Chương 1 Tổng quan về cấu trúc máy tính Giới thiệu chung Bài học sẽ cung cấp cho học sinh những khái niệm về thông tin, lịch sử phát triển của máy tính, các thành tựu của máy tính. Ngoài ra, còn cung cấp kiến thức, hình ảnh để học sinh nhận biết rõ hơn về máy tính Mục tiêu Giúp học sinh hiểu lịch sử phát triển của máy tính Biết được các thành tựu của máy tính Hiểu được khái niệm về thông tin Hiểu các cách biến đổi cơ bản của hệ thống số, các bảng mã thông dụng được dùng để biểu diễn các ký tự Nội dung chính 1.1 Các thế hệ máy tính 1.1 Lịch sử phát triển của máy tính điện tử 1.1 Thế hệ thứ nhất: (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 bao gồm 18000 đèn điện tử, 1500 rơ-le, nặng 30 tấn, tiêu thụ công suất 140KW.
Về kiến trúc nó có 20 thanh ghi, mỗi thanh ghi chứa 1 số thập phân 10 chữ số. Chiếc máy được lập trình bằng cách đặt vị trí (set) của 6000 chuyển mạch (switch) - mỗi cái có nhiều vịt trí và nối vô số ổ cắm (socket) với một “rừng” đầu cắm (jumper). Cùng thời kì này, 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 số học và logic (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.2 Thế hệ thứ hai: (1955-1965). Máy tính được xây dựng trên cơ sở là các đèn bán dẫn (transistor), Công ty Bell đã phát minh ra transistor vào năm 1948 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. Máy tính đầu tiên thế hệ này có tên là TX-0 (transistorized experimental computer 0).3 Thế hệ thứ ba: (1965-1980). Máy tính dùng mạch tích hợp (còn gọi là mạch vi điện tử - IC) cho phép có thể đặt hàng chục transistor trong một vỏ(chip) , nhờ đó người ta có thể chế tạo các máy tính nhỏ hơn, nhanh hơn và rẻ hơn các máy tính dùng Transistor ra đời trước nó.
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 (224 byte = 16Mb).4 Thế hệ thứ tư: (1980- nay ) 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 phủ 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 dụng mà máy tính cỡ lớn thực hiện. Nó có khả năng hỗ trợ hàng chục đến hàng trăm người làm việc.
Minicomputer được sử dụng 7 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 chủ 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.2 Các mốc lịch sử phát triển công nghệ máy tính 30 năm trước, 5150 ra đời đã phá vỡ mọi quan điểm trước đó về máy tính. Lần đầu tiên, máy tính được nhìn nhận như một thiết bị có kích thước vừa phải, hợp túi tiền và được công chúng chú ý nhiều hơn.1: 1982: Franklin Ace 100 Đây là chiếc máy tính gây ra vụ kiện về bản quyền phần mềm đầu tiên trong lịch sử.
Acer bị Apple kiện vì vi phạm nhãn hiệu hàng hóa khi sao chép phần cứng và phần mềm của máy tính Apple II cho Franklin Ace 100. Trong vụ kiện này, phần thắng thuộc về Apple. 8 1982: Commodore 64 Có thể coi Commodore là máy tính dành cho hộ gia đình nổi tiếng nhất. Từ năm 1982 tới năm 1993, gần 30 triệu máy Commodore 64 đã được bán ra trên toàn thế giới.
XT là bản nâng cấp máy tính cá nhân 5150 đầu tiên của IBM. XT có ổ cứng trong 10 MB. Sản phẩm này của IBM sau đó nhanh chóng trở thành máy tính tiêu chuẩn.2: 1983: Apple Lisa Lisa là máy tính tiêu dùng đầu tiên có giao diện đồ họa. Tuy nhiên, cái giá 10.000 USD trở thành rào cản đưa sản phẩm đến với người tiêu dù.3 1984: Macintosh 9 Macintosh thu được thành công vang dội tới mức 30 năm đó, các sản phẩm máy tính hiện nay của Apple vẫn được coi là kế thừa trực tiếp của Macintosh.
