หน่วยประมวลผลกลาง
หน่วยประมวลผลกลาง (central processing unit) หรือที่นิยมเรียกสั้น ๆ ว่า ซีพียู (CPU) เป็นวงจรอิเลคทรอนิคที่ทำงาน หรือประมวลผล ตามชุดของคำสั่งเครื่องจากซอฟต์แวร์ คำนี้เริ่มใช้ในอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ตั้งแต่ต้นศตวรรษ 1960s
หน่วยประมวลผลเปรียบเสมือนเป็นสมองของคอมพิวเตอร์ ในการทำหน้าที่ตัดสินใจหรือคำนวณ จากคำสั่งที่ได้รับมา เช่น การเปรียบเทียบ การกระทำการทางคณิตศาสตร์ ฯลฯ
โดยมีกระบวนการพื้นฐานคือ
อ่านชุดคำสั่ง (fetch)
ตีความชุดคำสั่ง (decode)
ประมวลผลชุดคำสั่ง (execute)
อ่านข้อมูลจากหน่วยความจำ (memory)
เขียนข้อมูล/ส่งผลการประมวลกลับ (write back)
สถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลกลาง ประกอบไปด้วย ส่วนควบคุมการประมวลผล (control unit) และ ส่วนประมวลผล (execution unit) และจะเก็บข้อมูลระหว่างการคำนวณ ไว้ในระบบเรจิสเตอร์
เนื้อหา[ซ่อน]
1 การทำงานของหน่วยประมวลผลกลาง
1.1 การทำงานแบบขนานในระดับคำสั่ง (ILP)
1.2 การทำงานแบบขนานในระดับกลุ่มชุดคำสั่ง (TLP)
2 สถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลกลางที่เป็นที่รู้จัก
2.1 คอมพิวเตอร์แบบฝังตัว
2.2 เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล
2.3 คอมพิวเตอร์เซิร์ฟเวอร์ และเวิร์คสเตชัน
2.4 มินิคอมพิวเตอร์จนถึงเมนเฟรม
3 ดูเพิ่ม
4 แหล่งข้อมูลอื่นๆ
//
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลาง
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลางแบบพื้นฐาน
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลางแบ่งออกตามหน้าที่ได้เป็นห้ากลุ่มใหญ่ๆ ดังนี้ โดยทำงานทีละคำสั่ง จากคำสั่งที่เรียงลำดับกันไว้ตอนที่เขียนโปรแกรม
Fetch - การอ่านชุดคำสั่งขึ้นมา 1 คำสั่งจากโปรแกรม ในรูปของระหัสเลขฐานสอง (Binary Code from on-off of BIT)
Decode - การตีความ 1 คำสั่งนั้นด้วยวงจรถอดรหัส (Decoder circuit) ตามจำนวนหลัก (BIT) ว่ารหัสนี้จะให้วงจรอื่นใดทำงานด้วยข้อมูลที่ใด
Execute - การทำงานตาม 1 คำสั่งนั้น คือ วงจรใดในไมโครโปรเซสเซอร์ทำงาน เช่น วงจรบวก วงจรลบ วงจรเปรียบเทียบ วงจรย้ายข้อมูล ฯลฯ
Memory - การติดต่อกับหน่วยความจำ การใช้ข้อมูที่อยู่ในหน่วยจำชั่วคราว (RAM, Register) มาใช้ในคำสั่งนั้นโดยอ้างที่อยู่ (Address)
Write Back - การเขียนข้อมูลกลับ โดยมีหน่วยจำ Register ช่วยเก็บที่อยู่ของคำสั่งต่อไป ภายหลังมีคำสั่งกระโดดบวกลบที่อยู่
การทำงานแบบขนานในระดับคำสั่ง (ILP)
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลางแบบมี pipeline
โดยการทำงานเหล่านี้ถ้าเป็นแบบพื้นฐานก็จะทำงานกันเป็นขั้นตอนเรียงตัวไปเรื่อยๆ แต่ในหลักความเป็นไปได้คือการทำงานในแต่ละส่วนนั้นค่อนข้างจะเป็นอิสระออกจากกัน จึงได้มีการจับแยกกันให้ทำงานขนานกันของแต่ละส่วนไปได้ หลักการนี้เรียกว่า pipeline เป็นการทำการประมวลผลแบบขนานในระดับการไหลของแต่ละคำสั่ง (ILP: Instruction Level Parallelism) โดยข้อมูลที่เป็นผลจากการคำนวณของชุดก่อนหน้าจะถูกส่งกลับไปให้ชุดคำสั่งที่ตามมาในช่องทางพิเศษภายในหน่วยประมวลผลเอง
