3.2 หลักการทำงานคอมพิวเตอร์

   3.2 หลักการทำงานคอมพิวเตอร์

3.2 หลักการทำงานของคอมพิวเตอร์

การทำงานของคอมพิวเตอร์จะเริ่มจากผู้ใช้ป้อนข้อมูลผ่านทางอุปกรณ์ของหน่วยรับเข้า (Input device) เช่น คีย์บอร์ด เมาส์ ข้อมูลจะถูกเปลี่ยนให้เป็นสัญญาณดิจิทัล ซึ่งประกอบด้วยเลข 0 และ 1 แล้วส่งต่อไปยังหน่วยประมวลผลกลาง เพื่อประมวลผลตามคำสั่ง ในระหว่างการประมวลผล หากมี (Random Access Memory: RAM) ซึ่งทำหน้าที่เก็บข้อมูลจากการประมวลผลเป็นการชั่วคราว ขณะเดียวกัน อาจมีคำสั่งให้นำผลลัพธ์จากการประมวลผลดังกล่าวไปแสดงผลผ่านทางอุปกรณ์ผ่านทางอุปกรณ์ของหน่วยส่งออก เช่น จอภาพ หรือ เครื่องพิมพ์ ดังรูปที่ 3.2 นอกจากนี้เราสามารถบันทึกข้อมูลที่อยู่ในอนาคต โดยการอ่านข้อมูลที่บันทึกในสื่อดังกล่าวผ่านทางเครื่องขับหรือไดร์ฟ (drive) การส่งผ่านข้อมูลไปยังหน่วยต่างๆ ภายในระบบคอมพิวเตอร์จะผ่านทางระบบบัส (bus)

รูปที่ 3.2 การทำงานของคอมพิวเตอร์

    อุปกรณ์ของหน่วยรับเข้าและส่งออก จะเชื่อมต่อกับตัวเครื่องที่เรียกว่า ซิสเต็มยูนิต (System unit) มี เคส (case) เป็นโครงยืดให้อุปกรณ์ต่างๆประกอบกัน ภายในเคสจะมีเมนบอร์ด (mainboard) เป็นแผนวงจรหลัก โดยซีพียู หน่วยความจำ การ์ด รวมถึงอุปกรณ์ต่างๆ จะถูกต่อกับเมนบอร์ดนี้ทั้งสิ้น

3.2.1 ซีพียู และการประมวลผลข้อมูล

    ซีพียู (Central Processing Unit : CPU) มีลักษณะเป็น (chip) ที่ติดตั้งอยู่บนเมนบอร์ดภายในเครื่องคอมพิวเตอร์ ซึ่งชิปดังกล่าวเป็นสารกึ่งตัวนำขนาดเล็ก ภายในบรรจุวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆไว้มากมาย โดยวงจรจะประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กจำนวนมาก บางครั้งจึงเรียกชิปต่างๆว่า ไอซี ตัวอย่างซีพียู่ 

ดังรูปที่ 3.3

ดังรูปที่ 3.3

    ในอดีตซีพียูจะมีขนาดใหญ่ แต่ในปัจจุบันเมื่อนำสารกึ่งตัวนำมาใช้ก็ทำให้ซีพียูถูกพัฒนาให้มีขนาดเล็กลง โดยรวมวงจรต่างๆ ไว้ในชิปเพียงตัวเดียว เรียกว่า ไมโครโพรเซสเซอร์ (Microprocessor) ซึ่งกล่าวได้ว่าคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันมีไมโครโพรเซสเซอร์เป็นซีพียู ภายในไมโครโพรเซสเซอร์ประกอบด้วยส่วนประกอบที่สำคัญสองส่วนคือ หน่วยควบคุม และหน่วยคำนวณและตรรกะ หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า เอแอลยู

