Máy tính là một hệ thống phức tạp; máy tính đương đại chứa hàng triệu linh kiện điện tử cơ bản. Vậy làm thế nào để người ta có thể mô tả rõ ràng về chúng? Điều quan trọng là nhận ra bản chất phân cấp của hầu hết các hệ thống phức tạp, bao gồm cả máy tính, Hệ thống phân cấp là một tập hợp các hệ thống con có liên quan với nhau, mỗi hệ thống con sau này lần lượt phân cấp theo cấu trúc cho đến khi chúng ta đạt đến mức thấp nhất của hệ thống con sơ cấp.
Bản chất thứ bậc của các hệ thống phức tạp là điều cần thiết cho cả thiết kế và mô tả của chúng. Người thiết kế chỉ cần xử lý một mức cụ thể của hệ thống tại một thời điểm. Ở mỗi cấp độ, hệ thống bao gồm một tập hợp các thành phần và mối quan hệ giữa chúng với nhau. Hành vi ở mỗi cấp chỉ phụ thuộc vào đặc tính được đơn giản hóa, trừu tượng hóa của hệ thống ở cấp thấp hơn tiếp theo. Ở mỗi cấp độ, nhà thiết kế quan tâm đến cấu trúc và chức năng:
- Cấu trúc: Cách thức mà các thành phần có quan hệ với nhau
- Chức năng: Hoạt động của từng thành phần riêng lẻ như một phần của cấu trúc.
1. Chức năng của máy tính
Về bản chất, cả cấu trúc và hoạt động của một máy tính đều đơn giản. Nói chung, chỉ có bốn chức năng cơ bản mà máy tính có thể thực hiện:
- Xử lý dữ liệu – Data processing: Dữ liệu có thể có nhiều dạng khác nhau và phạm vi của các yêu cầu xử lý chuyên nghiệp là rất rộng. Tuy nhiên, chúng ta sẽ thấy rằng chỉ có một số phương pháp hoặc kiểu xử lý dữ liệu cơ bản.
- Lưu trữ dữ liệu – Data storage: Ngay cả khi máy tính đang xử lý dữ liệu trực tiếp (tức là dữ liệu được đưa vào và được xử lý, và kết quả sẽ xuất hiện ngay lập tức), máy tính phải tạm thời lưu trữ ít nhất những phần dữ liệu đang được làm việc trên bất kỳ thời điểm nhất định. Như vậy, có ít nhất một chức năng lưu trữ dữ liệu ngắn hạn. Một điều quan trọng không kém, máy tính thực hiện chức năng lưu trữ dữ liệu lâu dài. Các tập tin dữ liệu được lưu trữ trên máy tính để phục vụ cho việc truy xuất và cập nhật sau này.
- Di chuyển dữ liệu – Data movement: Môi trường hoạt động của máy tính bao gồm các thiết bị đóng vai trò là nguồn hoặc đích của dữ liệu. Khi dữ liệu được nhận hoặc gửi đến một thiết bị được kết nối trực tiếp với máy tính, quá trình này được gọi là đầu vào – đầu ra (I / O) và thiết bị được coi là thiết bị ngoại vi. Khi dữ liệu được di chuyển trong khoảng cách xa hơn, đến hoặc từ một thiết bị từ xa, quá trình này được gọi là truyền thông dữ liệu.
- Điều khiển – Control: Trong máy tính, bộ điều khiển quản lý tài nguyên của máy tính và điều phối hoạt động của các bộ phận chức năng của nó theo hướng dẫn.
2. Cấu trúc của máy tính (Có lõi đơn)
Bây giờ chúng ta cùng tìm hiểu một cách tổng quát về cấu trúc bên trong của máy tính. Chúng ta bắt đầu với một máy tính truyền thống với một bộ xử lý duy nhất sử dụng bộ điều khiển được lập trình vi mô, sau đó kiểm tra cấu trúc đa lõi điển hình.
- Khối 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 của nó; thường được gọi đơn giản là bộ xử lý.
- Bộ nhớ chính – Main memory: Lưu trữ dữ liệu.
- I / O – : Di chuyển dữ liệu giữa máy tính và môi trường bên ngoài.
- Kết nối hệ thống – System interconnection: Một số cơ chế cung cấp giao tiếp giữa CPU, bộ nhớ chính và I / O. Một ví dụ phổ biến về kết nối liên kết hệ thống là bằng một bus hệ thống, bao gồm một số dây dẫn mà tất cả các thành phần khác gắn vào.