Mục tiêu bài học
- Kiến thức, kĩ năng:
- Nhận diện được các thiết bị quan trọng bên trong thân máy tính như CPU, RAM, ROM, bộ nhớ ngoài.
- Nắm được chức năng và các thông số cơ bản đo hiệu năng của các thiết bị đó.
- Hiểu được sơ đồ và vai trò của các mạch logic cơ bản (AND, OR, NOT) trong việc thực hiện các tính toán nhị phân.
- Đánh giá được chất lượng máy tính thông qua các thông số hiệu năng của thiết bị.
- Năng lực, phẩm chất:
- Phát triển năng lực sử dụng và quản lý các phương tiện công nghệ thông tin.
- Nâng cao tinh thần tự học, ý thức học tập và khả năng giải quyết vấn đề một cách sáng tạo.
Hoạt động khởi động
Trong chương trình tin học ở các lớp dưới, chúng ta đã biết cấu trúc chung của máy tính bao gồm: bộ xử lí trung tâm, bộ nhớ trong, bộ nhớ ngoài, các thiết bị vào – ra. Tuy nhiên, chúng ta thường chỉ nhìn thấy các thiết bị bên ngoài.
Em có biết cụ thể trong thân máy có những bộ phận nào không?
Bên trong thân máy tính chứa rất nhiều bộ phận quan trọng được gắn trên một bảng mạch chính (mainboard). Các thành phần cốt lõi bao gồm:
- Bộ xử lí trung tâm (CPU): “Bộ não” của máy tính.
- Bộ nhớ trong: Gồm RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) và ROM (bộ nhớ chỉ đọc).
- Bộ nhớ ngoài: Ổ đĩa cứng (HDD hoặc SSD).
- Các bảng mạch mở rộng: Như card đồ họa, card âm thanh.
Tất cả các thành phần này phối hợp với nhau để thực hiện các yêu cầu của người dùng.
1. Các thiết bị bên trong máy tính
Tất cả các thiết bị bên trong thân máy được gắn kết với nhau thông qua một bảng mạch lớn gọi là bảng mạch chính (mainboard).
a) Bộ xử lí trung tâm (CPU – Central Processing Unit):
- Là thành phần quan trọng nhất, đảm nhận việc thực hiện các chương trình và xử lý dữ liệu.
- Cấu tạo chính:
- Bộ số học và logic (ALU): Thực hiện các phép tính số học (cộng, trừ, nhân, chia) và logic (AND, OR, NOT).
- Bộ điều khiển (Control Unit): Điều khiển, phối hợp hoạt động của các thiết bị khác.
- Tốc độ CPU: Được đo bằng tần số xung nhịp, đơn vị là GigaHertz (GHz), tức là tỉ xung mỗi giây. Tần số càng cao, tốc độ xử lý càng nhanh.
- Thành phần khác: Thanh ghi (register) và bộ nhớ đệm (cache) giúp tăng tốc độ truy cập và xử lý dữ liệu.
- CPU đa lõi (multi-core): Một CPU có thể chứa nhiều lõi xử lý, cho phép thực hiện song song nhiều công việc, giúp máy tính xử lý nhanh hơn.
b) Bộ nhớ trong (RAM và ROM):
- RAM (Random Access Memory – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên):
- Là bộ nhớ có thể đọc và ghi dữ liệu.
- Dùng để lưu trữ dữ liệu tạm thời khi máy tính đang chạy.
- Dữ liệu trong RAM sẽ bị xóa khi tắt máy (tính chất khả biến).
- ROM (Read Only Memory – Bộ nhớ chỉ đọc):
- Chỉ có thể đọc dữ liệu, không thể ghi hay xóa.
- Lưu trữ các chương trình và dữ liệu hệ thống cố định (ví dụ: chương trình khởi động máy tính).
- Dữ liệu trong ROM không bị mất khi tắt máy.
- Các tham số của bộ nhớ trong:
- Dung lượng: Tính bằng Megabyte (MB), Gigabyte (GB). Dung lượng càng lớn, máy tính càng chạy được nhiều ứng dụng cùng lúc.