เกล็ดน่ารู้

หน่วยความจำเป็นแบบแฟลช

ปัจจุบันมีการคิดค้นหน่วยความจำแบบแฟลช (flash memory) ที่ทำให้สามารถบันทึกข้อมูลได้ปริมาณมากขึ้น และมีขนาดเล็ก สะดวกต่อการพกพา หน่วยความจำดังกล่าวมีชื่อเรียกต่างกันไป เช่น ทรัมไดร์ฟ
แฟลชไดร์ฟ  ยูเอสบีไดร์ฟ

เกร็ดน่ารู้

หากต้องการให้คอมพิวเตอร์หาผลคูณของ 100 คูณด้วย 47 มีขั้นตอนดังนี้

1. อ่านคำสั่งและข้อมูลเข้า

2.หน่วยควบคุมถอดรหัสพบว่าคำสั่งมีให้หาผลคูณของ100คูณด้วย 47 จึงทำการส่งคำสั่ง
และข้อมูลให้เอแอลยู

3.เอแอลยูจะทำการคูณ

4.ผลลัพธ์ที่ได้เก็บไว้ในหน่วยความจำเพื่อรอการแสดงผลต่อไป

วงรอบการทำงานของคำสั่ง (machine cycle)

    การทำงานของคอมพิวเตอร์จะต้องทำตามโปรแกรมที่กำหนดไว้ในหน่วยความจำ โดยโปรแกรมเกิดจากการนำคำสั่งมาต่อเรียงกัน เมื่อคอมพิวเตอร์ทำงาน หน่วยควบคุมการอ่านคำสั่งต่างๆ เข้ามาประมวลผลในซีพียู โดยวงรอบของการทำคำสั่งของซีพียูประกอบด้วยขึ้นตอนการทำงานพื้นฐาน 4 ขั้นตอนดังนี้

1.ขึ้นตอนการรับเข้าข้อมูล (fetch) เริ่มแรกหน่วยควบคุมรหัสคำสั่งและข้อมูลที่จะประมวลผลจากหน่วยความจำ

2.ขั้นตอนการถอดรหัส (decode) เมื่อรหัสคำสั่งเข้ามาอยู่ในซีพียูแล้ว หน่วยควบคุมจะถอดรหัสคำสั่งแล้วส่งคำสั่งและข้อมูลไปยังหน่วยคำนวณและตรรกะ

3.ขั้นตอนการทำงาน (execute) หน่วยคำนวณและตรรกะทำการคำนวณโดยใช้ข้อมูลที่ได้รับมาถอดรหัสคำสั่ง และทราบแล้วว่าต้องการทำอะไร ซีพียูก็จะทำตามคำสั่งนั้น

4.ขั้นตอนการเก็บ (store) หลังจากทำคำสั่งก็จะเก็บผลลัพธ์ที่ได้ไว้ในหน่วยความจำ

ซีพียูเก่า การทำคำสั่งแต่ละคำสั่งจะต้องทำวงรอบคำสั่งให้จบก่อน จากนั้นจึงทำวงรอบคำสั่งของคำสั่งต่อไป สำหรับซีพียูในยุคปัจจุบันมีการการพัฒนาให้ทำงานให้เร็วขึ้น โดยมีการแบ่งวงรอบคำสั่งนี้เป็นวงรอบย่อยๆอีก มีการทำเทคนิคการทำงานแบบสายท่อ (Pipeline)  มาใช้โดยขณะที่ทำวงรอบคำสั่งแรกอยู่ ก็มีการอ่านรหัสคำสั่งของคำสั่งถัดไปเข้ามาด้วย ซึ่งจะทำให้การทำงานโดยรวมของซีพียูเร็วขึ้นมาก

               หน่วยควบคุม (Control unit) เป็นหน่วยที่ทำหน้าที่ประสานงาน และควบคุมการทำงานของคอมพิวเตอร์ ควบคุมให้อุปการณ์รับข้อมูล ส่งข้อมูลไปที่หน่วยความจำ ติดต่อกับอุปกรณ์แสดงผลเพื่อสั่งให้นำข้อมูลจากหน่วยความจำไปยังอุปกรณ์แสดงผล โดยหน่วยควบคุมของคอมพิวเตอร์จะแปลความหมายของคำสั่งในโปรแกรมของผู้ใช้ และควบคุมให้อุปกรณ์ต่างๆ ทำงานตามคำสั่งนั้นๆ

