1. Các thế hệ máy tính
Sự phát triển của máy tính được mô tả dựa trên sự tiến bộ của các công nghệ chế tạo các linh kiện cơ bản của máy tính như: bộ xử lý, bộ nhớ, các thiết bị ngoại vi, … Ta có thể nói máy tính điện tử số trải qua bốn thế hệ liên tiếp. Việc chuyển từ thế hệ trước sang thế hệ sau được đặc trưng bằng một sự thay đổi cơ bản về công nghệ.
a. Thế hệ đầu tiên (1946-1957)
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) là máy tính điện tử số đầu tiên do Giáo sư Mauchly và người học trò Eckert tại Đại học Pennsylvania thiết kế vào năm 1943 và được hoàn thành vào năm 1946.
Giáo sư toán học John Von Neumann đã đưa ra ý tưởng thiết kế máy tính IAS (Princeton Institute for Advanced Studies): chương trình được lưu trong bộ nhớ, bộ điều khiển sẽ lấy lệnh và biến đổi giá trị của dữ liệu trong phần bộ nhớ, bộ làm toán và luận lý (ALU: Arithmetic And Logic Unit) được điều khiển để tính toán trên dữ liệu nhị phân, điều khiển hoạt động của các thiết bị vào ra. Đây là một ý tưởng nền tảng cho các máy tính hiện đại ngày nay. Máy tính này còn được gọi là máy tính Von Neumann.
b. Thế hệ thứ hai (1958-1964)
Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1947 và do đó thế hệ thứ hai của máy tính được đặc trưng bằng sự thay thế các đèn điện tử bằng các transistor lưỡng cực. Tuy nhiên, đến cuối thập niên 50, máy tính thương mại dùng transistor mới xuất hiện trên thị trường. Kích thước máy tính giảm, giá rẻ hơn, tiêu tốn năng lượng ít hơn.
Vào thời điểm này, mạch in và bộ nhớ bằng xuyến từ được dùng. Ngôn ngữ cấp cao xuất hiện (như FORTRAN năm 1956, COBOL năm 1959, ALGOL năm 1960) và hệ điều hành kiểu tuần tự (Batch Processing) được dùng. Trong hệ điều hành này, chương trình của người dùng thứ nhất được chạy, xong đến chương trình của người dùng thứ hai và cứ thế tiếp tục.
c. Thế hệ thứ ba (1965-1971)
Thế hệ thứ ba được đánh dấu bằng sự xuất hiện của các mạch kết (mạch tích hợp - IC: Integrated Circuit). Các mạch kết hợp có độ tích hợp mật độ thấp (SSI: Small Scale Integration) có thể chứa vài chục linh kiện và kết độ tích hợp mật độ trung bình (MSI: Medium Scale Integration) chứa hàng trăm linh kiện trên mạch tích hợp.
Mạch in nhiều lớp xuất hiện, bộ nhớ bán dẫn bắt đầu thay thế bộ nhớ bằng xuyến từ. Máy tính đa chương trình và hệ điều hành chia thời gian được dùng.
d. Thế hệ thứ tư (1972-????)
Thế hệ thứ tư được đánh dấu bằng các IC có mật độ tích hợp cao (LSI: Large Scale Integration) có thể chứa hàng ngàn linh kiện. Các IC mật độ tích hợp rất cao (VLSI: Very Large Scale Integration) có thể chứa hơn 10 ngàn linh kiện trên mạch. Hiện nay, các chip VLSI chứa hàng trăm triệu linh kiện.
Với sự xuất hiện của bộ vi xử lý (microprocessor) chứa cả phần thực hiện và phần điều khiển của một bộ xử lý, sự phát triển của công nghệ bán dẫn các máy vi tính đã được chế tạo và khởi đầu cho các thế hệ máy tính cá nhân.
Các bộ nhớ bán dẫn, bộ nhớ cache, bộ nhớ ảo được dùng rộng rãi.
Các kỹ thuật cải tiến tốc độ xử lý của máy tính không ngừng được phát triển: kỹ thuật ống dẫn, kỹ thuật vô hướng, xử lý song song mức độ cao,…
2. Cấu trúc chung của máy vi tính
a. Nhìn góc độ 1
b. Nhìn góc độ 2
3. Các thành phần cơ bản của máy tính
Khối xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit): nhận và thực thi các lệnh. Bên trong CPU gồm các mạch điều khiển logic, mạch tính toán số học, …
Bộ nhớ (Memory): lưu trữ các lệnh và dữ liệu. Nó bao gồm 2 loại: bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài. Bộ nhớ thường được chia thành các ô nhớ nhỏ. Mỗi ô nhớ được gán một địa chỉ để CPU có thể định vị khi cần đọc hay ghi dữ liệu.
Thiết bị ngoại vi (Input/Output): dùng để nhập hay xuất dữ liệu. Bàn phím, chuột, scanner, … thuộc thiết bị nhập; màn hình, máy in, … thuộc thiết bị xuất. Các ổ đĩa thuộc bộ nhớ ngoài cũng có thể coi vừa là thiết bị xuất vừa là thiết bị nhập. Các thiết bị ngoại vi liên hệ với CPU qua các mạch giao tiếp I/O (I/O interface).
Bus hệ thống: tập hợp các đường dây để CPU có thể liên kết với các bộ phận khác.
4. Nguyên tắc hoạt động của máy tính
CPU được nối với các thành phần khác bằng bus hệ thống nghĩa là sẽ có nhiều thiết bị cùng dùng chung một hệ thống dây dẫn để trao đổi dữ liệu. Do đó, để hệ thống không bị xung đột, CPU phải xử lý sao cho trong một thời điểm, chỉ có một thiết bị hay ô nhớ đã chỉ định mới có thể chiếm dụng bus hệ thống. Do mục đích này, bus hệ thống bao gồm 3 loại:
- Bus dữ liệu (data bus): truyền tải dữ liệu
- Bus địa chỉ (address bus): chọn ô nhớ hay thiết bị ngoại vi
- Bus điều khiển (control bus): hỗ trợ trao đổi thông tin trạng thái như phân biệt CPU phải truy xuất bộ nhớ hay ngoại vị, thao tác xử lý là đọc/ghi, … CPU phát tín hiệu địa chỉ của thiết bị lên bus địa chỉ. Tín hiệu này được đưa vào mạch giải mã địa chỉ chọn thiết bị. Bộ giải mã sẽ phát ra chỉ một tín hiệu chọn chip đúng sẽ cho phép mở bộ đệm của thiết bị cần thiết, dữ liệu lúc này sẽ được trao đổi giữa CPU và thiết bị. Trong quá trình này, các tín hiệu điều khiển cũng được phát trên control bus để xác định mục đích của quá trình truy xuất.