Máy tính hoạt động như thế nào và bên trong có gì?

Bạn có thể ngồi hàng giờ trước máy tính mỗi ngày. Nhưng liệu bạn có biết thiết bị kỳ diệu này thực sự hoạt động như thế nào và bên trong nó có những gì?

Máy tính đã phát triển từ một công cụ đơn giản thành thiết bị chủ lực của thế kỷ 21 chỉ trong vài thập kỷ. Nhưng mặc dù là một công nghệ tương đối mới, hầu hết mọi người đều không biết làm thế nào mà một hộp chữ nhật đơn giản – đủ nhỏ để vừa balo của bạn – có thể thực hiện mọi thứ, từ các phép tính toán học phức tạp đến phát video, âm thanh và chạy phần mềm phức tạp.

Vậy, máy tính hoạt động như thế nào và bạn cần những thành phần nào để tạo nên một chiếc máy tính?

Máy tính là gì?

Máy tính là một thiết bị điện tử có thể lập trình có khả năng xử lý thông tin. Được cấu tạo bởi phần cứng và phần mềm, máy tính hoạt động ở hai cấp độ: chúng nhận dữ liệu thông qua một tuyến đầu vào (input), trực tiếp hoặc thông qua bộ lưu trữ kỹ thuật số và gửi đầu ra (output).

Máy tính hiện đại không nên bị trộn lẫn với công việc lỗi thời của máy tính trong thế kỷ 19. Trong khi cả hai đều thực hiện các phép tính toán học và xử lý thông tin dài và tẻ nhạt, một bên là người, còn bên kia là máy.

Máy tính hoạt động như thế nào?

Một máy tính xử lý dữ liệu đầu vào (input) để tạo ra đầu ra (output) mong muốn, nhưng làm thế nào để một cỗ máy hoạt động tốt hơn bộ não con người?

Máy tính thông thường không cố gắng bắt chước bộ não con người. Thay vào đó, chúng chạy các lệnh (command) một cách tuần tự, với dữ liệu liên tục di chuyển từ đầu vào và bộ nhớ đến bộ xử lý của thiết bị. Ngược lại, máy tính mô phỏng não người (Neuromorphic computer) xử lý dữ liệu cùng lúc, điều này khiến chúng chạy nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng và gần với cấu trúc của não người hơn.

Nhìn chung, một máy tính hoạt động theo bốn bước:

1. Đầu vào (Input): Đầu vào là dữ liệu trước khi xử lý. Nó đến từ chuột, bàn phím, micrô và các cảm biến bên ngoài khác.
2. Lưu trữ (Storage): Lưu trữ là cách máy tính giữ lại dữ liệu đầu vào. Ổ cứng được sử dụng để lưu trữ một lượng dữ liệu lớn và lâu dài trong khi tập dữ liệu để xử lý ngay lập tức được lưu trữ tạm thời trong Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM).
3. Xử lý (Processing): Đây là giai đoạn mà đầu vào (Input) được chuyển thành đầu ra (Output). Bộ xử lý trung tâm (CPU) của máy tính là bộ não của nó. Bộ phận này chịu trách nhiệm thực hiện các lệnh và thực hiện các phép toán trên dữ liệu đầu vào.
4. Đầu ra (Output): Đầu ra là kết quả cuối cùng của quá trình xử lý dữ liệu. Nó có thể là bất cứ thứ gì từ hình ảnh, video hoặc nội dung âm thanh, thậm chí cả những từ bạn nhập bằng bàn phím. Bạn cũng có thể nhận đầu ra thông qua máy in hoặc máy chiếu thay vì trực tiếp qua thiết bị của mình.

Các thành phần phần cứng của máy tính

Máy tính càng phải thực hiện nhiệm vụ càng đơn giản thì càng dễ xây dựng. Đó là lý do tại sao các máy tính cũ lại đơn giản hơn so với các máy tính hiện đại, với khả năng hạn chế.

Các thành phần phần cứng là mọi thứ bạn có thể chạm và nhìn thấy trong máy tính, bao gồm tất cả các thiết bị đầu vào và đầu ra từ bàn phím, micrô và chuột đến màn hình và loa.

Phần cứng cũng là các bộ phận xử lý vật lý như bộ nhớ, CPU, card đồ họa, card âm thanh, RAM và bo mạch chủ, tất cả đều đóng một vai trò quan trọng trong máy tính đương đại.

