ทำความรู้จัก CPU

0
703

CPU : Central Processing Unit หรือ “หน่วยประมวลผลกลาง” เป็นฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ที่สำคัญมากๆ และมีอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกชนิด แต่ถึง CPU จะสำคัญมากๆ แต่มิอาจทำงานได้เพียงลำพัง มันจำเป็นต้องทำงานร่วมกับฮาร์ดแวร์อื่น ๆ เสมอ โดย CPU จะเป็นชิปที่ติดตั้ง หรือฝังอยู่บนแผงวงจรหลัก (Mainboard) ที่มีวงจรเชื่อมโยงไปยังฮาร์ดแวร์ส่วนต่าง ๆ เพื่อให้ CPU สามารถควบคุมสิ่งต่างๆ ได้

CPU ประกอบขึ้นจากทรานซิสเตอร์ (Transistor) จำนวนมหาศาลเรียงกัน ทรานซิสเตอร์เหล่านี้จะทำหน้าที่เหมือนสวิตช์เปิดปิดเพื่อแทนค่าเลขฐานสอง (Binary) “0” และ “1” ซึ่งเป็นค่าที่คอมพิวเตอร์ใช้ในการประมวลผลไม่ว่าผู้ใช้จะทำกราฟิกผ่าน โปรแกรม Photoshop, เปิดเว็บเบราว์เซอร์ (Web Browser) ดู Netflix เบื้องหลังนั้นก็ผ่านการประมวลผลจากค่า Binary ทั้งสิ้น

จุดเริ่มต้นของ CPU

ก่อนที่ CPU จะถูกคิดค้นขึ้นมา คอมพิวเตอร์จะสามารถประมวลผลชุดคำสั่งได้รูปแบบเดียวตามที่ตั้งค่าเอาไว้เท่านั้น หากจะทำงานอื่นก็ต้องตั้งค่าเปลี่ยนชุดคำสั่งใหม่เสียก่อน อย่างเครื่อง Electronic Numerical Integrator and Computer หรือ “ENIAC” คอมพิวเตอร์แบบดิจิทัลเครื่องแรกของโลก ที่ถูกใช้งานจริงเป็นครั้งแรกในวันที่ 10 ธันวาคม ค.ศ. 1945 (พ.ศ. 2488) จะต้องถอดสลับสายเพื่อตั้งค่าชุดคำสั่งใหม่ทุกครั้ง หากต้องการประมวลผลในงานที่แตกต่างกัน นั่นเป็นเหตุผลที่ทำให้คอมพิวเตอร์ในยุคเริ่มต้นถูกเรียกว่า “Fixed-Program Computers”

ต่อมาคอมพิวเตอร์ก็ได้รับการพัฒนาให้สามารถประมวลผลซอฟต์แวร์ต่าง ๆ ที่ถูกบันทึกเอาไว้ภายในเครื่องได้เลย ไม่ต้องตั้งค่าอะไรให้วุ่นวาย โดยมันถูกเรียกว่า “Stored-Program Computer” คอมพิวเตอร์เครื่องแรกที่ทำได้ก็คือ Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC) ที่พัฒนาแล้วเสร็จในเดือนสิงหาคม ค.ศ. 1949 (พ.ศ. 2492)

โดยเจ้าเครื่อง EDVAC ถูกออกแบบมาให้ประมวลผลชุดคำสั่งได้หลายรูปแบบ และยังสามารถรวมชุดคำสั่งหลายตัวเข้าด้วยกันเพื่อประมวลผลงานให้มีความหลากหลายได้มากขึ้นอีกด้วย ซอฟต์แวร์ของ EDVAC จึงถูกเก็บเอาไว้บนหน่วยความจำ แทนที่จะต้องใช้สายเชื่อมไปยังฮาร์ดแวร์อีกตัวเหมือนกับเครื่อง ENIAC นอกจากนี้ EDVAC ยังถือเป็นคอมพิวเตอร์เครื่องแรกของโลกที่ทำงานด้วยระบบ Binary อีกด้วย

หลักการทำงานแบบ Binary เป็นเรื่องของค่า “0” และ “1” ซึ่งในการทำงานของคอมพิวเตอร์ก็จะต้องมีระบบที่สามารถแทนค่า “ปิด (0)” และ “เปิด (1)” โดยในคอมพิวเตอร์ยุคแรก ๆ ก็จะใช้สิ่งที่เรียกว่าหลอดสุญญากาศ (Vacuum Tube) หรือ Thermionic Valve เป็นสวิตช์ในการระบุค่า Binary แต่หลอดสุญญากาศเหล่านี้มีข้อจำกัดมากมาย ทั้งขนาดของตัวหลอดที่ใหญ่ และต้องใช้หลายพันตัวในการทำงาน ทำให้ขนาดของตัวเครื่องคอมพิวเตอร์ใหญ่มากเปลืองพื้นที่ในการติดตั้งรวมถึงปัญหาด้านความร้อน และอายุการใช้งานที่ต่ำด้วย

