Máy tính

Các nguyên lý cơ bản

Máy tính có thể làm việc thông qua sự chuyển động của các bộ phận cơ khí, điện tử (electron), photon, hạt lượng tử hay các hiện tượng vật lý khác đã biết. Mặc dù máy tính được xây dựng từ nhiều công nghệ khác nhau song gần như tất cả các máy tính hiện nay đều là máy tính điện tử.
Máy tính có thể trực tiếp mô hình hóa các vấn đề cần được giải quyết, trong khả năng của nó các vấn đề cần được giải quyết sẽ được mô phỏng gần giống nhất với những hiện tượng vật lý đang khai thác. Ví dụ, dòng chuyển động của các điện tử có thể được sử dụng để mô hình hóa sự chuyển động của nước trong đập. Những chiếc máy tính tương tự (analog computer) giống như thế đã rất phổ biến trong thập niên 1960 nhưng hiện nay còn rất ít.
Trong phần lớn các máy tính ngày nay, trước hết, mọi vấn đề sẽ được chuyển thành các yếu tố toán học bằng cách diễn tả mọi thông tin liên quan thành các số theo hệ nhị phân (hệ thống đếm dựa trên các số 0 và 1 hay còn gọi là hệ đếm cơ số 2). Sau đó, mọi tính toán trên các thông tin này được tính toán bằng đại số Boole (Boolean algebra).
Các mạch điện tử được sử dụng để miêu tả các phép tính Boole. Vì phần lớn các phép tính toán học có thể chuyển thành các phép tính Bool nên máy tính điện tử đủ nhanh để xử lý phần lớn các vấn đề toán học (và phần lớn thông tin của vấn đề cần giải quyết đã được chuyển thành các vấn đề toán học). Ý tưởng cơ bản này, được nhận biết và nghiên cứu bởi Claude E. Shannon - người đã làm cho máy tính kỹ thuật số (digital computer) hiện đại trở thành hiện thực.
Máy tính không thể giải quyết tất cả mọi vấn đề của toán học. Alan Turing đã sáng tạo ra khoa học lý thuyết máy tính trong đó đề cập tới những vấn đề mà máy tính có thể hay không thể giải quyết.
Khi máy tính kết thúc tính toán một vấn đề, kết quả của nó được hiển thị cho người sử dụng thấy thông qua thiết bị xuất như: bóng đèn, màn hình, máy in, máy chiếu...
Những người mới sử dụng máy tính, đặc biệt là trẻ em, thường cảm thấy khó hiểu về ý tưởng cơ bản là máy tính chỉ là một cái máy, nó không thể "suy nghĩ" hay "hiểu" những gì nó hiển thị. Máy tính chỉ đơn giản thi hành các tìm kiếm cơ khí trên các bảng màu và đường thẳng đã lập trình trước, rồi sau đó thông qua các thiết bị đầu ra (màn hình, máy in,...) chuyển đổi chúng thành những ký hiệu mà con người có thể cảm nhận được thông qua các giác quan (hình ảnh trên màn hình, chữ trên văn bản được in ra). Chỉ có bộ não của con người mới nhận thức được những ký hiệu này tạo thành các chữ hay số và gắn ý nghĩa cho chúng. Trong quan điểm của máy tính thì mọi thứ mà nó "nhận thấy" (kể cả khi máy tính được coi là có khả năng tự nhận biết) chỉ là các hạt electron tương đương với các số 0 và 1. Xem thêm trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) và robot.

Phát triển

Các thiết bị tính toán tăng gấp đôi năng lực (được định nghĩa là số phép tính thực hiện trong một giây cho mỗi 1.000 USD chi phí) sau mỗi 18 đến 24 tháng kể từ năm 1900. Gordon E. Moore, người đồng sáng lập ra Intel, lần đầu tiên đã miêu tả tính chất này của sự phát triển vào năm 1965 (Xem định luật Moore). Cùng với việc tăng khả năng tính toán trên một đơn vị chi phí thì tốc độ của sự thu nhỏ kích thước cũng tương tự. Những chiếc máy tính điện tử đầu tiên như ENIAC (ra đời năm 1946) là một thiết bị khổng lồ nặng hàng tấn, tiêu thụ nhiều điện năng, chiếm một diện tích lớn, thực hiện được ít phép tính và đòi hỏi nhiều người điều khiển để có thể hoạt động được. Những cỗ máy này đắt đến mức chỉ có các chính phủ hay các viện nghiên cứu lớn mới có đủ điều kiện để duy trì hoạt động của chúng. Năm 1973, Trương Trọng Thi chế tạo ra Micral mà nhiều người coi là máy tính cá nhân đầu tiên trên thế giới. Một bản mẫu của nó hiện được trưng bày trong Viện bảo tàng máy tính Boston (Mỹ). Chiếc máy này ra đời hơn một năm trước máy Altair của công ty Mỹ MITS Electronics, công ty này cũng cho mình là cha đẻ của PC.

