Thanh ghi là thành phần quan trọng trong các thiết bị kỹ thuật số, lưu trữ dữ liệu và hướng dẫn để xử lý nhanh chóng. Nó đóng vai trò như một vùng lưu trữ tạm thời, nơi thông tin có thể được truy cập và thao tác nhanh chóng để thực hiện các tác vụ phức tạp. Thanh ghi là loại bộ nhớ cơ bản nhất trong máy tính và đóng vai trò quan trọng giúp máy móc xử lý dữ liệu hiệu quả.
Thanh ghi là một loại bộ nhớ máy tính được tích hợp trực tiếp vào bộ xử lý hoặc CPU (Central Processing Unit) được sử dụng để lưu trữ và thao tác dữ liệu trong quá trình thực thi các lệnh. Một thanh ghi có thể chứa một lệnh, một địa chỉ lưu trữ hoặc bất kỳ loại dữ liệu nào (chẳng hạn như chuỗi bit hoặc các ký tự riêng lẻ).
Một thanh ghi được cấu tạo từ nhiều flip-flop, là các mạch điện tử có khả năng lưu trữ một bit thông tin, được biểu diễn thông qua dữ liệu nhị phân – 0 hoặc 1. Bằng cách kết hợp nhiều flip-flop, các thanh ghi có thể lưu trữ các giá trị nhị phân lớn hơn, chẳng hạn như byte hoặc word. Thanh ghi cũng chứa mạch logic điều khiển, cho phép nó phối hợp luồng dữ liệu và hướng dẫn trong CPU. Điều này có thể bao gồm các hoạt động như giải mã tín hiệu điều khiển, thực hiện thao tác dữ liệu như tải dữ liệu, lưu trữ hoặc các phép toán số học và sử dụng bộ ghép kênh để định tuyến dữ liệu đến một vị trí cụ thể trong thanh ghi.
Kích thước của thanh ghi trong CPU được xác định bởi thiết kế của bộ xử lý và có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng và khả năng của nó. Hầu hết các bộ xử lý máy tính hiện đại bao gồm các thanh ghi 8-bit, 16-bit, 32-bit và 64-bit. Máy tính hiện đại thường sử dụng bộ xử lý 32-bit hoặc 64-bit, cho biết kích thước hoặc độ rộng của thanh ghi của bộ xử lý và lượng dữ liệu mà bộ xử lý có thể xử lý trong một thao tác.
Có nhiều loại thanh ghi CPU khác nhau, bao gồm: Bộ đếm chương trình (PC), Thanh ghi lệnh (IR), Bộ tích lũy (ACC), Thanh ghi mục đích chung (General-Purpose Registers), Thanh ghi địa chỉ (AR), Con trỏ ngăn xếp (SP), Thanh ghi dữ liệu (DR), Thanh ghi trạng thái/cờ (SR) và Thanh ghi điều khiển (CR). Mỗi loại thanh ghi có một chức năng cụ thể trong hoạt động của CPU. Sơ đồ thanh ghi mục đích chung (General Purpose Register Diagram) sẽ minh họa vị trí và chức năng của từng thanh ghi trong hệ thống.
CPU được tạo thành từ nhiều thành phần khác nhau, khi được sử dụng cùng nhau, cho phép nó xử lý dữ liệu và thực hiện các phép tính. Các thành phần chính bao gồm Bộ điều khiển (CU), Bộ số học logic (ALU), Thanh ghi, Đồng hồ, Bộ nhớ đệm và Bus. ALU thực hiện các phép toán số học và logic, CU điều khiển hoạt động của CPU và thanh ghi lưu trữ dữ liệu được sử dụng trong các phép tính này. CU tìm nạp một lệnh từ bộ nhớ, giải mã nó và gửi tín hiệu điều khiển đến ALU và thanh ghi để thực hiện thao tác. Kết quả được lưu trữ lại vào một thanh ghi.
Thanh ghi được sử dụng để lưu trữ hướng dẫn chương trình, giữ kết quả trung gian từ các phép tính và tăng tốc quá trình xử lý bằng cách cho phép bộ xử lý truy cập các giá trị thường được sử dụng mà không cần phải truy xuất chúng từ bộ nhớ chính mỗi lần. Trong các hệ thống nhúng, thanh ghi cung cấp một cách nhanh chóng và dễ dàng để lưu trữ dữ liệu và mức tiêu thụ điện năng thấp của chúng đảm bảo rằng chúng không làm căng ngân sách năng lượng của thiết bị.
