CPU là gì?

 CPU là bộ xử lý trung tâm xử lý các tín hiệu và giúp hoạt động điện toán trở nên khả thi. Bất kì thiết bị  nào thì CPU đóng vai trò như một bộ não . CPU tìm nạp hướng dẫn từ bộ nhớ, nó thực hiện hầu hết một số tác vụ cần thiết và gửi kết quả trở lại bộ nhớ. CPU xử lý tất cả các tác vụ điện toán cần thiết để chạy hệ điều hành và các ứng dụng.

Công nghệ CPU đã tiến bộ như thế nào theo thời gian?

Các máy tính đời đầu đa số dùng ống chân không để xử lý tác vụ. Một số máy như ENIAC và UNIVAC có kích thước khá to và cồng kềnh, nõ tiêu thụ khá nhiều năng lượng. Cuối năm 1940 với việc phát minh ra bóng bán dẫn để thay thế ống chân không. Nó đã cách mạng hóa công nghệ CPU. Giữa năm 1960, mạch tích hợp (IC) được phát triển nhờ vào sự kết hợp giữa bóng bán dẫn và các thành phần khác trên một chip máy tính duy nhất. CPU ngày càng trở nên nhỏ gọn và xử lý nhanh hơn, dẫn đến sự xuất hiện của bộ vi xử lý.

Tìm hiểu về chip máy tính

Bộ vi xử lý

Các bộ vi xử lý kết hợp toàn bộ CPU trên một chip IC duy nhất, giúp chúng ta dễ tiếp cận với máy tính hơn. Nó giúp cho sự phát triển của máy tính cá nhân ngày nay. Thời gian đầu, CPU có thể xử lý dữ liệu từ 16 đến 32 bit  cùng một lúc. Năm 2000 với sự xuất hiện của CPU 64 bit , cho phép địa chỉ hóa bộ nhớ lớn hơn và tốc độ xử lý dữ liệu chuyên sâu hơn.

Do mật độ bóng bán dẫn tăng lên, dẫn đến hiệu năng CPU lõi đơn trở nên khó khăn hơn. Thay vào đó, một số nhà sản xuất CPU bắt đầu sử dụng kiến trúc bộ xử lý đa lõi để tích hợp nhiều lõi vào một chip duy nhất.

Bộ xử lý hiện đại

Ngày nay, các thiết bị di động có dấu hiệu gia tăng, việc sử dụng năng lượng  trở nên khá quan trọng. Các nhà sản xuất  đang phát triển CPU tiết kiệm năng lượng và tiêu thụ ít năng lượng trên một số thiết bị hiện đại như điện thoại thông minh và máy tính bảng.

Khi trí tuệ nhân tạo (AI) và một vài yêu cầu về đồ họa trở nên phổ biến hơn, các CPU chuyên dụng và bộ tăng tốc AI hiện được sử dụng để xử lý khối lượng lớn công việc.

CPU bao gồm những thành phần nào?

CPU là một mạch điện tử phức tạp giúp xử lý dữ liệu và chạy các lệnh. Dưới đây là các thành phần chính của CPU.

Bộ điều khiển

Bộ điều khiển quản lý việc xử lý lệnh và điều phối luồng dữ liệu trong CPU. Nó có một thành phần giải mã lệnh, có nhiệm vụ diễn giải các lệnh được tìm nạp từ bộ nhớ và chuyển đổi thành các hoạt động vi mô mà CPU có thể chạy.

Thanh ghi

Thanh ghi có kích thước nhỏ, là các vị trí lưu trữ bộ nhớ tốc độ cao trong CPU. Nó chứa dữ liệu mà CPU hiện đang xử lý và giúp truy cập nhanh vào dữ liệu. CPU có một số loại thanh ghi như sau:

Thanh ghi thông dụng chứa dữ liệu hoạt động

Thanh ghi lệnh chứa lệnh hiện tại đang được xử lý

Một bộ đếm chương trình chứa địa chỉ bộ nhớ của lệnh tiếp theo sẽ được tìm nạp

ALU

ALU thực hiện các phép toán số học cơ bản  và các phép toán logic  trên dữ liệu. Nó nhận dữ liệu từ các thanh ghi trong CPU, xử lý dữ liệu dựa trên các hướng dẫn từ bộ điều khiển và cho ra kết quả.

Đơn vị quản lý bộ nhớ

Tùy thuộc vào kiến trúc CPU, có thể có một đơn vị giao diện bus riêng biệt hoặc đơn vị quản lý bộ nhớ. Đơn vị này cũng xử lý bộ nhớ đệm – một đơn vị bộ nhớ nhỏ tốc độ cao nằm trong CPU – và bộ nhớ ảo mà CPU yêu cầu để xử lý dữ liệu.

Đồng hồ

CPU dựa vào tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa các hoạt động nội bộ. Đồng hồ tạo ra một xung nhịp ổn định ở một tần số cụ thể và các chu kỳ xung nhịp này phối hợp các hoạt động của CPU. Tốc độ xung nhịp được đo bằng hertz (Hz) và xác định có bao nhiêu lệnh CPU có thể thực hiện mỗi giây.Tốc độ xung nhịp của CPU hiện đại thay đổih dựa trên khối lượng công việc để cân bằng hiệu suất và mức tiêu thụ điện năng.

CPU hoạt động như thế nào?

Bộ xử lý máy tính làm việc bao gồm: phần cứng, phần mềm  để xử lý và quản lý luồng thông tin trong các thiết bị điện tử. Nó hoạt động theo chu trình, với mỗi chu trình lệnh tương ứng với ba bước chính.

Chu trình bộ xử lý lõi

Tiếp theo là các bước cơ bản trong một chu trình lệnh.

Tìm nạp lệnh

CPU tìm nạp các lệnh từ bộ nhớ. Bộ phận điều khiển diễn giải các lệnh và xác định thao tác sẽ được thực hiện. Bộ phận này cũng xác định các thành phần CPU cụ thể cần thiết cho tác vụ.

Xử lý lệnh

CPU thực hiện thao tác cụ thể trên dữ liệu đã được tìm nạp: thực hiện các phép tính toán học, so sánh logic, thao tác dữ liệu hoặc truyền dữ liệu giữa các thanh ghi hoặc vị trí bộ nhớ.

Lưu trữ kết quả

Sau khi thực hiện các lệnh, CPU có thể cần lưu trữ kết quả trong bộ nhớ hoặc cập nhật dữ liệu mới vào các thanh ghi cụ thể.

Một số CPU hiện đại thường sử dụng các kỹ thuật như: tính song song, tạo quy trình lệnh để nâng cao hiệu năng. Nhiều lệnh có thể cùng lúc nằm trong các giai đoạn chu trình khác nhau, điều này cho phép sử dụng CPU một cách hiệu quả hơn.