§3. Giíi thiÖu vÒ m¸y tÝnh

Ngày nay, chúng ta được tiếp xúc nhiều với máy tính nhưng có thể chưa hiểu rõ về máy tính để có tác phong làm việc khoa học, chuẩn xác và hiệu quả. Chúng ta sẽ tìm hiểu về máy tính thông qua một máy vi tính và sơ lược hoạt động của nó như một hệ thống đồng bộ.

1. Kh¸i niÖm hÖ thèng tin häc

Để phục vụ nhu cầu khai thác thông tin của nhân loại thì người ta sử dụng đến hệ thống tin học.

HÖ thèng tin häc gåm ba thµnh phÇn: PhÇn cøng (Hardware) gåm m¸y tÝnh vµ mét sè thiÕt bÞ liªn quan.

PhÇn mÒm (Software) gåm c¸c ch¬ng tr×nh. Ch¬ng tr×nh lµ mét d·y lÖnh, mçi lÖnh lµ mét chØ dÉn cho m¸y tÝnh biÕt ®iÒu cÇn lµm.

Sù qu¶n lÝ vµ ®iÒu khiÓn cña con ngêi.

Cả ba thành phần đều quan trọng trong hệ thống tin học. Nhưng quan trọng nhất là sự quản lý và điều khiển của con người. Nếu không có sự quản lý và điều khiển của con người thì máy tính không thể thực hiện mục đích mà con người mong muốn.

2. S¬ ®å cÊu tróc cña mét m¸y tÝnh

M¸y tÝnh lµ thiÕt bÞ dïng ®Ó tù ®éng ho¸ qu¸ tr×nh thu thËp, lu tr÷ vµ xö lÝ th«ng tin. Cã nhiÒu lo¹i m¸y tÝnh kh¸c nhau như máy tính bàn (Desktop), máy tính xách tay(Laptop), máy tính bảng, máy chủ doanh nghiệp, v.v… Nh-ng tất cả chóng ®Òu cã chung mét s¬ ®å cÊu tróc nh sau:

HÖ thèng tin häc dïng ®Ó nhËp, xuÊt, xö lÝ, truyÒn vµ lu tr÷ th«ng tin.

HỆ

TH

ỐN

G T

IN

HỌ

C

Phần cứng

Phần mềm

Sự quản lý và điều khiển của con người

H×nh 1. S¬ ®å cÊu tróc m¸y tÝnh

C¸c mòi tªn trong s¬ ®å kÝ hiÖu viÖc trao ®æi th«ng tin gi÷a c¸c bé phËn cña m¸y tÝnh.

CÊu tróc chung cña m¸y tÝnh bao gåm: Bé xö lÝ trung t©m, bé nhí trong, c¸c thiÕt bÞ vµo/ra, bé nhí ngoµi.

3. Bé xö lÝ trung t©m (CPU Central Processing Unit)

H×nh 2. CPU

ChÊt lîng cña m¸y tÝnh phô thuéc nhiÒu vµo chÊt lîng cña CPU (h. 2).

CPU lµ thµnh phÇn quan träng nhÊt cña m¸y tÝnh, ®ã lµ thiÕt bÞ chÝnh thùc hiÖn vµ ®iÒu khiÓn viÖc thùc hiÖn ch-¬ng tr×nh.

CPU gåm hai bé phËn chÝnh: bé ®iÒu khiÓn (CU Control Unit) vµ bé sè häc/l«gic (ALU Arithmetic/Logic Unit).

Bé ®iÒu khiÓn kh«ng trùc tiÕp thùc hiÖn ch¬ng tr×nh mµ híng dÉn c¸c bé phËn kh¸c cña m¸y tÝnh lµm ®iÒu ®ã. CU có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lí, được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống. Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng để đồng bộ các thao tác xử lí trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không đổi. Khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là  chu kỳ xung nhịp. Tốc độ theo đó xung nhịp hệ thống tạo ra các xung tín hiệu chuẩn thời gian gọi là tốc độ xung nhịp – tốc độ đồng hồ tính bằng triệu đơn vị mỗi giây (Mhz).

