Thành phần cơ bản của một máy tính

Tổng quan

Thành phần cơ bản của một bộ máy tính gồm: bộ xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit), bộ nhớ, các bộ phận nhập-xuất thông tin. Các bộ phận trên được kết nối với nhau thông qua các hệ thống bus. Hệ thống bus bao gồm: bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Bus địa chỉ và bus dữ liệu dùng trong việc chuyển dữ liệu giữa các bộ phận trong máy tính. Bus điều khiển làm cho sự trao đổi thông tin giữa các bộ phận được đồng bộ. Thông thường người ta phân biệt một bus hệ thống dùng trao đổi thông tin giữa CPU và bộ nhớ trong (thông qua cache), và một bus vào – ra dùng trao đổi thông tin giữa các bộ phận vào-ra và bộ nhớ trong.

Một chương trình sẽ được sao chép từ đĩa cứng vào bộ nhớ trong cùng với các thông tin cần thiết cho chương trình hoạt động, các thông tin này được nạp vào bộ nhớ trong từ các bộ phận cung cấp thông tin (ví dụ như một bàn phím hay một đĩa từ). Bộ xử lý trung tâm sẽ đọc các lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, thực hiện các lệnh và lưu các kết quả trở lại bộ nhớ trong hay cho xuất kết quả ra bộ phận xuất thông tin (màn hình hay máy in).

🧩 Chức năng của CPU

CPU là bộ não của máy tính, thực hiện hai chức năng chính:

1. Điều khiển hoạt động của máy tính

   • CPU điều phối các thành phần như bộ nhớ, thiết bị nhập/xuất, và các đơn vị xử lý khác.

   • Nó ra lệnh cho các bộ phận thực hiện đúng trình tự các thao tác.

2. Xử lý dữ liệu

   • CPU thực hiện các phép toán số học, logic, so sánh và chuyển đổi dữ liệu.

   • Dữ liệu được xử lý theo các lệnh của chương trình.

⚙️ Nguyên tắc hoạt động cơ bản

CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính.

Điều này có nghĩa là:

• Chương trình gồm các lệnh được lưu trong RAM (bộ nhớ chính).

• CPU thực hiện chu trình lệnh (instruction cycle) gồm 3 bước:

  1. Nạp lệnh (Fetch): CPU lấy lệnh tiếp theo từ bộ nhớ chính.

  2. Giải mã (Decode): CPU phân tích lệnh để biết cần làm gì.

  3. Thực thi (Execute): CPU thực hiện lệnh (ví dụ: cộng hai số, lưu dữ liệu…).

• Quá trình này diễn ra liên tục, tuần tự hoặc theo nhánh, tùy vào chương trình.

Bộ nhớ máy tính

🧠 1. Chức năng của bộ nhớ máy tính

• Lưu trữ chương trình: Các chương trình (phần mềm) được nạp vào bộ nhớ để CPU có thể thực thi.

• Lưu trữ dữ liệu: Dữ liệu đầu vào, kết quả xử lý, và thông tin tạm thời đều được lưu trong bộ nhớ.

⚙️ 2. Các thao tác cơ bản với bộ nhớ

• Đọc (Read): CPU truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ để xử lý.

• Ghi (Write): CPU lưu kết quả xử lý hoặc dữ liệu mới vào bộ nhớ.

🧩 3. Các thành phần chính của bộ nhớ

🔸 A. Bộ nhớ trong (Internal Memory)

📌 Chức năng và đặc điểm:

• Là nơi CPU có thể truy cập trực tiếp để lấy lệnh và dữ liệu.

• Tốc độ rất nhanh, giúp CPU xử lý hiệu quả.

• Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ ngoài.

• Sử dụng bộ nhớ bán dẫn như:

  • ROM (Read-Only Memory): Chỉ đọc, không thể ghi lại, chứa chương trình khởi động.

  • RAM (Random Access Memory): Có thể đọc/ghi, lưu trữ tạm thời khi máy hoạt động.

📚 Các loại bộ nhớ trong:

1. Bộ nhớ chính (Main Memory):

   • Chứa chương trình và dữ liệu đang được CPU sử dụng.

   • Tổ chức thành các ngăn nhớ có địa chỉ (thường theo đơn vị byte).

   • Nội dung có thể thay đổi, nhưng địa chỉ vật lý cố định.

2. Bộ nhớ đệm nhanh (Cache Memory):

   • Đặt giữa CPU và bộ nhớ chính để tăng tốc độ truy cập.

   • Dung lượng nhỏ, nhưng tốc độ rất cao.

   • Có thể chia thành nhiều mức: L1, L2, L3.

   • Có thể được tích hợp trong chip CPU hoặc nằm ngoài.

   • Cache có thể có hoặc không tùy loại CPU.

🔸 B. Bộ nhớ ngoài (External Memory)

📌 Chức năng và đặc điểm:

• Lưu trữ lâu dài các phần mềm, dữ liệu, tài liệu.

• Kết nối với máy tính qua thiết bị vào-ra.

• Dung lượng lớn, nhưng tốc độ chậm hơn bộ nhớ trong.

💾 Các loại bộ nhớ ngoài:

• Đĩa cứng (HDD/SSD): Lưu trữ chính của máy tính.

• Đĩa mềm (Floppy Disk): Cũ, dung lượng thấp.

• CD/DVD: Lưu trữ dữ liệu dạng quang học.

• Flash Disk (USB): Di động, tiện lợi.

