Những năm về trước, người dùng không có nhiều lựa chọn cho kiến trúc của CPU. Kiến trúc x86 và x64 lần lượt do Intel và AMD sản xuất đã thống trị thị trường Chip máy tính trong một thời gian dài. Mặc dù đã có từ vài thập kỷ trước, phần lớn PC, laptop hiện nay đều sử dụng CPU kiến trúc x86.

Tuy nhiên trong những năm gần đây đã xuất hiện một đối thủ cạnh tranh mới đó là ARM. Vậy x86 và ARM là gì, sự khác biệt giữa chúng ra sao và nên chọn kiến trúc nào, hãy cùng bài viết tìm hiểu nhé.

Kiến trúc vi xử lý là gì?

Kiến trúc vi xử lý (processor architecture) là cách thức tổ chức và thiết kế các thành phần của một vi xử lý (processor) để thực hiện các tác vụ xử lý thông tin. Kiến trúc của một bộ vi xử lý bao gồm các thành phần như: bộ điều khiển (control unit), bộ nhớ (memory), bộ xử lý (ALU), bộ đệm (cache), các thanh ghi (registers) và các đường truyền dữ liệu (data paths).

Kiến trúc vi xử lý quyết định khả năng xử lý tốc độ và hiệu suất của một vi xử lý. Các kiến trúc vi xử lý phổ biến hiện nay bao gồm x86, ARM, MIPS, PowerPC, SPARC và RISC-V.

Kiến trúc x86 là gì?

x86 là tập lệnh được sử dụng rộng rãi nhất trên PC. Tập lệnh này có từ những năm 1970. Sau khi ra mắt chip 4-bit vào năm 1971 (bộ vi xử lý đầu tiên), Intel đã giới thiệu bộ CPU 8008 8-bit vào năm 1972. Và ngay sau đó vào năm 1974, hãng cũng giới thiệu đến người dùng Chip 8080 8-bit.

Vào năm 1978, Intel ra mắt Chip 8086. Và từ đó, kiến trúc x86 xuất hiện với các phiên bản kế nhiệm 80186, 80286, 80386, 80486,… Tuy nhiên những gì chúng ta biết ngày nay về kiến trúc x86 có vẻ như không liên quan lắm với CPU 8086.

Thay vào đó, tổ tiên của tất cả các bộ vi xử lý x86 hiện có trên thị trường là CPU 80386 của Intel, được ra mắt 7 năm sau đó (1985). Hơn thế nữa, đây là sản phẩm đầu tiên chạy tập lệnh 32-bit trong khi vẫn giữ được khả năng chạy chính xác mã 16-bit cũ chạy trên các CPU có thiết kế dựa trên dòng 8086. Ngoài ra x86 đôi khi còn được gọi là i386 hoặc IA-32.

Theo thời gian, kiến trúc này được mở rộng lên 64-bit. Đây là kiến trúc được sử dụng bởi tất cả các CPU hiện nay và được gọi là x86-64, x64, hay AMD64.

Trên thực tế, chính AMD chứ không phải Intel mới là hãng phát triển kiến x64. AMD đã dựa vào kiến trúc x86 để tạo ra tập lệnh x64 và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Trong khi đó, Intel vẫn đang nghiên cứu giải pháp thay thế 64-bit của riêng mình, đó là IA-64 và không tương thích ngược với x86.

Nguyên lý hoạt động của kiến trúc x86

Chip x86 hoạt động theo kiến trúc von Neumann, trong đó các dữ liệu và chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ chung. Khi CPU cần thực hiện một lệnh, nó sẽ lấy lệnh đó từ bộ nhớ và thực hiện các phép tính tương ứng.

Các lệnh được mã hóa dưới dạng các mã máy, được CPU đọc và thực hiện theo thứ tự tuần tự. CPU cũng có các thanh ghi (register) để lưu trữ các giá trị tạm thời trong quá trình tính toán.

Ngoài ra chip x86 còn có các chế độ hoạt động khác nhau bao gồm chế độ thực (real mode) và chế độ bảo vệ (protected mode). Chế độ thực cho phép CPU truy cập trực tiếp vào bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi, trong khi chế độ bảo vệ sẽ giới hạn quyền truy cập của CPU để bảo vệ hệ thống khỏi các lỗi và tấn công từ bên ngoài.

