Máy tính và lịch sử phát triển

Máy tính và lịch sử phát triển Máy tính, cũng gọi là máy vi tính, là những thiết bị hay hệ thống dùng để tính toán hay kiểm soát các hoạt động mà có thể biểu diễn dưới dạng số hay quy luật lôgic. Máy tính được lắp ghép bởi các thành phần có thể thực hiện các chức năng đơn giản đã định nghĩa trước. Quá trình tác động tương hỗ phức tạp của các thành phần này tạo cho máy tính một khả năng xử lý thông tin. Nếu được thiết lập chính xác (thông thường bởi các chương trình máy tính) máy tính có thể mô phỏng lại một số khía cạnh của một vấn đề hay của một hệ thống. Trong trường hợp này khi được cung cấp một bộ dữ liệu thích hợp nó có thể tự động giải quyết vấn đề hay dự đoán trước sự thay đổi của hệ thống.Khoa học nghiên cứu về lý thuyết, thiết kế và ứng dụng của máy tính được gọi là khoa học máy tính, hay khoa học điện toán.Từ "máy tính" (computers), đầu tiên, được dùng cho những người tính toán số học, có hoặc không có sự trợ giúp của máy móc, nhưng hiện nay nó có nghĩa là máy móc hoàn toàn. Đầu tiên máy tính chỉ giải các bài toán số học, nhưng các máy tính hiện đại làm được nhiều hơn thế. Máy tính có thể mua ở Anh đầu tiên là máy Ferrani star theo đề cương "bé." Các nguyên lý cơ bản Máy tính có thể làm việc thông qua sự chuyển động của các bộ phận cơ khí, 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 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 (electron) có thể được sử dụng để mô hình hóa sự chuyển động của nước trong đập. Các 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 Bool (Boolean algebra).Các mạch điện tử được sử dụng để mô tả các phép tính Bool. 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, 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, .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 mầu và đường thẳng đã lập trình trước, rồi sau đó nó được chuyển đổi thành các mẫu tùy ý của ánh sáng bởi thiết bị đầu ra. Chỉ có bộ não của con người nhận thức được các mẫu 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 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. Sự phát triển lũy thừa của công nghệ máy tính 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 mô 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. Chúng 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. Ngược lại, các máy tính ngày nay có nhiều sức mạnh hơn, rẻ tiền hơn, có kích thước nhỏ hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn và phổ biến ở mọi nơi. Phân loại máy tính Các phần dưới đây mô tả các xu hướng khác nhau trong sự phân loại các máy tính. Theo mục đích sử dụng * Siêu máy tính * Siêu máy tính cỡ nhỏ * Mainframe * Máy chủ doanh nghiệp * Máy tính mini * Máy trạm (workstation) * Máy tính cá nhân (PC) o Máy tính để bàn (Desktop) o Máy tính xách tay (Laptop) o Máy tính bảng con o Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân (PDA) o Máy tính tháo lắp Điểm yếu của xu hướng phân loại này là tính chất mơ hồ của nó. Nó thường được sử dụng trong sự phân loại tại một thời điểm nào đó trong sự phát triển của ngành công nghiệp máy tính. Sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp này đã làm cho định nghĩa trên nhanh chóng trở lên lạc hậu. Rất nhiều loại máy tính hiện nay không được còn sử dụng nữa, như máy phân tích vi phân (differential analyzer), không được đưa vào danh sách này. Các sơ đồ phân loại khác cần được đề ra để định nghĩa thuật ngữ máy tính một cách ít, hoặc không, mơ hồ hơn. 