Macintosh cũng có giao diện đồ họa như Lisa nhưng mức giá "mềm" hơn rất nhiều giúp sản phẩm này dễ tiêu thụ hơn.4: 1990: NeXT Máy tính NeXT được sản xuất bởi công ty riêng của Steve Jobs thành lập sau khi ông rời Apple vào năm 1985. Tuy nhiên, chiếc máy tính này trở nên quan trọng vì 1 lý do khác: đây là mẫu máy tính đầu tiên được Tim Berners-Lee dùng làm máy chủ World Wide Web.5: 1996: Deep Blue Năm 1994, máy tính Deep Thought của IBM bị kiện tướng cờ vua Garry Kasparov đánh bại một cách dễ dàng. Tháng 2 năm 1996, máy tính Deep Blue đánh thắng Garry Kasparov trong hiệp đấu đầu tiên. Đây là lần đầu tiên một đương kim vô địch thế giới thất bại trong một ván cờ trước đối thủ máy tính.Tuy nhiên, các hiệp 10 sau đó Deep đã bị Garry Kasparov chinh phục.
Sau lần thất bại này, các kỹ sư IBM ra sức nghiên cứu nâng cấp Deep Blue và trở lại "phục thù", đánh bại kiện tướng cờ vua vào năm 1997, trình diễn khả năng xử lý chưa từng thấy trong lịch sử trước đó.6: 1998: iMac iMac đã xóa đi hình ảnh nhàm chán của những chiếc máy tính cá nhân màu xám. Apple đã cách mạng hóa hình ảnh máy tính với những mẫu iMac nhiều màu sắc sặc sỡ. Hiện tại là iPad? Loại "máy tính di động" này vẫn còn gây ra nhiều tranh cãi với mối nghi ngờ liệu máy tính bảng nói chung và iPad nói riêng có phải chỉ là "mốt nhất thời". Dù sao hãy thử xem trong vòng 5 năm, máy tính sẽ thay đổi như thế nào nữa với iPad.7: Máy tính bảng iPad 11 1.2 Phân loại máy tính 1.1 Kiến trúc và tổ chức máy tính 1.1 Khái niệm kiến trúc máy tính Kiến trúc máy tính là khoa học về việc lựa chọn và kết nối các thành phần phần cứng để tạo ra các máy tính đạt được các yêu cầu về chức năng (functionality), hiệu năng (performance) và giá thành (cost).Yêu cầu chức năng đòi hỏi máy tính phải có thêm nhiều tính năng phong phúvà hữu ích; yêu cầu hiệu năng đòi hỏi máy tính phải đạt tốc độ xử lý cao hơn và yêu cầu giá thành đòi hỏi máy tính phải càng ngày càng rẻ hơn.
Để đạt được cả ba yêu cầu về chức năng, hiệu năng và giá thành là rất khó khăn. Tuy nhiên, nhờ có sự phát triển rất mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý, các máy tính ngày nay có tính năng phong phú, nhanh hơn và rẻ hơn so với máy tính các thế hệ trước. Kiến trúc máy tính được cấu thành từ 3 thành phần con: (1) Kiến trúc tập lệnh (Instruction SetArchitecture), (2) Vi kiến trúc (Micro Architecture) và Thiết kế hệ thống (System Design). Kiến trúc tập lệnh là hình ảnh của một hệ thống máy tính ở mức ngôn ngữ máy.
Kiến trúc tập lệnh bao gồm các thành phần: tập lệnh, các chế độ địa chỉ, các thanh ghi, khuôn dạng địa chỉ và dữ liệu. Vi kiến trúc là mô tả mức thấp về các thành phần của hệ thống máy tính, phối ghép và việc trao đổi thông tin giữa chúng.Vi kiến trúc giúp trả lời hai câu hỏi (1) Các thành phần phần cứng của máy tính kết nối với nhau như thế nào? và (2) Các thành phần phần cứng của máy tính tương tác với nhau như thế nào để thực thi tập lệnh? Thiết kế hệ thống: bao gồm tất cả các thành phần phần cứng của hệ thống máy tính, bao gồm: Hệ thống phối ghép (các bus và các chuyển mạch), Hệ thống bộ nhớ , Các cơ chế giảm tải cho CPU (như truy nhập trực tiếp bộ nhớ ) và Các vấn đề khác(như đa xử lý và xử lý song song).2 Khái niệm tổ chức máy tính Tổ chức máy tính hay cấu trúc máy tính là khoa học nghiên cứu về các bộ phận của máy tínhvà phương thức làm việc của chúng.Với định nghĩa như vậy, tổ chức máy tính khá gần gũi với vi kiến trúc – một thành phần của kiến trúc máy tính. Như vậy, có thể thấy rằng, kiến trúc máy tính và khái niệm rộng hơn, nó bao hàm cả tổ chức hay cấu trúc máy tính.