Bài 2: Máy tính điện tử

Kể từ khi bắt đầu xuất hiện (trong chiến tranh thế giới lần thứ hai), nhờ những tiến bộ khoa học kĩ thuật, MTĐT đã được hoàn thiện và cải tiến không ngừng. Tuy nhiên, trải qua nhiều thế hệ, MTĐT vẫn giữ nguyên câu trúc cơ bản và nguyên lí hoạt động dựa trên Nguyên lí - J.Von Neumann. Sơ đồ cấu trúc logic của MTĐT dược mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc logic của MTĐT

Các mũi tên trong sơ đồ kí hiệu việc trao đổi thông tin giữa các bộ phận của máy tính. Theo sơ đồ trên, cấu trúc của MTĐT gồm các khối chức năng cơ bản sau:

• Bộ xử lí trung tâm (CPU - Central Processing Unit): gồm hai bộ phận chính là bộ điều khiến (Cư - Control Unit) và bộ số học và logic (ALU - Arithmetic Logic Unit). Bộ điều khiển có chức năng điều khiển máy tính thực hiện các công việc theo chương trình đã định. Bộ điều khiên phải điều phổi, đồng bộ hoá tất cả các thiết bị của máy tính để phục vụ ycu cầu xử lí do chương trình quy định. Bộ số học và logic có chức năng trực tiếp thực hiện các phép toán số học, logic theo chương trình quy định để thực hiện các thao tác xử lí thông tin.
• Bộ nhớ (Memory): là thiết bị dùng để lưu trữ các dữ liệu của máy tính. Bộ nhớ gồm hai loại: bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài. Bộ nhớ trong hay còn gọi là bộ nhớ chính, là nơi chương trình dược đưa vào để thực hiện và là nơi lưu trữ dữ liệu đang được xử lí. Bộ nhớ ngoài hay còn gọi là bộ nhớ thứ cấp, dùn£ để lưu trữ lâu dài dữ liệu và hỗ trợ cho bộ nhớ trong.
• Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Device): giúp máy tính giao tiêp với môi trường bên ngoài kể cà với người sử dụng. Các thiết bị ngoại vi gồm hai nhóm: các thiết bị vào dùng để dưa thông tin vào trong máy tính và các thiết bị ra dùng để dưa dữ liệu ra từ máy tính.

Bộ nhớ là thiết bị dùng dể lưu trữ dữ liệu và chương trình. Bộ nhớ có các đặc trưng chính sau:

• Thời gian truy cập (access time) là khoảng thời gian cần thiết kể từ khi phát tín hiệu điều khiển đọc/ghi dến khi việc đọc/ghi dữ liệu hoàn thành. Thời gian truy cập là một yếu tố quyết định tốc độ chung của máy tính.
• Dung lượng bộ nhớ (memory capacity) chỉ khối lượng dữ liệu mà bộ nhớ có thể lưu trữ đồng thời.
• Độ tin cậy đo bằng khoảng thời gian trung bình giữa hai lần gặp lỗi.

Do cấu tạo, nhiệm vụ, tính chất hoạt động, mà các loại bộ nhớ của máy tính có các đặc điểm khác nhau.

Bộ nhớ trong hay còn gọi là bộ nhớ chính (main memory) là nơi chương trình được đưa vào để thực hiện và là nơi lưu trừ dữ liệu đang được xừ lí. Bộ nhở trong của máy tính gồm hai phần: ROM (Read Only Memory - Bộ nhớ chỉ đọc) và RAM (Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên).

• RAM (Random Access Memory) là loại bộ nhớ có thể ghi và dọc dữ liệu trong lúc làm việc. Dữ liệu trong RAM phải nuôi bàng nguồn điện, khi tắt máy dừ liệu trong RAM sẽ bị mất đi. RAM gồm hai loại cơ bản DRAM (Dynamic RAM - RAM động) và SRAM (Static RAM - RAM tĩnh).
• ROM (Read Only Memory) là loại bộ nhớ cố định, chỉ đọc mà không ghi dược dữ liệu. ROM chứa một số chương trình hệ thống được hãng sản xuất nạp sẵn. Dừ liệu trong ROM không xoá được. Các chương trình trong ROM thực hiện kiểm tra các thiết bị và tạo sự giao tiếp ban đầu của máy tính với các chương trình mà người dùng đưa vào đế khởi động. Khi tắt máy, dữ liệu trong ROM không mất đi, khi bật máy các chương trình trong ROM có thể được thực hiện ngay.

Bộ nhớ trong bao gồm các ô nhớ liên tiếp được đánh số bắt dầu từ 0. Số thứ tự cùa một ô nhớ được gọi là địa chỉ của ô nhớ đó. Khi thực hiện chương trình, máy tính truy cập dữ liệu ghi trong ô nhớ thông qua địa chỉ của nó. Mỗi ô nhớ gồm nhiều neăn nhớ, mỗi ngăn nhớ dùng để lưu trừ một bit. Số lượng bit của mồi ô nhớ khác nhau theo từng loại máy. Phần lớn máy tính ngày nay dùng ô nhớ có dộ dài 8 bit (1 byte). Byte là đon vị thông tin thuận lợi cho xử lí dữ liệu văn bản vì có thể chứa vừa đù mã một kí tự (28 = 256 bằng số kí tự trong bảng mã ASCII). Để thể hiện các dừ liệu dài hơn như số chẳng hạn, người ta sừ dụng nhiều byte kế tiếp nhau. Ví dụ, để lưu trừ một sổ nguyên lớn, có thể dùng 4 ô nhớ lbyte kề nhau.

