ซีพียูนับเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญที่สุดในเครื่องคอมพิวเตอร์ ทำหน้าที่หลัก ๆ คือคำนวณและประมวลผลคำสั่งหรือข้อมูลต่าง ๆ ที่ผู้ใช้สั่งผ่านโปรแกรมประยุกต์หรือ Application Program ต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นชุดคำสั่งโปรแกรมเฉพาะที่ออกแบบเขียนขึ้นเองเพื่อใช้ทำงานเฉพาะอย่าง เช่นโปรแกรมการคิดบัญชี, โปรแกรมการเก็บประวัติพนักงาน ฯลฯ หรือชุดโปรแกรมสำเร็จรูปที่ใช้งานในด้านต่าง ๆ เช่น โปรแกรมไมโครซอฟต์ออฟฟิศที่ใช้งานทั่ว ๆ ไปในสำนักงานตั้งแต่ขนาดใหญ่ไปจนถึงขนาดเล็ก,โปรแกรมเพจเมกเกอร์ที่ใช้จัดรูปแบบเอกสารเพื่อใช้ในงานสิ่งตีพิมพ์ประเภทต่าง ๆ ฯลฯ โดยคำสั่งหรือข้อมูลของโปรแกรมเหล่านี้จะไม่ได้ถูกส่งตรงมา มาที่ตัวซีพียู หากแต่จะไปพักรอการเรียกใช้ในอุปกรณ์อีกตัวหนึ่งคือหน่วยความจำหลักหรือแรมนั่นเอง
นอกจากคำสั่งหรือข้อมูลที่มาจากตัวโปรแกรมต่าง ๆ แล้ว ซีพียูยังต้องรองรับการติดต่อสื่อสารหรือการร้องขอให้ช่วยทำงานหรือคิดคำนวณประมวลผลต่าง ๆ จากอุปกรณ์รอบข้างไม่ว่าจะเป็นการ์ดชนิดต่าง ๆ เช่น การ์ดแสดงผล, การ์ดเสียง ฯลฯ ที่ถูกเสียบอยู่บนExpansion Slot (ช่องเสียบการ์ดชนิดต่าง ๆ เรียวยาวมีทั้งสีดำ, ขาว, น้ำตาลวางเรียงอยู่บนแผงวงจรหลักที่เรียกว่าเมนบอร์ดนั่นเอง) หรือชิปไอซีซึ่งเป็นอุปกรณอิเล็กทรอนิกส์ตัวเล็ก ๆ มีหลากหลายรูปร่างหลายขนาดที่กระจายอยู่ทั่วไปบนเมนบอร์ด โดยบางอุปกรณ์นั้นก็สามารถต่อตัดลัดคัวไปยังซีพียูได้โดยตรงโดยไม่ต้องผ่านไปที่หน่วยความจำหลักก่อนและการ
ติดต่อนี้สามารถเกิดขึ้นได้ตลอดเวลา นอกจากนั้นซีพียูยังต้องรับภาระในการควบคุมการทำงานส่วนต่าง ๆ
ของเครื่องคอมพิวเตอร์ไม่ว่าจะเป็นส่วนรับข้อมูล เช่นแป้นพิมพ์(Keyboard),เมาส์(Mouse) ฯลฯ, ส่วนแสดงผลเช่นจอภาพ(Monitor),เครื่องพิมพ์(Printer), สแกนเนอร์(Scaner)ให้สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องและสอดคล้องกับอุปกรณ์อื่น ๆ ภายในเครื่องคอมพิวเตอร์ทั้งหมด นับว่างานของซีพียูค่อนข้างหนักหน่วงมากเลยทีเดียว และซีพียูที่มีประสิทธิภาพสูงก็สามารถจัดการงานทั้งหมดนี้อย่างถูกต้องและรวดเร็วกว่า
ลักษณะของซีพียู
นับตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน ก็มีขั้นตอนในการทำงานที่คล้าย ๆ กัน เพียงแต่มีการดัดแปลงโครงสร้างในตัวซีพียูให้เปลี่ยนแปลงไปบ้าง ในซีพียูรุ่นใหม่ ๆ เพื่อให้มีประสิทธภาพการทำงานสูงขึ้นเช่น มีการนำหน่วยความจำแคชระดับที่สองเข้าไปไว้ภายในตัวซีพียูเลยและเพิ่มความเร็วในการทำงานสูงขึ้นเช่น มีการนำหน่วยความจำแคชระดับที่สองเข้าไปไว้ภายในตัวซีพียูเลยและเพิ่มความเร็วในการทำงานให้เท่าเทียมกับซีพียู (หน่วยความจำแคชหรือ cache memory คือหน่วยความจำชนิดหนึ่งที่มีความเร็วและประสิทธิภาพสูงกว่าหน่วยความจำหลักหรือแรมมาก โดยจะแบ่งออกเป็นหน่วยความจำแคชระดับที่หนึ่งหรือ level 1 cache
ซึ่งอยู่ภายในตัวซีพียูกับหน่วยความจำแคชระดับที่สองหรือ level 2 cache ซี่งตำแหน่งเดิมของ level 2 cache นี้จะอยู่บนเมนบอร์ดโดยคั่นกลางระหว่างซีพียูกับแรมเพื่อใช้เก็บคำสั่งหรือข้อมูอต่าง ที่เคยเรียกใช้งานหรือคาดว่าจะถูกเรียกใช้งานในลำดับต่อไปโดยซีพียู เมื่อซีพียูต้องการเรียกใช้คำสั่งหรือข้อมูลนั้น ๆ ก็สามารถจะเรียกใช้ได้โดยตรงที่ level 2 cache ซึ่งจะรวดเร็วกว่าการเรียกใช้ที่หน่วยความจำหลักหรือแรมซี่งทำงานช้ากว่า และอยู่ห่างไกลจากตัวซีพียูมากกว่า) นอกจากนั้นก็ยังเพิ่มความละเอียดของลายวงจรภายในชิปซีพียูให้มีขนาดเล็กและอยู่ใกล้กันมากขึ้น ซึ่งความละเอียดนี้วัดกันเป็นหน่วยที่เรียกว่าไมครอน (micron) ยิ่งเล็กจะยิ่งใส่ลายวงจรนี้เข้าไปในชิปซีพียูได้มากขึ้น อันจะเป็นผลให้ซีพียูนั้นมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ และมีความร้อนในการทำงานต่ำแต่ความรวดเร็วและประสิทธิภาพในการทำงานจะสูงขึ้น เป็นต้น
ขั้นตอนการทำงานของซีพียูที่จะขออธิบายให้ท่านได้เข้าใจง่าย ๆ มีดังนี้
1. การนำคำสั่งหรือข้อมูลเข้ามาภายในตัวซีพียู
ภายในตัวซีพียูจะมีหน่วยการทำงานที่ทำหน้าที่นำคำสั่งหรือข้อมูลเข้าเรียกว่า pre - fetch unit เมื่อหน่วยงานนี้ได้รับคำสั่งจากซีพียูให้นำคำสั่งหรือข้อมูลเข้ามามันจะเข้าไปค้นหาในหน่วยความจำแคชระดับที่สองก่อน หากเจอก็สามารถนำเข้ามาใช้ได้ทันที แต่หากไม่เจอก็จะต้องร้องขอให้หน่วยการทำงานอีกส่วนหนึ่งที่เรียกว่า หน่วยติดต่อบัสระบบหรือ bus interface unit ช่วยทำการติดต่อร้องขอไปยังหน่วยความจำหลักหรือแรมต่อไป โดยหน่วยติดต่อบัสระบบนี้จะนำคำสั่งหรือข้อมูลนั้น ๆ รวมทั้งคำสั่งหรือข้อมูลอื่น ๆ ที่คาด
ว่าจะถูกใช้ในลำดับต่อไปเข้ามาพักไว้ที่หน่วยความจำแคชระดับที่สองก่อน
2. การจัดเรียงคำสั่งหรือข้อมูลที่นำเข้า
หน่วย pre - fetch จะนำคำสั่งหรือข้อมูลนั้นมาเรียงไว้ในส่วนเรียงลำดับที่เรียกว่า คิว (queue) ก็เหมือนหลักการเก็บสต็อคสินค้าใน โกดัง โดยจะเรียงเก็บไว้จนกว่าจะเต็มคิวเพื่อให้ส่วนคิดคำนวณต่าง ๆ ได้ทำงานอย่างต่อเนื่องตลอดเวลาไม่ต้องเกิดสภาวะการรอคอยทำ
