2.1.1. Sơ đồ chức năng tổng thể của CPU
Để máy vi tính có thể chạy được hệ điều hành, phần mềm hoặc xử lý các gói tin trên mạng, bộ não trung tâm là CPU (Central Processing Unit) phải thực hiện việc tính toán và điều phối mọi dữ liệu.
Về mặt chức năng tổng quát, CPU được chia thành 3 khối lớn độc lập nhưng phối hợp nhịp nhàng với nhau:
Khối đường dẫn dữ liệu (Datapath): Nơi dữ liệu trực tiếp di chuyển, lưu trữ tạm thời và biến đổi.
Khối điều khiển (Control Unit – CU): Cơ quan chỉ huy, điều phối mọi nhịp bước hoạt động của CPU.
Khối giao tiếp hệ thống (Bus Interface Unit – BIU): Cửa ngõ kết nối, đưa nhận tín hiệu giữa bên trong CPU và phần cứng bên ngoài bo mạch chủ.
2.1.1.1. Khối đường dẫn dữ liệu (Datapath)
Khái niệm:
Nếu ví CPU như một nhà máy sản xuất, thì Datapath chính là hệ thống “băng chuyền và phân xưởng sản xuất”.
Đây là tuyến đường vật lý thực tế mà các con số nhị phân (0 và 1) chạy qua, được nhào nặn, tính toán và lưu tạm trong lúc chờ kết quả.
Nhiệm vụ chính:
Vận chuyển dữ liệu nội bộ giữa các bộ phận của CPU với nhau.
Thực hiện trực tiếp các phép tính cộng, trừ, nhân, chia và các phép so sánh đúng/sai.
Lưu trữ tạm thời các giá trị đang xử lý dở dang để CPU không phải tốn thời gian chạy ra ngoài bộ nhớ RAM lấy lại.
Các thành phần cốt lõi bên trong Datapath:
Khối tính toán số học và logic (ALU – Arithmetic Logic Unit): Nơi trực tiếp tính toán các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia) và các phép toán logic (AND, OR, NOT, so sánh lớn hơn/nhỏ hơn).
Tập thanh ghi làm việc (Internal Registers): Các ngăn nhớ siêu nhỏ, tốc độ phản hồi cực nhanh đặt ngay trên chip CPU để chứa các con số trước và sau khi tính.
Tuyến Bus nội bộ (Internal Data Bus): Các đường dây dẫn siêu nhỏ trên tấm bán dẫn của CPU, làm nhiệm vụ vận chuyển các bit từ thanh ghi này sang thanh ghi khác hoặc chạy vào bộ ALU.
Ví dụ thực tế:
Khi máy tính thực hiện lệnh tính tiền:
Tổng = Giá_tiền + Thuế:Giá tiền và tiền thuế sẽ được đặt vào 2 thanh ghi tạm thời bên trong Datapath.
Tuyến bus nội bộ đẩy 2 số này vào khối ALU.
Khối ALU làm phép cộng nhị phân và đẩy con số kết quả quay trở lại lưu vào một thanh ghi khác.
Toàn bộ quá trình dữ liệu đi lại và biến đổi đó gọi chung là hoạt động của Datapath.
2.1.1.2. Khối điều khiển (Control Unit – CU)
Khái niệm:
Nếu ví CPU như một nhà máy sản xuất, thì Datapath chính là hệ thống “băng chuyền và phân xưởng sản xuất”.
Đây là tuyến đường vật lý thực tế mà các con số nhị phân (0 và 1) chạy qua, được nhào nặn, tính toán và lưu tạm trong lúc chờ kết quả.
Nhiệm vụ chính:
Vận chuyển dữ liệu nội bộ giữa các bộ phận của CPU với nhau.
Thực hiện trực tiếp các phép tính cộng, trừ, nhân, chia và các phép so sánh đúng/sai.
Lưu trữ tạm thời các giá trị đang xử lý dở dang để CPU không phải tốn thời gian chạy ra ngoài bộ nhớ RAM lấy lại.
Các thành phần cốt lõi bên trong Datapath:
Khối tính toán số học và logic (ALU – Arithmetic Logic Unit): Nơi trực tiếp tính toán các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia) và các phép toán logic (AND, OR, NOT, so sánh lớn hơn/nhỏ hơn).
Tập thanh ghi làm việc (Internal Registers): Các ngăn nhớ siêu nhỏ, tốc độ phản hồi cực nhanh đặt ngay trên chip CPU để chứa các con số trước và sau khi tính.
Tuyến Bus nội bộ (Internal Data Bus): Các đường dây dẫn siêu nhỏ trên tấm bán dẫn của CPU, làm nhiệm vụ vận chuyển các bit từ thanh ghi này sang thanh ghi khác hoặc chạy vào bộ ALU.
Ví dụ thực tế:
Khi máy tính thực hiện lệnh tính tiền:
Tổng = Giá_tiền + Thuế:Giá tiền và tiền thuế sẽ được đặt vào 2 thanh ghi tạm thời bên trong Datapath.
Tuyến bus nội bộ đẩy 2 số này vào khối ALU.
Khối ALU làm phép cộng nhị phân và đẩy con số kết quả quay trở lại lưu vào một thanh ghi khác.
Toàn bộ quá trình dữ liệu đi lại và biến đổi đó gọi chung là hoạt động của Datapath.
2.1.1.3. Khối giao tiếp hệ thống (Bus Interface Unit)
Khái niệm:
CPU dù có mạnh đến đâu cũng nằm cô lập bên trong con chip nhỏ bé. Để lấy được phần mềm từ RAM hoặc nhận dữ liệu mạng từ cổng card mạng, CPU cần một “Cửa ngõ xuất nhập khẩu” hay “Bộ phận tiếp tân”.
Khối đó chính là Khối giao tiếp hệ thống (Bus Interface Unit – BIU), hay khối phối ghép vào/ra nội bộ.
Nhiệm vụ chính:
Kết nối và chuyển tiếp: Làm cầu nối giữa các đường dây bus chạy bên trong lõi CPU với hệ thống Bus ngoài trên bo mạch chủ (Mainboard).
Quản lý địa chỉ: Đưa địa chỉ ô nhớ cần đọc/ghi ra tuyến Bus địa chỉ (Address Bus) để định vị chính xác vị trí ô RAM cần tìm.
Nạp và xuất dữ liệu: Tiếp nhận lệnh và dữ liệu thô từ RAM vào nạp sẵn cho CPU, đồng thời đẩy kết quả đã xử lý xong từ trong CPU gửi ra ngoài các thiết bị ngoại vi hoặc thanh RAM.
Điều phối nhiều nhân xử lý: Trong các chip vi xử lý đa lõi (Multicore) hiện nay, khối giao tiếp hệ thống còn chịu trách nhiệm kết nối và phân luồng dữ liệu nhịp nhàng giữa các nhân CPU chạy song song với nhau.
Ví dụ thực tế đối với nghề mạng:
Khi máy tính tải một trang web về, dữ liệu từ card mạng LAN sẽ được đẩy qua bo mạch chủ vào RAM. Khối giao tiếp hệ thống (BIU) của CPU sẽ thay mặt CPU ra lệnh đọc dữ liệu đó từ RAM vào trong lõi để khối CU và Datapath tiến hành bóc tách gói tin và hiển thị lên trình duyệt.