CPU là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của CPU

CPU là gì?

CPU (Central Processing Unit) hay còn được biết đến là bộ vi xử lý trung tâm. Nó là mạch điện tử xử lý, thực hiện các lệnh nhận được từ các phần cứng cũng như phần mềm trên thiết bị. Nói một cách cụ thể hơn, CPU sẽ thực hiện các phép tính liên quan đến số học, đo lường, so sánh, logic, đồng thời nhập hoặc xuất dữ liệu từ các mã lệnh trên máy tính.

CPU có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ xử lý của các thiết bị. Bộ vi xử lý càng cao cấp, hiện đại thì những thiết bị như máy tính, laptop, điện thoại càng hoạt động mượt mà hơn.

Cấu tạo của CPU

CPU có cấu tạo khá phức tạp. Tuy nhiên chúng ta có thể tạm chia bộ vi xử lý thành 5 thành phần cơ bản như sau:

• Khối điều khiển (CU – Control Unit): Đây là thành phần quan trọng, cốt lõi có vai trò thông dịch các lệnh của phần mềm, chương trình, qua đó điều khiển hoạt động xử lý của chip cũng như điều tiết xung nhịp một cách chính xác.
• Khối tính toán (ALU – Arithmetic Logic Unit): Bộ phận này có chức năng chính là thực hiện các phép tính số học và logic, sau đó sẽ trả kết quả cho bộ nhớ hoặc thanh ghi.
• Các thanh ghi (Registers): Đây là các bộ nhớ có dung lượng nhỏ nhưng tốc độ truy cập rất cao, nằm ngay trong CPU, dùng để lưu trữ tạm thời các toán hạng, kết quả tính toán, địa chỉ các ô nhớ hoặc thông tin điều khiển. Mỗi thanh ghi có một chức năng cụ thể. Thanh ghi quan trọng nhất là bộ đếm chương trình (PC – Program Counter) dùng để chỉ đến lệnh sẽ thi hành tiếp theo.
• Opcode: Đây là hần bộ nhớ chứa mã máy của CPU (không bắt buộc) để có thể thực thi các lệnh trong file thực thi.
• Phần điều khiển: Một bộ phận quan trọng khác có chức năng điều khiển các khối và tần số xung nhịp. Các thao tác xử lý trong và ngoài CPU được đồng bộ nhờ mạch xung nhịp hệ thống theo thời gian không đổi. Khoảng thời gian giữa 2 xung nhịp còn được gọi là chu kỳ xung nhịp. Tốc độ mà xung nhịp hệ thống dùng để tạo ra các xung tín hiệu có thời gian chuẩn và có đơn vị là MHz hoặc GHz.

Nguyên lý hoạt động của CPU

Mặc dù có thiết kế phức tạp song nói về nguyên lý hoạt động của CPU thì chỉ bao gồm những bước cơ bản sau:

• Fetch: CPU lấy lệnh từ bộ nhớ chính (RAM) và đưa vào bộ nhớ đệm (cache).
• Decode: CPU giải mã lệnh để hiểu được nó đang yêu cầu thực hiện tác vụ gì.
• Execute: CPU thực hiện tác vụ được yêu cầu bởi lệnh đó bao gồm các phép tính toán truy xuất dữ liệu, ghi dữ liệu vào bộ nhớ hoặc điều khiển các thiết bị khác.
• Write back: CPU ghi kết quả của tác vụ vào bộ nhớ hoặc các thiết bị khác.

Đây được gọi chung là một chu kỳ lệnh được thực hiện trên bộ vi xử lý. Hoạt động của CPU không phụ thuộc vào hình thức vật lý, chủ yếu là thực hiện các lệnh được mã hóa và lưu trữ, còn được gọi là các chương trình.