Phân loại máy tính

Những phần dưới đây miêu tả các xu hướng khác nhau trong sự phân loại các máy tính.

Theo mức cải tiến công nghệ

Một cách phân loại máy tính ít mơ hồ hơn là theo mức độ hoàn thiện của công nghệ. Những chiếc máy tính có mặt sớm nhất thuần túy là máy cơ khí. Trong thập niên 1930, các thành phần rơ le cơ-điện đã được giới thiệu vào máy tính từ ngành công nghiệp liên lạc viễn thông. Trong thập niên 1940, những chiếc máy tính thuần túy điện tử đã được chế tạo từ những đèn điện tử chân không. Trong hai thập niên 1950 và thập niên 1960, bóng điện tử dần dà được thay thế bởi transistor, và từ cuối thập niên 1960 đầu thập niên 1970 là bởi mạch tích hợp bán dẫn (chíp bán dẫn, hay IC) cho đến hiện nay.
Một hướng nghiên cứu phát triển gần đây là máy tính quang (optical computer) trong đó máy tính hoạt động theo nguyên lý của ánh sáng hơn là theo nguyên lý của các dòng điện; đồng thời, khả năng sử dụng DNA trong công nghệ máy tính cũng đang được thử nghiệm. Một nhánh khác của việc nghiên cứu có thể dẫn công nghiệp máy tính tới những khả năng mới như tính toán lượng tử, tuy rằng nó vẫn còn ở giai đoạn đầu của việc nghiên cứu.

Theo đặc trưng thiết kế

Các máy tính hiện đại đã liên kết các đặc trưng thiết kế chính được phát triển bởi nhiều người đóng góp trong nhiều năm. Các đặc trưng này phần lớn không phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện của công nghệ. Các máy tính hiện đại nhận được khả năng tổng thể của chúng theo cách mà các đặc trưng này tác động qua lại với nhau. Một số đặc trưng quan trọng được liệt kê dưới đây:

Kỹ thuật số và kỹ thuật tương tự

Một quyết định nền tảng trong việc thiết kế máy tính là hoặc sử dụng kỹ thuật số (digital) hoặc sử dụng kỹ thuật tương tự (analog). Các máy tính kỹ thuật số (digital computer) tính toán trên các giá trị số rời rạc (discreet value) hoặc giá trị tượng trưng (symbolic value), trong khi đó máy tính tương tự (analog computer) tính toán trên các tín hiệu dữ liệu liên tục (continuous data signal). Bắt đầu từ thập niên 1940, máy tính kỹ thuật số đã trở nên phổ biến hơn mặc dù máy tính tương tự vẫn được sử dụng cho một số mục đích đặc biệt như trong kỹ thuật robot và việc kiểm soát các lò xyclôtrôn. Các thiết kế khác dùng tính toán xung lượng và tính toán lượng tử cũng hiện hữu nhưng chúng hoặc được sử dụng cho các mục đích đặc biệt hoặc vẫn đang trong vòng thử nghiệm.

Nhị phân và Thập phân

Một phát triển quan trọng trong thiết kế tính toán kỹ thuật số là việc sử dụng hệ nhị phân như là hệ thống số đếm nội tại. Điều này đã bãi bỏ những yêu cầu cần thiết trong các cơ cấu kỹ thuật phức tạp của các máy tính sử dụng hệ số đếm khác, chẳng hạn như hệ thập phân. Việc áp dụng hệ nhị phân đã làm cho việc thiết kế trở lên đơn giản hơn để thực hiện các phép tính số học và các phép tính lôgic.

