Architecture หรือสถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์มีมากมายหลายอย่าง หลายคนอาจจะคิดว่ามันเป็นแค่ชื่อ แต่จริงๆ มันมีอะไรมากกว่านั้น จะเป็นเช่นไรมาไขข้อเท็จจริงในบทความนี้กัน
เชื่อว่าหลายคนที่จะซื้อคอมพิวเตอร์ใหม่หรืออัปเกรดคอมพิวเตอร์ สิ่งแรกที่จะดูกันเลยนั้นคงจะหนีไม่พ้นหน่วยประมวลผลหรือ CPU ซึ่งหลายคนก็เลือกจากแบรนด์ของผู้หลิตหน่วยประมวลผลนั้นๆ ไม่ว่าจะเป็น Intel หรือ AMD โดยหากมองลึกไปกว่านั้นแล้วหลายๆ ท่านอาจจะดูที่ชื่อรุ่นของหน่วยประมวลผลนั้นๆ เช่น Intel Core Processor หรือไม่ก็ AMD Zen Processor
สำหรับบางท่านที่ติดตามการเติบโตของคอมพิวเตอร์มาอย่างยาวนานก็จะนิยมมองลึกลงไปมากกว่านั้นซึ่งนั่นก็คือสถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลนั้นๆ เช่น Raptor Cove หรือ Zen 4 ฯลฯ ซึ่งชื่อของสถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลนั้นจะเปลี่ยนไปทุกๆ ครั้งที่หน่วยประมวลผลมีการออกวางจำหน่ายรุ่นใหม่ในตลาด
ในวันนี้ทาง NBS จึงอยากจะขอยกเอาเรื่องที่ยากนิดหน่อยแต่รับรองว่ามีประโยชน์สุดๆ มาให้ทุกท่านได้เป็นความรู้ติดตัวกัน สำหรับสถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์ว่ามีความเป็นมา, เส้นทางและการเปลี่ยนแปลงใหญ่ๆ อย่างไร ในบทความนี้ทุกท่านจะได้ทำความรู้จักกันในแบบง่ายๆ ที่สามารถรู้ได้หลังจากอ่านบทความนี้จบ จะเป็นเช่นไรนั้นไปติดตามกันได้เลย
สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์คืออะไร
สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์หมายถึงโครงสร้างแบบ end-to-end ของระบบคอมพิวเตอร์ที่กำหนดวิธีที่ส่วนประกอบของระบบในคอมพิวเตอร์สำหรับทำการโต้ตอบกันในการช่วยดำเนินการตามวัตถุประสงค์ของเครื่อง(เช่น การประมวลผลข้อมูลแล้วแสดงผลข้อมูลนั้นๆ ออกมา) โดยทั่วไปสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์จะหลีกเลี่ยงการอ้างอิงถึงการใช้งานทางเทคนิคที่เกิดขึ้นจริง(เพราะการเกิดขึ้นจริงของการประมวลผลนั้นเป็นเรื่องที่ผู้ใช้ทั่วไปอาจจะไม่เข้าใจในหลักของการทำงานเนื่องจากจะต้องทำความเข้าใจเรื่องของไฟฟ้าด้วย)
คอมพิวเตอร์เป็นองค์ประกอบสำคัญของโครงสร้างพื้นฐานขององค์กร ตั้งแต่อุปกรณ์ที่พนักงานใช้ในสำนักงานไปจนถึงโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์สวมใส่ที่เราๆ ท่านๆ ใช้เพื่อทำงานกับคอมพิวเตอร์ คอมพิวเตอร์ทุกเครื่องไม่ว่าจะมีขนาดเท่าใดก็ตามจะได้รับการก่อตั้งขึ้นบนชุดหลักการที่อธิบายว่าฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์เชื่อมต่อกันเพื่อให้ทำงานได้อย่างไร ซึ่งนั่นก็คือสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์นั่นเอง
สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์คือการจัดเรียงส่วนประกอบต่างๆ ที่ประกอบด้วยระบบคอมพิวเตอร์และกลไกที่เป็นแกนกลางของกระบวนการที่ขับเคลื่อนการทำงานของระบบ โดยจะระบุอินเทอร์เฟซของเครื่องที่ออกแบบภาษาการเขียนโปรแกรมและโปรเซสเซอร์(หรือหน่วยประมวลผล)ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งในปัจจุบันนั้นจะประกอบไปด้วยกัน 2 แบบดังนี้
คอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งที่ซับซ้อน (Complex instruction set computer หรือ CISC) และคอมพิวเตอร์ชุดคำสั่งแบบลดขนาด (reduced instruction set computer หรือ RISC) เป็นสองแนวทางที่โดดเด่นในสถาปัตยกรรมที่มีอิทธิพลต่อวิธีการทำงานของโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์
โปรเซสเซอร์ CISC มีหน่วยประมวลผลหนึ่งหน่วย, หน่วยความจำเสริมและชุดรีจิสเตอร์ขนาดเล็กที่มีคำสั่งเฉพาะหลายร้อยคำสั่งประกอบอยู่ด้วยกันทำให้โปรเซสเซอร์เหล่านี้ดำเนินงานด้วยคำสั่งเดียวก็สามารถที่จะประมวลผลจนได้สิ่งที่ต้องการออกมาอย่างง่ายดาย ด้วยคำสั่งแต่ละคำสั่งที่อยู่บนรีจิสเตอร์ขนาดเล็กในหน่วยประมวลผลแบบ CISC ทำให้การทำงานของโปรแกรมเมอร์ง่ายขึ้นเนื่องจากต้องใช้โค้ดน้อยลงในการดำเนินการให้เสร็จสิ้น(หรือง่ายๆ เลยก็คือโปรแกรมเมอร์จะเขียนโค๊ดโปรแกรมเพียงนิดเดียวก็ได้สิ่งที่ต้องการแล้วเนื่องจากสามารถที่จะเอาคำสั่งในรีจิสเตอร์ขนาดเล็กแต่ละคำสั่งมาใช้งานได้ทันที) วิธีการนี้ใช้หน่วยความจำน้อยในการประมวลผลทว่าอาจต้องใช้เวลามากขึ้นในการดำเนินการตามคำสั่งเพราะต้องไปเรียกใช้คำสั่งทีละรีจิสเตอร์ขนาดเล็กมาใช้งานนั่นเอง
ด้วยข้อเสียดังกล่าวทางด้านบนนั้นทำให้มีการประเมินแล้วก็คิดใหม่ทำใหม่นำไปสู่การสร้างคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงโดยใช้สถาปัตยกรรม RISC ออกมาแทนซึ่งฮาร์ดแวร์จะได้รับการออกแบบให้มีพื้นฐานและการประมวลผลรวดเร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้โดยที่มีชุดคำสั่งที่ซับซ้อนมากมายอยู่ในตัวหน่วยประมวลผลทำให้สามารถดำเนินการได้ด้วยคำสั่งที่ง่ายกว่าหน่วยประมวลผลแบบ CISC มาก(แต่ก็ขึ้นอยู่กับว่าชุดคำสั่งที่นักเขียนโปรแกรมต้องการใช้งานนั้นจะถูกบรรจุเอาไว้ในหน่วยประมวลผลสถาปัตยกรรมแบบ RISC ด้วยหรือไม่ หากไม่ก็ไม่ได้ช่วยให้การประมวลผลเร็วมากขึ้นไปจากหน่วยประมวลผลแบบ CISC แบบที่เห็นได้ชัดเจน)
สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร
สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ทำให้คอมพิวเตอร์สามารถคำนวณ, เก็บรักษาและเรียกค้นข้อมูลได้ ข้อมูลนี้อาจเป็นตัวเลขในสเปรดชีต, บรรทัดข้อความในไฟล์, จุดสีในภาพ, รูปแบบเสียงหรือสถานะของระบบ เช่น โปรแกรมเกมสักเกมเป็นต้น หลักๆ แล้วสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ทุกเครื่องนั้นจะต้องพิจารณาจาก 8 สิ่งดังต่อไปนี้
- วัตถุประสงค์ของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์: ทุกสิ่งที่ระบบดำเนินการ ตั้งแต่การท่องเว็บไปจนถึงการพิมพ์, เกี่ยวข้องกับการส่งและการประมวลผลตัวเลข, สถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์เป็นเพียงระบบทางคณิตศาสตร์ที่มีจุดประสงค์เพื่อรวบรวม, ส่งและตีความตัวเลขเพื่อนำเสนอข้อมูลที่ได้รับการประมวลผลตามที่ต้องการออกมาในรูปแบบที่นักเขียนโปรแกรมหรือผู้ใช้ต้องการ
