Kiến trúc máy tính là gì? 4 giai đoạn lịch sử phát triển máy tính bạn nên biết

Kiến trúc máy tính là gì? Lịch sử phát triển của máy tính trải qua các giai đoạn lịch sử như thế nào. Khái niệm, cấu tạo của các linh kiện trong máy tính ra làm sao? Hãy cùng Huỳnh Quí IT đi tìm hiểu về bài viết Kiến trúc máy tính là gì? 4 giai đoạn lịch sử phát triển máy tính bạn nên biết ngày hôm nay các bạn nhé.

Trước hết, chúng ta cùng nhau đi qua khái niệm đầu tiên, đó là khái niệm về kiến trúc máy tính là gì?

Giới thiệu chung về kiến trúc máy tính

Khái niệm về kiến trúc máy tính:

Kiến trúc máy tính (Computer architecture) là một khái niệm trừu tượng của một hệ thống tính toán dưới quan điểm của người lập trình hoặc người viết chương trình dịch. Nói cách khác, kiến trúc máy tính được xem xét theo khía cạnh mà người lập trình có thể can thiệp vào mọi mức đặc quyền, bao gồm các thanh ghi, ô nhớ các ngắt… có thể được thâm nhập thông qua các lệnh.

Lịch sử phát triển của máy tính:

Chiếc máy tính điện tử đầu tiên là ENIAC được ra đời năm 1946, được chế tạo từ những đèn điện tử, rơle điện tử và các chuyển mạch cơ khí. Lịch sử phát triển của máy tính điện tử có thể chia làm bốn thế hệ như sau:

• Thế hệ 1: (1945-1955). Máy tính được xây dựng trên cơ sở đèn điện tử mà mỗi đèn tượng trưng cho 1 bit nhị phân. Do đó máy có khối lượng rất lớn, tốc độ chậm và tiêu thụ điện năng lớn. Như máy ENIAC có khối lượng 30 tấn, tiêu thụ công suất 140KW.
• Thế hệ thứ 2: (1955-1965). Máy tính được xây dựng trên cơ sở là các đèn bán dẫn (transistor), máy tính đầu tiên thế hệ này có tênlà TX-0 (transistorized experimental computer 0).
• Thế hệ thứ ba: (1965-1980). Máy tính được xây dựng trên các vi mạch cỡ nhỏ (SSI) và cỡ vừa (MSI), điển hình là thế hệ máy System/360 của IBM. Thế hệ máy tính này có những bước đột phá mới như sau: Tính tương thích cao: Các máy tính trong cùng một họ có khả năng chạy các chương trình, phần mềm của nhau. Đặc tính đa chương trình: Tại một thời điểm có thể có vài chương trình nằm trong bộ nhớ và một trong số đó được cho chạy trong khi các chương trình khác chờ hoàn thành các thao tác vào/ra. Không gian địa chỉ rất lớn.
• Thế hệ thứ tư: (1980- ). Máy tính được xây dựng trên các vi mạch cỡ lớn (LSI) và cực lớn (VLSI). Đây là thế hệ máy tính số ngày nay, nhờ công nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc, mà người ta có thể chế tạo các mạch tổ hợp ở mức độ cực lớn. Nhờ đó máy tính ngày càng nhỏ hơn, nhẹ hơn, mạnh hơn và giá thành rẻ hơn. Máy tính cá nhân bắt đầu xuất hiện và phát triển trong thời kỳ này.

Dựa vào kích thước vật lý, hiệu suất và lĩnh vực sử dụng, hiện nay người ta thường chia máy tính số thế hệ thứ tư thành 5 loại chính, các loại có thể trùm lên nhau một phần:

• Microcomputer: Còn gọi là PC (personal computer), là những máy tính nhỏ, có 1 chip vi xử lý và một số thiết bị ngoại vi. Thường dùng cho một người, có thể dùng độc lập hoặc dùng trong mạng máy tính.
• Minicomputer: Là những máy tính cỡ trung bình, kích thước thường lớn hơn PC. Nó có thể thực hiện được các ứng dụngmà máy tính cỡ lớn thực hiện. Nó có khả năng hỗ trợ hàng chục đến hàng trăm người làm việc. Minicomputer được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thời gian thực, ví dụ trong điều khiển hàng không, trong tự động hoá sản xuất.
• Supermini: Là những máy Minicomputer có tốc độ xử lý nhanh nhất trong họ Mini ở những thời điểm nhất định. Supermini thường được dùng trong các hệ thống phân chia thời gian, ví dụ các máy quản gia của mạng.
• Mainframe: Là những máy tính cỡ lớn, có khả năng hỗ trợ cho hàng trăm đến hàng ngàn người sử dụng. Thường được sử dụng trong chế độ các công việc sắp xếp theo lô lớn (Large-Batch-Job) hoặc xử lý các giao dịch (Transaction Processing), ví dụ trong ngân hàng.
• Supercomputer: Đây là những siêu máy tính, được thiết kế đặc biệt để đạt tốc độ thực hiện các phép tính dấu phẩy động cao nhất có thể được. Chúng thường có kiến trúc song song, chỉ hoạt động hiệu quả cao trong một số lĩnh vực.

