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).
Bộ xử lý trung tâm (CPU)
+ Chức năng:
– Điều khiển hoạt động của máy tính .
– Xử lý dữ liệu.
+ Nguyên tắc hoạt động cơ bản: CPU hoạt động theo chương trình nằm trong bộ nhớ chính.
Bộ nhớ máy tính
+ Chức năng: lưu trữ chương trình và dữ liệu.
+ Các thao tác cơ bản với bộ nhớ:
Đọc (Read)
Ghi (Write)
+ Các thành phần chính:
Bộ nhớ trong (Internal Memory)
Bộ nhớ ngoài (External Memory)
Bộ nhớ trong (Internal memory)
– Chức năng và đặc điểm:
+ Chứa các thông tin mà CPU có thể trao đổi trực tiếp.
+ Tốc độ rất nhanh.
+ Dung lượng không lớn.
+ Sử dụng bộ nhớ bán dẫn: ROM, RAM.
– Các loại bộ nhớ trong: Bộ nhớ chính, Bộ nhớ cache (bộ nhớ đệm nhanh).
+ Bộ nhớ chính (Main memory) : Chứa các chương trình và dữ liệu đang được CPU sử dụng. Tổ chức thành các ngăn nhớ được đánh địa chỉ. Ngăn nhớ thường được tổ chức theo byte. Nội dung của ngăn nhớ có thể thay đổi, song địa chỉ vật lý của ngăn nhớ luôn cố định.
+ Bộ nhớ đệm nhanh (Cache memory) : Bộ nhớ có tốc độ nhanh được đặt đệm giữa CPU và bộ nhớ chính nhằm tăng tốc độ CPU truy nhập bộ nhớ, dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính, tốc độ nhanh hơn, nó thường được chia thành một số mức, có thể được tích hợp trên chip vi xử lý và cache có thể có hoặc không. Hình H.2 ở trên
– Bộ nhớ ngoài (External memory)
+ Chức năng và đặc điểm: Lưu giữ tài nguyên phần mềm của máy tính, được kết nối với hệ thống dưới dạng các thiết bị vào-ra, dung lượng lớn, tốc độ chậm.
+ Các loại bộ nhớ ngoài: đĩa cứng, đĩa mềm, CD, DVD, Flash disk, memory card.
Hệ thống vào – ra
– Chức năng: Trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài.
– Các thao tác cơ bản:
+ Vào dữ liệu (Input)
+ Ra dữ liệu (Output)
– Các thành phần chính:
+ Các thiết bị ngoại vi (Peripheral Devices): chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính.
Thiết bị vào: bàn phím, chuột, máy quét …
Thiết bị ra: màn hình, máy in …
+ Các mô-đun vào ra (IO Modules): nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính.
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.