- ข้อมูลเป็นตัวเลข: คอมพิวเตอร์จัดเก็บข้อมูลทั้งหมดเป็นตัวเลข แต่ทว่าด้วยชุดคำสั่งในหน่วยประมวลผลนั้นจะทำให้นักพัฒนาโปรแกรมหมกมุ่นอยู่กับโค้ดในรูปแบบหนึ่งแล้วหน่วยประมวลผลจะทำขั้นตอนที่มีลักษณะคล้าย Machine Learning, วิเคราะห์อัลกอริธึมที่ซับซ้อนและโครงสร้างข้อมูลแทนนักพัฒนาซึ่งนั่นทำให้การเขียนโปรแกรมต่างๆ ง่ายขึ้นไม่จำเป็นที่จะต้องเขียนเป็นตัวเลข 0 หรือ 1 ที่ตีความเข้าใจยากอีกต่อไป
- การจัดการข้อมูล: คอมพิวเตอร์จัดการข้อมูลโดยใช้การดำเนินการเชิงตัวเลข ซึ่งข้อมูลที่จัดเก็บนั้นเป็นไปได้ที่จะแสดงภาพบนหน้าจอโดยการถ่ายโอนในรูปแบบของเมทริกซ์ตัวเลขไปยังหน่วยความจำวิดีโอเพื่อแสดงผลอย่างเช่นทำการแสดงผลภาพออกมา(เพราะทุกอย่างที่หน่วยประมวลผลทำการประมวลผลเป็นตัวเลขนั้นทำให้แม้แต่ภาพที่เราเห็นบนหน้าจอเวลาคอมพิวเตอร์ทำการเก็บข้อมูลก็จะเก็บในรูปแบบของตัวเลข 0 กับ 1 ซึ่งเมื่อนำมารวมกันก็สามารถที่จะแสดงผลออกมาเป็นภาพได้เพราะทุกชุดตัวเลขสะท้อนถึงพิกเซลสีแต่ละสีที่แตกต่างกันไป)
- ฟังก์ชั่นที่หลากหลาย: ส่วนประกอบของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์มีทั้งซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ ซึ่งสิ่งที่สำคัญที่สุดก็คือโปรเซสเซอร์หรือหน่วยประมวลผลซึ่งทำหน้าที่ประมวลผลทั้งหมดทำให้หน่วยประมวลผลนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องมีอยู่บนคอมพิวเตอร์ทุกเครื่อง(แต่ก็ไม่ได้หมายความว่ามีแค่หน่วยประมวลผลอย่างเดียวแล้วจะครบองค์ประกอบในการทำงานตามหลักสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ได้)
- การบูตเครื่อง: ในระดับพื้นฐานที่สุดของการออกแบบคอมพิวเตอร์ โปรแกรมต่างๆ จะถูกดำเนินการโดยโปรเซสเซอร์(หรือหน่วยประมวลผล) เมื่อใดก็ตามที่คอมพิวเตอร์เปิดอยู่ โปรแกรมเหล่านี้จะกำหนดค่าการทำงานที่เหมาะสมของคอมพิวเตอร์และเตรียมใช้งานส่วนประกอบย่อยของฮาร์ดแวร์ต่างๆ ให้อยู่ในสถานะที่พร้อมสำหรับทำงาน ซอฟต์แวร์ที่ใช้ในขั้นตอนการบูตเครื่องนี้เรียกว่าเฟิร์มแวร์ซึ่งจะมีการเก็บรักษาไว้ในหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์อย่างต่อเนื่องและเป็นระบบ
- รองรับการจัดเก็บข้อมูลชั่วคราว: หน่วยความจำยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ซึ่งโดยปกติแล้วมักมีหลายประเภทในระบบเดียว หน่วยความจำใช้เพื่อเก็บโปรแกรม (แอปพลิเคชัน) ในขณะที่ประมวลผลโดยโปรเซสเซอร์และข้อมูลที่กำลังประมวลผลโดยโปรแกรมต่างๆ
- รองรับการจัดเก็บข้อมูลถาวร: คอมพิวเตอร์โดยปกติทั่วไปจะมีเครื่องมือสำหรับจัดเก็บข้อมูลหรือส่งข้อมูลไปยังผู้ใช้งานซึ่งเครื่องมือจัดเก็บข้อมูลถาวรนั้นเป็นส่วนหนึ่งของระบบคอมพิวเตอร์ ตัวอย่างของข้อมูลที่จะถูกจัดเก็บไว้นี้ก็อย่างเช่นการป้อนข้อความผ่านแป้นพิมพ์, การนำเสนอสิ่งต่างๆ ผ่านทางจอภาพและการถ่ายโอนโปรแกรมหรือข้อมูลจากหรือไปยังดิสก์ไดรฟ์เป็นต้น