Bé sè häc/l«gic thùc hiÖn c¸c phÐp to¸n sè häc vµ l«gic, c¸c thao t¸c xö lÝ th«ng tin ®Òu lµ tÝch hîp cña c¸c phÐp to¸n nµy, sau đó trả lại kết quả cho các thanh ghi hoặc bộ nhớ.

Ngoµi hai bé phËn chÝnh nªu trªn, CPU cßn cã thªm mét sè thµnh phÇn kh¸c nh thanh ghi (Register) vµ vïng nhí kÕt (Cache).

Thanh ghi lµ vïng nhí ®Æc biÖt ®îc CPU sö dông ®Ó lu tr÷ t¹m thêi c¸c lÖnh vµ d÷ liÖu ®ang ®îc xö lÝ. Thanh ghi có dung lượng nhỏ nhưng tốc độ truy cập rất cao. Mỗi thanh ghi có một chức năng cụ thể. Thanh ghi quan trọng nhất là bộ đếm chương trình (PC - Program Counter) chỉ đến lệnh sẽ thi hành tiếp theo.

Cache ®ãng vai trß trung gian gi÷a bé nhí vµ c¸c thanh ghi. Tèc ®é truy cËp ®Õn cache lµ kh¸ nhanh.

4. Bé nhí trong

Bé nhí trong cßn cã tªn gäi kh¸c lµ bé nhí chÝnh (Main Memory).

Bé nhí trong cña m¸y tÝnh gåm hai phÇn: ROM (Read Only Memory Bé nhí chØ ®äc) vµ RAM (Random Access Memory Bé nhí truy cËp ngÉu nhiªn).

CPU

Bộ điều khiển (CU- Control Unit)

Bộ số học/logic (ALU-

Arithmetic/Logic Unit)

Thành phần khác

Bé nhí trong lµ n¬i ch¬ng tr×nh ®îc ®a vµo ®Ó thùc hiÖn vµ lµ n¬i lu tr÷ d÷ liÖu ®ang ®îc xö lÝ.

Hình 3.ROM

ROM (h.3) là bộ nhớ mà người dùng không thể ghi lên đó, nhưng hệ thống có thể ghi đè lên ROM khi ta cập nhật. ROM chøa mét sè ch¬ng tr×nh hÖ thèng ®îc h·ng s¶n xuÊt n¹p s½n. D÷ liÖu trong ROM kh«ng xo¸ ®îc vµ chØ dïng ®Ó ®äc. C¸c ch¬ng tr×nh trong ROM thùc hiÖn viÖc kiÓm tra c¸c thiÕt bÞ vµ t¹o sù giao tiÕp ban ®Çu cña m¸y víi c¸c ch¬ng tr×nh mµ ngêi dïng ®a vµo ®Ó khëi ®éng. Khi t¾t m¸y, d÷ liÖu trong ROM kh«ng bÞ mÊt ®i.

Hình 4. RAM

RAM (h. 4) lµ phÇn bé nhí cã thÓ ®äc, ghi d÷ liÖu trong lóc lµm viÖc. Khi t¾t m¸y, d÷ liÖu trong RAM sÏ bÞ mÊt ®i.

Bé nhí trong gåm c¸c « nhí ®îc ®¸nh sè thø tù b¾t ®Çu tõ 0. Sè thø tù cña mét « nhí ®îc gäi lµ ®Þa chØ cña « nhí ®ã. C¸c ®Þa chØ thêng ®îc viÕt trong hÖ hexa. Khi thùc hiÖn ch¬ng tr×nh, m¸y tÝnh truy cËp d÷ liÖu ghi trong « nhí th«ng qua ®Þa chØ cña nã.