Kiến trúc ARM là gì?

ARM (Advanced RISC Machine) là một họ kiến trúc dạng RISC cho các vi xử lý máy tính, được cấu hình cho các môi trường khác nhau. Mặc dù cái tên này nghe có vẻ khá xa lạ đối với chúng ta, tuy nhiên Chip ARM lại có lịch sử lâu đời hơn bạn nghĩ rất nhiều và đang dần được sử dụng rộng rãi trên PC.

CPU ARM đầu tiên được giới thiệu vào năm 1985, cùng với năm ra mắt của Chip Intel 80386. Nó có tên là ARM1, có tốc độ xung nhịp 6MHz và được phát triển bởi Arcorn Computers.

Vài năm sau đó, nó đã được cải tiến và thiết bị đầu tiên hỗ trợ Chip ARM đó là máy tính RiscPC. Thiết bị ARM đầu tiên chính là một chiếc máy tính.

Tuy vậy, với sự thống trị của Intel, các thiết bị ARM ban đầu của Acorn và Chip RISC đã gần như không có chỗ đứng và kết quả là ARM đã bị loại khỏi các hệ thống nhúng.

Từ đó, nhà sản xuất đã chuyển hướng, xâm nhập vào thị trường điện thoại và thiết bị cầm tay, cuối cùng là smartphone và máy tính bảng. Hầu như tất cả điện thoại thông minh được bán trên thị trường hiện nay đều chạy CPU dựa trên kiến trúc ARM.

Và trong những năm gần đây, chúng ta được chứng kiến sự hồi sinh của ARM trên các thiết bị máy tính xách tay. Vào năm 2017, Qualcom đã công bố chính thức mở rộng dòng Chip di động Snapdragon sang lĩnh vực laptop. Và vào năm 2020, Apple đã giới thiệu máy tính dựa trên kiến trúc ARM đầu tiên của mình, Macbook Air với con Chip Apple M1 ARM sau khi đã sử dụng CPU Intel x86 trong nhiều năm qua.

Ngoài ra, các sản phẩm như iMac, Mac mini và Mac Studio cũng sử dụng kiến trúc ARM.

Nguyên lý hoạt động của kiến trúc ARM

Chip ARM sẽ xử lý các tác vụ, thông tin theo kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computers) chuyên giải quyết các tập lệnh nhỏ và đơn giản hơn so với CISC của chip x86.

Bên cạnh đó, các phần mềm dành cho chip ARM được lập trình tối ưu đặc biệt, rõ ràng từ những tác vụ lớn tới tác vụ nhỏ nhất. Nhờ vậy, chip ARM có tốc độ xử lý rất nhanh và thậm chí con chip này còn xử lý ngầm trước các tác vụ liên quan. Tuy nhiên, hệ thống sẽ cần sử dụng nhiều RAM hơn để có thể xử lý.

So sánh x86 vs ARM

x86 và ARM là hai kiến trúc phổ biến nhất trong lĩnh vực máy tính và điện thoại di động. Dưới đây là một số điểm khác nhau giữa hai kiến trúc này:

• Kiến trúc x86 được sử dụng chủ yếu trong các máy tính để bàn và máy tính xách tay. Trong khi đó ARM được sử dụng chủ yếu trong các thiết bị động như điện thoại thông minh và máy tính bảng.
• Kiến trúc x86 có một bộ lệnh phức tạp hơn so với ARM, vì vậy nó có thể xử lý các tác vụ phức tạp hơn. Tuy nhiên điều này cũng làm cho nó tốn nhiều năng lượng hơn và không phù hợp cho các thiết bị di động.
• Kiến trúc ARM tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với x86, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động. Nó cũng có thể xử lý các tác vụ đơn giản nhanh hơn.
• Kiến trúc x86 có thể chạy các hệ điều hành phổ biến như Windows và Linux trong khi ARM thường được sử dụng với các hệ điều hành như Android và iOS.
• Kiến trúc ARM có thể được tích hợp trên một chip duy nhất trong khi kiến trúc x86 thường được sử dụng với các bộ vi xử lý đa nhân.

