1.2 CẤU TRÚC & CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNH

1.2 CẤU TRÚC & CHỨC NĂNG CỦA MÁY TÍNH

Máy tính là một hệ thống phức tạp với hàng triệu thành phần điện tử cơ sở. Chìa khóa chính để mô tả máy tính rõ ràng là sự nhận thức về bản chất phân cấp của hầu hết các hệ thống phức tạp. Một hệ thống phân cấp là một tập hợp gồm các hệ thống con có liên quan với nhau, trong đó mỗi hệ thống con lại có tính phân cấp về cấu trúc, cứ thế tiếp tục cho đến cấp thấp nhất chứa những hệ thống con cơ sở.

Bản chất phân cấp của một hệ thống phức tạp giữ vai trò chính trong việc thiết kế và mô tả nó. Tại mỗi cấp, hệ thống bao gồm một tập hợp các thành phần con cùng với những mối liên hệ giữa chúng. Ở đây có hai yếu tố được quan tâm đến là cấu trúc và chức năng:

Cấu trúc: cách thức các thành phần hệ thống liên hệ với nhau.

Chức năng: hoạt động của mỗi thành phần riêng lẻ với tư cách là một phần của cấu trúc.

1.2.1 CHỨC NĂNG

Một cách tổng quát, một máy tính có thể thực hiện bốn chức năng cơ bản sau, như được thể hiện trong hình 1.1:

Xử lý dữ liệu: máy tính phải có khả năng xử lý dữ liệu. Dữ liệu có thể có rất nhiều dạng và phạm vi yêu cầu xử lý cũng rất rộng. Tuy nhiên, chúng ta sẽ thấy rằng chỉ có một số phương pháp cơ bản trong xử lý dữ liệu.

Lưu trữ dữ liệu: máy tính cũng cần phải có khả năng lưu trữ dữ liệu. Ngay cả khi máy tính đang xử lý dữ liệu, nó vẫn phải lưu trữ tạm thời tại mỗi thời điểm phần dữ liệu đang được xử lý. Do vậy ít nhất chúng ta cần có chức năng lưu trữ ngắn hạn. Tuy nhiên, chức năng lưu trữ dài hạn cũng có tầm quan trọng tương đương, vì dữ liệu cần được lưu trữ trên máy cho những lần cập nhật và tìm kiếm kế tiếp.

Di chuyển dữ liệu: máy tính phải có khả năng di chuyển dữ liệu giữa nó và thế giới bên ngoài. Khả năng này được thể hiện thông qua việc di chuyển dữ liệu giữa máy tính với các thiết bị nối kết trực tiếp hay từ xa đến nó. Tùy thuộc vào kiểu kết nối và cự ly di chuyển dữ liệu, chúng ta có tiến trình nhập xuất dữ liệu hay truyền dữ liệu:

Tiến trình nhập xuất dữ liệu: thực hiện di chuyển dữ liệu trong cự ly ngắn giữa máy tính và thiết bị nối kết trực tiếp.

Tiến trình truyền dữ liệu: thực hiện di chuyển dữ liệu trong cự ly xa giữa máy tính và thiết bị nối kết từ xa.

Hình 1.1: Các chức năng cơ bản của máy tính

Điều khiển: bên trong hệ thống máy tính, đơn vị điều khiển có nhiệm vụ quản lý các tài nguyên máy tính và điều phối sự vận hành của các thành phần chức năng phù hợp với yêu cầu nhận được từ người sử dụng.

Tương ứng với các chức năng tổng quát nói trên, có bốn loại hoạt động có thể xảy ra gồm:

Máy tính được dùng như một thiết bị di chuyển dữ liệu, có nhiệm vụ đơn giản là chuyển dữ liệu từ bộ phận ngoại vi hay đường liên lạc này sang bộ phận ngoại vi hay đường liên lạc khác [Hình 1.2 (a)].