RAM được gọi là bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên vì nó có đặc tính: thời gian thực hiện thao tác đọc hoặc ghi đối với mỗi ô nhớ là như nhau, cho dù đang ở bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ. Mỗi ô nhớ của RAM đều có một địa chỉ. Thông thường, mỗi ô nhớ là một byte (8 bit); tuy nhiên hệ thống lại có

thể đọc ra hay ghi vào nhiều byte (2, 4, 8 byte). HiÖn nay, mçi m¸y tÝnh thêng ®îc trang bÞ bé nhí RAM cã dung lîng tõ 128 MB trë lªn. Mét sè m¸y tÝnh chuyªn dông cã thÓ cã bé nhí trong cì hµng Gi-ga-bai.

5. Bé nhí ngoµi (Secondary memory)

Bé nhí ngoµi dïng ®Ó lu tr÷ l©u dµi d÷ liÖu vµ hç trî cho bé nhí trong.

D÷ liÖu trong RAM chØ tån t¹i khi m¸y tÝnh ®ang ho¹t ®éng, cßn d÷ liÖu ghi ë bé nhí ngoµi cã thÓ tån t¹i ngay c¶ khi t¾t m¸y (kh«ng cßn nguån ®iÖn).

Bé nhí ngoµi gåm nhiÒu lo¹i nh:

Bộ nhớ từ: đĩa cứng, Đĩa mềm,...

Bộ nhớ quang: CD, DVD,...

Bộ nhớ bán dẫn: flash disk, thẻ nhớ...

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 64GB, trong

tương lai, có thể FlashROM sẽ dần thay thế các ổ đĩa cứng, các loại đĩa CD, DVD...

§Ó truy cËp d÷ liÖu trªn ®Üa, m¸y tÝnh cã c¸c æ ®Üa víi c¸c tªn thêng gäi lµ æ ®Üa A, æ ®Üa B, æ ®Üa C,... Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc, ta cã thÓ ®a c¸c ®Üa mÒm hoÆc ®Üa CD kh¸c nhau vµo æ ®Üa t¬ng øng. §Ó ng¾n gän, ta sÏ ®ång nhÊt æ ®Üa víi ®Üa ®Æt trong ®ã.

a) §Üa cøng b) §Üa mÒm c) §Üa CD d) Flash

H×nh 5. ThiÕt bÞ nhí

§Üa cøng (h. 5a) thêng ®îc g¾n s½n trong æ ®Üa cøng. §Üa cøng cã dung lîng rÊt lín vµ tèc ®é ®äc/ghi rÊt nhanh.

M¸y tÝnh thêng cã mét æ ®Üa mÒm dïng ®Ó ®äc/ghi ®Üa mÒm (h. 5b) cã ®êng kÝnh 3,5 inch (8,75 cm) víi dung lîng 1,44 MB. Nhưng ngày nay hầu như rất ít người dùng đĩa mềm.

Ngoµi c¸c ®Üa CD (h.5c) cã mËt ®é ghi d÷ liÖu rÊt cao, hiÖn nay cßn cã thiÕt bÞ nhí flash (h. 5d) lµ mét thiÕt bÞ lu tr÷ d÷ liÖu cã dung l-îng lín víi kÝch thíc nhá gän vµ dÔ sö dông.Chó ý: Trong thùc tÕ, thiÕt bÞ nhí flash sö dông cæng giao tiÕp USB nªn cßn ®îc gäi

lµ USB.

Do tiÕn bé vÒ kÜ thuËt, dung lîng cña bé nhí ngµy cµng lín về kÝch thíc vËt lÝ cña nã ngµy cµng nhá.

Bé nhí ngoµi cña m¸y tÝnh thêng lµ ®Üa cøng, ®Üa mÒm, ®Üa CD, thiÕt bÞ nhí flash.

ViÖc tæ chøc d÷ liÖu ë bé nhí ngoµi vµ viÖc trao ®æi d÷ liÖu gi÷a bé nhí ngoµi víi bé nhí trong ®îc thùc hiÖn bëi ch¬ng tr×nh hÖ thèng hÖ ®iÒu hµnh.

