บทความ สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์

บทคัดย่อ

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์วิศวกรรมของระบบคอมพิวเตอร์ที่ผ่านการออกแบบอย่างระมัดระวังขององค์กรโดยใช้กลไกนวัตกรรมและการบูรณาการเทคนิคการซอฟแวร์เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการทำงาน บรรลุเป้าหมายที่ตามที่ได้ตั้งไว้

เป้าหมายที่พบมากที่สุดในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์หมุนรอบความสมดุลระหว่างค่าใช้จ่ายและผลการดำเนินงาน แม้ว่าการพิจารณาอื่น ๆ เช่นขนาด, น้ำหนัก, ความน่าเชื่อถือ, ชุดคุณลักษณะที่เพิ่มขยายและการใช้พลังงานเป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน

บทนำ

               สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์นั้น เป็นทฤษฎีที่เกี่ยวกับการออกแบบ คอมพิวเตอร์แต่ว่าทำไมเราถึงต้องออกแบบ คอมพิวเตอร์ล่ะ เพราะอะไรไรเราจึงต้องทำ เราจึงได้ศึกษาเรื่องของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ว่าทำไมจึงต้องศึกษาถึงเรื่องนี้ด้วยจากการไปค้นหาข้อมูลในเว็บไซต์ต่างๆ โดยได้ทำการนำข้อมูลที่น่าเชื่อถือได้มาจากเว็บไซต์ที่น่าเชื่อถือได้มาเพื่อทำการศึกษารวมกันอยู่ในบทความนี้

บทความ

            สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ คือ หน้าที่ พฤติกรรม และคุณสมบัติต่างๆของระบบคอมพิวเตอร์ในมุมมองของคอมพิวเตอร์

            สถาปัตยกรรมของระบบคอมพิวเตอร์ (architecture of computer system) คือ การผสมผสานกันของ ข้อมูล ฮาร์ดแวร์ ซอฟต์แวร์ และการสื่อสาร

Ø ข้อมูล  (Data) คือ สิ่งที่แทนคำของข้อเท็จจริง และสิ่งที่ได้จากการสังเกดข้อมูลถูกประมวลผลด้วยระบบคอมพิวเตอร์เพื่อได้ผลลัพธ์ออกเป็นสารสนเทศ (information) ซึ่งถูกนำมาใช้ด้วยหลากหลายตามเหตุ รวมถึงมีหลายรูปแบบซึ่งแตกต่างกัน

Ø ฮาร์ดแวร์ คอมพิวเตอร์ฮาร์ดแวร์ประมวลผลข้อมูลด้วยการเอ็กซีคิวต์คำสั่งการจัดเก็บข้อมูล การย้ายข้อมูลระหว่างหลากหลายอุปกรณ์ อินพุต (input) และเอาด์พุต (output) ซึ่งทำให้ผู้ใช้สามารถเข้าถึงระบบและสารสนเทศได้

Ø ซอฟต์แวร์ (software) ซอฟต์แวร์ประกอบด้วยโปรแกรมระบบ (System Program) และโปรแกรมประยุกต์ (Application Program)

Ø การสื่อสาร (communication) ในระบบสารสนเทศสมัยใหม่ต้องมีความสามารถในการประมวลผล และการใช้ข้อมูลร่วมกันในคอมพิวเตอร์และผู้ใช้ต่างๆ

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ เป็นทฤษฎีที่อยู่ฉากหลังของการออกแบบคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปหมายถึง การออกแบบ

·       โครงสร้างของหน่วยประมวลผลกลาง (ซึ่งก็คือ การออกแบบจำนวนเรจิสเตอร์ที่จำเป็น และหน้าที่ที่จำเป็นของ หน่วยควบคุมกับหน่วยประมวลผลตัวเลข)

·       ชุดของคำสั่งเครื่อง และการอ้างหน่วยความจำ

·       เทคนิคอื่นๆ เช่น การประมวลผลแบบไปป์ไลน์

ประเภทของสถาปัตยกรรมการประมวลผลแบบขนาน ของโปรเซสเซอร์

1. SISD (Single Instruction Single Data stream) คือ โปรเซสเซอร์ ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลเพียงชุดเดียวและ ทำงานด้วยคำสั่งเดียว ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา

2. MISD (Multiple Instruction Single Data stream) คือ โปรเซสเซอร์ ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลเพียงชุดเดียวแต่ทำงานด้วยได้หลายคำสั่ง ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา มักจะไม่ค่อยมีใครพัฒนาโปรเซสเซอร์แบบนี้