Hình 1.2. Hình ảnh địa chỉ hoá bộ nhớ trong

Trong khi làm việc, một máy tính có thể xừ lí cả một nhóm byte. Dãy các bit nhớ dài nhất mà CPU có thể xử lí trong một lệnh cơ bản gợi là từ nhớ (word memory). Độ dài dãy từ nhớ trong các MTĐT là xác định, thường là 8, 16, 32,... bit (tương ứng với 1, 2, 3,... byte). Ví dụ, các máy tính dùng bộ xử lí Pentium của Intel có từ nhớ 32 bit, còn từ nhớ của máy tính dùng bộ xử lí Alpha hay bộ xử lí Itanium là 64 bit.

Mỗi ô nhớ trong máy tính có một dịa chỉ riêng, nên có thể truy cập tới dữ liệu trone từng ô nhớ. Có hai thao tác cơ bản trên ô nhớ là đọc và ghi. Khi đọc, nội dung chứa trong ô nhớ không thay dổi. Khi ghi, nội dung có trong ô nhớ bị xoá và được lưu nội dung mới. Quá trình đọc/ghi được tiến hành như sau: Trước hết, CPU gửi địa chỉ của vùng nhớ cần đọc/ghi tới một mạch gọi là bộ giái mã địa chỉ. Sau đó, bộ giải mã này mở mạch nối trực tiếp với ô nhớ tương ứng. Neu thao tác là đọc, nội dung dữ liệu trong vùng nhớ cần đọc sẽ được sao chép vào vùng nhớ phụ.

Neu thao tác là ghi, dữ liệu trong vùng nhớ phụ được sao vào các ô nhớ của vùng nhớ cần ghi. Vùng nhớ phụ thường là các thanh ghi (register). Một vùng nhớ đặc biệt có tốc độ truy cập nhanh gọi là Cache. Vùng nhớ này đóng vai trò trung gian giữa RAM và các thanh ghi.

Bộ nhớ ngoài

Bộ nhớ ngoài dùng để lưu trữ lâu dài dừ liệu và hỗ trợ cho bộ nhớ trong. Khác với dữ liệu trong RAM chỉ tồn tại khi máy tính đang hoạt động, còn dữ liệu ghi trong bộ nhớ ngoài có thể tồn tại ngay cả khi tẳt máy (không còn nguồn điện nuôi). Bộ nhớ ngoài gồm nhiều loại: đĩa cứng, đĩa CD, DVD, bộ nhớ ílash,...

• Đĩa cứng (Hard disk): thường là một bộ gồm nhiều dĩa xếp chồng lên nhau. Chúng là các đĩa hợp kim được phủ vật liệu từ trên mặt để ghi thông tin. Mỗi mặt đĩa trong chồng đều có dầu (head) đọc/ghi riêng. Tốc độ đọc/ghi trên đĩa cứng rất cao, thời gian truy cập trung bình của các đĩa cứng chỉ khoảng 10 mi li giây. Bộ đĩa và bộ phận đọc/ghi đĩa được lắp đặt trong một hộp kín chắc chắn, đảm bảo cho đĩa không bị bụi, trầy xước khi va đập và khi đọc/ghi dữ liệu. Đĩa cứng có tuổi thọ rất cao và là bộ nhớ có dung lượng rất lớn, có thể tới hàng trăm GB thậm chí nhiều TB. Khi sử dụng đĩa cứng cần tránh va đập mạnh.

Hình 1.3 Đĩa cứng

• Đĩa quang (CD - Compact Disk): được làm bằng polycarbonate, phủ một lớp phim nhôm có tính phản xạ và một lớp bảo vệ. Đĩa quang được đọc bằng tia laser và ghi dữ liệu bàng phương pháp ép khuôn. Các đĩa quang thường chỉ được ghi một lần và vì thế thường được gọi là các đĩa CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory). Đĩa quang có ưu điểm là không thể bị nhiễm virus, thông tin trên đĩa không bị xoá một cách ngẫu nhiên; giá thành lưu trữ thông tin thấp. Dĩa quang thông dụng hiện nay có sức chứa khoảng 650MB. Khi sử dụng đĩa quang không nên cầm vào bề mặt đĩa.

Hình 1.4 Đĩa quang

• Đĩa DVD (Digital Video Disk): cũng là một loại đĩa quang nhưng có sức chứa gắp vài chục lần các đĩa CD-ROM. Khác với đĩa CD chỉ lưu trữ dừ liệu trên một mặt, đĩa DVD lưu trữ dừ liệu trên cả hai mặt. Vì có sức chứa lớn, đĩa DVD có thổ ghi được một bộ phim kco dài nhiều giờ.
• Bộ nhớ flash: bao gồm các ổ USB flash, các thẻ nhớ trong các thiết bị cầm tay như máy tính xách tay, điện thoại, máy ảnh, iphone, ipad,... Bộ nhớ này có đặc điểm là nhỏ gọn, có thể đọc/ghi dừ liệu nhiều lần, dung lượng bộ nhớ tương đối lớn (tới hàng chục GB), nhưng giá thành của nó đắt hon so với đĩa CD, DVD rất nhiều lần.