สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์

โดยนิยามแล้วคอมพิวเตอร์จะประกอบไปด้วยส่วนที่สำคัญอยู่ 2 ส่วน ด้วยกัน คือ
สถาปัตยกรรม( Computer Architecture) และออร์กาไรเซชั่นคอมพิวเตอร์ ( computer organization)
ซึ่งแต่ละส่วนก็จะให้ความหมายอย่างชัดเจนอยู่แล้วแต่ว่าเราก็สามารถให้ความหมายได้อย่างกว้างๆ กับคำสองคำนี้ซึ้งเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปคือ

  • สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ ( Computer Architecture) คือ ลักษณะต่างๆของระบบคอมพิวเตอร์ที่ผู้ใช้ๆทั่วไปสามารถ มองเห็นได้และจะมีผลต่อกระบวนการทำงานของคอมพิวเตอร์

  • ออร์กาไนเซชั่นคอมพิวเตอร์( computer organization) คือ กระบวนการการเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ที่ต้องมีการคำนึงถึง สถาปัตยกรรม

ตัวอย่างทางสถาปัตยกรรมได้แก่ ขั้นตอนการประมวลผลของชุดคำสั่ง (Instruction Set)
Zจากความสัมพันธ์ของทั้งสองตัวนี้ในการที่คอมพิวเตอร์จะทำการประมวลเช่นทำการบวก ลบ คูณ หรือการหารนั้นถือว่าเป็นการทำงานตามขั้นตอนของสถาปัตยกรรม

Zส่วนขั้นตอนการทำงานทางด้านออร์กาไนเซชั่นนั้นจะหมายถึงการสร้างฮาร์ดแวสำหรับใช้ในการทำงานขึ้นมาโดยตรง ในการสร้างระบบคอมพิวเตอร์ตั้งแต่ยุคแรกเริ่มมาจนถึงยุคประจุบันนี้ จะให้ความสำคัญกับสถาปัตยกรรมและออร์กาไนเซชั่นเป็นอย่างมากซึ้งทั่งสองตัวนี้มีความแตกต่างกันอย่างชัดเจน ในการสร้างคอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่งๆ ของสองบริษัทอาจจะมีสถาปัตยกรรมที่เหมือนๆ กัน แต่ว่า มีออร์กาไนเซชั่นที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเซิง ซึ้งจะเป็นผลที่ทำให้ราคาของเครื่องคอมพิวเตอร์มี ราคาที่แตกต่างกัน และประสิทธิภาพในการใช้งานไม่เท่ากัน ยิ่งกว่านี้สถาปัตยกรรมอาจมีการ ใช้งานได้หลายๆปี แต่ออร์กาไนเซชั่นมีการเปลี่ยนแปลงตามยุคตามเทคโนโลยีที่ผลิต ตัวอย่าง ที่เห็นๆกันโดยทั่วไป เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์ของ IBM System/370 คอมพิวเตอร์รุ่นนี้มีการ ใช้สถาปัตยกรรมที่ออกแบบเมื่อปี พ.ศ. 2513 และได้มีการใช้สถาปัตยกรรมแบบเดียวกันนี้กับ เครื่องคอมพิวเตอร์หลายๆรุ่นสำหรับส่งให้กับลูกค้า ลูกค่าที่ต้องการเครื่องที่มีความเร็วไม่สูงมาก อาจจะจ่ายในราคาที่ต่ำ แต่ต่อมาถ้าลูกค้าต้องการเครื่องที่มีความเร็วสูงขึ้นก็สามารถใช้ซอฟต์แว ตัวเดิมได้โดยที่ไม่จำเป็นต้องมีการออกแบบซอฟแวต์ไหม่ ซึ้งจะมองเห็นว่าเครื่องคอมพิวเตอร์ ของ IBM ได้มีการพัฒนาขึ้นมาจากเดิมเป็นอย่างมากทั่งในเรื่องของความเร็วที่สูงขึ้นในราคาที่ ถูกลง แต่ว่าคอมพิวเตอร์ก็ยังมีการใช้สถาปัตยกรรมเดิม ถึงแม้ว่าจะมีการออกแบบออส์กาไนเซชั่น ไหม่ก็ตาม ทำให้ลูกค้ายังสามารถใช้ซอฟแวต์ตัวเดิมได้เสมอซึ้งสรุปแล้วคอมพิวเตอร์ของ IBM ใน ยุคปัจจุบันยังคงใช้สถาปัตยกรรมในยุคแรก ส่วนคอมพิวเตอร์อีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่า Microcomputer นั้นเป็นคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก ความสัมพันธ์ระหว่างสถาปัตยกรรมกับออส์กาไนเซชันนั้นมีความใกล้เคียงกันเป็นอย่าง มากการใช้เทคโนโลยีในการออกแบบออส์กาไนเซชั่นจะมีผลต่อสถาปัตกรรมของเครื่อง คอมพิวเตอร์โดยทั่วไปแล้วความต้องการในการที่จะใช้สถาปัตยกรรมของเครื่องคอมพิวเตอร ์แบบเก่ากับเครื่องแบบไหม่นั้นมีน้อยมากดังนั้นจึงส่งผลให้บทบาทของสถาปัตยกรรมและ ออส์กาไนเซชั่นได้มีการเปลียนแปลงไปพร้อมๆกัน เครื่องคอมพิวเตอร์เป็นระบบที่มีความซับซ้อนมาก ซึ่งดังจะเห็นได้จากการที่เครื่องคอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่งจะประกอบไปด้วยชิ้นส่วนๆต่างๆหลาย ล้านชิ้นในการที่จะเรียนรู้หลัการทำงานของเครื่องคอมพิวเตอร์จำเป็นจะต้องมีการเรียนรู้ลักษณะ โครงสร้างลำดับขั้นโดยธรรมชาติของคอมพิวเตอร์ โครงสร้างลำดับชั้นคือ กลุ่มย่อยของระบบที่ถูก นำมาประกอบเข้าด้วยกัน ซึ้งในระบบย่อยแต่ละระบบนั้นก็จะมีโครงสร้างลำดับชั้นของอุปกรณ์ที่ แตกต่างกันออกไป กระบวนการการทำงานแต่ระบบย่อยที่เกิดขึ้นผู้ออแบบสามารถกำหนดได้สอง เรื่องคือ

