1. Các thế hệ máy tính
Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi, … Ta có thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển từ thế hệ trước sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về công nghệ.
a. Thế hệ đầu tiên [1946-1957]
ENIAC [Electronic Numerical Integrator and Computer] là máy tính điện tử số đầu tiên do Giáo sư Mauchly và người học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania thiết kế vào năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946.
Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính IAS [Princeton Institute for Advanced Studies]: chương trình được lưu trong bộ nhớ, bộ điều khiển sẽ lấy lệnh và biến đổi giá trị của dữ liệu trong phần bộ nhớ, bộ làm toán và luận lý [ALU: Arithmetic And Logic Unit] được điều khiển để tính toán trên dữ liệu nhị phân, điều khiển hoạt động của các thiết bị vào ra. Đây là một ý tưởng nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay. Máy tính này còn được gọi là máy tính Von Neumann.
b. Thế hệ thứ hai [1958-1964]
Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947 và do đó thế hệ thứ hai của máy tính được đặc trưng bằng sự thay thế các đèn điện tử bằng các transistor lưỡng cực. Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor mới xuất hiện trên thị trường. Kích thước máy tính giảm, giá rẻ hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn.
Vào thời điểm này, mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ được dùng. Ngôn ngữ cấp cao xuất hiện [như FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960] và hệ điều hành kiểu tuần tự [Batch Processing] được dùng. Trong hệ điều hành này, chương trình của người dùng thứ nhất được chạy, xong đến chương trình của người dùng thứ hai và cứ thế tiếp tục.
c. Thế hệ thứ ba [1965-1971]
Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạch kết [mạch tích hợp - IC: Integrated Circuit]. Các mạch kết hợp có độ tích hợp mật độ thấp [SSI: Small Scale Integration] có thể chứa vài chục linh kiện và kết độ tích hợp mật độ trung bình [MSI: Medium Scale Integration] chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp.
Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ. Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng.
d. Thế hệ thứ tư [1972-????]
Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp cao [LSI: Large Scale Integration] có thể chứa hàng ngàn linh kiện. Các IC mật độ tích hợp rất cao [VLSI: Very Large Scale Integration] có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiện trên mạch. Hiện nay, các chip VLSI chứa hàng trăm triệu linh kiện.
Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý [microprocessor] chứa cả phần thực hiện và phần điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy vi tính đã được chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân.
Các bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi.
Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý của máy tính không ngừng được phát triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,…
2. Cấu trúc chung của máy vi tính
a. Nhìn góc độ 1
b. Nhìn góc độ 2
3. Các thành phần cơ bản của máy tính
Khối xử lý trung tâm [CPU – Central Processing Unit]: nhận và thực thi các lệnh. Bên trong CPU gồm các mạch điều khiển logic, mạch tính toán số học, …
Bộ nhớ [Memory]: lưu trữ các lệnh và dữ liệu. Nó bao gồm 2 loại: bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài. Bộ nhớ thường được chia thành các ô nhớ nhỏ. Mỗi ô nhớ được gán một địa chỉ để CPU có thể định vị khi cần đọc hay ghi dữ liệu.
Thiết bị ngoại vi [Input/Output]: dùng để nhập hay xuất dữ liệu. Bàn phím, chuột, scanner, … thuộc thiết bị nhập; màn hình, máy in, … thuộc thiết bị xuất. Các ổ đĩa thuộc bộ nhớ ngoài cũng có thể coi vừa là thiết bị xuất vừa là thiết bị nhập. Các thiết bị ngoại vi liên hệ với CPU qua các mạch giao tiếp I/O [I/O interface].
Bus hệ thống: tập hợp các đường dây để CPU có thể liên kết với các bộ phận khác.
4. Nguyên tắc hoạt động của máy tính
CPU được nối với các thành phần khác bằng bus hệ thống nghĩa là sẽ có nhiều thiết bị cùng dùng chung một hệ thống dây dẫn để trao đổi dữ liệu. Do đó, để hệ thống không bị xung đột, CPU phải xử lý sao cho trong một thời điểm, chỉ có một thiết bị hay ô nhớ đã chỉ định mới có thể chiếm dụng bus hệ thống. Do mục đích này, bus hệ thống bao gồm 3 loại:
- Bus dữ liệu [data bus]: truyền tải dữ liệu
- Bus địa chỉ [address bus]: chọn ô nhớ hay thiết bị ngoại vi
- Bus điều khiển [control bus]: hỗ trợ trao đổi thông tin trạng thái như phân biệt CPU phải truy xuất bộ nhớ hay ngoại vị, thao tác xử lý là đọc/ghi, … CPU phát tín hiệu địa chỉ của thiết bị lên bus địa chỉ. Tín hiệu này được đưa vào mạch giải mã địa chỉ chọn thiết bị. Bộ giải mã sẽ phát ra chỉ một tín hiệu chọn chip đúng sẽ cho phép mở bộ đệm của thiết bị cần thiết, dữ liệu lúc này sẽ được trao đổi giữa CPU và thiết bị. Trong quá trình này, các tín hiệu điều khiển cũng được phát trên control bus để xác định mục đích của quá trình truy xuất.
a. Bộ xử lý trung tâm CPU [Central Processing Unit]
CPU viết tắt của Central Processing Unit, tạm dịch là đơn vị xử lí trung tâm. CPU có thể được xem như não bộ, một trong những phần tử cốt lõi nhất của máy vi tính. Nhiệm vụ chính của CPU là xử lý các chương trình và dữ liệu. CPU có nhiều kiểu dáng khác nhau. Ở hình thức đơn giản nhất, CPU là một con chip với vài chục chân. Phức tạp hơn, CPU được ráp sẵn trong các bộ mạch với hàng trăm con chip khác.
Các thành phần cơ bản của CPU
Đơn vị điều khiển [CU:Control Unit]: Điều khiển hoạt động của máy tính theo chương trình đã định sẵn.
Đơn vị số học và logic [ALU: Arithmetic And Logic Unit]: thực hiện các phép toán số học và logic trên các dữ liệu cụ thể.
Tập thanh ghi [RF: Register File]: Lưu trữ các thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU.
Đơn vị nối ghép BUS[BIU: Bus Interface Unit]: kết nối và trao đổi thông tin giữa Bus bên trong và Bus bên ngoài CPU.
Tốc độ xử lý của máy tính phụ thuộc vào tốc độ của CPU, nhưng nó cũng phụ thuộc vào các phần khác [như bộ nhớ trong, RAM, hay bo mạch đồ họa].
Tốc độ CPU: có liên hệ với tần số đồng hồ làm việc của nó [tính bằng các đơn vị như MHz, GHz, ...]. Đối với các CPU cùng loại, tần số này càng cao thì tốc độ xử lý càng tăng. Đối với CPU khác loại, thì điều này chưa chắc đã đúng; ví dụ CPU Core 2 Duo có tần số 2,6GHz có thể xử lý dữ liệu nhanh hơn CPU 3,4GHz một nhân.
Tốc độ CPU còn phụ thuộc vào bộ nhớ đệm của nó, ví như Intel Core 2 Duo sử dụng chung cache L2 [shared cache] giúp cho tốc độ xử lý của hệ thống 2 nhân mới này nhanh hơn so với hệ thống 2 nhân thế hệ 1 [Intel Pentium D] với mỗi core từng cache L2 riêng biệt. [Bộ nhớ đệm dùng để lưu các lệnh hay dùng, giúp cho việc nhập dữ liệu xử lý nhanh hơn]. Hiện nay công nghệ sản xuất CPU mới nhất là 22nm.
b.Bộ nhớ trongLà loại bộ nhớ mà CPU có thể truy cập trực tiếp, có tốc độ cao và dung lượng thường nhỏ. Bộ nhớ trong chia làm 2 loại
Bộ nhớ chính [Main Memmory]: Như ROM và RAM
Bộ nhớ đệm Cache
RAM [Random Access Memory], hay Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên:
Tốc độ truy cập nhanh, lưu trữ giữ liệu tạm thời, dữ liệu sẽ bị mất vĩnh viễn khi không còn nguồn điện cung cấp.
