โครงสร้างคอมพิวเตอร์ (Computer Organization) Introduction to Computer Science (88612159)

Computer Architecture and Computer Organization เทคโนโลยีคอมคอมพิวเตอร์มีการ เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ในปัจจุบันมีคอมพิวเตอร์มากกมาย หลายรูปแบบ มีความแตกต่างกันในด้านของขนาด ประสิทธิภาพ โปรแกรมประยุกต์ที่ใช้ และราคา

Super Computer) Mainframe Computer Minicomputer Workstation Microcomputer Microcontrollers

Computer Architecture and Computer Organization แต่แนวคิดพื้นฐานของระบบ คอมพิวเตอร์นั้นยังคงเดิม ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องเรียนรู้พื้นฐาน ของโครงสร้างและสถาปัตยกรรม คอมพิวเตอร์ที่มีความเกี่ยวข้องกับการ ออกแบบในปัจจุบัน “สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์” (Computer Architecture ) และ “โครงสร้างคอมพิวเตอร์” (Computer Organization) มีความหมายต่างกันอย่างไร?

Computer Architecture ศาสตร์ในการออกแบบระบบ คอมพิวเตอร์ เช่น การออกแบบชุดคำสั่ง (Instruction set) จำนวนบิตข้อมูลที่ ใช้ในการสื่อความหมายข้อมูลชนิด ต่างๆ และเทคนิคที่ใช้ในการกำหนด ที่อยู่ในหน่วยความจำ

Computer Organization โครงสร้างในด้านหน้าที่ (Functional Structure) กระบวนการการเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่ แตกต่างกัน เช่น สัญญาณควบคุมการทำงาน ช่องทางการติดต่อระหว่าง คอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ต่อพ่วง และเทคโนโลยีที่ใช้ในการสร้าง หน่วยความจำ

Computer Architecture and Computer Organization การออกแบบทางสถาปัตยกรรม เช่น จะคำนึงถึงว่าคอมพิวเตอร์ ควรจะมีคำสั่งในการคูณหรือไม่ โครงสร้างก็จะคำนึงถึงว่าคำสั่งคูณ นี้ ควรจะใช้หน่วยประมวลผล สำหรับการคูณโดยเฉพาะ หรือจะ ใช้หน่วยประมวลผลสำหรับการ บวกรวมกับกลไกการทำซ้ำ

Computer Architecture and Computer Organization สถาปัตยกรรมที่ถูกคิดค้นขึ้นมาอาจ นำไปใช้งานได้เป็นเวลาหลายสิบปี แต่โครงสร้างคอมพิวเตอร์ที่จะนำมาใช้ อาจมีการเปลี่ยนแปลงตามยุคสมัย คอมพิวเตอร์ของบริษัทต่างๆ อาจใช้ สถาปัตยกรรมเดียวกัน แต่มีโครงสร้าง คอมพิวเตอร์ที่แตกต่างกัน รวมทั้ง เทคโนโลยีในสมัยนั้นๆ สถาปัตยกรรมเดิมแต่มีการเพิ่ม ความเร็วในการประมวลผลให้สูงขึ้น เป็นต้น ส่งผลให้คอมพิวเตอร์แต่ละ บริษัทมีประสิทธิภาพการทำงานและ ต้นทุนในการผลิตไม่เท่ากัน

IBM system/370 คอมพิวเตอร์รุ่นใหม่เหล่านี้ใช้เทคโนโลยีที่ทำให้ความเร็วในการ ประมวลผลสูงขึ้นในราคาที่ถูกลง (นั่นคือ โครงสร้างของคอมพิวเตอร์มีการเปลี่ยนแปลงไป) ในปัจจุบันสถาปัตยกรรมsystem/370ที่มีการปรับปรุงเพียงเล็กน้อยยังถูกใช้เป็นต้นแบบใน การผลิตเครื่องเมนเฟรมของ IBM อยู่