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 relay cơ-điện đã được giới thiệu vào máy tính từ ngành công nghiệp liên lạc viễn thông và trong thập niên 1940 những chiếc máy tính thuần túy điện tử đã được chế tạo từ những bóng điện tử. Trong hai thập niên 1950 và thập niên 1960 bóng điện tử dần dà được thay thế bởi bóng bán dẫn, 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 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 các yêu cầu cần thiết trong các cơ cấu kỹ thuật phức tạp của các máy tính sử dụng các 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 chỉnh 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 đã được đơn giản hóa một cách đáng kể với việc áp dụng các phép tính số học theo hệ đếm nhị phân để nó 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. Theo năng lực sử dụng Có lẽ cách tốt nhất để phân loại các thiết bị máy tính là theo năng lực nội tại của nó hơn là theo việc sử dụng, sự hoàn thiện công nghệ hay các đặc trưng thiết kế. Máy tính có thể chia làm ba dạng chính dựa theo năng lực sử dụng: * Các thiết bị có một mục đích chỉ có thể thực hiện duy nhất một chức năng (ví dụ cỗ máy Antikythera năm 87 trước công lịch, và máy dự báo thủy triều của Lord Kelvin năm 1876) * Các thiết bị có mục đích đặc biệt có thể thực hiện một số chức năng hữu hạn (ví dụ động cơ vi phân số 1. - Difference Engine No 1 - của Charles Babbage năm 1832 và máy phân tích vi phân của Vannevar Bush năm 1932) * Các thiết bị có mục đích không nhất định là các dạng máy tính sử dụng ngày nay. Các máy tính có mục đích không nhất định Theo định nghĩa thì một máy tính có mục đích không nhất định (general-purpose computer) có thể giải quyết bất kỳ vấn đề nào có thể biểu diễn bởi một chương trình và thực thi trong các giới hạn tạo bởi: khả năng lưu trữ của máy, kích thước của chương trình, tốc độ thực thi chương trình và độ tin cậy của máy tính. Năm 1934 Alan Turing chứng minh rằng, nếu được cung cấp một chương trình đúng, bất kỳ máy tính có mục đích không nhất định nào cũng có thể có hành vi như những máy tính khác. Chứng minh toán học này là hoàn toàn lý thuyết vì khi đó chưa có máy tính có mục đích không nhất định nào cả. Hệ quả của chứng minh này thật sâu sắc, ví dụ: bất kỳ một máy tính có mục đích không nhất định nào hiện nay đều có khả năng như những máy tính có mục đích không nhất định trong tương lai, mặc dù chậm hơn.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 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, mô 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 các khó khăn kỹ thuật trong việc hoàn thiện độ tin cậy của bộ nhớ. Các viện nghiên cứu khác từ bản sao của thiết kế này 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: * Manchester Mk I nguyên mẫu (Baby) Đại học Manchester, Anh 21 tháng 6, 1948. * EDSAC Đại học Cambridge, Anh 6 tháng 5, 1949. * BINAC Mỹ, tháng 4 1949 hoặc tháng 8, 1949. * CSIR Mk 1 Úc tháng 11, 1949. * SEAC, Mỹ, 9 tháng 5, 1950. 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 làm việc sử dụng máy tính có mục đích đặc biệt trong các ứng dụng đặc biệt thành một hiệu quả tốt về mặt chi phí. Rất nhiều các thiết bị dùng tại nhà và 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 của 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 bộ vi điều chỉnh (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 - việc 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 hành động mà chúng được yêu cầu thực hiện và các chỉ thị này được biết đến một cách tổng quát như là 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 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, 1945 đến tháng 1, 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 Đệ nhị thế chiến. 