ให้การทำงานโดยรวมช้าตามไปด้วย เมื่อคิวเต็มแล้วก็จำเป็นที่หน่วย pre - fetch จะต้องทำงานได้รวดเร็วที่สุดเพื่อให้หน่วย pre – fetchสามารถนำข้อมูลเข้ามาได้อย่างต่อเนื่อง
3. การถอดรหัสข้อมูลหน่วยการทำงานอีกหน่วยหนึ่งคือหน่วยถอดรหัสหรือ decoding unit จะทำหน้าที่แปลคำสั่งหรือข้อมูลซึ่งแต่เดิมจะเป็นภาษาคอมพิวเตอร์ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่หน่วยทำงานอื่น ๆ ภายในซีพียูสามารถรับรู้และเข้าใจได้ จากนั้นจึงส่งคำสั่งหรือข้อมูลที่ถูกถอดรหัสนี้ไปยังหน่วยควบคุมและตรวจสอบการทำงานของซีพียูต่อไป
4. การควบคุมและการตรวจสอบการทำงาน
จะมีหน่วยควบคุมและตรวจสอบการทำงาน (control and protection test unit) ตรวจสอบคำสั่งที่ถูกถอดรหัสเรียบร้อยแล้วว่ามีความถูกต้องหรือไม่ มีการอ้างอิงการใช้หน่วยความจำประเภทใดภายนอกตัวชิปซีพียูหรือไม่ และการอ้างอิงนั้นมีความขัดแย้งกันเองหรือขัดแย้งกับอุปกรณ์อื่นใดหรือไม่ หากทุกอย่างถูกต้องเรียบร้อยก็จะส่งไปยังหน่วยประมวลผลต่าง ๆ ต่อไป
5. การประมวลผลเลขทศนิยม
ส่วนนี้เป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งโดยเฉพาะโปรแกรมประยุกต์และเกมสามมิติใหม่ ๆ ที่มีการคิดคำนวณซับซ้อนจะต้องอาศัยความสามารถในส่วนนี้อย่างมาก โดยหน่วยประมวลผลเลขทศนิยมหรือ floating point unit จะทำหน้าที่ประมวลผลข้อมูลหรือคำสั่งที่เกี่ยวข้อง ซึ่งในชิปซีพียูรุ่นเก่าจะแยกหน่วยประมวลผลตัวนี้ออกมาเป็นชิปไอซีต่างหากอีกตัวหนึ่งในชื่อว่า math - co processor นั่นเอง
6. การประมวลผลทางด้านคณิตศาสตร์และตรรกะ
หากคำสั่งหรือข้อมูลใดเป็นการคิดคำนวณทางคณิตศาสตร์ธรรมดาหรือเป็นคำสั่งประเภทถูกผิดหรือเงื่อนไขต่าง ๆ ก็จะถูกส่งมาที่หน่วยประมวลผลทางคณิตศาสตร์และตรรกะ (arithmetic / logic unit หรือ ALU) แทน เข้าทำนองที่ว่า ถ้าเรื่องง่าย ๆ ก็ไม่ต้องรบกวนหน่วยประมวลผลเลขทศนิยมให้วุ่นวาย เพียงแต่หน่วย ALU นี้ก็รับมือได้สบายมาก
7. การนำผลลัพธ์ที่คำนวณได้ไปเก็บไว้ที่ Register
Register นอกจากจะเป็นส่วนที่ถูกใช้เป็นที่เก็บผลลัพธ์ที่ได้จากการประมวลผลจากหน่วยคำนวณต่าง ๆ แล้ว ยังทำหน้าที่เป็นเหมือนกระดาษทดในการคิดคำนวณและเก็บข้อมูลและคำสั่งบางส่วนที่สำคัญและจำเป็นในการใช้งานอีกด้วย
8. การอ่านค่าผลลัพธ์นั้นไปเก็บไว้ยังหน่วยความจำหลักหรือแรมเพื่อรอการแสดงผล
