Thứ từ CPU thực hiện chương trình như thế nào

Trong một bộ máy tính, có một thiết bị nhỏ nhưng có võ đó chính là bộ xử lý CPU. Mỗi bộ vi xử lý có thiết kế bên trong độc đáo và khác nhau, nhưng chúng phải tuân theo cùng một nguyên tắc chung. Bên cạnh đó, CPU là một trong những tiêu chí đầu tiên để người dùng so sánh và lựa chọn cấu hình của laptop và máy tính. Bài viết sau, chúng ta sẽ cùng đề cập những kiến thức chung nhất đến CPU máy tính để bạn có thể hiểu thêm về thiết bị này!

Cụ thể CPU máy tính là gì?

CPU là từ khá quen thuộc tuy nhiên không ít người dùng máy tính chưa thực sự hiểu rõ về thiết bị này. CPU là bộ xử lý trung tâm của máy tình và cách CPU xử lý dữ liệu sẽ phụ thuộc vào chương trình. Không có vấn đề gì chương trình dành cho CPU sẽ không tạo ra nhiều khác biệt, vì nó không hiểu chương trình sẽ làm gì.

Nó chỉ tuân theo "yêu cầu - mệnh lệnh" (gọi là hướng dẫn hoặc lệnh) có trong chương trình. Những yêu cầu này có thể là thêm 2 số hoặc gửi dữ liệu đến thẻ video, v.v.

Hình ảnh CPU máy tính

Nói một cách dễ hiểu nhất thì CPU máy tính chính là bộ não của máy tính. CPU có nhiệm vụ chính là xử lý và phân tích tất cả dữ liệu đầu vào, mọi yêu cầu tính toán từ người dùng sau đó “chỉ thị” cho các thành phần khác thực hiện công việc.

Xem thêm: CPU Máy Tính, Bộ Vi Xử Lý Intel Core i3, i5, i9, AMD Ryzen Chính Hãng, Giá Cực Rẻ

Hình dạng và cấu tạo CPU

CPU là một trong những linh kiện quan trọng tạo chất lượng, hoạt động ổn định của máy tính. Vậy hình dạng và cấu tạo của CPU như thế nào? Một vài thông tin được điểm qua như sau:

Hình dang mặt trước CPU - bộ vi xử lý

Hình dang mặt sau CPU - bộ vi xử lý

Hình dạng của CPU

CPU được thiết kế với dạng hình chữ nhật hoặc vuông tùy thuộc dòng đó là gì. Và khi nhìn vào hình ảnh của chúng, ta sẽ thấy có một góc nhỏ để đặt chip đúng vào socket CPU. Phần chip sẽ được đặt và gia cố chắc chắn vào một ổ cắm CPU tương thích được tìm thấy trên bo mạch chủ. Ở dưới cùng của chip là hàng trăm chân kết nối với mỗi lỗ tương ứng trên ổ cắm CPU.

Kết cấu của CPU

CPU được tạo thành từ hàng triệu bóng bán dẫn được sắp xếp cùng nhau trên một bảng mạch nhỏ. Ví dụ, bộ vi xử lý Intel Pentium có 3,3 triệu thành phần bóng bán dẫn và thực hiện khoảng 188 triệu lệnh mỗi giây. Cấu tạo của một CPU máy tính sẽ bao gồm 5 phần. Cụ thể:

Bộ điều khiển (CU - Control Unit)

Thành phần được tích hợp trong CPU máy tính này có chức năng chính là diễn giải các lệnh chương trình. Theo đó sẽ thực hiện điều khiển quá trình xử lý, được điều chỉnh chính xác bởi xung nhịp hệ thống. Đây là phần cốt lõi của bộ xử lý từ mạch logic so với các linh kiện bán dẫn như bóng bán dẫn.

Khối tính toán (ALU)

Hàm thực hiện các phép toán số học và logic sau đó trả kết quả vào thanh ghi hoặc bộ nhớ.