               หน่วยคำนวณและตรรกะ หรือ เอแอลยู (Arithmetic-Logic Unit: ALU) เป็นหน่วยที่ทำหน้าที่ในการคำนวณต่างๆ ทางคณิตศาสตร์ ได้แก่ การบวก ลบ คูณ หาร และเปรียบเทียบทางตรรกะเพื่อทำการตัดสินใจ เช่น การเปรียบเทียบข้อมูล การเปรียบเทียบว่าจริงหรือเท็จ

                การทำงานของเอแอลยู จะรับข้อมูลจากหน่วยความจำมาไว้ในที่เก็บชั่วคราวของเอแอลยูที่เรียกว่า เรจิสเตอร์ (Register) เพื่อทำการคำนวณแล้วส่งผลลัพธ์กลับไปยังหน่วยความจำ

รูปที่ 3.4 หน่วยความจำแบบแฟลชที่อยู่บนเมนบอร์ด

3.2.2 หน่วยความจำ และการจัดเก็บข้อมูล

หน่วยความจำ (Memory unit) เป็นส่วนประกอบที่สำคัญบนเมนบอร์ดที่ทำงานร่วมกับซีพียูโดยตรง หน่วยความจำแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ

                1. หน่วยความจำแบบไม่สามารถลบเลือนได้ (non volatile memory) เป็นหน่วยความจำที่สมารถเก็บข้อมูลได้ แม้ว่าไม่มีกระแสไฟฟ้าหล่อเลี้ยง ตัวอย่างของหน่วยความจำชนิดนี้ เช่นรอม และ หน่วยความจำแบบแฟลช

                รอม (Read Only Memory: ROM) เป็นหน่วยความจำแบบอ่านได้อย่างเดียวไม่สามารถลบและเขียนข้อมูลใหม่ได้

                หน่วยความจำแฟลช (flash memory) เป็นหน่วยความจำที่สามารถลบและเขียนข้อมูลใหม่ได้

                ในเครื่องคอมพิวเตอร์มีการใช้รอมในการเก็บไบออส (Basic Input Output System: BIOS)

ไบออสทำหน้าที่เก็บข้อมูล โปรแกรมและคำสั่งพื้นฐานที่สำคัญใสการเริ่มต้นกระบวนการบูต (Boot) ของเครื่องคอมพิวเตอร์ แต่ปัจจุบันได้เปลี่ยนมาใช้หน่วยความจำแบบแฟลชในการเก็บไบออสแทน ดังรูปที่ 3.4

                2. หน่วยความจำแบบลบเลือนได้ (volatile memory) เป็นหน่วยความจำที่ต้องใช้กระแสไฟฟ้าหล่อเลี้ยงเพื่อเก็บข้อมูล หากเกิดไฟฟ้าดับ ข้อมูลและโปรแกรมคำสั่งจะสูญหายไป หน่วยความจำชนิดนี้ เช่น แรม

แรม (Random Access Memory: RAM) สามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

1. สแตติกแรม หรือเอสแรม (Static RAM:SRAM) มักพบในตัวซีพียูทำหน้าที่เป็นหน่วยความจำภายในซีพียูที่เรียกว่าหน่วยความจำแคช ซึ่งจะมีความเร็วสูงกว่าไดนามิกแรม ตัวอย่าง เอสแรม ดังรูปที่ 3.5 ก.