3. SIMD (Single Instruction Multiple Data stream) คือ โปรเซสเซอร์ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลหลายชุด แต่ทำงานด้วยคำสั่งเดียว ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา และได้ผลลัพธ์หลายชุด ใช้ในโปรเซสเซอร์แบบ Pentium MMX

4. MIMD (Multiple Instruction Multiple Data stream) คือ โปรเซสเซอร์ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลหลายชุดและทำงานด้วยได้หลายคำสั่ง ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา

ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

สถาปัตยกรรมคำสั่ง ISA. (Instruction Set Architecture)

คือ รูปแบบของการกำหนดภาษาที่ใช้กับเครื่องคอมพิวเตอร์ตระกูลต่างๆ ภาษาที่ใช้กับเครื่องประกอบกันขึ้นเป็นโปรแกรม หากโปรแกรมที่เขียนใช้กับเครื่องรุ่นเก่า และสามารถ Run กับเครื่องรุ่นใหม่ในตระกูลเดียวกันได้ เรียกเครื่องรุ่นใหม่นั้นได้ว่า "Upward Compatibility" ในทางกลับกันหากโปรแกรมที่เขียนขึ้นใช้กับเครื่องรุ่นใหม่แล้วไม่สามารถ Run กับเครื่องรุ่นเก่ากว่าได้ เรียกคอมพิวเตอร์รุ่นเก่านั้นไดว่า "Downward Compatibility"

สถาปัตยกรรม Hardware (Hardware System Architecture)

คือ ฮาร์ดแวร์ (Hardware) ของระบบคอมพิวเตอร์ เช่น CPU , Storage System  , Bus และ I/O System โดยพัฒนาขึ้นมาตามลำดับจากแนวคิดระบบคอมพิวเตอร์พื้นฐานของ Von Neumann ประกอบด้วย Hardware พื้นฐาน คือ

1. CPU (Central Processing Unit) -หน่วยประมวลผลกลาง

2. Main Memory System -ระบบหน่วยความจำ

3. Input/output System -ระบบอุปกรณ์นำเข้าข้อมูล/อุปกรณ์แสดงผลลัพธ์ข้อมูล

4. Interconnection System (BUS) –ระบบเชื่อมต่ออุปกรณ์ ต่าง ๆ เข้าด้วยกัน

นอกจากนั้นคำสั่งจะต้อง Execute ทีละคำสั่งตามลำดับ และมีเส้นทาง (BUS) ในการขนถ่ายข้อมูลอย่างน้อย 1 เส้นทางระหว่าง CPU กับ Main Memory เรียกว่า "Von Neumann"

ประวัติ John von Neumann

จอห์น วอน นอยแมน (John von Neumann) เป็นนักคณิตศาสตร์ชาวอเมริกันเชื้อสายฮังการี มีผลงานสำคัญในหลายสาขา ทั้ง ควอนตัมฟิสิกส์, ทฤษฎีเซ็ต, วิทยาการคอมพิวเตอร์, เศรษฐศาสตร์

เขาเป็นบุตรชายคนโต ในพี่น้อง 3 คน เกิดที่เมืองบูดาเปส บิดาเป็นนักการธนาคาร นอยแมนมีชื่อเล่น ว่า "Jancsi" เขาเติบโตมาในครอบครัวชาวยิวที่ไม่เคร่งครัด และได้แสดงถึงความจำที่เป็นเลิศ มาตั้งแต่ยังเป็นเด็ก โดยสามารถทำการหารเลข 8 หลักในใจได้ตอนอายุ 6 ปี ในปี ค.ศ. 1911 ก็เข้าเรียนที่ Lutheran Gymnasium (ในประเทศเยอรมนี gymnasium หมายถึง โรงเรียนมัธยมปลาย) พอปี ค.ศ. 1913 เนื่องจากคุณพ่อของเขาได้รับตำแหน่ง (ยศ) เขาจึงได้รับชื่อเยอรมัน von จึงใช้ชื่อเต็มเป็น Janos von Neumann

เขาเรียนจบปริญญาเอกสาขาคณิตศาสตร์ จาก มหาวิทยาลัยบูดาเปสต์ ตอนอายุ 23 ปี

ระหว่างปี ค.ศ. 1926 ถึง 1930 เขาทำงานเป็นอาจารย์อิสระ อยู่ในกรุงเบอร์ลิน ประเทศเยอรมนี ในปี ค.ศ. 1930 นอยแมนได้รับเชิญจาก มหาวิทยาลัยปรินซตัน เขาเป็นหนึ่งในหกคน คือ (J W Alexander, A Einstein, M Morse, O Veblen, J von Neumann and H Weyl) ที่ได้รับเลือกให้เป็นอาจารย์ในสถาบันเพื่อการศึกษาขั้นสูง (Institute for Advanced Study) โดยเขาเป็นอาจารย์ในสาขาวิชาคณิตศาสตร์ ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง นอยแมนได้มีส่วนร่วมใน โครงการแมนฮัตตัน (Manhattan Project) ซึ่งเป็นโครงการสร้างระเบิดปรมาณู

