วันจันทร์ที่ 20 มกราคม พ.ศ. 2557

บทที่ 3 เรื่อง หน่วยประมวลผลกลางหรือซีพียู (CPU)

3.1   บทนำ
        หน่วยประมวลผลกลางหรือซีพียู เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า  โปรเซสเซอร์ (Processor)  หรือ ชิป (Chip)  นับเป็นอุปกรณ์ที่มีความสำคัญมากที่สุดของฮาร์ดแวร์ เพราะมีหน้าที่ในการประมวลผลข้อมูลที่ผู้ใช้ป้อน เข้ามาทางอุปกรณ์อินพุต ตามชุดคำสั่งหรือโปรแกรมที่ผู้ใช้ต้องการใช้งาน


รูปที่ 1 แสดงภาพของหน่วยประมวลผลกลางหรือซีพียู
(ที่มา http://th.wikipedia.org)

CPU เปรียบเสมือนสมองของเครื่องคอมพิวเตอร์มีหน้าที่ในการคำนวณประมวลผลข้อมูลและเป็นศูนย์กลางการควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ โดย CPU ประกอบด้วย 3 ส่วนหลักได้แก่
       1. ส่วนควบคุม (Control Unit) เป็นศูนย์กลางการควบคุมการทำงานภายในหน่วยประมวลผล
       2. ส่วนการคำนวณทางคณิตศาสตร์และตรรกะศาสตร์  (Arithmetic/Logic Unit) เป็นส่วนของการคำนวณต่างๆ


รูปที่ 2 แสดงการทำงานของซีพียู
(ที่มา http://www.thaigoodview.com)


        3. ส่วนหน่วยความจำและรีจิสเตอร์ (Primary  Memory / Register)  ช่วยในการเก็บข้อมูลชั่วคราวเพื่อนำไปประมวลผลหรือจัดเตรียมข้อมูลก่อนและหลังการจัดเก็บข้อมูล

3.2  ส่วนประกอบของซีพียู

    1. Bus Interface Unit (BIU) (Cbox)  คือส่วนที่เชื่อมต่อระหว่าง Address Bus, Control Bus และ Data Bus กับภายนอกเช่น หน่วยความจำหลัก (Main Memory) และอุปกรณ์ภายนอก (Peripherals)
    2. Memory Management Unit (MMU) (Mbox) คือส่วนที่ควบคุมโพรเซสเซอร์ในการใช้งานแคช (Cache) และหน่วยความจำ (Memory) โดย MMU ยังช่วยในการทำ Virtual Memory และ Paging ซึ่งแปลง Virtual Addresses ไปเป็น Physical Addresses โดยใช้ Translation Look-Aside Buffer (TLB)
    3. Integrated On-Chip Cache เป็นส่วนสำหรับเก็บข้อมูลที่ใช้งานบ่อยๆ ใน Synchronous RAM (SRAM) เพื่อให้การทำงานของโพรเซสเซอร์มีประสิทธิภาพสูงสุด ใช้งานได้ทั้ง L1 และ L2 On Chip Cache
    4. Prefetch Unit (Part of Ibox) คือส่วนที่ดึงข้อมูลและคำสั่งจาก Instruction Cache และ Data Cache หรือ Main Memory Based เมื่อ Prefetch Unit อ่านข้อมูลและคำสั่งมาแล้วก็จะส่งข้อมูลและคำสั่งเหล่านี้ต่อไปให้ Decode Unit
    5. Decode Unit or Instruction Unit (Part of Ibox) คือส่วนที่แปลความหมาย ถอดรหัส หรือ แปลคำสั่งให้เป็นรูปแบบที่ ALU และ Registers เข้าใจ
    6. Branch Target Buffer  (BTB) คือส่วนที่บรรจุคำสั่งเก่าๆ ที่เข้ามาสู่โพรเซสเซอร์ ซึ่ง BTB นั้นเป็นส่วนหนึ่งของ Prefetch Unit
    7. Control Unit or Execution Unit คือส่วนที่เป็นศูนย์กลางคอยควบคุมการทำงานในโพรเซสเซอร์ดังนี้
    8. อ่านและแปลความหมายของคำสั่งตามลำดับ
    9. ควบคุม Arithmetic and Logic Unit (ALU), Registers และส่วนประกอบอื่นๆ ของโพรเซสเซอร์ตามคำสั่ง
    10. ควบคุมการเคลื่อนย้ายของข้อมูลที่รับ - ส่งจาก Primary Memory และอุปกรณ์ I/O
    11. ALU (Ebox) คือส่วนที่ปฏิบัติตามคำสั่งและเปรียบเทียบ Operants  ในบางโพรเซสเซอร์มีการแยก ALU ออกเป็น 2 ส่วน ดังนี้
                           Arithmetic Unit (AU)
                           Logic Unit (LU)
    14. Operation ที่ ALU ปฏิบัติตามเช่น
                            Arithmetic operations (+, -, *, และ /)
                            Comparisons (<, >, และ =)
                             Logic operations (and, or)
    15. Floating-Point Unit (FPU) (Fbox) คือส่วนทีทำการคำนวณเกี่ยวกับจำนวนตัวเลขที่เป็นจุดทศนิยม
    16. Registers (Part of Ibox, Fbox, และ Ebox) คือส่วนที่ใช้สำหรับเก็บข้อมูลสำหรับการคำนวณในโพรเซสเซอร์
    17. Data Register Set เก็บข้อมูลที่ใช้งานโดย ALU เพื่อใช้สำหรับการคำนวณที่ได้รับการควบคุมจาก
Control Unit ซึ่งข้อมูลนี้อาจส่งมาจาก Data Cache, Main Memory หรือ Control Unit ก็ได้
    18. Instruction Register Set เก็บคำสั่งที่กำลังทำงานอยู่



3.3 สถาปัตยกรรมของซีพียู

CPU แบ่งออกเป็น 2 กลุ่มตามสถาปัตยกรรมการออกแบบได้แก่

- CISC Processor (Complex – Instruction – Set – Computer) มีความสามารถในการทำงานกับ