2.ไดนามิกแรม หรือ ดีแรม(Dynamic RAM :DRAM) เป็นหน่วยความจำที่ใช้ในการจดจำข้อมูลและโปรแกรมต่างๆ ที่อยู่ระหว่างการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ เป็นหน่วยความจำที่มีอยู่ในเครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล หรือพีซีมากที่สุด เนื่องจากราคาไม่แพงและมีความจุสูง ตัวอย่างดีแรม ดังรูปที่ 3.5 ข.รูปที่ 3.5 ก . เอสแรม

รูปที่ 3.5 ข. ดีแรม

ในการประมวลของคอมพิวเตอร์ เช่นถ้าต้องการให้คอมพิวเตอร์แสดงผลการบวกตัวเลขสองจำนวน ซีพียูจะต้องติดต่อกับแรมที่ใช้เก็บชุดคำสั่งและข้อมูลต่างๆ ไว้ ดังรูปที่ 3.6 ในตัวอย่างสมมติจะใช้ตำแหน่งแรม 10 ตำแหน่งในการจัดเก็บข้อมูล

ชุดคำสั่งภาษาเบสิกเพื่อให้คอมพิวเตอร์แสดงผลการบอกเลขสองจำนวน

รูปที่ 3.6 แสดงชุดคำสั่งที่ผ่านการประมวลผลจากซีพียู โดยจะต้องมีการทำงานร่วมกับแรม

3.2.3 ระบบบัสกับการทำงานร่วมกันของคอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์ต่างๆ

ในเครื่องคอมพิวเตอร์นั้น มีเมนบอร์ดที่สามารถติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ซีพียู หน่วยความจำและฮาร์ดดิสก์ โดยการส่งข้อมูลและคำสั่งระหว่างอุปกรณ์ จะอยู่ในรูปของสัญญาณไฟฟ้าที่ถูกส่งผ่านระบบถ่ายข้อมูลที่เรียกว่า บัส (bus) ดังรูปที่ 3.7

รูปที่ 3.7 ระบบบัส

ขนาดของบัส(bus width) กำหนดโดยจำนวนบิตที่คอมพิวเตอร์สามารถถ่ายโอนข้อมูลได้ในหนึ่งครั้ง ตัวอย่างเช่น บัส 32 บิต สามารถรับส่งข้อมูลได้ครั้งละ 32 บิต บัสขนาด 64 บิต สามารถรับส่งข้อมูลได้ครั้งละ 64 บิต เป็นต้น บัสที่มีจำนวนบิตมากจะทำให้การรับส่งข้อมูลของระบบคอมพิวเตอร์ทำได้เร็วขึ้น

การบอกความเร็วบัสมักวัดเป็นจำนวนครั้งที่รับส่งข้อมูลได้ในหนึ่งหน่วยเวลา ซึ่งมีหน่วยเป็นเฮิร์ตซ์ (Hz) เช่น บัสที่มีความเร็ว 1 MHz ความหมายว่าบัสมีสามารถรับส่งข้อมูลได้หนึ่งล้านครั้งต่อวินาที เครื่องคอมพิวเตอร์ที่พบในปัจจุบันมีค่าความเร็วบัสเป็น 667 , 800,1066 หรือ 1333 MHz ถ้าความเร็วบัสมีค่ามากหมายความว่า สมารถรับส่งข้อมูลได้เร็ว ก็จะทำให้เวลาการทำงานของโปรแกรมเร็วขึ้นไปด้วย

การทำงานของเครื่องคอมพิวเตอร์นั้นจะต้องพิจารณาถึงประสิทธิภาพโดยรวมของอุปกรณ์ทั้งหมดที่ประกอบกันอยู่ ความเร็วของคอมพิวเตอร์จะพิจารณาจากความเร็วของซีพียูอย่างเดียวไม่ได้ ต้องพิจารณาจากขนาดและความเร็วของบัสด้วย เช่น เมื่อซีพียูต้องการอ่านโปรแกรมหรือข้อมูลจะต้องอ่านจากแรม ถ้าหากระบบบัสที่เชื่อมต่อระหว่างแรมและซีพียูทำงานช้าก็จะทำให้การทำงานของระบบช้าไปด้วย