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. Phương thức hoạt động Trong khi các công nghệ sử dụng trong máy tính không ngừng thay đổi kể từ những chiếc máy tính có mục đích không nhất định đầu tiên của thập niên 1940 (Xem Lịch sử phần cứng máy tính) thì phần lớn các máy tính vẫn còn sử dụng kiến trúc Von Neumann.Kiến trúc Von Neumann chia máy tính ra làm bốn bộ phận chính: đơn vị số học và lôgic (ALU), đơn vị kiểm soát, bộ nhớ và các thiết bị đầu/cuối (I/O). Các bộ phận này được kết nối với nhau bằng hàng đống dây điện (bus) và thông thường được điều chỉnh bởi bộ đếm thời gian hay đồng hồ (mặc dù các sự kiện khác cũng có thể điều chỉnh đơn vị kiểm soát). Bộ nhớ Trong hệ thống này bộ nhớ là sự nối tiếp của các ô đánh số thứ tự, mỗi ô chứa một phần nhỏ của thông tin. Thông tin có thể là chỉ thị cho máy tính. Mỗi ô cũng có thể chứa dữ liệu mà máy tính cần để thi hành chỉ thị. Nội dung của một ô nhớ có thể thay đổi ở bất kỳ thời điểm nào.Kích thước một ô nhớ cũng như số lượng ô nhớ thay đổi theo từng máy tính giống như công nghệ sử dụng trong việc chế tạo bộ nhớ, từ relay cơ-điện tới ống chứa thủy ngân, từ băng từ tới transistor hay IC. Bộ xử lý (CPU) Đơn vị lôgic và số học, (tiếng Anh viết tắt ALU), là thiết bị thực hiện các phép tính cơ bản như các phép tính số học (cộng, trừ, nhân, chia, v.v), các phép tính lôgic (AND, OR, NOT, v.v) cũng như các phép so sánh (ví dụ: so sánh nội dung của hai byte xem có bằng nhau). Đơn vị này là nơi mà các "công việc thực sự" được thực thi.Đơn vị kiểm soát theo dõi các byte trong bộ nhớ có chứa chỉ thị để máy tính thực thi, cung cấp cho ALU một chỉ thị cần phải thực thi cũng như chuyển kết quả thu được tới các vị trí thích hợp trong bộ nhớ. Sau khi điều đó diễn ra, đơn vị kiểm soát chuyển tới chỉ thị kế tiếp (thông thường nằm tại địa chỉ ngay sau), nếu không thì chỉ thị sẽ là chỉ thị nhảy thông báo cho máy tính là chỉ thị tiếp theo nằm tại một địa chỉ khác. Khi tham chiếu tới bộ nhớ, chỉ thị hiện thời có thể sử dụng một số phương thức đánh địa chỉ (addressing mode) để xác định địa chỉ liên quan trong bộ nhớ. Một số bo mạch chủ trong máy tính có thể gắn được hai hay nhiều bộ xử lý. Các loại máy tính phục vụ thường có hai hay nhiều bộ xử lý. Thiết bị đầu/cuối (I/O) Thiết bị đầu/cuối (còn gọi là thiết bị vào/ra) cho phép máy tính thu nhận thông tin từ bên ngoài và gửi kết quả công việc của nó ngược trở lại. Có rất nhiều chủng loại thiết bị đầu cuối như bàn phím, màn hình, ổ đĩa mềm, máy in, ổ USB, ổ cứng di động tới những thiết bị không thông dụng như webcam.Công việc của thiết bị đầu vào (input) là mã hóa (chuyển đổi) thông tin từ nhiều định dạng sang dạng dữ liệu mà máy tính có thể xử lý tiếp. Các thiết bị đầu ra (output) thì ngược lại, thực hiện công việc giải mã dữ liệu thành thông tin mà người sử dụng có thể hiểu được. Với ý nghĩa này thì hệ thống máy tính có thể coi như một hệ thống xử lý dữ liệu. Các chỉ thị Tập hợp các ngôn ngữ dùng cho chỉ thị của máy tính thì không nhiều như ngôn ngữ của con người. Máy tính có một tập hợp hữu hạn gồm các chỉ thị đơn giản đã được định nghĩa trước. Nó chỉ có thể thực thi hai nhiệm vụ là đếm và so sánh. Các loại chỉ thị điển hình mà phần lớn máy tính có thể hỗ trợ, chuyển sang ngôn ngữ con người, là "sao chép nội dung ô 123, đặt bản sao đó vào ô 456", "thêm nội dung của ô 666 vào nội dung ô 042, đưa kết quả vào ô 013", "nếu kết quả của ô 999 là 0, chỉ thị tiếp theo nằm tại ô 345" .Các chỉ thị trong máy tính tương ứng với mã trong hệ nhị phân - hệ đếm cơ số 2. Ví dụ mã của chỉ thị sao chép ("copy") có thể là 001. Tập hợp các chỉ thị mà một máy tính hỗ trợ được gọi là ngôn ngữ máy của máy tính. Trong thực tế, người ta thông thường không viết các chỉ thị cho máy tính bằng ngôn ngữ máy mà sử dụng các ngôn ngữ lập trình "bậc cao" để sau đó chúng được dịch sang ngôn ngữ máy một cách tự động bởi các chương trình máy tính đặc biệt (trình thông dịch (interpreter) và trình biên dịch (compiler)). Một số ngôn ngữ lập trình rất gần với ngôn ngữ máy như assembler gọi là ngôn ngữ bậc thấp; ngược lại các ngôn ngữ lập trình như Prolog, Basic, Delphi . dựa trên các nguyên lý trừu tượng rất xa với hoạt động thực sự của máy gọi là ngôn ngữ bậc cao. 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. Chương trình Chương trình máy tính đơn giản chỉ là một danh sách các chỉ thị để máy tính thực thi, có thể với các bảng dữ liệu. Rất nhiều chương trình máy tính chứa hàng triệu chỉ thị và rất nhiều chỉ thị được lặp đi lặp lại. Một chiếc máy tính thông thường ngày nay (năm 2003) có thể thực hiện 2-3 tỷ chỉ thị trong một giây. Máy tính không có các khả năng đặc biệt thông qua việc thực thi các chỉ thị phức tạp mà cơ bản là nó chỉ thực thi các chỉ thị đơn giản do lập trình viên đưa ra. Một số lập trình viên giỏi phát triển các tập hợp chỉ thị dùng cho một số công việc chung (như vẽ một điểm trên màn hình) và cung cấp các tập hợp chỉ thị đó cho các lập trình viên khác. Một số lập trình viên khác chỉ phát triển các ứng dụng thực tế dựa trên các nền tảng mà các lập trình viên kia cung cấp cho họ.Hiện nay, phần lớn máy tính có thể thực hiện cùng một lúc vài chương trình. Điều này được gọi là đa nhiệm (multitasking). Trên thực tế, CPU thực thi các chỉ thị của một chương trình, sau một khoảng thời gian ngắn, nó chuyển sang thực thi các chỉ thị của chương trình thứ hai v.v. Khoảng thời gian ngắn đó được xem như là sự phân chia thời gian của CPU và nó tạo ảo giác như là các chương trình được thực thi đồng thời. Điều này cũng tương tự như phim là sự chuyển động đơn giản của các ảnh kế tiếp nhau. Hệ điều hành là chương trình thông thường kiểm soát sự phân chia thời gian đó. Hệ điều hành Máy tính thường xuyên cần ít nhất một chương trình luôn luôn chạy để đảm bảo sự hoạt động của nó. Trong điều kiện hoạt động bình thường (đối với các máy tính tiêu chuẩn) chương trình này được gọi là hệ điều hành (operating system). Hệ điều hành sẽ quyết định chương trình nào được thi hành, khi nào và bao nhiêu tài nguyên (như bộ nhớ hay đầu vào/đầu ra) chúng được cấp. Hệ điều hành cũng cung cấp một lớp trừu tượng trên phần cứng và cho phép truy nhập bằng các dịch vụ cung cấp cho các chương trình khác, như mã ("driver") cho phép lập trình viên viết chương trình cho máy tính mà không cần thiết phải biết các chi tiết thuộc bản chất của các thiết bị điện tử đính kèm.Phần lớn các hệ điều hành có các lớp trừu tượng phần cứng đều có một giao diện người dùng (user interface) chuẩn hóa. Hệ điều hành phổ biến nhất hiện nay là các Windows . Máy tính và lịch sử phát triển Máy tính, cũng gọi là máy vi tính, là những thiết bị hay hệ thống dùng để tính toán hay kiểm soát. các máy tính. Theo mục đích sử dụng * Siêu máy tính * Siêu máy tính cỡ nhỏ * Mainframe * Máy chủ doanh nghiệp * Máy tính mini * Máy trạm (workstation) * Máy