay phần mềm sẽ nhận 
dạng và tương thích tốt với cả ổ cứng IDE lẫn SATA. Tuy vậy, cách 
thức cài đặt chúng vào hệ thống thì khác nhau. Do đó, ta cần biết 
cách phân biệt giữa ổ cứng IDE và SATA để có thể tự cài đặt vào hệ 
thống của mình khi cần thiết. Cách thức đơn giản nhất để phân biệt 
là nhìn vào phía sau của ổ cứng, phần kết nối của nó. Ổ cứng PATA 
(IDE) với 40-pin kết nối song song, phần thiết lập jumper (10-pin với 
thiết lập master/slave/cable select) và phần nối kết nguồn điện 4-pin, 
độ rộng là 3,5-inch. Có thể gắn 2 thiết bị IDE trên cùng 1 dây cáp, có 
nghĩa là 1 cáp IDE sẽ có 3 đầu kết nối, 1 sẽ gắn kết vào bo mạch chủ 
và 2 đầu còn lại sẽ vào 2 thiết bị IDE. 
Ổ cứng SATA có cùng kiểu dáng và kích cỡ, về độ dày có thể sẽ 
mỏng hơn ổ cứng IDE do các hãng sản xuất ổ cứng ngày càng cải 
tiến về độ dày. Điểm khác biệt dễ phân biệt là kiểu kết nối điện mà 
chúng yêu cầu để giao tiếp với bo mạch chủ, đầu kết nối của ổ cứng 
SATA sẽ nhỏ hơn, nguồn đóng chốt, jumper 8-pin và không có phần 
thiết lập Master/Slave/Cable Select, kết nối Serial ATA riêng biệt. 
Cáp SATA chỉ có thể gắn kết 1 ổ cứng SATA. 
* Hai chuẩn kết nối cho ổ cứng gắn ngoài là USB, FireWire. Ưu điểm 
của 2 loại kết nối này so với IDE và SATA là chúng có thể cắm 
“nóng” rồi sử dụng ngay chứ không cần phải khởi động lại hệ thống. 
CHƯƠNG 6: LẮP RÁP CÀI ĐẶT MÁY TÍNH 
§ 6.1. Khảo sát, lắp ráp các thành phần phần cứng máy tính 
§ 6.2. Khảo sát BIOS – đọc hiểu catalog 
§ 6.3. Cài đặt WINDOWS XP, các driver thiết bị 
§ 6.4. Phân chia, định dạng đĩa cứng bằng WINDOWS 
§ 6.5. Cài đặt phần mềm ứng dụng 
CHƯƠNG 7: SAO LƯU PHỤC HỒI DỮ LIỆU 
§ 7.1. Phân chia đĩa. 
§ 7.2. Backup, restore. 
§ 7.3. Tạo file Image cho 1 partition. 
§ 7.4. Phục hồi partition từ file Image đã tạo. 
CHƯƠNG 8: BẢO MẬT VỚI REGISTRY, GROUP POLICY 
§ 8.1. Giới thiệu 
§ 8.2. Cấu hình máy tính với Registry, Group Policy 
§ 8.3. Bảo vệ máy tính với Registry, Group Policy