Bài 4. Bên trong máy tính

BÊN TRONG MÁY TÍNH

SAU BÀI HỌC NÀY EM SẼ:

Em đã biết cấu trúc chung của máy tính gồm bộ xử lí trung tâm, bộ nhớ trong, bộ nhớ ngoài, các thiết bị vào ra. Tuy nhiên, hầu hết các em mới chỉ nhìn thấy các thiết bị bên ngoài như màn hình, bàn phím, chuột, máy chiếu, bộ nhớ ngoài (đĩa cứng hay đĩa rời, thẻ nhớ USB).

Em có biết cụ thể trong máy tính có những bộ phận nào không?

1. CÁC THIẾT BỊ BÊN TRONG MÁY TÍNH

Hoạt động 1

Tất cả các thiết bị bên trong máy tính được gắn với một bảng mạch, gọi là bảng mạch chính (mainboard) như trong Hình 4.3.

a) Bộ xử lí trung tâm

Bộ xử lí trung tâm (Central Processing Unit, CPU), còn được gọi là bộ xử lí, là thành phần quan trọng nhất của máy tính, đảm nhận việc thực hiện các chương trình máy tính. CPU được cấu tạo từ hai bộ phận chính.

CPU có một đồng hồ xung, tạo ra các xung điện áp gửi đến mọi thành phần của máy để đồng bộ các hoạt động. Mỗi phép tính sẽ được thực hiện trong một số xung đồng hồ. Vì thế người ta thường dùng tần số đồng hồ xung, thường là GHz (1 tỉ xung một giây), để đánh giá tốc độ của CPU.

Ngoài ra, CPU còn có thêm một số thành phần khác như thanh ghi (register) và bộ nhớ đệm (bộ nhớ truy cập nhanh, cache).

Thanh ghi là bộ nhớ đặc biệt được dùng để lưu trữ tạm thời các lệnh và dữ liệu đang được xử lí, cho phép CPU truy cập tới với tốc độ rất nhanh. Bộ nhớ đệm là một bộ nhớ nhỏ chứa dữ liệu được nạp trước từ bộ nhớ trong nhằm giảm thời gian đọc dữ liệu.

Thời kì đầu, mỗi máy tính chỉ có một đơn vị xử lí, sau này người ta chế tạo các máy tính có nhiều đơn vị xử lí được đóng gói trong một chíp. Mỗi đơn vị xử lí như thế được gọi là một lõi hoặc một nhân (core). CPU đa lõi cho phép máy tính xử lí nhanh hơn vì có thể thực hiện song song nhiều việc cùng lúc.

b) Bộ nhớ trong ROM và RAM

Tuỳ theo cách sử dụng, bộ nhớ trong (memory) chia thành hai loại RAM (Random Access Memory) và ROM (Read Only Memory).

RAM là bộ nhớ có thể ghi được, dùng để lưu dữ liệu tạm thời trong khi chạy các chương trình nhưng không giữ được lâu dài (khi tắt máy, dữ liệu trong RAM sẽ bị xoá). ROM là bộ nhớ được ghi bằng phương tiện chuyên dùng, các chương trình ứng dụng chỉ có thể đọc mà không thể ghi, xoá. ROM không cần nguồn nuôi nên có thể lưu dữ liệu và chương trình lâu dài. Nó thường được dùng để lưu các dữ liệu hệ thống cố định và các chương trình kiểm tra khởi động máy tính.

Các tham số của bộ nhớ trong thường là:

• So với RAM, ROM thường có dung lượng nhỏ hơn và thời gian truy cập trung bình.

c) Bộ nhớ ngoài

Bộ nhớ ngoài có thể đặt bên trong hay bên ngoài thân máy. Bộ nhớ ngoài thường là đĩa từ (đĩa cứng, đĩa mềm), đĩa thể rắn (Solid State Disk, SSD), đĩa quang,... Bộ nhớ ngoài không cần nguồn nuôi, giá thành rẻ hơn RAM và có dung lượng lớn. Các tham số đo hiệu năng của bộ nhớ ngoài giống như bộ nhớ trong bao gồm: dung lượng, tốc độ truy cập.

2. MẠCH LÔGIC VÀ VAI TRÒ CỦA MẠCH LÔGIC

CPU là thiết bị quan trọng nhất bên trong thân máy. Về bản chất, nó là một mạch điện tử được dùng để biến đổi (xử lí) các dữ liệu nhị phân. Cách thức xử lí dữ liệu của CPU được dựa trên cơ sở hoạt động của các mạch lôgic. Các phép toán lôgic và hệ đếm nhị phân đã được nêu đối với định hướng khoa học máy tính. Ở đây ta chỉ nêu một cách ngắn gọn các kiến thức về lôgic và số học nhị phân mà các em theo định hướng tin học ứng dụng chưa được giới thiệu.

Các đại lượng lôgic là các đại lượng chỉ nhận một trong hai giá trị lôgic là "Đúng" và "Sai", được thể hiện tương ứng bởi các bit 1 và 0.

a) Các phép toán lôgic

Ta xây dựng một số các phép toán lôgic, trong đó có phép phủ định lôgic (kí hiệu là NOT hoặc một dấu gạch ngang trên đối tượng bị phủ định), phép hoặc loại trừ (kí hiệu là XOR hoặc ⊕) như trong Bảng 4.1.

