Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
1. Các thiết bị bên trong máy tính
Cấu trúc chung của máy tính gồm bốn thành phần: bộ xử lí trung tâm, bộ nhớ trong, bộ nhớ ngoài và các thiết bị vào – ra. Những thiết bị mà người dùng thường nhìn thấy bên ngoài như màn hình, bàn phím, chuột, máy chiếu là các thiết bị vào – ra. Còn bên trong thân máy, toàn bộ các thiết bị được gắn trên một bảng mạch lớn gọi là bảng mạch chính (mainboard), bao gồm bộ xử lí, bộ nhớ trong, bộ nhớ ngoài và có thể gắn thêm các bảng mạch mở rộng (card đồ họa, card mạng,…).
a) Bộ xử lí trung tâm (CPU)
Bộ xử lí trung tâm (Central Processing Unit – CPU) là thành phần quan trọng nhất của máy tính, chịu trách nhiệm thực hiện các chương trình. CPU được cấu tạo từ hai bộ phận chính:
- Bộ số học và logic (Arithmetic & Logic Unit – ALU): thực hiện tất cả các phép tính số học và logic trong máy tính.
- Bộ điều khiển (Control Unit): phối hợp đồng bộ hoạt động của các thiết bị, đảm bảo máy tính chạy đúng chương trình.
CPU có một đồng hồ xung tạo ra các xung điện áp đều đặn gửi đến mọi thành phần trong máy để đồng bộ hoạt động. Mỗi phép tính được thực hiện trong một số xung đồng hồ nhất định, vì vậy người ta dùng tần số xung nhịp để đánh giá tốc độ CPU, đơn vị thường dùng là GHz (1 GHz = 1 tỉ xung mỗi giây).
Ngoài ra, CPU còn có một số thành phần hỗ trợ:
- Thanh ghi (register): vùng nhớ đặc biệt dùng lưu trữ tạm thời lệnh và dữ liệu đang xử lí, cho phép CPU truy cập với tốc độ rất nhanh.
- Bộ nhớ đệm (cache): bộ nhớ nhỏ chứa dữ liệu được nạp trước từ bộ nhớ trong, nhằm giảm thời gian chờ đọc dữ liệu.
Ban đầu, mỗi máy tính chỉ có một đơn vị xử lí. Ngày nay, các CPU hiện đại thường có nhiều lõi (core) được đóng gói trong cùng một chip. Mỗi lõi hoạt động như một đơn vị xử lí độc lập, cho phép máy tính thực hiện song song nhiều công việc cùng lúc, nâng cao hiệu suất đáng kể.
b) Bộ nhớ trong: ROM và RAM
Bộ nhớ trong (memory) được chia thành hai loại theo cách sử dụng:
RAM (Random Access Memory) – Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên: là bộ nhớ có thể ghi được, dùng để chứa dữ liệu tạm thời trong khi chạy các chương trình. Đặc điểm quan trọng nhất của RAM là dữ liệu sẽ bị mất khi tắt máy.
ROM (Read Only Memory) – Bộ nhớ chỉ đọc: là bộ nhớ được ghi bằng phương tiện chuyên dùng, các chương trình ứng dụng chỉ có thể đọc mà không thể ghi hay xoá. ROM không cần nguồn nuôi nên có thể lưu dữ liệu và chương trình lâu dài. ROM thường dùng để lưu các dữ liệu hệ thống cố định và chương trình kiểm tra hay khởi động máy tính.
Các thông số quan trọng của bộ nhớ trong:
- Dung lượng nhớ: Tính theo MB hoặc GB (ví dụ: RAM 8 GB, 16 GB, 32 GB).
- Thời gian truy cập trung bình: Là thời gian cần thiết để ghi hay đọc thông tin. Việc giảm thời gian truy cập bộ nhớ trong có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất tổng thể của máy tính.
So với RAM, ROM thường có dung lượng nhỏ hơn và thời gian truy cập trung bình lớn hơn.
c) Bộ nhớ ngoài
Bộ nhớ ngoài có thể được đặt bên trong hoặc bên ngoài thân máy. Các loại bộ nhớ ngoài thường gặp gồm: đĩa cứng (HDD), đĩa thể rắn (Solid State Disk – SSD), đĩa quang,… Bộ nhớ ngoài dùng để lưu trữ dữ liệu lâu dài, không cần nguồn nuôi, có giá thành rẻ hơn RAM và dung lượng lớn hơn nhiều.
Các thông số đo hiệu năng của bộ nhớ ngoài:
- Dung lượng: Thường tính theo GB hoặc TB. Hiện nay, bộ nhớ ngoài cỡ TB đã rất phổ biến.