ภาษาระดับสูงมีชุดคำสั่งเป็นจำนวนมากซึ่งใกล้เคียงกับภาษามนุษย์ทำให้ง่ายในการเขียนโปรแกรมแต่โปรแกรมจะมีความยาวมากทำให้โปรแกรมมีขนาดใหญ่

- RISC Processor (Reduce – Instruction – Set – Computer) เป็นการลดจำนวนของชุดคำสั่งที่ใช้ในการทำงานลงทำให้ง่ายต่อการแปลความหมาย สามารถทำงานแบบ Pipe Line ได้ ซึ่งทำให้เขียนโปรแกรมทำได้ยากแต่ก็จะทำงานได้อย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะเมื่อใช้คำสั่งที่เป็นคำสั่งของ RISC

เครื่องพีซีโดยทั่วไปจะมี CPU ส่วนใหญ่เป็นแบบ CISC Processor จะมีบางส่วนที่เป็นแบบ RISC Processor เช่นเครื่อง แบบแมคอินทอช (McIntosh) ที่เน้นการประมวลผลด้าน Graphic, Floating Point ในส่วนของ RISC Processor ที่พบในปัจจุบันเช่น เครื่องแบบ Work Station Sun Sparc Station, Dec Alpha, Silicon Graphic เป็นต้น

ซีพียูแต่ละแบบอาจมีความแตกต่างกันทางด้านโครงสร้างหรือสถาปัตยกรรม แต่หลักการทำงานจะคล้ายกัน โครงสร้างหลักๆ ของซีพียูมีแบ่งเป็นหน่วยต่างๆ ตามหน้าที่ ดังนี้ (White 1993 : 41)

         - Bus Interface Unit เป็นหน่วยที่นำคำสั่งจากแรมมายังหน่วยพรีเฟตช์

         - Prefetch Unit เป็นหน่วยเก็บคำสั่งไว้ในที่พักข้อมูลแล้วส่งไปที่หน่วยถอดรหัส

         - Decode Unit เป็นหน่วยที่แปลคำสั่งเพื่อนำไปประมวลผล

         - Execution Unit เป็นหน่วยที่ทำการประมวลผลประกอบด้วย 4 ส่วนใหญ่ๆ คือ

           Control Unit เป็นหน่วยควบคุมการสั่งการให้ข้อมูลเป็นไปตามลำดับที่กำหนดไว้

           Protection Test Unit เป็นหน่วยตรวจสอบความผิดพลาด (Error)

           Registers เป็นหน่วยความจำใช้เก็บข้อมูลชั่วคราวขณะที่ทำการประมวลผล

           Arithmetic Logic Unit (ALU) เป็นหน่วยคำนวณและตรรกะ

3.4 หลักการทำงานของซีพียู

         การทำงานของคอมพิวเตอร์ 1 คำสั่งจะประกอบด้วยขั้นตอนการทำงานหลายขั้นตอน ซึ่งเรียกแต่ละขั้นตอนว่ารอบการทำงาน (Machine Cycle) โดยที่อัตราความเร็วของแต่ละรอบการทำงานจะถูกควบคุมด้วยสัญญาณนาฬิกาภายในเครื่อง (ดวงแก้ว สวามิภักดิ์ 2535: 43) ซีพียูจะทำงานตามจังหวะของสัญญาณนาฬิกาโดยหน่วยรับข้อมูลล่วงหน้า (Prefetch Unit) จะควบคุมข้อมูลที่เข้าคิว (Queue) ก่อนจะมีการประมวลผล เช่น มีคำสั่งบอกเลขสองจำนวน หน้าที่ของหน่วยงานนี้ก็คือ ส่งข้อมูลให้กับหน่วยแปลรหัสคำสั่ง (Decode Unit) อยู่ตลอดเวลาจนหน่วยแปลรหัสคำสั่งไม่รู้สึกว่าว่างงาน

         ในขณะเดียวกัน หน่วยจัดการหน่วยความจำแบบเซกเมนต์และแบบหน้า (Segment and Paging Units) จะทำการเปลี่ยนตำแหน่งเสมือน (Virtual Address) ของคำสั่งบวกนั้นให้เป็นตำแหน่งจริงๆ ทางกายภาพ เพื่อที่จะให้หน่วยติดต่อบัส (Bus Interface Unit) เข้าใจหน่วยติดต่อบัส ซึ่งเชื่อมต่อการทำงานที่เหลือเข้าด้วยกันจะดึงคำสั่งจากแรมขึ้นมา แล้วผ่านไปให้กับหน่วยรับข้อมูลล่วงหน้าอีกครั้ง

          หน่วยรับข้อมูลล่วงหน้าจะส่งผ่านข้อมูลไปให้กับหน่วยแปลรหัสคำสั่ง ซึ่งจำทำการตรวจสอบว่าข้อมูลที่ส่งเข้ามานั้นเป็นอะไร ซึ่งผลก็คือ เป็นคำสั่งบวกเลข 2 จำนวน จากนั้นก็ถอดรหัสให้อยู่ในรูปแบบคำสั่งที่หน่วยดำเนินงานตามคำสั่ง (Execution Unit) เข้าใจและสามารถทำงานได้ จากนั้นจึงค่อยส่งข้อมูลไปให้กับหน่วยดำเนินงานภายในหน่วยดำเนินงานจะมีหน่วยย่อยที่เรียกว่า หน่วยควบคุม (Control Unit) หน่วยย่อยนี้จะทำหน้าที่ควบคุมการทำงานขั้นตอนต่างๆ ที่จำเป็นในหนึ่งคำสั่งว่าแต่ละงานต้องทำอะไร และทำเมื่อไรอย่างเช่น คำสั่งการบวก หน่วยควบคุมจะส่งตำแหน่งที่อยู่เสมือนของ 2 ตัวแรกซึ่งอยู่ในหน่วยความจำไปให้กับหน่วยทดสอบการป้องกัน (Protection Test Unit)

