บทที่ 3 CPU

CPU หัวใจของเครื่องคอมพิวเตอร์ การทำงาน (Operation) 1. บวก ลบ คูณ หาร AND, OR 2. คัดลอกข้อมูลจาก RAM <-> Registers 3. การตรวจสอบเงื่อนไข (IF,ELSE,JUMP,LOOP) เวลาทำงานจะร้อน ยิ่งทำงานมาก (% การ utilization) ยิ่งร้อน ภายใน CPU มี registers, ALU, Control Unit, Decoder, BUS, Cache กำหนดการทำงานโดย Clock (ยิ่งมากยิ่งทำงานเร็ว)

การทำงานของ CPU ข้อมูลวิ่งไปทำงานที่ CPU CPU จะทำงานร่วมกับ RAM ตลอดเวลา และการติดต่อกับอุปกรณ์ต่างๆจะทำผ่าน RAM เช่นกัน

เบอร์ต่างๆ Microprocessor ตัวแรก 4004 (อยู่ในเครื่องคิดเลข) 4 บิท PC เครื่องแรกคือ IBM PC 8080 (ไม่ค่อยนิยมเท่าไร) แต่ PC ที่เป็นที่นิยมคือ IBM PC 8088 จากนั้นเป็น 80286 16 บิท 80386 32 บิท 80586 (Pentium) 32 บิท 4004 8080 Pentium

specification Name Date Transistors Microns Clock speed Data width MIPS 8080 1974 6,000 6 2 MHz 8 bits 0.64 8088 1979 29,000 3 5 MHz 16 bits 8-bit bus 0.33 80286 1982 134,000 1.5 6 MHz 16 bits 1 80386 1985 275,000 16 MHz 32 bits 5 80486 1989 1,200,000 25 MHz 20 Pentium 1993 3,100,000 0.8 60 MHz 32 bits 64-bit bus 100 Pentium II 1997 7,500,000 0.35 233 MHz ~300 Pentium III 1999 9,500,000 0.25 450 MHz ~510 Pentium 4 2000 42,000,000 0.18 1.5 GHz ~1,700

ความหมาย Transistor จำนวนของทรานซิสเตอร์ที่อยู่ใน CPU Micron ขนาดของสายไฟที่เล็กที่สุดใน CPU (เส้นผมคนขนาด 100 ไมครอน) Clock Speed ความเร็วสูงสุดที่ CPU จะทำงานได้ Data Width ขนาดความกว้างของข้อมูล ที่สามารถส่งได้ในแต่ละครั้ง MIPS หน่วยของความเร็วของการทำงาน (กี่ล้านคำสั่งต่อ 1 วินาที)

แผนผังการทำงานของ CPU

การทำงาน ALU (Arithmetic & Logic Unit) เป็นหน่วยที่ใช้ในการคำนวณ +,-,*,/,AND,OR Instruction Decode ทำหน้าที่รับคำสั่ง (Instruction) แล้วสั่งงาน CPU อีกทีหนึ่ง (ถอดรหัสคำสั่ง) Register A,B,C จะใช้ประกอบในการทำงาน Instruction Register ใช้เก็บคำสั่งก่อนป้อนให้ Decoder Program Counter เก็บแอดเดรสของคำสั่งที่จะทำงาน(ในRAM) BUS เส้นทางเดินของข้อมูล, latch การค้างข้อมูล Tri-state ข้อมูล 3 สถานะ ->0,1,high impedance

BUS Address Bus เป็นเส้นทางของการส่งแอดเดรส ใช้เพื่อการอ่าน / เขียนข้อมูลกับ RAM มีขนาด 8,16,32 บิท(ขึ้นอยู่กับCPU) Data Bus เป็นเส้นทางของการส่งข้อมูล (อ่าน/เขียน) ระหว่าง RAM กับ CPU (registers) RD,WR เป็นสัญญาณบอกกับ RAM ว่าจะอ่านหรือเขียนข้อมูลกับ RAM Clock เป็นสัญญาณกำหนดจังหวะการทำงานของ CPU Reset เป็นสัญญาณ set ค่าใน Program Counter ให้เป็น

ขั้นตอนการทำงาน ข้อมูลจาก register ต่างๆ (A->C) นำมาค้าง (latch) ไว้ที่ Data Bus ส่งข้อมูลไป latch ไว้ที่ Address Bus ส่งสัญญาณ RW,RD ไปที่ RAM (แล้วแต่การทำงาน) หากเป็นการอ่าน จะอ่านมาเก็บไว้ใน Instruction Register แล้วสั่งงานให้ Decoder และ ALU ทำงานตามคำสั่ง หากเป็นการเขียนก็ไม่ต้องทำอะไร

การทำงานของ Decoder ตัวอย่าง คำสั่งที่สั่ง CPU เรียกว่า Instruction หรือ opcode ก็ได้ Opcode เหล่านี้จะต้องนำมาสั่งการการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆภายในตัว CPU (เช่น ALU, BUS, Registers) แต่ละคำสั่งต้องการ Clock Cycle ไม่เท่ากัน เราสามารถใช้ภาษา Assembly ในการสร้าง Opcode ได้ LOADA mem - Load register A from memory address LOADB mem - Load register B from memory address CONB con - Load a constant value into register B SAVEB mem - Save register B to memory address SAVEC mem - Save register C to memory address ADD - Add A and B and store the result in C SUB - Subtract A and B and store the result in C ตัวอย่าง