- Thời gian truy cập trung bình: Thời gian cần thiết để ghi hoặc đọc dữ liệu. Đĩa cứng (HDD) là thiết bị cơ điện nên tốc độ truy cập chậm hơn nhiều so với đĩa SSD, nhưng vẫn nhanh hơn so với đĩa quang.
2. Mạch logic và vai trò của mạch logic
CPU về bản chất là một mạch điện tử được dùng để biến đổi (xử lí) các dữ liệu nhị phân. Cách thức xử lí dữ liệu của CPU dựa trên cơ sở hoạt động của các mạch logic.
a) Một số phép toán logic và thể hiện vật lí
Đại lượng logic là đại lượng chỉ nhận một trong hai giá trị: “Đúng” (tương ứng bit 1) và “Sai” (tương ứng bit 0).
Trên các đại lượng logic, người ta xây dựng các phép toán logic cơ bản sau:
| Phép toán | Kí hiệu | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Phép nhân logic | AND hoặc $x \wedge y$ | Kết quả bằng 1 khi và chỉ khi cả $x$ và $y$ đều bằng 1 |
| Phép cộng logic | OR hoặc $x \vee y$ | Kết quả bằng 1 khi ít nhất một trong $x$ hoặc $y$ bằng 1 |
| Phép phủ định | NOT hoặc $\overline{x}$ | Đảo ngược giá trị: phủ định của 0 là 1, phủ định của 1 là 0 |
| Phép hoặc loại trừ | XOR hoặc $x \oplus y$ | Kết quả bằng 1 khi và chỉ khi $x$ và $y$ có giá trị khác nhau |
Bảng giá trị đầy đủ của các phép toán logic:
| $x$ | $y$ | $x$ AND $y$ | $x$ OR $y$ | NOT $x$ | $x$ XOR $y$ |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
Các phép toán logic có thể được thực hiện bằng mạch điện hoặc mạch điện tử. Để dễ hình dung, sách minh hoạ bằng rơ le (relay) điện tử, tuy nhiên trong thực tế các mạch xử lí trong máy tính là mạch điện tử hoặc vi mạch có cùng tính năng.
- Sơ đồ mạch logic AND: Hai rơ le K1 và K2 mắc nối tiếp với một bóng đèn. Đèn chỉ sáng (giá trị logic 1) khi cả hai rơ le đều có điện (cả hai đầu vào đều bằng 1).
- Sơ đồ mạch logic OR: Hai rơ le mắc song song. Đèn sáng khi ít nhất một trong hai rơ le có điện.
- Sơ đồ mạch logic NOT: Dùng một rơ le thường đóng. Khi cấp điện cho rơ le (đầu vào = 1), mạch bị ngắt nên đèn tắt (đầu ra = 0). Ngược lại, khi không cấp điện (đầu vào = 0), mạch đóng và đèn sáng (đầu ra = 1).
Các mạch điện có đầu vào và đầu ra thể hiện các giá trị logic được gọi chung là mạch logic hay mạch số. Những mạch logic thực hiện các phép toán logic cơ bản (AND, OR, NOT, XOR,…) được gọi là các cổng logic (logic gate). Mỗi cổng có một kí hiệu riêng:
Điểm quan trọng cần ghi nhớ:
- Mọi mạch logic đều có thể xây dựng từ ba cổng cơ bản: AND, OR và NOT.
- Tất cả các thiết bị số, bao gồm cả máy tính, đều được chế tạo từ các mạch logic. Không có mạch logic thì không có thiết bị số, và do đó không có máy tính điện tử.
b) Phép cộng trên hệ nhị phân
Hệ nhị phân chỉ sử dụng hai chữ số: 0 và 1. Mỗi số trong hệ nhị phân được biểu diễn bằng một dãy chữ số nhị phân. Giá trị của chữ số 1 ở hàng thứ $k$ (tính từ phải sang trái, bắt đầu từ 1) là $2^{k-1}$.
Ví dụ: Số $10011$ trong hệ nhị phân có giá trị thập phân là:
$$1 \times 2^4 + 0 \times 2^3 + 0 \times 2^2 + 1 \times 2^1 + 1 \times 2^0 = 16 + 0 + 0 + 2 + 1 = 19$$
Trên hệ nhị phân, phép cộng được thực hiện tương tự như trong hệ thập phân: cộng từng chữ số từ phải sang trái, nếu có nhớ thì cộng tiếp vào hàng bên trái. Bảng cộng cơ bản cho hai bit:
| $x$ | $y$ | $x + y$ |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 10 (tức 0, nhớ 1) |
Trong bảng cộng, chỉ khi cả $x$ và $y$ đều bằng 1 thì phép cộng mới phát sinh số nhớ bằng 1. Các trường hợp khác số nhớ bằng 0.
Ví dụ minh hoạ: Phép cộng $110 + 111$ trong hệ nhị phân:
1 1 0
+ 1 1 1
---------
1 1 0 1
Kiểm tra: $110_2 = 6_{10}$, $111_2 = 7_{10}$, $1101_2 = 13_{10}$. Đúng vì $6 + 7 = 13$.
c) Minh hoạ mạch logic thực hiện phép cộng 2 bit
Từ bảng cộng, việc cộng hai số 1 bit ($x$ và $y$) cho kết quả là một số 2 bit gồm số nhớ $z$ và kết quả $t$. Qua phân tích:
- Số nhớ: $z = x \wedge y$ (phép AND)
- Kết quả: $t = x \oplus y$ (phép XOR)
Mạch logic thực hiện phép cộng hai bit sử dụng một cổng AND và một cổng XOR, với hai đầu vào ($x$, $y$) và hai đầu ra ($z$, $t$).
Điều này cho thấy các phép tính số học cơ bản đều có thể được thực hiện nhờ tổ hợp các mạch logic, chính là nguyên lí hoạt động nền tảng của mọi bộ xử lí trong máy tính.
Dạng tính toán: Thực hiện phép cộng nhị phân và chuyển đổi hệ cơ số
Phương pháp:
Bước 1 – Cộng nhị phân: Viết hai số thẳng hàng (căn phải). Cộng từng cặp bit từ phải sang trái theo bảng cộng:
- $0 + 0 = 0$
- $0 + 1 = 1$
- $1 + 0 = 1$
- $1 + 1 = 10$ (viết 0, nhớ 1 sang hàng trái)
Nếu có số nhớ từ hàng trước, cộng thêm số nhớ vào.
Bước 2 – Chuyển nhị phân sang thập phân: Áp dụng công thức: chữ số 1 ở hàng thứ $k$ (từ phải, bắt đầu từ 1) có giá trị $2^{k-1}$. Cộng tất cả các giá trị lại.
Bước 3 – Kiểm tra: Chuyển cả hai số hạng và tổng sang thập phân, xác nhận phép cộng thập phân cho kết quả đúng.
Bài 2 (Luyện tập SGK). Thực hiện những phép cộng các số nhị phân nhiều chữ số sau đây rồi chuyển các số sang hệ thập phân.
a) $1010 + 101$
Thực hiện cộng từng bit từ phải sang trái:
1 0 1 0
+ 1 0 1
-----------
0 1 1 1 1
Cụ thể: hàng 1: $0+1=1$; hàng 2: $1+0=1$; hàng 3: $0+1=1$; hàng 4: $1+0=1$.
Kết quả: $1010_2 + 101_2 = 1111_2$
Chuyển sang thập phân:
- $1010_2 = 1 \times 2^3 + 0 \times 2^2 + 1 \times 2^1 + 0 \times 2^0 = 8 + 2 = 10$
- $101_2 = 1 \times 2^2 + 0 \times 2^1 + 1 \times 2^0 = 4 + 1 = 5$
- $1111_2 = 1 \times 2^3 + 1 \times 2^2 + 1 \times 2^1 + 1 \times 2^0 = 8 + 4 + 2 + 1 = 15$
Kiểm tra: $10 + 5 = 15$ ✓
b) $1001 + 1011$
Thực hiện cộng từng bit từ phải sang trái:
1 0 0 1
+ 1 0 1 1
-----------
1 0 1 0 0
Cụ thể: hàng 1: $1+1=10$ (viết 0, nhớ 1); hàng 2: $0+1+1$(nhớ)$=10$ (viết 0, nhớ 1); hàng 3: $0+0+1$(nhớ)$=1$; hàng 4: $1+1=10$ (viết 0, nhớ 1); hàng 5: nhớ 1.
Kết quả: $1001_2 + 1011_2 = 10100_2$
Chuyển sang thập phân:
- $1001_2 = 1 \times 2^3 + 0 \times 2^2 + 0 \times 2^1 + 1 \times 2^0 = 8 + 1 = 9$
- $1011_2 = 1 \times 2^3 + 0 \times 2^2 + 1 \times 2^1 + 1 \times 2^0 = 8 + 2 + 1 = 11$
- $10100_2 = 1 \times 2^4 + 0 \times 2^3 + 1 \times 2^2 + 0 \times 2^1 + 0 \times 2^0 = 16 + 4 = 20$
Kiểm tra: $9 + 11 = 20$ ✓
Thầy Phạm Thành Danh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Tin Học THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Tin học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 8+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Thuận Hóa