Các chu kỳ lệnh sẽ được lặp lại, sau 1 lệnh thì lệnh tiếp theo sẽ được thực thi trong chuỗi giá trị. Có nhiều dạng lệch khác nhau, chẳng hạn thao tác truy cập vào một chương trình nào đó, được quy vào lệnh nhảy, đồng nghĩa màn hình của bạn sẽ hiện lên một cửa sổ khác. Ngoài ra còn hàng loạt những loại lệnh khác như tính toán, logic, so sánh,…

Các cấu trúc phổ biến của CPU

Hiện nay trên thị trường có hai dòng chip phổ biến, ứng dụng 2 cấu trúc khác nhau là x86 và ARM.

1. Cấu trúc x86

x86 là một kiến trúc vi xử lý (CPU) được sử dụng rộng rãi trong các máy tính cá nhân và máy chủ. Cấu trúc chip x86 bao gồm các thành phần chính sau:

• Bộ điều khiển: Điều khiển các hoạt động của CPU bao gồm lấy lệnh từ bộ nhớ giải mã lệnh và thực thi chúng.
• Bộ nhớ: Lưu trữ các lệnh và dữ liệu được sử dụng bởi CPU.
• Bộ xử lý: Thực hiện các phép tính toán và các hoạt động logic trên dữ liệu.
• Bộ đệm: Lưu trữ các dữ liệu tạm thời để tăng tốc độ xử lý.
• Bộ điều khiển bộ nhớ: Quản lý việc truy cập và lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ.
• Bộ định tuyến: Quản lý việc truyền dữ liệu giữa các thành phần khác nhau của hệ thống.

Cấu trúc chip x86 có nhiều phiên bản khác nhau bao gồm các phiên bản của Intel và AMD. Tuy nhiên các thành phần chính của chúng vẫn giống nhau và hoạt động theo cùng một nguyên tắc.

Các loại chip x86 có thể xử lý được các lệnh phức tạp dựa trên kiến trúc CISC, cũng như thực hiện nhiều phép toán cùng lúc. Dòng chip này có tốc độ xử lý nhanh chóng, đồng thời tiết kiệm RAM tốt hơn.

2. Cấu trúc ARM

ARM (Advanced RISC Machine) là một kiến trúc vi xử lý (CPU) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy chơi game và các thiết bị IoT.

Cấu trúc của chip ARM được thiết kế dựa trên kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computing với các lệnh đơn giản và hiệu quả hơn so với kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computing) của các chip x86. Nhờ đó, chip ARM có tốc độ xử lý nhanh chóng, thậm chí nó còn có thể xử lý trước các tác vụ ngầm liên quan.

Chip ARM thường có kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp và hiệu suất cao làm cho chúng trở thành lựa chọn phổ biến cho các thiết bị di động và IoT. Một nhược điểm là hệ thống có thể cần sử dụng nhiều RAM trong việc xử lý các lệnh.

Các thông số cơ bản của CPU

1. Tốc độ xung nhịp (Clock Speed)

Tốc độ xung nhịp (Clock Speed) là tốc độ mà CPU hoạt động. Tốc độ này thường được đo với đơn vị GHz (Gigahertz). Xung nhịp càng cao thì tốc độ xử lý càng nhanh chóng.

Hầu hết các bộ vi xử lý trên máy tính, laptop hiện nay đều có khả năng tự điều chỉnh xung nhịp để phù hợp với các tác vụ, các lệnh cần thực hiện và tương ứng với nhiệt độ của máy tính. Do đó, bạn có thể thấy trong thông số của PC, laptop thường có chỉ số xung nhịp tối thiểu và tối đa của CPU.

2. Tốc độ xung nhịp tối đa (Turbo Speed)

Tốc độ xung nhịp tối đa (Turbo Speed) là xung nhịp CPU có thể đạt được khi ép xung. Mặc dù việc này có thể tăng tốc CPU lên gần như gấp đôi song lại có thể gây ra một số ảnh hưởng cho thiết bị.

3. Số nhân (Core)

Mỗi CPU đều được cấu tạo từ nhiều nhân (core). Trong đó mỗi nhân là một đơn vị độc lập với các chức năng xử lý các dải chỉ dẫn của hệ thống khác nhau.

