CPU hoạt động như thế nào?
Từ công tắc điện đến hàng tỷ transistor chạy chương trình
CPU là gì và nó làm gì?
Cái thùng máy dưới gầm bàn có phải là CPU không?
Nhiều người gọi cả thùng máy dưới gầm bàn là “CPU”.
Thực ra không phải.
Thùng máy chỉ là cái vỏ chứa nhiều linh kiện: bo mạch chủ, nguồn, RAM, SSD, card đồ hoạ và CPU.
CPU thật sự chỉ là một con chip nhỏ.
Tên đầy đủ của CPU là Central Processing Unit — bộ xử lý trung tâm.
Công việc chính của nó khá đơn giản:
Đọc lệnh của chương trình và thực hiện các lệnh đó.
CPU thực sự làm gì?
Khi bạn mở Calculator và bấm:
5 + 3
máy tính phải thực hiện một loạt việc nhỏ:
- Nhận số 5.
- Nhớ rằng bạn vừa bấm dấu cộng.
- Nhận số 3.
- Cộng 5 với 3.
- Đưa kết quả 8 ra màn hình.
CPU là bộ phận thực hiện những phép xử lý như vậy.
Một chương trình lớn như Chrome, Excel hay game cũng hoạt động theo nguyên tắc tương tự. Nó chỉ có rất nhiều lệnh hơn.
CPU liên tục:
lấy lệnh → thực hiện → lấy lệnh tiếp theo
Quá trình này diễn ra hàng tỷ lần mỗi giây trên CPU hiện đại.
Chương trình nằm ở đâu?
CPU không tự biết phải làm gì.
Nó cần chương trình cung cấp lệnh.
Ví dụ:
- Chrome chứa các lệnh để hiển thị trang web.
- Calculator chứa các lệnh để tính toán.
- Game chứa các lệnh để xử lý nhân vật, vật lý, âm thanh và nhiều thứ khác.
Khi máy đang tắt, các chương trình này thường nằm trên SSD.
Khi bạn mở một chương trình, hệ điều hành đưa phần cần thiết của nó vào RAM.
CPU sau đó đọc lệnh từ bộ nhớ và thực hiện.
Có thể hình dung đường đi đơn giản như sau:
SSD → RAM → CPU → kết quả
CPU, RAM và SSD khác nhau thế nào?
Ba linh kiện này rất dễ bị nhầm vì chúng đều liên quan đến dữ liệu.
| Bộ phận | Công việc chính |
|---|---|
| CPU | thực hiện lệnh và tính toán |
| RAM | giữ dữ liệu và chương trình đang được sử dụng |
| SSD | lưu chương trình và dữ liệu lâu dài |
| GPU | xử lý nhiều phép tính song song, đặc biệt là đồ hoạ |
RAM chỉ giữ dữ liệu tạm thời. Tắt máy thì dữ liệu trong RAM mất.
SSD thì khác. Ảnh, tài liệu và ứng dụng vẫn còn sau khi tắt máy.
Một cách nhớ nhanh:
- SSD: nơi lưu dữ liệu lâu dài.
- RAM: nơi giữ thứ đang dùng.
- CPU: nơi xử lý.
- GPU: bộ xử lý chuyên làm nhiều phép tính song song.
Từ cú bấm 5 + 3 tới số 8
Thử mô phỏng dưới đây.
Bấm “5 + 3”, sau đó đi từng bước để xem dữ liệu di chuyển giữa SSD, RAM, CPU và màn hình.
- Bước 1. Ứng dụng Calculator nằm trên SSD, dưới dạng một file chứa code của chương trình. Tắt máy thì file vẫn còn.
- Bước 2. Bạn mở Calculator. Hệ điều hành chép phần code cần chạy từ SSD vào RAM, vì SSD quá chậm để CPU đọc từng lệnh ở đó.
- Bước 3. Bạn bấm 5 + 3. CPU lấy từ RAM các lệnh xử lý phím bấm và phép cộng, lần lượt từng lệnh một.
- Bước 4. CPU thực hiện các lệnh đó. Một trong số chúng cộng 5 với 3 và ra 8.
- Bước 5. Kết quả được đưa ra màn hình, và số 8 hiện lên. Toàn bộ quá trình mất chưa tới một giây.
Điểm quan trọng cần nhớ là:
CPU không chạy chương trình trực tiếp từ SSD.
Khi mở một ứng dụng, hệ điều hành đưa phần cần chạy vào RAM trước. CPU sau đó lấy lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ để xử lý.
RAM nhanh hơn SSD rất nhiều, vì vậy CPU không phải chờ SSD sau mỗi lệnh.
Xem CPU trên máy của bạn
Bạn có thể xem CPU đang làm việc mà không cần mở máy.
Trên Windows:
Ctrl + Shift + Esc → Task Manager
Trên macOS:
Activity Monitor
Bạn sẽ thấy từng ứng dụng và lượng CPU mà chúng đang sử dụng.
Ví dụ, khi bạn mở một trang web nặng hoặc chạy chương trình tính toán, mức sử dụng CPU có thể tăng.
Ngược lại, một trình duyệt mở rất nhiều tab có thể dùng nhiều RAM nhưng không dùng nhiều CPU nếu các tab đang đứng yên.
Đây cũng là lý do máy chậm không phải lúc nào cũng do CPU. Có thể CPU vẫn còn rảnh nhưng RAM đã gần đầy.
Nhưng còn một câu hỏi quan trọng.
Ta vừa nói CPU có thể nhận số 5, số 3 và thực hiện lệnh cộng.
CPU lại chỉ là một mạch điện.
Vậy số 5 và lệnh “cộng” thực sự tồn tại bên trong máy tính dưới dạng gì?