ช่วง ค.ศ. 1936 จนถึง 1938 อลัน ทัวริง ได้เป็นนักเรียนแลกเปลี่ยนไปที่สถาบัน และเรียนจบปริญญาเอก โดยมีนอยแมนเป็นอาจารย์ที่ปรึกษา การไปเป็นนักเรียนแลกเปลี่ยนครั้งนี้ของทัวริง เกิดขึ้นหลักจากที่เขาได้ดีพิมพ์บทความวิชาการ "On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungs-problem" ในปี ค.ศ. 1934

นอยแมนนั้น ได้รับการขนานนามว่าเป็น บิดาของทฤษฎีเกม เขาได้ตีพิมพ์หนังสือ Theory of Games and Economic Behavior โดยร่วมเขียนกับออสการ์ มอร์แกนสเติร์น (Oskar Morgenstern) ในปี ค.ศ. 1944 เขาได้คิดหลักการ "MAD" (mutually assured destruction) ซึ่งเป็นหลักการซึ่งใช้เป็นหลักสำคัญ ในการวางแผนกลยุทธ์ทางด้านอาวุธนิวเคลียร์ของอเมริกา ในช่วงสงครามเย็น

นอยแมนเป็นคนคิดสถาปัตยกรรมแบบ วอน นอยแมน ซึ่งใช้กันในคอมพิวเตอร์ส่วนใหญ่ คอมพิวเตอร์เกือบทั้งหมดในโลกนี้ เป็นเครื่องจักรแบบ วอน นอยแมน เขาเป็นผู้ริเริ่มสาขา cellular automata และได้สร้างตัวอย่างชุดแรกของ selff-replicating automata โดยใช้แค่กระดาษกราฟ กับ ดินสอธรรมดาๆ คำว่าเครื่องจักรแบบ วอน นอยแมน ยังหมายความถึง เครื่องจักรที่สร้างตนเองซ้ำได้ (self-replicating machine).

นอยแมนได้พิสูจน์ว่า การใช้เครื่องจักรที่สร้างตนเองซ้ำได้ เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุด ในการทำเหมืองขนาดใหญ่มากๆ อย่างการทำเหมืองบนดวงจันทร์ หรือ แถบดาวเคราะห์น้อย เนื่องจากกลไกแบบนี้จะมีการเติบโตอย่างรวดเร็วมากแบบ exponential

นอยแมนนับเป็นบุคคลที่ฉลาดล้ำลึก และความจำที่เป็นเลิศเกือบจะเรียกได้ว่า จำได้ทุกอย่าง ในระดับรายละเอียดเลยก็ว่าได้ เขาเป็นคนชอบออกสังคมไม่เก็บตัว ชอบดื่มเหล้า, เต้นรำ, และ การเริงรมย์ เป็นคนสนุกสนาน และขบขัน เสียชีวิตที่กรุงวอชิงตันดีซี

 แรงผลักดันในการพัฒนาประสิทธิภาพของระบบคอมพิวเตอร์

เนื่องจากปริมาณข้อมูลที่จะต้องประมวลผลมีอยู่มาก อีกทั้งกรรมวิธีในการประมวลผลข้อมูลนับวันก็ยิ่งมีความซับซ้อนมากขึ้น การประมวลผลจำเป็นต้องใช้เวลาให้สั้นลงทันต่อเหตุการณ์ มีความถูกต้องแม่นยำสูงเพื่อให้สามารถพยากรณ์เหตุการณ์ที่จะเกิดขึ้นในอนาคตได้ ซึ่งมีเรื่องของงานต่างๆ พอสรุปได้ดังนี้

1)      การพยากรณ์อากาศ      

        ในการคาดหมายสภาวะของลมฟ้าอากาศรวมทั้งปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่จะเกิดขึ้นในช่วงเวลาข้างหน้า  จำเป็นต้องทราบข้อมูลสภาวะของบรรยากาศ ที่ครอบคลุมพื้นที่บริเวณนั้นว่าประกอบด้วย ระบบลมฟ้าอากาศเป็นอย่างไร  มีการเคลื่อนที่หรือเปลี่ยนแปลงความรุนแรง เช่นไร หลังจากมีการเปลี่ยนแปลงขึ้นแล้ว จะก่อให้เกิดลักษณะอากาศประเภทใด                                     