Các thanh ghi

Thanh ghi thường được trang bị trong CPU máy tính. Nhiệm vụ của thiết bị này là lưu tạm thời các toán hạng, kết quả tính toán, địa chỉ ô nhớ hoặc thông tin điều khiển. Được biết mỗi thanh ghi có một chức năng cụ thể và mặc dù chúng có kích thước nhỏ nhưng tốc độ truy xuất rất cao.

Xem thêm: Mainboard | Bo Mạch Chủ cho PC Văn Phòng, Game Thủ, Máy Trạm Giá Cực Ưu Đãi

Nguyên tắc hoạt động của bộ vi xử lý CPU máy tính

Nguyên lý hoạt động của CPU máy tính sẽ hoạt động theo 3 bước cơ bản: Fetch, Decode và Execute. Mặc dù qua nhiều năm và trải qua nhiều cải tiến nhưng nguyên lý hoạt động vẫn được giữ nguyên.

Trong đó tìm nạp (Fetch) sẽ có chức năng nhận lệnh từ CPU được chuyển đến từ RAM. Qua đó PC và hướng dẫn được đưa vào IR. Độ dài của PC sau đó được tăng lên để tham chiếu đến địa chỉ của lệnh tiếp theo.

Nguyên lý hoạt động của CPU

Bước tiếp theo là giải mã (Decode). Ngay sau khi một lệnh được tìm nạp và lưu trữ trong IR. Ngay lúc này chúng sẽ được truyền đến một mạch được gọi là bộ giải mã lệnh bởi CPU. Mục đích của việc này là nhằm đổi lệnh thành tín hiệu được chuyển đến các bộ phận khác của CPU để thực hiện.

Công đoạn cuối cùng chính là thực thi (Execute).  Lúc này các lệnh được giải mã sẽ được gửi đến các bộ phận của CPU máy tính để tiến hành thực thi. Kết quả thường được ghi vào thanh ghi CPU, nơi chúng có thể được tham chiếu bằng các hướng dẫn sau này. Thanh đăng ký này hoạt động giống như RAM.

Nói chung, hiểu một cách đơn giản thì nguyên lý hoạt động của CPU máy tính là nhận lệnh từ các hành động và yêu cầu của người dùng. Sau đó nó sẽ tiến hành giải mã các lệnh đó thành ngôn ngữ máy. Tiếp đến sẽ lưu trữ các lệnh và truyền chúng đến các bộ phận khác của máy tính để thực hiện yêu cầu của người dùng.

Thông tin trên của Hoàng Hà PC đã giúp bạn giải đáp những thông tin về CPU máy tính: CPU là gì, cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao? Tóm lại, CPU không phải là tất cả, nhưng nó quan trọng. Nói chung, CPU nhanh hơn có nghĩa là hệ thống hoặc thiết bị nhanh hơn.

Xem thêm: VGA, Card Màn Hình, Card Đồ Họa hiệu năng mạnh mẽ, chất lượng siêu bền, giá cả phải chăng

Rost / Shutterstock

Hầu hết mọi thứ trong máy tính đều tương đối đơn giản để hiểu: RAM, bộ lưu trữ, thiết bị ngoại vi và phần mềm đều hoạt động cùng nhau để tạo nên một chức năng của máy tính. Nhưng trái tim của hệ thống của bạn, CPU, dường như là ma thuật ngay cả đối với nhiều người công nghệ. Ở đây, hãy cố gắng hết sức để phá vỡ nó.

Hầu hết các nghiên cứu cho bài viết này đến từ But How Do It Know? của J. Clark Scott. Đây là một bài đọc tuyệt vời, đi vào chiều sâu hơn nhiều so với bài viết này, và rất xứng đáng với vài đô la trên Amazon.