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลางแบบมี pipeline และเป็น superscalar
การทำงานแบบขนานนี้สามารถทำให้มีความสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกคือเพิ่มการทำงานแต่ละส่วนออกเป็นส่วนที่เหมือนกันในทุกกลุ่มแต่ให้ทำงานคนละสายชุดคำสั่งกัน วิธีการนี้เรียกว่าการทำหน่วยประมวลผลให้เป็น superscalar วิธีการนี้ทำให้มีหลายๆ ชุดคำสั่งทำงานได้ในขณะเดียวกัน โดยงานหนักของ superscalar อยู่ที่ส่วนดึงชุดคำสั่งออกมา (Dispatcher) เพราะส่วนนี้ต้องตัดสินใจได้ว่าชุดคำสั่งอันไหนสามารถทำการประมวลผลแบบขนานได้ หลักการนี้ก็เป็นการทำการประมวลผลแบบขนานในระดับการไหลของแต่ละคำสั่ง (ILP: Instruction Level Parallelism) เช่นกัน
การทำงานแบบขนานในระดับกลุ่มชุดคำสั่ง (TLP)
การทำงานของโปรแกรมคอมพิวเตอร์แต่ละโปรแกรมสามารถแบ่งตัวออกได้เป็นระดับกลุ่มชุดคำสั่ง (Thread) โดยในแต่ละกลุ่มสามารถทำงานขนานกันได้ (TLP: Thread Level Parallelism)
สถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลกลางที่เป็นที่รู้จัก
คอมพิวเตอร์แบบฝังตัว
สถาปัตยกรรม PowerPC 440 ของไอบีเอ็ม
สถาปัตยกรรม 8051 ของอินเทล
สถาปัตยกรรม 6800 ของโมโตโรลา
ใช้ในหน่วยควบคุม 68HC11 ซึ่งเป็นที่แพร่หลายอย่างมาก
สถาปัตยกรรม ARM ของ ARM (เคยเป็นส่วนหนึ่งของบริษัท Acorn Computers)
ใช้ใน เครื่องเล่นเพลง ไอพ็อด, เครื่องเล่นเกม เกมบอยแอดวานซ์, และ พีดีเอ จำนวนมาก 0
หน่วยประมวลผล XScale และ StrongARM ของอินเทลนั้น ใช้สถาปัตยกรรม ARM
เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล
สถาปัตยกรรม x86 ของอินเทล
สถาปัตยกรรม 6800, 6809, และ 68000 ของโมโตโรลา
สถาปัตยกรรม 6502 ของ MOS Technology
สถาปัตยกรรม Z80 ของ Zilog
สถาปัตยกรรม PowerPC ของไอบีเอ็ม (ในภายหลังคือพันธมิตร AIM alliance)
สถาปัตยกรรม AMD64 (หรือ x86-64) ของเอเอ็มดี
เข้ากันได้กับสถาปัตยกรรมแบบ x86 ของอินเทล
คอมพิวเตอร์เซิร์ฟเวอร์ และเวิร์คสเตชัน
สถาปัตยกรรม SPARC ของ SPARC International, Inc. (มีสมาชิกเช่น ซัน ไมโครซิสเต็มส์, ฟูจิตสึ, โตชิบา, เท็กซัสอินสทรูเมนส์)
หน่วยประมวลผล LEON2 ซึ่งเป็นหน่วยประมวลผลแบบเปิดเผยรหัส ใช้สถาปัตยกรรม SPARC
สถาปัตยกรรม POWER ของไอบีเอ็ม
สถาปัตยกรรม MIPS ของ MIPS Computer Systems Inc. ชุดของคำสั่งเครื่องของ MIPS เป็นเครื่องมือหลักในการสอนสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ในหนังสือ Computer Organization and Design เขียนโดย เดวิด เอ. แพตเทอร์สัน และ จอห์น แอล. เฮนเนสซี ISBN 1-55860-428-6 1998 (2nd. edition)
สถาปัตยกรรม PA-RISC ของเอชพี
สถาปัตยกรรม Alpha ของ DEC
สถาปัตยกรรม ARM ของ ARM (เคยเป็นส่วนหนึ่งของบริษัท Acorn Computers)
มินิคอมพิวเตอร์จนถึงเมนเฟรม
สถาปัตยกรรม System/360 ของไอบีเอ็ม
สถาปัตยกรรม PDP-11 ของ DEC, และสถาปัตยกรรม VAX ที่ถูกพัฒนาต่อมา
สถาปัตยกรรม SuperH ของฮิตาชิ
สถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์รุ่น UNIVAC 1100/2200 (ปัจจุบันสนับสนุนโดย Unisys ClearPath IX computers)
1750A - คอมพิวเตอร์มาตรฐานของกองทัพสหรัฐ
AP-101 - คอมพิวเตอร์ของกระสวยอวกาศ
