Máy tính kỹ thuật số là một hệ thống kỹ thuật số thực hiện các tác vụ tính toán khác nhau. Từ kỹ thuật số ngụ ý rằng thông tin trong máy tính được biểu diễn bằng các biến có một số lượng giới hạn các giá trị rời rạc. Các giá trị này được xử lý bên trong bởi các thành phần có thể duy trì một số trạng thái rời rạc giới hạn.
Ví dụ: các chữ số thập phân 0, 1, 2, …, 9 cung cấp 10 giá trị rời rạc. Máy tính kỹ thuật số điện tử đầu tiên, được phát triển vào cuối những năm 1940, được sử dụng chủ yếu để tính toán số và các phần tử rời rạc là các chữ số. Từ ứng dụng này, thuật ngữ máy tính kỹ thuật số xuất hiện.
Máy tính kỹ thuật số sử dụng hệ thống số nhị phân, có hai chữ số: 0và 1. Một chữ số nhị phân được gọi là một bit . Thông tin được biểu diễn trong máy tính kỹ thuật số theo nhóm bit. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật mã hóa khác nhau, các nhóm bit có thể được tạo ra để biểu diễn không chỉ các số nhị phân mà còn các ký hiệu rời rạc khác, chẳng hạn như các chữ số thập phân hoặc các chữ cái trong bảng chữ cái.
1. Tổ chức và kiến trúc máy tính
1.1. Tổ chức máy tính
Là đề cập đến các đơn vị hoạt động và các kết nối của chúng để thực hiện các đặc điểm kiến trúc. Ví dụ về các thuộc tính kiến trúc bao gồm tập lệnh, số bit được sử dụng để sao chép các kiểu dữ liệu khác nhau đã gửi (ví dụ: số, ký tự), cơ chế I / O và kỹ thuật định địa chỉ bộ nhớ. Các thuộc tính của tổ chức bao gồm các chi tiết phần cứng riêng biệt đối với người lập trình, chẳng hạn như các tín hiệu điều khiển; giao diện giữa máy tính và thiết bị ngoại vi; và công nghệ bộ nhớ được sử dụng.
Những điểm nổi bật về Tổ chức Hệ thống Máy tính là:
– Các thiết bị I / O và CPU đều thực thi đồng thời. Một số quá trình được lập lịch cho CPU và đồng thời, một số đang trải qua các hoạt động đầu vào / đầu ra.
– Có nhiều bộ điều khiển thiết bị, mỗi bộ phụ trách một thiết bị cụ thể như bàn phím, chuột, máy in, v.v.
– Có sẵn bộ đệm cho mỗi thiết bị. Dữ liệu đầu vào và đầu ra có thể được lưu trữ trong các bộ đệm này.
– Dữ liệu được CPU di chuyển từ bộ nhớ sang bộ đệm thiết bị tương ứng cho các hoạt động I / O và sau đó dữ liệu này được chuyển trở lại từ bộ đệm vào bộ nhớ.
– Bộ điều khiển thiết bị sử dụng một ngắt để thông báo cho CPU rằng hoạt động I / O đã hoàn thành.
1.2. Kiến trúc máy tính
Là đề cập đến những thuộc tính của một hệ thống có thể nhìn thấy đối với một chuyên gia phân loại hay nói cách khác, những thuộc tính đó có tác động trực tiếp đến việc thực thi logic của một chương trình. Một thuật ngữ thường được sử dụng thay thế cho kiến trúc máy tính là kiến trúc tập lệnh (ISA). ISA xác định các định dạng hướng dẫn, mã lệnh, thanh ghi, lệnh và bộ nhớ dữ liệu; ảnh hưởng của các lệnh được thực thi trên thanh ghi và bộ nhớ; và một thuật toán để điều khiển thực thi lệnh.
2. Thiết kế máy tính
Thiết kế máy tính liên quan đến thiết kế phần cứng của máy tính. Một khi các thông số kỹ thuật của máy tính được xây dựng, nhiệm vụ của nhà thiết kế là phát triển phần cứng cho hệ thống.
Thiết kế máy tính liên quan đến việc xác định phần cứng nào nên được sử dụng và các bộ phận nên được kết nối như thế nào. Khía cạnh này của phần cứng máy tính đôi khi được gọi là thực thi máy tính .
