Bộ xử lý trung tâm

Bộ xử lý trung tâm (còn gọi là đơn vị xử lý trung tâm; tiếng Anh central processing unit, viết tắt CPU) là thành phần chính và phức tạp nhất của máy tính điện tử bao gồm ba đơn vị chức năng: đơn vị số học và lô-gic - ALU (Arithmetic Logical Unit), đơn vị điều khiển - CU (Control Unit) và bộ nhớ chính (main memory). Trong quá trình máy tính hoạt động, đây là nơi thường xuyên và thực sự xảy ra quá trình tính toán.

Các đơn vị chức năng của máy tính điện tử và mối quan hệ giữa chúng: các đường liền nét là các đường truyền dữ liệu (người ta thường coi lệnh của các chương trình là dữ liệu cho CU); các đường nét đứt là các đường truyền tín hiệu điều khiển

Máy tính điện tử từ khi ra đời cho tới nay, mặc dù đã trải qua nhiều thế hệ, đang tiếp tục được cải tiến, phát triển nhưng nhìn chung vẫn bao gồm CPU, bộ nhớ ngoài và các thiết bị vào, thiết bị ra được kết nối với nhau:

1. CPU:
   1. ALU: có nhiệm vụ thực hiện các phép toán số học và logic theo sự điều khiển của đơn vị điều khiển. Các phép toán mà ALU thực hiện thường là khá đơn giản và không nhiều.
   2. CU: có nhiệm vụ điều khiển sự hoạt động của tất các các thành phần của hệ thống máy tính theo chương trình mà nó được giao thi hành.
   3. Bộ nhớ chính, hay còn gọi là bộ nhớ trong: có nhiệm vụ chứa các chương trình và dữ liệu trước và trong khi chương trình được thi hành. Bộ nhớ chính gồm bộ nhớ có thể đọc và ghi được – RAM (Random Access Memory) và bộ nhớ chỉ có thể đọc – ROM (Read Only Memory).
2. Các thiết bị ngoại vi:
   1. Thiết bị vào (input device): có nhiệm vụ nhận các thông tin từ thế giới bên ngoài, biến đổi sang dạng số một cách thích hợp rồi đưa vào bộ nhớ trong. Thí dụ về thiết bị vào: bàn phím, con chuột, các loại ổ đĩa khi đọc.
   2. Thiết bị ra (output device): có nhiệm vụ đưa thông tin số từ bộ nhớ trong ra ngoài dưới những dạng mà con người yêu cầu. Thí dụ về thiết bị ra: máy in, các loại ổ đĩa khi ghi, màn hình không có đặc tính cảm ứng.
   3. Các thiết bị ngoại vi khác, như bộ nhớ ngoài

Hoạt động

Có thể mô tả sự hoạt động của máy tính một cách khái quát như sau:

• Trước hết các chương trình và số liệu ban đầu được đưa vào bộ nhớ chính/trong, đó thường là bộ nhớ bán dẫn RAM.
• Khi bắt đầu thi hành chương trình, lệnh đầu tiên trong tập lệnh đã được tích luỹ ở bộ nhớ trong được đưa vào bộ điều khiển - CU.
• CU tiến hành giải mã lệnh, nếu việc giải mã cho thấy lệnh cần một hay một số con số (toán hạng) thì nó sẽ xác định xem toán hạng đó nằm ở đâu trong bộ nhớ, việc này thường được gọi là tính địa chỉ các toán hạng.
• Sau khi tính địa chỉ toán hạng, CU sẽ phát ra các tín hiệu điều khiển tới các thành phần cần thiết của hệ thống để lấy các toán hạng về, đặt vào các thanh ghi bên trong đơn vị ALU.
• CU phát tín hiệu điền khiển tới ALU để ALU thực hiện phép toán trên các toán hạng đã lấy về. Kết quả của phép toán có thể được để trong ALU để nó tham gia vào các phép toán tiếp theo hoặc được đưa ra bộ nhớ trong, điều này tuỳ thuộc vào mã lệnh mà CU đã nhận vào và giải mã.
• Nếu CU giải mã và thấy rằng, mã lệnh cho biết cần tiến hành rẽ nhánh chương trình, nó sẽ tính địa chỉ bộ nhớ của lệnh kế tiếp cần thực hiện và phát ra các tín hiệu điều khiển để lấy lệnh kế tiếp về, sau đó mọi việc lại diễn ra tương tự như trên.
• Nếu sau khi giải mã, CU thấy rằng không cần rẽ nhánh chương trình, nó sẽ phát ra các tín hiệu điều khiển để lấy từ bộ nhớ chính về lệnh đứng ngay sau lệnh mà nó đang thực hiện, sau đó mọi việc lại diễn ra tương tự như trên.