องค์ประกอบพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ คอมพิวเตอร์ (Computer) มาจากภาษา ละตินว่า “Computare” ซึ่งหมายถึง “Computing” ที่แปลว่าการคำนวณ เนื่องจากคอมพิวเตอร์ในยุคแรกทำ หน้าที่คำนวณเป็นหลัก ในปัจจุบันสามารถนำคอมพิวเตอร์ไปใช้ งานได้หลากหลาย เช่น ดูหนัง พิมพ์ เอกสาร หรือรับส่งข้อมูล เป็นต้น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถ โปรแกรมให้ประมวลผลข้อมูลต่างๆ ได้ องค์ประกอบหลักของคอมพิวเตอร์จะ ประกอบด้วย ฮาร์ดแวร์ (Hardware) และ ซอฟต์แวร์ (Software)

ฮาร์ดแวร์ (Hardware) อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับ คอมพิวเตอร์ที่สามารถ จับต้องได้ เช่น เมนบอร์ด (Mainboard) เมาส์ (Mouse) หน่วยความจำ (Memory) และ เครื่องพิมพ์ (Printer) เป็นต้น โดย ฮาร์ดแวร์ทั้งหมดนี้ ไม่สามารถทำงานได้ เพียงลำพัง แต่ต้องนำมา เชื่อมต่อกันเพื่อทำงาน อย่างเป็นระบบที่เรียกว่า ระบบคอมพิวเตอร์ (Computer System)

ซอฟต์แวร์ (Software) ชุดคำสั่ง หรือโปรแกรมที่ถูก พัฒนาขึ้นมาโดย โปรแกรมเมอร์ (Programmer) ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถจับต้อง ได้ ซอฟต์แวร์ใช้สาหรับในการ แก้ปัญหา หรือควบคุม การ ทำงานของฮาร์ดแวร์ โดยแบ่ง ออกเป็น 2 ประเภท ซอฟต์แวร์ประยุกต์ (ApplicationSoftware) เป็น โปรแกรมที่ช่วยอำนวยความ สะดวก ให้กับผู้ใช้ สำหรับใช้ งานเฉพาะด้านต่างๆ เช่น โปรแกรมบัญชี และโปรแกรม ตกแต่ง รูปภาพ เป็นต้น ซอฟต์แวร์ระบบ (SystemSoftware) เป็น โปรแกรมที่ใช้ควบคุมและ จัดการกับระบบ คอมพิวเตอร์ เช่น ระบบจัดการไฟล์ และ ระบบปฏิบัติการ เป็นต้น

ส่วนประกอบพื้นฐานสำหรับฮาร์ดแวร์ของเครื่องคอมพิวเตอร์ 1. หน่วยรับข้อมูลเข้า (Input Unit) 2. หน่วยประมวลผล (Processing Unit) 3. หน่วยความจำ (Memory) หน่วยความจำหลัก (Main memory) หน่วยความจำรอง (Secondary memory) 4. หน่วยส่งข้อมูลออก (Output Unit)

ส่วนประกอบพื้นฐานสำหรับฮาร์ดแวร์ของเครื่องคอมพิวเตอร์

แนวคิดของ Neumann’s Machine โครงสร้างภายในคอมพิวเตอร์ หน่วยความจำ หน่วยประมวลผลกลาง หน่วยรับข้อมูลเข้าและส่งข้อมูลออก ระบบทางเดินข้อมูล โปรแกรมและข้อมูลถูกเก็บไว้ใน หน่วยความจำ โปรแกรมในหน่วยความจำจะถูก ประมวลผลอย่างอัตโนมัติ หน่วยควบคุมสามารถดึงคำสั่งจาก หน่วยความจำขึ้นมา และตีความอย่าง เป็นลำดับ

Neumann’s Machine

หน่วยความจำหลัก (Main Memory) หน่วยความจำหลักเป็นอุปกรณ์ที่ทำมาจาก วงจรรวม มีหน้าที่ในการเก็บข้อมูลและโปรแกรมที่จะ ให้หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) เรียกไปใช้ งานได้ หรือ บันทึก มีหน้าที่เก็บ ข้อมูล (แทนด้วยเลขฐานสอง) และ ชุดคำสั่ง (แทนด้วยเลขฐานสอง) นั่นก็ คือสัญญาณทางไฟฟ้า