Khả năng lập trình

Khả năng lập trình của máy tính (programmability), nghĩa là cung cấp cho nó một tập hợp các chỉ thị để thực hiện mà không có sự điều khiển vật lý đối với nó, là một đặc trưng thiết kế nền tảng của phần lớn các máy tính. Đặc trưng này là một sự mở rộng đáng kể khi các máy tính đã được phát triển đến mức nó có thể kiểm soát động luồng thực hiện của chương trình. Điều này cho phép máy tính kiểm soát được thứ tự trong sự thực thi các chỉ lệnh trong chương trình dựa trên các dữ liệu đã được tính ra.
Điểm nổi bật chính trong thiết kế này đó là nó đã được đơn giản hóa một cách đáng kể với việc áp dụng các phép tính số học theo hệ đếm nhị phân để có thể mô tả hàng loạt các phép tính lôgic.

Lưu trữ

Trong quá trình tính toán, máy tính thông thường cần phải lưu trữ các giá trị trung gian để có thể sử dụng trong các tính toán sau đó. Khả năng thực hiện của máy tính phần lớn phụ thuộc vào tốc độ đọc các giá trị từ bộ nhớ và tốc độ ghi vào bộ nhớ, cũng như dung lượng bộ nhớ. Ban đầu bộ nhớ chỉ được sử dụng cho các giá trị trung gian, nhưng từ thập niên 1940 thì chính bản thân chương trình cũng có thể được lưu trữ theo cách này. Điểm nổi trội này đã dẫn đến việc ra đời của những chiếc máy tính có sẵn chương trình đầu tiên của thế hệ máy tính ngày nay.

Các máy tính có mục đích không nhất định

Các máy tính có mục đích không nhất định còn được gọi là các máy loại Turing hoàn tất và điều này được sử dụng như khả năng ngưỡng để định nghĩa các máy tính hiện nay, tuy nhiên, định nghĩa này có vài vấn đề. Một số thiết bị tính toán với thiết kế đơn giản đã được chứng tỏ là có tính Turing hoàn tất. Cho đến nay, Z3, phát triển bởi Konrad Zuse năm 1941, là chiếc máy tính hoạt động đầu tiên đã được chứng tỏ đạt được tính chất này, (chứng minh được hoàn thành vào năm 1998). Trong khi Z3 và có thể một số thiết bị khác có tính Turing hoàn tất trên lý thuyết, trên thực tế chúng không phải là những máy tính có mục đích không nhất định. Chúng thuộc về những cái được gọi một cách hài hước là Turing Tar-Pit - "chỗ ở đó mọi điều đều có thể nhưng chẳng có gì là thực tế" (Xem Jargon File). Các máy tính hiện đại không những có mục đích không nhất định trên lý thuyết mà còn có mục đích không nhất định trên thực tế. Các máy tính hiện đại như loại kỹ thuật số, loại điện tử hay loại có mục đích không nhất định được phát triển bởi nhiều người đóng góp trong một khoảng thời gian dài từ giữa thập niên 1930 tới cuối thập niên 1940. Trong giai đoạn này rất nhiều cỗ máy thử nghiệm đã được phát triển có thể coi là có tính Turing hoàn tất (như ABC, ENIAC, Harvard Mk I, Colossus v.v.) (Xem thêm Lịch sử phần cứng máy tính). Tất cả các cỗ máy này trong thời đại của chúng đều được cho là chiếc máy tính đầu tiên, nhưng tất cả đều có những giới hạn nhất định trong mục đích sử dụng và thiết kế của chúng đã sớm bị thải loại.