          หน่วยทดสอบการป้องกันจะควบคุมการสื่อสารในตัวซีพียู ไม่ให้มีการแก้ไขข้อมูลในหน่วยความจำหรือเข้าใช้อุปกรณ์รอบข้างคอมพิวเตอร์อื่นๆ โดยคำสั่งนั้นๆ ไม่มีสิทธิ์หรือไม่ได้รับอนุญาต โดยหน่วยทดสอบการป้องกันจะตรวจสอบตำแหน่งที่อยู่เสมือนว่าผิดหรือไม่ ถ้าไม่ผิด หน่วยนี้จะส่งตำแหน่งที่อยู่เสมือนไปให้กับหน่วยจัดการหน่วยจัดการหน่วยความจำแบบเซกเมนต์และแบบหน้า เพื่อทำการค้นหาตำแหน่งดังกล่าวให้เป็นตำแหน่งจริงๆทางกายภาพ ซึ่งเมื่อแปลงเสร็จก็จะส่งให้หน่วยติอต่อบัสให้ดึงข้อมูลดังกล่าวไปสู่หน่วยทดสอบการป้องกันต่อไป
         เมื่อหน่วยติดต่อบัสพบและดึงข้อมูลจากแรมได้สำเร็จ ข้อมูลจะถูกส่งผ่านหน่วยทดสอบการป้องกันแล้วเลยไปยังรีจิสเตอร์หรือหน่วยความจำชั่วคราวภายในตัวประมวลผล ซึ่งทำหน้าที่เสมือนกับกระดาษทดเลขของตัวประมวลผล ขั้นตอนการดึงข้อมูลต่อไปก็เหมือนเดิม โดยเป็นการดึงข้อมูลตัวหลังเข้าสู่หน่วยดำเนินการแต่ไม่เก็บลงรีจิสเตอร์

        หน่วยคำนวณและตรรกะ (The Arithmetic Logic Unit) หรือที่เรียกว่า ALU จะทำหน้าที่เสมือนเครื่องคิดเลขของตัวประมวลผล ทำหน้าที่บวกเลขตัวแรกที่เก็บอยู่ในรีจิสเตอร์ กับเลขตัวหลังที่ดึงมาจากหน่วยความจำโดยตรง

       หน่วยควบคุม (Control Unit) จะบอกให้หน่วยติดต่อบัสเก็บผลลัพธ์ที่ได้ไว้ในแรม โดยหน่วยจัดการหน่วยความจำแบบเซกเมนต์และแบบหน้าจะช่วยบอกตำแหน่งจริงของหน่วยความจำทางกายภาพ โดยการแปลงตำแหน่งที่อยู่เสืมอนที่ส่งมาจากหน่วยควบคุม ให้เป็นตำแหน่งจริงทางกายภาพ จึงเป็นการสิ้นสุด 1 คำสั่ง


3.5  การติดต่อระหว่างอุปกรณ์รอบข้างกับซีพียู
   
          1. การโพลลิ่ง (Polling) ลักษณะการติดต่อแบบนี้คือ ทุกๆช่วงเวลาหนึ่งซีพียูจะหยุดงานที่ทำไว้ชั่วคราวและไปตรวจเช็กที่แต่ละแชนแนลเพื่อนดูว่า มีอุปกรณ์ใดบ้างต้องการส่งข้อมูล ถ้าอุปกรณ์ต้องการส่งข้อมูล ซีพียูก็จะรับข้อมูลนั้นมา แต่ถ้าอุปกรณ์นั้นไม่ต้องการส่งข้อมูล ซีพียูก็จะไปตรวจสอบอุปกรณ์ตัวอื่นต่อไปจนกระทั่งครบทุกตัว ซีพียูก็จะกลับมาทำงานของมันตามเดิม ข้อเสียของการโพลลิ่งคือ
              1. ถ้าอุปกรณ์ต่างๆ ไม่ต้องการส่งข้อมูล ซีพียูก็จะเสียเวลาตรวจเช็กอุปกรณ์ทุกตัว
              2. ถ้าอุปกรณ์ที่ต้องการส่งข้อมููลจะต้องเสียเวลารอจนกว่าที่ซีพียูตรวจเช็กมาถึงตัวมันเท่านั้น

          2. การอินเทอร์รัพต์ (Interrupt) ลักษณะการติดต่อแบบนี้จะลดข้อเสียแบบโพลลิ่งได้มาก คือเมื่ออุปกรณ์ตัวใดต้องการส่งข้อมูล มันจะส่งสัญญาณผ่านทางแชนแนลไปบอกซีพียู แล้วซีพียูก็จะหยุดทำงานชั่วคราวเพื่อให้อุปกรณ์ทำการส่งข้อมูลจนกระทั่งเสร็จ ซีพียูจึงกลับไปทำงานที่ค้างไว้ต่อ ข้อดีคือ ซีพียูไม่ต้องเสียเวลาในการตรวจเช็กอุปกรณ์ทุกตัว และอุปกรณ์ก็ไม่ต้องเสียเวลารอ แต่ข้อเสียคือ ซีพียูิอาจไม่สามารถหยุดงานที่กำลังทำอยู่ได้ในทันที และในกรณีนี้อุปกรณ์ตัวนั้นต้องรอจนกระทั่งงานที่ซีพียูกำลังทำอยู่ีนี้เสร็จสิ้นลงเสียก่อน

         3. การเมลบ็อกซ (Mailbox)  ลักษณะการติดต่อแบบนี้ ระบบต้องเสียเนื้อที่ในหน่วยความจำบางส่วนเพื่อเป็นที่สำหรับพักข้อมูล เมื่อมีอุปกรณ์บางตัวที่ต้องการส่งข้อมูล มันก็จะส่งข้อมูลไปไว้ที่หน่วยความจำส่วนนี้และสำหรับซีพียูทุกๆช่วงเวลาหนึ่งๆซีพียูจะหยุดงานที่ทำไว้เพื่อไปตรวจสอบหน่วยความจำส่วนนี้ ถ้าไม่มีข้อมูลซีพียูก็จะกลับไปทำงานเดิม แต่ถ้ามีมันก็จะรัีบข้อมูลเข้ามา ซึ่งการติดต่อแบบนี้เป็นการผสมผสานระหว่างการอินเทอร์รัพต์กับการโพลลิ่ง

