Kiến trúc máy tính là việc thiết kế và tổ chức các thành phần và hệ thống cốt lõi của máy tính. Điều này bao gồm bộ xử lý, bộ nhớ, thiết bị đầu vào/đầu ra và phần mềm điều khiển chúng. Hiểu kiến trúc máy tính có thể giúp chúng ta đánh giá cao cách thức hoạt động của máy tính và thực hiện các tác vụ khác nhau.
Một hệ thống máy tính có thể được chia thành ba thành phần chính: Bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ và các thiết bị đầu vào/đầu ra (I/O). CPU hoạt động như bộ não của máy tính, thực hiện các lệnh từ chương trình. Bộ nhớ lưu trữ tạm thời các hướng dẫn và dữ liệu này để truy cập nhanh, trong khi các thiết bị I/O tạo điều kiện tương tác giữa máy tính và thế giới bên ngoài, chẳng hạn như bàn phím, chuột, màn hình và máy in.
CPU là trái tim của kiến trúc máy tính. Nó chịu trách nhiệm thực thi các hướng dẫn từ ứng dụng phần mềm, thực hiện tính toán và quản lý luồng dữ liệu trong máy tính. Hiệu suất của CPU phụ thuộc vào tốc độ xung nhịp của nó, được đo bằng Hertz (Hz) và số lõi mà nó chứa. Tốc độ xung nhịp cao hơn và nhiều lõi hơn thường có nghĩa là hiệu suất nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Bộ nhớ trong máy tính được tổ chức theo thứ bậc để đạt hiệu quả. Trên cùng là bộ đệm, một loại bộ nhớ nhỏ nhưng nhanh, lưu trữ các bản sao của dữ liệu được truy cập thường xuyên từ bộ nhớ chính (RAM). RAM truy cập nhanh hơn các thiết bị lưu trữ như Ổ đĩa cứng (HDD) hoặc Ổ đĩa thể rắn (SSD) nhưng không ổn định, nghĩa là nó không giữ lại dữ liệu khi tắt nguồn. Ổ cứng HDD và SSD cung cấp khả năng lưu trữ ổn định, lưu giữ dữ liệu ngay cả khi máy tính tắt, nhưng chúng truy cập chậm hơn RAM.
Các thiết bị I/O cho phép máy tính giao tiếp với môi trường bên ngoài. Các thiết bị đầu vào như bàn phím và chuột cho phép người dùng cung cấp thông tin cho máy tính. Các thiết bị đầu ra, chẳng hạn như màn hình và máy in, trình bày thông tin cho người dùng. Một số thiết bị, như ổ flash USB, có thể phục vụ cả hai chức năng. Các máy tính hiện đại cũng bao gồm các thiết bị mạng cho phép kết nối Internet và các máy tính khác.
Kiến trúc Von Neumann là một khái niệm nền tảng trong khoa học máy tính. Nó mô tả một hệ thống trong đó CPU của máy tính hoạt động bằng cách đọc hướng dẫn của nó từ bộ nhớ. Kiến trúc này bao gồm bốn hệ thống con chính: đơn vị logic số học (ALU), đơn vị điều khiển, bộ nhớ và giao diện đầu vào/đầu ra. ALU thực hiện các phép tính toán học và các phép toán logic, trong khi bộ điều khiển diễn giải các hướng dẫn từ bộ nhớ và ra lệnh cho hoạt động của ALU.
ISA là một phần của kiến trúc máy tính mà người lập trình hoặc người viết trình biên dịch có thể nhìn thấy được. Nó đóng vai trò là ranh giới giữa phần mềm và phần cứng, xác định mã máy mà bộ xử lý có thể thực thi. ISA chỉ định các hướng dẫn, thanh ghi, kiểu dữ liệu, chế độ địa chỉ và kiến trúc bộ nhớ của CPU. Việc một kiến trúc là RISC (Tính toán tập lệnh rút gọn) hay CISC (Tính toán tập lệnh phức tạp) đều ảnh hưởng đến các đặc tính hiệu suất và thiết kế của nó.
Tính toán song song liên quan đến việc chia một vấn đề thành các phần có thể giải quyết đồng thời, sử dụng nhiều yếu tố xử lý. Cách tiếp cận này có thể tăng tốc đáng kể các tác vụ tính toán so với xử lý nối tiếp. Bộ xử lý đa lõi, chứa hai hoặc nhiều lõi (hoặc CPU) độc lập trong một gói vật lý duy nhất, được thiết kế để cải thiện hiệu suất thông qua tính song song. Mỗi lõi trong bộ xử lý đa lõi có thể thực hiện các lệnh đồng thời, cho phép thực hiện đa nhiệm và xử lý các ứng dụng phức tạp một cách hiệu quả.
Trong các hệ thống có nhiều CPU hoặc lõi, tính nhất quán của bộ đệm là rất quan trọng để đảm bảo rằng sự thay đổi dữ liệu trong một bộ đệm sẽ được phản ánh ngay lập tức ở các bộ đệm khác. Điều này rất quan trọng trong môi trường đa xử lý, trong đó một số bộ xử lý có thể cần truy cập vào cùng một vị trí bộ nhớ. Các giao thức kết hợp bộ đệm, chẳng hạn như MESI (Đã sửa đổi, Độc quyền, Chia sẻ, Không hợp lệ), được sử dụng để duy trì tính nhất quán trên các bộ đệm trong hệ thống đa lõi.
Kiến trúc máy tính là một lĩnh vực rộng lớn bao gồm thiết kế, chức năng và hiệu quả của các thành phần và hệ thống máy tính. Hiểu các khái niệm chính của nó, chẳng hạn như hoạt động của CPU, phân cấp bộ nhớ, thiết bị I/O, kiến trúc Von Neumann, ISA và xử lý song song, có thể cung cấp những hiểu biết sâu sắc có giá trị về cách máy tính xử lý thông tin và thực hiện các tác vụ. Khi công nghệ tiến bộ, độ phức tạp và khả năng của kiến trúc máy tính cũng tăng theo, thúc đẩy sự đổi mới về hiệu suất và ứng dụng điện toán.