3. Các mô hình kiến trúc máy tính
Kiến trúc Máy tính liên quan đến cấu trúc và hành vi của máy tính mà người dùng nhìn thấy.
Nó bao gồm thông tin, định dạng, tập lệnh và các kỹ thuật xử lý bộ nhớ. Thiết kế kiến trúc của một hệ thống máy tính liên quan đến các thông số kỹ thuật của các mô-đun chức năng khác nhau, chẳng hạn như bộ xử lý và bộ nhớ, và cấu trúc chúng lại với nhau thành một hệ thống máy tính.
Hai kiểu kiến trúc máy tính cơ bản là:Kiến trúc von Neumann và Kiến trúc Harvard
Trong lịch sử và cho đến tận ngày nay, sự khác biệt giữa kiến trúc và tổ chức là một điều quan trọng. Nhiều nhà sản xuất máy tính cung cấp một nhóm mô hình máy tính, tất cả đều có cùng kiến trúc nhưng có sự khác biệt về tổ chức. Khi mô tả máy tính, người ta thường phân biệt rõ ràng giữa kiến trúc máy tính và tổ chức máy tính. Mặc dù rất khó để đưa ra định nghĩa chính xác cho các thuật ngữ này, nhưng vẫn có sự đồng thuận về các lĩnh vực chung được đề cập trong mỗi thuật ngữ.
Do đó, các mô hình khác nhau trong gia đình máy tính có giá khác nhau và thực hiện các đặc điểm phụ. Hơn nữa, một kiến trúc cụ thể có thể kéo dài nhiều năm và bao gồm một số mô hình máy tính khác nhau, tổ chức của nó thay đổi theo công nghệ thay đổi. Một ví dụ nổi bật của cả hai hiện tượng này là kiến trúc Hệ thống IBM / 370. Kiến trúc này được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1970 và bao gồm một số mô hình.
Trong nhiều năm qua, IBM đã giới thiệu nhiều mô hình mới với công nghệ cải tiến để thay thế các mô hình cũ hơn, mang đến cho khách hàng tốc độ cao hơn, chi phí thấp hơn hoặc cả hai. Các mô hình mới hơn này vẫn giữ nguyên kiến trúc để bảo vệ khoản đầu tư vào phần mềm của khách hàng. Đáng chú ý, kiến trúc System / 370, với một vài cải tiến, đã tồn tại cho đến ngày nay như là kiến trúc của dòng sản phẩm máy tính lớn của IBM.
Trong một lớp máy tính được gọi là máy vi tính, mối quan hệ giữa kiến trúc và tổ chức là rất chặt chẽ. Những thay đổi trong công nghệ không chỉ ảnh hưởng đến tổ chức mà còn dẫn đến sự ra đời của các kiến trúc mạnh mẽ hơn và phức tạp hơn. Nói chung, có ít yêu cầu về khả năng tương thích giữa các thế hệ đối với các máy nhỏ hơn này. Do đó, có nhiều tác động qua lại giữa các quyết định tổ chức và thiết kế kiến trúc. Một ví dụ hấp dẫn về điều này là máy tính tập lệnh rút gọn (RISC), mà chúng ta sẽ xem xét sau.
5. Đặc điểm của các thế hệ máy tính số
Thế hệ thứ nhất : 1940-1956
Các hệ thống máy tính đầu tiên sử dụng ống chân không cho mạch điện và trống từ cho bộ nhớ , và thường rất lớn, chiếm toàn bộ phòng. Những chiếc máy tính này vận hành rất tốn kém và ngoài việc sử dụng rất nhiều điện năng, những chiếc máy tính đầu tiên còn tạo ra rất nhiều nhiệt, đây thường là nguyên nhân gây ra hỏng hóc.
Máy tính thế hệ đầu tiên dựa vào ngôn ngữ máy , ngôn ngữ lập trình cấp thấp nhất mà máy tính hiểu được, để thực hiện các hoạt động và chúng chỉ có thể giải quyết một vấn đề tại một thời điểm. Các nhà khai thác sẽ mất vài ngày hoặc thậm chí vài tuần để thiết lập một vấn đề mới. Đầu vào dựa trên thẻ đục lỗ và băng giấy, và đầu ra được hiển thị trên bản in.