Bo mạch chủ (Motherboard)

Bo mạch chủ là trung tâm giao tiếp chính giữa các thành phần phần cứng của máy tính. Đó là mạch chính nơi mọi thứ cần kết nối vật lý với nhau — ngoại trừ những mạch dựa vào Bluetooth hoặc Wi-Fi. Không có bo mạch chủ, máy tính hiện đại không thể hoạt động được.

CPU

Nếu bo mạch chủ là trung tâm truyền thông, thì CPU là giám đốc truyền thông. Nó nhận và diễn giải đầu vào, hướng dẫn và gửi tín hiệu đến các bộ phận khác khác về chính xác những gì cần làm với dữ liệu để có đầu ra mong muốn. CPU càng có nhiều lõi, thì nó càng có thể thực hiện nhiều hoạt động cùng lúc.

RAM

RAM là trợ lý chính của CPU. Thay vì phải tìm dữ liệu trong một bộ lưu trữ lớn, RAM lưu trữ dữ liệu được sử dụng bởi hệ điều hành, bất kỳ phần mềm nào đang chạy và đầu vào đang đến (incoming input). Dung lượng RAM càng lớn thì càng chạy được nhiều phần mềm nặng mà không làm chậm máy.

HDD/SSD

HDD là viết tắt của Hard Disk Drive. Đây là bộ phận lưu trữ vĩnh viễn các file media và ứng dụng của bạn, bao gồm cả hệ điều hành (OS). Chúng khác nhau về kích thước và có hiệu suất từ ​​vài trăm gigabyte (GB) đến vài terabyte (TB).

Bạn cũng có thể gặp Ổ cứng thể rắn (SSD), là một loại phần cứng lưu trữ khác. SSD và HDD rất hữu ích cho những việc khác nhau và nhiều người dùng kết hợp các ổ để tối đa hóa hiệu suất.

Đơn vị xử lý đồ họa

Bộ xử lý đồ họa (GPU) dành riêng cho việc xử lý hình ảnh trực quan trên máy tính của bạn. GPU mạnh mẽ là yếu tố cần thiết để hiển thị hình ảnh và đồ họa chất lượng cao hoặc chơi trò chơi điện tử. Bộ phận xử lý đồ họa có thể được tách riêng hoặc được tích hợp với CPU.

Card âm thanh

Card âm thanh chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu thính giác và gửi dữ liệu đó đến loa của bạn. Tương tự như GPU, card âm thanh có thể là bộ phận riêng biệt hoặc được tích hợp với CPU.

Các thành phần phần mềm của máy tính

Máy tính hiện đại sử dụng kết hợp các thành phần phần cứng và phần mềm hoạt động cùng nhau để xử lý các dữ liệu đầu vào và đầu ra phức tạp.

Phần mềm là một tập hợp các hướng dẫn được viết sẵn để cho máy tính biết phải làm gì. Đó là một chương trình kỹ thuật số, không phải là một thành phần vật lý có thể nhìn thấy khi mở nắp máy tính để bàn hoặc xách tay.

Và, giống như phần cứng máy tính của bạn, các loại phần mềm khác nhau thực hiện các vai trò khác nhau trong hoạt động của máy tính của bạn.

Firmware

Firmware là nơi ranh giới giữa phần cứng và phần mềm không được rõ ràng. Đó là phần mềm được gắn vào một bộ phần phần cứng.

Firmware là thứ đầu tiên khởi động máy tính của bạn khi nó được bật lên, một chương trình đơn giản hướng dẫn máy tính của bạn khởi chạy hệ điều hành. Nếu không có nó, máy tính của bạn sẽ không thể khởi chạy hệ điều hành hoặc các thành phần khác và bạn sẽ có một đống phần cứng mà bạn không thể giao tiếp.

Hệ điều hành (OS)

Hệ điều hành là một phần mềm quản lý tài nguyên phần cứng và phần mềm của máy tính. Nếu không có hệ điều hành, bạn không thể giao tiếp với máy tính của mình ngay cả khi sử dụng các thiết bị đầu vào.

Tương lai của máy tính

Máy tính tuân theo mô hình xử lý tuần tự sẽ chỉ rẻ hơn, nhỏ hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn. Tuy nhiên, thiết kế và kiến ​​trúc máy tính thông thường đang đạt đến giới hạn của chúng. Thay vào đó, chúng ta có thể sẽ nhìn thấy sự trỗi dậy của kiến ​​trúc máy tính không phụ thuộc vào công nghệ được thiết kế lần đầu tiên cách đây hơn 50 năm, từ máy tính Neuromorphic (mô phỏng não bộ con người) đến máy tính Lượng tử người dùng bình thường dễ tiếp cận hơn.

Vân Nguyễn (theo Makeuseof)