การพัฒนาของ CPU Pipelining -> หลายๆคำสั่ง ทำงานได้พร้อมๆกัน ตัวช่วยประมวลผล Floating Point MMX -> ลดจำนวนคำสั่ง, มีรีจิสเตอร์ 64 บิท 8 ตัว, เพิ่ม L1 cache เป็น 32 KB (เดิม 16 KB) CPU แบบ 64 บิท (ใส่ RAM ได้หลายล้านๆไบท์) (32 บิท ใส่ RAM ได้มากสุด 4GB) Quantum CPU ใช้อะตอม,โมเลกุลของสสารเป็น RAM,CPU BIO CPU (DNA)

การทำงานของ Pipeline คำสั่งวิ่งผ่านท่อ หลายท่อ สามารถทำงานที่จังหวะ clock เดียวกันได้

ตัวช่วยประมวลผล Floating Point CPU FPU 8086 8087 80286 80287 80386 80387 80486DX Built in 80486SX None Pentium and thereafter ช่วยเพิ่มความเร็วในการทำงานด้านกราฟิกของ CPU บางครั้งเรียก Math Co-processer สมัยก่อนต้องซื้อ Chip เพิ่ม เช่น 80287, 80387 ตอนนี้จะ built-in ใน CPU เลย MMX ยิ่งเพิ่มความเร็วอีก

เส้นทางเดินของ CPU

Cache เป็น RAM ความเร็วสูง ขนาดเล็ก เป็นตัวเชื่อมระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ เช่น CPU กับ RAM, H/D กับ RAM,etc. ใน CPU จะมี Cache อยู่ภายใน เรียกว่า L1 cache ส่วนที่บนเมนบอร์ดก็อาจจะมี cache ระหว่าง RAM กับ CPU อีก เรียกว่า L2 cache (ความเร็วน้อยกว่า L1) ใน Controller ของอุปกรณ์บางตัวก็มี cache (H/D,RAM)

การทำงานของ cache เหมือนกับการทำงานของ บรรณารักษ์ในห้องสมุด สมมติว่าเราเข้าไปยืมหนังสือ หากมีหนังสืออยู่ที่โต๊ะยืม ก็หยิบให้เลย (L1 cache) หากไม่มีก็ลองดูที่โต๊ะด้านหลัง หากมีก็หยิบ (L2 cache) หากไม่มีอีก ก็ต้องเข้าไปที่ห้องสมุดจริงๆ (RAM) ในการใช้งาน Internet ก็มี cache (ไฟล์บนฮาร์ดดิสก์ของเรา และ Proxy Server)

ภาพอธิบายการทำงานของ cache CPU Cache size in the CPU 80486DX and DX2 8 KB L1 80486DX4 16 KB L1 Pentium Pentium Pro 16 KB L1 + 256 KB L2 (some 512 KB L2) Pentium MMX 32 KB L1 AMD K6 and K6-2 64 KB L1 Pentium II and III Celeron 32 KB L1 + 128 KB L2 Pentium III Cumine 32 KB L1 + 256 KB L2 AMD K6-3 64 KB L1 + 256 KB L2 AMD K7 Athlon 128 KB L1 AMD Duron 128 KB L1 + 64 KB L2 AMD Athlon Thunderbird 128 KB L1 + 256 KB L2

Pentium กับ 486 Pentium สามารถรันได้ 2 instruction หรือมากกว่า (แต่ปกติคือ 2) ใน 1 clock cycle ดังนั้น จะทำงานเร็วเป็น 2 เท่า

Coolant พัดลมและ Heat Sink สำคัญมากต่อ CPU ค่าอุณหภูมิที่ Mainboard ตรวจสอบได้ การเป่าลมที่ใบพัด CPU

การ Overclock เพิ่มความเร็ว clock ให้กับ CPU โดยการเซ็ทค่า Jumper ต่างๆ ความร้อนมากขึ้น Bus frequencies Clock doubling factors Examples of resulting CPU frequencies 60 MHz 66 MHz 75 MHz 83 MHz 100 MHz 117 MHz 133 MHz 153 MHz 1½, 3½, 4, 4½, 5, 5½, 6 6½, 7 7½, 8 233 MHz, 266 MHz, 333 MHz 333 MHz, 366 MHz, 400 MHz, 433 MHz, 466 MHz, 500 MHz, 300 MHz, 338 MHz, 375 MHz, 375 MHz, 416 MHz, 458 MHz, 468 MHz, 527 MHz, 585 MHz 533 MHz, 600 MHz, 667 MHz, 612 MHz, 688 MHz, 765 MHz ใช้การ Compressor (แบบแอร์) ใช้พัดลม 2 ตัว

สรุป การพัฒนาด้าน CPU ไม่มีหยุดยั้ง อนาคตจะเล็กลงในระดับนาโน หากเข้าสู่ quantum CPU จะยิ่งเร็วกว่านี้หลายเท่า, ขนาดเล็ก, ไม่ต้องใช้ไฟฟ้า, ซ่อมตนเองได้ด้วย สิ่งสำคัญต่อ CPU ก็คือ อุณหภูมิ, แรงดันไฟฟ้า (คงที่), ความเร็ว clock