3.6 พัฒนาการของซีพียู

          บริษัทอินเทลเป็นบริษัทผู้ผลิตซีพียูที่เก่าแก่และมีการพัฒนา มาอย่างต่อเนื่อง นับตั้งแต่ซีพียู 8086 , 8088 และซีพียูในตระกูล 80x86 เรื่อยมา จนมาถึง Celeron , Pentium II และ III ซึ่งได้รับความนิยมอย่างมากในสมัยนั้น ก่อนที่จะก้าวเข้าสู่ยุค Celeron II, Pentium 4 และ Pentium 4 Extreme Edition ที่ได้รับการตอบรับจากผู้ใช้อย่างกว้างขวาง เรื่อยมาจนมาถึงยุคของ Celeron D และ Pentium 4 ภายใต้รหัส Processor Number ใหม่ รวมไปถึงซีพียูในกลุ่ม Dual และ Quad-Core อย่าง Pentium D , Pentium Dual-Core, Pentium Extreme Edition , Core Duo, Core 2 Duo, Core 2 Quad และ Core 2 Extreme ที่ถือได้ว่าเป็นจุดเริ่มต้นของยุคซีพียูในแบบ Dual & Multi-Core บนเครื่องซีพีที่ใช้กันอยู่แพร่หลายในปัจจุบัน รวมทั้งซีพียูบนโครงสร้างทางสถาปัตยกรรมแบบใหม่อย่าง Nehalem ที่จะมาพร้อมกันแบรนด์ใหม่ที่ชื่อว่า Core i7 เป็นต้น
รายชื่อของซีพียูสำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์แบบ PC หรือ Desktop แต่ละรุ่นตั่งแต่อดีตจนถึงปัจจุบันของบริษัท อินเทล (Intel) มีดังนี้
  • ตระกูล 80x86 เป็นซีพียูรุ่นแรกๆ เช่น 80386,80486 ซึ่งปัจจุบันไม่ใช้กันแล้ว
  • Pentium เป็นซีพียูรุ่นแรกที่เปลี่ยนไปใช้วิธีตั้งชื่อเรียกว่า Pentium แทนตัวเลขแบบเดิม
  • Pentium MMX เป็นซีพียูที่ได้มีการนำเอาคำสั่ง MMX (Multimedia extension) มาใช้เพื่อเพิ่มขีดความสามารถทางด้านมัลติมีเดีย
  • Pentium Pro เป็นซีพียูรุ่นแรกของตระกูล P6 ซีพียูรุ่นนี้ใช้กับชิปเซ็ตรุ่น 440 FX และได้รับความนิยมในเครื่องเซิร์ฟเวอร์เป็นอย่างมากสมัยนั้น
  • Pentium II เป็นการนำซีพียู Pentium Pro มาปรับปรุงโดยเพิ่มชุดคำสั่ง MMX เข้าไป และเปลี่ยนไปใช้บรรจุภัณฤฑ์แบบตลับ ซึ่งใช้เสียบลงใน Slot 1 โดย L2 Cache ขนาด 512 ME ที่มีความเร็วเพียงครึ่งเดียวของความเร็วซีพียูCeleron เป็นการนำเอา Pentium II มาลดองค์ประกอบ โดยยุคแรกได้ตัด L2 Cache ออกมาเพื่อให้มีราคาถูกลง
  • Pentium III เป็นซีพียูที่ใช้ชื่อรหัสว่า Katmai ซึ่งถูกเพิ่มเติมชุดคำสั่ง SSE เข้าไป
  • Celeron II รุ่นแรกเป็นการนำเอา Pentium III ( Coppermine และ Tualatin) มาลด L2 Cache ลงเหลือเพียง 128 KB และ 256 KB ตามลำดับจากนั้นรุ่นถัดมาก็ได้นำเอาซีพียู Pentium 4 (Willamette และ Northwood) โดยยังคงใช้ชื่อเรียกอย่างเป็นทางการว่า Celeron หรือ Celeron II

Processor Information
Intel Processors Produced Manufacturer Max. CPU Clock rate
4004

From late 1971 to 1981 Intel 740 kHz
4040


From 1974 to 1981 Intel 500 kHz to 740 kHz
8008


From mid 1972 to 1983 Intel 0.5 MHz to 0.8 MHz
8080

mid 1974 Intel 2 MHz
8085

From 1977 to 1990s Intel 3, 5 and 6 MHz
8086

From 1978 to 1990s Intel, AMD, NEC, Fujitsu,Harris (Intersil),OKI, Siemens AG,Taxes Istruments, Mitsubishi 5 MHz to 10 MHz
8088


From 1979 to 1990s Intel, AMD, NEC, Fujitsu,Harris (Intersil),OKI, Siemens AG,Taxes Istruments, Mitsubishi 5 MHz to 10 MHz
80186

From 1982 to 2007 (Intel versions) Intel, AMD, Fujitsu,Harris (Intersil),OKI, Siemens AG, 6 MHz to 25 MHz
80188



From 1980 to 1982 Intel 8 MHz to 10 MHz
80286
From 1982 to early 1990s Intel, AMD, Fujitsu,Harris (Intersil),OKI, Siemens AG, IBM 6 MHz (4 MHz for a short time) to 25 MHz
80386

From 1985 to September 2007 Intel, AMD ,IBM 12 MHz to 40 MHz
80486

From 1989 to 2007 Intel, AMD, UMC, SGS ,Harris Semiconductor,,Taxes Istruments, Thomson 16  MHz to 100 MHz
Pentium Pro

November 1, 1995 Intel 150 MHz to 200 MHz
Pentium II

From mid 1997 to early 1999 Intel 233 MHz to 450 MHz
Pentium III

From early 1999 to 2003 Intel 400 MHz to 1.4 GHz
Pentium 4

From 2000 to 2008 Intel 1.4 GHz to 3.1 GHz
Intel Core Jan 2006 Intel
Core 2 Duo

2006 Intel 1.06 GHz to 3.33 GHz
Dual Core

From 2006 to 2009 Intel 1.3 GHz to 2.6 GHz
Core 2 Quad

Aug 2008 Intel
Core i3

January 7, 2010 Intel
Core i5

introduced on September 8, 2009 Intel
Core i7
March 16, 2010 Intel 2.80 GHz to 3.6 GHz
ที่มา (http://www.chakkham.ac.th)