- Thời gian truy cập: Thời gian cần để đọc/ghi dữ liệu. Thời gian này càng nhỏ thì hiệu suất càng cao.
c) Bộ nhớ ngoài:
- Dùng để lưu trữ dữ liệu lâu dài và không bị mất khi tắt máy.
- Thường là đĩa cứng từ (HDD), đĩa thể rắn (SSD), hoặc các thiết bị ngoài như USB, thẻ nhớ.
- Giá thành rẻ hơn và có dung lượng lớn hơn nhiều so với bộ nhớ trong.
- Các tham số của bộ nhớ ngoài:
- Dung lượng: Tính bằng Gigabyte (GB) hoặc Terabyte (TB).
- Thời gian truy cập: Thời gian cần để đọc/ghi dữ liệu. Tốc độ truy cập của SSD nhanh hơn HDD rất nhiều.
Câu hỏi củng cố
Có thể đo tốc độ của CPU bằng số phép tính thực hiện trong một giây không?
Việc này rất khó để xác định một cách chính xác. Lý do là vì đối với nhiều loại CPU, mỗi phép tính khác nhau (ví dụ phép cộng và phép nhân) sẽ cần một số lượng xung đồng hồ khác nhau để hoàn thành. Do đó, không thể xác định chính xác có bao nhiêu phép tính được thực hiện trong một giây chỉ dựa vào xung nhịp. Thay vào đó, xung nhịp (GHz) là một chỉ số tham khảo phổ biến hơn để đánh giá tốc độ của CPU.
Giá tiền của mỗi thiết bị nhớ có phải là một thông số đo chất lượng không?
Không hoàn toàn. Giá tiền không chỉ phụ thuộc vào chất lượng (dung lượng, tốc độ truy cập) mà còn chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác của thị trường như quan hệ cung-cầu, thương hiệu, và công nghệ sản xuất. Do đó, giá tiền chỉ là một yếu tố tham khảo chứ không phải là một thông số kỹ thuật để đo lường chất lượng.
2. Mạch lôgic và vai trò của mạch lôgic
Về bản chất, CPU là một mạch điện tử phức tạp, dùng để xử lý dữ liệu dưới dạng nhị phân (các bit 0 và 1). Cách thức xử lý này dựa trên hoạt động của các mạch logic.
a) Một số phép toán lôgic:
Các đại lượng logic chỉ nhận một trong hai giá trị “Đúng” (tương ứng với bit 1) và “Sai” (tương ứng với bit 0). Các phép toán logic cơ bản bao gồm:
| Phép toán | Kí hiệu | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Phép AND (Nhân logic) | x ∧ y | Chỉ trả về 1 khi cả x và y đều bằng 1. |
| Phép OR (Cộng logic) | x ∨ y | Trả về 1 nếu có ít nhất một trong hai giá trị x hoặc y bằng 1. |
| Phép NOT (Phủ định) | x̄ | Đảo ngược giá trị logic (1 thành 0, 0 thành 1). |
| Phép XOR (Hoặc loại trừ) | x ⊕ y | Chỉ trả về 1 khi x và y có giá trị khác nhau. |
Các mạch điện tử thực hiện những phép toán này được gọi là cổng logic (logic gate).
b) Phép cộng trên hệ nhị phân:
Giống như hệ thập phân, chúng ta có thể thực hiện các phép tính số học trên hệ nhị phân. Phép cộng nhị phân được thực hiện theo từng bit, có thể phát sinh số nhớ sang hàng kế tiếp.
c) Xây dựng mạch cộng 2 bit:
- Từ bảng cộng nhị phân, ta có thể xây dựng một mạch logic để thực hiện phép cộng hai số 1 bit (x và y). Mạch này sẽ có hai đầu ra:
- t (Kết quả): Là kết quả của phép cộng ở hàng hiện tại.
- z (Số nhớ): Là số nhớ sẽ được cộng tiếp vào hàng bên trái.
Câu hỏi củng cố
Thế nào là một mạch lôgic?
Mạch logic (hay mạch số) là các mạch điện hoặc điện tử có đầu vào và đầu ra thể hiện các giá trị logic (0 hoặc 1). Chúng được thiết kế để thực hiện các phép biến đổi logic, ví dụ như các phép toán AND, OR, NOT.
Nêu tầm quan trọng của mạch lôgic.
