Phần cứng máy tính

Phần cứng máy tính, hay đơn giản là phần cứng (tiếng Anh: hardware), đề cập đến các bộ phận vật lý hữu hình của một hệ thống máy tính; các thành phần điện, điện tử, cơ điện và cơ khí của nó như là^[1] màn hình, chuột, bàn phím, máy in, máy quét, vỏ máy tính, bộ nguồn, bộ vi xử lý CPU, bo mạch chủ^[2], các dây cáp, cũng như tủ hoặc hộp, các thiết bị ngoại vi của tất cả các loại, và bất kỳ yếu tố vật lý nào khác có liên quan, tạo nên phần cứng hoặc hỗ trợ vật lý ví dụ như loa, ổ đĩa mềm, ổ đĩa cứng, ổ CDROM, ổ DVD, card đồ họa VGA, card wifi, card âm thanh, bộ phận tản nhiệt,...

Ngược lại, phần mềm là hướng dẫn có thể được lưu trữ và chạy bằng phần cứng. Phần cứng được gọi là vì nó "cứng" hoặc cứng nhắc đối với các thay đổi hoặc sửa đổi; trong khi phần mềm thì "mềm" vì có thể dễ dàng cập nhật hoặc thay đổi. Trung gian giữa phần mềm và phần cứng là "firmware", đây là phần mềm được kết hợp chặt chẽ với phần cứng cụ thể của hệ thống máy tính và do đó khó thay đổi nhất nhưng cũng ổn định nhất về tính nhất quán của giao diện. Sự phát triển từ mức "độ cứng" sang "độ mềm" trong các hệ thống máy tính tương đương với sự tiến triển của các lớp trừu tượng trong điện toán.

Phần cứng thường được hướng dẫn bởi phần mềm để thực hiện bất kỳ lệnh hoặc lệnh nào. Một sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm tạo thành một hệ thống máy tính có thể sử dụng được, mặc dù các hệ thống khác tồn tại chỉ với các thành phần phần cứng.

Các ví dụ khác có thuật ngữ phần cứng được áp dụng, liên quan đến robot^[3]^[4] cũng như liên quan đến điện thoại di động, máy ảnh, máy nghe nhạc kỹ thuật số hoặc bất kỳ thiết bị điện tử nào khác. Khi các thiết bị này cũng xử lý dữ liệu, chúng có phần sụn và/hoặc phần mềm cũng như phần cứng.

Lịch sử của phần cứng máy tính có thể được phân thành bốn thế hệ, mỗi thế hệ được đặc trưng bởi một sự thay đổi quan trọng về công nghệ. Một phân định đầu tiên có thể được thực hiện giữa các phần cứng chính, chẳng hạn như rất cần thiết cho hoạt động bình thường của thiết bị và "bổ sung", như một phần cứng thực hiện các chức năng cụ thể.

Lịch sử

Sự phân loại tiến hóa của phần cứng máy tính điện tử được chia thành các thế hệ,trong đó mỗi thế hệ đại diện cho một sự thay đổi công nghệ đáng chú ý. Nguồn gốc của những thế hệ đầu tiên rất đơn giản để thiết lập, vì trong đó phần cứng đã trải qua những thay đổi căn bản.^[5] Các thành phần thiết yếu tạo nên thiết bị điện tử của máy tính đã được thay thế hoàn toàn trong ba thế hệ đầu tiên, gây ra những thay đổi siêu việt. Trong những thập kỷ qua, việc phân biệt các thế hệ mới khó khăn hơn, vì những thay đổi đã dần dần và có một sự liên tục nhất định trong các công nghệ được sử dụng. Về nguyên tắc, bạn có thể phân biệt:

Thế hệ 1 (1945-1956): thiết bị điện tử được thực hiện với đèn điện tử chân không. Chúng là những máy đầu tiên di chuyển các thành phần cơ điện (rơle).
Thế hệ thứ 2 (1957-1963): thiết bị điện tử được phát triển với bóng bán dẫn. Logic rời rạc rất giống với logic trước đó, nhưng việc thực hiện nhỏ hơn nhiều, làm giảm, trong số các yếu tố khác, kích thước của một máy tính ở quy mô đáng kể.
Thế hệ thứ 3 (1964-ngày nay): thiết bị điện tử dựa trên các mạch tích hợp. Công nghệ này cho phép tích hợp hàng trăm bóng bán dẫn và các linh kiện điện tử khác vào một mạch tích hợp duy nhất được in trên một tấm wafer silicon. Các máy tính đã giảm chi phí, mức tiêu thụ và kích thước đáng kể, tăng công suất, tốc độ và độ tin cậy để sản xuất các máy như những máy tồn tại ngày nay.
Thế hệ thứ 4 (tương lai): có thể sẽ bắt nguồn khi các mạch silicon, được tích hợp trên quy mô lớn, được thay thế bằng một loại vật liệu hoặc công nghệ mới.^[6]

Sự xuất hiện của bộ vi xử lý đánh dấu một mốc quan trọng và đối với nhiều tác giả, nó tạo thành sự khởi đầu của thế hệ thứ tư.^[7] Không giống như những thay đổi công nghệ trước đây, phát minh ra chúng không có nghĩa là sự biến mất hoàn toàn của các máy tính không sử dụng nó. Do đó, mặc dù bộ vi xử lý 4004 đã được tung ra thị trường vào năm 1971, nhưng vào đầu những năm 1980, đã có những máy tính, như PDP-11/44,^[8] dùng nó làm bộ vi xử lý logic tiếp tục thành công trên thị trường; đó là, trong trường hợp này sự dịch chuyển đã rất từ từ.

Một cột mốc công nghệ khác thường được sử dụng 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. Giống như bộ vi xử lý, điều đó không có nghĩa là sự thay đổi ngay lập tức và sự biến mất nhanh chóng của các máy tính dựa trên các mạch tích hợp ở quy mô tích hợp thấp hơn. Nhiều thiết bị được triển khai với công nghệ VLSI và MSI (tích hợp quy mô trung bình) vẫn cùng tồn tại thành công cho đến những năm 1990.

Kiến trúc Von Neumann

Mẫu cho tất cả các máy tính hiện đại là kiến trúc Von Neumann, được trình bày chi tiết trong bài báo năm 1945 của nhà toán học người Hungary John von Neumann. Phần này mô tả kiến trúc thiết kế cho một máy tính điện tử kỹ thuật số với các phân khu của đơn vị xử lý bao gồm một đơn vị logic số học và các thanh ghi bộ xử lý, một đơn vị điều khiển chứa một thanh ghi lệnh và bộ đếm chương trình, bộ nhớ để lưu trữ cả dữ liệu và lệnh, lưu trữ khối ngoài, và cơ chế đầu vào và đầu ra.^[9] Ý nghĩa của thuật ngữ đã phát triển có nghĩa là một máy tính chương trình được lưu trữ trong đó một lệnh tìm nạp và thao tác dữ liệu có thể xảy ra cùng một lúc vì chúng chia sẻ một bus chung. Điều này được gọi là nút cổ chai Von Neumann và thường giới hạn hiệu suất của hệ thống.^[10]

Phân loại phần cứng

Máy tính cá nhân

Máy tính cá nhân, còn được gọi là PC, là một trong những loại máy tính phổ biến nhất do tính linh hoạt và giá tương đối thấp. Máy tính xách tay nói chung rất giống nhau, mặc dù chúng có thể sử dụng các thành phần kích thước thấp hơn hoặc giảm kích thước, do đó hiệu suất thấp hơn.

Vỏ case

Vỏ máy tính bao quanh hầu hết các thành phần của hệ thống. Nó cung cấp hỗ trợ và bảo vệ cơ học cho các yếu tố bên trong như bo mạch chủ, ổ đĩa và nguồn điện, điều khiển và điều hướng luồng không khí làm mát qua các bộ phận bên trong. Vỏ máy cũng là một phần của hệ thống để kiểm soát nhiễu điện từ được bức xạ bởi máy tính và bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi sự phóng tĩnh điện. Vỏ tháp lớn cung cấp thêm không gian bên trong cho nhiều ổ đĩa hoặc các thiết bị ngoại vi khác và thường đứng trên sàn, trong khi desktop case cung cấp ít không gian hơn. Các thiết kế theo phong cách tất cả trong một của Apple, cụ thể là iMac và các loại tương tự, bao gồm một màn hình video được tích hợp trong cùng một vỏ. Máy tính cơ động và laptop yêu cầu các trường hợp cung cấp bảo vệ tác động cho thiết bị. Một sự phát triển hiện tại trong máy tính xách tay là một bàn phím có thể tháo rời, cho phép hệ thống được cấu hình như một máy tính bảng màn hình cảm ứng. Người dùng có thể trang trí các vỏ máy bằng đèn màu, sơn hoặc các tính năng khác, trong một hoạt động được gọi là sửa đổi trường hợp.

Bộ nguồn

Bộ cấp nguồn (PSU) chuyển đổi nguồn điện xoay chiều (AC) thành nguồn DC điện áp thấp cho các bộ phận bên trong của máy tính. Laptop có khả năng chạy từ pin tích hợp, thông thường trong một khoảng thời gian.^[11]

Motherboard

Motherboad hay bo mạch chủ là thành phần chính của máy tính.Nó là một bo mạch với mạch tích hợp kết nối các bộ phận khác của máy tính bao gồm CPU, the RAM, ổ đĩa (CD, DVD, ổ cứng,...) cũng như mọi thiết bị ngoại vi được kết nối qua cổng hoặc khe cắm mở rộng.

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

CPU (Bộ xử lý trung tâm), thực hiện hầu hết các tính toán cho phép máy tính hoạt động và đôi khi được gọi là bộ não của máy tính. Nó thường được làm mát bằng tản nhiệt và quạt, hoặc hệ thống làm mát bằng nước. Hầu hết các CPU mới hơn bao gồm một đơn vị xử lý đồ họa (GPU). Tốc độ xung nhịp của CPU chi phối tốc độ thực thi các lệnh và được đo bằng GHz; giá trị điển hình nằm giữa 1 GHz và 5 GHz. Nhiều máy tính hiện đại có tùy chọn ép xung CPU, giúp tăng hiệu năng với việc tạo nhiệt lớn hơn và do đó cần phải cải thiện hệ thống làm mát.
Chipset, bao gồm cầu bắc, làm trung gian giao tiếp giữa CPU và các thành phần khác của hệ thống, bao gồm cả bộ nhớ chính.
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), lưu trữ mã và dữ liệu đang được CPU truy cập tích cực. Ví dụ, khi một trình duyệt web được mở trên máy tính, nó sẽ chiếm bộ nhớ; cái này được lưu trong RAM cho đến khi đóng trình duyệt web. RAM thường có trên DIMM ở các kích cỡ 2GB, 4GB và 8GB, nhưng có thể lớn hơn nhiều.
Bộ nhớ chỉ đọc (ROM), lưu trữ BIOS chạy khi máy tính được bật hoặc bắt đầu thực thi, một quá trình được gọi là Bootstrapping hoặc hay "booting" hoặc "khởi động". The BIOS (Basic Input Output System) bao gồm phần mềm khởi động và phần mềm quản lý nguồn. Các bo mạch chủ mới hơn sử dụng Unified Extensible Firmware Interface (UEFI) thay cho BIOS đã lỗi thời.
Bus kết nối CPU với các thành phần bên trong khác nhau và đến card mở rộng cho đồ họa và ân thanh.
Pin CMOS,cung cấp năng lượng cho bộ nhớ theo ngày và thời gian trong chip BIOS. Pin này nói chung là pin đồng hồ.
Video card (còn được gọi là card đồ họa), xử lý đồ họa máy tính. Card đồ họa mạnh hơn phù hợp hơn để xử lý các tác vụ vất vả, chẳng hạn như chơi các trò chơi video chuyên sâu.

Máy tính lớn

Máy tính lớn là một máy tính lớn hơn nhiều, thường lấp đầy một căn phòng và có thể có giá gấp hàng trăm hoặc hàng nghìn lần so với máy tính cá nhân. Chúng được thiết kế để thực hiện số lượng lớn các tính toán cho chính phủ và các doanh nghiệp lớn.

Dựa trên chức năng và cách thức hoạt động người ta còn phân biệt phần cứng ra thành:

Nhập hay đầu vào (input): Các bộ phận thu nhập dữ liệu hay mệnh lệnh như là bàn phím, chuột...
Xuất hay đầu ra (output): Các bộ phận trả lời, phát tín hiệu, hay thực thi lệnh ra bên ngoài như là màn hình, máy in, loa,...

Ngoài các bộ phận nêu trên liên quan tới phần cứng của máy tính còn có các khái niệm quan trọng sau đây:

Bus: chuyển dữ liệu giữa các thiết bị phần cứng.
BIOS (Basic Input Output System): còn gọi là hệ thống xuất nhập cơ bản nhằm khởi động, kiểm tra, và cài đặt các mệnh lệnh cơ bản cho phần cứng và giao quyền điều khiển cho hệ điều hành
CPU: bộ phân vi xử lý điều khiển toàn bộ máy tính (vi xử lý trung tâm)
Kho lưu trữ dữ liệu: lưu giữ, cung cấp, thu nhận dữ liệu
Các loại chíp hỗ trợ: nằm bên trong bo mạch chủ hay nằm trong các thiết bị ngoại vi của máy tính các con chip quan trọng sẽ giữ vai trò điều khiển thiết bị và liên lạc với hệ điều hành qua bộ điều vận hay qua phần sụn (Firmware)
Bộ nhớ: là thiết bị bên trong bo mạch chủ giữ nhiệm vụ trung gian cung cấp các mệnh lệnh cho CPU và các dữ liệu từ các bộ phận như là BIOS, phần mềm, kho lưu trữ, chuột đồng thời tải về cho các bộ phận vừa kể kết quả các tính toán, các phép toán hay các dữ liệu đã/đang được xử lý
các cổng vào/ra