สรุปท้ายบท
    ปัจจุบันนี้การแข่งขันกันด้านความเร็ว CPU นั้นเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ทั้งในด้านของราคาประสิทธิภาพรวมถึงความสามารถที่เพิ่มเติมเข้ามาใหม่ๆทำให้เกิดการแข่งขันเพื่อแย่งส่วนแบ่งตลาดนั้นรุนแรงขึ้นทุกๆวัน ซึ่งเมื่อไม่นานมานี้ บริษัทที่แยกตัวออกมาจาก Intel และทำการผลิต CPU ของตนเองใช้ชื่อบริษัทว่า AMD (Advance Micro Device) โดยแรกๆนั้น ก็อาศัยแต่เพียงชื่อเสียงและสถาปัตยกรรมของ Intel เพื่อขอมีส่วนแบ่งในตลาดบ้างเท่านั้น แต่ต่อๆมา ก็กลับคิดและออกแบบสถาปัตยกรรมของตนขึ้นมาเพื่อลบล้างคำกล่าวที่ว่าลอกเลียนแบบ Intel และ ยังมีประสิทธิภาพที่สูง รวมถึงราคานั้นก็ต่ำกว่า CPU ของ Intel ในรุ่นเดียวกัน จนกระทั่งปัจจุบันนั้นได้มีส่วนแบ่งในตลาด CPU ที่สูงทัดเทียมกับ Intel แล้ว




วันอาทิตย์ที่ 19 มกราคม พ.ศ. 2557

บทที่ 2 เรื่องเมนบอร์ด

รูปที่ 1 แสดงรูปเมนบอร์ดของเครื่องคอมพิวเตอร์พีซี
(ที่มา.. http://www.comsimple.com)

2.1 เมนบอร์ดคืออะไร

       เมนบอร์ด  (Main Board)  หรือที่เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า  มาเธอร์บอร์ด  (Mother Board) ถือได้ว่าเป็นอุปกรณ์ที่เป้นหัวใจสำคัญสำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์ เนื่องจากเมนบอร์ดเป็นแผงวงจรหลักที่ใช้สำหรับการติดตั้งหรือต่อพ่วงอุปกรณ์ต่างๆ ของคอมพิวเตอร์
      องค์ประกอบที่สำคัญสำหรับเมนบอร์ดนั้น  ก็คือการเชื่อมโยงของสายไฟ ไปยังอุปกรณ์ที่อยู่บน M/B มากมาย หากสังเกตลายทองแดงบนปริ้นของเมนบอร์ดแล้ว ก็จะเป็นในส่วนของทางเดินของสัญญาณแทบทั้งสิ้นเสมือนเป็นถนนสำหรับลำเลียงสิ่งต่างๆ โดยเฉพาะแล้วกับข้อมูลที่เป็นส่วนสำคัญที่สุด ช่องทางเดินของสัญญาณต่างๆ เหล่านี้ รวมเรียกว่า  "ระบบบัส"  ระบบบัสที่เหมาะสมจะต้องเร็วพอที่ะยอมให้อุปกรณ์อื่นๆ รับและส่งข้อมูลผ่านได้ด้วยข้อมูลผ่านได้ด้วยความเร็วเต็มความสามารถของอุปกรณ์นั้น เพื่อจะได้ไม่เป็นตัวคอยถ่วงให้การทำงานของอุปกรณ์อื่นช้าตามลงไปเพราะอุปกรณ์ที่ช้ากว่า


2.2 ความเป็นมาของเมนบอร์ด

       พัฒนาการของเมนบอร์ดมีมาตั้งแต่ครั้งไอบีเอ็มออกแบบพีซีในปี  2524 โดยพัฒนาขนาดรูปร่างของเมนบอร์ดมาใช้กับเครื่องรุ่นพีซี และต่อมายังพัฒนาใช้กับรุ่นเอ็กซ์ที
      ครั้นถึงรุ่นเอที  ก็ได้หาทางสร้างขนาดของเมนบอร์ดใหมีมาตรฐานขึ้น โดยเฉพาะเครื่องทีพัฒนาต่อมาจะใช้ขนาดของเมนบอร์ดเอทีเป็นหลัก
       จนเมื่อพัฒนาการของเทคโนโลยีก้าวหน้ามามาก  สิ่งที่ต้องคำนึงถึงในเมนบอร์ดยิ่งมีความสำคัญจะกระทั่งถึงประมาณปี พ.ศ. 2538 หรือขณะนั้นพีซีกำลังก้าวสู่รุ่นเพนเทียม บริษัทอินเทลได้เสนอขนาดของเมนบอร์ดแบบมาตรฐานและเรียกว่า ATX ซึ่งใช้งานกันจนถึงทุกวันนี้
       จากขนาดของ ATX ก็มีพัฒนาการต่อเพื่อทำเครื่องให้มีขนาดกะทัดรัดขึ้น โดยลดขนาดของเมนบอร์ดลงและเรียกว่า MicroATX และลดลงอีกรูปที่ชื่อ FlexATX


