Các Thành Phần Cơ Bản Trong Máy Tính Cấu Trúc Chung Của Máy Tính Điện Tử

Có hơn 100,000,000 transistor trên một chip

Hình 1. 7. Các công nghệ sản xuất máy tính

1.2.5. Khuynh hướng hiện tại

Việc chuyển từ thế hệ thứ tư sang thế hệ thứ 5 còn chưa rò ràng, thế hệ của những máy tính thông minh, dựa trên các ngôn ngữ trí tuệ nhân tạo như LISP và PROLOG,... và những giao diện người - máy thông minh. Là thời kỳ phát triển máy tính “thông minh”, có thể tự động nhận biết những thay đổi của môi trường xung quanh như con người. Máy tính Neuron - Neural Network - một kỹ thuật của trí khôn nhân tạo, bắt chước cách thức tổ chức các tế bào thần kinh nối với bộ não con người. Người ta cung cấp những thông tin cho mạng thần kinh để huấn luyện cho nó nhận biết được các sự vật mẫu nhằm có thể đưa ra các dự báo hoặc giải pháp xử lý thích ứng.

Tuy nhiên cũng nên lưu ý là thế hệ này hiện nay đang trong quá trình nghiên cứu, một số mẫu máy tính thử nghiệm đầu tiên đã xuất hiện trong vài năm trở lại đây và các khái niệm liên quan đang mới hình thành.

Theo sự phát triển của công nghệ, các máy tính hiện nay được thiết kế, xây dựng theo một xu hướng chung là:

- Mạnh hơn về tốc độ và khả năng tính toán

- Nhỏ hơn về kích thước

- Tiết kiệm hơn về năng lượng

Các tiến bộ liên tục về mật độ tích hợp trong VLSI đã cho phép thực hiện các mạch vi xử lý ngày càng mạnh (8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit với việc xuất hiện các bộ xử lý RISC năm 1986 và các bộ xử lý siêu vô hướng năm 1990). Chính các bộ xử lý này giúp thực hiện các máy tính song song với từ vài bộ xử lý đến vài ngàn bộ xử lý. Điều này làm các chuyên gia về kiến trúc máy tính tiên đoán thế hệ thứ 5 là thế hệ các máy tính xử lý song song. Hiện nay đã có những bước đột phá sang thế hệ máy tính “thông minh” trong đó ROBOT Asimo của hãng Honda là một ví dụ.

Bảng 1. 2. Các thế hệ máy tính

Thế hệ

Năm	Kỹ thuật	Sản phẩm mới	Hãng sản xuất và máy tính
1	1946- 1957	Đèn điện tử	Máy tính điện tử tung ra thị trường	IBM 701. UNIVAC
2	1958- 1964	Transistors	Máy tính rẻ tiền	Burroughs 6500, NCR, CDC6600, Neywell
3	1965- 1971	Mach IC	Máy tính mini	50 hãng mới: DEC PDP- 11, Data general , Nova
4	1980- Đến nay	LSI - VLSI	Máy tính cá nhân và trạm làm việc	Apple II, IBM-PC, Apolo DN 300, Sun 2
5	Khuynh hướng hiện tại	Xử lý song song	Máy tính đa xử lý. Đa máy tính	Sequent, Thinking Machine Inc, Honda, Casio

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 233 trang tài liệu này.

1.3. Máy tính Von-Neumann

Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính IAS (Princeton Institute for Advanced Studies) hay còn gọi là máy tính Von-Neumann gồm có các đặc điểm:

- Được bắt đầu nghiên cứu từ năm 1947, hoàn thành năm 1952.

- Được xây dựng theo ý tưởng “chương trình được lưu trữ” (Stored-program concept) của Von- Neumann/Turing (1945). Sử dụng một bộ nhớ lưu trữ dữ liệu. Bộ nhớ chia làm nhiều ô, mỗi ô có 1 địa chỉ (đánh số thứ tự) để có thể chọn lựa ô nhớ trong quá trình đọc ghi dữ liệu (nguyên lý định địa chỉ).

