บทที่ 4 หน่วยความจำ

บทนำ

หน่วยความจำเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับระบบคอมพิวเตอร์ตามแนวคิดของการพัฒนาคอมพิวเตอร์แบบ วอน นอยแมน ซึ่งเป็นผู้เสนอแนวคิดของการเก็บโปรแกรมและข้อมูลไว้ในหน่วยความจำ แล้วให้ซีพียูอ่านโปรแกรมมาดำเนินการ โดยมีขั้นตอนการทำงานเป็นวงรอบที่ชัดเจน ดังนั้นอาจเรียกแนวคิดของระบบคอมพิวเตอร์ที่ใช้กันอยู่ทุกวันนี้ว่า แนวคิดการเก็บโปรแกรม (Store Program Concept)

        หน่วยความจำจึงเป็นชิ้นส่วนที่ใช้ในการเก็บโปรแกรมและข้อมูลซีพียูจะทำงานตามโปรแกรมที่มีการบรรจุไว้ในหน่วยความจำ เนื่องจากวงรอบการทำงานของซีพียูเรียกใช้หรือนำเก็บได้อย่างงรวดเร็วมาก ดังนั้นจึงต้องเก็บโปรแกรมและข้อมูลไว้ในหน่วยความจำที่ซีพียูเรียกใช้หรือนำเก็บได้อย่างรวดเร็ว

        หน่วยความจำบนเครื่องพีซีที่เป็นหน่วยความจำหลักเรียกว่า RAM ซึ่งเป็นคำย่อมาจาก Random Access Memory การเรียกว่า RAM เพราะโครงสร้างการจัดเก็บข้อมูลจัดเก็บสถานะซึ่งแทนเลขไลบารี่ โดยมีการกำหนดตำแหน่งที่เก็บที่เรียกว่า แอดเดรส โดยทั่วไปจัดโครงสร้างของหน่วย ความจำให้มีความกว้างขนาด 8 บิต และตำแหน่งแอดเดรสบอกขนาดของ RAM ทั้งหมด เช่น ถ้า RAM มีขนาด 64 กิโลไบต์ (64 k) ก้อหมายถึงขนาดของ RAM มีความกว้างขนาด 8 บิต หรือ 1 ไบต์ และมีตำแหน่งที่เก็บได้เท่ากับ 65536 ตำแหน่ง (2 ยกกำลัง 16) โดยมีแอดเดรสกำหนดตำแหน่งทั้งหมด 16 บิต

รูปที่ 1 แสดงภาพหน่วยความจำ

หน่วยความจำแบบโวลาไทน์ และนอนโวลาไทน์

 Nonvolatile Memory หรือ นอนโวลาไทล์เมมโมรี่ คือ หน่วยความจำทุกชนิดที่ไม่ต้องทำการรีเฟรชคอนเทนต์ ได้แก่ รอมทุกประเภท (ROM) เช่น พีรอม (PROM), เอ็ปรอม (EPROM), อีเอ็ปรอม (EEPROM) และแฟลชเมมโมรี่ (Flash Memory) รวมถึงแรม (RAM)ที่ต้องใช้ไฟเลี้ยงจากแบตเตอรี่ด้วย

"Open-Source" หรือ "โอเพ่นซอร์ส" คือคำที่ใช้แทนคำว่า ฟรีซอฟต์แวร์ (Free Software) หรือซอฟต์แวร์เสรี ที่ให้เสรีภาพแก่ผู้บริโภคในการรัน, แก้ไขปรับปรุง และเผยแพร่โปรแกรม ไม่ว่าจะโดยการจำหน่ายหรือให้ฟรีก็ตาม แต่ที่สำคัญคือต้องแถมซอร์สโค้ด (Source Code) ไปด้
Operating System (OS) หรือ ระบบปฏิบัติการ คือ โปรแกรมที่โหลดขึ้นมาตามกระบวนการบูตเครื่องคอมพิวเตอร์
PCI Expressเทคโนโลยีใหม่สำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต โดยเฉพาะกราฟิกการ์ด มีแบนด์วิธกว้างกว่าและความเร็วสูงกว่ามาตรฐาน PCI ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน
Podcastพ็อดคาสต์หรือ Podcast คือการบันทึกเสียงหรือการนำไฟล์เสียงขึ้นไปเก็บบนเว็บไซต์ เพื่อให้ผู้สนใจดาวน์โหลดมาฟัง
Processor หรือ โปรเซสเซอร์ คือวงจรตรรก (Logic) ซึ่งทำหน้าที่ตอบสนองหรือประมวลชุดคำสั่งพื้นฐาน (Instruction) ที่ใช้ในการขับเคลื่อนคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปแล้วคำ“Processor” อาจใช้แทนคำ “CPU” ได้ ทั้งนี้โปรเซสเซอร์ที่อยู่ในเครื่องพีซีหรือในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กจะนิยมเรียกว่า “Microprocessor” หรือ ไมโครโปรเซสเซอร์

สแตติกแรมและไดนามิกส์แรม (Static RAM and Dynamic RAM)

หน่วยความจำที่ใช้งานส่วนใหญ่และมีปริมาณความจุสูงได้แก่ พวก RAM ด้วยเทคโนโลยี RAM ที่ใช้มีการแบ่งแยกออกเป็นสองกลุ่มคือ สแตติกแรม และไดนามิกส์แรม