6. ThiÕt bÞ vµo (Input device)

ThiÕt bÞ vµo dïng ®Ó ®a th«ng tin vµo m¸y tÝnh. Cã nhiÒu lo¹i thiÕt bÞ vµo nh bµn phÝm, chuét, m¸y quÐt, micr«, webcam,...

a) Bµn phÝm (Keyboard)

H×nh 15 cho ta s¬ ®å vÒ bµn phÝm cña m¸y tÝnh.

Bµn phÝm m¸y tÝnh

C¸c phÝm ®îc chia thµnh hai nhãm: nhãm phÝm kÝ tù vµ nhãm phÝm chøc n¨ng. Khi gâ phÝm kÝ tù, kÝ hiÖu trªn mÆt phÝm xuÊt hiÖn trªn mµn h×nh. Trong nhãm phÝm chøc n¨ng, mét sè phÝm cã chøc n¨ng ®· ®îc mÆc ®Þnh, chøc n¨ng cña mét sè phÝm kh¸c ®îc quy ®Þnh tuú phÇn mÒm cô thÓ.

Khi ta gâ mét phÝm nµo ®ã, m· t¬ng øng cña nã ®îc truyÒn vµo m¸y.

b) Chuét (Mouse)

Chuét lµ mét thiÕt bÞ rÊt tiÖn lîi trong khi lµm viÖc víi m¸y tÝnh. B»ng c¸c thao t¸c nh¸y nót chuét, ta cã thÓ thùc hiÖn mét lùa chän nµo ®ã trong b¶ng chän (menu) ®ang hiÓn thÞ trªn mµn h×nh. Dïng chuét còng cã thÓ thay thÕ cho mét sè thao t¸c bµn phÝm.

c) M¸y quÐt (Scanner)

M¸y quÐt lµ thiÕt bÞ cho phÐp ®a v¨n b¶n vµ h×nh ¶nh vµo m¸y tÝnh. Cã nhiÒu phÇn mÒm cã kh¶ n¨ng chØnh söa v¨n b¶n hoÆc h×nh ¶nh ®· ®îc ®a vµo trong m¸y.

M¸y quÐt

Nót tr¸i chuét

Nót ph¶i chuét

Chuét

Víi sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ, c¸c thiÕt bÞ vµo ngµy cµng ®a d¹ng. Ta cã thÓ sö dông m¸y ¶nh sè, m¸y ghi h×nh, m¸y ghi ©m sè ®Ó ®a th«ng tin vµo m¸y tÝnh.

d) Webcam

Webcam lµ mét camera kÜ thuËt sè. Khi g¾n vµo m¸y tÝnh, nã cã thÓ thu vµ truyÒn trùc tuyÕn h×nh ¶nh qua m¹ng ®Õn nh÷ng m¸y tÝnh ®ang kÕt nèi víi m¸y ®ã.

7. ThiÕt bÞ ra (Output device)

ThiÕt bÞ ra dïng ®Ó ®a d÷ liÖu trong m¸y tÝnh ra m«i trêng ngoµi. Cã nhiÒu lo¹i thiÕt bÞ ra nh mµn h×nh, m¸y in,...

a) Mµn h×nh (Monitor)

Mµn h×nh m¸y tÝnh cã cÊu t¹o t¬ng tù nh mµn h×nh ti vi. Khi lµm viÖc, ta cã thÓ xem mµn h×nh lµ tËp hîp c¸c ®iÓm ¶nh (Pixel), mçi ®iÓm cã thÓ cã ®é s¸ng, mµu s¾c kh¸c nhau. ChÊt lîng cña mµn h×nh ®îc quyÕt ®Þnh bëi c¸c tham sè sau:

§é ph©n gi¶i: MËt ®é c¸c ®iÓm ¶nh trªn mµn h×nh. §é ph©n gi¶i cµng cao th× h×nh ¶nh hiÓn thÞ trªn mµn h×nh cµng mÞn vµ s¾c nÐt.