เมนบอร์ดแบบ  ATX     ลักษณะสำคัญของ  ATX เมนบอร์ด ATX มีขนาด 12 นิ้ว x 9.6 นิ้ว เป็นขนาดที่มาตรฐานที่สามารถถอดใส่เปลี่ยนกันได้  และเพื่อให้เมนบอร์ดถอดเปลี่ยนกันได้  การออกแบบเมนบอร์ดจึงต้องคำนึงถึงขนาดและตำแหน่งของรูที่ยึดติดกับแท่น  และการวางลงในตำแหน่งตัวเครื่อง (กล่อง) ได้อย่างพอดี ขนาดของ ATX ได้รับการออกแบบมาเพื่อมีขนาดพอเหมาะที่จะใส่ของที่สำคัญและจำเป็นได้ครบ ตั้งแต่ซีพียู สล็อตขยายระบบการจัดวางอุปกรณ์ต้องให้ตำแหน่งได้ลงตัวและไม่ยุ่งยากในเรื่องสายเคเบิ้ลที่จะเชื่อมบนบอร์ด
       ความคล่องตัวของการใส่อุปกรณ์ลงในสล็อต ใส่ซีพียู ติดพัดลม และช่องขยายพอร์ต มีพอร์ตที่จำเป็นพร้อมขยายเพิ่มได้ เช่น พอร์ตอนุกรม พอร์ตขนาน พอร์ตมาตรฐานต่างๆ พอร์ต USB พอร์ต TV in/out
       ผู้ออกแบบจะต้องคำนึงถึงช่องทางการไหลของอากาศเพื่อระบายความร้อน และลดเสียงที่เกิดขึ้น โดยเฉพาะเมื่อมีการใส่อุปกรณ์ต่างๆ ลงไปบนบอร์ด เช่น พัดลม บนบอร์ดรับสายเชื่อมรองกับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงซึ่งปัจจุบันใช้มาตรฐาน + - 5  โวลต์  + - 12 โวลต์ และ 3.3 โวลต์ อีกทั้งระยะห่างจะต้องเหมาะสมเพื่อการประกอบได้ง่าย


เมนบอร์ดแบบ  Micro  ATX     เป็นเมนบอร์ดที่ลดขนาดลงโดยมีขนาดเพียง  9.6  นิ้ว x 9.6 นิ้ว จุดประสงค์คือ  ต้องการให้ตัวกล่องบรรจุมีขนาดเล็กลง  แต่จากที่ขนาดเล็กลงจำเป็นต้องลดพื้นที่ในส่วนของจำนวนสล็อตต่างๆ ทำให้เครื่องที่ใช้เมบบอร์ด  แบบ MicroATX มีขีดความสามารถในการขยายระบบได้จำกัด และในปี  พ.ศ. 2542 อินเทลได้พัฒนารุ่นเมนบอร์ดใหม่ที่มีขนาดเล็กลงไปอีก โดยใช้ชื่อรุ่นว่า FlexATX  โดยมีขนาดเมนบอร์ดเพียง 9 นิ้ว x 7.5 นิ้ว เพื่อให้มีขนาดเครื่องพีซีมีขนาดเล็กลงไปอีก


2.3 ส่วนประกอบของเมนบอร์ด
รูปที่ 2 ส่วนประกอบของเมนบอร์ด
(ที่มา.. http://www.comsimple.com)

 1.ซ็อกเก็ตซีพียู

รูปที่ 2.1 ซ็อกเก็ตซีพียู
(ที่มา.. http://www.comsimple.com)

ซ็อกเก็ตซีพียู เป็นที่ติดตั้งของตัวซีพียูเองจะมีลักษณะตามรุ่นตามยี่ห้อ หรือตามซีพียูที่เราจะใส่  ดังนั้นเราควรที่จะเลือกให้ตรงกันด้วย


2. พอร์ตที่ใช้ในการเชื่อมต่อทางด้านหลังของเครื่องคอมพิวเตอร์นั้นจะมีพอร์ตที่ใช้ในการเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่างๆ  ที่อยู่ภายนอก  ซึ่งแต่ล่ะพอร์ตจะมีรูเสียบเฉพาะของอุปกรณ์ที่ต่อนั้นจะไม่ค่อยต่อผิดกัน มาดูตัวอย่างกันว่าแต่ล่ะพอร์ตนั้นใช้ต่อกับอะไรบ้าง



รูปที่ 2.2 พอร์ตที่ใช้ในการเชื่อมต่อ
(ที่มา.. http://www.comsimple.com)

1 .PS/2 เป็นพอร์ตไว้สำหรับการเชื่อมต่อ เมาส์และคีย์บอร์ด  โดยทั่วไปแล้วเมาส์จะเป็นสีเขียว  และคีย์บอร์ดจะเป็นสีม่วง ซึ่งในปัจจุบันนี้จะมีการเปลี่ยนมาใช้ USB แต่ก็ยังมี PS/2 มีใช้อยู่เป็นจำนวนมาก2. Firewire เป็นพอร์ตการเชื่อมต่อที่มีลักษณะคล้ายกับ USB ซึ่งมีอัตราความเร็วกว่า  ด้วยมาตรฐาน IEEE 1394a มีอัตราการเชื่อมต่อรับ/ส่งข้อมูล  400MB/s อุปกรณ์ที่มีการเชื่อมต่อเช่น ฮาร์ดดิสก์แบบภายนอก
3.eSATA เป็นการเชื่อมสำหรับ ฮาร์ดดิสก์แบบภายนอก เช่นกัน
4. USB เป็นการเชื่อมต่อภายนอกแบบต่างๆ  แล้วจะมีพอร์ตนี้มากเป็นพิเศษเพราะว่ามีอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อได้หลากหลาย  อย่างเช่นเครื่องพิมพ์ เมาส์ และอื่นๆอีก รวมถึงเฟรตไดร์ด้วย สำหรับความเร็วแล้วอยู่ที่ 480MB/s5.LAN ช่องการเชื่อมต่อแลน  ใช้สำหรับการเชื่อมต่อเครือข่ายที่อยู่ในระบบ6. ช่องต่อเสียง ไว้สำหรับการเชื่อมต่อเสียง ทั้งเสียง Input และ Output ทั้งลำโพง  ทั้งไมค์3.สล็อต์ AGPใช้สำหรับการเชื่อมต่อของการ์ดแสดงผล  มีทั้ง AGP และ PCI Express  เพื่อเชื่อมต่อให้กับมอนิเตอร์ใช้ในการแสดงผล4.สล็อต PCIใช้สำหรับการเชื่อมต่อการ์ดต่างๆที่ไม่ต้องการความเร็วสูงมากนัก เช่นการ์ดเสียง  การ์ดแลน และโมเด็มใช้สำหรับการเชื่อมต่อ5.ตัวอ่านแผ่นดิสก์ซึ่งปัจจุบันไม่ได้ใช้แล้วแต่ให้สำหรับการเชื่อมต่อ Memory Card ต่างๆ แต่ต้องชื้อตัวมาเพิ่ม6.ซิปเซตถือได้ว่าเป็นมีความสำคัญ  เพราะทำหน้าที่ควบคุมการทำงานต่างๆบนเมนบอร์ด  โดยจะมีซิปเซตอยู่ 2 ส่วนด้วยกันคือ-   North  Bridge จะทำหน้าที่คอบควบคุม ซีพียู แรม และการ์ดแสดงผล-   South  Bridge  จะทำหน้าที่ควบคุมสล็อตต่างๆ7.หัวต่อ SATAซึ่งใช้ในการเชื่อมต่อฮาร์ดดิสก์  แบบ SATA ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อแบบอนุกรม  ซึ่งมีข้อดีทั้งประหยัดพลังงานและประหยัดพื้นที่  อีกทั้งยังทำให้ระบายความร้อนภายในเคสได้ดีอีกด้วย8.หัวต่อแบบ IDE  ใช้ในการเชื่อมต่อแบบ IDE ทั้งแบบที่เป็นฮาร์ดดิสก์ และ CD/DVD ROM

