Tổng quan về CPU máy tính: CPU là gì, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Công nghệ - 10/12/2020

1. CPU là gì?

2. Hình dạng và Cấu tạo của CPU

3. Nguyên lý hoạt động của bộ vi xử lý CPU

CPU là trung tâm đầu não điều khiển gần như toàn bộ các hoạt động của máy tính. CPU là một trong những tiêu chí đầu tiên để người dùng so sánh và lựa chọn cấu hình laptop, máy tính.

Vậy CPU là gì, "mặt mũi" ra làm sao, hoạt động như thế nào? Hãy cũng TECHBUY tìm hiểu qua bài viết dưới đây nhé .

CPU là viết tắt của Central Processing Unit, tạm dịch là bộ xử lý trung tâm.

Theo định nghĩa của Wikipedia, CPU là các mạch điện tử trong một máy tính, thực hiện các câu lệnh của chương trình máy tính bằng cách thực hiện các phép tính số học, logic, so sánh và các hoạt động nhập/xuất dữ liệu (I/O) cơ bản do mã lệnh chỉ ra.

Thuật ngữ CPU đã được sử dụng trong ngành công nghiệp máy tính kể từ đầu những năm 1960. Theo truyền thống, thuật ngữ "CPU" chỉ một bộ xử lý, cụ thể là bộ phận xử lý và điều khiển (Control Unit) của nó, phân biệt với những yếu tố cốt lõi khác của một máy tính nằm bên ngoài như bộ nhớ và mạch điều khiển xuất/nhập dữ liệu

Hiểu đơn giản thì CPU chính là bộ não của máy tính máy vi tính. Chức năng của CPU là xử lý và phân tích mọi dữ liệu nhập, mọi yêu cầu tính toán từ người dùng sau đó “ra lệnh” cho các thành phần khác thực hiện công việc

2. Hình dạng và Cấu tạo của CPU

Hình dạng:

Dưới đây là hình ảnh thực tế về mặt trước và sau của một CPU Intel (Hầu hết các loại CPU ngày nay của mấy tính hay điện thoại đều có hình dạng giống như trong ảnh) Bộ vi xử lý được đặt và gia cố chắc chắn vào một đế cắm CPU (CPU socket) tương thích được tìm thấy trên bo mạch chủ (main).

Như thấy trên hình, chip CPU thường có dạng hình vuông hoặc hình chữ nhật và có một góc nhỏ để đặt chip đúng vào CPU socket. Ở dưới cùng của con chip là hàng trăm chân nối được nối vào mỗi lỗ tương ứng trong đế cắm CPU.

Qua nhiều năm, đã có hàng chục loại đế cắm khác nhau trên bo mạch chủ. Mỗi socket chỉ hỗ trợ các loại bộ xử lý cụ thể và mỗi bộ đều có cách bố trí chân riêng. Đa số CPU hiện nay đều được hàn chết trên main nên nếu bạn muốn thay thế nâng cấp CPU thì đồng thời cũng phải thay cả main mới

Cấu tạo:

CPU được cấu thành từ hàng triệu bóng bán dẫn được sắp xếp với nhau trên một bảng mạch nhỏ. Chẳng hạn Bộ xử lý Intel Pentium có 3.300.000 linh kiện bán dẫn transistor và thực hiện khoảng 188.000.000 lệnh mỗi giây.

CPU gồm tất cả 5 thành phần, trong đó phần trung tâm sẽ có 3 bộ phận chính là CU, ALU và Registers:

  • Khối điều khiển (CU - Control Unit)

Là thành phần của CPU có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lý, được điều tiết chính xác bởi xung nhịp đồng hồ hệ thống.Phần này là phần cốt lõi của một bộ xử lý được cấu tạo từ các mạch logic so sánh với các linh kiện bán dẫn như transistor tạo thành.

  • Khối tính toán ALU (Arithmetic Logic Unit)

Chức năng thực hiện các phép toán số học và logic sau đó trả lại kết quả cho các thanh ghi hoặc bộ nhớ.

  • Các thanh ghi (Registers)

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) chỉ đến lệnh sẽ thi hành tiếp theo.

  • Opcode

Phần bộ nhớ chứa mã máy của cpu(không bắt buộc) để có thể thực thi các lệnh trong file thực thi.

  • Phần điều khiển

Thực hiện việc điều khiển các khối và điều khiển tần số xung nhịp. Mạch xung nhịp đồng hồ hệ thống dùng để đồng bộ các thao tác xử lý trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không đổi.

Khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung nhịp. Tốc độ theo đó xung nhịp hệ thống tạo ra các xung tín hiệu chuẩn thời gian gọi là tốc độ xung nhịp – tốc độ đồng hồ tính bằng triệu đơn vị mỗi giây (MHz). Phần này là không cần thiết cho một CPU nhưng hầu hết có trong kiến trúc cisc.

3. Nguyên lý hoạt động của bộ vi xử lý CPU

Dù liên tục được cải tiến trong nhiều năm kể từ khi các CPU đầu tiên xuất hiện, nguyên lý hoạt động của CPU vẫn gồm 3 bước cơ bản: Tìm nạp, Giải mã và Thực thi.

Tìm nạp

quá trình tìm nạp liên quan đến việc nhận lệnh của CPU. Lệnh được biểu diễn dưới dạng một chuỗi các số và được chuyển tới CPU từ RAM. Mỗi lệnh chỉ là một phần nhỏ của một thao tác bất kỳ, vì vậy CPU cần phải biết lệnh nào sẽ đến tiếp theo. Địa chỉ lệnh hiện tại được giữ bởi một Program Counter - bộ đếm chương trình (PC). PC và các lệnh sau đó được đặt vào một Instruction Register - thanh ghi lệnh (IR). Độ dài của PC sau đó được tăng lên để tham chiếu đến địa chỉ của lệnh tiếp theo.

Giải mã

Khi một lệnh được tìm nạp và được lưu trữ trong IR, CPU sẽ truyền lệnh tới một mạch được gọi là bộ giải mã lệnh. Điều này chuyển đổi lệnh thành các tín hiệu được chuyển qua các phần khác của CPU để thực hiện hành động.

Thực thi

Trong bước cuối cùng, các lệnh được giải mã, gửi đến các bộ phận liên quan của CPU để được thực hiện. Các kết quả thường được ghi vào một CPU register, nơi chúng có thể được tham chiếu bằng các lệnh sau đó. Thanh Register này hoạt động giống như RAM vậy

Tóm lại, CPU thực hiện công việc nhận lệnh từ các thao tác và request của người dùng, giải mã các lệnh đó sang ngôn ngữ máy, lưu trữ các lệnh đó và truyền đến các bộ phận khác trong máy tính để thực hiện yêu cầu của người dùng.

Trong quá trình hoạt động, Bộ xử lý sản sinh rất nhiều nhiệt, vì vậy chúng được phủ một lớp tản nhiệt để làm mát, giúp CPU vận hành ổn định, trơn tru. Đó là lý do các máy tính đều được trang bị quạt tản nhiệt.

4. Lịch sử hình thành và phát triển của CPU

Dựa vào nguyên lý hoạt động và chất liệu cấu thành thì lịch sử hình thành CPU có thể nói là bắt đầu từ năm 1823, khi Baron Jons Jackob Berzelius lần đầu tiên phát hiện ra nguyên tố silic (Si). Đây là thành phần cơ bản của bộ vi xử lý hiện đại ngày nay. Tiếp đó vào năm 1903, nhà khoa học vĩ đại Nikola Tesla sáng chế các mạch logic điện được gọi là “cổng” hoặc “công tắc”, là nguyên lý hoạt động nền tảng của CPU.

Năm 1948, thế giới phát minh ra bóng bán dẫn đầu tiên và đến năm 1958 thì mạch tích hợp IC đầu tiên được phát triển. Trong thập niên 1960s bóng bán dẫn được sản xuất hàng loạt và thế giới chào đón sự ra đời của 2 tập đoàn Intel và AMD, 2 nhà sản xuất CPU hàng đầu hiện nay.

Thập niên 1970s: Intel giới thiệu bộ vi xử lý đầu tiên Intel 4004 với 2300 bóng bán dẫn, đã thực hiện 60.000 hoạt động trên giây (OPS), giải quyết 640 byte bộ nhớ, và tốn 200 đô la

Sau đó các nhà sản xuất liên tục cải tiến và tung ra thị trường các CPU tốc độ cao hơn với chi phí sản xuất thấp hơn. Với Intel họ lần lượt tung ra những Pentium, Xeon, Celeron, Core 2 Dou/Quad và phổ biến nhất trên các máy tính hiện nay là dòng Intel Core i.

K5 là dòng vi xử lý đầu tiên của AMD, tiếp đó là sự xuất hiện của Athlon, Opteron, Sempron, Phenom, Ryzen Threadripper

5. Vai trò của bộ vi xử lý trong máy tính

CPU nói chung là bộ xử lý trung tâm trong của các thiết bị như: máy tính (PC, Laptop, mini computer, super computer), thiết bị smartphone, thiết bị nhúng,... CPU cũng được ứng dụng nhiều trong các thiết bị máy móc thuộc ngành công nghiệp Điện - Tự động hóa: bộ điều khiển khả trình PLC và Vi điều khiển để ứng dụng điều khiển các dây chuyền, hệ thống tự động...

Trong khuôn khổ bài viết này, TCL sẽ chỉ tập trung nghiên cứu về vai trò của CPU máy tính

Liệu máy tính có thể làm việc nếu không có CPU không? – Câu trả lời là KHÔNG

Vậy bộ vi xử lý có vai trò như thế nào trong máy tính?

CPU chính là trung tâm đầu não của một chiếc máy tính. Giống như bộ não chính là cơ quan điều khiển các hoạt động nhận thức của cơ thể con người, CPU là cơ quan tiếp nhận xử lý các dữ liệu và đưa ra chỉ thị cho các bộ phận khác. Các thành phần của máy tính cũng được thiết kế để luôn hỗ trợ tối đa cho việc hoạt động của CPU.