ChÕ ®é mµu: C¸c mµn h×nh mµu cã thÓ cã 16 hay 256 mµu, thËm chÝ cã hµng triÖu mµu kh¸c nhau.

b) M¸y in (Printer)

M¸y in cã nhiÒu lo¹i nh m¸y in kim, in phun, in laser,... dïng ®Ó in d÷ liÖu ra giÊy. M¸y in cã thÓ in ®en/tr¾ng hoÆc in mµu.

c) M«®em (Modem)

M«®em lµ thiÕt bÞ dïng ®Ó truyÒn th«ng gi÷a c¸c hÖ thèng m¸y th«ng qua ®êng truyÒn, ch¼ng h¹n ®êng ®iÖn tho¹i. Cã thÓ xem m«®em lµ mét thiÕt bÞ hç trî cho c¶ viÖc ®a d÷ liÖu vµo vµ lÊy d÷ liÖu ra tõ m¸y tÝnh.

Webcam

M¸y in laser

d) M¸y chiÕu (Projector)

M¸y chiÕu lµ thiÕt bÞ dïng ®Ó hiÓn thÞ néi dung mµn h×nh m¸y tÝnh lªn mµn ¶nh réng.

e) Loa vµ tai nghe (Speaker and Headphone)

Loa vµ tai nghe lµ c¸c thiÕt bÞ ®Ó ®a d÷ liÖu ©m thanh ra m«i tr-êng ngoµi.

8. Ho¹t ®éng cña m¸y tÝnh

Kh¸c víi c¸c c«ng cô tÝnh to¸n kh¸c, m¸y tÝnh ®iÖn tö cã thÓ thùc hiÖn ®îc mét d·y lÖnh cho tríc (ch¬ng tr×nh) mµ kh«ng cÇn sù tham gia trùc tiÕp cña con ngêi.

Máy tính hoạt động theo chương trình lưu trữ sẵn trong bộ nhớ của nó. Nguyên lý này đảm bảo cho máy tính có khả năng tự điều khiển không cần có sự can thiệp của người trong quá trình xử lý vì quá trình xử lý đã được xác định qua một kịch bản. T¹i mçi thêi ®iÓm m¸y tÝnh chØ thùc hiÖn ®îc mét lÖnh, tuy nhiªn nã thùc hiÖn rÊt nhanh. M¸y vi tÝnh thùc hiÖn ®îc hµng chôc v¹n lÖnh, siªu m¸y tÝnh cßn cã thÓ thùc hiÖn ®îc hµng tØ lÖnh trong mét gi©y.

Th«ng tin vÒ mét lÖnh bao gåm: §Þa chØ cña lÖnh trong bé nhí; M· cña thao t¸c cÇn thùc hiÖn; §Þa chØ c¸c « nhí liªn quan.M· thao t¸c chØ dÉn cho m¸y lo¹i thao t¸c (céng sè, so s¸nh sè,...)

cÇn thùc hiÖn. PhÇn ®Þa chØ th«ng b¸o cho m¸y biÕt c¸c d÷ liÖu liªn quan ®îc lu tr÷ ë ®©u.

VÝ dô, viÖc trừ hai sè a vµ b cã thÓ m« t¶ b»ng lÖnh, ch¼ng h¹n:"-" <a> <b> <t>

Nguyªn lÝ §iÒu khiÓn b»ng ch¬ng tr×nh

M¸y tÝnh ho¹t ®éng theo ch¬ng tr×nh.

trong ®ã "-" lµ m· thao t¸c, <a>, <b> vµ <t> lµ ®Þa chØ n¬i lu tr÷ t-¬ng øng cña a, b vµ kÕt qu¶ thao t¸c "-".

§Þa chØ cña c¸c « nhí lµ cè ®Þnh nhng néi dung ghi ë ®ã cã thÓ thay ®æi trong qu¸ tr×nh m¸y lµm viÖc.

