Bo mạch chủ hoạt động như thế nào?

[quote]Bo mạch chủ đã được xem như một khái niệm mới khi máy tính cá nhân và máy tính nhỏ (Microcomputer) đang dần trở nên phổ biến. Trước khi có các mạch tích hợp, các thành phần riêng biệt của máy tính được lắp trên các bo mạch khác nhau hoặc các thành phần khác nhau được lắp trên nhiều bo mạch. Ngày nay, các thành phần ấy tập trung hoạt động trên cùng một bo mạch gọi là bo mạch chủ. Các nhà sản xuất bo mạch chủ cũng đạt được những bước tiến xa hơn trong việc tích hợp thêm nhiều bo mạch mở rộng thông dụng khác như đồ họa, âm thanh, mạng và các mạch điều khiển ổ đĩa,… Bất kỳ một bo mạch chủ nào cũng đều được thiết kế để hỗ trợ các thành phần chính sau: bộ vi xử lý (BXL), bộ nhớ và các hệ thống vào/ra (I/O) và được chứa trong cùng một thùng máy. Hai yếu tố chính xác định một bo mạch chủ: 1/ Tốc độ và loại bộ vi xử lý. 2/ Kiến trúc Bus. Chính vì lẽ đó, bo mạch chủ đã và sẽ thay đổi tương ứng với mỗi lần nhà SX tung ra các BXL và kiến trúc Bus mới. Các BXL nhanh hơn sẽ cho tốc độ trình diễn tốt hơn bên cạnh các kiến trúc Bus mới sẽ gia tăng tốc độ truyền tải dữ liệu. Ở các máy tính cá nhân thế hệ đầu tiên, độ rộng của kiến trúc Bus là 8 bit và chỉ có thể truyền tải dữ liệu ở tốc độ 1 Mb/s nhưng kết quả của sự cải tiến và phát triển kiến trúc Bus đã cho thấy sự cải thiện tốc độ rõ rệt như tuyến ISA 16 bit cho tốc độ truyền tải lên 8 Mb/s, tuyến VESA 32 bit cung cấp tốc độ 150 Mb/s, tiếp theo là PCI 32 bit hoặc 64 bit hỗ trợ 264 Mb/s và tuyến AGP 64 bit mới hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu trên 528 Mb/s. Việc mở rộng kiến trúc bus kéo theo nhiều thay đổi và cải tiến nhưng luôn luôn mang tính tương thích ngược. Vì vậy một bo điều hợp được thiết kế cho các máy tính cá nhân IBM nguyên thủy vẫn có thể làm việc tốt trên các hệ thống Pentium mới. Thực chất của việc mở rộng kiến trúc bus là mở rộng tuyến nội của bộ vi xử lý và mở rộng các chip thêm vào để hỗ trợ việc truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA -Direct Memory Access), các ngắt (Interupts), các bộ đếm (Counters), bộ tính thời gian, các cầu nối và bộ đệm. BXL trên bo mạch chủ thế hệ mới được xem như là bộ phận quan trọng nhất và được lắp trên đế cắm (socket) thay vì hàn trực tiếp như trước đây. Các đế cắm được thiết kế cho phép cắm nhiều loại BXL có tốc độ khác nhau. Từ đó, người sử dụng có thể nâng cấp lên các BXL mạnh hơn. Khi lắp đặt BXL, bạn phải gắm nó vào đế cắm này nhưng lưu ý là lực ép cho phép rất nhỏ. BXL sẽ được khóa với một bẫy khóa, kẹp các chân của nó vào đế cắm. Ngoài ra, cũng có các bo mạch chủ cho phép lắp nhiều hơn một BXL. Thường các bo mạch chủ loại này được dùng trong các hệ thống máy tính trạm hoặc máy chủ cần đến năng lực xử lý lớn. BXL giao tiếp với bộ nhớ hệ thống (DRAM-Dynamic Random Access Memory) qua một cầu nối. Tuy nhiên, tốc độ bộ nhớ hệ thống hiện tại vẫn chưa bắt kịp tốc độ của các BXL thế hệ mới. Trong khi đó, chiếc cầu nối lại bị ảnh hưởng đáng kể bởi thời gian trể, mạch ghép và tốc độ "làm tươi" của DRAM. Có một loại bộ nhớ nhỏ hơn gọi là bộ nhớ đệm (cache) được đặt giữa BXL và DRAM. Bộ nhớ đệm có tốc độ nhanh hơn rất nhiều so với bộ nhớ DRAM và trên các BXL thế hệ mới nó được đặt trên cùng một "bánh" silicon với BXL và có cùng tốc độ với tốc độ của BXL. Bộ nhớ đệm truyền thống được thiết kế sử dụng loại RAM tĩnh, được lắp trên các khối nhỏ và được quản lý bởi mạch điều khiển