Mặc dù CPU không còn quá quan trọng đối với hiệu năng hệ thống như trước đây, CPU vẫn có vai trò quyết định thiết bị có hoạt động nhanh chóng mượt mà hay không. Vì CPU chỉ chịu trách nhiệm thực thi các lệnh trong các chương trình, nên CPU của bạn càng mạnh thì các ứng dụng sẽ chạy càng nhanh.

Nhưng bạn cần lưu ý rằng, chỉ có CPU nhanh không phải là tất cả. Bộ vi xử lý, dù mạnh đến đâu cũng không thể dễ dàng kết xuất các game đồ họa 3D thế hệ mới cũng như không có đủ bộ nhớ đệm thể lưu trữ hết thông tin. Đây là lúc mà các bộ phận khác của máy tính như card đồ họa và RAM phát huy vai trò của mình.

Tóm lại, CPU không phải là tất cả, nhưng nó là bộ phận quan trọng thiết yếu để vận hành một chiếc máy tính. Nhìn chung thì CPU càng mạnh thì hệ thống sẽ chay càng nhanh hoặc ít nhất là nó sẽ khắc phục được tình trạng nút cổ chai thường gặp ở các máy tính tầm trung hiện nay.

6. Các thông số kỹ thuật của CPU

Đa số mọi người thường chỉ quan tâm đến xung nhịp (Core Speed) khi so sánh giữa các bộ vi xử lý trung tâm máy tính. Chẳng hạn xung nhịp cơ bản của CPU laptop phổ thông hiện nay vào khoảng 3-4 GHz.

Theo quan điểm phổ biến, xung nhịp chip xử lý càng cao thì chip sẽ càng nhanh và mạnh. Nhưng thực ra sức mạnh của một con chip CPU còn phụ thuộc vào rất nhiều thông số khác như bộ nhớ đệm (Cache) hay số nhân(Cores), số luồng(Threads),… Chúng ta cần cân nhắc các chỉ số này để có thể chọn được một con CPU phù hợp, hoạt động ổn định, trơn tru và mát mẻ.

Hãy cùng TECHBUY điểm qua một số thông số quan trọng của CPU và ý nghĩa của chúng, mà một người dùng phổ thông cần chú ý khi chọn CPU cho PC hay chọn laptop nhé:

  • Socket (Đế cắm): là thành phần cung cấp các kết nối cơ và điện giữa bộ xử lý và bo mạch chủ. Thông số này xác định loại khe cắm của CPU và cho biết sự tương thích giữa vi xử lý và mainboard. CPU chỉ hoạt động được trên mainboard hỗ trợ loại cùng loại socket.
  • Bộ nhớ đệm (Cache - MB): Bộ nhớ đệm CPU là vùng bộ nhớ nhanh nằm trên bộ xử lý, là nơi lưu trữ các dữ liệu và lệnh chờ để phần cứng máy tính xử lý. Bộ nhớ đệm giúp tăng tốc độ xử lý của CPU. Thông số này càng cao thì CPU xử lý càng nhanh và mượt mà.
  • Thuật in – Lithograph: Cho biết công nghệ sản xuất của chip, đơn vị nanomet chính là kích thước các linh kiện trên chip. Con số này càng nhỏ thì càng tích hợp được nhiều transistor trên một miếng bán dẫn, nhờ đó tăng tốc độ của CPU, giảm thiểu điện năng tiêu thụ càng thấp và lượng nhiệt tỏa ra.
  • Số nhân/lõi (Cores): cho biết số nhân xử lý được trang bị trong một CPU. Hiển nhiên là càng nhiều lõi thì CPU càng có khả năng tính toán khối lượng công việc lớn hơn, máy tính sẽ khỏe hơn và nhanh hơn
  • Số luồng (Threads): cho ta biết có bao nhiêu đường (luồng) đưa dữ liệu cho CPU xử lý. Nếu càng có nhiều Threads, dữ liệu được lưu thông dễ dàng và hiển nhiên kết quả là CPU sẽ xử lý nhanh hơn.
  • Xung cơ bản (Base Clock) đơn vị GHz: xung nhịp của bộ vi xử lý cho biết số phép tính mà bộ vi xử lý tính được trong 1 giây, mỗi GHz tương ứng với 1 tỷ phép tính mỗi giây

Ngoài các thông số cơ bản như trên, các dòng CPU khác nhau có 1 số thông số đặc thù khác như: xung nhịp Turbo boost, Khả năng ép xung, Card Onboard…

 

0 bình luận, đánh giá về Tổng quan về CPU máy tính: CPU là gì, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

TVQuản trị viênQuản trị viên

Xin chào quý khách. Quý khách hãy để lại bình luận, chúng tôi sẽ phản hồi sớm

Trả lời.
Thông tin người gửi
Nhấn vào đây để đánh giá
Thông tin người gửi
0.02813 sec| 2492.867 kb