โครงสร้าง และหน้าที่คอมพิวเตอร์
• โครงสร้าง คือวิธีที่อุปกรณ์ต่างๆ เชื่อมต่อเข้าด้วยกัน
• หน้าที่คือ การทำงานของส่วนประกอบแต่ละส่วนซึ้งถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้าง หน้าที่การทำงาน โดยพื้นฐานของคอมพิวเตอร์แล้วจะประกอบไปด้วยส่วนประกอบหลักๆอยู่ 4 ส่วนด้วยกันคือ

1 การประมวลผลข้อมูล (Data processing Facility)
2.ส่วนเก็บข้อมูล (Data Storage Facility)
3.ส่วนเคลื่อนย้ายข้อมูล (Data movement Apparatus)
4.ส่วนการควบคุม (Control mechanism)

เครื่องคอมพิวเตอร์จะต้องมีความสามารถในการประมวลผลข้อมูลต่างๆ ซึ้งข้อมูลจะมีอยู่ในหลายๆ รูปแบบเช่น เป็นตัวเลข เป็นแรงดันไฟฟ้าเป็นต้น ทำให้ขอบเขตในการประมวลผลข้อมูลนั้นกว้างแต่ลำดับขั้นตอนในการประมวลผลข้อมูลนั่นมีขั้นตอนไม่กี่ขั้นตอนเท่านั้นเครื่องคอมพิวเตอร์จะ ต้องมีความสามารถในการจัดเก็บข้อมูล
ถึงแม้ว่าคอมพิวเตอร์จะต้องทำการประมวลผลข้อมูลทันที่แต่คอมพิวเตอร์ต้องมีการเก็บบันทึกข้อมูลไว้เป็นการชั่วคราว โดยเฉพาะ ข้อมูลที่กำลังทำการประมวลผลอยู่นั้นซึ้งจะเป็นการเก็บข้อมูลระยะสั้นๆ แต่ว่าการเก็บข้อมูลระยะ ยาวก็มีความสำคัญไม่แพ้กันเครื่องคอมพิวเตอร์จะต้องสามารถทำการเคลื่อนย้ายข้อมูลได้ อาจจะ เป็นการเคลื่อนย้ายข้อมูลจากเครื่องคอมพิวเตอร์ไปยังอุปกรณ์ต่างๆซึ้งสิ่งแวดล้อมของเครื่องคอม พิวเตอร์จะต้องมีการติดต่อกับอุปกรณ์ภายนอกในทางคอมพิวเตอร์เรียกว่า IO หรือส่วนของอุปกรณ์ ต่อพ่วงคอมพิวเตอร์จะต้องมีความสามารถใจการควบคุม การทำงานของระบบต่างๆให้เป็นไป ตามขั้นตอนที่มีการออกแบบไว้การควบคุมต่างๆจะถูกกระทำโดยผู้ใช้งาน ซึ้งจะเป็นลักษณะ ของชุดคำสั่งเฉพาะที่มีการออกแบบมาเพื่อสำหรับควบคุมการทำงานของคอมพิวเตอร์

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ เป็นทฤษฎีที่อยู่ฉากหลังของการออกแบบคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปหมายถึง การออกแบบโครงสร้างของหน่วยประมวลผลกลาง โดยทั่วไปหมายถึง การออกแบบ

• โครงสร้างของหน่วยประมวลผลกลาง

(ซึ่งก็คือ การออกแบบจำนวนรีจิสเตอร์ที่จำเป็น และหน้าที่ที่จำเป็นของ หน่วยควบคุมกับหน่วยประมวลผลตัวเลข)

• ชุดของคำสั่งเครื่อง และการอ้างหน่วยความจำ
• เทคนิคอื่นๆ เช่น การประมวลผลแบบไปป์ไลน์

วิวัฒนาการของระบบสถาปัตยกรรม

อินเทลพัฒนาซิปซีพียู 8086 ในปี พ.ศ. 2521 หลังจากนั้นในปี พ.ศ. 2524 ไอบีเอ็ม พัฒนาไมโครคอมพิวเตอร์ ออกสู่ตลาดโดยเลือกชิป 8088 เป็นซีพียูของเครื่อง ซึ่งเป็นการเริ่มต้นของซีพียูตระกูล 8086 และมีพัฒนาการ ที่ต่อเนื่องตลอดมาช่วงแรกในการพัฒนาสถาปัตยกรรมแบบ CISC อินเทลออกแบบสถาปัตยกรรมที่เป็นการ ทำงานโดยมีชุดคำสิ่งต่างๆ คู่แข่งของอินเทลอยู่ที่ซีพียูในอีกตระกูลหนึ่ง คือ 68000 ของปริษัทโมโตโรลา ซึ่งได้เร่งขยายขีดความสามารถของบซีพียู โดยการพัฒนา 68010, 68020, 68030 และ 68040 ขณะเดียว กันอินเทลก็พัฒนา 80286, 80386, 80486 ซึ่งพัฒนาการของทั้งสองค่ายต่างก็แข่งขันกัน มาโดยตลอด
ช่วงเวลาที่อินเทลทิ้งช่วงระหว่าง 80486 กับเพนเทียม (p5) อินเทลได้สร้างโครงการ p5 ซึ่งเป็นการพัฒนาโดย ใช้สถาปัตยกรรมรุ่นใหม่ที่จัดเป็นลำดับที่ 5 ในตระกูล 80xxx อินเทลให้ข่าวอย่างไม่เป็นทางการตลอดมา อินเทล ได้เสนอโมเดลขั้นต้นไว้ว่าจะต้องทำให้คอมแพติเบิลกับของเดิม

อินเทลกับปัญหาที่ต้องแก้ไข
เมื่ออินเทลพัฒนาซีพียู 8086 การจัดการหน่วยความจำของอินเทลมีข้อยุ่งยากมาก มีการกำหนด เซกเมนต์โดย แต่ละเซกเมนค์มีขนาด 64 กิโลไบต์ในซีพียูมีรีจิสเตอร์ที่ใช้สำหรับการจัดการเซกเมนต์เรียกว่า"เซกเมนค์รีจิสเตอร์"

ประเภทของสถาปัตยกรรมการประมวลผลแบบขนาน ของโปรเซสเซอร์

1. SISD(Single Instruction Single Data stream) คือ โปรเซสเซอร์ ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลเพียงชุดเดียว และ ทำงานด้วยคำสั่งเดียว ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา

2. MISD(Multiple Instruction Single Data stream) คือ โปรเซสเซอร์ ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลเพียงชุดเดียว แต่ทำงานด้วยได้หลายคำสั่ง ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา มักจะไม่ค่อยมีใครพัฒนาโปรเซสเซอร์แบบนี้

3. SIMD(Single Instruction Multiple Data stream)คือ โปรเซสเซอร์ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลหลายชุด แต่ทำงานด้วยคำสั่งเดียว ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา และได้ผลลัพธ์หลายชุด ใช้ในโปรเซสเซอร์แบบ Pentium MMX

4. MIMD(Multiple Instruction Multiple Data stream)คือ โปรเซสเซอร์ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลหลายชุด และทำงานด้วยได้หลายคำสั่ง ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา

RISC ( Reduced Instruction- Set Computing หรือชิปที่มีการลดทอนคำสั่ง ) คือ โปรเซสเซอร์ที่มีชุดคำสั่งที่มีรูปแบบและขนาดที่แน่นอน สามารถประมวลผลได้ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา การอ้างอิงหน่วยความจำจะใช้คำสั่ง Load และ Store ที่สามารถอ้างอิงหน่วยความจำได้โดยตรงเท่านั้น ใช้การอ้างตำแหน่งแบบตรงๆ ง่ายโดยมีรูปแบบจำกัดอยู่ 2 แบบ คือ 1.แบบอ้างผ่าน Register ( Register Indirect ) Register จะเก็บค่าตำแหน่งไว้ แล้ว ทำการอ้างตำแหน่งนั้นๆผ่าน Register 2.ในแบบ Index จะเป็นการอ้างตำแหน่งจากค่าคงที่ที่มาในคำสั่งนั้นๆเลย

CISC ( Complex Instruction- Set Computing ) คือสถาปัตยกรรมของโปรเซสเซอร์ ที่ใช้คำสั่งซับซ้อนที่มีความยาวเปลี่ยนไปตามชนิดของคำสั่ง มีคำสั่งให้ใช้งานมากมาย ทำให้เขียนโปรแกรมง่าย และโปรแกรมมีขนาดเล็ก การทำงานของคำสั่งจะใช้ Microcode โดยคงความเข้ากันได้กับโปรเซสเซอร์รุ่นเก่า ทำให้ไม่ต้องเขียนโปรแกรมใหม่

SMP(Symmetric MultiProcessing) คือสถาปัตยกรรมของการใช้โปรเซสเซอร์ หลายตัว ที่ใช้ทรัพยากรของระบบเช่น บัส หน่วยความจำ I/O ร่วมกัน ไม่สามารถแบ่งเป็น partition ย่อยๆได้ และสมรรถนะของระบบจะลดลงเมื่อใช้โปรเซสเซอร์ มากกว่า 8 ตัว ความสามารถในการขยายสเกลยังจำกัด แต่สามารถใช้โปรแกรมแบบเดิมได้ไม่ต้องเขียนขึ้นใหม่

ระบบคอมพิวเตอร์ คือ องค์ประกอบที่จะทำให้คอมพิวเตอร์สามารถทำงานได้อย่างสมบูรณ์ถ้าขาดองค์ประกอบส่วนใดส่วนหนึ่งแล้ว เครื่องคอมพิวเตอร์ก็ไม่สามารถทำงานได้ระบบของคอมพิวเตอร์จะประกอบไปด้วย 5 ประการคือ

1.Hardware

2.Software

3.Peopleware

4.Data

5. Procedure

ประเภทของคอมพิวเตอร์

1. คอมพิวเตอร์ระดับใหญ่(Mainframe Computer)

2. คอมพิวเตอร์ระดับเล็ก(Mini Computer)

3. คอมพิวเตอร์ระดับยิ่งใหญ่ (Supper Computer)

4. คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล(PC:Personal Computer)

5. คอมพิวเตอร์ขนาดสมุดบันทึก(Note Book)

6. คอมพิวเตอร์ที่ทำหน้าที่เลขาส่วนตัว หรือ พีดีเอ(PDA:Personal Digital Assistant)

7. คอมพิวเตอร์เครือข่าย(Net)

ฮาร์ดแวร์(Hardware)

• หน่วยรับข้อมูลหรือ (Input Unit)
• หน่วยประมูลผลกลางหรือซีพียู(CPU:Central Processing Unit)
• หน่วยเก็บข้อมูล(Storage) / หน่วยเก็บข้อมูลหรือความจำหลัก(Primany Storage หรือ Main Memory) และหน่วยความจำสำรอง (Secondary Storage)
• หน่วยแสดงผล (Output Unit)

ที่มา : http://it.tatc.ac.th/~it6002/ ,http://gotoknow.org/blog/thongin3/94628

www.No-Poor.com