หน่วยประมวลผลกลาง (central processing unit) หรือที่นิยมเรียกสั้น ๆ ว่า ซีพียู (CPU) เป็นวงจรอิเลคทรอนิคที่ทำงาน หรือประมวลผล ตามชุดของคำสั่งเครื่องจากซอฟต์แวร์ คำนี้เริ่มใช้ในอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ตั้งแต่ต้นศตวรรษ 1960s
หน่วยประมวลผลเปรียบเสมือนเป็นสมองของคอมพิวเตอร์ ในการทำหน้าที่ตัดสินใจหรือคำนวณ จากคำสั่งที่ได้รับมา เช่น การเปรียบเทียบ การกระทำการทางคณิตศาสตร์ ฯลฯ
โดยมีกระบวนการพื้นฐานคือ
อ่านชุดคำสั่ง (fetch)
ตีความชุดคำสั่ง (decode)
ประมวลผลชุดคำสั่ง (execute)
อ่านข้อมูลจากหน่วยความจำ (memory)
เขียนข้อมูล/ส่งผลการประมวลกลับ (write back)
สถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลกลาง ประกอบไปด้วย ส่วนควบคุมการประมวลผล (control unit) และ ส่วนประมวลผล (execution unit) และจะเก็บข้อมูลระหว่างการคำนวณ ไว้ในระบบเรจิสเตอร์
เนื้อหา[ซ่อน]
1 การทำงานของหน่วยประมวลผลกลาง
1.1 การทำงานแบบขนานในระดับคำสั่ง (ILP)
1.2 การทำงานแบบขนานในระดับกลุ่มชุดคำสั่ง (TLP)
2 สถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลกลางที่เป็นที่รู้จัก
2.1 คอมพิวเตอร์แบบฝังตัว
2.2 เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล
2.3 คอมพิวเตอร์เซิร์ฟเวอร์ และเวิร์คสเตชัน
2.4 มินิคอมพิวเตอร์จนถึงเมนเฟรม
3 ดูเพิ่ม
4 แหล่งข้อมูลอื่นๆ
//
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลาง
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลางแบบพื้นฐาน
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลางแบ่งออกตามหน้าที่ได้เป็นห้ากลุ่มใหญ่ๆ ดังนี้ โดยทำงานทีละคำสั่ง จากคำสั่งที่เรียงลำดับกันไว้ตอนที่เขียนโปรแกรม
Fetch - การอ่านชุดคำสั่งขึ้นมา 1 คำสั่งจากโปรแกรม ในรูปของระหัสเลขฐานสอง (Binary Code from on-off of BIT)
Decode - การตีความ 1 คำสั่งนั้นด้วยวงจรถอดรหัส (Decoder circuit) ตามจำนวนหลัก (BIT) ว่ารหัสนี้จะให้วงจรอื่นใดทำงานด้วยข้อมูลที่ใด
Execute - การทำงานตาม 1 คำสั่งนั้น คือ วงจรใดในไมโครโปรเซสเซอร์ทำงาน เช่น วงจรบวก วงจรลบ วงจรเปรียบเทียบ วงจรย้ายข้อมูล ฯลฯ
Memory - การติดต่อกับหน่วยความจำ การใช้ข้อมูที่อยู่ในหน่วยจำชั่วคราว (RAM, Register) มาใช้ในคำสั่งนั้นโดยอ้างที่อยู่ (Address)
Write Back - การเขียนข้อมูลกลับ โดยมีหน่วยจำ Register ช่วยเก็บที่อยู่ของคำสั่งต่อไป ภายหลังมีคำสั่งกระโดดบวกลบที่อยู่
การทำงานแบบขนานในระดับคำสั่ง (ILP)
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลางแบบมี pipeline
โดยการทำงานเหล่านี้ถ้าเป็นแบบพื้นฐานก็จะทำงานกันเป็นขั้นตอนเรียงตัวไปเรื่อยๆ แต่ในหลักความเป็นไปได้คือการทำงานในแต่ละส่วนนั้นค่อนข้างจะเป็นอิสระออกจากกัน จึงได้มีการจับแยกกันให้ทำงานขนานกันของแต่ละส่วนไปได้ หลักการนี้เรียกว่า pipeline เป็นการทำการประมวลผลแบบขนานในระดับการไหลของแต่ละคำสั่ง (ILP: Instruction Level Parallelism) โดยข้อมูลที่เป็นผลจากการคำนวณของชุดก่อนหน้าจะถูกส่งกลับไปให้ชุดคำสั่งที่ตามมาในช่องทางพิเศษภายในหน่วยประมวลผลเอง
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลางแบบมี pipeline และเป็น superscalar
