Quá trình xử lý thông tin

1. QUÁ TRÌNH XỬ LÝ THÔNG TIN TRÊN MÁY TÍNH

Figure_B2_002.jpg (58155 bytes)

Hình 1 : Máy tính là công cụ xử lý thông tin

    Máy tính là công cụ xử lý thông tin. Về cơ bản, quá trình xử lý thông tin trên máy tính - cũng như quá trình xử lý thông tin của con người -  có 4 giai đoạn chính : 

Nhận thông tin (Receive input): thu nhận thông tin từ thế giới bên ngoài vào máy tính. Thực chất đây là quá trình chuyển đổi các thông tin ở thế giới thực sang dạng biểu diễn thông tin trong máy tính thông qua các thiết bị đầu vào.

Xử lý thông tin (process information): biến đổi, phân tích, tổng hợp, tra cứu... những thông tin ban đầu để có được những thông tin mong muốn.

Xuất thông tin (produce output) : đưa các thông tin kết quả (đã qua xử lý) ra trở lại thế giới bên ngoài. Ðây là quá trình ngược lại với quá trình ban đầu, máy tính sẽ chuyển đổi các thông tin trong máy tính sang dạng thông tin ở thế giới thực thông qua các thiết bị đầu ra.

Lưu trữ thông tin (store information): ghi nhớ lại các thông tin đã được ghi nhận để có thể đem ra sử dụng trong những lần xử lý về sau.

    Ðể đáp ứng 4 thao tác đó thì một máy tính thông thường cũng gồm bốn thành phần hợp thành, mỗi thành phần có một chức năng riêng:

Thiếp bị nhập (input device) : thực hiện thao tác đưa dữ liệu từ thế giới bên ngoài vào, thường là bàn phím và con chuột, nhưng cũng có thể là các loại thiết bị khác mà ta sẽ nói rõ hơn ở những phần sau.

Thiết vị xử lý : hay đơn vị xử lý trung tâm - CPU thực hiện thao tác xử lý, tính toán các kết quả, điều hành hoạt động tính toán của máy vi tính, có thể xem CPU như một bộ não của con người.

Thiết bị xuất (Output) thực hiện thao tác gởi thông tin ra ngoài máy vi tính, hầu hết là dùng màn hình máy tính là thiết bị xuất chuẩn, có thể thêm một số khác như máy in, hoa…

Thiết bị lưu trữ (storage devices) được dùng để cất giữ thông tin. Lưu trữ sơ cấp (primary momery) là bộ nhớ trong của máy tính dùng để lưu các tập lệnh củ chương trình, các thông tin dữ liệu sẵn sàng trong tư thế chuẩn bị làm việc ty theo yêu cầu của CPU. Lưu trữ thứ cấp (secondary storage) là cách lưu trữ đơn thuần với mục đích cất giữ dư liệu, cách này dùng các thiết bị như đĩa cứng, đĩa mềm, CD,..

Hình 2 : quá trình xử lý thông tin trên máy tính

 

2. ÐƠN VỊ XỬ LÝ TRUNG TÂM - CPU

    Ðơn vị xử lý trung ương (Central Processing Unit) - CPU là một mạch xử lý dữ liệu theo chương trình được thiết lập trước. Nó là một mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu transitor trên một bảng mạch nhỏ. Phần lớn người dùng không biết và cũng không cần biết đến cái gì trên CPU. Một CPU có thể thi hành hàng triệu lệnh mỗi giây, để như vậy, trong một CPU tiêu biểu phải có nhiều thành phần phức tạp với các chức năng khác nhau hoạt động nhịp nhàng với nhau để hoàn thành các tập lệnh chương trình. Ở đây chúng ta sẽ xem qua các thành phần căn bản bên trong của một CPU.

Figure_B2_003.jpg (35577 bytes)    Figure_B2_004.jpg (36606 bytes)

Hình 3 : Một số loại CPU thông dụng

    Arithmetic Logic Unit (ALU) - đơn vị số học luận lý : bao gồm một số thanh ghi - register, thường là 32 hay 64 bit. Nó thực hiện các lệnh của đơn vị điều khiển và xử lý tín hiệu. Theo tên gọi, đơn vị này dùng để thực hiện các phép tính số học đơn giản (cộng, trừ, nhân, chia số nguyên) hay phép tính luận lý đối với dữ liệu (so sánh lớn hơn, nhỏ hơn, ...).

Tập lệnh chương trình được lưu giữ tại bộ nhớ chính - thông thường thì trên các chip nằm ngoài CPU - CPU đọc lệnh từ bộ nhớ qua đơn vị truyền tin - bus unit giữa bộ nhớ nguyên thủy và CPU.

    Ðơn vị nạp lệnh - Prectch unit : ra chỉ thị cho đường truyền đọc các lệnh được lưu giữ tại một địa chỉ bộ nhớ riêng biệt. Ðơn vị này không chỉ định vị và nạp lệnh được thi hành kế tiếp mà còn nạp cả các lệnh lần lượt sau nữa vào hàng chờ sẵn sàng hoạt động.

    Ðơn vị giải mã - Decode unit : ra chỉ thị cho đường truyền đọc các lệnh được lưu giữ tại một địa chỉ bộ nhớ riêng biệt. Ðơn vị này không chỉ định vị và nạp lệnh được thi hành kế tiếp mà còn nạp cả các lệnh lần lượt sau nữa vào hàng chờ sẳn sàng hoạt động.

    Ðơn vị nối ghép đường truyền - Bus Interface Unit bộ phận dẫn truyền điều phối các thông tin.

Những nhà sản xuất vi xử lý luôn phát triển các kỹ thuật nhằm tăng tốc độ xử lý cho CPU. Và như vậy, bộ nhớ ẩn - cache memory là một bộ nhớ nhỏ tốc độ cao đặt ngay bên trong bộ xử lý và nối trực tiếp với mạch xử lý để lưu trữ các lệnh chuẩn bị được thực hiện, hay các lệnh thường xuyên được dùng để sẵn sàng cho CPU. Bộ nhớ này chỉ do bộ xử lý kiểm soát, người sử dụng không thể thâm nhập được, nhằm phục vụ cho việc tăng tốc độ tính toán của bộ xử lý. Loại Cache memory nằm ngay trong bản thân bộ xử lý thường được gọi là Cache nội hay cache sơ cấp - primary, hay còn gọi là Cache L1 (cache level 1). Loại Cache memory nằm ngoài bộ xử lý thường được gọi là cache ngoại hay cache thứ cấp - secondary cache, hay còn gọi là Cache L2 (cache level 2).

    Ðơn vị điều khiển - control unit : có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lý, được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống.

    Mạch xung nhịp hệ thống - system clock : dùng để đồng bộ các thao tác xử lý trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không đổi, khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung nhịp. Tốc độ theo đó xung nhịp hệ thống tạo ra các xung tín hiệu chuẩn thời gian gọi là tốc độ xung nhịp - tốc độ đồng hồ tính bằng triệu đơn vị mỗi giây - Mhz.

    Thanh ghi - register là phần tử nhớ tạm trong bộ vi xử lý dùng lưu dữ liệu và địa chỉ nhớ trong máy đang thực hiện tác vụ với chúng.

Figure_B2_005.jpg (228349 bytes)

Hình 4 : Ảnh mặt sau của CPU Pentium Pro và ảnh phóng đại rất nhiều lần của hệ thống vi mạch của nó

        Figure_B2_006.jpg (88609 bytes)

Hình 5 : CPU trên bo mạch chủ (motherboard) của máy vi tính.

 

3. BỘ NHỚ MÁY TÍNH

    Công việc chính của CPU là thi hành các mã lệnh của chương trình, nhưng trong cùng thì CPU chỉ có khả năng giải quyết một ít trong phần dữ liệu. Như vậy phần còn lại của dữ liệu được đọc vào phải cần một chỗ nào đó để lưu giữ lại sẵn sàng cho CPU xử lý. Và RAM hay bộ nhớ chính sẽ nhận nhiệm vụ này.

    RAM - Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên là loại thiết bị lưu trữ sơ cấp. Chip RAM gồm nhiều mạch điện tử có chức năng lưu trữ các lệnh và dữ liệu chương trình một cách tạm thời. Chính thuật ngữ truy cập ngẫu nhiên cũng cho thấy tính chất của loại bộ nhớ này. Mỗi vị trí lưu trữ trong RAM đều có thể truy cập trực tiếp, nhờ đó các thao tác truy tìm và cất trữ có thể thực hiện rất nhanh. Nội dung lưu trữ trong RAM không cố định - volatile memory, có nghiã phải luôn có nguồn nuôi để lưu trữ nội dung thông tin đó - mất điện là mất tất cả.