การพัฒนาอย่างก้าวกระโดดเกิดขึ้นเมื่อทรานซิสเตอร์ (Transistor) ถูกนำมาปรับใช้กับคอมพิวเตอร์ มันทำให้ Vacuum Tube ไม่จำเป็นอีกต่อไป ทุกอย่างได้ย่อเอาไว้เป็นชิปขนาดเล็ก ทำให้ขนาดของคอมพิวเตอร์เล็กลง และราคาถูกกว่าเดิมหลายเท่า

สำหรับคอมพิวเตอร์เครื่องแรกที่เก็บชุดคำสั่งในการทำงานเอาไว้ในทรานซิสเตอร์คือเครื่อง ETL Mark III ทำให้มันกลายเป็นคอมพิวเตอร์เครื่องแรกของโลกที่ใช้ทรานซิสเตอร์ในการทำงาน ถูกพัฒนาโดย Electrotechnical Laboratory บริษัทสัญชาติญี่ปุ่น โดยเริ่มพัฒนาในปี ค.ศ. 1954 (พ.ศ. 2497) และพัฒนาเสร็จในปี ค.ศ. 1956 (พ.ศ. 2499) หลังจากนั้นคอมพิวเตอร์ที่ทำงานโดยใช้ทรานซิสเตอร์ก็ได้รับความนิยม และถูกพัฒนาอย่างต่อเนื่อง

หน่วยประมวลผลกลาง ตัวแรกของโลก (The First CPU in The World)

สำหรับ Microprocessor หรือ CPU ตัวแรกของโลกคือ Intel 4004 จากบริษัท Intel Corporation เปิดตัวในปี ค.ศ. 1971 (พ.ศ. 2514) นอกจากนี้มันยัง Microprocessor ตัวแรกที่ขายในเชิงพาณิชย์ และเป็น CPU รุ่นแรกที่ Intel ผลิตขึ้นมาอีกด้วย ราคาตอนนั้นอยู่ที่ $60

องค์ประกอบของ หน่วยประมวลผลกลาง (CPU Components)

สำหรับภายใน CPU ประกอบขึ้นด้วยองค์ประกอบหลายส่วนทำงานร่วมกัน โดยมีองค์ประกอบหลักดังต่อไปนี้

1. Register

เป็นหน่วยความจำชั่วคราวที่มีความเร็วสูงมาก ตัว CPU สามารถเข้าถึง และแก้ไขมูลในนี้ได้โดยตรง มีไว้เพื่อเก็บข้อมูลที่ทาง CPU กำลังประมวลผลอยู่ รวมไปถึงชุดคำสั่ง, ค่าของที่อยู่ (Address) และผลลัพธ์ (Result) ที่ได้จากการประมวลผล

2. Arithmetic Logic Unit (ALU)

เป็นวงจรไฟฟ้าที่มีหน้าที่ในการประมวลผลตรรกะ และหลักการทางคณิตศาสตร์ต่าง ๆ อย่างการบวก, ลบ, คูณ, หาร, มากกว่า, น้อยกว่า, และ, หรือ ฯลฯ โดยจะใช้ Registers ในการเก็บผลลัพธ์ที่อยู่ในระหว่างการประมวลผล

3. Control Unit

ตัวหน่วยควบคุม (Control Unit) จะทำงานร่วมกับอุปกรณ์ Input และ Output ของคอมพิวเตอร์ โดยมีหน้าที่ควบคุมให้คอมพิวเตอร์ทำงานตามที่กำหนดผ่านการสื่อสารระหว่าง ALU และ Register โดย Control unit จะพยายามเรียบเรียงข้อมูล และขั้นตอนการประมวลผล

4. Microprocessor

Microprocessor เป็นส่วนประกอบหลักในการทำงานของ CPU โดยมันอยู่บนแผ่นวงจรพิมพ์ (Printed Circuit Board – PCB) ที่รวมระบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดเอาไว้ในทีเดียว ซึ่ง Intel 4004 ถือเป็น Microprocessor ตัวแรกที่รวมองค์ประกอบทั้งหมดของ CPU เอาไว้ในชิปตัวเดียว



อ้างอิง

blog.adafruit.com, “On the History of EDVAC: the Electronic Discrete Variable Automatic Computer | #retrocomputing #history”, https://blog.adafruit.com/2018/01/01/on-the-history-of-edvac-the-electronic-discrete-variable-automatic-computer-retrocomputing-history/ สืบค้นวันที่ 10 พ.ย. 2566

technikum29.de, “A first generation tube calculator: BULL GAMMA 3”, https://www.technikum29.de/en/computer/gamma3.php สืบค้นวันที่ 10 พ.ย. 2566

Wikipedia, “Intel 4004”, https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_4004 สืบค้นวันที่ 10 พ.ย. 2566

museum.ipsj.or.jp,”Electrotechnical Laboratory】 ETL Mark III Transistor-Based Computer”, https://museum.ipsj.or.jp/en/computer/dawn/0011.html สืบค้นวันที่ 10 พ.ย. 2566