Thiết bị phần cứng của máy tính

Phần cứng máy tính, hay còn gọi là phần cứng (tiếng Anh: hardware), chỉ các bộ phận vật lý của hệ thống máy tính, bao gồm màn hình, chuột, bàn phím, máy in, máy quét, vỏ máy tính, bộ nguồn, bộ vi xử lý CPU, bo mạch chủ, các dây cáp, cũng như các thiết bị ngoại vi như loa, ổ đĩa mềm, ổ cứng, ổ CDROM, ổ DVD, card đồ họa VGA, card wifi, card âm thanh, bộ phận tản nhiệt, và bất kỳ yếu tố vật lý nào khác liên quan đến phần cứng.

Ngược lại, phần mềm là các hướng dẫn có thể được lưu trữ và thực thi bởi phần cứng. Phần cứng được coi là 'cứng' do khó thay đổi hay sửa đổi, trong khi phần mềm 'mềm' vì dễ dàng cập nhật hoặc thay đổi. Firmware là phần mềm kết hợp chặt chẽ với phần cứng cụ thể của hệ thống máy tính, khó thay đổi nhưng rất ổn định về tính nhất quán của giao diện. Sự phát triển từ 'cứng' đến 'mềm' trong các hệ thống máy tính phản ánh sự tiến hóa của các lớp trừu tượng trong điện toán.

Phần cứng thường được điều khiển bởi phần mềm để thực hiện các lệnh. Một hệ thống máy tính hoạt động được là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm, mặc dù cũng có những hệ thống chỉ bao gồm phần cứng mà vẫn có thể hoạt động.

Thuật ngữ phần cứng cũng được áp dụng cho các thiết bị khác như robot, điện thoại di động, máy ảnh, máy nghe nhạc kỹ thuật số, và nhiều thiết bị điện tử khác. Những thiết bị này không chỉ xử lý dữ liệu mà còn có phần sụn và/hoặc phần mềm bên cạnh phần cứng.

Lịch sử phần cứng máy tính có thể được chia thành bốn thế hệ, mỗi thế hệ đặc trưng bởi những bước tiến công nghệ quan trọng. Có thể phân loại phần cứng thành hai loại: chính yếu, cần thiết cho hoạt động cơ bản của thiết bị, và phụ trợ, thực hiện các chức năng bổ sung.

Lịch sử

Sự tiến hóa của phần cứng máy tính điện tử được phân thành các thế hệ, mỗi thế hệ phản ánh một bước tiến công nghệ nổi bật. Các thế hệ đầu tiên có sự thay đổi mạnh mẽ trong phần cứng, với các thành phần thiết yếu của máy tính được thay thế hoàn toàn trong ba thế hệ đầu. Gần đây, sự phân biệt giữa các thế hệ mới trở nên khó khăn hơn do những thay đổi dần dần và liên tục trong công nghệ. Cơ bản có thể phân biệt như sau:

• Thế hệ 1 (1945-1956): thiết bị điện tử sử dụng đèn điện tử chân không. Đây là những máy tính đầu tiên thay thế các thành phần cơ điện (rơle) bằng công nghệ điện tử.
• Thế hệ 2 (1957-1963): thiết bị điện tử được cải tiến với bóng bán dẫn. Logic rời rạc gần giống với trước đó nhưng với kích thước nhỏ hơn nhiều, giảm đáng kể kích thước máy tính.
• Thế hệ 3 (1964-nay): thiết bị điện tử dựa trên mạch tích hợp, cho phép tích hợp hàng trăm bóng bán dẫn và linh kiện khác vào một mạch duy nhất trên tấm wafer silicon. Điều này giúp giảm chi phí, mức tiêu thụ và kích thước, đồng thời tăng cường công suất, tốc độ và độ tin cậy của máy tính hiện đại.
• Thế hệ 4 (tương lai): có thể xuất hiện khi các mạch silicon tích hợp quy mô lớn được thay thế bằng vật liệu hoặc công nghệ mới.