หน่วยติดต่อระบบบัสหรือ Bus Interface Unit จะทำหน้าที่ขนย้ายผลลัพธ์ใน Register ออกไปเก็บไว้ในหน่วยความจำหลักหรือแรมเพื่อรอให้หน่วยควบคุมการแสดงผลบนการ์ดแสดงผล (display adapter) เรียกใช้ผลลัพธ์นั้นในการประมวลผลเพื่อให้เกิดการแสดงผลบนหน้าจอภาพต่อไป
ชนิดของซีพียู
ถ้าแบ่งกันตามชนิดของตัวถังหรือแพ็คเกจที่บรรจุซีพียูอยู่ภายในตั้งแต่อดีตถึงปัจจุบันแล้วพอจะแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดด้วยกันคือ
1. ซีพียูที่บรรจุอยู่ในแพ็คเกจพลาสติกหรือเซรามิครูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส
ซีพียูแบบนี้จะฝังอยู่ในแพ็คเกจที่บรรจุซีพียูซึ่งมีรูปร่างลักษณะเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสทำด้วยพลาสติกหรือเซรามิค ด้านใต้ของแพ็คเกจนี้มีขนาดเล็ก ๆ จำนวนมากมายหลายร้อยขา (จำนวนขาของซีพียูแต่ละรุ่นจะมีจำนวนไม่เท่ากัน) เพื่อใช้เสียบลงไปในฐานติดตั้งซีพียูหรือซ็อคเก็ต (socket) บนเมนบอร์ด ที่ทีลักษณะเป็นฐานสีขาวรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดใหญ่กว่าแพ็คเกจซีพียูเล็กน้อย บนตัวฐานนี้จะถูกเจาะเป็นรูเล็ก ๆ มากมายโดยตำแหน่งของรูเหล่านั้นจะสัมพันธ์กับตำแหน่งขาของแพ็คเกจ ซีพียูทำให้สามารถเสียบเข้ากันได้พอดี ซีพียูที่ใช้สถาปัตยกรรมโครงสร้างแบบนี้มีอยู่หลายรุ่นด้วยกันตั้งแต่อดีตถึงปัจจุบันคือ
- ซีพียูของบริษัทอินเทลในรุ่น 8088, 8086, 80283, 80386DX , 80386SX , 80486DX , 80486SX , Pentium, Pentium
MMX , Pentium Pro, Pentium Celeron บางรุ่น, Pentium III บางรุ่น
- ซีพียูของบรีษัท เอเอ็มดี ในรุ่น 286, 386SXL , 386DXL , 486DX , K5, K6, K6 - 2, K6 - 3
- ซีพียูของบริษัท ไซริกซ์ ในรุ่น 486SLC, 486DLC, 5X86, 6X86 ( M I ), 6X86MX , M II
- ซ๊พียูของบริษัท Centaur ในรุ่น Winchip C6, Winchip - 2, Winchip - 2A , Winchip - 3, Winchip - 4
- ซีพียูของบริษัท VIA ซึ่งได้เข้าซื้อกิจการของไซริกซ์และ Centaur ไว้เรียบร้อยแล้วในรุ่น Cyrix III (หรือชื่อที่ใช้เรียกในขั้นตอนการ
พัฒนาซีพียูคือ Joshus)อาจกล่าวได้ว่ามากกว่า 80% ของสถาปัตยกรรมซีพียูตั้งแต่อดีตถึงปัจจุบันจะถูกพัฒนามาในรูปแบบนี้ เนื่องจากมีต้นลงทุนการผลิตต่ำและสามารถใชงานร่วมกันได้กับเมนบอร์ดและอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่มีวางจำหน่ายอย่างแพร่หลายอยู่แล้ว บริษัทผู้ผลิตซีพียูก็ไม่ต้องทุ่มเงิน