9.ต่อแหล่งจ่ายไฟ

รูปที่ 2.3 ต่อแหล่งจ่ายไฟ
(ที่มา.. http://www.comsimple.com)
ที่ใช้สำหรับในการต่อแหล่งกระแสไฟฟ้า  จากพาวเวอร์ซับพราย  โดยจะมีทั้งรุ่นเดิมที่ใช้ 20 Pin และในปัจจุบัน 24 Pin โดยจะมีทั้งหมด อยู่ 2 แถว10.ซ็อกเก็ตแรม

รูปที่ 2.4 ซ็อกเก็ตแรม

(ที่มา.. http://www.comsimple.com)

โดยใช้สำหรับใส่แรม โดยมีทั้งแบบ Dual Channel และ Triple Channel11.ตัวเชื่อมปุ่มควบคุมใช้ในการเชื่อมต่อปุ่ม Power ปุ่ม รีสตาร์    และแสดง ไฟของการทำงานฮาร์ดดิสก์ และไฟขณะทำงาน12.ตัวต่อ USBใช้ในการเชื่อมต่อ USB ภายในเคส  เพื่อเพิ่มในการเชื่อมต่อ USB ที่มากขึ้น



2.4 การเลือกใช้งานเมนบอร์ด

       
      สิ่งที่ต้องคำนึงถึงในการเลือกใช้งานเมนบอร์ดมีดังนี้
      2.4.1  การรับประกันของตัวเมนบอร์ด
      ควรพิจารณาระยะเวลารับประกันเมนบอร์ดเป็นหลัก  เนื่องจากว่าเมนบอร์ดเป็นอุปกรณ์ที่ได้รับความเสียหายง่ายเพราะต้องรับพลังงานจากไฟฟ้าโดยตรงและต้อ
แจกจ่ายพลังงานไฟฟ้าไปให้กับอุปกรณ์ตัวอื่นๆอยู่ตลอดเวลาที่ใช้งาน การพิจารณาการรับประกันต้องดูด้วยว่ารับประกันทั้งเมนบอร์ดหรือไม่หรือรับประกันเฉพาะส่วน (มีบางบริษัทรับประกันเมนบอร์ดเฉพาะส่วนเช่น ชิปเซต หรือ สล็อต ต่างๆ เท่านั้น) ระยะเวลาในการรับประกันเมนบอร์ดส่วนใหญ่จะอยู่ที่ 5-7 ปี เป็นต้น ควรเลือกเมนบอร์ดที่มีการรับประกันนานที่สุดเท่าที่จะทำได้ (บางทีเงื่อนไขในการรับประกันอาจจะต้องจ่ายเงินเพิ่มในกรณีที่ต้องการระยะเวลารับประกันเพิ่ม)
     2.4.2  มีการรองรับกับเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่จะเกิดขึ้น
     ควรอ่านคู่มือเมนบอร์ดก่อนซื้อทุกครั้ง เพราะจะทำให้ทราบถึงสเปกที่แท้จริงของเมนบอร์ด ไม่ควรฟังจากพนักงานขายเท่านั้น เพราะเทคโนโลยีของเมนบอร์ดมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ควรพิจารณาเลือกซื้อเมนบอร์ดที่รองรับกับเทคโนโลยีที่จะเกิดขึ้นในอนาคตได้
     2.4.3  ตระกูลของซีพียูที่จะเลือกใช้งาน
     เมนบอร์ดในปัจจุบันนี้แบ่งแยกค่ายของการทำงานกับพีซียูอย่างชัดเจน เช่น ถ้าหากเลือกใช้งานซีพียูของอินเทล ก็ต้องใช้งานซีพียูนั้นตลอดไปไม่สามารถจะใช้งานซีพียู ยี่ห้ออื่นได้
     2.4.4  จำนวนของพอร์ต และสล็อต
     เมนบอร์ดแต่ละยี่ห้อนั้นจะมีพอร์ต และสล็อตไม่เท่ากัน ถ้าเลือกซื้อเมนบอร์ดที่มีสล็อตไม่พอเพียงกับความต้องการอาจจะเป็นปัญหาในการเพิ่มการ์ดต่างๆ ได้
     2.4.5  ควรเลือกใช้เมนบอร์ดมือหนึ่งเท่านั้น
     ไม่ควรใช้เมนบอร์ดเก่าหรือเมนบอร์ดมือสองถ้าไม่จำเป็นจริงๆ เนื่องจากเมนบอร์ดเป็นอุปกรณ์ที่เสียง่าย และมีอายุการใช้งานจำกัด หากนำมาใช้อาจจะทำให้เครื่องคอมพิวเตอร์ทำงานผิดพลาดได้ ถ้าเลี่ยงไม่ได้จริงๆ ควรจะหาเมนบอร์ดมือสองที่มีอายุรับประกันนานที่สุดเท่าที่จะทำได้



2.5 เพาเวอร์ซัพพลาย



พาวเวอร์ซัพพลาย(Power Supply)