Dựa vào kiến trúc máy tính người ta cũng phân máy tính ra các loại khác nhau như sau:

• Kiến trúc máy tính SISD (single instruction - single data, đơn dòng lệnh - đơn dòng dữ liệu)
• Kiến trúc máy tính CIMD (Single Instruction Multiple Data, đơn dòng lệnh- đa dữ liệu)
• Kiến trúc máy tính MIMD (Multiple Instruction Multiple Data, đa dòng lệnh- đa dữ liệu)

Khối cơ bản của kiến trúc máy tính:

Cơ sở về bộ nhớ:

Trong kiến trúc máy tính thì các bộ nhớ có thể chia làm hai loại tổng quát, ROM và RAM. ROM là Read-only Memory(bộ nhớ chỉ đọc) và RAM là Random-access Memory (bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên). Nói chung ROM chứa các dữ liệu một cách cố định và không thể thay đổi. Còn RAM có thể đọc ra và có thể ghi vào.

Khái niệm truy xuất ngẫu nhiên có nghĩa là bất kỳ một vị trí nhớ nào cũng có thể được mở ra hoặc được gọi ra ở bất kỳ lúc nào, các thông tin không cần phải đọc ra hay ghi vào một cách tuần tự. Về thực chất, cả RAM và ROM đều là truy xuất ngẫu nhiên. Chỉ có điều khác nhau cơ bản là ROM chỉ cho phép đọc mà không thể ghi vào nó, còn RAM là bộ nhớ có thể đọc và ghi, vì thế RAM được gọi là “bộ nhớ đọc/ghi”.

Cấu trúc bộ nhớ

Mạch nhớ được nối với các bộ phận khác trong máy tính thông qua các đường đây địa chỉ và các đường dây dữ liệu của nó. Kiểm soát mạch nhớ bằng đường dây cho phép (enable), riêng đối với RAM còn có thêm đường dây kiểm soát đọc/ghi (Read/write).

Các mạch nhớ nói chung được tổ chức dưới dạng ma trận, gồm những hàng và những cột để xác định vị trí hay địa chỉ nhớ. Mỗi ô trong ma trận gọi là một phần tử (cell) hay vị trí nhớ (memory location). Vị trí hay phần tử nhớ được dò tìm bằng cách chọn địa chỉ nhờ mạch giải mã địa chỉ. Mạch này gồm hai phần: mạch chọn địa chỉ hàng RAS (row-address selector) và mạch chọn địa chỉ cột CAS (Column-address selector).

Các đường dây địa chỉ sẽ chọn địa chỉ hàng và cột. Đường dây enable dùng để mở các mạch điện lối ra bộ nhớ theo ba trạng thái. Còn đường dây Read/write quyết định dạng thao tác sẽ thực hiện. Bộ nhớ hoặc là có tổ chức bit hoặc là loại có tổ chức lời (word organized). Bộ nhớ tổ chức bit có thể lưu giữ một bit đơn trong mỗi vị trí địa chỉ. Bộ nhớ tổ chức lời sẽ được lựa chọn cả một nhóm phần tử nhớ cùng một lúc với mỗi vị trí địa chỉ.

Mỗi nhốm phần tử nhớ thường là một byte (8 bit), hoặc một lời (16 bit). Số đường dây địa chỉ của mạch nhớ sẽ quyết định số vị trí nhớ cực đại tính theo công thức sau: Số vị trí nhớ cực đại = 2N, trong đó, N là số lượng các đường địa chỉ.

ROM-BIOS

Bất cứ hệ máy tính nào cũng có một vi mạch ROM. vi mạch này chứa chương trình của hệ điều hành vào ra cơ sở BIOS (basic input/output system). Những chương trình này cần thiết để khởi động máy và cài đặt chế độ làm việc cơ sở cho các thiết bị ngoại vi.

Nói chung, có thể chia ROM thành bốn loại. ROM mặt nạ (maskable ROM) là loại ROM do nhà sản xuất đã nạp sẵn dữ liệu, khi đó dữ liệu không thể thay đổi được nữa. ROM có thể nạp chương trình (PROM - programable ROM) là loại mạch mà người dùng có thể nạp dữ liệu vào thông qua thiết bị “đốt” PROM.

Khi đã nạp thì các dữ liệu trong PROM cũng không thể thay đổi. PROM có thể xoá, còn gọi là EPROM (erasable PROM) là loại ROM mà người dùng có thể nạp dữ liệu vào và các dữ liệu đó có thể xoá hoặc thay đổi bằng một thiết bị đặc biệt. EPROM có thể xoá bằng điện (electric EPROM) là loại ROM có thể nạp và xoá dữ liệu bằng điện được mà không phải sử dụng tia cực tms như với EPROM.

Trong các máy tính hiện đại, người ta thường sử dụng Flash BIOS dùng EEPROM. Như vậy nội dung BIOS của máy tính có thể được thay đổi để tương thích với những mở rộng và nâng cấp hệ thống, mà điều này là không thể thực hiện đối với những máy tính thế hệ cũ sử dụng BIOS dùng PROM hoặc EPROM.