Máy tính UNIVAC và ENIAC là những ví dụ về thiết bị tính toán thế hệ đầu tiên. UNIVAC là máy tính thương mại đầu tiên được giao cho khách hàng doanh nghiệp, Cục điều tra dân số Hoa Kỳ vào năm 1951.
Thế hệ thứ 2 : 1956-1963
Thế giới sẽ thấy bóng bán dẫn thay thế ống chân không trong thế hệ máy tính thứ hai. Bóng bán dẫn được phát minh tại Bell Labs vào năm 1947 nhưng không được sử dụng rộng rãi trong máy tính cho đến cuối những năm 1950.
Bóng bán dẫn vượt trội hơn nhiều so với ống chân không, cho phép máy tính trở nên nhỏ hơn, nhanh hơn, rẻ hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và đáng tin cậy hơn so với thế hệ tiền nhiệm đầu tiên của chúng. Mặc dù bóng bán dẫn vẫn tạo ra một lượng nhiệt lớn khiến máy tính bị hư hỏng, nhưng nó là một cải tiến lớn so với ống chân không. Máy tính thế hệ thứ hai vẫn dựa vào thẻ đục lỗ cho đầu vào và bản in cho đầu ra.
Thế hệ thứ 3 : 1964-1971
Sự phát triển của mạch tích hợp là dấu ấn của thế hệ máy tính thứ ba. Các bóng bán dẫn được thu nhỏ và đặt trên các chip silicon , được gọi là chất bán dẫn , giúp tăng đáng kể tốc độ và hiệu suất của máy tính.
Thay vì thẻ đục lỗ và bản in, người dùng tương tác với máy tính thế hệ thứ ba thông qua bàn phím và màn hình và giao tiếp với hệ điều hành , cho phép thiết bị chạy nhiều ứng dụng khác nhau cùng một lúc bằng chương trình trung tâm giám sát bộ nhớ. Máy tính lần đầu tiên trở nên dễ tiếp cận với khán giả đại chúng vì chúng nhỏ hơn và rẻ hơn so với các thiết bị tiền nhiệm.
Thế hệ thứ 4 :1971-NAY
Bộ vi xử lý đã mở ra thế hệ máy tính thứ tư, khi hàng nghìn mạch tích hợp được xây dựng trên một chip silicon duy nhất. Những gì ở thế hệ đầu tiên lấp đầy cả một căn phòng giờ có thể nằm gọn trong lòng bàn tay. Chip Intel 4004, được phát triển vào năm 1971, đặt tất cả các thành phần của máy tính từ bộ xử lý trung tâm và bộ nhớ đến các điều khiển đầu vào / đầu ra trên một con chip duy nhất.
Năm 1981, IBM giới thiệu máy tính đầu tiên cho người dùng gia đình, và năm 1984 Apple giới thiệu Macintosh. Bộ vi xử lý cũng chuyển ra khỏi lĩnh vực của máy tính để bàn và sang nhiều lĩnh vực của cuộc sống khi ngày càng có nhiều sản phẩm hàng ngày bắt đầu sử dụng bộ vi xử lý.
Khi những máy tính nhỏ này trở nên mạnh mẽ hơn, chúng có thể được liên kết với nhau để tạo thành mạng, điều này cuối cùng đã dẫn đến sự phát triển của Internet. Máy tính thế hệ thứ tư cũng chứng kiến sự phát triển của GUI , chuột và các thiết bị cầm tay .
Thế hệ thứ 5 : Trí tuệ nhân tạo – AI và xa hơn
Các thiết bị điện toán thế hệ thứ năm, dựa trên trí tuệ nhân tạo , vẫn đang được phát triển, mặc dù có một số ứng dụng, chẳng hạn như nhận dạng giọng nói , đang được sử dụng ngày nay. Việc sử dụng xử lý song song và chất siêu dẫn đang giúp biến trí tuệ nhân tạo thành hiện thực.
Tính toán lượng tử và công nghệ phân tử và nano sẽ thay đổi hoàn toàn bộ mặt của máy tính trong những năm tới. Mục tiêu của máy tính thế hệ thứ năm là phát triển các thiết bị đáp ứng đầu vào bằng ngôn ngữ tự nhiên và có khả năng học hỏi và tự tổ chức.