รูปที่ 3 เพาเวอร์ซัพพลาย



 เป็นอุปกรณ์หลักที่คอยจ่ายไฟให้กับชิ้นส่วนและอุปณ์ต่างๆทั้งหมดภายในเครื่อง มีรูปร่างเป็นกล่องสี่เหลี่ยมติดตั้งอยู่ภายในตัวเคส (สามารถถอดเปลี่ยนได้) ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ตามบ้านจาก 220 โวลต์ให้เหลือเพียงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) 3 ชุดคือ 3.3 และ 5 โวลต์ เพื่อจ่ายไฟให้กับวงจรชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่างๆ และ 12 โวลต์ เพื่อจ่ายไฟให้กับมอเตอร์ของอุปกรณ์ดิสก์ไดรว์ต่างๆรวมถึงพัดลมระบายอากาศด้วย

ปัจจุบันเพาเวอร์ซัพพลายที่จะนำมาใช้ควรมีกำลังไฟตั้งแต่ 400 วัตต์ขึ้นไป ทั้งนี้ก็เพื่อให้เพียงพอกับ
ความต้องการของชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่างๆทั้งหมดที่อยู่ภายในเครื่องคอมพิวเตอร์นั่นเอง สำหรับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ตามบ้าน (ประเทศไทย) โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 200-250 VAC พร้อมกระแสไฟประมาณ 3.0-6.0 A และความถี่ที่ 50Hz ดังนั้นเพื่อให้ชิ้นส่วนอุปกรณ์คอมพิวเตอร์สามารถทำงานได้ เพาเวอซัพพลายจะต้องแปลงแรงดันไฟ AC ให้เป็น DC แรงดันต่ำในระดับต่างๆ รวมถึงปริมาณความต้องการของกระแสไฟฟ้าที่จะต้องจ่ายให้กับชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่างๆด้วย โดยระดับของแรงดันไฟ (DC Output) ที่ถูกจ่ายออกมาจากเพาเวอร์ซัพพลายแต่ละรุ่น/ยี่ห้อจะใกล้เคียงกัน แต่ปริมารสูงสุดของกระแสไฟ (Max Current Output) ที่ถูกจ่ายออกมานั้นอาจไม่เท่ากัน (แล้วแต่รุ่น/ยี่ห้อ) ซึ้งมีผลต่อการนำไปคำนวลค่าไฟโดยรวม (Total Power) ที่เพาเวอร์ซัพพลายตัวนั้น จะสามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ต่างๆได้ด้วย โดยในที่นี้จะยกตัวอย่างรายละเอียดจากเพาเวอร์ซัพพลายยี่ห้อ Enermax ตะกูล Coolergiant รุ่น EG701AX-VH(W) ที่ให้กำลังไฟโดยรวมประมาณ 600 วัตต์ (Watt) ซึ่งมีข้อมูลต่างๆดังนี้

  • แรงดันไฟ(DC Output) +3.3V ปริมาณกระแสไฟ (Current Output) 34 A ใช้กับ เม็นบอร์ด และการ์ดจอ เป็นหลัก
  • แรงดันไฟ(DC Output)+5V ปริมาณกระแสไฟ (Current Output) 34 A ใช้กับ เม็นบอร์ด, แรม และอุปกรดิสก์ไดร์รวมถึงพอร์ต ต่างๆ
  • แรงดันไฟ(DC Output)+12V1และ +12V2 ปริมารกระแสไป (Current Output) 18A ใชั้กับ ซีพียู, เม็นบอร์ด, มอเตอร์ของอุปกรณ์ดิสก์ไดรว์ต่างๆรวมถึงระบบระบายความร้อนต่างๆ ในที่นี้มาให้ 2 ชุด
  • แรงดันไฟ(DC Output) -12V ปริมารกระแสไฟ (Current Output) 0.8 A ใช้ร่วมกับไฟ +12V เพื่อจ่ายให้กับอุปกรร์ต่างๆ
  • แรงดัน(DC Output) +5VSB ปริมารกระแสไฟ(Current Output) 2.5 A เป็นแรงดันไฟสำรอง (Standby Voltage) ที่ใช้เปิดหรือปลุกการทำงานของเครื่องให้ตื่นขึ้นจากสภาวะเตรียมพร้อม (Stanby)

สรุปท้ายบท
      เมนบอร์ดเป็นอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อนมาก  หากเมนบอร์ดมีปัญหาก็จะทำให้อุปกรณ์อื่นๆในระบบทำงานผิดพลาดไปด้วย  การเลือกซื้อเมนบอร์ดควรจะมีการวางแผนไว้ล่วงหน้า เช่น ในอนาคตจะมีการเพิ่มอุปกรณ์อะไรบ้าง หรือจะใช้ซีพียูยี่ห้อใด  ควรมีการประมาณการไว้ล่วงหน้าจะทำให้สามารถใช้เมนบอร์ดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพราะการเปลี่ยนเมนบอร์ด เป็นเรื่องยุ่งยากมาก เช่น หากใช้เมนบอร์ดที่รองรับซีพียู อินเทล แล้วจะเปลี่ยนไปใช้ซีพียู เอเอ็มดี ก็ต้องเปลี่ยนทั้งเมนบอร์ดและซีพียู จะเปลี่ยนแต่ซีพียูไม่ได้เพราะเมนบอร์ดไม่รองรับ เป็นต้น
      เพาเวอร์ซัพพลายทำหน้าที่แปลงไฟฟ่้าจากไฟ 220V เป็นไฟฟ้าขนาด 250-400W และจ่ายกระแสไฟให้กับคอมพิวเตอร์ทั้งระบบ หากเพาเวอร์ซัพพลายจ่ายกระแสไฟฟ้าผิดพลาดหรทอจ่ายให้น้อยเกินกว่าที่ระบบต้องการก็จะทำให้อุปกรณ์ในระบบคอมพิวเตอร์เสียหายได้  จะให้ดีควรติดตั้งระบบสำรองไฟ เช่น UPS เอาไว้ในเขตที่ไฟฟ้าดับหรือไฟตกบ่อยๆ ก็จะช่วยยืดอายุของอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ได้ดีทีเดียว