ค้นคว้าวิจัยสร้างซีพียูรูปแบบใหม่ ๆ บริษัทผู้ผลิตเมนบอร์ด (แผงวงจรไฟฟ้าแผ่นใหญ๋ในเครื่องคอมพิวเตอร์ซึ่งใช้ติดต่อซีพียู, แรม,การ์ดเพิ่มขยายต่าง ๆ และเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ดิสก์ไดรฟ์ต่าง ๆ) และอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ใช้ในเครื่องคอมพิวเตอร์ก็ไม่ต้องใช้เงินจำนวนมหาศาลในการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างการผลิตเมนบอร์ดและอุปกรณ์เพื่อรองรับซีพียูแบบใหม่ ทางด้านผู้ใช้ก็สามารถอัพเกรดหรือเปลี่ยนไปใช้ซีพียรุ่นสูงกว่าได้โดยยังใช้เมนบอร์ดและอุปกรณ์ชุดเดิมเพื่อประหยัดค่าใช้จ่ายนับว่าเป็นผลดีด้วยกันทุกฝ่าย
2. ซีพียูที่บรรจุอยู่ในแพ็คเกจพลาสติกสีดำรูปร่างสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาดใหญ่
ซีพียูในสถาปัตยกรรมการผลิตแบบนี้จะมองเห็นได้ง่ายและชัดเจนกว่า เนื่องจากแพ็คเกจบรรจุพลาสติกสีดำที่ใช้ห่อหุ้มแผงวงจรอีเล็กทรอนิกส์ที่มีชิปซีพียูติดตั้งอยู่นั้น มีขนาดใหญ่มากหากเทียบกับอุปกรณ์อื่น ๆ บนเมนบอร์ด แผงวงจรอีเล็กทรอนิกส์มีลักษณะคล้าย ๆ กับการ์ดเพิ่มขยายต่าง ๆ แต่มีจำนวนชิปไอซีใหญ่ ๆ อยู่บนตัวมันเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น (โดยมากจะเป็นชิปไอซีหน่วยความจำแคชระดับสองและชิปไอซีที่มีตัวซีพียูอยู่ข้างในอีกชั่นหนึ่ง) ด้านล่างของแผงวงจรนี้ก็จะมีลักษณะเป็นขาสัญญาณเหมือนกับด้านล่างของการ์ดเพิ่มขยายต่าง ๆ เพื่อนำไปเสียบเข้ากับสล็อตติดตั้งซีพียูที่ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเรียกว่าสล็อตวัน (slot 1) บนตัวเมนบอร์ดซีพียูในรูปแบบนี้ส่วนใหญ่เป็นซีพียูรุ่นใหม่ ๆ ที่เพิ่งถูกผลิตออกมาโดยคาดหวังว่าสถาปัตยกรรมการผลิตแบบใหม่นี้จะช่วยเร่งประสิทธิภาพการทำงานของซีพียูให้สูงขึ้นกว่าซีพียูรุ่นเดิมๆแต่แน่นอนว่าต้นทุนการผลิตและการเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้ราคาของชิปซีพียูสูงมากขึ้นจนดูเหมือนว่าอนาคตของซีพียูแบบสล็อตวันนี้จะไม่สดใสเท่าใดนัก ซีพียูในรูปแบบนี้มีอยู่ไม่กี่รุ่นเท่านั้น ดังนี้
- ซีพียูของบริษัท อินเทลในรุ่น Pentium Celeron บางรุ่น, Pentium II , Pentium III บางรุ่น
- ซีพียูของบริษัท เอเอ็มดีในรุ่น K7 (Athlon)
ซ็อคเก็ตหรือสล็อตที่ใช้ติดตั้งซีพียู
แน่นอนเราจะนำซีพียูไปวางลอย ๆ อยู่บนเมนบอร์ดมันก็คงจะไม่สามารถทำงานได้ จำเป็นจะต้องมีส่วนรองรับหรือฐานที่จะทำการติดตั้งซีพียูทั้งแบบ Socket และแบบ Slot ลงไปโดยสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทตามชนิดของซีพียูดังนี้