Lịch sử & Phân loại Máy Tính

Giới thiệu

• Máy tính lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1946.
• Các hệ thống máy tính và máy tính vẫn đang phát triển.
• Khi con người bước vào kỷ nguyên dữ liệu lớn, nhu cầu tính toán đang tăng lên.
• Chương này sẽ bao gồm lịch sử phát triển và hình thành máy tính.
• Chương này trình bày cách phân loại các hệ thống máy tính khác nhau.
• Tóm tắt các công nghệ sản xuất cho bộ nhớ & bộ xử lý máy tính.

Hiệu suất và Công suất

• Hai tham số chính của người dùng máy tính là hiệu suất và mức tiêu thụ điện năng.
• Chương này bao gồm các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất máy tính.
• Nó tính toán hiệu suất máy tính và so sánh sức mạnh tính toán.
• Các phân tích Power-drain cũng có trong chương này.

Lịch sử Phát triển & Phân loại Máy tính

• Máy tính được giới thiệu vào năm 1946 và đã phát triển trong hơn 7 thập kỷ.
• Các bộ xử lý chạy nhanh hơn và các thành phần nhỏ hơn.
• Bộ nhớ tăng dung lượng, thiết bị ngoại vi tăng tốc độ và khả năng xử lý.
• Ngày nay, máy tính có mặt trong hầu hết mọi ngành công nghiệp, trong mọi khía cạnh của cuộc sống và trong nhiều thiết bị.
• Các máy tính có thể được chia thành bốn loại liên tiếp trong hơn 6 thập kỷ.

Máy tính Thế hệ Thứ nhất

• Máy tính thế hệ đầu sử dụng đèn chân không.
• Máy tính ENIAC được sản xuất tại Đại học Pennsylvania, Hoa Kỳ vào năm 1946.
• Đèn chân không là các thiết bị điều khiển dòng điện giữa các cực trong các bình chân không.
• Các máy tính thế hệ đầu tiên đã tăng khối lượng & kích thước.
• ENIAC sử dụng 18.000 đèn chân không và nặng 30 tấn với kích thước 1.400 mét vuông.
• Máy tính ENIAC tiêu thụ công suất 140 kW.
• Máy tính ENIAC có thể xử lý 5.000 phép cộng / giây.
• ENIAC dựa trên hệ thập phân, không giống như máy tính ngày nay, dựa trên hệ nhị phân.
• Quá trình lập trình rất khó khăn vì nó yêu cầu chuyển mạch thay thế.
• "Khái niệm chương trình được lưu trữ" được phát triển bởi John von Neumann vào năm 1945.
• Máy tính đọc các lệnh từ bộ nhớ và thực thi chúng.
• Các chương trình có thể được cài đặt hoặc thay đổi bằng cách sửa đổi một phần bộ nhớ.
• Hầu hết các máy tính sử dụng mô hình Von Neumann đến nay.
• Các bộ xử lý số học tính toán dữ liệu nhị phân.
• Bộ điều khiển diễn giải các lệnh đọc từ bộ nhớ và cuối cùng thực thi chúng.
• Năm 1946, John von Neumann và các đồng nghiệp tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton đã bắt đầu thiết kế máy tính IAS dựa trên mô hình bộ nhớ này.
• Máy tính IAS hoàn thành vào năm 1951, là nguyên mẫu của tất cả máy tính đa năng thế hệ sau.
• Bộ nhớ của máy tính IAS có 1000 vị trí lưu trữ, còn được gọi là các từ có kích thước 40 bit cho mỗi vị trí lưu trữ để lưu trữ dữ liệu & lệnh của chương trình.
• Không giống như máy tính ENIAC, máy tính IAS xử lý dữ liệu nhị phân.
• Hai dòng máy tính thuộc thế hệ đầu tiên được thương mại hóa là UNIVAC và IBM.
• IBM đã giới thiệu máy tính 701 vào năm 1953, sau đó là 702 vào năm 1955.