Sự ra đời của bộ vi xử lý đánh dấu một bước ngoặt quan trọng và được nhiều nhà nghiên cứu xem là sự khởi đầu của thế hệ thứ tư. Khác với những thay đổi công nghệ trước đây, sự phát minh này không làm mất hoàn toàn các máy tính không sử dụng bộ vi xử lý. Ví dụ, mặc dù bộ vi xử lý 4004 được giới thiệu vào năm 1971, nhưng đến đầu những năm 1980, vẫn có những máy tính như PDP-11/44 sử dụng bộ vi xử lý logic này và tiếp tục thành công trên thị trường, cho thấy sự chuyển đổi diễn ra từ từ.

Một cột mốc công nghệ khác thường được nhắc đến để xác định sự khởi đầu của thế hệ thứ tư là sự xuất hiện của các mạch tích hợp VLSI (very large scale integration) vào đầu những năm 1980. Tương tự như bộ vi xử lý, điều này không đồng nghĩa với việc ngay lập tức thay thế và loại bỏ các máy tính sử dụng mạch tích hợp quy mô nhỏ hơn. Nhiều thiết bị sử dụng công nghệ VLSI và MSI (tích hợp quy mô trung bình) vẫn tiếp tục hoạt động hiệu quả cho đến những năm 1990.

Kiến trúc Von Neumann

Kiến trúc Von Neumann, được giới thiệu trong bài báo năm 1945 của nhà toán học Hungary John von Neumann, là nền tảng cho tất cả các máy tính hiện đại. Kiến trúc này mô tả cấu trúc của một máy tính điện tử kỹ thuật số với các phần của đơn vị xử lý gồm đơn vị logic số học và các thanh ghi, đơn vị điều khiển với thanh ghi lệnh và bộ đếm chương trình, bộ nhớ để lưu trữ dữ liệu và lệnh, bộ nhớ ngoài, và các cơ chế đầu vào và đầu ra. Thuật ngữ này phát triển để chỉ một máy tính chương trình lưu trữ, nơi các lệnh và dữ liệu có thể được truy cập đồng thời thông qua một bus chung, hiện tượng này được gọi là nút cổ chai Von Neumann và thường ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

Phân loại phần cứng

Máy tính cá nhân

Máy tính cá nhân, hay còn gọi là PC, là loại máy tính phổ biến nhờ tính linh hoạt và chi phí hợp lý. Máy tính xách tay thường tương tự như máy tính để bàn nhưng có thể sử dụng các thành phần nhỏ hơn hoặc giảm kích thước, dẫn đến hiệu suất thấp hơn.

Vỏ máy tính bao bọc hầu hết các thành phần của hệ thống, cung cấp sự hỗ trợ và bảo vệ cơ học cho các bộ phận bên trong như bo mạch chủ, ổ đĩa và bộ nguồn, đồng thời quản lý luồng không khí làm mát qua các linh kiện. Nó cũng giúp kiểm soát nhiễu điện từ phát ra từ máy tính và bảo vệ các bộ phận khỏi sự phóng tĩnh điện. Vỏ tháp lớn thường có nhiều không gian hơn cho ổ đĩa hoặc thiết bị ngoại vi và thường đặt trên sàn, trong khi vỏ desktop cung cấp ít không gian hơn. Các thiết kế all-in-one như iMac của Apple tích hợp màn hình vào cùng một vỏ. Máy tính xách tay và thiết bị di động cần vỏ bảo vệ chống va đập. Một xu hướng hiện tại là bàn phím có thể tháo rời trên máy tính xách tay, biến hệ thống thành máy tính bảng màn hình cảm ứng. Người dùng có thể tùy chỉnh vỏ máy bằng đèn LED, sơn hoặc các tính năng khác trong một quá trình gọi là độ vỏ.

Bộ cấp nguồn (PSU) chuyển đổi điện xoay chiều (AC) thành điện một chiều (DC) với điện áp thấp cho các linh kiện bên trong máy tính. Máy tính xách tay thường có khả năng hoạt động bằng pin tích hợp trong một khoảng thời gian nhất định.

Bo mạch chủ, hay motherboard, là phần cốt lõi của máy tính. Đây là một bảng mạch tích hợp kết nối các thành phần khác của máy tính như CPU, RAM, ổ đĩa (CD, DVD, ổ cứng,...) và các thiết bị ngoại vi qua các cổng hoặc khe cắm mở rộng.

Các thành phần được gắn trực tiếp vào bo mạch chủ hoặc là một phần của nó bao gồm:

• CPU (Bộ xử lý trung tâm), thực hiện hầu hết các phép toán cần thiết cho hoạt động của máy tính và thường được gọi là bộ não của máy tính. CPU thường được làm mát bằng tản nhiệt và quạt hoặc hệ thống làm mát bằng nước. Các CPU mới thường tích hợp đơn vị xử lý đồ họa (GPU). Tốc độ xung nhịp của CPU, đo bằng GHz, ảnh hưởng đến tốc độ thực thi lệnh và thường dao động từ 1 GHz đến 5 GHz. Các máy tính hiện đại thường hỗ trợ ép xung CPU để tăng hiệu suất, điều này cũng yêu cầu cải thiện hệ thống làm mát.
• Chipset, bao gồm cầu bắc, làm cầu nối giữa CPU và các thành phần khác của hệ thống, bao gồm bộ nhớ chính.
• Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), lưu trữ mã và dữ liệu mà CPU đang xử lý. Ví dụ, khi mở trình duyệt web, dữ liệu được lưu trong RAM cho đến khi trình duyệt đóng. RAM thường có trên DIMM với các kích cỡ 2GB, 4GB và 8GB, nhưng có thể lớn hơn nhiều.
• Bộ nhớ chỉ đọc (ROM), lưu trữ BIOS, phần mềm khởi động máy tính khi bật lên hoặc bắt đầu quá trình khởi động. BIOS (Basic Input Output System) bao gồm phần mềm khởi động và quản lý nguồn. Các bo mạch chủ hiện đại thường sử dụng Unified Extensible Firmware Interface (UEFI) thay cho BIOS cũ.
• Bus kết nối CPU với các thành phần nội bộ khác và card mở rộng cho đồ họa và âm thanh.
• Pin CMOS, cung cấp năng lượng cho bộ nhớ ngày và giờ trong chip BIOS. Thông thường, đây là pin đồng hồ.
• Card đồ họa, xử lý các tác vụ đồ họa máy tính. Các card đồ họa mạnh mẽ hơn phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao như chơi game video chuyên sâu.

Máy tính lớn

Máy tính lớn là những hệ thống máy tính có kích thước rất lớn, thường chiếm một phòng và có giá thành cao gấp hàng trăm hoặc hàng nghìn lần so với máy tính cá nhân. Chúng được thiết kế để xử lý khối lượng tính toán lớn cho các cơ quan chính phủ và các tập đoàn lớn.

Dựa trên chức năng và cách hoạt động, phần cứng máy tính có thể được phân chia thành các loại sau:

• Nhập hay đầu vào (input): Các thiết bị thu thập dữ liệu hoặc lệnh như bàn phím, chuột, v.v.
• Xuất hay đầu ra (output): Các thiết bị truyền đạt, phát tín hiệu hoặc thực hiện lệnh ra ngoài như màn hình, máy in, loa, v.v.

Ngoài những bộ phận đã nêu, còn có những khái niệm quan trọng khác liên quan đến phần cứng máy tính như sau:

• Bus: Kênh truyền dữ liệu giữa các thiết bị phần cứng.
• BIOS (Basic Input Output System): Hệ thống khởi động cơ bản, thực hiện kiểm tra, thiết lập các lệnh cơ bản cho phần cứng và chuyển quyền điều khiển cho hệ điều hành.
• CPU: Bộ xử lý trung tâm điều khiển toàn bộ hoạt động của máy tính.
• Kho lưu trữ dữ liệu: Nơi lưu giữ, cung cấp và thu nhận dữ liệu.
• Các loại chip hỗ trợ: Các con chip trên bo mạch chủ hoặc thiết bị ngoại vi giúp điều khiển thiết bị và giao tiếp với hệ điều hành qua bộ điều khiển hoặc phần sụn (Firmware).
• Bộ nhớ: Thiết bị trên bo mạch chủ có nhiệm vụ cung cấp lệnh cho CPU và dữ liệu từ các bộ phận như BIOS, phần mềm, kho lưu trữ, chuột, đồng thời truyền tải kết quả tính toán và dữ liệu đã xử lý đến các bộ phận khác.
• Các cổng vào/ra: Các giao diện kết nối với thiết bị ngoại vi.

• Máy tính
• Kiến trúc máy tính
• Lịch sử phần cứng máy tính
• Danh sách các nhà sản xuất máy tính

Liên kết tham khảo