- Chương trình được mã hóa để máy tính hiểu được.

- Dữ liệu là những thông tin đơn giản được sử dụng bởi chương trình.

- CPU nhận lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, giải mã và thực hiện tuần tự.

- Tổ chức của máy tính Von-Neumann hiện đang áp dụng cho các máy tính ngày nay.

Hình 1. 8. John von Neumann và máy tính IAS

Hình 1. 9. Kiến trúc máy tính Von-Neumann Máy tính của Von-Neumann bao gồm 4 thành phần cơ bản:

- Main Memory (bộ nhớ chính): chứa chương trình và dữ liệu. Bộ nhớ chính gồm 4096 từ, mỗi từ chứa được 40 bit.

Hình 1. 10. Sơ đồ máy tính Von Neumann

- CPU gồm hai khối:

+ Khối logic và toán học (CA) hoạt động trên dữ liệu nhị phân, thực hiện các phép toán số học và logic.

+ Khối điều khiển (CC): giải mã các lệnh từ bộ nhớ và thực hiện chúng tuần tự

- Thiết bị vào/ra (I.O) hoạt động do khối CC điều khiển.

- Đường truyền dữ liệu BUS: trao đổi dữ liệu giữa các khối trong máy tính

Nguyên lý :

- Nguyên lý điều khiển bằng chương trình: máy tính thực hiện một công việc theo chương trình được đưa vào bộ nhớ. Nguyên lý này đảm bảo khả năng thực hiện tự động để giải quyết một bài toán của máy tính điện tử

- Nguyên lý truy cập qua địa chỉ: dữ liệu trong chương trình không chỉ định bằng giá trị mà thông qua địa chỉ trong bộ nhớ. Nguyên lý đảm bảo tính mềm dẻo của chương trình, có thể thể hiện thuật toán không phụ thuộc vào các giá trị phát sinh trong chương trình.

1.4. Cấu trúc và chức năng của máy tính

Máy tính là một hệ thống phức tạp với hàng triệu thành phần điện tử cơ sở. Ở đây, có hai yếu tố được quan tâm đến là cấu trúc và chức năng.

Cấu trúc là cách thức các thành phần hệ thống liên hệ với nhau.

Chức năng là hoạt động của mỗi thành phần riêng lẻ với tư cách là một phần của cấu trúc.

1.4.1. Các thành phần cơ bản trong máy tính Cấu trúc chung của máy tính điện tử

Máy tính điện tử từ khi ra đời cho tới nay mặc dù đã trải qua 4 thế hệ, liên tục

được cải tiến, nhưng nhìn chung vẫn bao gồm 5 đơn vị chức năng chính sau:

- Bộ nhớ trong (Central Memory hoặc Main memory): có nhiệm vụ chứa các chương trình và dữ liệu trước khi chương trình được thi hành.

- Đơn vị điều khiển (Control Unit, thường được viết tắt là CU): có nhiệm vụ điều khiển sự hoạt động của tất cả các thành phần hệ thống máy tính mà chương trình nó được giao thi hành.

- Đơn vị số học và logic (Arthmetic and Logical Unit, thường được viết tắt là bộ ALU): có nhiệm vụ thực hiện các thao tác tính toán theo sự điều khiển của CU.

- Thiết bị vào (Input Device): có nhiệm vụ nhận thông tin từ thế giới bên ngoài biến đổi sang dạng thích hợp rồi đưa vào bộ nhớ trong.

- Thiết bị ra (Output Device): có nhiệm vụ đưa thông tin từ bộ nhớ trong ra ngoài dưới dạng mà con người yêu cầu.