ROM (Read Only Memory) รอม (Read Only Memory : ROM) มีการอ้างอิงตำแหน่งที่อยู่ข้อมูลแบบเข้าถึง โดยสุ่ม อ่านได้เพียงอย่างเดียว ไม่สามารถเขียน ข้อมูลใหม่ลงไปได้ สามารถเก็บข้อมูลได้โดยไม่ต้องมี กระแสไฟฟ้าเลี้ยง บันทึกชุดคำสั่งที่สาคัญอย่าง “บูตสแตรป” (Bootstrap) เพื่อสั่งให้ หน่วยประมวลผล กลางเริ่มต้นทางานด้วยคำสั่งต่างๆ ตอน เปิดเครื่องคอมพิวเตอร์ ชุดคำสั่ง “BIOS” เพื่อส่งผ่านข้อมูลระหว่าง หน่วยประมวลผลกลางกับฮาร์ดแวร์ต่างๆ ภายในคอมพิวเตอร์ ชุดคำสั่งดังกล่าวจะถูกบันทึกลงรอมมาจาก โรงงานผู้ผลิต

RAM (Read Access Memory) แรม (Random Access Memory : RAM) เป็นหน่วยความจำที่ใช้เป็นหน่วยความจำ หลักของเครื่องคอมพิวเตอร์ สามารถอ่านหรือเขียนข้อมูล หรือคำสั่งตาม ต้องการลงไปได้ตลอดเวลาในขณะที่มี กระแสไฟฟ้าเลี้ยงอยู่ สามารถอ้างอิงตำแหน่งที่อยู่ของข้อมูลใดๆ เพื่อการเขียนและการอ่านจะกระทำแบบ การเข้าถึงโดยสุ่ม หากไม่มีไฟฟ้าข้อมูลก็จะสูญหายทันที

หน่วยประมวลผลกลาง (Central Processing Unit : CPU) โครงสร้างภายในหน่วยประมวลผลกลาง ประกอบไปด้วย 3 ส่วน หน่วยควบคุม (Control Unit : CU) หน่วยคำนวณทางคณิตศาสตร์และตรรกะ (Arithmetic and Logic Unit : ALU) รีจิสเตอร์ (Register) Control Unit (CU) ALU Register

Control Unit : CU ในการควบคุมอุปกรณ์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง ระหว่างประมวลผล เช่น ควบคุมการทำงานของหน่วยความจำ หลัก หน่วยรับข้อมูล หน่วยคำนวณทาง คณิตศาสตร์และตรรกะ และหน่วยแสดงผล เปรียบเสมือนเป็นศูนย์กลางระบบประสาท ของมนุษย์ จะรับรู้คำสั่งต่าง ๆ ในรูปของคำสั่ง ภาษาเครื่องเท่านั้น ถ้าผู้ใช้เขียนโปรแกรม โดยใช้ภาษาระดับสูง (High Level Language) ก่อนที่จะสั่ง ให้คอมพิวเตอร์ทา งานจะต้องมีการแปลงเป็นภาษาระดับต่ำ (Low Level Language) หรือ ภาษาเครื่อง เสียก่อน

Arithmetic and Logic Unit : ALU ทำหน้าที่คำนวณทางคณิตศาสตร์ (Arithmetic operations) ดำเนินการเกี่ยวกับการคำนวณพื้นฐาน คำนวณทางตรรกศาสตร์ ตัวดำเนินการเปรียบเทียบ (Relational operator) ทำหน้าที่เปรียบเทียบค่าระหว่างตัว ถูกดำเนินการสองตัว หรือนิพจน์สองนิพจน์ โดยจะคืนค่าเป็นจริงหรือเท็จ (Boolean) ตัวดำเนินการทางตรรกะ (Logical operator) จะทำการประมวลผลกับตัวถูก ดำเนินการประเภทบูลีน หรือ นิพจน์ที่ให้ ค่าของข้อมูลเป็นจริงหรือเท็จ โดยนำข้อมูลซึ่งเป็นสัญญาณทางไฟฟ้าแบบ ตัวเลขฐานสองมาประมวลผล

Register หน่วยความจำชั่วคราวขนาดเล็กที่ทำงานได้ อย่างรวดเร็ว ใช้เก็บข้อมูลที่จำเป็นในการคำนวณ หรือ สถานะการทำงานของหน่วยประมวลผล กลาง มักถูกอ้างถึงบ่อยครั้งในระหว่างการคำนวณ ของหน่วยประมวลผล โดยแบ่งออกเป็นรีจิสเตอร์ที่ใช้งานทั่วไป และรีจิสเตอร์ใช้งานเฉพาะ