• Memory Card: Dùng trong điện thoại, máy ảnh…

Hệ thống vào ra

🔄 1. Chức năng của hệ thống vào – ra

• Là cầu nối giữa máy tính và thế giới bên ngoài.

• Cho phép máy tính nhận dữ liệu từ người dùng hoặc thiết bị (input) và xuất dữ liệu ra ngoài (output) như hiển thị kết quả, in tài liệu…

⚙️ 2. Các thao tác cơ bản

• Vào dữ liệu (Input):

  • Nhận thông tin từ thiết bị bên ngoài vào máy tính.

  • Ví dụ: người dùng nhập văn bản qua bàn phím, hình ảnh qua máy quét.

• Ra dữ liệu (Output):

  • Xuất thông tin từ máy tính ra thiết bị bên ngoài.

  • Ví dụ: hiển thị kết quả trên màn hình, in tài liệu qua máy in.

🧩 3. Các thành phần chính

🔸 A. Thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices)

Là các thiết bị gắn ngoài máy tính, dùng để chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài:

• Thiết bị vào (Input Devices):

  • Bàn phím: nhập ký tự và lệnh.

  • Chuột: điều khiển con trỏ và chọn đối tượng.

  • Máy quét (Scanner): chuyển hình ảnh giấy sang dữ liệu số.

• Thiết bị ra (Output Devices):

  • Màn hình: hiển thị thông tin.

  • Máy in: in dữ liệu ra giấy.

  • Loa: phát âm thanh.

🔸 B. Các mô-đun vào ra (I/O Modules)

• Là bộ phận trung gian giữa CPU và thiết bị ngoại vi.

• Có nhiệm vụ:

  • Chuyển đổi tín hiệu giữa thiết bị và hệ thống.

  • Quản lý giao tiếp: điều phối việc truyền nhận dữ liệu.

  • Giảm tải cho CPU bằng cách xử lý các thao tác I/O.

📌 Tóm tắt vai trò hệ thống I/O

Liên kết hệ thống

Một máy tính bao gồm một tập các thành phần hay module thuộc ba kiểu cơ bản (CPU, bộ nhớ, thiết bị nhập xuất) liên lạc với nhau. Trong thực tế, một máy tính có thể được xem như một mạng gồm những thành phần cơ bản. Do đó phải có các đường dẫn nối các module lại với nhau.

Tập hợp các đường dẫn nối kết vô số module được gọi là cấu trúc liên kết. Sự thiết kế cấu trúc này sẽ phụ thuộc vào những trao đổi cần được thực hiện giữa các module.

Hình H.3 đề nghị các kiểu trao đổi cần phải có thông qua việc chỉ ra những dạng nhập xuất chính cho mỗi loại module:

• Bộ nhớ: Một cách tiêu biểu, một module bộ nhớ sẽ bao gồm N word có độ dài bằng nhau. Mỗi word được gán cho một địa chỉ dạng số duy nhất (0, 1,…,N-1). Một word dữ liệu có thể được đọc từ hay ghi vào bộ nhớ. Bản chất của thao tác sẽ được chỉ ra bởi các tín hiệu điều khiển Đọc và Ghi. Vị trí của thao tác được đặc tả thông qua địa chỉ.

Module nhập/xuất: Nếu nhìn từ quan điểm của một hệ thống máy tính, thành phần nhập xuất giống với bộ nhớ về mặt chức năng. Ở đây có hai thao tác là đọc và ghi. Hơn nữa, một module nhập/xuất có thể điều khiển nhiều hơn một thiết bị ngoại vi. Chúng ta có thể đề cập đến từng giao diện của một thiết bị ngoại vi như một cổng và cho nó một địa chỉ duy nhất (ví dụ 0, 1,…, M-1). Ngoài ra, còn có các đường dữ liệu ngoài cho việc nhập xuất dữ liệu với một thiết bị ngoại vi. Cuối cùng, một module nhập/xuất có thể gửi tín hiệu ngắt đến CPU.

• CPU: CPU đọc vào các chỉ thị và dữ liệu, ghi ra dữ liệu sau khi xử lý, và sử dụng các tín hiệu điều khiển để điều phối hoạt động của toàn thể hệ thống. Nó cũng nhận các tín hiệu ngắt.

Danh sách đề cập đến ở trên xác định dữ liệu được trao đổi. Cấu trúc liên kết phải hỗ trợ các kiểu truyền dữ liệu sau đây:

• Bộ nhớ đến CPU: CPU đọc một chỉ thị hay một đơn vị dữ liệu từ bộ nhớ.
• CPU đến bộ nhớ: CPU ghi một đơn vị dữ liệu vào bộ nhớ.
• Thành phần nhập/xuất đến CPU: CPU đọc dữ liệu từ một thiết bị nhập/xuất thông qua một module nhập/xuất.
• CPU đến thành phần nhập/xuất: CPU gửi dữ liệu đến thiết bị nhập/xuất.
• Thành phần nhập/xuất đến hay từ bộ nhớ: Đối với hai trường hợp này, một module nhập/xuất được cho phép trao đổi dữ liệu trực tiếp với bộ nhớ mà không qua CPU bằng cách sử dụng cơ chế truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA).

Trải qua nhiều năm, một số cấu trúc liên kết đã được thử nghiệm. Cho đến nay phổ biến nhất vẫn là cấu trúc đường truyền (bus) và các cấu trúc đa đường truyền khác nhau.