- ฟังก์ชันการทำงานที่ต้องประสานงานกับผู้ใช้: ในที่นี้จะหมายถึงซอฟต์แวร์ควบคุมการทำงานซึ่งการทำงานของคอมพิวเตอร์จะมี ‘เลเยอร์’ หรือชั้นของซอฟต์แวร์หลายตัวในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปแล้วเลเยอร์หนึ่งจะเชื่อมต่อกับเลเยอร์ที่อยู่ด้านล่างหรือด้านบนเท่านั้นไม่สามารถที่จะทำงานข้ามขั้นตอนไปมาได้
การทำงานของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์เริ่มต้นด้วยกระบวนการบูทเครื่อง เมื่อโหลดเฟิร์มแวร์แล้ว เฟิร์มแวร์จะสามารถเริ่มต้นสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ส่วนที่เหลือและต้องทำหน้าที่รับประกันว่าเฟิร์มแวร์จะทำงานได้อย่างราบรื่น อธิบายให้เข้าใจง่ายๆ ก็คือมันจะช่วยให้ผู้ใช้ดึงข้อมูล, ใช้และทำงานกับข้อมูลประเภทต่างๆ ได้ตามงานที่ต้องการ(ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของคอมพิวเตอร์และซอฟต์แวร์ที่ถูกติดตั้งไว้)
ส่วนประกอบของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์
โดยปกติแล้วส่วนประกอบของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์จะขึ้นอยู่กับวิธีการจัดหมวดหมู่ทำให้ส่วนประกอบของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์สามารถแบ่งย่อยได้หลายวิธี ทว่าโดยทั่วไปแล้วส่วนประกอบหลักของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์คือ CPU, หน่วยความจำและอุปกรณ์ต่อพ่วง องค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้เชื่อมโยงกันโดยบัสระบบ ซึ่งประกอบด้วยแอดเดรสบัส, บัสข้อมูลและบัสควบคุม ภายในกรอบการทำงานนี้ สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์จะมีองค์ประกอบหลัก 8 ประการดังต่อไปนี้
1. หน่วยอินพุตและอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เกี่ยวข้อง
หน่วยอินพุตจะจัดเตรียมแหล่งข้อมูลจากภายนอกให้กับระบบคอมพิวเตอร์ ดังนั้นจึงเชื่อมต่อสภาพแวดล้อมภายนอกเข้ากับคอมพิวเตอร์, รับข้อมูลจากอุปกรณ์อินพุต, แปลเป็นภาษาเครื่องแล้วแทรกลงในระบบคอมพิวเตอร์ ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดก็ได้แก่แป้นพิมพ์, เมาส์หรืออุปกรณ์ป้อนข้อมูลอื่นๆ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้บ่อยที่สุดและมีไดรเวอร์ฮาร์ดแวร์ที่สอดคล้องกันช่วยให้ทำงานประสานกับสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ส่วนที่เหลือได้
2. หน่วยเอาต์พุตและอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เกี่ยวข้อง
หน่วยเอาท์พุตจะส่งผลลัพธ์ของกระบวนประมวลผลจากคอมพิวเตอร์ให้กับผู้ใช้ ข้อมูลเอาต์พุตส่วนใหญ่ประกอบด้วยเพลง, กราฟิกหรือวิดีโอ ฯลฯ อุปกรณ์ส่งออกของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ประกอบด้วยหลายอย่างสำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์ชุดเดียวได้เช่นจอแสดงผล, หน่วยการพิมพ์, ลำโพง, หูฟัง ฯลฯ