Quan hệ giữa bộ nhớ chính và ALU là quan hệ 2 hướng, tức là số liệu sau khi đã được đưa vào xử lý trong ALU theo đúng ý muốn của người lập chương trình sẽ lại được đưa ra bộ nhớ trong để sau đó khi có lệnh từ CU số liệu này có thể được đưa ra thiết bị ra.

Qua các mối quan hệ nêu trên ta thấy rằng CU, ALU và bộ nhớ chính tham gia thường xuyên và trực tiếp vào quá trình xử lý số liệu, chính vì vậy mà chúng còn được gọi là đơn vị xử lý trung tâm (CPU - Central Processing Unit).

Tập hợp các thiết bị vào và thiết bị ra thường được gọi bằng một cái tên chung là thiết bị ngoại vi (peripherals, I/O Devices). Có những thiết bị trong quá trình hoạt động của máy tính khi thì đóng vai trò của thiết bị vào, khi thì đóng vai trò của thiết bị ra. Có một số thiết bị vào và một số thiết bị ra là thiết bị nhớ ngoài, chúng tạo nên bộ nhớ ngoài. Thông tin trao đổi giữa bộ nhớ ngoài và hệ thống máy tính luôn thông qua bộ nhớ trong, dưới sự điều khiển của CU. Bộ nhớ ngoài của các máy tính ngày nay được sử dụng thường xuyên nên tốc độ hoạt động của chúng ảnh hưởng nhiều tới tốc độ chung của hệ thống máy tính. Các thiết bị ngoại vi khác cũng có vai trò quan trọng, đó là các máy móc, thiết bị để liên kết máy tính điện tử với thế giới bên ngoài, trong đó có mạng Internet.

Lịch sử

Trong các máy tính điện tử thế hệ thứ nhất và thứ hai, các đơn vị chức năng tạo thành CPU gồm CU, ALU và bộ nhớ chính thường được xây dựng thành các mô-đun độc lập, tách biệt nhau rất rõ ràng, người ta có thể mở máy ra và chỉ rõ đâu là các mạch điện thực hiện chức năng ALU, đâu là các mạch điện thực hiện chức năng CU.

Đến thế hệ máy tính thứ ba và thứ tư người ta đã sử dụng các mạch tích hợp (IC), các đơn vị chức năng CU, ALU có thể được xây dựng từ một hoặc một số mạch tích hợp. Các đơn vị này và một bộ nhớ đặc biệt có tốc độ cao, nhỏ, được gọi là các thanh ghi (register) thường được bố trí gần nhau.

Các máy tính điện tử thế hệ thứ tư đều sử dụng các mạch tích hợp cỡ rất lớn - VLSI (Very Large Scale Integrator), người ta đã tích hợp được vào trong một con chip hàng trăm nghìn, thậm chí hàng triệu transistor và một số linh kiện khác, các linh kiện này đủ để xây dựng nên các đơn vị chức năng CU, ALU và một vài bộ nhớ tốc độ cao, đó thường là một tập các thanh ghi hoặc bộ nhớ đệm (xt. bộ nhớ đệm). Các chip có thể thực hiện được chức năng như một CPU đầy đủ như vậy được gọi là bộ vi xử lý (microprocessor). Trong các máy tính, tuy bộ vi xử lý đã có bộ nhớ trong của nó nhưng vẫn cần có một bộ nhớ đọc/ghi được làm bộ nhớ chính, ngày nay đó là bộ nhớ RAM.

Máy tính cá nhân thời kỳ mới ra đời chỉ có một CPU, nhưng các máy tính cá nhân sau này có thể có hai CPU hoặc nhiều hơn. Máy tính lớn thời kỳ đầu cũng chỉ có một CPU, nhưng ngày nay nó có thể có hàng chục, hàng trăm CPU hoặc nhiều hơn thế nữa. Trong các máy tính có nhiều CPU, mỗi CPU thành phần không còn là “trung tâm” nữa, khi đó người ta thường gọi nó là bộ xử lý.

Tài liệu tham khảo

1. A. S. Tannenbaum, Structured Computer Organization, 6th Edition, Pearson, 2013. ISBN 10: 0-13-291652-5, ISBN 13: 978-0-13-291652-3.
2. Benjamin W. Wah, Wiley Encyclopedia of Computer Science and Engineering, Publisher: Wiley-interscience, 2008. ISBN-10: 0471383937, ISBN-13: 978-0471383932.
3. Britannica Concise Encyclopedia, Revised and Expanded Edition, Publisher: Encyclopædia Britannica, Inc, 2006. ISBN: 978-1-59339-492-9.