ROM [Read Only Memory], hay Bộ nhớ chỉ đọc:
Lưu trữ các chương trình mà khi mất nguồn điện cung cấp sẽ không bị [xóa] mất. Ngày nay còn có công nghệ FlashROM tức bộ nhớ ROM không những chỉ đọc mà còn có thể ghi lại được, nhờ có công nghệ này BIOS được cải tiến thành FlashBIOS.
Cache:
Cache là tên gọi của bộ nhớ đệm – nơi lưu trữ các dữ liệu nằm chờ các ứng dụng hay phần cứng xử lý. Mục đích của nó là để tăng tốc độ xử lý. Cache là một cơ chế lưu trữ tốc độ cao đặc biệt. Nó có thể là một vùng lưu trữ của bộ nhớ chính hay một thiết bị lưu trữ tốc độ cao độc lập.
Cache cấu tạo bằng bộ nhớ tĩnh [SRAM] có tốc độ cao nhưng đắt tiền thay vì bộ nhớ động [DRAM] có tốc độ thấp hơn và rẻ hơn, được dùng cho bộ nhớ chính. Cơ chế lưu trữ bộ nhớ cache này rất có hiệu quả. Bởi lẽ, hầu hết các chương trình thực tế truy xuất lặp đi lặp lại cùng một dữ liệu hay các lệnh giống nhau. Nhờ lưu trữ các thông tin này trong Cache, máy tính sẽ khỏi phải truy xuất vào RAM vốn chậm chạp hơn.
Một số bộ nhớ cache được tích hợp vào trong kiến trúc của các bộ vi xử lý. Chẳng hạn, CPU Intel đời 80486 có bộ nhớ cache 8 KB, trong khi Pentium là 16 KB. Các bộ nhớ cache nội [internal cache] như thế gọi là Level 1 [L1] Cache [bộ nhớ đệm cấp 1]. Các máy tính hiện đại hơn thì có thêm bộ nhớ cache ngoại [external cache] gọi là Level 2 [L2] Cache [bộ nhớ đệm cấp 2]. Các cache này nằm giữa CPU và bộ nhớ hệ thống RAM. Sau này, do nhu cầu xử lý nặng hơn và với tốc độ nhanh hơn, các máy chủ [server], máy trạm [workstation] và mới đây là CPU Pentium 4 Extreme Edition được tăng cường thêm bộ nhớ đệm L3 Cache.
c.Bộ nhớ ngoài
- Có dung lượng lớn, để lưu các chương trình và dữ liệu lâu dài, như HDD, CDROM, Tape, ...
- Các loại bộ nhớ dựa trên công nghệ FlashROM: Kết hợp với chuẩn giao tiếp máy tính USB [Universal Serial Bus] tạo ra các bộ nhớ máy tính di động thuận tiện và đa năng như: Các thiết bị giao tiếp USB lưu trữ dữ liệu, thiết bị giao tiếp USB chơi nhạc số, chơi video số; khóa bảo mật qua giao tiếp USB; thẻ nhớ... Dung lượng thiết bị lưu trữ FlashROM đã lên tới 32GB [Samsung công bố năm 2005], trong tương lai, có thể FlashROM sẽ dần thay thế các ổ đĩa cứng, các loại đĩa CD, DVD...
d.Hệ thống vào ra [Input Output System]
Giúp máy tính trao đổi thông tin với thế giới bên ngoài, bao gồm hai hoạt động chính là nhận thông tin Input và gửi thông tin ra Output.
Đầu vào [Input]: Các bộ phận thu nhập dữ liệu hay mệnh lệnh như là bàn phím, chuột...
Đầu ra [Output]: Các bộ phận trả lời, phát tín hiệu, hay thực thi lệnh ra bên ngoài như là màn hình, máy in, loa, ...
Thông qua hệ thống vào ra máy tính có thể trao đổi thông tin với thiết bị ngoài vi.
Các thiết bị ngoại vi cơ bản:
o Thiết bị vào: bàn phím, chuột, …
o Thiết bị ra: máy in, màn hình,…
o Thiết bị nhớ: đĩa từ, quang,….
o Thiết bị truyền thông: Modem,…