Bộ vi xử lý là loại bộ xử lý máy tính hiện đại phổ biến nhất. Nó kết hợp các thành phần và chức năng của một bộ xử lý trung tâm (CPU) thành một mạch tích hợp (IC) duy nhất hoặc một vài IC được kết nối.

Giống như CPU, bộ vi xử lý thường được coi là "bộ não" của máy tính. Không giống như CPU ​​truyền thống, bộ vi xử lý tích hợp các mạch số học, logic và điều khiển của các CPU truyền thống hơn vào một mạch kỹ thuật số đa năng, được điều khiển bằng xung nhịp và dựa trên thanh ghi.

Mặc dù thuật ngữ CPU và vi xử lý thường được sử dụng thay thế cho nhau, nhưng về cơ bản, vi xử lý là một CPU tích hợp trên một chip duy nhất. Thiết kế chip đơn này giúp giảm số lượng kết nối điện dễ bị tổn thương, cải thiện độ tin cậy bằng cách giảm các điểm lỗi tiềm ẩn. Do đó, vi xử lý đã gần như thay thế hoàn toàn các CPU đa thành phần truyền thống.

Trước khi có vi xử lý, máy tính sử dụng các giá đỡ IC để thực hiện các chức năng tính toán chính. Năm 1971, một bước chuyển mình đáng kể đã diễn ra trong công nghệ máy tính với sự ra đời của Intel 4004, bộ vi xử lý thương mại đầu tiên. Thiết bị đột phá này, do Federico Faggin thiết kế, không chỉ là câu trả lời cho yêu cầu 12 vi mạch tùy chỉnh cho máy tính bỏ túi từ nhà sản xuất thiết bị điện tử Nhật Bản Busicom. Đó là một khoảnh khắc mang tính bước ngoặt đã cách mạng hóa cách chúng ta nghĩ về điện toán, khi Intel, thay vì sản xuất 12 chip riêng lẻ, đã tạo ra một thiết bị logic đa năng.

Không đủ mạnh so với tiêu chuẩn hiện nay, kiến ​​trúc Intel 4004 hoạt động ở tốc độ xung nhịp 740 kHz và chỉ có thể xử lý các luồng dữ liệu tối đa 4 bit, còn được gọi là "nibble". Mặc dù 4004 yếu hơn so với các bộ vi xử lý 8 bit đến 64 bit hiện đại, nhưng nó được coi là một bước đột phá mang tính cách mạng trong lĩnh vực mạch điện. Đúng như định luật Moore dự đoán, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán dẫn đã dẫn đến những cải tiến đáng kể về sức mạnh xử lý. Được sản xuất bởi các nhà cung cấp hàng đầu, chẳng hạn như Intel và Pentium, và được sử dụng bởi tất cả các công ty công nghệ lớn, chẳng hạn như IBM®, Microsoft và Apple, bộ vi xử lý cung cấp năng lượng cho hàng nghìn hệ thống và ứng dụng, từ điều khiển từ xa TV đến Trạm Vũ trụ Quốc tế.

Bộ vi xử lý hoạt động như thế nào?

Các bộ vi xử lý hiện đại kết hợp hàng triệu bóng bán dẫn, điện trở và điốt nhỏ được lắp ráp trên một vật liệu bán dẫn  để tạo nên các thành phần chính của CPU. Các thành phần này được sắp xếp thành nhiều loại kiến ​​trúc máy tính độc đáo khác nhau để thực hiện các phép tính và chạy lệnh. Chức năng của một bộ vi xử lý trung bình có thể được chia thành bốn bước chính.

Các bước chính của bộ vi xử lý

1. Lấy lệnh: Bộ vi xử lý lấy (hoặc "lấy") lệnh từ bộ nhớ máy tính. Quá trình lấy lệnh có thể được khởi tạo bằng cách nhập lệnh tự động hoặc thủ công.
2. Giải mã: Bộ vi xử lý "giải mã" các hướng dẫn, về cơ bản là diễn giải đầu vào hoặc lệnh thành một yêu cầu và kích hoạt một quy trình hoặc tính toán cụ thể.
3. Thực thi: Nói một cách đơn giản, bộ vi xử lý thực hiện thao tác cần thiết hoặc theo yêu cầu.
4. Lưu trữ: Kết quả thực hiện được ghi vào bộ nhớ của máy tính.