2)      สมุทรศาสตร์       

จะเป็นการศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับการไหลเวียนของน้ำทะเล  ตะกอนในทะเลและคุณภาพของน้ำบริเวณชายฝั่ง  เช่นการแพร่กระจายของตะกอนแขวนลอยที่เกิดจากกิจกรรมเหมืองแร่ในทะเล  นอกจากนั้นยังได้ศึกษาการแพร่กระจายของตะกอนบริเวณปากแม่น้ำต่าง ๆ  ตลอดจนการพังทลายของชายฝั่งทะเล

3)      แผ่นดินไหวและค้นหาแหล่งน้ำมันเชื้อเพลิง

แผ่นดินไหวคืออาการสั่นสะเทือนของแผ่นดิน ซึ่งจะนำความเสียหายมาสู่มนุษย์ มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับพลังงานที่ปล่อยออกมา  แผ่นดินไหวมีสาเหตุหลัก 3 สาเหตุคือ

1) โดยขบวนการแปรสันฐานของเปลือกโลกเอง

2) โดยขบวนการภูเขาไฟระเบิด

3) โดยขบวนการกระทำของมนุษย์ หรือเหตุอื่น ๆ เช่น อุกกาบาต การทดลองระเบิดนิวเคลียร์ 

4)      อากาศพลศาสตร์และการวิเคราะห์โครงสร้าง

        แรงทางอากาศพลศาสตร์จะเป็นเรื่องเกี่ยวกับกระแสอากาศที่สัมพันธ์กับวัตถุที่เกิดการเปลี่ยนแปลง คุณลักษณะเกี่ยวกับมวล ความหนาแน่น ความเร็ว อุณหภูมิ  จะทำให้เกิดแรงต่าง ๆ เช่น แรงขับ  แรงต้าน  แรงยก และแรงโน้มถ่วง  เช่น เมื่อเครื่องบินเคลื่อนตัวไปข้างหน้า ก็จะปะทะกับกระแสอากาศ เกิดเป็นแรงต้าน(Drag) ที่มีทิศทางสวนไปข้างหลัง  พยายามต้านให้ความเร็วลดลง  แรงดันของอากาศภายใต้ปีกเครื่องบินที่เกิดจากกระแสอากาศ ขณะที่เครื่องบินผ่านอากาศ จะเกิดแรงยก  น้ำหนักเครื่องบินจะทำให้เกิดแรงโน้มถ่วงสู่พื้นโลก  โดยขณะที่เครื่องบิน บินอยู่ แรงขับจะต้องมากกว่าแรงดัน และแรงยกจะต้องมากกว่าแรงโน้มถ่วง

5)      ปัญญาประดิษฐ์  

        เป็นการสร้างเครื่องจักรกล ให้ทำกิริยาบางอย่าง หรืองานบางอย่าง คล้ายกับการใช้ปัญญา หรือความคิดในการกระทำ หรือที่เรียกว่า “กิริยาปัญญาประดิษฐ์”  โดยทำให้เครื่องจักรนั้นลอกเลียนกิริยาต่าง ๆ ของมนุษย์ ที่กระทำด้วยปัญญา เช่น การมองเห็น การสังเคราะห์เสียงพูด การเข้าใจภาษาพูดเป็นต้น

6)      การทหาร

        กองทัพเป็นเครื่องมือของรัฐที่ใช้ในยามทั้งสันติและสงคราม  ในยามสันติจะใช้ปฏิบัติการในลักษณะป้องปราม  ในยามสงคราม จะใช้ปฏิบัติการของกองทัพในลักษณะของการรุกและป้องกันตนเอง  โดยกองทัพจะใช้อาวุธยุทธโธปกรณ์ที่มีระบบคอมพิวเตอร์ควบคุม เพื่อให้ปฏิบัติการกับเป้าหมายที่คาดว่าน่าจะเป็นภัยคุกคาม และเตรียมแผนเผชิญเหตุ อย่างรอบคอบ ทันเวลา และถูกต้องแม่นยำ  เหมาะสมกับสถานการณ์ต่าง ๆ ที่เปลี่ยนแปลงไปของเป้าหมาย