Một lưu ý trước khi chúng ta bắt đầu: các CPU hiện đại có mức độ phức tạp hơn những gì đã nêu ở đây. Gần như không thể để một người hiểu được mọi sắc thái của một con chip với hơn một tỷ bóng bán dẫn. Tuy nhiên, các nguyên tắc cơ bản về cách tất cả phù hợp với nhau vẫn không đổi, và hiểu những điều cơ bản sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các hệ thống hiện đại.

Bắt đầu từ nhỏ

Máy tính hoạt động trong nhị phân. Họ chỉ hiểu hai trạng thái: bật và tắt. Để thực hiện các phép tính trong hệ nhị phân, họ sử dụng cái gì được gọi là bóng bán dẫn. Bóng bán dẫn chỉ cho phép dòng nguồn chạy qua nó đến cống nếu có dòng qua cổng. Về cơ bản, điều này tạo thành một công tắc nhị phân, cắt dây phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào thứ hai.

CÓ LIÊN QUAN: Binary là gì và tại sao máy tính lại sử dụng nó?

Máy tính hiện đại sử dụng hàng tỷ bóng bán dẫn để thực hiện các phép tính, nhưng ở cấp độ thấp nhất, bạn chỉ cần một số ít để tạo thành các thành phần cơ bản nhất, được gọi là cổng.

Cổng logic

Xếp một vài bóng bán dẫn đúng cách, và bạn có cái gì được gọi là cổng logic. Cổng logic lấy hai đầu vào nhị phân, thực hiện một thao tác trên chúng và trả về một đầu ra. Ví dụ, cổng OR trả về true nếu một trong hai đầu vào là true. Cổng AND kiểm tra xem cả hai đầu vào có đúng không, XOR kiểm tra nếu chỉ một trong các đầu vào là đúng và các biến thể N (NOR, NAND và XNOR) là phiên bản đảo ngược của cổng cơ sở của chúng.

CÓ LIÊN QUAN: Cách cổng logic hoạt động: HOẶC, VÀ, XOR, NOR, NAND, XNOR và NOT

Làm toán với Gates

Chỉ với hai cổng, bạn có thể thực hiện phép cộng nhị phân cơ bản. Sơ đồ trên cho thấy một bộ cộng một nửa, được tạo bằng cách sử dụng Về mặt logic, một sân chơi trực tuyến miễn phí cho các cổng logic. Cổng XOR ở đây sẽ bật nếu chỉ một trong các đầu vào được bật, nhưng không bật cả hai. Cổng AND sẽ bật nếu cả hai đầu vào được bật, nhưng tắt nếu không có đầu vào. Vì vậy, nếu cả hai đều bật, XOR sẽ tắt và cổng AND bật, đi đến câu trả lời đúng trong số hai:

Điều này cung cấp cho chúng tôi một thiết lập đơn giản với ba đầu ra riêng biệt: không, một và hai. Nhưng một bit không thể lưu trữ bất kỳ thứ gì cao hơn 1, và chiếc máy này cũng không quá hữu ích vì nó chỉ giải được một trong những vấn đề toán học đơn giản nhất có thể. Nhưng đây chỉ là một bộ cộng một nửa và nếu bạn kết nối hai trong số chúng với một đầu vào khác, bạn sẽ có một bộ cộng đầy đủ:

Bộ cộng đầy đủ có ba đầu vào — hai số cần thêm và một carry. Mang được sử dụng khi con số cuối cùng vượt quá những gì có thể được lưu trữ trong một bit. Các bộ cộng đầy đủ sẽ được liên kết trong một chuỗi và phần mang được chuyển từ bộ cộng này sang bộ cộng tiếp theo. Mang được thêm vào kết quả của cổng XOR trong bộ cộng nửa đầu và có thêm một cổng OR để xử lý cả hai trường hợp khi điều đó cần được bật.