Các thành phần của bộ vi xử lý

Bộ vi xử lý có thể hoàn thành các quy trình này bằng cách kết hợp các thành phần chính của CPU thành một mạch duy nhất. Các thành phần chính của bộ vi xử lý bao gồm:

• Đơn vị logic số học (ALU): Đơn vị logic chính của CPU, thành phần này thực hiện các phép tính logic, bao gồm các phép tính toán học và so sánh dữ liệu.
• Đơn vị điều khiển (CU): Mạch CU giải thích các lệnh và bắt đầu thực thi chúng, chỉ đạo các hoạt động cơ bản của bộ xử lý.
• Thanh ghi: Thanh ghi cung cấp bộ nhớ lưu trữ nhỏ, nhanh được CPU sử dụng để lưu trữ tạm thời dữ liệu và lệnh trong quá trình tính toán.
• Bộ nhớ đệm: Bộ vi xử lý và CPU sử dụng bộ nhớ đệm, một dạng bộ nhớ tốc độ cao nằm gần CPU, để lưu trữ dữ liệu thường xuyên truy cập nhằm tăng tốc hiệu suất.
• Bus và giao diện bus: Giao diện bus cung cấp các điểm vào và ra cho dữ liệu di chuyển qua các nhóm dây dẫn khác nhau (gọi là bus), chẳng hạn như bus địa chỉ hoặc bus dữ liệu. Bus và giao diện kết nối vật lý các thành phần bên trong khác nhau, cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao tiếp giữa CPU và các thiết bị ngoại vi khác như các đơn vị đầu vào/đầu ra (I/O).
• Transistor: Một trong những thành phần chính của IC, transistor là những chất bán dẫn nhỏ có chức năng điều chỉnh, khuếch đại và tạo ra dòng điện và tín hiệu. Chúng cũng có thể hoạt động như những công tắc đơn giản hoặc được kết hợp để tạo thành các cổng logic. Số lượng transistor là một chỉ số phổ biến về sức mạnh của bộ vi xử lý.
• Lõi bộ xử lý: Các đơn vị xử lý riêng lẻ trong bộ vi xử lý được gọi là lõi. Bộ xử lý hiện đại thường tích hợp nhiều lõi (lõi kép, lõi tứ) cho phép xử lý song song bằng cách thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc.
• Xung nhịp: Mặc dù không phải tất cả bộ vi xử lý đều có xung nhịp bên trong, nhưng tất cả đều được điều khiển bằng xung nhịp. Một số bộ vi xử lý dựa vào chip xung nhịp bên ngoài, vốn được biết đến với độ chính xác cao hơn. Dù là xung nhịp bên trong hay bên ngoài, chu kỳ xung nhịp của bộ vi xử lý sẽ quyết định tần số mà nó sẽ thực hiện các lệnh. Tốc độ xung nhịp hiện đại được đo bằng megahertz (MHz) và gigahertz (GHz).

Kiến trúc vi xử lý

Kiến trúc của bộ vi xử lý đề cập đến các phương pháp thiết kế và tổ chức khác nhau của các thành phần CPU khác nhau của bộ vi xử lý. Sau đây là các yếu tố kiến ​​trúc chính của bộ vi xử lý:

• Kiến trúc Tập lệnh (ISA): ISA của bộ vi xử lý xác định tập lệnh mà bộ xử lý có thể thực hiện. Các ISA như kiến ​​trúc Máy tính Tập lệnh Rút gọn (RISC) và Máy tính Tập lệnh Phức tạp (CISC) cung cấp nhiều phương pháp xử lý dữ liệu khác nhau, mang lại hiệu suất, độ tin cậy và tốc độ khác nhau, phù hợp với các loại ứng dụng khác nhau.
• Đường dẫn dữ liệu: Đường dẫn dữ liệu của bộ vi xử lý quyết định thứ tự dữ liệu di chuyển qua các thành phần của bộ vi xử lý (bus, ALU, thanh ghi), ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể.
• Đường dẫn điều khiển: Tương tự như đường dẫn dữ liệu, phần tử đường dẫn điều khiển trong kiến ​​trúc bộ vi xử lý hướng dẫn trình tự hoạt động và quản lý việc truyền dữ liệu trong CPU.
• Hệ thống phân cấp bộ nhớ: Hệ thống phân cấp bộ nhớ là thành phần quan trọng của kiến ​​trúc bộ xử lý, cung cấp cấu trúc cho các cấp bộ nhớ khác nhau (bộ nhớ đệm, thanh ghi, RAM ) để tối ưu hóa tốc độ truy cập và truy xuất dữ liệu hiệu quả.