Như đã biết, dữ liệu theo nghĩa rộng (dữ liệu ban đầu, kết quả trung gian, kết quả cuối cùng, chương trình...) được đưa vào bộ nhớ trong những vùng nhớ được chỉ định bằng địa chỉ. Trong chương trình, dữ liệu được chỉ định thông qua địa chỉ. Như vậy, việc truy cập tới dữ liệu là gián tiếp thông qua địa chỉ của nó trong bộ nhớ. Nguyên lý này đảm bảo tính mềm dẻo trong xử lý thông tin. Người lập trình có thể viết yêu cầu một cách tổng quát theo vị trí các đối tượng đó nằm ở đâu mà không cần biết giá trị cụ thể của chúng.Khi xö lÝ d÷ liÖu, m¸y tÝnh xö lÝ ®ång thêi mét d·y bit chø kh«ng xö lÝ tõng bit. D·y bit nh vËy ®îc gäi lµ tõ m¸y vµ ®îc lu tr÷ trong mét « nhí. §é dµi tõ m¸y cã thÓ lµ 8, 16, 32 hay 64 bit phô thuéc kiÕn tróc tõng m¸y.

C¸c bé phËn cña m¸y tÝnh nèi víi nhau bëi c¸c d©y dÉn gäi lµ c¸c tuyÕn (bus). Mçi tuyÕn cã mét sè ®êng dÉn, theo ®ã c¸c gi¸ trÞ bit cã thÓ di chuyÓn trong m¸y. Th«ng thêng sè ®êng dÉn d÷ liÖu trong tuyÕn b»ng ®é dµi tõ m¸y.

Nguyªn lÝ trªn do nhµ to¸n häc ngêi MÜ gèc Hung-ga-ri Ph«n N«i-man (J. Von Neumann) ph¸t biÓu khi tham gia thiÕt kÕ mét trong c¸c m¸y tÝnh ®iÖn tö ®Çu tiªn nªn ngêi ta lÊy tªn «ng ®Æt tªn cho nguyªn lÝ. Cho ®Õn nay, tuy c¸c ®Æc tÝnh cña m¸y tÝnh thay ®æi nhanh chãng vµ u viÖt h¬n nhiÒu nhng s¬ ®å cÊu tróc chÝnh vµ nguyªn lÝ ho¹t ®éng cña chóng vÒ c¨n b¶n vÉn dùa trªn nguyªn lÝ Ph«n N«i-man .

Nguyªn lÝ Lu tr÷ ch¬ng tr×nh

LÖnh ®îc ®a vµo m¸y tÝnh díi d¹ng m· nhÞ ph©n ®Ó lu tr÷, xö lÝ nh nh÷ng d÷ liÖu kh¸c.

Nguyªn lÝ Truy cËp theo ®Þa chØ

ViÖc truy cËp d÷ liÖu trong m¸y tÝnh ®îc thùc hiÖn th«ng qua ®Þa chØ n¬i lu tr÷ d÷ liÖu ®ã.

Nguyªn lÝ Ph«n N«i-man

M· ho¸ nhÞ ph©n, §iÒu khiÓn b»ng ch¬ng tr×nh, Lu tr÷ ch-¬ng tr×nh vµ Truy cËp theo ®Þa chØ t¹o thµnh mét nguyªn lÝ chung gäi lµ nguyªn lÝ Ph«n N«iman

J. Von Neumann(1903 – 1957)

HiÖn nay, t¹i mét sè phßng thÝ nghiÖm ë mét sè níc nh Mü, NhËt B¶n, ®ang thùc hiÖn mét vµi dù ¸n nghiªn cøu m« h×nh m¸y tÝnh kh«ng dùa trªn nguyªn lÝ Ph«n N«i-man. Tuy cßn ë giai ®o¹n thö nghiÖm nhng m¸y tÝnh l-îng tö, m¸y tÝnh sinh häc ®· cho mét sè kÕt qu¶ kh¶ quan.