Hình 6 : Bộ nhớ RAM

    Còn lại bộ nhớ cố định - nonvolatile memory, được gọi bộ nhớ chỉ đọc - Read Only Memory - ROM. Chính là vì loại cố định nên nó vẫn duy trì nội dung nhớ khi không có điện, nhờ đó người ta dùng ROM để chứa chương trình BIOS không thay đổi. Không phải lúc nào loại này cũng ẩn trong vỏ CPU. Nhiều thiết bị trò chơi điện tử cũng dùng hộp, có khả năng tháo lắp, dựng một mạch ROM lưu trữ thường xuyên trò chơi các trương trình .

    Ngoài ra còn một số loại bộ nhớ khác nữa trong máy tính. EPROM - Erasable Programable ROM - bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình lại. Loại này thường dùng để lưu giữ các thông tin cần thiết cho việc khởi động máy tính. RAM còn có loại SRAM - RAM tĩnh, DRAM - RAM động, Video RAM - RAM cho màn hình chuyên phục vụ hình ảnh.

Cách làm việc của Bộ Nhớ

    Bộ nhớ - Memory : là một mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu tế bào nhớ (storage cell) - các tế bào nhớ này chính là đơn vị lưu dữ kiện. Các thông tin trong bộ nhớ có thể là tập lệnh chương trình hay là dữ liệu của hình ảnh, các con số của phép tính số học hay luận lý và cũng có khi là các ký tự chữ cái. Mỗi byte bộ nhớ đều có địa chỉ riêng để CPU có thể truy cập đến dữ liệu trong đó. Bộ nhớ có nhiều loại với đặc điểm cấu trúc tính năng sử dụng khác nhau, nhưng về căn bản đều dùng để lưu dữ kiện nhằm phục vụ cho việc xử lý thông tin của CPU, và nó có thể là loại nằm ngay trên CPU hay nằm ngoài CPU.

    Một máy tính cá nhân bình thường ngày nay thường lắp từ 16 đến 64 Megabytes bộ nhớ - bộ nhớ được nói đến trong câu này có nghĩa là loại bộ nhớ ngoài CPU mà ta thường gọi là các thanh RAM.

    Các vi mạch DRAM được kết nối với nhau trên một bản mạch nhỏ được gọi là RAM, có khi là SIMM (single in - line memory module) - module nhớ hàng chân kép. Tùy lượng vi mạch nhớ và cấu trúc, các SIMM hay DIMM có thể có dung lượng từ 1 MB đến 32 MB hoặc hơn, có thế hệ cũ thì có 30 chân ( thường dùng từ các máy 486DX trở về trước), thế hệ thông dụng hiện nay dùng loại 72 chân (từ 486DX cho tới các máy hiện đại nhất). Nhưng đã xuất hiện loại DIMM - SDRAM có tốc độ lý thuyết 10ns (so với RAM EDO là 60ns), có số chân là 168 chân cũng được dùng rộng rãi với một số bo mạch chọn lọc. Các RAM này được cắm vào các khe quy định sẵn trên mạch hệ thống chính.

    Xét về chi tiết thì nơi nhớ - tế bào nhớ giống như một cái hộp thư. Một hộp thư hiện đại cho một địa chỉ có thể lưu giữ một byte thông tin.

    Ðĩa khởi động có thể là đĩa cứng, đĩa mềm hay đĩa CD. Ðĩa này có chứa các tập lệnh giúp cho hệ thống khởi động và biết cách nạp hệ điều hành từ đĩa vào bộ nhớ.

    Khi khởi động máy, CPU tự động ( đã qui định trước ) đọc thông tin lưu trong bộ nhớ chỉ đọc - ROM và thi hành. Hầu hết các hệ thống máy tính đều có ROM để lưu dữ kiện để điều khiển hệ thống. Các chương trình trên ROM thường được gọi là BIOS - hệ thống xuất nhập cơ sở.

    Các lệnh cần thực hiện nào đã nạp vào bộ nhớ thì CPU có khả năng thực hiện chúng.

    Như vậy, khi bật máy, CPU đọc thông tin trên bộ nhớ ROM - thi hành nó, sau đó đọc đến thông tin trên đĩa khởi động và nạp các thông tin hệ điều hành trên đĩa vào bộ nhớ RAM. Các thông tin lưu trên RAM ở các tế bào nhớ, tức là nằm sẵn trong RAM - và CPU có thể thực hiện các tác vụ.

Hình 7 : Cách làm việc của bộ nhớ