การทำงานแบบขนานนี้สามารถทำให้มีความสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกคือเพิ่มการทำงานแต่ละส่วนออกเป็นส่วนที่เหมือนกันในทุกกลุ่มแต่ให้ทำงานคนละสายชุดคำสั่งกัน วิธีการนี้เรียกว่าการทำหน่วยประมวลผลให้เป็น superscalar วิธีการนี้ทำให้มีหลายๆ ชุดคำสั่งทำงานได้ในขณะเดียวกัน โดยงานหนักของ superscalar อยู่ที่ส่วนดึงชุดคำสั่งออกมา (Dispatcher) เพราะส่วนนี้ต้องตัดสินใจได้ว่าชุดคำสั่งอันไหนสามารถทำการประมวลผลแบบขนานได้ หลักการนี้ก็เป็นการทำการประมวลผลแบบขนานในระดับการไหลของแต่ละคำสั่ง (ILP: Instruction Level Parallelism) เช่นกัน
การทำงานแบบขนานในระดับกลุ่มชุดคำสั่ง (TLP)
การทำงานของโปรแกรมคอมพิวเตอร์แต่ละโปรแกรมสามารถแบ่งตัวออกได้เป็นระดับกลุ่มชุดคำสั่ง (Thread) โดยในแต่ละกลุ่มสามารถทำงานขนานกันได้ (TLP: Thread Level Parallelism)
สถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลกลางที่เป็นที่รู้จัก
คอมพิวเตอร์แบบฝังตัว
สถาปัตยกรรม PowerPC 440 ของไอบีเอ็ม
สถาปัตยกรรม 8051 ของอินเทล
สถาปัตยกรรม 6800 ของโมโตโรลา
ใช้ในหน่วยควบคุม 68HC11 ซึ่งเป็นที่แพร่หลายอย่างมาก
สถาปัตยกรรม ARM ของ ARM (เคยเป็นส่วนหนึ่งของบริษัท Acorn Computers)
ใช้ใน เครื่องเล่นเพลง ไอพ็อด, เครื่องเล่นเกม เกมบอยแอดวานซ์, และ พีดีเอ จำนวนมาก 0
หน่วยประมวลผล XScale และ StrongARM ของอินเทลนั้น ใช้สถาปัตยกรรม ARM
เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล
สถาปัตยกรรม x86 ของอินเทล
สถาปัตยกรรม 6800, 6809, และ 68000 ของโมโตโรลา
สถาปัตยกรรม 6502 ของ MOS Technology
สถาปัตยกรรม Z80 ของ Zilog
สถาปัตยกรรม PowerPC ของไอบีเอ็ม (ในภายหลังคือพันธมิตร AIM alliance)
สถาปัตยกรรม AMD64 (หรือ x86-64) ของเอเอ็มดี
เข้ากันได้กับสถาปัตยกรรมแบบ x86 ของอินเทล
คอมพิวเตอร์เซิร์ฟเวอร์ และเวิร์คสเตชัน
สถาปัตยกรรม SPARC ของ SPARC International, Inc. (มีสมาชิกเช่น ซัน ไมโครซิสเต็มส์, ฟูจิตสึ, โตชิบา, เท็กซัสอินสทรูเมนส์)
หน่วยประมวลผล LEON2 ซึ่งเป็นหน่วยประมวลผลแบบเปิดเผยรหัส ใช้สถาปัตยกรรม SPARC
สถาปัตยกรรม POWER ของไอบีเอ็ม
สถาปัตยกรรม MIPS ของ MIPS Computer Systems Inc. ชุดของคำสั่งเครื่องของ MIPS เป็นเครื่องมือหลักในการสอนสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ในหนังสือ Computer Organization and Design เขียนโดย เดวิด เอ. แพตเทอร์สัน และ จอห์น แอล. เฮนเนสซี ISBN 1-55860-428-6 1998 (2nd. edition)
สถาปัตยกรรม PA-RISC ของเอชพี
สถาปัตยกรรม Alpha ของ DEC
สถาปัตยกรรม ARM ของ ARM (เคยเป็นส่วนหนึ่งของบริษัท Acorn Computers)
มินิคอมพิวเตอร์จนถึงเมนเฟรม
สถาปัตยกรรม System/360 ของไอบีเอ็ม
สถาปัตยกรรม PDP-11 ของ DEC, และสถาปัตยกรรม VAX ที่ถูกพัฒนาต่อมา
สถาปัตยกรรม SuperH ของฮิตาชิ
สถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์รุ่น UNIVAC 1100/2200 (ปัจจุบันสนับสนุนโดย Unisys ClearPath IX computers)
1750A - คอมพิวเตอร์มาตรฐานของกองทัพสหรัฐ
AP-101 - คอมพิวเตอร์ของกระสวยอวกาศ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น