Các máy tính có sẵn chương trình

Trong cuối thập niên 1940 thiết kế đầu tiên cho máy tính có sẵn chương trình (stored-program computer) đã được phát triển và biên khảo (Xem thêm Bản thảo đầu tiên) tại trường công nghệ điện Moore của Đại học Pennsylvania. Phương pháp giải quyết, miêu tả trong tài liệu, được biết đến như là kiến trúc Von Neumann, mang tên của nhà toán học Jon von Neumann mặc dù các thành viên của trường công nghệ điện Moore mới thực sự sáng chế ra thiết kế này. Kiến trúc Von Neumann đã giải quyết vấn đề thuộc về thiết kế của máy ENIAC và sửa đổi bằng cách lưu trữ chương trình của máy trong bộ nhớ của nó. Von Neumann cung cấp thiết kế này cho các nhà nghiên cứu khác ngay sau khi ENIAC được công bố vào năm 1946. Nhiều kế hoạch đã được phát triển để hoàn thiện thiết kế này tại trường Moore trong chiếc máy có tên gọi là EDVAC. EDVAC đã không hoạt động được cho đến tận năm 1953 vì những khó khăn kỹ thuật trong việc hoàn thiện độ tin cậy của bộ nhớ. Từ bản sao của thiết kế này, các viện nghiên cứu khác đã giải quyết được vấn đề đó trước trường Moore và hoàn thiện các máy tính có sẵn chương trình của họ. Theo thứ tự của việc hoạt động thành công thì 5 chiếc máy tính có sẵn chương trình đầu tiên dựa trên cơ sở của kiến trúc Von Neumann là:
Thiết kế "chương trình có sẵn", được định nghĩa bởi kiến trúc Von Neumann, cuối cùng đã cho phép máy tính khai thác tiềm năng "mục đích không nhất định" của chúng. Bằng cách lưu trữ chương trình trong bộ nhớ, chúng có thể nhanh chóng "nhảy" từ chỉ thị này tới chỉ thị khác dựa trên kết quả của một điều kiện như đã được định nghĩa sẵn trong chương trình. Các điều kiện này thông thường lượng giá các dữ liệu đã được tính toán bởi chương trình và cho phép chương trình trở thành động hơn. Thiết kế này cũng hỗ trợ vào khả năng tự động viết lại chương trình ngay trong khi nó đang thực thi - một đặc trưng rất mạnh nhưng cần sử dụng một cách cẩn thận. Các đặc trưng này là nền tảng cho các máy tính hiện đại.
Nói một cách chính xác, phần lớn các máy tính hiện đại là thiết bị tính toán theo phép nhị phân, bằng điện tử, có sẵn chương trình và có mục đích không nhất định.

Các máy tính có mục đích đặc biệt

Các máy tính có mục đích đặc biệt (special-purpose computer) đã được phổ biến trong thập niên 1930 và đầu thập niên 1940 nhưng vẫn chưa bị thay thế hoàn toàn bởi các máy tính có mục đích không nhất định. Sự giảm xuống về kích thước và giá cả cũng như sự tăng năng lực của chúng đã khiến việc sử dụng máy tính có mục đích đặc biệt trong các ứng dụng đặc biệt trở thành một hiệu quả tốt về mặt chi phí. Rất nhiều các thiết bị dùng tại nhà và trong công nghiệp như điện thoại di động, máy thâu video, hệ thống đánh lửa tự động v.v có chứa loại máy tính có mục đích đặc biệt này. Trong một số trường hợp các máy tính này là loại Turing hoàn tất (như máy chơi trò chơi điện tử, PDA) nhưng rất nhiều trong số chúng được lập trình một lần tại nhà máy sản xuất và rất ít khi phải lập trình lại. Chương trình mà các thiết bị này thực thi thông thường được lưu trữ trong bộ nhớ chỉ đọc (ROM) mà khi cần thiết có thể thay thế để thay đổi hoạt động của máy. Các máy tính được nhúng bên trong các thiết bị khác thông thường được gọi là vi điều khiển (microcontroller) hay máy tính nhúng (embedded computer).

Các máy tính có một mục đích

Các máy tính có một mục đích (single-purpose computer) là loại xuất hiện sớm nhất của thiết bị máy tính. Khi được cung cấp dữ liệu, nó có thể tính kết quả của một hàm đơn giản đã được thiết lập trong cơ chế của nó. Các máy tính có mục đích không nhất định gần như đã thay thế hoàn toàn các máy tính có một mục đích và, do đó, đã phát sinh một lĩnh vực hoạt động mới của loài người: phát triển phần mềm. Các máy tính có mục đích không nhất định cần phải được lập trình với một bộ chỉ thị liên quan đến phần mềm máy tính. Việc thiết kế các thiết bị tính toán có một mục đích hay có mục đích đặc biệt hiện nay là những bài tập khái niệm thuần túy bao gồm các phần mềm thiết kế.

Theo hình thức hoạt động

Máy tính có thể được phân loại tùy theo cách thức người dùng vận hành. Có hai loại chính: kiểu xử lý tuần tự (batch processing) và kiểu xử lý tương tác (interactive processing).