Máy tính Thế hệ Thứ hai

• Các bóng bán dẫn thay thế đèn chân không trong máy tính điện tử đa năng.
• Các bóng bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn và tạo ra ít nhiệt hơn đèn chân không.
• Bell Labs đã phát triển bóng bán dẫn đầu tiên vào năm 1947.
• Các máy tính điện tử đa năng tạo ra hoàn toàn bằng bóng bán dẫn đã không được thương mại hóa cho đến năm 1950.
• Năm 1957 đánh dấu sự kết thúc của các máy tính thế hệ đầu tiên và sự thay đổi sang các máy tính thứ hai.
• Thế hệ máy tính thứ hai bắt đầu vào năm 1958.
• Các máy tính thế hệ này chứa khoảng 10.000 bóng bán dẫn và con số tiếp tục tăng trong sản xuất sau này.
• NCR và RCA đã tiên phong trong công nghệ mới trong giai đoạn này.
• IBM đã giới thiệu máy tính 7000 không lâu sau đó.
• Hiệu suất và dung lượng bộ nhớ của máy tính 7000 của IBM đã tăng. Kích thước nhỏ hơn nhiều so với máy tính 700 thế hệ đầu tiên.
• Thế hệ máy tính thứ hai còn chứng kiến sự ra đời của ALU, bộ điều khiển phức tạp hơn.
• Phần mềm hệ thống và ngôn ngữ lập trình cấp cao cũng xuất hiện.

Máy tính Thế hệ Thứ ba

• Các bóng bán dẫn thay thế đèn chân không, nhưng mỗi bóng bán dẫn được sản xuất và đóng gói riêng.
• Một máy tính sẽ được lắp ráp bằng cách nối dây các bóng bán dẫn này lại với nhau trên bảng mạch.
• Việc chế tạo máy tính tiêu tốn nhiều thời gian và phức tạp.
• Máy tính thế hệ thứ ba ra đời dựa trên các mạch tích hợp (IC).
• Mạch tích hợp (IC)"là thiết bị được tạo thành từ các thành phần điện tử, thường là bóng bán dẫn và điện trở trên một mảnh nhỏ vật liệu bán dẫn (semiconducting material)".
• Các mạch tích hợp đầu tiên được giới thiệu vào tháng 9 năm 1958 chỉ có kích thước 11,11mm x 1,59mm.
• Sản xuất máy tính với IC trở thành máy tính thế hệ thứ ba
• Đến năm 2014, có hơn 20 tỷ bóng bán dẫn trên một con chip.
• IBM System/360 và DEC PDP-8 là hai dòng máy tính nổi tiếng của thế hệ này.
• Một số máy tính IBM System/360 không tương thích với các máy tính IBM trước đó do việc chuyển đổi hoàn toàn sang công nghệ vi mạch.
• Máy tính PDP-8 nhỏ DEC dùng vi mạch tích hợp đủ nhỏ để đặt trên bàn làm việc trong các phòng thí nghiệm.

Máy tính thế Hệ Thứ Tư

• Các nhà khoa học thì vẫn chưa thống nhất với định nghĩa các thế hệ máy tính tiếp theo.
• Các vi mạch tích hợp vẫn đang được sử dụng rộng rãi ngày nay.
• Số lượng các bóng bán dẫn tích hợp trên một con chip đó đã tăng lên.
• Một số nhà nghiên cứu đã khuyến nghị chia các máy tính sau thế hệ thứ ba này thành các thế hệ máy tính LSI, VLSI và ULSI.
• Đặc điểm phân biệt giữa máy tính thế hệ thứ tư là nó sử dụng bộ nhớ bán dẫn thay vì bộ nhớ sắt & các vi xử lý.
• Các bộ nhớ trên máy tính từ những năm 1950 và 1960 sử dụng vật liệu sắt từ.
• Bộ nhớ bán dẫn đầu tiên đã giải quyết được vấn đề xoá dữ liệu sau khi đọc và có tốc độ đọc cao.
• Năm 1971 chứng kiến sự ra đời của các vi xử lý, chip Intel 4004 là một chip đơn đầu tiên.
• Máy tính có thể thực hiện được cộng hai số 4 bit và thực hiện phép nhân bằng cách cộng nhiều lần.
• Năm 1972, Intel giới thiệu bộ vi xử lý 8 bit là 8008.
• Năm 1974 chứng kiến sự ra đời của bộ vi xử lý đa dụng 8 bit đầu tiên Intel 8080.
• Bảng 1.3 so sánh các bộ xử lý đặc trưng của Intel trong những năm 1970 & giai đoạn gần đây.

Phân loại Máy tính

• Các máy tính được sử dụng trong các nhóm ứng dụng khác nhau có các tính năng và yêu cầu khác nhau.
• Nhìn chung, máy tính được chia thành bốn loại khác nhau.

PC

• Máy tính cá nhân (PC) là loại máy tính phổ biến nhất.
• Máy tính cá nhân có giá thấp, hiệu suất tốt cho một người dùng và thường thực hiện phần mềm của bên thứ ba.

Máy chủ

• Máy chủ là các máy tính thường nhận các yêu cầu thông qua một mạng.
• Các máy chủ thường dùng để vận hành hoặc thực hiện nhiều ứng dụng nhỏ hơn hoặc một ứng dụng phức tạp.
• Các máy chủ cơ bản tương tự như máy tính nhưng lại có nhiều khả năng lưu trữ lớn hơn và khả năng tính toán mạnh hơn.