ขอยกตัวอย่างเพื่อทำความเข้าใจง่ายๆ เช่นในการเล่นไฟล์ MP3 ระบบจะอ่านอาร์เรย์ตัวเลขจากแผ่นดิสก์ที่เก็บไฟล์ MP3 และโหลดเข้าสู่หน่วยความจำ จากนั้นสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์จะจัดการตัวเลขเหล่านี้เพื่อแปลงข้อมูลเสียงที่ถูกบีบอัดเป็นข้อมูลเสียงที่ไม่บีบอัด แล้วก็ส่งออกชุดตัวเลขผลลัพธ์ (ไฟล์เสียงที่ไม่บีบอัด) ไปยังชิปเสียงแล้วชิปจะทำให้ผู้ใช้ได้รับช้อมูลชุดตัวเลขนั้นๆ ในแบบที่ต้องการผ่านหน่วยเอาต์พุตและอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เกี่ยวข้องซึ่งในที่นี้ก็คือเสียงเพลงผ่านทางลำโพงหรือหูฟังนั่นเอง
3. หน่วยเก็บข้อมูล/หน่วยความจำ
หน่วยจัดเก็บข้อมูลประกอบด้วยชิ้นส่วนคอมพิวเตอร์จำนวนมากที่ใช้ในการจัดเก็บข้อมูล โดยทั่วไปจะแยกออกเป็นพื้นที่เก็บข้อมูลหลักและพื้นที่เก็บข้อมูลรอง
หน่วยเก็บข้อมูลหลัก
ส่วนประกอบของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์นี้เรียกอีกอย่างว่าหน่วยความจำหลักอันเนื่องมาจากหน่วยประมวลผลหรือ CPU สามารถเข้าถึงข้อมูลจากหน่วยความจำประเภทนี้ได้โดยตรง หน่วยความจำหลักใช้สำหรับจัดเก็บข้อมูลและคำแนะนำระหว่างการทำงานของโปรแกรม ซึ่งจะมีอยู่ด้วยกัน 2 ประเภทคือหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม (RAM) และหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว (ROM) โดยที่จะมีความแตกต่างกันดังต่อไปนี้
- RAM ส่งข้อมูลที่จำเป็นไปยัง CPU โดยตรง เป็นหน่วยความจำชั่วคราวที่จัดเก็บข้อมูลและคำแนะนำเป็นระยะๆ เมื่อปิดเครื่องหรือไม่มีไฟเลี้ยงแล้วข้อมูลใน RAM ก็จะหายไป
- ROM เป็นประเภทหน่วยความจำที่มีคำแนะนำที่ติดตั้งไว้ล่วงหน้าซึ่งในที่นี้จะหมายรวมถึงเฟิร์มแวร์ที่ทำหน้าที่สำหรับการบูตเครื่องด้วย เนื้อหาที่เก็บอยู่ในหน่วยความจำแบบนี้จะคงอยู่และไม่สามารถแก้ไขได้ ROM ใช้เพื่อบู๊ตเครื่องเมื่อเริ่มต้นระบบครั้งแรก เพราะตามการทำงานแล้วเมื่อเราทำการเปิดเครื่องขึ้นมาใหม่ทุกครั้งอุปกรณ์ต่างๆ จะไม่รู้จักกันเว้นแต่ ROM ที่เป็นสิ่งเดียวที่คอมพิวเตอร์จะเข้าไปหาข้อมูลก่อนเท่านั้น ดังนั้นชิป ROM จะแนะนำวิธีการตั้งค่าสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์, การทดสอบตัวเองเมื่อเปิดเครื่อง (POST) และสุดท้ายค้นหาฮาร์ดไดรฟ์เพื่อให้สามารถเปิดระบบปฏิบัติการได้
หน่วยเก็บข้อมูลสำรอง
ที่จัดเก็บข้อมูลสำรองหรือภายนอกไม่สามารถเข้าถึงได้โดยตรงกับ CPU ก่อนที่ CPU จะใช้ข้อมูลที่เก็บข้อมูลสำรอง จะต้องถ่ายโอนข้อมูลนั้นไปยังที่เก็บข้อมูลหลักหรือ RAM ก่อน พื้นที่จัดเก็บข้อมูลสำรองจะเก็บข้อมูลจำนวนมหาศาลอย่างถาวรและเก็บได้โดยที่ไม่จำเป็นต้องมีไฟเลี้ยงอยู่ตลอดเวลา ตัวอย่างของหน่วยเก็บข้อมูลสำรองนี้ได้แก่ฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ (HDD), โซลิดสเตตไดรฟ์ (SSD), คอมแพคดิสก์ (ซีดี) ฯลฯ