Khi cả hai đầu vào được bật, hành trình sẽ bật và gửi nó đến bộ cộng đầy đủ tiếp theo trong chuỗi:

Và điều này cũng phức tạp như việc bổ sung. Di chuyển lên nhiều bit hơn về cơ bản chỉ có nghĩa là nhiều bộ cộng đầy đủ hơn trong một chuỗi dài hơn.

Hầu hết các phép toán khác có thể được thực hiện với phép cộng; phép nhân chỉ là phép cộng lặp đi lặp lại, phép trừ có thể được thực hiện với một số nghịch đảo bit ưa thích, và phép chia chỉ là phép trừ lặp lại. Và trong khi tất cả các máy tính hiện đại đều có các giải pháp dựa trên phần cứng để tăng tốc các hoạt động phức tạp hơn, về mặt kỹ thuật bạn có thể thực hiện tất cả với bộ cộng đầy đủ.

The Bus, and Memory

Hiện tại, máy tính của chúng ta chẳng khác gì một chiếc máy tính tồi. Điều này là do nó không thể nhớ bất cứ điều gì, và không làm gì với kết quả đầu ra của nó. Hình trên là một ô nhớ, có thể làm tất cả những điều đó. Dưới mui xe, nó sử dụng rất nhiều cổng NAND, và trong cuộc sống thực có thể khá khác nhau tùy thuộc vào kỹ thuật lưu trữ, nhưng chức năng của nó thì giống nhau. Bạn cung cấp cho nó một số đầu vào, bật write bit, và nó sẽ lưu trữ các đầu vào bên trong ô. Đây không chỉ là một ô nhớ, vì chúng ta cũng cần một cách để đọc thông tin từ nó. Điều này được thực hiện với một trình kích hoạt, là một tập hợp các cổng AND cho mỗi bit trong bộ nhớ, tất cả đều được gắn với một đầu vào khác, read chút. Các bit ghi và đọc thường được gọi là set và enable.

Toàn bộ gói này được gói gọn trong một thứ được gọi là sổ đăng ký. Các thanh ghi này được kết nối với bus, là một bó dây chạy xung quanh toàn bộ hệ thống, được kết nối với mọi thành phần. Ngay cả các máy tính hiện đại cũng có bus, mặc dù chúng có thể có nhiều bus để cải thiện hiệu suất đa nhiệm.

Mỗi thanh ghi vẫn có bit ghi và đọc, nhưng trong thiết lập này, đầu vào và đầu ra giống nhau. Điều này thực sự tốt. Ví dụ. Nếu bạn muốn sao chép nội dung của R1 vào R2, bạn sẽ bật bit đọc cho R1, bit này sẽ đẩy nội dung của R1 lên bus. Trong khi bit đọc được bật, bạn sẽ bật bit ghi cho R2, nó sẽ sao chép nội dung bus vào R2.

Thanh ghi cũng được sử dụng để tạo RAM. RAM thường được bố trí dưới dạng lưới, với các dây đi theo hai hướng:

Bộ giải mã lấy một đầu vào nhị phân và bật dây được đánh số tương ứng. Ví dụ, 11 là 3 trong hệ nhị phân, là số 2 bit cao nhất, vì vậy bộ giải mã sẽ bật dây cao nhất. Tại mỗi ngã tư, có một thanh ghi. Tất cả những thứ này đều được kết nối với bus trung tâm và tới đầu vào ghi và đọc trung tâm. Cả đầu vào đọc và ghi sẽ chỉ bật nếu hai dây bắt chéo qua thanh ghi cũng được bật, cho phép bạn chọn thanh ghi để ghi và đọc một cách hiệu quả. Một lần nữa, RAM hiện đại phức tạp hơn nhiều, nhưng thiết lập này vẫn hoạt động.

The Clock, the Stepper, and the Decoder

Thanh ghi được sử dụng ở khắp mọi nơi và là công cụ cơ bản để di chuyển dữ liệu và lưu trữ thông tin trong CPU. Vậy điều gì bảo họ phải di chuyển mọi thứ xung quanh?

Đồng hồ là thành phần đầu tiên trong lõi của CPU và sẽ tắt và bật tại một khoảng thời gian đã đặt, được đo bằng hertz hoặc chu kỳ trên giây. Đây là tốc độ bạn thấy được quảng cáo cùng với CPU; chip 5 GHz có thể thực hiện 5 tỷ chu kỳ mỗi giây. Tốc độ xung nhịp thường là một số liệu rất tốt để biết tốc độ của CPU.

Đồng hồ có ba trạng thái khác nhau: đồng hồ cơ bản, đồng hồ cho phép và đồng hồ đặt. Đồng hồ cơ bản sẽ bật trong nửa chu kỳ và tắt trong nửa chu kỳ còn lại. Đồng hồ kích hoạt được sử dụng để bật các thanh ghi và sẽ cần bật lâu hơn để đảm bảo rằng dữ liệu được bật. Đồng hồ đặt luôn cần được bật cùng lúc với đồng hồ kích hoạt, nếu không, dữ liệu không chính xác có thể được ghi.

Đồng hồ được kết nối với bước, sẽ đếm từ một đến bước tối đa và tự đặt lại về một khi hoàn thành. Đồng hồ cũng được kết nối với cổng AND cho mỗi thanh ghi mà CPU có thể ghi vào:

Các cổng AND này cũng được kết nối với đầu ra của một thành phần khác, bộ giải mã lệnh. Bộ giải mã lệnh có một lệnh như SET R2 TO R1 và giải mã nó thành một thứ gì đó mà CPU có thể hiểu được. Nó có đăng ký nội bộ của riêng nó, được gọi là Instruction Register, đó là nơi hoạt động hiện tại được lưu trữ. Nó thực hiện chính xác như thế nào thì điều này phụ thuộc vào hệ thống bạn đang chạy, nhưng khi nó được giải mã, nó sẽ bật đúng bộ và kích hoạt các bit cho các thanh ghi chính xác, sẽ tắt theo đồng hồ.

Các lệnh chương trình được lưu trong RAM (hoặc bộ nhớ đệm L1 trên các hệ thống hiện đại, gần CPU hơn). Vì dữ liệu chương trình được lưu trữ trong các thanh ghi, giống như mọi biến khác, nó có thể được thao tác nhanh chóng để nhảy xung quanh chương trình. Đây là cách các chương trình có được cấu trúc của chúng, với các vòng lặp và các câu lệnh if. Một lệnh nhảy đặt vị trí hiện tại trong bộ nhớ mà bộ giải mã lệnh đang đọc từ một vị trí khác.

Làm thế nào tất cả kết hợp với nhau

Giờ đây, việc đơn giản hóa quá mức của chúng ta về cách thức hoạt động của CPU đã hoàn tất. Bus chính kéo dài toàn bộ hệ thống và kết nối với tất cả các thanh ghi. Các bộ cộng đầy đủ, cùng với một loạt các phép toán khác, được đóng gói trong Đơn vị Logic Số học, hoặc ALU. ALU này sẽ có các kết nối với bus và cũng sẽ có các thanh ghi riêng để lưu trữ số thứ hai mà nó hoạt động.

Để thực hiện một phép tính, dữ liệu chương trình được tải từ RAM hệ thống vào phần điều khiển. Phần điều khiển đọc hai số từ RAM, tải số đầu tiên vào thanh ghi lệnh ALU, sau đó tải số thứ hai lên bus. Trong khi đó, nó sẽ gửi cho ALU một mã hướng dẫn cho nó biết phải làm gì. Sau đó ALU thực hiện tất cả các phép tính và lưu trữ kết quả trong một thanh ghi khác, CPU có thể đọc từ đó và tiếp tục quá trình.

Tín dụng hình ảnh: Rost9/ Shutterstock

Đọc thêm các bài viết với nội dung liên quan đến công nghệ và các thủ thuật phần mềm đa dạng trên website Howpedia