สแตติกแรม (Static RAM - SRAM) เป็นหน่วยความจำที่ใช้สถานะทางวงจรไฟฟ้าเป็นที่เก็บข้อมูล โดยวงจรเล็ก ๆ แต่ละวงจรจะเก็บข้อมูล "0" "1" และคงสถานะไว้จนกว่าจะมีการสั่งเปลี่ยนแปลง ส่วนไดนามิกส์แรม (DRAM-Dynamic RAM) เป็นหน่วยความจำที่ใช้หลักการบรรจุประจุลงในหน่วยเล็ก ๆ ที่ทำหน้าที่เหมือนตัวเก็บประจุ แต่เป็นจากตัวเก็บประจุไฟฟ้าเล็ก ๆ นี้ ทำจากสารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติคงค่าแรงดันไว้ได้ชั่วขณะ จึงต้องมีกลไกการรีเฟรชหรือทำให้ค่าคงอยู่ได้ 

 จุดเด่นของ DRAM คือ มีความหนาแน่นต่อชิพสูงมากเมื่อเทียบกับ SRAM ดังนั้นจึงเป็นที่นิยมใช้เพราะมีราคาถูกกว่ามาก อย่างไรก็ดีการเชื่อมต่อเข้ากับวงจรคอมพิวเตอร์ของ DRAM มีข้อยุ่งยากมากกว่า SRAM และจากความจุสูงมากของ DRAM (ปัจจุบันมีความจุได้มากถึง 512 Mbit ต่อชิพ) ดังนั้นจึงต้องวางโครงสร้างแอดเดรสเพื่อเข้าถึงส่วนต่าง ๆ ของหน่วยความจำเป็นแบบแมทริกซ์ จงมีลักษณะเป็นแถวและสดมภ์

เทคโนโลยีของ DRAM ที่ใช้ใน PC

เริ่มจากอดีต ตั้งแต่ยุคสมัยเริ่มต้นของการใช้ PC มีการนำเอาสแตติกแรมมาใช้ แต่ขนาดของ RAM ในขณะนั้นมีเพียง 8-16 กิโลไบต์ ซึ่งต้องใช้พื้นที่บอร์ดขนาดใหญ่ ครั้นถึงยุคพีซีที่แพร่หลาย เช่น เครื่องแอบเปิ้ลทู การใช้หน่วยความจำเริ่มหันมาใช้แบบ DRAMเมื่อมีการพัฒนา PC โดยบริษัทไอบีเอ็มที่เป็นต้นแบบที่เรียกว่า พีซีเอ็กซ์ที ไอบีเอ็มเลือกใช้ DRAM และเริ่มต้นด้วยขนาด 64 K ไบต์ และขยายมาเป็น 640 K ไบต์ ขยายเพิ่มจนหลายร้อยเมกะไบต์ในปัจจุบัน            ในยุคแรกการใช้ DRAM ยังใช้เป็นชิพ ไม่มีเทคนิคอะไรมากนัก เพราะซีพียูทำงานด้วยความเร็วเพียง 4-10 เมกะเฮิร์ทซ์เท่านั้น แต่ต่อมาถึงยุคพีซี 386, 486 ซีพียูเริ่มทำงานที่ความเร็ว 33 MHz จนถึง 66 MHz ซึ่งความเร็วขณะนี้เร็วกว่าการทำงานของหน่วยความจำ จึงต้องเริ่มใช้เทคนิคการชลอที่เรียกว่า ให้จังหวะรอ (CPU-Wait State)ทำให้การทำงานไม่ได้เร็วอย่างที่ต้องการ            หากพิจารณาที่ชิพหรือข้อกำหนดของ DRAM จะพบว่ามีข้อกำหนดที่สำคัญคือ ช่วงเวลาเข้าถึง ซึ่งกำหนดเป็นหน่วย นาโนวินาที (หนึ่งในสิบกำลังลงเก้า หรือหนึ่งในพันล้านวินาที) หากซีพียูวิ่งด้วยความเร็ว 10 เมกะเฮิร์ทซ์ จะมีวงรรอบสัญญาณนาฬิกา100 นาโนวินาที ถ้าความเร็วเพิ่มเป็น 100 เมกะเฮิร์ทซ์ ก็จะมีช่วงเวลาวงรอบของสัญญาณนาฬิกาเหลือ 10 นาโนวินาที ซึ่งเร็วขึ้นมาก และยิ่งในปัจจุบันใช้สัญญาณนาฬิกาสูงขึ้นอีกมาก            ดังนั้นการใช้วิธีการเชื่อมต่อกับชิพโดยตรงเหมือนในยุคแรกคงไม่ได้ จึงมีผู้ผลิตแผ่นวงจรหน่วยความจำ โดยทำเป็นแผงเล็ก ๆ ภายในมีวงจรเชื่อมต่อที่ใช้เทคนิคต่าง ๆ เพื่อเพิ่มความเร็วในการเข้าถึง เทคโนโลยีการผลิตแผงหน่วยความจำจึงเริ่มขึ้น และมีให้เลือกใช้ได้มากตามเวลาที่ผ่านมา   เริ่มจาก FPM DRAM                 FPM มาจากคำว่า Fast Page Mode เป็น DRAM ในยุคแรกของรุ่น 486 โดยเพิ่มความเร็วในลักษณะ  แบ่งหน่วยความจำ เป็นหน้าตามโครงสร้างที่แบ่งเป็นแถวและสดมภ์ โดยหากอ่านหรือเขียนหน่วย  ความจำในห้องเดียวกัน ก็ไม่จำเป็นต้องส่งค่าแอดเดรสในระดับแถวไป เพราะกำหนดไว้ก่อนแล้ว คง  ส่งเฉพาะสดมภ์เท่านั้น จึงทำให้ได้ความเร็วเพิ่มขึ้นอีก หน่วยความจำแบบ FPM ได้รับการนำมาใช้ใน  ช่วงเวลาไม่นานนัก ปัจจุบันเลิกผลิตแล้ว หน่วยความจำ EDO            EDO ย่อมาจาก Extended Data Output เป็นเทคโนโลยีที่ปรับปรุงมาจาก FPM และนำมาใช้ในยุคการเปลี่ยนแปลงเข้าสู่เพนเตียม หลักการของ EDO เน้นการซ้อนเหลี่ยมจังหวะการทำงาน ซึ่งขณะการทำงานที่ซ้อนเหลี่ยมนี้ทำให้ได้ความเร็วเพิ่มขึ้นอีกมาก หน่วยความจำแบบ EDO จึงเป็นที่รู้จักกันดีในช่วงเวลาหนึ่ง ปัจจุบันเลิกผลิตแล้วเช่นกัน   EDO RAM การซ้อนเหลี่ยมจังหวะการทำงานนี้ ทำให้ช่วงเวลาการเข้าถึงของซีพียูทำได้เร็วขึ้นกว่าเดิม และลดจังหวะการทำงานไปได้หลายจังหวะ ทั้งนี้ต้องคิดโดยรวมของประสิทธิภาพทั้งหมด หน่วยความจำ SDRAM            SDRAM เป็นคำย่อมาจาก Synchronous DRAM เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาต่อเนื่องมา ซึ่งหน่วยความจำก่อนหน้านี้ใช้ระบบอัสแบบอะซิงโครนัส นั่นหมายถึงจังหวะการทำงานของซีพียูกับหน่วยความจำใช้สัญญาณนาฬิกาคนละตัว จังหวะการทำงานที่ไม่ซิงโครไนซ์กัน จึงเป็นปัญหา เพราะเทคโนโลยีซีพียูต้องการความเร็วและมีการสร้างระบบบัสมาตรฐานขึ้นมา ที่เรียกว่า PC66 PC100 PC133 หรือ PC200 ตัวเลขหมายถึงความเร็วสัญญาณนาฬิกาในบัส ซึ่งตัวเลขเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดความเร็วในการรับส่งข้อมูล มาตรฐานจังหวะการทำงานของพีซีแสดงดังตารางที่ 1 ความเร็วบัสแบบ ความเร็วแท้จริง จังหวะการทำงาน PC 66 66 MHz 15 ns PC 100 100 MHz 10 ns PC 100 125 MHz 8 ns PC 133 133 MHz 7.5 ns            การออกแบบ SDRAM จึงเน้นการซิงโครไนซ์เข้ากับระบบบัสมาตรฐาน เพื่อให้จังหวะการทำงานของการเขียนหรือ อ่านหน่วยความจำเป็นจังหวะที่แน่นอน และด้วยวิธีนี้จะทำให้หน่วยความจำแบบ SDRAM มีประสิทธิภาพสูงขึ้นกว่าแบบ EDO ปัจจุบัน (2545) SDRAM ยังมีใช้อยู่ แต่กำลังจะหมดสมัยในไม่ช้านี้ หน่วยความจำแบบ DDR-RAM              เป็นหน่วยความจำที่กำลังอยู่ในสมัยนิยม (2545) DDR ย่อมาจากคำว่า Double Data Rate ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาต่อมาจาก SDRAM ในช่วงแรกบริษัทอินเทลไม่พัฒนาชิพเซตสนับสนุน ดังนั้นผู้ผลิตรายอื่น เช่น เอเอ็มดี และผู้ผลิตชิพเซตชั้นนำจากไต้หวันจึงรวมกัน และพัฒนาเทคโนโลยี้นี้จนได้รับความนิยมสูง บริษัทผู้ผลิตชิพเซตและสร้างเมนบอร์ดชั้นนำของโลก จากไต้หวันที่ผลิตได้แก่ VIA, SiS, ALi DDR เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนามาครั้งแรกเพื่อเป็นการ์ดหน่วยความจำในภาคแสดงผล และเป็นตัวเร่งการแสดงผล แต่ต่อมาเห็นว่าเทคโนโลยีนี้เหมาะที่จะนำมาใช้เป็นหน่วยความจำหลักด้วยDDR เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนามาครั้งแรกเพื่อเป็นการ์ดหน่วยความจำในภาคแสดงผล และเป็นตัวเร่งการแสดงผล แต่ต่อมาเห็นว่าเทคโนโลยีนี้เหมาะที่จะนำมาใช้เป็นหน่วยความจำหลักด้วยDDR เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนามาครั้งแรกเพื่อเป็นการ์ดหน่วยความจำในภาคแสดงผล และเป็นตัวเร่งการแสดงผล แต่ต่อมาเห็นว่าเทคโนโลยีนี้เหมาะที่จะนำมาใช้เป็นหน่วยความจำหลักด้วย ลักษณะของการเชื่อมต่อกับบัสของซีพียูยังคงใช้ระบบมาตรฐานเดิมแบบ PC 100 หรือPC 133 แต่ด้วยเทคโนโลยีที่สร้างทำให้ได้เส้นทางคู่ขนาน ความเร็วในการขนส่งข้อมูลกับหน่วยความจำจึงมีได้เป็นสองเท่าของ SDRAM เนื่องจากแนวคิดหลายอย่างนำมาจากSDRAM ทำให้หน่วยความจำนี้ราคาไม่สูงมากนัก และปัจจุบันกำลังพัฒนา DDR II ซึ่งเป็นเวอร์ชันที่สอง โดยจะเพิ่มความเร็วในการขนส่งอีกสองเท่าตัว หน่วยความจำแบบDDR มีขาทั้งหมด 184 ขา ซึ่งมากกว่า SDRAM ซึ่งมีเพียง 168 ขา ดังนั้นจึงใช้แทนกันไม่ได้ สรุปท้ายบท          การเพิ่มหน่วยความจำเป็นวิธีการที่ง่ายที่สุดที่จะทำให้คอมพิวเตอร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น การเลือกหน่วยความจำที่จะมาใส่ในเครื่องคอมพิวเตอร์จะต้องดูที่ชนิดและความเร็วในการส่งข้อมูลบัส (Bus)  เช่น  บัส  133, บัส  333  ก็จะทำงานได้ดีกับเมนบอร์ดที่รองรับความเร็วของบัสที่เท่ากันถ้าในกรณีที่เรานำหน่วยความจำที่มีบัสสูงกว่าที่เมนบอร์ดเราจะรองรับได้  เช่น ถ้าเมนบอร์ดสามารถรองรับบัสของหน่วยความจำได้  100 MHz  แต่หน่วยความจำที่นำมาใช้มีบัส  133 MHz  ในกรณีนี้หน่วยความจำก็จะทำงานได้ที่  100 MHz ตามที่เมนบอร์ดรองรับได้เท่านั้นซึ่งทำให้ใช้งานความเร็วในการส่งข้อมูลของหน่วยความจำไม่เต็มที่

หน่วยที่ 3 หน่วยประมวลผลกลางหรือซีพียู(CPU)

1.ซีพียู(CPU)
          หน่วยประมวลผลกลางหรือซีพียู เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า โปรเซสเซอร์ (Processor) หรือ ชิป (Chip) นับเป็นอุปกรณ์ที่มีความสำคัญมากที่สุดของฮาร์ดแวร์ เพราะมีหน้าที่ในการประมวลผลข้อมูลที่ผู้ใช้ป้อน เข้ามาทางอุปกรณ์อินพุต ตามชุดคำสั่งหรือโปรแกรมที่ผู้ใช้ต้องการใช้งาน

          CPU เปรียบเสมือนสมองของเครื่องคอมพิวเตอร์ มีหน้าที่ในการคำนวณประมวลผลข้อมูลและเป็นศูนย์กลางการควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ต่าง ๆ โดย CPU ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก ได้แก่
1.  ส่วนควบคุม (Control Unit) เป็นศูนย์กลางการควบคุมการทำงานภายในหน่วยประมวลผล
2.  ส่วนการคำนวณทางคณิตศาสตร์ (Arithmetic/Logic Unit) เป็นส่วนของการคำนวณต่าง ๆ
3.  ส่วนหน่วยความจำและรีจิสเตอร์(Primary Memory/Register) ช่วยในการเก็บข้อมูลชั่วคราวเพื่อนำไปประมวลผลหรือจัดเตรียมข้อมูลก่อนและหลังการจัดเก็ยข้อมูล

การทำงานของซีพียูุ

วงจรในหน่วยประมวลผลกลางเรียกว่า “ไมโครโปรเซสเซอร์ (Microprocessor)” ซึ่งเป็นชิปที่ทำจากซิลิกอน ประกอบด้วยส่วนสำคัญ 3 หน่วย ดังนี้

1. หน่วยควบคุม (Control Unit)

            หน่วยควบคุม ทำหน้าที่ควบคุมลำดับขั้นตอนการการประมวลผล และการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ ภายในหน่วยประมวลผลกลาง และรวมไปถึงการประสานงานในการทำงานร่วมกันระหว่างหน่วยประมวลผลกลาง กับอุปกรณ์นำเข้าข้อมูล อุปกรณ์แสดงผล และหน่วยความจำสำรองด้วย เมื่อผู้ใช้ต้องการประมวลผล ตามชุดคำสั่งใด ผู้ใช้จะต้องส่งข้อมูลและชุดคำสั่งนั้นๆ เข้าสู่ระบบคอมพิวเตอร์เสียก่อน โดยข้อมูลและชุดคำสั่งดังกล่าว จะถูกนำไปเก็บไว้ในหน่วยความจำหลัก จากนั้นหน่วยควบคุมจะดึงคำสั่งจากชุดคำสั่งที่มีอยู่ในหน่วยความจำหลักออกมาทีละคำสั่งเพื่อทำการแปล ความหมายว่าคำสั่งดังกล่าวสั่งให้ฮาร์ดแวร์ส่วนใด ทำงานอะไรกับข้อมูลตัวใด เมื่อทราบความหมายของคำสั่งนั้นแล้ว หน่วยควบคุมก็จะส่งสัญญาณคำสั่งไปยังฮาร์ดแวร์ ส่วนที่ทำหน้าที่ในการประมวลผลดังกล่าว ให้ทำตามคำสั่งนั้นๆ เช่น ถ้าคำสั่งที่เข้ามานั้นเป็นคำสั่งเกี่ยวกับการคำนวณ หน่วยควบคุมจะส่งสัญญาณ คำสั่งไปยังหน่วยคำนวณและตรรกะ ให้ทำงาน หน่วยคำนวณและตรรกะ ก็จะไปทำการดึงข้อมูลจากหน่วยความจำหลักเข้ามาประมวลผลตามคำสั่ง แล้วนำผลลัพธ์ที่ได้ไปแสดงยังอุปกรณ์แสดงผล หน่วยควบคุมจึงจะส่งสัญญาณคำสั่งไปยัง อุปกรณ์แสดงผลลัพธ์ ที่กำหนดให้ดึงข้อมูลจากหน่วยความจำหลัก ออกไปแสดงให้เห็นผลลัพธ์ดังกล่าว อีกต่อหนึ่ง เปรียบเสมือนสมองที่ควบคุม การทำงานส่วนประกอบต่างๆ ของร่างกายมนุษย์ เช่น แปลคำสั่งที่ป้อน ควบคุมให้หน่วยรับข้อมูลรับข้อมูลเข้ามาเพื่อทำการประมวลผล ตัดสินใจว่าจะให้เก็บข้อมูลไว้ที่ไหน ถูกต้องหรือไม่ ควบคุมให้ ALUทำการคำนวณข้อมูลที่รับเข้ามา ตลอดจนควบคุมการแสดงผลลัพธ์ เป็นต้น โดยพื้นฐานทั่วไป ส่วนควบคุมจะทำงานเป็น 2 จังหวะ คือ

            1. รับคำสั่ง ในจังหวะแรกนี้ ชุดคำสั่งจะถูกดึงจากส่วนความจำเข้าสู่ส่วนควบคุมแล้วแยกออกเป็นสองส่วน คือ ส่วนที่เป็นรหัสคำสั่ง จะแยกไปยังส่วนที่มีชื่อเรียกว่า วงจรสร้างสัญญาณ

(decoder) เพื่อเตรียมทำงานในจังหวะที่สอง และส่วนที่เป็นออเพอแรนด์ จะแยกออกไปยังวงจรอีกส่วนหนึ่ง เพื่อปฏิบัติให้เสร็จสิ้นในจังหวะแรก แล้วเตรียมพร้อมที่จะทำงานในจังหวะต่อไปเมื่อได้รับสัญญาณควบคุมส่งมาบังคับ

            2. ปฏิบัติ เมื่อจังหวะแรกได้เสร็จสิ้นไปแล้ว วงจรควบคุมจะสร้างสัญญาณขึ้นเพื่อส่งไปควบคุมส่วนต่างๆ ของเครื่องคอมพิวเตอร์ตามรหัสคำสั่งที่ได้รับมา เช่น การบวก ลบ คูณ หาร หรือย้ายข้อมูล เครื่องคอมพิวเตอร์หลายแบบใช้วงจรควบคุม ที่เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างเสร็จเรียบร้อยติดไว้ในเครื่อง เครื่องคำนวณจะเก็บสัญญาณควบคุมเหล่านี้ไว้ในส่วนความจำพิเศษที่เรียกว่า “รอม (ROM)”

2. หน่วยคำนวณและตรรกะ (Arithmetic & Logical Unit : ALU)

            หน่วยคำนวณตรรกะ ทำหน้าที่เหมือนกับเครื่องคำนวณอยู่ในเครื่องคอมพิวเตอร์โดยทำงานเกี่ยวข้องกับ การคำนวณทางคณิตศาสตร์ (Arithmetic operations) เช่น บวก ลบ คูณ หาร นอกจากนี้หน่วยคำนวณและตรรกะของคอมพิวเตอร์ ยังมีความสามารถอีกอย่างหนึ่งที่เครื่องคำนวณธรรมดาไม่มี คือ ความสามารถในเชิงตรรกะศาสตร์ (Logical operations) หมายถึง ความสามารถในการเปรียบเทียบตามเงื่อนไข และกฎเกณฑ์ทางคณิตศาสตร์ เพื่อให้ได้คำตอบออกมาว่าเงื่อนไขนั้นเป็นจริง หรือ เท็จ เช่น เปรียบเทียบมากว่า น้อยกว่า เท่ากัน ไม่เท่ากัน ของจำนวน 2 จำนวน เป็นต้น ซึ่งการเปรียบเทียบนี้มักจะใช้ในการเลือกทำงานของเครื่องคอมพิวเตอร์จะทำตามคำสั่งใดของโปรแกรมเป็นคำสั่งต่อไป โดยอาศัยตัวปฏิบัติการพื้นฐาน 3 ค่า คือ

·       เงื่อนไขเท่ากับ (= , Equal to condition)  

·       เงื่อนไขน้อยกว่า (< , Less than condition)  

·       เงื่อนไขมากกว่า (> , Greater than condition)

สำหรับตัวปฏิบัติการทางตรรกะ สามารถนำมาผสมกันได้ทั้งหมด 6 รูปแบบ คือ

·       เงื่อนไขเท่ากับ (= , Equal to condition)

·       เงื่อนไขน้อยกว่า (< , Less than condition)

·       เงื่อนไขมากกว่า (> , Greater than condition)

·       เงื่อนไขน้อยกว่าหรือเท่ากับ (<= , Less than or equal condition)

·       เงื่อนไขมากกว่าหรือเท่ากับ (>= , Greater than or equal condition)

·       เงื่อนไขน้อยกว่าหรือมากกว่า (< > , Less than or greater than condition) ซึ่งเป็นเงื่อนไขที่มีค่า คือ “ไม่เท่ากับ (not equal to)” นั่นเอง

อีกทั้งยังแบ่งเป็นวงจรได้ 5 ชนิด คือ

1. วงจรตรรกะจัดหมู่ (combination logic) เป็นวงจรที่ให้สัญญาณผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับสภาวะของสัญญาณที่ป้อนเข้าเท่านั้น วงจรนี้จึงไม่สามารถเก็บสัญญาณไว้ได้

2. วงจรตรรกะจัดลำดับ (sequential logic) เป็นวงจรที่มีสัญญาณผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับสัญญาณป้อนเข้า และขึ้นอยู่กับสภาวะเดิมของสัญญาณผลลัพธ์ วงจรนี้มีคุณสมบัติที่สามารถเก็บสัญญาณ หรือความจำไว้ได้ แต่เมื่อเลิกทำงานไฟฟ้าที่ไปเลี้ยงวงจรเหล่านี้ สัญญาณหรือความจำจะสูญหายไป เช่น วงจรฟลิปฟล็อป (flip-flop) วงจรนับ (counter) วงจรชิฟต์รีจิสเตอร์ (shiftregister)

3. วงจรบวก คือ วงจรที่ทำหน้าที่บวกเลขฐานสอง โดยอาศัยวงงจรตรรกะเข้ามาประกอบเป็นวงจรบวกครึ่ง (half adder ; H.A.) ซึ่งจะให้ผลบวก S และการทดออก Co เมื่อนำเอาวงจรบวกครึ่งสองวงจรกับเกตหนึ่งวงจรมารวมกันเป็นวงจรบวกเต็ม โดยมีการทดเข้า ทดออก และผลบวก

4. วงจรลบ คือ วงจรที่ทำหน้าที่คล้ายวงจรบวก โดยใช้วงจรอินเวอร์เทอร์เข้าเปลี่ยนเลขตัวลบให้เป็นตัวประสม 1 (1's complement) คือเปลี่ยนเลข “0” เป็น “1” หรือ “0” เป็น“0” แล้วนำเข้าบวกกับตัวตั้งจึงจะได้ผลลบตามต้องการ

5. วงจรคูณและหาร การคูณสามารถทำได้ด้วยการบวกซ้ำๆ กัน และการหารสามารถทำได้ด้วยการลบซ้ำๆ กัน ดังนั้น การคูณ คือ การจัดให้วงจรบวกทำการบวกซ้ำๆ กัน ส่วนการหารก็คือ การจัดให้วงจรลบทำการลบซ้ำ นอกจากหลักการดังกล่าวแล้ว อาจจะใช้อีกหลักการหนึ่ง คือ การคูณหารบางประเภทสามารถทำได้โดยการเลื่อนจุดไปทางซ้ายหรือขวา เช่น 256.741 X 100 = 25674.1 หรือ 256.741 / 100 = 2.56741 เป็นต้น ส่วนเลขฐานสองที่คอมพิวเตอร์ใช้ก็ทำได้ในทำนองเดียวกัน

3. หน่วยความจำหลัก (Main Memory)

            คอมพิวเตอร์จะสามารถทำงานได้เมื่อมีข้อมูล และชุดคำสั่งที่ใช้ในการประมวลผลอยู่ในหน่วยความจำหลักเรียบร้อยแล้วเท่านั้น และหลังจากทำการประมวลผลข้อมูลตามชุดคำสั่งเรียบร้อยแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้จะถูกนำไปเก็บไว้ที่หน่วยความจำหลัก และก่อนจะถูกนำออกไปแสดงที่อุปกรณ์แสดงผล สามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือ

·       หน่วยความจำสำหรับเก็บคำสั่ง (Program Memory)

·      หน่วยความจำสำหรับเก็บข้อมูลและคำสั่ง (Data & Programming Memory)

2. หน้าที่ของหน่วยประมวลผล

               หน่วยประมวลผลกลางมีหน้าที่ประมวลผลข้อมูลต่างๆ ในระบบคอมพิวเตอร์  โดยหน่วยประมวลผลกลางจะทำงานตามโปรแกรมที่ระบุโดยผู้ใช้  ขั้นตอนการทำงานของหน่วยประมวลผลกลางมีลักษณะเป็นวงรอบ โดยขั้นแรกหน่วยประมวลผลกลางจะอ่านคำสั่งจากหน่วยความจำ (fetch) จากนั้นหน่วยประมวลผลกลางจะตีความคำสั่งนั้น (decode)  และในขั้นตอนสุดท้ายหน่วยประมวลผลกลางก็จะประมวลผลตามคำสั่งที่อ่านเข้ามา (excute)  เมื่อทำงานเสร็จหน่วยประมวลผลก็จะเริ่มอ่านคำสั่งเข้ามาอีกครั้ง

            การทำงานของหน่วยประมวลผลกลาง ประกอบด้วยการคำนวณทางคณิตศาสตร์พื้นฐาน เช่น การบวก ลบ คูณ หาร การเปรียบเทียบข้อมูลสองจำนวน การควบคุมการเคลื่อนย้ายข้อมูลในส่วนต่างๆ ของระบบ เช่น เคลื่อนย้ายข้อมูลระหว่างอุปกรณ์รับข้อมูล อุปกรณ์แสดงผลกับหน่วยความจำ เป็นต้น

3. กลไกการทำงานของหน่วยประมวลผล

          หน่วยประมวลผลกลางจะทำงานตามชุดคำสั่ง (instructions)  ที่อ่านขึ้นมาจากหน่วยความจำหลักเท่านั้น จะเรียกสถาปัตยกรรมของระบบคอมพิวเตอร์ที่มีการเก็บโปรแกรม และข้อมูลไว้ในหน่วยความจำหลัก โดยที่หน่วยประมวลผลจะทำงานกับหน่วยความจำเท่านั้น ว่า Stored Program Architecture  หรือ คอมพิวเตอร์แบบวอนนอยแมน(von Neumann Computer) โดยตั้งเป็นเกียรติให้กับ “John von Neumann”

            ชุดคำสั่งของคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปจะประกอบด้วยส่วนย่อยๆ 2 ส่วน คือ  ส่วนOpcode ซึ่งเป็นส่วนที่ระบุประเภทของการประมวลผล  และส่วน Operand  ซึ่งเป็นส่วนที่ระบุข้อมูลสำหรับการประมวลผลตามที่ระบุใน opcode

            โดยปกตินิยมใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ ทำหน้าที่เป็นหน่วยประมวลผลกลาง ในระบบคอมพิวเตอร์  ดังนั้น การอ้างถึงไมโครโปรเซสเซอร์จะอ้างถึงในหน้าที่ที่เป็นหน่วยประมวลผลกลาง   โดยคำสองคำนี้อาจใช้แทนกันได้ มีกลไกที่สำคัญ ดังนี้

            1. การทำงานของคอมพิวเตอร์ ใช้หลักการเก็บคำสั่งไว้ที่หน่วยความจำ ซีพียูอ่านคำสั่งจากหน่วยความจำมาแปลความหมายและกระทำตามเรียงกันไปทีละคำสั่ง หน้าที่หลักของซีพียู คือควบคุมการทำงานของคอมพิวเตอร์ทั้งระบบ ตลอดจนทำการประมวลผล

            2. การทำงานของซีพียู มีความสลับซับซ้อน ผู้พัฒนาซีพียูได้สร้างกลไกให้ทำงานได้ดีขึ้น โดยแบ่งการทำงานเป็นส่วนๆ มีการทำงานแบบขนาน และทำงานเหลื่อมกันเพื่อให้ทำงานได้เร็วขึ้น

หน่วยที่ 2 เมนบอร์ด

1. เมนบอร์ด(Main Board)
         เมนบอร์ด (Main Board) หรือที่เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า มาเธอร์บอร์ด (Mother Board) ถือได้ว่าเป็นอุปกรณ์ที่เป็นหัวใจสำคัญสำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์  เนื่องจากเมนบอร์ดเป็นแผงวงจรหลักที่ใช้สำหรับการติดตั้งหรือต่อพ่วงอุปกรณ์ต่าง ๆ ของคอมพิวเตอร์

          องค์ประกอบที่สำคัญสำหรับเมนบอร์ดนั้น  ก็คือการเชื่อมโยงของสายไฟ ไปยังอุปกรณ์ที่อยู่บนM/B มากมาย หากสังเกตุลายทองแดงบนปริ้นของเมนบอร์ดแล้ว ก็จะเป็นในส่วนของทางเดินของสัญญาณแทบทั้งสิ้นเสมือนเป็นถนนสำหรับลำเลียงสิ่งต่าง ๆ โดยเฉพาะแล้วกับข้อมูลที่เป็นส่วนสำคัญที่สุด ช่องทางเดินของสัญญาณต่าง ๆ เหล่านี้ รวมเรียกว่า 'ระบบบัส' ระบบบัสที่เหมาะสมจะต้องเร็วพอที่จะยอมให้อุปกรณ์อื่น ๆ รับและส่งข้อมูลผ่านได้ด้วยความเร็วเต็มความสามารถของอุปกร์นั้น เพื่อจะได้ไม่เป็นตัวคอยถ่วงให้การทำงานของอุปกรณ์อื่นช้าตามลงไปเพราะอุปกรณ์ที่ช้ากว่า

2.ความเป็นมาของเมนบอร์ด
          พัฒนาการของเมนบอร์ดมีมาตั้งแต่ครั้งไอบีเอ็มออกแบบพีซีในปี 2524 โดยพัฒนาขนาดรูปร่างของเมนบอร์ดมาใช้กับเครื่องรุ่นพีซี และต่อมายังพัฒนาใช้กับรุ่นเอ็กซ์ที
          ครั้นถึงรุ่นเอที ก็ได้หาทางสร้างขนาดของเมนบอร์ดให้มีมาตรฐานขึ้น โดยเฉพาะเครื่องที่พัฒนาต่อมาจะใช้ขนาดของเมนบอร์ดเอทีเป็นหลัก
          จนเมื่อพัฒนาการของเทคโนโลยีก้าวหน้ามามาก  สิ่งที่ต้องคำนึงถึงในเมนบอร์ดยิ่งมีความสำคัญจนกระทั่งถึงประมาณปี พ.ศ.2538 หรือขณะนั้นพีซีกำลังก้าวสู่รุ่นเพนเทียม บริษัทอินเทลได้เสนอขนาดของเมนบอร์ดแบบมาตรฐานและเรียกว่า ATX ซึ่งใช้งานกันจนถึงทุกวันนี้
          จากขนาดของ ATX ก็มีการพัฒนาการต่อเพื่อทำเครื่องให้มีขนาดกะทัดรัดขึ้น  โดยลดขนาดของเมนบอร์ดลงและเรียกว่า MicroATX และลดลงอีกในรูปแบบที่ชื่อ FlexATX

3.ส่วนประกอบของเมนบอร์ด

 Socket   คือส่วนที่ใช้สำหรับใส่ซีพียู ซึ่งแต่ละเมนบอร์ดจะออกแบบซ็อกเก็ต ให้เหมาะสมกับ                    ซีพียูที่เมนบอร์ดนั้นรับรอง
IDE - Steckplatz   คือช่องสำหรับเสียบสายแพร ที่ใช้เชื่อมต่อกับฮาร์ดดิสก์ และซีดีรอม
RAM - Speicherplatze ( DIMM )   คือช่องสำหรับเสียบเมมโมรี หรือแรม บางเมนบอร์ดอาจจะเสียบเมมโมรี ได้ถึงสองชนิดในบอร์ดเดียว
Externe Schnittstellen   พอร์ตสำหรับต่อกับอุปกรณ์ภายนอกเช่น ปริ้นเตอร์
Disketten - Laufwerk   คือช่องสำหรับเสียบสายแพร สำหรับเสียบกับฟล็อปปี้ดิสก์
Stromstecker   ช่องสำหรับเสียบสาย Power ซึ่งมีสองแบบคือ สายแบบ AT และ สายแบบ ATX
Chipsatz   คือชิปที่รวบรวมคำสั่งเพื่อสนับสนุนการทำงานของเมนบอร์ด
AGP - Steckplatz   คือสล็อตสำหรับเสียบการ์ดแสดงภาพแบบชนิด AGP
Batterie fur die Exhtzeituhr   คือแบตเตอรี่สำหรับเลี้ยงไบออส เมื่อเวลาปิดเครื่อง เมื่อเปิดเครื่องจะชาร์ตการทำงานได้
PCI - Steckplatze   คือสล็อตสำหรับเสียบการ์ดแบบ PIC
ISA - Steckplatze   คือสล็อตสำหรับเสียบการ์ดแบบ ISA ซึ่งในปัจจุบันเมนบอร์ดใหม่ ๆ จะไม่มีสล็อตนี้

3ชิปเซต

          ชิฟเซตเป็นชิปที่สนับสนุนและประกอบอยู่บนเมนบอร์ด  ปกติผู้เลือกซื้อยากที่จะเข้าใจถึงขีดความสามารถของชิปเซตเพราะความจริงแล้วคงเลือกที่รุ่นของเมนบอร์ดหลัก แต่ชิปเซตจะเป็นตัวสนับสนุนสเปกที่สำคัญของเมนบอร์ด  ข้อมูลทางด้านชิปเซตเป็นข้อมูลทางเทคนิคที่กำหนดการสนับสนุนและการทำงานบนบอร์ด โดยจะเกี่ยวข้องกับความเร็วของบัส และสล็อต ตลอดจนพอร์ตต่าง ๆ ดังนั้นผู้ใช้ส่วนใหญ่จะพิจารณาจำนวนหรือขีดความสามารถของพอร์ต และสล็อตเป็นสำคัญ

4.สล็อต
          

          เป็นช่องสำหรับเสียบอุปกรณ์เพิ่มเติม เช่น การ์ดต่าง ๆ บนเมนบอร์ด ซึ่งถ้ามองไปบนเมนบอร์ดจะเห็นเป็นช่องเสียบการ์ด ที่มีทั้งสี  ขาว  ดำ  น้ำตาล  ซึ่งเราเรียกช่องเสียบอุปกรณ์เหล่านี้ว่า I/O Expansion Slot เราสามารถแบ่งชนิดของสล็อตได้จากสีดังนี้

4.1 สล็อตสีขาว หรือ PCI Slot

          PCI ย่อมาจากคำว่า Peripheral Component Interconnection เป็นสล็อตที่ใช้สำหรับเสียบอุปกรณ์จำพวก การ์ดจอภาพชนิดพีซีไอ การ์ดเสียง การ์ดโมเด็ม การ์ดอุปกรณ์ใด ๆ ที่สามารถเสียบกับสล็อต พีซีไอได้ สล็อตพีซีไอ มีอัตราความเร็วในการส่งข้อมูลอยู่ที่ 33.3 เมกะเฮิรตซ์ ส่วนขนาดของบิตข้อมูลที่ใช้ติดต่อสื่อสารกันระหว่างการ์ด พีซีไอ กับ ไมโครโปรเซสเซอร์ จะมีขนาด 32 บิต 

4.2 สล็อตสีดำ หรือ ISA Slot

          ISA ย่อมาจากคำว่า Industry Standard Architecture เป็นสล็อตแบบเก่ามีความยาวมากที่สุดบนเมนบอร์ด มีทั้งแบบ 8 บิต และ 16 บิต ทำงานที่ความเร็วในช่อง 7.9 - 8.33 เมกะเฮิรตซ์ อัตราความเร็วในการส่งข้อมูลอยู่ที่ 4.5 เมกะไบต์ต่อวินาที

4.3 สล็อตสีน้ำตาล หรือ AGP Slot

          AGP ย่อมาจากคำว่า Accelerated Graphic Port เป็นสล็อตที่ได้ออกแบบมาสำหรับใช้กับการ์ดแสดงผล  ที่มีการส่งผ่านข้อมูลจำนวนมากที่สุดด้วยความเร็วที่สูงที่สุด แต่ในเมนบอร์ดจะมีเพียง 1 สล็อตเท่านั้น APG มีขนาดความกว้าง 32 บิต ความเร็วเริ่มที่ 66 MHz และมีพัฒนาความเร็วไปที่ 133 และ 266 MHz ตามลำดับ

   

5.การเลือกใช้งานเมนบอร์ด

         สิ่งที่ต้องคำนึงถึงในการเลือกใช้งานเมนบอร์ดมีดังนี้
5.1 การรับประกันของตัวเมนบอร์ด
5.2 มีการรับรองกับเทคโนโลยัใหม่ ๆ ที่จะเกิดขึ้น
5.3 ตระกูลของซีพียูที่จะเลือกใช้งาน
5.4 จำนวนของพอร์ต และสล็อต
5.5 ควรเลือกใช้เมนบอร์ดมือหนึ่งเท่านั้น

6.เพาเวอร์ซัพพลาย

          เพาเวอร์ซัพพลายจะใช้เทคโนโลยีที่เราเรียกว่า สวิตซิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย คือการเปลี่ยนแรงดันอินพุต กระแสสลับเอซี ให้เป็นแรงดันต่ำ กระแสตรง แรงดันที่ออกแบบให้ออกมาจากเพาเวอร์ซัพพลายมีอยู่ทั่วไป 3 ระดับ คือ 3.3 โวลต์ 5 โวลต์ และ 12 โวลต์ โดยที่แรงดัน 3.3 โวลต์ และแรงดัน 5 โวลต์ จะนำไปใช้ในวงจรดิจิตอล ส่วนแรงดัน 12 โวลต์ ถูกนำไปใช้ในการหมุนมอเตอร์ของดิสก์ไดรฟ์และพัดลมระบายความร้อน
          เพาเวอร์ซัพพลายมีหน้าที่หลักก็คือ เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจากไฟบ้าน 220 โวลต์เอซีให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงดีซีที่คอมพิวเตอร์ต้องใช้