cache. Mạch điều khiển DRAM trên các bo mạch thế hệ mới nằm trên cùng một chip như mạch điều khiển cache. Mạch điều khiển cache nạp dữ liệu vào SRAM từ DRAM, do đó các dữ liệu và chỉ lệnh được truyền đến BXL với tốc độ cao nhất. Tuyến nội của BXL được nối đến các tuyến PCI và ISA bằng các chip cầu nối. Chip cầu nối bus PCI thay đổi thiết kế cùng với sự thay đổi của mỗi BXL. Cầu nối ISA bao gồm tất cả các thiết kế lõi dành cho tuyến 16 bit kiểu AT của các máy tính cá nhân IBM nguyên thủy, bao gồm mạch điều khiển DMA 8237, mạch điều khiển ngắt 8259, và các chíp đếm/tính thời gian 8254. Chíp này cho phép tương thích ngược với các giao tiếp và thiết bị mở rộng loại cũ. Dynamic Random Access Memory – Ram động Một loại chip nhớ truy cập ngẫu nhiên ( RAM), biểu hiện các trạng thái nhớ bằng những tụ tích trữ điện tích. Vì các tụ điện này thường xuyên bị mất điện tích của mình, cho nên các chip DRAM phải được "làm tươi" lại liên tục (vì vậy gọi là "động"). Ở các máy tính cá nhân đời đầu, cổng và thiết bị điều khiển bàn phím được kết hợp trên bo mạch chủ. Trong khi các thiết kế mới hiện nay cho phép cổng nối tiếp (Serial) được tích hợp ngay trên bo mạch chủ. Bàn phím sử dụng bộ điều hợp giao tiếp nối tiếp để truyền và nhận dữ liệu 1 bit tại một thời điểm, cho đến khi một khối dữ liệu hoặc 1 lệnh được truyền đi hết. Bàn phím và mạch điều khiển là loại đẳng thời nghĩa là dữ liệu và xung đồng hồ truyền, được đồng bộ hóa trên đường xung nối tiếp và trên các cạnh của tín hiệu đồng hồ. (Thiết bị điều hợp thiết lập một bit trên đường dữ liệu nối tiếp sau đó chuyển sang đường xung đồng hồ nối tiếp trên bộ điều hợp, mỗi lần đường cổng nối tiếp chuyển trạng thái, bàn phím sẽ hồi đáp bằng cách truyền dữ liệu đến bo mạch chủ). Bàn phím AT sử dụng đầu nối DIN 5-chân. Bàn phím PS/2 sử dụng bộ điều hợp DIN mini 6-chân. Cổng PS/2 được tìm thấy trên tất cả các bo mạch chủ kiểu ATX. Chip 8042 trên bo mạch chủ hỗ trợ một thiết bị phụ thứ hai, thường dùng nhất là chuột PS/2. Các tín hiệu giao tiếp dữ liệu và xung đồng hồ nối tiếp của bàn phím nối với chip 8042 sẽ lần lượt nối với tuyến 8 bit, tuyến ISA phụ hoặc tuyến X-nối với tuyến nội bằng cách sử dụng chip cầu nối PCI đến ISA (như đã đề cập phía trên). Bộ vi điều khiển 8042 gửi và nhận các lệnh, trạng thái và dữ liệu đến BXL bằng cách sử dụng các ngắt level 1 cho bàn phím và level 12 cho chuột PS/2. Bàn phím cũng có một mạch điều khiển nối với các tín hiệu dữ liệu và đồng hồ để giao tiếp với mạch điều khiển bàn phím. ROM BIOS (Read Only Memory Basic Input Output System) là một thiết bị chứa phần mềm để nạp hệ điều hành cơ bản đầu tiên từ thiết bị khởi động và thực hiện các bước tự kiểm tra lúc bật máy (Power on self-Tests-POST). Các BIOS mới hỗ trợ thêm các tính năng như Cắm và Chạy (Plug and Play – PnP), ACPI (Advanced Configuration Peripheral Interface, USB (Universal Serial BUS), Software Power-Off (tắt máy bằng phần mềm) và cổng AGP (Accelerated Graphics Port). Tất cả các bo mạch chủ từ thời máy tính cá nhân IBM đầu tiên đều có một đồng hồ thời gian thực (Real Time Clock-RTC) và một chíp tính Lịch (Calendar). Thiết bị này chứa một lượng nhỏ bộ nhớ không linh động. Ngay cả khi hệ thống tắt điện, các thiết bị này vẫn tiếp tục chạy, do được nuôi từ nguồn năng lượng Pin (cũng được lắp sẵn trên bo mạch chủ). Thiết bị RTC/Calendar cung cấp dữ liệu ngày và giờ cho HĐH và có độ chính xác tương đối. Chúng chứa dữ liệu cấu hình cơ bản trong bộ nhớ không linh động. Nhưng nếu bạn ngắt kết nối Pin hoặc xảy ra tình trạng hết Pin, các thông tin cấu hình sẽ bị mất. Các bo mạch chủ hiện nay hỗ trợ ngay trên bo 2 cổng Enhanced ATA (IDE). Chuẩn giao tiếp ổ đĩa này đã có một vài cải tiến cho phép hỗ trợ 4 ổ đĩa vật lý và tốc độ truyền dữ liệu cũng được gia tăng một cách đáng kể. Giới hạn sức chứa của đĩa cứng cũng tăng và việc hỗ trợ ổ CD-ROM thông qua chuẩn ATAPI (AT Attached Packet Interface) cũng được thêm vào. Nhiều tốc độ và chế độ truyền dữ liệu được phát triển như chuẩn truyền dữ liệu PIO (Programmed I/O) và single word hay multiword DMA. Chuẩn single word DMA truyền 16 bit dữ liệu trên một yêu cầu truyền DMA và chuẩn Multiword DMA truyền 16 bit dữ liệu liên tục trong khi khi tín hiệu DMA bật. Trên các bo mạch chủ mới, tất cả 4 kênh IDE đều có khả năng làm chủ tuyến (Bus mastering) và có thể thiết lập nhiều tùy chọn khởi động thay vì A: C: hoặc C: A:. Cùng với việc hỗ trợ IDE (Intelligent Drive Electronics), các bo mạch chủ thế hệ mới còn bao gồm hai cổng giao tiếp nối tiếp hỗ trợ giao tiếp truyền không đồng bộ tiêu chuẩn qua cổng giao tiếp RS 232C. Qua nhiều năm, cổng giao tiếp nối tiếp của PC được nâng cấp bằng một loạt các thiết bị UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Thiết bị NS16550 mới nhất cung cấp bộ đệm FIFO 16 Byte cho việc nhận và truyền dữ liệu và nó giới hạn nhu cầu của máy tính để phục vụ cho mỗi quá trình giao dịch dữ liệu bằng cách phục vụ (các ngắt) theo khối. Thiết bị hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 115 Kb/s. Gần như mỗi PC thế hệ mới được tích hợp sẵn các bộ điều hợp và các cổng song song. Các cổng này được biết đến dưới những cái tên như Parallel, LPT, PRN, IEEE 1284 và cổng máy in song song... Máy PC nguyên thủy hỗ trợ 1 cổng máy in 8 bit có tốc độ truyền tải là 150 Kb/s. Sau khi giao tiếp được cải tiến, nó được cho phép truyền dữ liệu trực tiếp 8 bit và cho phép kết nối với các thiết bị không phải máy in. Bên cạnh đó, cổng song song cũng được cải thiện hơn nữa với các chế độ truyền tải tốc độ cao cộng thêm và tăng cường thêm giao thức ghép nối cũng như hỗ trợ các vòng lệnh, vòng dữ liệu và đánh địa chỉ cho nhiều thiết bị luận lý. Một thiết bị khác cũng được tích hợp trên bo mạch chủ là cổng hồng ngoại (Infrared Port). Tuy nhiên, thiết bị này thường chỉ được tích hợp sẵn trên các máy tính xách tay. Và khi hoạt động, nó sẽ chiếm tài nguyên của một cổng COM. Bộ đệm nhỏ nằm ngay trên BXL được gọi là bộ đệm L1 và bộ đệm lớn hơn ở bên ngoài gọi là bộ đệm L2. Bộ đệm L1 nhận dữ liệu từ bộ đệm L2, còn bộ đệm L2 thì nhận dữ liệu từ bộ nhớ hệ thống (DRAM). Bộ đệm L2 thông thường có kích thước là 256 Kb. Việc gia tăng kích thước bộ đệm sẽ giảm hiệu quả khi kích thước vượt quá 1 MB. Đầu kết nối nguồn ATX trên bo mạch chủ cung cấp kết nối dạng socket cho đầu nối 20-chân từ bộ nguồn ATX và hỗ trợ chuẩn ACPI. Có nhiều kiểu kết nối và chức năng mới sẽ làm việc với bộ nguồn ATX như Software Power-Off, Modem Ring Power-On và Alarm Wake Up. Cuối cùng là các mạch giám sát phần cứng được tích hợp sẵn trên hầu hết các bo mạch chủ thế hệ mới. Các mạch giám sát này sẽ theo dõi nhiệt độ, điện áp và tốc độ quạt của hệ thống. Thông qua các tiện ích quản lý, bạn sẽ kiểm tra được tình trạng cũng như nhận được các cảnh báo khi có sự cố xảy ra nhờ sự hoạt động của các mạch giám sát này. Theo itconnect.com.vn[/quote]