หน่วยการทำงานสำคัญของคอมพิวเตอร์

ตอนที่ 3 หน่วยการทำงานที่สำคัญ (1 ชม.)

จุดประสงค์การเรียนรู้ ... เพื่อให้นักศึกษาสามารถอธิบาย 1. ความหมายและความสำคัญของหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) 2. ความหมาย ความสำคัญ และหลักการทำงานของหน่วยความจำแรม, รอม 3. วิธีการทำงานของหน่วยความจำแคช และบัส 4. ชนิดและประเภทของหน่วยเก็บข้อมูลได้

เนื้อหาการเรียน ... 1. หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ... หน่วยประมวลผลกลาง (Central Processing Unit – CPU) บางทีก็เรียกว่า ไมโครโปรเซสเซอร์ (Microprocessor) หรือ ชิป (Chip) เป็นหัวใจของคอมพิวเตอร์ ทำหน้าที่ในการคิดคำนวณ ประมวลผล และควบคุมการทำงานของอุปกรณ์อื่นในระบบ   §   ลักษณะของซีพียู เป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กมาก ภายในประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ประกอบกันเป็นวงจรหลายล้านตัว ตัวอย่างเช่น ซีพียูรุ่นเพนเทียม จะมีทรานซิสเตอร์เล็กๆจำนวนมากถึง 3.1 ล้านตัว ซีพียูมีหน่วยที่ใช้ในการบอกขนาดของการคำนวณเรียกว่า บิต (Bit) ถ้าจำนวนบิตมากจะสามารถทำงานได้เร็ว ซีพียูปัจจุบันทำงานที่ 32 บิต §   ความเร็วของซีพียู (Speed) มีหน่วยวัดเป็น เมกะเฮริตซ์ (MHz = MegaHertz) ถ้าค่าตัวเลขยิ่งสูงแสดงว่ายิ่งมีความเร็วมาก ปัจจุบันความเร็วของซีพียู สามารถทำงานได้ถึงระดับ กิกะเฮริตซ์  (GHz = Gigahertz)  โดยมีความเร็วระหว่าง 2-3 GHz ในการเลือกใช้ซีพียู ผู้จำหน่ายจะบอกไว้ว่า เครื่องรุ่นนี้มีความเร็วเท่าไหร่ เช่น Pentium IV 2.8 GHz  หมายความว่าเป็น CPU รุ่นเพนเทียมโฟว์ มีความเร็วในการทำงานที่ 2.8 กิกะเฮริตซ์ §   ซีพียูรุ่นต่างๆ โดยทั่วไปมีผู้ผลิตซีพียูหลักๆ คือ บริษัท Intel, AMD, Cyrix และ Motorola  โดยบริษัท Intel เป็นผู้นำในการผลิตรายใหญ่ที่สุดของโลก    ตัวอย่าง CPU ที่ใช้ในระบบปฏิบัติการ Windows   1.  ซีพียู Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium IV เป็นซีพียูรุ่น 486 ของบริษัทอินเทล มีขนาดการเข้าออกของข้อมูลขนาด 32 บิต ภายในมีส่วนคำนวณแบบขนาน สามารถทำงานพร้อมกันได้หลายๆคำสั่ง โดยเฉพาะ Pentium IV ถือว่าให้ประสิทธิภาพสูงมาก เหมาะสำหรับการใช้งานด้านมัลติมีเดีย 2.  ซีพียู AMD เป็นของบริษัท AMD เป็นบริษัทที่ผลิตซีพียูที่สามารถใช้งานกับระบบปฏิบัติการ Windows ได้ เช่นเดียวกับซีพียูของอินเทล 3.  ซีพียูเซเลรอน (Celeron) เป็น ซีพียู ของบริษัทอินเทล 2. หน่วยความจำ  (Memory)... หน่วยความจำของคอมพิวเตอร์แบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลักๆ ดังนี้ 2.1 หน่วยความจำรอม (ROM) ... คำว่า ROM ย่อมาจาก  Read Only Memory เป็นหน่วยเก็บข้อมูลแบบถาวร รอมใช้บันทึกรายละเอียดของอุปกรณ์ที่ติดตั้งบนเมนบอร์ด เช่น ขนาดและประเภทของฮาร์ดดิสก์ (harddisk) ที่ใช้ ปริมาณความจุของแรม (RAM) หน่วยประมวลผล (CPU) ที่ใช้ การติดตั้งฟลอปปี้ไดรฟ์ (floppy drive) เป็นต้น ข้อมูลที่บันทึกในรอม จะยังคงอยู่แม้จะปิดเครื่อง  หน้าที่ของรอมคือจะตรวจสอบว่ามีอุปกรณ์ใดบ้าง ที่ติดตั้งใช้งาน  หากตรวจสอบไม่อุปกรณ์ที่สำคัญๆ  เช่น ไม่พบฮาร์ดดิสก์  ซีพียู หรือแรม   รอมจะหยุดการทำงาน 2.2 หน่วยความจำแรม  (RAM) ... คำว่า RAM  ย่อมาจาก  Random Access Memory เป็น เป็นหน่วยเก็บข้อมูลหลัก แต่เป็นการเก็บแบบชั่วคราวของคอมพิวเตอร์  เนื่องจาก RAM สามารถส่งข้อมูลให้กับ CPU ได้ด้วยความรวดเร็ว (เร็วกว่าฮาร์ดดิสก์ ฟลอปปี้ดิสก์ หรือหน่วยเก็บข้อมูลอื่นๆ)  แต่ในขณะเดียวกัน ข้อมูลใน RAM จะสูญหายทันที เมื่อปิดเครื่อง  การใช้งานจริง จึงต้องบันทึกข้อมูลไว้ในฮาร์ดดิสก์ก่อนปิดเครื่อง   หน่วยความจำแรม มีหน่วยวัดเป็น ไบต์ (byte) ซึ่งถ้าเป็นเครื่องรุ่นเก่าจะนิยมใช้หน่วยความจำแรม 8 หรือ 16 เมกะไบต์ (Megabyte) แต่ถ้าเป็นเครื่องรุ่นใหม่ๆ จะใช้แรมขนาด 128 MB หรือ 256 MB ขึ้นไป ซึ่งจะทำให้สามารถทำงานกับโปรแกรมรุ่นใหม่ หรือกับแฟ้มข้อมูลที่มีขนาดใหญ่ๆ เช่น งานมัลติมีเดียหรืองานกราฟิกได้   2.2.1  DRAM  (ดีแรม)   และ SDRAM (เอสดีแรม)  ...  DRAM  เป็นหน่วยความจำหลักของเครื่อง นิยมใช้มากในสมัยก่อนเพราะราคาไม่แพง แต่ทำงานได้ช้ามากปัจจุบันมีการใช้ SDRAM (Synchronous DRAM) ซึ่งเป็นหน่วยความจำที่มีประสิทธิภาพสูงมาก ในสมัยก่อนอาจจะมีราคาสูง แต่ปัจจุบันราคาได้ถูกลงมาก คนจึงนิยมใช้ SDRAM มากขึ้น 2.2.2 SIMM (ซิม) ... เป็นแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้สำหรับติดตั้งหน่วยความจำ ติดตั้งบนเมนบอร์ด เราสามารถเพิ่มจำนวนแรมโดยเสียบแผงวงจรเข้ากับซิมนี้ เพียงเท่านี้ก็สามารถเพิ่มแรมได้อย่างง่ายๆสะดวก รวดเร็ว และสามารถทำได้ด้วยตนเอง ดังนั้นข้อจำกัดของการเพิ่มแรม คือ จำนวนช่องของ SIMM และขนาดของแรมแต่ละแผง ที่นำมาเสียบลงบน SIMM 2.2.3  หน่วยความจำเสมือน (Virtual Memory) ... หมายถึง หน่วยความจำประเภทหนึ่งใช้สำหรับแสดงผล เป็นหน่วยความจำที่ถูกสร้างขึ้นมาในกรณีที่หน่วยความจำแรมไม่พอใช้ โดยระบบ ปฏิบัติการจะมีการนำเอาพื้นที่ในฮาร์ดดิสก์บางส่วนมาเป็นพื้นที่ทำงานชั่วคราวในขณะเปิดแฟ้มข้อมูล  และจะลบทิ้งเมื่อปิดแฟ้มข้อมูล  เราจึงเรียกว่า “หน่วยความจำเสมือน”  ข้อเสียของการใช้หน่วยความจำเสมือนคือ  ถ้าพื้นที่ว่างมีน้อยกว่าที่กำหนดไว้  คอมพิวเตอร์จะทำงานช้าลง  การใช้งานฮาร์ดดิสก์จึงมักจะให้มีเนื้อที่ที่ไม่ได้ใช้งาน เหลือไว้ไม่น้อยกว่า 10 เปอร์เซ็นต์ ในการใช้งานคอมพิวเตอร์นั้น เราจะต้องเลือกขนาดของแรมที่เหมาะสม โดยเฉพาะโปรแกรมปฏิบัติการ (OS) รุ่นใหม่ๆ เช่น Windows ME, Windows XP เป็นระบบปฏิบัติการขนาด 32 บิต ควรใช้แรม 128 MB ขึ้นไป  หากใช้แรมน้อยกว่านี้เครื่องอาจจะทำงานช้ามากหรืออาจหยุดชะงักได้ง่าย 3. หน่วยความจำแคช (Memory Cache) และบัส (Bus) ... 3.1 หน่วยความจำแคช (Memory Cache)  ... หน่วยความจำแคชเป็นหน่วยความจำที่ช่วยให้ซีพียูทำงานได้เร็วขึ้น  เป็นการเก็บข้อมูลที่ ซีพียูเคยเรียกใช้แล้ว เอาไว้ในกรณีที่เราต้องการเรียกใช้ก็มาเรียกข้อมูลจากแคช ซึ่งจะอ่านข้อมูลได้เร็วกว่าอ่านข้อมูลจากหน่วยความจำดิสก์มาก หน่วยความจำแคช มี 2 ประเภท คือ... แคชภายใน... ติดตั้งอยู่ภายในซีพียู   เวลาเครื่องประมวลผล ก็จะเรียกเก็บข้อมูลที่เก็บไว้ที่แคชใกล้ๆ ซีพียูมาใช้ได้อย่างรวดเร็ว แคชภายนอก... จะติดตั้งอยู่บนเมนบอร์ดเหมือนแรม ถ้าเครื่องไม่พบแคชในซีพียูก็จะมองหาแคชภายนอก ถ้าพบก็จะนำมาใช้งาน ซึ่งก็จะทำงานได้ช้ากว่าแคชภายในอยู่บ้าง 3.2 บัส (Bus) ... เป็นเส้นทางวิ่งระหว่างข้อมูลหรือคำสั่ง ที่อยู่บน Main board เช่น จาก Extension slot ไปยังอุปกรณ์อื่นๆ  จากหน่วยบันทึกข้อมูล ไปยัง RAM หรือ จาก RAM ไปยัง CPU  §การวัดขนาดความกว้างของบัส  เราเรียกว่า “บิต”  8 บิต เท่ากับ 1 ไบต์ หรือ 1 ตัวอักษร §ส่วนความเร็วของ บัส วัดด้วยหน่วยเมกะเฮิรตซ์ (Mhz) หรือหนึ่งล้านรอบต่อวินาที บัสที่นิยมใช้ในปัจจุบันคือ บัสแบบ PCI (Peripheral Component  Interconnect)  มีความกว้างของสัญญาณที่ใช้รับส่งข้อมูลถึง 32 หรือ 64 บิต ความเร็วมากกว่า 300 MHz ขึ้นไป นอกจากนี้ PCI ยังสนับสนุนคุณสมบัติ Plug and Play ที่ใช้ในการติดตั้งโปรแกรมที่ใช้ควบคุมอุปกรณ์ใหม่ด้วย 4. หน่วยเก็บข้อมูลสำรอง ... หน่วยเก็บข้อมูลสำรอง สาเหตุที่เรียกว่า หน่วยเก็บข้อมูลสำรอง เพราะคอมพิวเตอร์หรือซีพียูจะเรียกใช้ข้อมูลจากแรม ที่เป็นหน่วยเก็บข้อมูลหลักก่อน และหากข้อมูลที่ต้องการไม่มีในแรม ก็จะทำการอ่านข้อมูลจากหน่วยเก็บข้อมูลสำรองไปเก็บไว้ที่แรมก่อน ทั้งนี้เพราะหน่วยเก็บข้อมูลหลัก สามารถทำงานติดต่อกับซีพียูได้ด้วยความรวดเร็วกว่าหน่วยความจำสำรอง   แต่หน่วยเก็บข้อมูลสำรอง มีข้อดีคือ สามารถจะเก็บรักษาข้อมูลไว้ได้ แม้ว่าจะปิดเครื่อง และเก็บข้อมูลได้มากกว่าหน่วยเก็บข้อมูลหลัก  หน่วยเก็บข้อมูลสำรอง ในปัจจุบันมีหลากหลายประเภทดังนี้ 4.1 ฟลอปปี้ดิสก์ (Floppy Disk)  ... หรือที่นิยมเรียกว่า ดิสเก็ตต์ (diskette) มีลักษณะเป็นแผ่นแม่เหล็ก ทรงกลม  มีพลาสติกแข็งเป็นกรอบสี่เหลี่ยมครอบไว้ชั้นนอก ขนาด 3.5 นิ้ว สามารถจุข้อมูลได้ 1.44 MB ก่อนการใช้งานจะต้องทำการฟอร์แมตแผ่นก่อน ปัจจุบันแผ่นดิสเก็ตต์จะฟอร์แมตมาจากโรงงานผู้ผลิตแล้ว สามารถนำมาใช้งานได้ทันที  การใช้งานจะสอดแผ่นในเครื่องอ่านฟลอปปี้ดิสก์ (Floppy Drive) ซึ่งเป็นอุปกรณ์อ่านและเขียนแผ่นดิสก์ ติดตั้งอยู่ภายในตัวถังของเครื่อง ฟลอปปี้ดิสก์เก็บข้อมูลได้ไม่มากนัก เหมาะสำหรับการพกพา เพราะมีขนาดเล็กสามารถนำข้อมูลไปใช้งานกับคอมพิวเตอร์เครื่องอื่นๆ ได้สะดวก 4.2 ฮาร์ดดิสก์ (Hard Disk) ... เป็นหน่วยเก็บข้อมูลขนาดใหญ่สามารถเก็บข้อมูลได้มากกว่าฟลอปปี้ดิสก์หลายล้านเท่า ฮาร์ดดิสก์ติดตั้งในตัวเครื่องพร้อมกับอุปกรณ์อื่นๆ มีขนาดประมาณ 3.5 นิ้ว แต่มีความหนากว่าฟลอปปี้ดิสก์  มีตัวอ่านข้อมูลอยู่ภายใน  ในปัจจุบันมีฮาร์ดดิสก์ตั้งแต่  40  กิกะไบต์ (GB) ขึ้นไป จึงสามารถเก็บข้อมูลได้มาก  โปรแกรมต่างๆ ในปัจจุบันต้องการพื้นที่ในการเก็บข้อมูลมาก  โดยเฉพาะโปรแกรมประเภทกราฟิกหรือมัลติมีเดีย จำเป็นต้องใช้พื้นที่เก็บข้อมูลมากพอจึงจะใช้งานได้ 4.3 ซีดี–รอม (CD-ROM)  ... ย่อมาจากคำว่า Compact Disk Read – Only Memory เป็นหน่วยเก็บข้อมูลที่ได้รับความนิยมมากราคาไม่แพง มีอายุการใช้หลายปี และมีขนาดเล็ก ซีดีรอมเป็นแผ่นพลาสติกกลม เส้นผ่านศูนย์กลาง 4.75 นิ้ว ผิวหน้าเคลือบด้วยโลหะสะท้อนแสง เพื่อป้องกันข้อมูลที่บันทึกไว้บันทึกและอ่านข้อมูลด้วยแสงเลเซอร์ ปกติซีดีรอมในปัจจุบัน มีความจุประมาณ 700 MB หรือเท่ากับหนังสือประมาณ 700,000 หน้า หรือเท่ากับฟลอปปี้ดิสก์ขนาด 1.44 MB ถึง 700 แผ่น สามารถบันทึกข้อมูลได้มาก โดยเฉพาะงานด้านมัลติมีเดียทั้งภาพ แสง เสียง ในเวลาเดียวกัน  4.4  DVD-ROM : (Digital Video Disk Read – Only Memory)  ... เป็นหน่วยเก็บข้อมูลรองชนิดหนึ่งที่กำลังได้รับความนิยมมากลักษณะคล้ายซีดีรอมแต่สามารถเก็บข้อมูลได้มากกว่าซีดีรอมหลายเท่า คือ ขนาดมาตรฐานเก็บข้อมูลได้ 4.7 GB หรือ 7 เท่าของซีดีรอม และพัฒนาต่อเนื่องไปตลอด ดีวีดีแผ่นหนึ่งสามารถบรรจุภาพยนตร์ความยาวถึง 133 นาทีได้โดยใช้ลักษณะการบีบอัดข้อมูลแบบ MPEG-2 และระบบเสียงแบบดอลบี (Dolby AC-3) ปัจจุบันดีวีดีจึงนิยมใช้ในการบันทึกภาพยนตร์และมัลติมีเดีย ซึ่งต้องการพื้นที่เก็บข้อมูลมากกว่าแผ่น CD-ROM เปรียบเทียบคุณสมบัติ CD-ROM & DVD-ROM ... คุณลักษณะ CD-ROM DVD-ROM ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง ความหนา ระยะห่างระหว่างแทร็ก ขนาดของหลุมที่เล็กที่สุด ความจุของเลเซอร์ ความจุของ 1 ด้าน ความจุสูงสุดของ 1 แผ่น อัตราการส่งผ่านข้อมูล 120 มม. 1.2 มม. 1.6   ไมครอน 0.834   ไมครอน 682 MB 682 MB 682 MB 153 KB/วินาที 120    มม. 1.2    มม. 0.74   ไมครอน 0.74   ไมครอน 4.7   GB 4.7-8.5    GB 17     GB 1.385  MB/ วินาที