Hình 1. 11. Cấu trúc chung của máy tính

Tuy nhiên, theo quan điểm lắp ráp máy tính, thì máy tính gồm các thành phần chính sau:

- CPU (Central Processing Unit - Bộ xử lý trung tâm)

- Mainboard (Bo mạch chủ)

- RAM (Random Access Memory - Bộ nhớ trong)

- HDD (Hard Disk Drive - Ổ cứng)

- Card Video (Card hình ảnh)

- Monitor (Màn hình)

- Power Supply (Bộ nguồn)

- Keyboard (Bàn phím)

- Mouse (Chuột)

1.4.2. Chức năng của máy tính

Một cách tổng quát, một máy tính có thể thực hiện bốn chức năng cơ bản: Xử lý dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, trao đổi dữ liệu và điều khiển.

- Xử lý dữ liệu: máy tính phải có khả năng xử lý dữ liệu. Dữ liệu có thể có rất nhiều dạng và phạm vi yêu cầu xử lý cũng rất rộng.

- Lưu trữ dữ liệu: máy tính cũng cần phải có khả năng lưu trữ dữ liệu. Ngay cả khi máy tính đang xử lý dữ liệu, nó vẫn phải lưu trữ tạm thời tại mỗi thời điểm phần dữ liệu đang được xử lý. Do vậy ít nhất thì máy tính cần có chức năng lưu trữ ngắn hạn. Tuy nhiên, chức năng lưu trữ dài hạn cũng có tầm quan trọng tương đương, vì dữ liệu cần được lưu trữ trên máy cho những lần cập nhật và tìm kiếm kế tiếp.

- Trao đổi dữ liệu: máy tính phải có khả năng trao đổi dữ liệu với thế giới bên ngoài. Khả năng này được thể hiện thông qua việc di chuyển dữ liệu giữa máy tính với các thiết bị nối kết trực tiếp hay từ xa đến nó. Tùy thuộc vào kiểu kết nối và cự ly trao đổi dữ liệu, chúng ta có tiến trình nhập xuất dữ liệu hay truyền dữ liệu:

- Điều khiển: bên trong hệ thống máy tính, đơn vị điều khiển có nhiệm vụ quản lý các tài nguyên máy tính và điều phối sự vận hành của các thành phần chức năng phù hợp với yêu cầu nhận được từ người sử dụng.

Sau đây, ta sẽ tìm hiểu chức năng chính của các thành phần theo quan điểm lắp ráp.

Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Xử lý hầu hết dữ liệu/ tác vụ của máy tính, điều khiển thiết bị đầu vào (như chuột, bàn phím) cũng như thiết bị đầu ra (như màn hình, máy in).

Hình 1. 12. Bộ xử lý trung tâm

Bo mạch chủ (Mainboard)

Là thiết bị trung gian để gắn kết tất cả các thiết bị phần cứng khác của máy. Nó là bảng mạch to nhất gắn trong vỏ máy (hay trong laptop).

Hình 1. 13. Bo mạch chủ

Ngoài ra bo mạch chủ còn tạo ra môi trường hoạt động ổn định cho tất cả các thiết bị khác, kể cả CPU. Bo mạch chủ là một trong những thành phần cơ bản cấu thành nên máy vi tính. Bo mạch chủ quản lý và cấp phát tài nguyên hệ thống cho các thành phần khác sử dụng, đảm nhận một số công việc xử lý dữ liệu đơn giản như giờ hệ thống, xử lý các phép tính toán đơn giản, dấu chấm động... Trên bo mạch chủ thường được trang bị các cổng mở rộng PCI, AGP, PCI Xpress, IDE, SCSI, SATA, USB, COM, PS/2, RJ-45, khe cắm CPU,... và các chipset cầu bắc, chipset cầu Nam, BIOS.

Ổ cứng (HDD)

Hình 1. 14. Ổ đĩa cứng

Ổ đĩa cứng là nơi lưu trữ hệ điều hành, phần mềm và mọi dữ liệu. Khi tắt nguồn, mọi dữ liệu trong ổ đĩa cứng vẫn còn nên không phải cài lại phần mềm. Khi bật máy tính, hệ điều hành và ứng dụng sẽ được nạp từ ổ đĩa cứng lên bộ nhớ RAM để chạy.

