Kiến trúc máy tính – Bài 1: Máy tính hoạt động như thế nào?
Khi bạn mở một ứng dụng, gõ vài chữ rồi bấm Lưu, CPU, RAM, ổ lưu trữ và thiết bị vào/ra đang phối hợp với nhau. Bài này giúp bạn hình dung toàn bộ quá trình trước khi học sâu vào từng bộ phận.
Dành cho người mới: đọc ví dụ trước, sau đó đối chiếu với sơ đồ và thuật ngữ. Các mô hình đơn giản trong bài dùng để học nguyên lý, không mô tả đầy đủ mọi CPU hay hệ điều hành.
Mục lục
Bắt đầu từ việc mở một tệp văn bản
Giả sử bạn mở một tệp ghi chú đang nằm trên SSD. Hệ điều hành và ứng dụng đọc dữ liệu cần thiết từ ổ lưu trữ vào RAM. CPU thực hiện các lệnh của chương trình để xử lý dữ liệu. Kết quả được phần mềm và hệ thống đồ họa đưa ra màn hình. Khi bạn gõ thêm chữ, hệ thống nhận sự kiện từ bàn phím, chương trình cập nhật nội dung đang làm việc. Khi lưu, dữ liệu được ghi xuống ổ lưu trữ.
Đây là câu chuyện đã giản lược. Không phải toàn bộ ứng dụng hay tệp đều được nạp vào RAM cùng lúc; hệ điều hành có thể chỉ nạp những phần đang cần.
Bốn nhóm thành phần bạn cần nhận diện
| Thành phần | Vai trò | Ví dụ dễ quan sát |
|---|---|---|
| CPU | Thực hiện lệnh, tính toán và điều khiển luồng xử lý. | Tính tổng trong bảng tính, chạy mã chương trình. |
| RAM | Giữ những dữ liệu và lệnh đang được sử dụng. | Nhiều ứng dụng mở đồng thời làm nhu cầu RAM tăng. |
| SSD hoặc HDD | Lưu dữ liệu lâu dài, vẫn giữ dữ liệu khi tắt nguồn. | Tệp văn bản, ảnh và chương trình đã cài. |
| Thiết bị vào/ra | Trao đổi dữ liệu với người dùng hoặc bên ngoài. | Bàn phím, màn hình, card mạng. |
Bo mạch chủ, bộ điều khiển và các đường kết nối giúp những thành phần này liên lạc. Không nên coi CPU là một thiết bị tự làm được mọi việc: nó cần bộ nhớ, phần mềm và nhiều bộ phận khác. GPU có vai trò quan trọng với đồ họa và một số tác vụ tính toán, nhưng không thay thế toàn bộ chức năng của CPU.
Dữ liệu và chương trình đều được lưu dưới dạng bit
Một bit có hai giá trị logic: 0 hoặc 1. Một byte gồm 8 bit. Các chuỗi bit có thể biểu diễn số, chữ, hình ảnh hoặc lệnh máy; ý nghĩa phụ thuộc cách phần mềm diễn giải chúng. Chẳng hạn cùng một giá trị 65 có thể được hiểu là một số hoặc mã ký tự A trong ASCII.
Với số nhị phân, mỗi vị trí mang trọng số là một lũy thừa của 2. Ta đọc 10011₂ thành 1×16 + 0×8 + 0×4 + 1×2 + 1×1 = 19₁₀. Hai ký hiệu dưới chân chỉ hệ đếm, không phải chữ số thuộc giá trị.
| Bit từ trái sang phải | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
|---|---|---|---|---|---|
| Trọng số | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 |
| Phần đóng góp | 16 | 0 | 0 | 2 | 1 |
Để biểu diễn số âm bằng bù 2, phải xác định số bit trước. Trong 8 bit, +5 là 00000101; đảo bit được 11111010, cộng 1 thành 11111011, biểu diễn −5. Cũng chuỗi 11111011 đó nếu đọc như số không dấu sẽ là 251. Vì vậy kiểu dữ liệu rất quan trọng.
Số thực dùng một cách biểu diễn khác, thường là dấu chấm động. Phạm vi và độ chính xác có giới hạn; một số phân số thập phân không có biểu diễn nhị phân hữu hạn. Bạn chưa cần học hết cấu trúc bit ngay ở bài mở đầu.
CPU biết phải làm gì từ đâu?
Chương trình là một tập hợp chỉ dẫn. Sau các bước biên dịch, thông dịch hoặc biên dịch tức thời tùy ngôn ngữ và môi trường, CPU thực hiện các lệnh máy. Bộ nhớ giữ cả lệnh và dữ liệu trong mô hình chương trình lưu trữ thường dùng để nhập môn.
Một mô hình CPU đơn giản gồm đơn vị điều khiển CU, đơn vị số học–logic ALU và các thanh ghi. CU tổ chức hoạt động; ALU thực hiện phép toán; thanh ghi giữ các giá trị CPU cần sử dụng trực tiếp. Bài sau sẽ theo dõi một phép cộng để bạn thấy chúng phối hợp thế nào.
Không nên suy ra mọi CPU đều có đúng một bus, một ALU hay một thanh ghi tích lũy. CPU hiện đại có nhiều mức cache, nhiều đơn vị thực thi và nhiều kỹ thuật xử lý song song.
Vì sao có lúc máy tính chậm?
Nút thắt có thể đến từ nhiều nơi. CPU bận tính toán khác với RAM không đủ, ổ lưu trữ chậm hoặc mạng đang chờ phản hồi. Một ứng dụng mở chậm chưa đủ để kết luận phải thay CPU.
- CPU: khối lượng tính toán lớn hoặc chương trình sử dụng CPU chưa hiệu quả.
- RAM: nhiều dữ liệu đang hoạt động, gây áp lực bộ nhớ và có thể làm tăng việc trao đổi với ổ lưu trữ.
- SSD/HDD: phải đọc nhiều tệp hoặc chờ thao tác vào/ra.
- Mạng: ứng dụng phải đợi dữ liệu từ máy khác.
Tự quan sát trên máy của bạn
Trên Windows, mở Task Manager bằng Ctrl + Shift + Esc, vào Performance. Ghi lại CPU, Memory và Disk khi chưa mở ứng dụng, sau đó mở vài ứng dụng thường dùng và quan sát thay đổi. Trên macOS có Activity Monitor; trên Linux có trình giám sát hệ thống tương ứng.
Không cần thay đổi cấu hình hay kết thúc tiến trình hệ thống. Mục tiêu là liên hệ tên bộ phận với một hiện tượng bạn vừa quan sát. Hãy thử tự trả lời: đóng một ứng dụng có làm mất tệp đã lưu không? Vì sao một tệp chưa lưu có thể mất khi ứng dụng dừng đột ngột?
Những điều cần nhớ
- CPU thực hiện lệnh; RAM giữ dữ liệu đang làm việc; SSD/HDD giữ dữ liệu lâu dài.
- Bit không tự mang ý nghĩa số hay chữ; cách diễn giải quyết định ý nghĩa.
- Hiệu năng phụ thuộc nhiều thành phần phối hợp, không chỉ CPU.
Tài liệu đọc thêm
Bài viết liên quan:
Dịch vụ thiết kế Wesbite