Bus System ระบบบัส คือระบบการขนส่งข้อมูลและ คำสั่งที่ต้องการระหว่างหน่วยต่างๆ บัสมีลักษณะเป็นเส้นโลหะนำ สัญญาณไฟฟ้า ส่วนใหญ่จะเป็นทองแดง ที่อยู่บนแผ่นวงจรต่างๆ ทำให้อุปกรณ์ภายในคอมพิวเตอร์ สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลหรือ ติดต่อสื่อสารกันได้ กลุ่มสัญญาณของบัสแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท

Address Bus คือกลุ่มสัญญาณที่ใช้อ้างอิง ตำแหน่งในหน่วยความจำ ซึ่ง ก่อนที่หน่วยประมวลผล ต้องการอ่านหรือเขียน ข้อมูลหรือชุดคำสั่งใดๆก็ ตาม จะต้องระบุตำแหน่งใน หน่วยความจำเสียก่อน ดังนั้นตำแหน่งจะถูกส่งผ่าน สัญญาณแอดเดรสบัสจาก หน่วยประมวลผลกลาง ไป ยังหน่วยความจำ

Control bus กลุ่มสัญญาณที่ใช้สำหรับ ควบคุมอุปกรณ์ที่หน่วย ประมวลผลกลางต้องการใน ระบบคอมพิวเตอร์ หากหน่วยประมวลผลกลาง ต้องการอ่านข้อมูลจาก หน่วยความจำหลัก จะต้องส่ง สัญญาณควบคุมไปยัง หน่วยความจำเพื่ออ่านข้อมูลนั้น

Data Bus กลุ่มสัญญาณข้อมูลที่ใช้ สำหรับขนส่งข้อมูลไปยัง หน่วยต่างๆ ในระบบ คอมพิวเตอร์ ตัวอย่าง Memory Read เป็นสัญญาณที่ถูกส่งมา จากหน่วยประมวลผล กลาง เพื่อบอกว่าต้องการ อ่านข้อมูจาก หน่วยความจำหลัก จากนั้นหน่วยความจำหลัก นำข้อมูลส่งผ่านบัสข้อมูล มายังหน่วยประมวลผล กลาง

I/O Unit หน่วยรับข้อมูลเข้าทำหน้าที่รับข้อมูลจากผู้ใช้ เข้าสู่หน่วยความจำหลัก และจะทำการเปลี่ยน ประเภทของข้อมูลที่รับเข้ามาให้อยู่ในรูปแบบ ของสัญญาณที่หน่วยประมวลผลกลางสามารถ ประมวลได้ เช่น ถ้าหากมีการกดแป้นพิมพ์ จะต้องเปลี่ยน สัญญาณทางไฟฟ้าไปเป็นรหัสคอมพิวเตอร์ หน่วยส่งข้อมูลออกทำหน้าที่แสดงผลลัพธ์จาก การประมวลผลของคอมพิวเตอร์ โดยแบ่ง ออกเป็น 2 ประเภท คือ หน่วยแสดงผล ชั่วคราว (Soft copy) ที่ส่งข้อมูลมาให้ผู้ใช้ ทราบในขณะนั้น เช่น จอภาพ และหน่วย แสดงผลข้อมูลถาวร (Hard copy) ที่สามารถ จับต้องได้ เช่น เครื่องพิมพ์ เป็นต้น

I/O Unit อุปกรณ์นำเข้า (input device) อุปกรณ์ที่ทำ ให้คอมพิวเตอร์สามารถรับรู้สิ่งต่างๆ ได้ เช่น เครื่องอ่านบัตร คีย์บอร์ด เมาส์ อุปกรณ์ส่งออก (output device) อุปกรณ์ที่ ทำให้คอมพิวเตอร์แสดงผลออกมาได้ เช่น เครื่องเจาะบัตร จอภาพ เครื่องพิมพ์ ช่องทางในการติดต่อกับหน่วยรับข้อมูล เข้าและส่งข้อมูลออกจะเรียกว่า พอร์ต (Port)

I/O Unit ช่องทางในการติดต่อกับหน่วยรับข้อมูลเข้า และส่งข้อมูลออกจะเรียกว่า พอร์ต (Port) การเชื่อมต่อพอร์ตกับระบบคอมพิวเตอร์นั้น จะใช้ระบบบัส โดยพอร์ตแต่ละพอร์ตจะมี แอดเดรสประจำตัว พอร์ตนั้นๆ เมื่อหน่วยประมวลผลกลางต้องการติดต่อกับ พอร์ตใดก็จะต้องอ้างแอดเดรสของพอร์ตนั้น หากคอมพิวเตอร์ต้องการส่งข้อมูลไปที่ เครื่องพิมพ์ หน่วยประมวลผลกลางจะส่งค่าแอดเดรสของ เครื่องพิมพ์ออกไปทางแอดเดรสบัสก่อน จากนั้นส่งสัญญาณควบคุมออกไปทางบัส ควบคุม แล้วจึงส่งข้อมูลออกไปทางบัสข้อมูล ก็จะทำให้ เครื่องพิมพ์ได้รับข้อมูลจากหน่วย

หน่วยความจำรอง (Secondary Memory) เก็บข้อมูลความจุสูง ข้อมูล และโปรแกรมยังคงถูกจัดเก็บอยู่แม้ไม่มี กระแสไฟฟ้า CPU เรียกใช้ข้อมูลที่เก็บไว้ในหน่วยความจำ รองได้จะช้ากว่าหน่วยความจำหลัก หน่วยความจำรอง เช่น Hard Disk Drive ชนิดจานแสง CD, DVD, Bluray ชนิด Flash เช่น flash drive, memory card

ข้อจำกัดของ Neumann’s Machine Memory CPU หากปริมาณข้อมูลมาก ทำให้การ เดินทางข้อมูลใน data bus หนาแน่นและช้า เรียกปัญหานี้ว่า Von Neumann Bottleneck อัตราการประมวลผลของ CPU > อัตราการโอนย้ายข้อมูลระหว่าง CPU กับ Memory ทำให้ประสิทธิภาพของระบบลดลง Von Neumann Bottleneck

การแก้ปัญหา Von Neumann Bottleneck Memory Cache Memory CPU เพิ่ม Cache Memory  หน่วยความจำ ความเร็วสูง Cache Memory เป็น ที่พักข้อมูลชั่วคราว (Buffer) เปลี่ยน Data Bus ที่มีความเร็วเพิ่มขึ้น

ความเร็วของคอมพิวเตอร์ สัญญาณนาฬิกา (Clock Pulse) ตัวควบคุมการทำงานของระบบ เพื่อให้ อุปกรณ์ต่างๆ ทำงานสัมพันธ์กัน หน่วย เฮิรตซ์ (Hertz) 1 เฮิรตซ์ หมายถึงสัญญาณฬิกาจำนวน 1 ลูก ต่อวินาที

ความเร็วของคอมพิวเตอร์ ตัวอย่างการใช้สัญญานาฬิกากระตุ้นวงจรบวก เลข การบอกประสิทธิภาพหรือความเร็วของหน่วย ประมวลผลกลางอีกวิธี หนึ่งจะบอกเป็นจำนวน ที่หน่วยประมวลผลกลางสามารถทำคำสั่งได้ เป็นจำนวนล้านคำสั่งต่อวินาที ซึ่ง มีหน่วยเป็น MIPS (Millions Instruction per Second)

ความเร็วของคอมพิวเตอร์ ถ้าหากคอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่งทำงานที่ สัญญาณนาฬิกา 2.6 GHz หมายความว่า หน่วยประมวลผลกลางของคอมพิวเตอร์ เครื่องนั้นถูกกระตุ้นด้วยสัญญาณนาฬิกา 2.6 พันล้านลูกต่อวินาที การบอกประสิทธิภาพหรือความเร็วของ หน่วยประมวลผลกลางอีกวิธี หนึ่งจะบอก เป็นจำนวนที่หน่วยประมวลผลกลาง สามารถทำคำสั่งได้เป็นจำนวนล้านคำสั่ง ต่อวินาที ซึ่ง มีหน่วยเป็น MIPS (Millions Instruction per Second)