Siêu máy tính

• Siêu máy tính là những máy tính có khả năng tính toán cực lớn.
• Các siêu máy tính chứa hàng triệu bộ xử lý, dung lượng lưu trữ trong nhiều terabyte và trị giá hàng trăm triệu đô la.
• Chúng được dùng để tính toán các ứng dụng khoa học đòi hỏi sức mạnh tính toán.

Máy tính nhúng

• Máy tính nhúng là vi xử lý trong xe hơi, Tivi thông minh, hoặc mạng các bộ vi xử lý dùng để điều khiển các chuyến bay.
• Máy tính nhúng được đóng gói cùng với các thiết bị khác thành một hệ thống.
• Sự bùng nổ đã dẫn đến một kỷ nguyên hậu máy tính cá nhân.

Kỷ Nguyên Hậu Máy tính Cá nhân

• Các máy tính cá nhân đang dần được thay thế bằng các thiết bị cá nhân di động(PMD).
• Các thiết bị cá nhân di động nhỏ có kết nối không dây.
• Các thiết bị này chạy bằng pin và phần mềm ứng dụng (thường được gọi là "ứng dụng").

Các Mức Trừu tượng của Chương trình

• Các ứng dụng cơ bản có thể được phát triển bởi hàng triệu dòng lệnh và sử dụng thư viện phần mềm.
• Phần cứng chỉ có thể xử lý các lệnh cấp thấp rất đơn giản.
• Rất nhiều lớp phần mềm cung cấp một lớp dịch ứng dụng.
• Ứng dụng ngôn ngữ mức độ phức tạp khác nhau được gọi là các mức độ trừu tượng

Ngôn ngữ Máy

• Bảng chữ cái của máy tính có hai ký chữ 0 và 1, bảng chữ cái của tiếng Anh có 26 ký tự.
• Bit (chữ số nhị phân) là mỗi ký tự 0 và 1.
• Ngôn ngữ (máy) sử dụng các số nhị phân này.
• Các nhiệm vụ được yêu cầu thực hiện cần sử dụng máy tính ở ngôn ngữ của nó.
• Lệnh máy là một chuỗi bit nhị phân mà máy tính có thể thực thi và hiểu được.
• Lệnh máy có mức độ trừu tượng thấp nhất đối với máy tính vì nó có thể hiểu một cách trực tiếp.

Hợp Ngữ

• Hợp ngữ giúp các lập trình viên đầu tiên giao tiếp và điều khiển máy tính.
• Quá trình này tốn nhiều thời gian và công sức để chuyển đổi ra ngôn ngữ máy bằng tay, vì vậy quá trình sau đó trở nên phức tạp.
• Các chương trình chuyển đổi các lệnh dưới dạng ký hiệu thành một chuỗi nhị phân được gọi là các bộ lắp ráp (assembler).
• Các lệnh được viết dưới dạng ký hiệu được gọi là ngôn ngữ (hợp ngữ).
• Các lệnh hợp ngữ không thể được xử lý & mức độ trừu tượng của hợp ngữ là khác.

Ngôn ngữ Lập trình Cấp cao

• Khi lập trình bằng ngôn ngữ máy, những khó khăn mà hợp ngữ gặp phải có thể được cải thiện.
• Ngôn ngữ lập trình hiện đại cao đã loại bỏ tính khó khăn trong việc lập trình với trình hợp dịch.
• Một chương trình dùng chuyển đổi ngôn ngữ trình cấp cao sang ngôn ngữ hợp dịch được gọi là trình chuyển dịch (compiler).
• Ngôn ngữ lập trình đã trở thành một trong những bước quan trọng trong tiến trình của lĩnh vực máy tính.
• Ngôn ngữ trình cao có một mức độ trừu tượng lớn cho máy tính.
• Các ứng dụng ngày nay được viết bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao.

Công nghệ Sản xuất Bộ Xử lý Bộ nhớ

• Đã giới thiệu các thế hệ phần 1.2 của máy tính dựa trên xây.
• Hiện nay, tất cả các máy tính sử dụng công nghệ vi mạch(IC).
• Các vi mạch chứa khoảng vài chục tỷ bóng dẫn tích hợp trên cùng một thiết bị(chip).
• Các mạch tích hợp được phát triển bằng định luật Moore.
• Quá trình sản xuất mạch tích hợp bắt đầu bằng silicon, vật liệu này có thể tìm thấy trong cát.