Học nghề máy tính cần trang bị rất nhiều kiến thức và kỹ năng khác nhau, và trong quá trình học tập bạn sẽ rất khó để nhớ hết được chi tiết từng mảng kiến thức khác nhau đúng không? Trường Dạy nghề Bách Khoa Hà Nội sẽ cung cấp đến bạn hệ thống các bài viết về kiến thức và các kỹ năng sửa chữa máy tính đem lại hiệu quả nhất nên các bạn hãy theo dõi nhé!

Phần 1: CPU

Khái niệm và vai trò của CPU

CPU (Central Processing Unit) là bộ xử lý trung tâm của máy tính, là một phần quan trọng và cốt lõi của hệ thống. Nó là thiết bị điện tử chịu trách nhiệm thực hiện các phép tính và xử lý dữ liệu trong máy tính. CPU thực hiện hàng loạt các hoạt động, từ thực thi lệnh cơ bản đến các phép tính phức tạp, làm cho nó trở thành "bộ não" của máy tính.

Trong các CPU Pentium 4 hiện nay có tới hàng trăm triệu Transistor được tích hợp trong một diện tích rất nhỏ khoảng 2 đến 3cm

CPU là linh kiện quyết định đến tốc độ của máy tính, tốc độ xử lý của CPU được tính bằng MHz hoặc GHz.

1MHz= 1000.000 Hz

1GHz= 1000.000.000 Hz

Hãng sản xuất CPU lớn nhất hiện nay là Intel (Mỹ) chiếm đến 90% thị phần về CPU cho máy tính PC, ngoài ra còn có một số hãng cạnh tranh khác như AMD, Cyrix, Nexgen,…

Vai trò chính của CPU trong máy tính bao gồm:

• CPU thực thi các lệnh từ các chương trình máy tính. Các lệnh này có thể là các phép tính cơ bản như cộng, trừ, nhân, chia, hoặc các hoạt động phức tạp hơn như xử lý dữ liệu đồ họa, xử lý âm thanh, và nhiều tác vụ khác.
• CPU quản lý và điều phối các tài nguyên của hệ thống, chẳng hạn như bộ nhớ, bộ đệm (cache), và các thiết bị ngoại vi. Nó kiểm soát việc truy cập vào các tài nguyên này và đảm bảo rằng chúng được sử dụng hiệu quả.
• Quản lý việc lập lịch và điều phối các tác vụ   của hệ thống. CPU xác định thứ tự thực hiện các tác vụ và phân chia thời gian xử lý giữa các ứng dụng và tiến trình khác nhau.
• Xử lý ngắt (interrupt): CPU có khả năng xử lý các ngắt từ các thiết bị ngoại vi hoặc từ hệ điều hành. Khi có một sự kiện quan trọng xảy ra, như sự nhấn một phím hoặc việc hoàn thành một tác vụ, CPU sẽ chuyển tới xử lý sự kiện này ngay lập tức.
• Thực hiện toán tử logic: CPU có khả năng thực hiện các phép toán logic, so sánh và các hoạt động điều kiện. Điều này cho phép CPU thực hiện các quyết định và kiểm tra điều kiện để điều khiển luồng thực thi của chương trình.

CPU có vai trò vô cùng quan trọng trong máy tính

Các yếu tố tác động đến hiệu suất của CPU

• Độ rộng Bus dữ liệu và Bus địa chỉ ( Data Bus và Add Bus)

- Độ rộng Bus dữ liệu là nói tới số lượng đường truyền dữ liệu bên trong và bên ngoài CPU (ví dụ: CPU có 12 đường truyền dữ liệu (ta gọi độ rộng Data Bus là 12 bit), hiện nay trong các CPU từ Pentium 2 đến Pentium 4 đều có độ rộng Data Bus là 64 bit)

=> Độ rộng Bus địa chỉ ( Add Bus ) cũng là số đường dây truyền các thông tin về địa chỉ.

- Địa chỉ ở đây có thể là các địa chỉ của bộ nhớ RAM, địa chỉ các cổng vào ra và các thiết bị ngoại vi v v .. để có thể gửi hoặc nhận dữ liệu từ các thiết bị này thì CPU phải có địa chỉ của nó và địa chỉ này được truyền đi qua các Bus địa chỉ.

Ví dụ : Nếu số đường địa chỉ là 8 đường thì CPU sẽ quản lý được 2^8 = 256 địa chỉ. Hiện nay trong các CPU Pentium 4 có 64 bít địa chỉ và như vậy chúng quản lý được 2^64 địa chỉ nhớ 

• Tốc độ xử lý và tốc độ Bus của CPU ( tốc độ dữ liệu ra vào chân ) còn gọi là FSB

- Tốc độ xử lý của CPU (Speed ) :

Là tốc độ chạy bên trong của CPU, tốc độ này được tính bằng MHz hoặc GHz

Ví dụ một CPU Pentium 3 có tốc độ 800MHz tức là nó dao động ở tần số 800.000.000 Hz, CPU pentium 4 có tốc độ là 2,4GHz tức là nó dao động ở tần số 2.400.000.000 Hz

- Tốc độ Bus của CPU (FSB):

Là tốc độ dữ liệu ra vào các chân của CPU - còn gọi là Bus phía trước : Front Site Bus (FSB). Thông thường tốc độ xử lý của CPU thường nhanh gấp nhiều lần tốc độ Bus của nó

Ví dụ minh hoạ về tốc độ xử lý và tốc độ Bus

• Dung lượng bộ nhớ đệm Cache

- Bộ nhớ Cache là bộ nhớ nằm bên trong của CPU, nó có tốc độ truy cập dữ liệu theo kịp tốc độ xua lý của CPU, điều này khiển cho CPU trong lúc xử lý không phải chờ dữ liệu từ RAM vì dữ liệu từ RAM phải đi qua Bus của hệ thống nên mất nhiều thời gian.