Các câu hỏi thường gặp

Kiến trúc ARM 64-bit là gì?

Kiến trúc ARM 64-bit (hay còn gọi là ARMv8-A) là một phiên bản nâng cấp của kiến trúc ARM trước đó hỗ trợ các bộ xử lý 64-bit.

Kiến trúc này được phát triển bởi ARM Holdings và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động, máy tính bảng, máy tính nhúng và các hệ thống máy chủ. So với kiến trúc ARM 32-bit trước đó kiến trúc ARM 64-bit cung cấp nhiều lợi ích bao gồm:

• Tăng tốc độ xử lý: Kiến trúc ARM 64-bit có thể xử lý các lệnh 64-bit nhanh hơn so với kiến trúc ARM 32-bit, giúp tăng tốc độ xử lý và hiệu suất của hệ thống.
• Tăng bảo mật: Kiến trúc ARM 64-bit hỗ trợ các tính năng bảo mật mới bao gồm bảo vệ bộ nhớ và kiểm soát truy cập, giúp bảo vệ hệ thống khỏi các cuộc tấn công.
• Tăng khả năng mở rộng: Kiến trúc ARM 64-bit hỗ trợ các bộ xử lý có thể mở rộng, cho phép hệ thống có thể được nâng cấp và mở rộng trong tương lai.
• Tăng hiệu suất đa nhiệm: Kiến trúc ARM 64-bit hỗ trợ các tính năng đa nhiệm mới bao gồm hỗ trợ cho các tiến trình đa luồng và các tiến trình đa nhân.

Các dòng Chip ARM

• Cortex-A: Là nhân chip được sử dụng nhiều nhất trên các dòng chip Android, Cortex-A sở hữu công cụ chính là SMID (tập lệnh đa dữ liệu) có khả năng thực hiện các tác vụ như truy cập bộ nhớ và xử lý dữ liệu song song trên một tập hợp vector.
• Cortex-R: Đem đến nhiều giải pháp tính toán hiệu suất cải tiến dành cho những hệ thống nhúng đòi hỏi độ bảo mật cao và đảm bảo tính sẵn sàng cùng khả năng đáp ứng thời gian thực.
• Cortex-M: Là nhân chip thường được ứng dụng trong ngành công nghiệp xe hơi, với đặc trưng là kích cỡ nhỏ và không chiếm nhiều không gian trong cấu trúc hệ thống linh kiện ô tô.
• Ethos-N: Nổi danh trong ngành công nghiệp AI và được ứng dụng rất nhiều do khả năng tương thích với các tác vụ máy học.
• Ethos-U: Được xem là “bản mini” rút gọn từ nhân Ethos-N, Ethos-U sẽ vận hành tương tự như một bộ đồng xử lý Co-processor.
• Neoverse: Có tuổi đời còn khá ngắn, ra đời từ tháng 10/2018, Neoverse được biết đến như nhân xử lý chuyên phục vụ các hệ thống máy chủ và trung tâm dữ liệu.
• SecurCore: Đúng như tên gọi, SecurCore đặt yếu tố bảo mật lên hàng đầu và là lõi chip được ARM Holdings, Ltd thiết kế dành cho các thẻ thông minh, rất phổ biến trong ngành ngân hàng, thanh toán.

Chip ARM của hãng nào?

ARM Holdings, tên đầy đủ là Advanced RISC Machines (ARM) Ltd., là một hãng thiết kế vi xử lý có trụ sở ở nước Anh. ARM Holdings được thành lập bởi Hermann Hauser vào năm 1990 và được niêm yết trên thị trường chứng khoán Luân Đôn với ký hiệu là ARM và trên sàn chứng khoán NASDAQ với ký hiệu là ARMHY.

Hãng này nổi tiếng với vi xử lý kiến trúc ARM được dùng khá phổ biến trong các thiết bị nhúng và các ứng dụng cầm tay nhờ vào đặc tính ưu việt là tiêu thụ ít điện năng. Hầu hết máy điện thoại di động và máy PDA hiện nay đều có CPU theo kiến trúc ARM.