Card Video (Card đồ họa)

Card Video hay còn gọi là Card đồ họa, viết tắt là VGA (Video Graphics Adaptor) có nhiệm vụ chính là xử lý thông tin về hình ảnh trong máy tính, ví dụ như màu sắc, độ phân giải, độ tương phản,… thông qua kết nối với màn hình để hiển thị hình ảnh giúp người dùng có thể thao tác, xử lý được trên máy tính.

Máy tính nào cũng đều phải có VGA để xử lý hình ảnh, độ phân giải... cho máy tính. Bộ phận quan trọng nhất quyết định sức mạnh của VGA đó là bộ xử lý đồ họa GPU (Graphic Processing Unit), đảm nhiệm nhiệm vụ xử lý tất cả các vấn đề liên quan đến hình ảnh. Một thành phần quan trọng nữa của VGA là RAM của Card, dung lượng RAM của VGA hiện nay phổ biến là 512MB, 1GB và 2GB. Nhưng sức mạnh VGA nằm ở GPU, chính vì vậy máy chạy VGA có RAM 1GB nhưng vẫn bị chậm hơn những máy chỉ chạy VGA 512MB.

VGA chia làm 2 loại: Onboard Card (Card tích hợp) và Video Graphics Card (Card rời).

- Onboard Card: là Card có cổng giao tiếp được tích hợp sẵn trên bo mạch chủ của máy tính, cụ thể hơn là nó được nhà sản xuất tích hợp sẵn vào CPU. Onboard Card hoạt động nhờ vào sức mạnh của CPU và RAM để xử lý hình ảnh.

Hình 1. 15. Cổng giao tiếp của Onboard Card trên bo mạch chủ

- Video Graphics Card: Có tính năng giống với Onboard Card nhưng nó được thiết kế riêng, hoạt động hoàn toàn độc lập và chuyên về xử lý hình ảnh, đồ họa.

Hình 1. 16. Video Graphics Card

Các thông số kỹ thuật của từng loại GPU hầu hết đều giống nhau. Ví dụ một số thông số quan trọng của GPU GeForce 9800GT:

GPU Engine Specs:

Graphics Clock (MHz).................600MHz

Processor Clock (MHz)...............1500MHz Texture Fill Rate (billion/sec). 33.6

Memory Specs:

Memory Clock (MHz). 900

Standard Memory Config.............512 MB

Memory Interface Width.............256-bit

Memory Bandwidth (GB/sec). 57.6

Trongđó:

+ Graphic Clock: Tốc độ của nhân bộ vi xử lý GPU. Ví dụ, tốc độ nhân GPU NVIDIA GeForce 9800GT là 600 MHz. Tốc độ này càng cao càng tốt.

+ Processor Clock: Tốc độ đồng hồ, còn gọi là Clock Rate. Tốc độ xử lý các lệnh của một bộ vi xử lý. Mỗi máy tính chứa một đồng hồ nội bộ (Internal Clock) có chức năng điều hòa tốc độ xử lý các lệnh và đồng bộ hóa tất cả các thành phần khác nhau có trong máy tính. Đồng hồ này càng nhanh bao nhiêu, số lệnh mà GPU có thể xử lý được mỗi giây nhiều hơn bấy nhiêu.

+ Texture Fill Rate:

Texture Fill Rate còn được hiểu là tốc độ làm đầy. Tốc độ làm đầy thông thường được quy là tốc độ vẽ điểm ảnh của bộ xử lý đồ họa. Đối với Card đồ họa cũ thì quan niệm tốc độ làm đầy là tốc độ dựng tam giác. Tuy nhiên, có 2 dạng tốc độ làm đầy là: tốc độ làm đầy điểm ảnh và tốc độ làm đầy vật liệu. Theo khái niệm mô tả ở trên, tốc độ làm đầy điểm ảnh là số lượng điểm ảnh mà Card đồ họa có thể xuất ra.