BIOS gồm nhiều chương trình và hàm. Phần đầu của chương trình BIOS kiểm tra hệ thống máy tính, quá trình này gọi là POST. Nếu hệ thống sử dụng các Card (thẻ cắm) Plug and Play thì giai đoạn này chính là lúc máy tính truy nhập tham số của thẻ. BIOS nào cũng có chương trình “Setup BIOS” để người dùng tự chỉnh tham số các thiết bị ngoại vi.

RAM

Có thể chia RAM thành hai hoại, RAM tĩnh (SRAM), có khả năng lưu giữ số liệu mãi mãi nếu như không mất nguồn nuôi. Và RAM động (DRAM), là loại RAM phải được “làm tươi” (refresh) tức là phải nạp lại dữ liệu đang được lưu trữ theo từng chu kỳ. “Làm tươi” bằng cách thực hiện thao tác đọc hoặc ghi nhắc lại. Cũng có thể “làm tươi” bằng những thao tác đặc biệt khác. Loại DRAM có mật độ phần tử nhớ cao nên giá thành khá rẻ so với SRAM. Các mạch nhớ DRAM được dùng phổ biến trong các thế hệ máy tính hiện nay.

Để tiết kiệm số đường địa chỉ và giảm số chân trên IC, hầu hết các loại DRAM đều dùng phương pháp địa chỉ multiplex. Trong quá trình đọc hay ghi các đường địa chỉ đầu tiên chứa các thông tin về hàng rồi tiếp sau mang thông tin về cột. Để kiểm soát thao tác này, người ta dùng đường dây và như trên hình 2-3. Khi thấp thì thông tin trên các đường địa chỉ sẽ được mở thông qua mạch chốt địa chỉ hàng (row-address latch). Khi thấp thì thông tin trên các đường địa chỉ sẽ được mở thông qua mạch chốt địa chỉ cột (column-address latch).

Việc “làm tươi” bằng dữ liệu đọc, dữ liệu ghi hoặc bằng các thao tác riêng. Mạch điều khiển làm tươi phải chọn tuần tự từng hàng các phần tử nhớ, cứ mỗi hàng một lần, cho đến khi tất cả các hàng đều được “làm tươi”. Đó là phương pháp làm tươi từng đợt. Trong quá trình đó không được đọc hay ghi dữ liệu vào bộ nhớ cho đến khi kết thúc quá trình. Một cách khác là “làm tươi” từng hàng trong các chu kỳ rời rạc và gọi là làm tươi theo chu kỳ đơn.

Bộ xử lý trung tâm CPU

Bộ xử lý trung tâm CPU là cốt lõi của một máy vi tính. CPU thực hiện mọi tính toán và xử lý của hệ thống — ngoại trừ xử lý tăng cường tính toán đặc biệt trong những hệ thống có một chip đơn vị đồng xử lý toán, mà chip này cũng đã được tích hợp ngay trong các CPU hiện nay. Tất cả những máy tính IBM và tương thích IBM sử dụng những bộ xử lý họ Intel hoặc tương thích với bộ xử lý họ Intel, dù chính những bộ xử lý có thể đã được nhiều công ty khác nhau thiết kế và sản xuất, gồm AMD, IBM, Cyric… .

Một trong những bộ xử lý điển hình thuộc họ 80×86 của Intel là bộ xử lý 8088. Đây là bộ vi xử lý khá đơn giản và vì vậy việc tìm hiểu nó là tương đối dễ đối với những người bắt đầu thâm nhập vào lĩnh vực vi xử lý, mặt khác việc nắm vững các vấn đề kỹ thuật của bộ vi xử lý 8088 sẽ là cơ sở để nắm bắt được các kỹ thuật của các bộ xử lý khác trong họ 80×86 của Intel, của các họ khác và của các bộ xử lý hiện đại ngày nay.

Vậy là trong nội dung bài viết Kiến trúc máy tính là gì? 4 giai đoạn lịch sử phát triển máy tính bạn nên biết. Huỳnh Quí IT đã giới thiệu cho các bạn cơ bản về kiến trúc máy tính, lịch sử phát triển và các khối cơ bản của kiến trúc máy tính.

Ở phần tiếp theo của chuyên mục Có thể bạn chưa biết, Huỳnh Quí IT sẽ giới thiệu đến các bạn các nội dung chuyên sâu hơn về kiến trúc máy tính các bạn nhé. Hy vong sẽ giúp ích được phần nào cho các bạn sinh viên, các anh/chị có thể biết thêm về lý thuyết kiến trúc máy tính để đáp ứng được nhu cầu của mọi người.

Xin chân thành cảm ơn các bạn đã xem. Nếu thấy hay, hãy share và click quảng cáo để ủng hộ Huỳnh Quí IT duy trì website và phát triển nhé. Mọi ý kiến đóng góp các bạn có thể inbox mình qua Fanpage hoặc bình luận dưới phần bài viết nhé.