7)  เศรษฐศาสตร์

นอกจากปัจจัยในการดำรงชีพขั้นพื้นฐานของมนุษย์ แล้ว มนุษย์ยังมีความต้องการอื่น ๆ อีก คือ สินค้าและบริการ  สินค้าและบริการ เกิดจากทรัพยากรที่มีอยู่อย่าง    จำกัด จำเป็นจะต้องจัดการในเรื่องการผลิตและบริการอย่างมีประสิทธิภาพ  เพื่อการกระจายรายได้ระหว่างเจ้าของปัจจัยการผลิต  การแลกเปลี่ยนความเป็นเจ้าของสินค้าและบริการ  โดยนำระบบคอมพิวเตอร์เข้ามาใช้ให้บริการ  ข้อมูลต่าง ๆ เหล่านั้น จะนำมาใช้วิเคราะห์ โดยคอมพิวเตอร์ เพื่อจะได้ทราบเศรษฐกิจโดยรวมของรัฐ ๆ นั้น

ยุคต่างๆ ของคอมพิวเตอร์

ยุคที่ 1 (1954 - 1958) ยุคแห่งหลอดสุญญากาศ

                ใช้หลอดสุญญากาศ ความต้านทาน Capacitor และ สวิทช์ ในยุคนั้นคอมพิวเตอร์ใช้คำนวณค่าในตารางการยิงปืนใหญ่ ใช้ภาษาเครื่องจักร ใช้กำลังไฟฟ้ามาก

รูปที่ 1 หลอดสุญญากาศ  

รูปที่ 2 เครื่อง มาร์ค วัน

ยุคที่ 2 (1959 - 1964) ยุคแห่งทรานซิสเตอร์

                ใช้ Transistor เป็นวงจรหลักของระบบคอมพิวเตอร์ ใช้ภาษาระดับสูง มีการคำนวณทางคณิตศาสตร์แบบFloating point  

                                               

 รูปที่ 3 ทรานซิสเตอร์

ยุคที่ 3 (1965 - 1970) ยุคแห่ง IC

                เริ่มใช้วงจรรวม (Integrated circuit) มีหน่วยความจำเป็นแบบ Semi-conductor ขนาดของคอมพิวเตอร์จึงมีขนาดเล็กลง

 

รูปที่ 4 วงจรรวม

ยุคที่ 4 (1971 - 1980) ยุคแห่ง LSI

                ใช้เทคโนโลยี VLSI ประยุกต์ใช้เครือข่ายคอมพิวเตอร์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานให้สูงขึ้น ในยุคนี้ขนาดของคอมพิวเตอร์จะมีขนาดเล็กลงมาก

 

รูปที่ 5 CPU-Intel-Core-i7  

 รูปที่ 6 ไมโครโพรเซสเซอร์

ยุคที่ 5 (1981 – ปัจจุบัน) ยุคปัญญาประดิษฐ์

                VLSI, ULSI, Parallel System, Intelligence คาดว่าในยุคนี้จะเป็นยุคของปัญญาประดิษฐ์ การทำงานของระบบคอมพิวเตอร์จะทำงานแบบขนานกันไป มีความเร็วในการประมวลผลสูงมาก

 

รูปที่  7 ยุคปัจจุบัน

                                 

สรุป

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ เป็นทฤษฎีที่เป็นเบื้องหลังของการออกแบบโดยมีทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกันอยู่ด้วยโดยการแบ่งเป็น 2 เหตุผลหลักใหญ่ และเหตุผลซึ่งเป็นแรงผลักดันการที่พัฒนาประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ซึ่งเกี่ยวกับเรื่องของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์โดยใช้ แรงพลักดันเหล่านั้นเป็นตัวพัฒนา  ซึ่งเกี่ยวข้องกับการออกแบบ และสุดท้ายยุคของคอมพิวเตอร์ซึ่งแยกเป็นแต่ละยุคเป็นการอธิบายถึงการออกแบบด้าน Hardware แบบสั้นๆพอสังเขป

บรรณานุกรม

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์และระบบปฏิบัติการ สืบค้นเมื่อ 5 กุมภาพันธ์ 2560

จาก https://sites.google.com/site/pmtecg39012001/home/bthna

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับระบบคอมพิวเตอร์และสถาปัตยกรรม สืบค้นเมื่อ 5  กุมภาพันธ์ 2560

จาก https://sites.google.com/site/computersystemandarchitecture/home/3

            ผศ.สิริธร เจริญรัตน์ สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยหอการค้าไทย

        วรลักษณ์ วงศ์โดยหวัง ศิริเจริญ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างคอมพิวเตอร์กับมนุษย์ สักพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย