ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเทคโนโลยี CPU

ความรู้เบื้องตน้ เกยี่ วกับเทคโนโลยี CPUCPU ทาหน้าท่ีอะไรCPU หรอื Central Processing Unit เป็นหวั ใจหลกั ในการประมวลของคอมพิวเตอร์ โดยพื้นฐานแลว้ ซีพียูทาหนา้ ที่ประมวลผลขอ้ มลู เชงิ คณิตศาสตร์และขอ้ มลู เชงิ ตรรกะเทา่ น้ัน แตท่ าไมการคานวณขนาดนี้ ตอ้ งมกี ารพัฒนาซีพียกู นั ไม่หยุดหยอ่ นย้อนกลับไปปี 1946 คอมพิวเตอร์ยคุ แรกทม่ี ชี ื่อทพ่ี อจะจาไดก้ ค็ อื ENIVAC น้นั ทางานโดยใช้หลอดไดโอด ซง่ึ สถานะการทางานของหลอดพวกน้ี มสี องอยา่ ง คอื 1 กบั 0 จะมคี ่าเป็น 1 เมอ่ื มกี ระแสไหลผา่ นและเปน็ 0 เมอ่ื ไม่มีกระแสไหลผา่ นนนั่ จึงเปน็ เหตุผลให้คอมพิวเตอรใ์ ชเ้ ลขฐาน 2 ในการคานวณ คร้นั ต่อมาวทิ ยาการกา้ วหน้าขนึ้ เร่อื ยๆ จากหลอดไดโอดก็พฒั นาเปน็ ทรานซิสเตอร์ และจากทรานซิสเตอร์กพ็ ฒั นาเปน็ วงจรขนาดเล็ก ซง่ึ รจู้ กั กันในชื่อของ IC และในท่ีสดุ กพ็ ฒั นาเปน็ Chip อย่างทเี่ รารจู้ กั กนั มาจนปัจจบุ ันนี้ส่ิงทผ่ี ้ผู ลิตซพี ยี พู ยายามเพม่ิ กค็ ือ ประสทิ ธภิ าพในการประมวลผลของซพี ยี ู เม่อื กลา่ วถงึ ซีพยี แู ละการประมวลผล สง่ิ หนึ่งที่เราต้องเขา้ ใจคือภายในซพี ียไู มม่ หี นว่ ยเกบ็ ข้อมลู สาหรับเกบ็ ข้อมลู ปรมิ าณมากๆ และซีพยี ใู นยคุ แรกๆ ก็ไมม่ ี Cache ดว้ ยซา้ ไป ปจั จัยทมี่ ีผลตอ่ ความเร็วของซีพียกู ็คอื ความเรว็ ในการประมวลผลและความเรว็ ในการโอนยา้ ยข้อมูล ซพี ยี ูในยคุแรกๆ น้นั ประมวลผลดว้ ยความเรว็ 4.77 MHz และมบี ัสซีพียู (CPU BUS) ความกวา้ ง 8 บิต เรียกกนั วา่ ซีพียู 8 บติ (Intel8080 8088) นน้ั ก็คอื ซีพียเู คลือ่ นย้ายข้อมลู คร้งั ละ 1 ไบต์ ยคุ ต่อมาเปน็ ซพี ียู 16 บิต 32 บติ และ 64 บิต ปัจจบุ นัโดยเฉพาะซีพียูรนุ่ ใหม่ๆ เคลอ่ื นยา้ ยขอ้ มลู ครงั้ ละ 128 บิต ในการเคลื่อนยา้ ยข้อมูลนัน้ เกดิ ข้นึ จากการควบคมุ สญั ญาณนาฬกิ า ซง่ึ นับสญั ญาณเปน็ Clock 1 เชน่ ซีพยี ู 100 MHz หมายความวา่ เกิดสญั ญาณนาฬกิ า 100 คร้งั ตอ่ วนิ าที

ขดี จากดั ของซพี ยี คู วามเร็วสูงกบั ประสิทธิภาพของการประมวลผลเมื่อเทยี บประสทิ ธิภาพระหวา่ งซพี ียูและบัสหน่วยความจา (Memory BUS) โดยคิดเทยี บความเร็วของ PCI 66 เมกะเฮริ ต์ความกว้างบัส 32 บติ (4 ไบต)์ จะสามารถสง่ ขอ้ มลู ไดส้ งู สุด 200 เมกะไบต/์ วนิ าที (66 MHz x 4 Byte) ซึ่งเปน็ คา่ สงู สุดทางทฤษฎี ซง่ึ ในความเปน็ จรงิ จะได้แค่ 132 MB/sec เพราะเวลาของ overhead แต่ถ้าหากมองไปที่ซีพยี ู ซึง่ สมมตุ เิ ปน็80486 DX2 66 MHz สามารถประมวลได้ 400 MBytes/sec (66Mhz x 8 bytes) จะมองเหน็ ว่าลาพงั ซีพยี ูและหนว่ ยความจาหลกั นั้น การประมวลผลของซพี ยี จู ะมีประสิทธิภาพกว่าการสง่ ขอ้ มลู จากบัสหนว่ ยความจาหลักมาก น่ันก็คอื ซพี ยี จู ะตอ้ งรอจนใหข้ อ้ มลู ถกู สง่ มาจากหนว่ ยความจาหลักเริ่มจากสมัยเมอ่ื สามสิบปกี อ่ นหนา้ นี้ IBM ได้สาธติ การใชเ้ มนเฟรมทส่ี ามารถประมวลไดเ้ รว็ กว่า หากมี \"CacheMemory\" ซง่ึ เป็นหนว่ ยความจาประเภทความเรว็ สูง สาหรบั เกบ็ ข้อมลู และคาสั่งทมี่ ักถกู เรยี กใชง้ านโดยซีพียูบ่อยๆ ซง่ึหากคาสัง่ หรือขอ้ มลู ดงั กลา่ วอยใู่ นแคช ก็จะสามารถเรยี กมาใชง้ านได้เร็วกว่า Intel 486 มแี คช 8 กโิ ลไบต์ ซ่ึงเป็นแคชระดบั 1 (Level 1 cache หรือเรยี กอกี ชอ่ื วา่ แคชภายใน (Internal Cache) ท่ีเรยี กวา่ แคชภายใน เพราะอยู่ภายในตวั ซพี ยี ูน่นั เอง และแคชระดับสอง (Second Level Cache) หรอื แคชภายนอก (External Cache) ท่เี รยี กว่าแคชภายนอก เพราะเปน็ แคชทต่ี ิดตงั้ ลงบนเมนบอร์ดน่ันเอง แคชนจ้ี ะมาชว่ ยทาให้การประมวลของซพี ียเู ร็วขนึ้ ท้ังแคชภายในและภายนอก จะเรยี กอกี ช่อื หนึง่ ว่า หน่วยความจาสแตติก (Static Memory) ซ่ึงหากเป็นแคชภายใน จะมีบสั ความกวา้ งเทา่ กบั ซพี ยี ูและทางานทค่ี วามเรว็ เทา่ กบั ซพี ียูดว้ ย ส่วนแคชภายนอกยงั คงทางานทคี่ วามเรว็ บสั ของหน่วยความจาไดนามกิ (66 MHz)และมีความกวา้ งของบสั เท่ากับหน่วยความจาไดนามกิ แตข่ ้อไดเ้ ปรียบของ External Cache ก็คอื มี BUS MemoryAddress แยกออกมาตา่ งหากและมีอัตราการเขา้ ถงึ ข้อมูลตา่ กวา่ (5 - 15 ns) นอกจากจะได้ Internal Cache กบัExternal Cache มาชว่ ยให้การประมวลผลมีประสิทธิภาพมากขน้ึ สถาปตั ยกรรมของ Branch Prediction ซงึ่ ช่วยในการพยากรณ์ล่วงหนา้ มา ลาดับขัน้ ต่อไปของคาส่งั ทจ่ี ะถูกนามาประมวลน้นั คอื อะไร เพ่อื จะไดจ้ ดั เตรียมขอ้ มูลเขา้ มาให้พร้อม นอกจากนซ้ี ีพยี ูสมยั ใหม่ บางรุ่นยงั ใชห้ ลักการของ Pipeline , SuperScalar เพ่อื เพม่ิ ประสิทธิภาพในการประมวลขอ้ มลู Pipeline ช่วยในการเพมิ่ ความเรว็ ในการโอนถ่ายข้อมูล ขณะท่ี SuperScalar ทาใหก้ ารประมวลของซพี ยี มู ี

ประสทิ ธภิ าพมากขนึ้ แต่ทง้ั Internal , External Cache , Branch Prediction ท่ที าใหก้ ารประมวลผลขอ้ มลู เรว็ ข้นึ นั้นลว้ นแล้วแต่มีทมี่ าจากการพฒั นาเทคโนโลยแี ทบทงั้ สิ้นขนาดเล็ก กนิ ไฟนอ้ ย ประสิทธภิ าพสูง เปน็ เปา้ หมายของการออกแบบซีพียูในขัน้ ตน้