CPU máy tính là gì? Vai trò và tầm quan trọng của CPU

2. Lịch sử phát triển CPU máy tính

- Máy tính cổ như ENIAC muốn thực hiện các nhiệm vụ khác nhau thì phải nối lại hoàn toàn các mạch điện, điều này khiến các máy này được gọi là "máy tính có chương trình cố định" Thuật ngữ "CPU" thường được định nghĩa là một thiết bị để chạy phần mềm, các thiết bị đầu tiên mà có thể được gọi là CPU đi kèm với sự ra đời của máy tính có khả năng lưu trữ chương trình. 

- Các CPU đời đầu sử dụng các thiết kế tùy chỉnh như là một phần của một máy tính lớn.Trong thời đại máy tính mainframe sử dụng transistor, máy tính mini các vi mạch đã phát triển một cách chóng mặt, điều này cho phép CPU ngày càng phức tạp được thiết kế và sản xuất nhỏ đến cỡ nanomet. Hai quy trình thu nhỏ hóa và tiêu chuẩn hóa của CPU đã làm tăng nhanh sự có mặt của các thiết bị kỹ thuật số trong cuộc sống hiện đại vượt xa các ứng dụng hạn chế của máy tính chuyên dụng. Bộ vi xử lý hiện đại xuất hiện trong các thiết bị điện tử khác nhau, từ xe ô tô đến điện thoại di động, và thậm chí cả trong đồ chơi. 

- Năm 1964, IBM giới thiệu kiến trúc máy tính System/360 được sử dụng trong một loạt các máy tính có khả năng chạy các chương trình tương tự với tốc độ và hiệu suất khác nhau làm cho hầu hết các máy tính thời điểm đó không tương thích với nhau. Để tạo điều kiện cho cải tiến này, IBM sử dụng các khái niệm về một vi chương trình (thường được gọi là"vi mã"), vi mã này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các CPU hiện đại.

- CPU dựa trên những khối vi mạch thường được gọi là thiết bị"tích hợp quy mô nhỏ"(SSI). Vi mạch SSI, chẳng hạn như những vi mạch được dùng trong các máy tính hướng dẫn tàu Apollo, thường chứa lên đến một vài nghìn transistor. Để xây dựng toàn bộ một CPU trên vi mạch SSI cần hàng ngàn chip, nhưng vẫn tiêu thụ ít không gian và điện năng hơn nhiều so với thiết kế bằng bóng bán dẫn trước đó.

- Các nhà sản xuất máy tính tốc độ cao muốn bộ xử lý chạy nhanh chóng, vì vậy trong những năm 1970 họ xây dựng các CPU từ các vi mạch tích hợp quy mô nhỏ (SSI) và quy mô trung bình (MSI) bao gồm các cổng TTL của vi mạch họ 7400. Khi công nghệ vi điện tử phát triển mạnh, nó gia tăng số lượng bóng bán dẫn được đặt trên một IC, giảm số lượng IC riêng cần thiết để tạo ra một CPU hoàn chỉnh. Các vi mạch MSI và LSI tăng lượng transistor lên đến hàng trăm, và sau đó hàng ngàn. Đến năm 1968, số lượng IC cần thiết để xây dựng một CPU hoàn chỉnh đã được giảm xuống còn 24 IC của tám loại khác nhau, với mỗi IC chứa khoảng 1000 MOSFET. Tương phản hoàn toàn với các vi mạch SSI và MSI của nó, vi mạch LSI đầu tiên của PDP-11 chứa một CPU bao gồm chỉ có bốn mạch tích hợp LSI.