Mạch logic là nền tảng của mọi thiết bị số. Tất cả các thiết bị có khả năng xử lý dữ liệu nhị phân, từ máy tính, điện thoại thông minh cho đến các hệ thống điều khiển tự động, đều được chế tạo từ các mạch logic. Nếu không có mạch logic, chúng ta sẽ không thể xây dựng được các thiết bị số hiện đại.
Luyện tập
1. Tính x v y và x ^ y với hai bộ giá trị của (x, y) là (0, 1) và (1, 0).
- Với (x, y) = (0, 1):
- x ∨ y = 0 ∨ 1 = 1
- x ∧ y = 0 ∧ 1 = 0
- Với (x, y) = (1, 0):
- x ∨ y = 1 ∨ 0 = 1
- x ∧ y = 1 ∧ 0 = 0
2. Thực hiện những phép cộng các số nhị phân nhiều chữ số sau đây rồi chuyển các số sang hệ thập phân.
a) 1010 + 101.
b) 1001 + 1011.
a) 1010 + 101
Phép cộng nhị phân:
1010
+ 101
------
1111Chuyển đổi sang hệ thập phân:
1010₂ = 1x2³ + 0x2² + 1x2¹ + 0x2⁰ = 8 + 0 + 2 + 0 = 10₁₀
101₂ = 1x2² + 0x2¹ + 1×2⁰ = 4 + 0 + 1 = 5₁₀
1111₂ = 1x2³ + 1x2² + 1x2¹ + 1x2⁰ = 8 + 4 + 2 + 1 = 15₁₀
Kiểm tra lại: 10 + 5 = 15 (Đúng)
b) 1001 + 1011
Phép cộng nhị phân:
1001
+ 1011
-------
10100Chuyển đổi sang hệ thập phân:
1001₂ = 1x2³ + 0x2² + 0x2¹ + 1x2⁰ = 8 + 0 + 0 + 1 = 9₁₀
1011₂ = 1x2³ + 0x2² + 1x2¹ + 1x2⁰ = 8 + 0 + 2 + 1 = 11₁₀
10100₂ = 1x2⁴ + 0x2³ + 1x2² + 0x2¹ + 0x2⁰ = 16 + 0 + 4 + 0 + 0 = 20₁₀
Kiểm tra: 9 + 11 = 20 (Đúng)
Vận dụng
Có một chỉ số đo hiệu quả của máy tính là flops (floating operation per second). Hãy tìm hiểu flops là gì và tại sao lại ít dùng với máy tính cá nhân.
Flops là gì?
- FLOPS là viết tắt của “Floating-point Operations Per Second”, nghĩa là số phép tính dấu phẩy động mà một máy tính có thể thực hiện được trong một giây.
- Số dấu phẩy động là cách biểu diễn các số thực trong máy tính (ví dụ: 3.14159, -0.0025).
Tại sao FLOPS quan trọng với siêu máy tính?
- Các hoạt động khoa học kỹ thuật phức tạp như dự báo thời tiết, mô phỏng vũ trụ, phân tích dữ liệu lớn, trí tuệ nhân tạo… đòi hỏi khối lượng tính toán khổng lồ với các số thực.
- Do đó, FLOPS là một chỉ số cực kỳ quan trọng để đo lường hiệu năng của các siêu máy tính dành cho lĩnh vực này. Ví dụ, siêu máy tính Fugaku của Nhật Bản (năm 2020) có tốc độ lên tới 442 petaflops (442 triệu tỉ phép tính mỗi giây).
Tại sao FLOPS ít dùng với máy tính cá nhân?
- Người dùng cá nhân chủ yếu sử dụng máy tính cho các tác vụ như xử lý văn bản, lướt web, xem phim, chơi game… Các hoạt động này chủ yếu liên quan đến việc xử lý số nguyên, so sánh, tìm kiếm và xử lý đồ họa hơn là các phép tính số thực phức tạp.
- Đối với máy tính cá nhân, các chỉ số như tốc độ xung nhịp của CPU (GHz), số lõi, dung lượng RAM, và tốc độ của ổ cứng (đặc biệt là SSD) phản ánh hiệu năng thực tế tốt hơn là FLOPS.