Các nhân trong CPU có thể tự sắp xếp và phân chia công việc, nhờ đó hệ thống có thể xử lý và chạy nhiều ứng dụng cùng lúc. Nhờ vậy, nếu CPU có càng nhiều nhân thì khả năng xử lý sẽ tốt hơn, hỗ trợ tối ưu công việc, tác vụ từ người dùng.

4. Số luồng (Thread)

Luồng (Thread) có chức năng chia sẻ dữ liệu với các luồng khác trong cùng một tiến trình. Luồng hỗ trợ các chương trình xử lý được nhiều công việc hơn trong cùng một thời điểm.

5. Chân cắm (Socket)

Nhiều người mua máy tính thường ít quan tâm đến vấn đề này, tuy nhiên chân cắm (Socket) có vai trò rất quan trọng và cần lưu ý đặc biệt.

Chân cắm đóng vai trò như mối nối bộ vi xử lý với mainboard, đồng thời cố định vị trí của con chip. Nhờ vậy, dù bạn có xê dịch PC, laptop thì con chip vẫn có thể giữ nguyên vị trí. Ngoài việc là mối nối, chân cắm còn là phương tiện truyền dữ liệu giữa CPU và mainboard.

6. Card đồ họa tích hợp (Card Onboard – iGPU)

Card đồ họa tích hợp GPU là bộ phận xử lý các tác vụ liên quan đến đồ họa, hình ảnh 2D, 3D có sẵn trên thiết bị, hỗ trợ tích cực nếu như máy chưa trang bị card rời. Việc dùng CPU có card đồ họa tích hợp mang đến nhiều lợi ích, nhất là trong những trường hợp máy tính gặp sự cố với card rời.

Các câu hỏi thường gặp

Liệu GPU có thể được sử dụng thay cho CPU?

Gần như điều này là không thể. Mặc dù GPU có thể xử lý và thực hiện nhiều tác vụ tương tự CPU, tuy nhiên nó là không có khả năng thực hiện các yêu cầu từ hệ điều hành cũng như chương trình, phần mềm đang chạy.

Máy tính có thể làm việc mà không có một CPU không?

Câu trả lời là không thể. Tất cả các loại máy tính đều cần thiết phải tích hợp CPU. Nó được xem là cơ quan đầu não của máy tính, thực hiện hầu hết tất cả nhiệm vụ. Với những cải tiến về khoa học công nghệ gần đây, CPU càng đóng vai trò quan trọng hơn, và gần như các bộ phận khác đều hỗ trợ cho hoạt động của CPU.

Hiệu suất CPU phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Tốc độ CPU hay còn gọi là tốc độ xung nhịp CPU được đo bằng đơn vị Gigahertz hay GHz biểu thị số chu kỳ xử lý mỗi giây mà CPU có thể thực hiện được.

Tốc độ xung nhịp cao hơn đồng nghĩa là CPU nhanh hơn. Tuy nhiên, có rất nhiều yếu tố khác tác động.

• Số nhân xử lý (2, 4, 10, 22 nhân,…), càng nhiều nhân càng mạnh.
• Công nghệ sản xuất (32nm, 22nm, 14nm,…), càng nhỏ càng tiết kiệm điện và hiệu năng cao hơn.
• Công nghệ làm tăng tốc độ xử lý của CPU (pipeline, turbo boost, siêu phân luồng,…).
• Bộ nhớ đệm dùng để lưu các lệnh/dữ liệu thường dùng hay có khả năng sẽ được dùng trong tương lai gần, giúp giảm bớt thời gian chờ đợi của CPU.
• Đồ họa tích hợp.
• TDP (công suất thoát nhiệt), lượng nhiệt chip xử lý tỏa ra mà hệ thống làm mát cần phải giải tỏa. TDP thường cho biết mức tiêu thụ điện của con chip, con số này càng thấp càng tốt.