Hình 1.2 (a): Máy tính - Thiết bị di chuyển dữ liệu

Máy tính được dùng để lưu trữ dữ liệu, với dữ liệu được chuyển từ môi trường ngoài vào lưu trữ trong máy (quá trình đọc dữ liệu) và ngược lại (quá trình ghi dữ liệu) [Hình 1.2 (b)].

Máy tính được dùng để xử lý dữ liệu thông qua các thao tác trên dữ liệu lưu trữ [Hình 1.2 (c)] hoặc kết hợp giữa việc lưu trữ và liên lạc với môi trường bên ngoài [Hình 1.2 (d)].

Hình 1.2 (b): Máy tính - Thiết bị lưu trữ dữ liệu

Hình 1.2 (c): Máy tính - Thiết bị xử lý dữ liệu lưu trữ

Hình 1.2 (d): Máy tính - Thiết bị xử lý/ trao đổi dữ liệu với môi trường ngoài

1.2.2 CẤU TRÚC

Ở mức đơn giản nhất, máy tính có thể được xem như một thực thể tương tác theo một cách thức nào đó với môi trường bên ngoài. Một cách tổng quát, các mối quan hệ của nó với môi trường bên ngoài có thể phân loại thành các thiết bị ngoại vi hay đường liên lạc.

Giáo trình này tập trung khảo sát cấu trúc nội tại của máy tính, như được thể hiện ở mức tổng quát nhất trong hình 1.3. Trong hình vẽ này, máy tính được mô tả với bốn cấu trúc chính:

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit): điều khiển hoạt động của máy tính và thực hiện các chức năng xử lý dữ liệu. CPU thường được đề cập đến với tên gọi bộ xử lý.

Bộ nhớ chính: dùng để lưu trữ dữ liệu.

Các thành phần nhập xuất: dùng để di chuyển dữ liệu giữa máy tính và môi trường bên ngoài.

Các thành phần nối kết hệ thống: cung cấp cơ chế liên lạc giữa CPU, bộ nhớ chính và các thành phần nhập xuất.

Hình 1.3: Cấu trúc tổng quát của máy tính

Máy tính có thể có một hoặc nhiều thành phần nói trên, ví dụ như một hoặc nhiều CPU. Trước đây đa phần các máy tính chỉ có một CPU, nhưng gần đây có sự gia tăng sử dụng nhiều CPU trong một hệ thống máy đơn. CPU luôn luôn là đối tượng quan trọng cần được khảo sát vì đây là thành phần phức tạp nhất của hệ thống. Hình 1.4 thể hiện cấu trúc của CPU với các thành phần chính gồm:

Đơn vị điều khiển: điều khiển hoạt động của CPU và do đó hoạt động của máy tính.

Đơn vị luận lý và số học (ALU – Arithmetic and Logic Unit): thực hiện các chức năng xử lý dữ liệu của máy tính.

Tập thanh ghi: cung cấp nơi lưu trữ bên trong CPU.

Thành phần nối kết nội CPU: cơ chế cung cấp khả năng liên lạc giữa đơn vị điều khiển, ALU và tập thanh ghi.

Trong các thành phần con nói trên của CPU, đơn vị điều khiển lại giữ vai trò quan trọng nhất. Sự cài đặt đơn vị này dẫn đến một khái niệm nền tảng trong chế tạo bộ vi xử lý máy tính. Đó là khái niệm vi lập trình. Hình 1.5 mô tả tổ chức bên trong một đơn vị điều khiển với ba thành phần chính gồm:

Bộ lập dãy logic

Bộ giải mã và tập các thanh ghi điều khiển

Bộ nhớ điều khiển

Ứng với cách tổ chức vừa trình bày của máy tính, chúng ta có thể chia bài toán khảo sát máy tính thành bốn phần như sau:

Phần 1: Tổng quan về kiến trúc máy tính

Phần 2: Hệ thống máy tính

Phần 3: Đơn vị xử lý trung tâm

Phần 4: Đơn vị điều khiển

Hình 1.3: Bộ xử lý trung tâm của máy tính (CPU)

Hình 1.3: Đơn vị điều khiển của CPU