4. หน่วยประมวลผลกลาง (CPU)
หน่วยประมวลผลกลางประกอบด้วยรีจิสเตอร์, หน่วยลอจิกทางคณิตศาสตร์ (ALU) และวงจรควบคุม ซึ่งจะทำหน้าที่แปลและดำเนินการคำสั่งภาษาแอสเซมบลีเพื่อที่จะทำให้ CPU โต้ตอบกับส่วนอื่นๆ ทั้งหมดของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์เพื่อทำความเข้าใจข้อมูลและส่งมอบเอาต์พุตที่จำเป็นหรือที่ผู้ใช้ต้องการออกมาได้อย่างเป็นระบบ ภายในหน่วยประมวลผลกลางจะประกอบไปด้วย 3 องค์ประกอบหลักคือ
1. Registers
รีจิสเตอร์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์หน่วยความจำชั่วคราวความเร็วสูงและสร้างขึ้นตามวัตถุประสงค์อย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น การทำงานจะอ้างอิงตามที่อยู่ CPU ซึ่งจะเข้าถึงและแก้ไขได้โดยตรงตลอดการดำเนินการ โดยพื้นฐานแล้วรีจิสเตอร์จะมีข้อมูลที่ CPU กำลังประมวลผลอยู่ในปัจจุบัน รีจิสเตอร์ประกอบด้วยข้อมูล, คำสั่ง, ที่อยู่ของข้อมูลและผลการประมวลผลขั้นกลาง
2. หน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์ (ALU)
หน่วยตรรกะทางคณิตศาสตร์ประกอบด้วยวงจรไฟฟ้าที่ดำเนินการทางคณิตศาสตร์และกระบวนการทางลอจิคัลกับข้อมูลที่ให้มา ใช้เพื่อดำเนินการคำนวณทางคณิตศาสตร์ทั้งหมด (การบวก การลบ การคูณ การหาร) และตรรกะ (<, >, AND, OR ฯลฯ) ALU ใช้รีจิสเตอร์เพื่อเก็บข้อมูลที่กำลังประมวลผล
3. หน่วยควบคุม (CU)
หน่วยควบคุมทำงานร่วมกับอุปกรณ์อินพุตและเอาต์พุตของคอมพิวเตอร์ โดยจะสั่งให้คอมพิวเตอร์ดำเนินการคำสั่งโปรแกรมที่เก็บไว้ผ่านการสื่อสารกับ ALU และรีจิสเตอร์ หน่วยควบคุมมีจุดมุ่งหมายเพื่อจัดเตรียมข้อมูลและการประมวลผลคำสั่ง
4. ไมโครโปรเซสเซอร์
ไมโครโปรเซสเซอร์เป็นส่วนประกอบหลักของฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ที่รัน CPU แผงวงจรพิมพ์ขนาดใหญ่ (PCB) ถูกนำมาใช้ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดซึ่งรวมถึงเดสก์ท็อป, เครื่องคิดเลขและอุปกรณ์ IoT โลกเรานั้นมีหน่วยประมวลผลตัวแรกคือ Intel 40004 เป็นไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกที่มีส่วนประกอบ CPU ทั้งหมด(3 อย่างทาง)บนชิปตัวเดียว
นอกเหนือจากองค์ประกอบหลักทั้งสี่นี้แล้ว สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ยังมีองค์ประกอบสนับสนุนที่ช่วยให้ทำงานได้ง่ายขึ้นดังต่อไปนี้
5. บูตโหลดเดอร์(Bootloader)
เฟิร์มแวร์ประกอบด้วยโปรแกรมโหลดบูตซึ่งเป็นโปรแกรมเฉพาะที่ดำเนินการโดยโปรเซสเซอร์ที่ดึงระบบปฏิบัติการจากแผ่นดิสก์ (หรือหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนหรืออินเทอร์เฟซเครือข่ายตามที่นักพัฒนาเห็นว่าสมควรที่จะต้องใช้) และโหลดลงในหน่วยความจำหลักเพื่อให้โปรเซสเซอร์สามารถดำเนินการกับสิ่งต่างๆ เหล่านั้นได้ เราสามารถพบ Bootloader ได้บนคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปและเวิร์กสเตชันและอุปกรณ์ฝังตัว(อุปกรณ์ที่มีการทำงานเฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้นเช่นเครื่องคิดเลข) ซึ่งถือว่าเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำงานตามสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ทั้งหมด
6. ระบบปฏิบัติการ (OS)
ระบบปฏิบัติการควบคุมการทำงานของคอมพิวเตอร์เหนือเฟิร์มแวร์ โดยจะจัดการการใช้หน่วยความจำและควบคุมอุปกรณ์ต่างๆ เช่นแป้นพิมพ์, เมาส์, จอแสดงผลและดิสก์ไดรฟ์ ระบบปฏิบัติการยังมอบอินเทอร์เฟซให้กับผู้ใช้ทำให้ผู้ใช้สามารถเปิดแอพและเข้าถึงข้อมูลในไดรฟ์ได้
โดยทั่วไประบบปฏิบัติการจะมีชุดเครื่องมือสำหรับโปรแกรมต่างๆ ซึ่งช่วยให้สามารถเข้าถึงหน้าจอ, ดิสก์ไดรฟ์ และองค์ประกอบอื่นๆ ของสถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์ได้
7. Buses
บัสคือชุดของสายสัญญาณที่จับต้องได้ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อเชื่อมโยงกัน ตัวอย่างที่ดีได้แก่ Universal Serial Bus (USB) บัสช่วยให้สามารถเกิดการไหลเวียนของแรงกระตุ้นทางไฟฟ้าระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ของการออกแบบคอมพิวเตอร์ โดยถ่ายโอนข้อมูลจากระบบหนึ่งไปยังอีกระบบหนึ่ง ขนาดของบัสคือจำนวนสายสัญญาณที่ถ่ายโอนข้อมูลตัวอย่างเช่นบัสที่มีขนาด 8 บิต จะส่งข้อมูล 8 บิตในรูปแบบขนานเป็นต้น
8. Interrupts หรือ การขัดจังหวะ
การขัดจังหวะหรือที่เรียกว่ากับดักหรือข้อยกเว้นในโปรเซสเซอร์บางตัว เป็นวิธีการเปลี่ยนเส้นทางโปรเซสเซอร์จากการรันโปรแกรมปัจจุบันเพื่อให้สามารถจัดการกับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้ เหตุการณ์ดังกล่าวอาจเป็นความผิดปกติจากอุปกรณ์ต่อพ่วงหรือเพียงการที่อุปกรณ์ I/O ได้ทำหน้าที่ก่อนหน้านี้เสร็จสิ้นแล้ว และขณะนี้พร้อมสำหรับการทำงานอื่น ตัวอย่างที่เห็นชัดเจนของความจำเป็นของการขัดจังหวะก็คือทุกๆ ครั้งที่คุณกดปุ่มและคลิกปุ่มเมาส์ ระบบของคุณจะเกิดการขัดจังหวะเพื่อไปรับข้อมูลจากเมาส์มาเป็นต้น
ยังไม่จบ มีต่ออีกแน่นอน
เรื่องของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์นั้นยังไม่จบแค่เพียงเท่านี้ ในบทความนี้นั้นเราได้กล่าวถึงภาพรวมของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์และส่วนประกอบของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ที่จะต้องมีมารวมกันเพื่อที่จะเป็นคอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่งเพื่อการประมวลผลด้วยระบบคอมพิวเตอร์เท่านั้น
ในบทความต่อไปเราจะมาเจาะลึกถึงสถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลที่เป็นเรื่องสำคัญไม่แก้กัน ชาว NBS อย่าพึ่งเบื่อกันไปก่อนล่ะ อีกไม่นานเกินรอทุกท่านจะได้ทำความรู้จักกับสถาปัตยกรรมที่เป็นส่วนหลักของหน่วยประมวลผลที่เราๆ ท่านๆ ใช้กันอย่างแน่นอน
ที่มา : xda-deverloper, tutorialspoint, spiceworks
