CPU หรือ Microprocessor เป็นหัวใจและ/หรือสมองของคอมพิวเตอร์ Deep Dive เข้าสู่แก่นกลาง เพื่อช่วยเขียนโปรแกรมได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น
"เครื่องมือมักเรียบง่ายกว่าเครื่องจักร ใช้กับมือ ขณะที่เครื่องจักรขับเคลื่อนด้วยพลังสัตว์หรือไอน้ำ" – Charles Babbage
คอมพิวเตอร์ เป็น เครื่องจักร ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า แต่ความยืดหยุ่นและโปรแกรมได้ ทำให้เรียบง่าย כמו เครื่องมือ
CPU เป็นหัวใจและ/หรือสมอง คอมพิวเตอร์ รันคำสั่งที่ให้มา หน้าที่หลัก: คำนวณคณิตศาสตร์/ตรรกะ และประสานคำสั่ง
สองส่วนประกอบหลักของ Processor
- Control Unit (CU)
- Arithmetic and Logic Unit (ALU)
Control Unit (CU)
CU = ส่วนของ CPU ประสานการ Execute คำสั่ง บอกว่าทำอะไร ตามคำสั่ง เปิดใช้งานสายสัญญาณเชื่อม CPU กับส่วนอื่นๆ รวม ALU CU เป็นส่วนแรกที่รับคำสั่งมา Process
2 ประเภท CU:
- Hardwired Control Units - ฮาร์ดแวร์ ต้องเปลี่ยนฮาร์ดแวร์ถึงจะแก้ไขได้
- Microprogrammable Control Units - โปรแกรมได้ เปลี่ยนพฤติกรรมได้
Hardwired CU = เร็วกว่า Microprogrammable = ยืดหยุ่นกว่า
Arithmetic and Logic Unit (ALU)
ALU ทำคำนวณคณิตศาสตร์และตรรกะ: บวก ลบ ประกอบด้วย Logic Circuitry/Logic Gates
Logic Gates ส่วนใหญ่รับ Input 2 ตัว ผล Output 1 ตัว
ตัวอย่าง Half Adder Circuit: Input A, B Output S (Sum) และ C (Carry)
ที่เก็บข้อมูล - Registers และ Memory
CPU รันคำสั่ง ต้องการ Data (Input, Intermediate, Output) เก็บใน:
Registers
Register = ชุดที่เก็บ Data เล็กๆ ประกอบจาก Latches (Flip-flops) = Logic Gates รวมกันเก็บ 1 Bit
Latch มี 2 Input Wire (Write, Input) และ 1 Output Wire Enable Write -> เปลี่ยนข้อมูล Disable Write -> Output คงที่
CPU มี Registers เก็บ Output ส่ง RAM ช้า (Intermediate Data) ส่ง Register อื่นผ่าน BUS Register เก็บ Instruction, Output, Address, หรือ Data อะไรก็ได้
Memory (RAM)
RAM = Registers จำนวนมาก จัดเรียง Compact เก็บ Data มากขึ้น Volatile (ข้อมูลหายตอนปิดไฟ) อ่าน/เขียน: Input Address 8-bit, Data Input, Read/Write Enable
คำสั่ง (Instructions) คืออะไร?
Instruction = Granular Computation ที่ CPU ทำได้ มีหลายประเภท:
- Arithmetic: ADD, SUBTRACT
- Logic: AND, OR, NOT
- Data: MOVE, INPUT, OUTPUT, LOAD, STORE
- Control Flow: GOTO, IF...GOTO, CALL, RETURN
- End Program: HALT
ส่งคำสั่งผ่าน Assembly Language หรือ Compiler/Interpreter Hardwired ใน CPU: ALU จัดการ Arithmetic/Logic, CU จัดการ Control Flow
1 Clock Cycle = 1 Instruction (สมัยใหม่ทำได้หลายคำสั่ง)
กลุ่มคำสั่งที่ CPU ทำได้ = Instruction Set
CPU Clock
Clock Cycle = ความเร็วคอมพิวเตอร์ = จำนวน Clock Periods ต่อวินาที
Clock Cycle เดียวเล็กมาก ~250 × 10⁻¹² วินาที Clock Cycle มาก = Processor เร็ว
วัดเป็น GHz (Gigahertz) 1 GHz = 10⁹ Hz (Cycles/Second)
Clock Cycle เร็ว = CPU รัน Instruction มากขึ้น
Clock Cycle = 1/Clock Rate
CPU Time = Instruction Count / Clock Rate
ปรับปรุง CPU Time: เพิ่ม Clock Rate หรือ ลด Instruction Count (Optimize Code) บาง Processor เพิ่ม Clock ได้ แต่อาจ Overheat/Smoke/Fire
คำสั่ง Execute อย่างไร?
Instructions เก็บใน RAM ต่อเนื่อง CPU สมมติ: Instruction = OP Code + Memory/Register Address
CU มี 2 Registers: Instruction Register (IR) โหลด OP Code, Instruction Address Register โหลด Address คำสั่งปัจจุบัน Register อื่นเก็บค่าที่ Address (4 บิตท้ายคำสั่ง)
ตัวอย่าง: บวก 2 จำนวน
STEP 1 — LOAD_A 8: Instruction ใน RAM = <1100 1000> 4 บิตแรก = OP Code = LOAD_A Decode -> โหลด Data ที่ Address 1000 (4 บิตท้าย) ไป Register A
STEP 2 — LOAD_B 2: โหลด Data ที่ Address 0010 ไป Register B
STEP 3 — ADD B A: CU สั่ง ALU บวก บันทึกผลกลับ Register A
STEP 4 — STORE_A 23: บันทึก Register A ไป Address 23
บวก 2 จำนวนสำเร็จ!
BUS
Data ระหว่าง CPU, Register, Memory, I/O Devices ถ่ายโอนผ่าน Bus
CPU ใส่ Address บน Address Bus, ผลบวกบน Data Bus, Enable Signal บน Control Bus -> โหลดข้อมูลเข้ Memory
Cache
CPU Prefetch Instructions ไป Cache รู้ไหม? ล้านคำสั่ง/วินาที -> ใช้เวลา Fetch จาก RAM มากกว่า Execute Cache Prefetch Instructions/Data บ้าง -> Execute เร็วขึ้น
Data ใน Cache และ RAM ต่างกัน = Dirty Bit
Instruction Pipelining
CPU สมัยใหม่ใช้ Instruction Pipelining สำหรับ Parallelization: Fetch, Decode, Execute พร้อมกัน
คำสั่งตัวนึงอยู่ Decode ตัวถัดไป Fetch ได้พร้อมกัน
ปัญหา: คำสั่งอาศัยกัน -> Processor Execute Out-of-order (คำสั่งที่ไม่ Dependent)
Multi-core Computer
หลาย CPU แชร์ Resource บางอย่าง (Cache)
Performance (ประสิทธิภาพ)
Performance = 1 / Execution Time
โปรแกรมรัน 20ms -> Performance = 1/20 = 0.05
Relative Performance = Exec Time 1 / Exec Time 2
ปัจจัย CPU Performance: Instruction Execution Time + Clock Speed
เพิ่ม Performance: เพิ่ม Clock Speed หรือ ลด Instruction Count (Optimize Code)
Processor Speed มีขีดจำกัด Multi-core รันล้านคำสั่ง/วินาที แต่โค้ดเยอะ -> Performance ต่ำ
Big O Notation บอก Given Input -> Performance แทนไง
CPU Optimize มาก เขียนโปรแกรมต้องคิด: ลด Instruction Count -> เพิ่ม Performance
Also Posted on Milap Neupane Blog: How Does a CPU work