- Trong những năm 1970, những phát minh cơ bản của Federico Faggin đã thay đổi việc thiết kế và sản xuất CPU mãi mãi. Kể từ sự ra đời của bộ vi xử lý thương mại đầu tiên (Intel 4004) vào năm 1970, và bộ vi lý xử máy tính lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi (Intel 8080) năm 1974, mô hình này của CPU đã gần như hoàn toàn vượt qua tất cả các bộ phận xử lý trung tâm khác. Các nhà sản xuất máy tính lớn và máy tính mini thời kỳ này tung ra các chương trình phát triển vi mạch độc quyền để nâng cấp kiến trúc máy tính cũ của họ, cuối cùng tạo ra bộ vi xử lý tương thích với tập lệnh cũ của các phần cứng và phần mềm cũ. Kết hợp với sự ra đời và cuối cùng thành công khắp nơi của máy tính cá nhân, thuật ngữ CPU bây giờ được áp dụng gần như độc quyền cho các bộ vi xử lý. Một số CPU (gọi là lõi) có thể được kết hợp trong một chip xử lý duy nhất.

 

- Tổng thể kích thước CPU nhỏ hơn, là một kết quả của việc sản xuất trên cùng một khuôn, khiến thời gian chuyển đổi nhanh hơn vì các yếu tố vật lý như giảm điện dung ký sinh tại cổng. Điều này đã cho phép các bộ vi xử lý đồng bộ có tốc độ xung nhịp từ hàng chục megahertz đến vài gigahertz. Ngoài ra, vì khả năng để xây dựng transistor cực nhỏ trên một vi mạch đã tăng lên, sự phức tạp và số lượng bóng bán dẫn trong một CPU duy nhất đã tăng lên nhiều lần.

3. Các thành phần cấu tạo của CPU

- Khối điều khiển (CU - Control Unit): Là thành phần 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): Có 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: Là 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: có nhiệm vụ thực hiện việc điều khiển các khối và điều khiển tần số xung nhịp. Mạch xung nhịp 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 tính bằng triệu đơn vị mỗi giây (MHz).

4. Một vài thông tin khác về CPU máy tính

Tốc độ của bộ vi xử lý máy tính

- Tốc độ xử lý của máy tính nhanh hay chậm là dựa vào tốc độ của chip máy tính tuy nhiên nó không phải là duy nhất còn có các yếu tố khác như: bộ nhớ trong, RAM, hay bo mạch. Tốc độ xử lý của CPU thường được đo bằng đơn vị tần số GHz hoặc MHz.

- Tốc độ xử lý của CPU phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: số nhân xử lý; xung nhịp; IPC (instructions per clock/cycles); tiến trình bóng bán dẫn (càng nhỏ càng tiết kiệm điện); công nghệ; bộ nhớ đệm; TDP (công suất thoát nhiệt);...

Bộ nhớ Cache

Cache là bộ nhớ đệm CPU hay còn gọi là vùng nhớ CPU. Cache là nơi lưu những lệnh/dữ liệu sắp sử dụng. Khi cần, CPU sẽ tìm trên cache rồi mới tìm trên bộ nhớ chính. CPU có bộ nhớ đệm càng lớn sẽ chứa được nhiều lệnh giúp rút ngắn thời chờ và tăng tốc xử lý cho CPU.

• Cache L1 (thường từ 8KB - 32KB): Cache tích hợp tăng tốc độ CPU nhờ thông tin truyền đến và đi từ cache nhanh hơn là chạy qua bus hệ thống. CPU tìm thông tin cần thiết ở cache này trước.

• Cache L2 (256KB, 512KB, 1MB, 2MB, 4MB, 6M, 8M): Cache thứ cấp. Thông tin tiếp tục được tìm ở cache L2 nếu không tìm thấy ở cache L1.

• Cache L3: L3 cache là bộ nhớ cache được CPU sử dụng và tích hợp trên mainboard. Nó làm việc cùng bộ nhớ cache L1 , L2 để tăng hiệu năng. L3 cache cấp thông tin cho L2 cache sau đó chuyển cho L1.

Lõi của CPU

- Khi CPU ra đời ban đầu, nó chỉ có một lõi duy nhất. Điều này dẫn đến việc tính toán thường diễn ra chậm và mất nhiều thời gian. Để cải thiện hiệu suất thì các nhà sản xuất bắt đầu tìm cách thay đổi. Động thái cải thiện hiệu suất đã dẫn đến sự xuất hiện của các bộ vi xử lý đa lõi. Ngày nay, ta nghe về các thuật ngữ "lõi kép," "4 lõi," và "đa nhân."