Như vậy, có thể xây dựng các mạch điện hoặc điện tử để thực hiện các phép toán lôgic. Để dễ hình dung, ta minh hoạ qua các rơ le (relay) điện từ nhưng thực tế các mạch xử lí trong máy tính là mạch điện tử hoặc vi mạch có tính năng tương tự.

Rơ le điện từ có một cuộn cảm, khi được cấp điện chúng sẽ hút các tiếp điểm để đóng một mạch điện khác. Rơ le như thế là loại thường mở, chỉ đóng mạch khi được cấp điện. Còn loại rơ le thường đóng sẽ luôn đóng mạch; khi được cấp điện, rơ le sẽ tách các tiếp điểm để ngắt mạch.

Sơ đồ mạch lôgic AND. Hình 4.4 là mạch điện mắc nối tiếp hai rơ le K1 và K2 với một bóng điện. Quy ước trạng thái có dòng điện có giá trị lôgic 1, còn trạng thái không có dòng điện có giá trị lôgic 0.

Dễ thấy, chỉ khi cả hai rơ le có điện thì mạch và đèn mới có điện (nhận trị lôgic 1). Như vậy trạng thái lôgic của đèn chính là kết quả của phép nhân lôgic. Với sơ đồ mạch lôgic OR, chỉ cần ít nhất một trong hai rơ le có điện là mạch đèn tự đóng, sáng.

Sơ đồ mạch lôgic NOT. Dùng một rơ le thường đóng như Hình 4.6. Khi cấp điện cho rơ le (ứng với giá trị lôgic 1) thì nó sẽ ngắt mạch điện (cho giá trị lôgic 0) và ngược lại, khi không cấp điện cho rơ le (ứng với giá trị lôgic 0) thì mạch điện cho đèn lại đóng (cho giá trị lôgic 1).

Các mạch điện có đầu vào và đầu ra được dùng để thể hiện các giá trị lôgic được gọi chung là các mạch lôgic hay mạch số. Nói cách khác, mạch lôgic là một mạch thực hiện được các biến đổi lôgic. Những mạch lôgic thực hiện các phép toán lôgic được gọi là các cổng lôgic (logic gate). Mỗi cổng như thế đều có một kí hiệu riêng như sau:

Tất cả các thiết bị số đều phải dùng thiết bị số, trong đó có máy tính điện tử. Vì vậy mạch lôgic rất quan trọng.

b) Phép cộng trên hệ nhị phân

Hệ nhị phân chỉ có hai chữ số 0, 1. Mỗi số trong hệ nhị phân được biểu diễn bằng một dãy chữ số nhị phân; ví dụ số 19 ở hệ thập phân được viết trong hệ nhị phân là 10011. Trong hệ thập phân, một chữ số ở hàng thứ k tính từ phải sang trái có giá trị được nhân với 10^(k-1). Trong hệ nhị phân cũng tương tự, giá trị của chữ số 1 ở hàng thứ k tính từ phải sang trái sẽ là 2^(k-1).

Ví dụ giá trị của số 10011 sẽ là:

1×16 + 0×8 + 0×4 + 1×2 + 1×1 = 19

Trên hệ nhị phân, có thể thực hiện các phép tính số học thông thường. Để cộng các số nhị phân, cộng từng hàng chữ số, có thể có nhớ sang bên trái, như trong Bảng 4.2.

Trong bảng cộng, ta thấy chỉ trong trường hợp x và y đều bằng 1, phép cộng sẽ phát sinh số nhớ 1. Các trường hợp khác số nhớ bằng 0.

Ví dụ phép cộng 6 với 7 trong hệ nhị phân được minh hoạ trong Hình 4.9 với hai lần có nhớ sang hàng bên trái.

Hoạt động 2. Dùng mạch lôgic xây dựng mạch điện thực hiện phép cộng hai bit

Bảng cộng trong Hình 4.8 cho thấy việc cộng hai số 1 bit có thể cho kết quả là một số 2 bit nếu phép cộng có nhớ. Khi cộng hai số nhiều bit, thì số nhớ được cộng tiếp vào hàng bên trái.

Em hãy cho biết z và t là kết quả của phép toán lôgic nào của x và y.

Ta hình dung mạch lôgic cộng hai số 1 bit là mạch có hai đầu vào (x, y) và hai đầu ra (z, t). Có thể thấy z chính là x XOR y, t là x AND y.

Như vậy mạch lôgic thực hiện phép cộng sẽ như Hình 4.10.

Ở trên đã có sơ đồ các cổng XOR cũng như mọi cổng lôgic đều có thể được tổng hợp từ các cổng AND, OR, NOT. Nói cách khác, bất cứ mạch lôgic nào cũng có thể xây dựng được từ các cổng AND, OR, NOT.

LUYỆN TẬP

VẬN DỤNG

Có một chỉ số đo hiệu quả của máy tính là flops (floating point operations per second).