Các loại vi xử lý và trường hợp sử dụng

Bộ vi xử lý có nhiều biến thể về công suất, hiệu suất, phương pháp kiến ​​trúc, kích thước, mức tiêu thụ năng lượng và nhiều biến số khác, và được thiết kế cho mọi loại ứng dụng. Bộ vi xử lý đa năng phổ biến trong máy tính cá nhân và thiết bị di động, trong khi các bộ phận hiệu suất cao chuyên dụng như Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) được thiết kế cho các tác vụ đòi hỏi khắt khe như xử lý âm thanh, giọng nói, video và hình ảnh.

Sau đây là một số loại vi xử lý chính.

Bộ vi xử lý đa năng

• Các bộ vi xử lý đa năng này được tìm thấy trong nhiều ứng dụng và thiết bị phổ biến, chẳng hạn như máy tính xách tay và máy chủ.

Vi điều khiển

• Mặc dù nói rằng vi điều khiển chứa vi xử lý thì chính xác hơn, nhưng loại chip này cũng có tất cả các thành phần bổ sung cần thiết cho một máy tính hoạt động, cụ thể là bộ nhớ tích hợp. Vi điều khiển hoạt động giống như máy vi tính và được ưu tiên sử dụng để điều khiển các thành phần cụ thể trong hệ thống máy tính nhúng. Vi điều khiển nhỏ gọn, công suất thấp không yêu cầu hệ điều hành phức tạp để chạy và thường được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô để tối ưu hóa Bộ điều khiển động cơ (ECU), Hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS) và các thiết bị thông tin giải trí, cũng như một loạt các thiết bị điện tử tiêu dùng và thậm chí cả tự động hóa công nghiệp.

Bộ xử lý tín hiệu số (DSP)

• DSP chuyên dụng cho các phép tính số tốc độ cao và thường được sử dụng cho các tác vụ đòi hỏi cao như xử lý âm thanh, viễn thông và xử lý hình ảnh. Chúng cũng có thể được tìm thấy trong các ứng dụng yêu cầu diễn giải tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, chẳng hạn như cảm biến thời tiết. DSP thường được sử dụng trong các ứng dụng quân sự như máy bay không người lái giám sát và các loại máy bay tự hành khác.

Mạch tích hợp ứng dụng cụ thể (ASIC)

• Vi xử lý ASIC được thiết kế cho các tác vụ cụ thể và được tùy chỉnh để đáp ứng nhu cầu cụ thể của nhiều ứng dụng khác nhau. Một số ví dụ về vi xử lý ASIC bao gồm chip tùy chỉnh cho máy chơi game hoặc khai thác tiền điện tử. DSP, GPU và các loại vi xử lý chuyên dụng khác về mặt kỹ thuật cũng là ASIC.

Bộ xử lý đồ họa (GPU)

• Bộ vi xử lý GPU được thiết kế đặc biệt cho nhiệm vụ đòi hỏi hiệu năng cao và xử lý song song, đặc biệt quan trọng đối với game cao cấp. Bộ vi xử lý GPU mạnh mẽ cũng thường được sử dụng trong khai thác tiền điện tử và được biết đến với mức tiêu thụ điện năng cao.

Bộ xử lý mạng

• Một loại vi xử lý ASIC được tối ưu hóa đặc biệt để xử lý các gói dữ liệu mạng thường được sử dụng trong các thiết bị chuyển mạch viễn thông, bộ định tuyến và thiết bị bảo mật mạng.

Bộ đồng xử lý

• Bộ đồng xử lý, chẳng hạn như bộ xử lý dấu phẩy động (FPU), được thiết kế để cung cấp hỗ trợ phụ cho CPU chính của hệ thống nhằm tăng hiệu suất trong một số tác vụ đòi hỏi khắt khe, chẳng hạn như thực hiện các phép tính khoa học nâng cao hoặc các công thức toán học phức tạp.