- Một dữ liệu trước khi được xử lý, thông qua các lệnh gợi ý của ngôn ngữ lập trình, dữ liệu được nạp sẵn lên bộ nhớ Cache, vì vậy khi xử lý đến, CPU không mất thời gian chờ đợi . Khi xử lý xong trong lúc đường truyền còn bận thì CPU lại đưa tạm kết quả vào bộ nhớ Cache, như vậy CPU không mất thời gian chờ đường truyền được giải phóng.

- Bộ nhớ Cache là giải pháp làm cho CPU có điều kiện hoạt động thường xuyên mà không phải ngắt quãng chờ dữ liệu, vì vậy nhờ có bộ nhớ Cache mà hiệu quả xử lý tăng lên rất nhiều, tuy nhiên bộ nhớ Cache được làm bằng Ram tĩnh do vậy giá thành của chúng rất cao .

Sơ đồ cấu tạo của CPU

CPU có 3 khối chính đó là:

• ALU ( Arithmetic Logic Unit ) : Đơn vị số học lo gic : Khối này thực hiện các phép tính số học và logic cơ bản trên cơ sở các dữ liệu .
• Control Unit : Khối này chuyên tạo ra các lệnh điều khiển như điều khiển ghi hay đọc,…
• Registers : Các thanh ghi : Nơi chứa các lệnh trước và sau khi xử lý

Sơ đồ cấu tạo của CPU

Nguyên lý hoạt động của CPU

CPU hoạt động hoàn toàn phụ thuộc vào các mã lệnh, mã lệnh là tín hiệu số dạng 0,1 được dịch ra từ các câu lệnh lập trình. Vì vậy, CPU sẽ không làm gì cả nếu không có các câu lệnh hướng dẫn. Khi bạn chạy một chương trình thì các lệnh của chương trình đó được nạp lên bộ nhớ Ram, các lệnh này đã được dịch thành ngôn ngữ máy và thường trú trên các ngăn nhớ của Ram ở dạng 0,1. CPU sẽ đọc và làm theo các lệnh một cách lần lượt.

Nguyên tắc hoạt động của CPU là quá trình xử lý dữ liệu và thực hiện các phép tính. Dưới đây là một số nguyên tắc hoạt động cơ bản của CPU:

• Fetch (Lấy lệnh): Quá trình bắt đầu bằng việc CPU lấy một lệnh từ bộ nhớ chính (RAM) để thực thi. Địa chỉ của lệnh được lấy từ một con trỏ gọi là Instruction Pointer (IP) hoặc Program Counter (PC).
• Decode (Giải mã): Sau khi lệnh được lấy, CPU giải mã nó để hiểu cần thực hiện các hoạt động gì. Một đơn vị điều khiển (Control Unit) trong CPU giải mã lệnh thành các tín hiệu điều khiển cho các bộ phận khác của CPU.
• Execute (Thực thi): CPU thực hiện các phép tính hoặc các hoạt động được chỉ định bởi lệnh đã được giải mã. Các phép tính này có thể bao gồm cộng, trừ, nhân, chia, so sánh, gán giá trị, và nhiều hoạt động khác.
• Memory Access (Truy cập bộ nhớ): Trong quá trình thực thi, CPU có thể cần truy cập dữ liệu từ bộ nhớ chính hoặc lưu dữ liệu vào bộ nhớ. Các hoạt động này bao gồm đọc và ghi dữ liệu từ hoặc vào các vị trí bộ nhớ cụ thể.
• Write Back (Ghi trả lại): Cuối cùng, kết quả của phép tính hoặc các hoạt động thực hiện bởi CPU có thể được ghi trở lại bộ nhớ hoặc các bộ phận khác của hệ thống.

Sơ đồ thể hiện nguyên lý hoạt động của CPU

Trong suốt quá trình này, CPU có thể thực hiện hàng loạt các lệnh theo một chuỗi xử lý được gọi là "chu trình lệnh" (instruction cycle). CPU thường làm việc rất nhanh, thực hiện hàng triệu lệnh mỗi giây, và sử dụng các bộ nhớ cache để tối ưu hóa việc lấy lệnh và dữ liệu.

Ngoài ra, CPU còn có thể thực hiện nhiều lệnh đồng thời bằng cách sử dụng các nguyên tắc của kiến trúc đa luồng (multithreading) và kiến trúc đa nhân (multi-core), cho phép nhiều tác vụ được thực hiện song song trên các lõi xử lý khác nhau.

Như vậy trong bài viết này Trường Dạy nghề Bách Khoa Hà Nội đã cung cấp cho bạn những kiến thức học nghề máy tính cơ bản nhất về CPU. Trong phần tiếp theo, các dòng CPU và thông số kỹ thuật của chúng sẽ được hệ thống đầy đủ và chi tiết nhất nên các bạn đừng bỏ lỡ nhé!