Các phần mềm và ứng dụng máy tính

Các máy tính điện tử dùng kỹ thuật số (digital computer) đầu tiên, với kích thước lớn và giá thành cao, phần lớn thực hiện các tính toán khoa học, thông thường để hỗ trợ các mục tiêu quân sự. ENIAC đầu tiên được thiết kế để tính toán các bảng đạn đạo cho pháo binh nhưng nó cũng được sử dụng để tính toán mật độ nơtron trên bình diện để hỗ trợ vào thiết kế bom khinh khí. Công việc tính toán này, xảy ra từ tháng 12 năm 1945 đến tháng 1 năm 1946 với hàng triệu thẻ đục lỗ, vạch ra rằng một thiết kế cho bom kinh khí đang được xem xét lúc đó sẽ không thành công. (Rất nhiều siêu máy tính hiện nay cũng được sử dụng để giả lập các vũ khí hạt nhân.) CSIR Mk I, chiếc máy tính có sẵn chương trình (stored-program computer) đầu tiên của Úc được sử dụng để lượng giá các mô hình mưa cho lưu vực các sông thuộc sơ đồ dãy núi Snowy, một dự án thủy điện lớn. Các máy khác được sử dụng trong việc phân tích mã hóa, ví dụ như chiếc máy tính với kỹ thuật số được lập trình đầu tiên trên thế giới (tuy không phải là máy tính có mục đích không nhất định) là Colossus, được lắp ráp trong Chiến tranh thế giới thứ hai. Bất chấp sự định hướng ban đầu cho các ứng dụng khoa học, máy tính đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác.
Trước tiên các máy tính có sẵn chương trình được sử dụng để giải quyết các vấn đề kinh doanh. LEO, máy tính có sẵn chương trình lắp ráp bởi công ty J. Lyons and Co tại Anh, đã hoạt động và được sử dụng để quản lý hàng tồn kho, cũng như các mục đích khác, cho 3 năm trước khi IBM lắp ráp chiếc máy tính có sẵn chương trình đầu tiên của họ. Việc giảm giá thành và kích thước của máy đã liên tục làm nó phù hợp cho những tổ chức nhỏ hơn. Với sự phát minh ra bộ vi xử lý trong thập niên 1970 thì việc lắp ráp máy tính rẻ tiền đã trở thành khả thi. Trong thập niên 1980 máy tính cá nhân trở lên phổ biến cho nhiều công việc từ kế toán, soạn thảo, in ấn tài liệu tới tính toán các dự báo và các công việc toán học lặp lại qua các bảng tính.

Internet

Trong thập niên 1970, các kỹ sư điện toán của các viện nghiên cứu trên khắp nước Mỹ bắt đầu liên kết máy tính của họ với nhau thông qua công nghệ của ngành liên lạc viễn thông. Những cố gắng này được ARPA hỗ trợ, và mạng máy tính mà nó cung cấp được gọi là ARPANET. Các công nghệ tạo ra Arpanet đã mở rộng và phát triển sau đó. Chẳng bao lâu, mạng máy tính mở rộng ra ngoài các viện khoa học và được biết đến như là Internet.
Trong thập niên 1990, việc phát triển của công nghệ World Wide Web đã làm cho ngay cả những người không chuyên nghiệp cũng có thể sử dụng internet. Nó phát triển nhanh đến mức đã trở thành phương tiện liên lạc toàn cầu như ngày nay.

Kiến trúc

Các máy tính hiện đại ghép chung ALU và đơn vị kiểm soát vào trong một IC gọi là đơn vị xử lý trung tâm hay CPU. Thông thường, bộ nhớ máy tính nằm trong một số IC nhỏ gần CPU. Phần lớn trọng lượng máy tính là các bộ phận phụ thuộc như hệ thống cung cấp điện hay các thiết bị đầu/cuối (I/O).
Một số máy tính lớn khác biệt với mô hình trên ở điểm chính sau - chúng có nhiều CPU và đơn vị kiểm soát hoạt động đồng bộ. Ngoài ra, một số máy tính, sử dụng chủ yếu trong nghiên cứu và tính toán khoa học, khác biệt rất đáng kể với mô hình trên, nhưng chúng ít có ứng dụng thương mại vì mô hình lập trình chúng vẫn chưa được chuẩn hóa.
Vì vậy, hoạt động của máy tính thì không phức tạp trên nguyên lý. Thông thường, trong mỗi nhịp đồng hồ, máy tính sẽ nhận được các chỉ thị và dữ liệu từ bộ nhớ của nó. Các chỉ thị được thực thi, kết quả được lưu lại và chỉ thị tiếp theo được nhận về. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi gặp chỉ thị dừng.