โครงสร้างและหน้าที่ของ CPU

โครงสร้างภายในซีพียู

     ซีพียูจะทำงานตามคำสั่งที่ผู้ใช้ป้อนเข้าไป ซึ่งคำสั่งดังกล่าวจะถูกเก็บในหน่วย ความจำหลัก ดังนั้นซีพียูจะต้องทำงานดังต่อไปนี้

   - ดึงคำสั่งเข้ามา (fetch instruction) คือการที่ซีพียูอ่านคำสั่งมาจากหน่วยความจำหลักเข้ามาเก็บไว้ภายในตัวซีพียู

   - แปลความหมายของคำสั่ง (interpret instruction) คำสั่งจะถูกแปลความหมาย เพื่อจะได้ทราบว่า คำสั่งนั้นต้องการ

ให้ทำงานอย่างใด

   - ดึงข้อมูล (fetch data) การประมวลผลคำสั่งเครื่องหนึ่งคำสั่ง อาจจำเป็นต้องอ่านข้อมูลจากหน่วยความจำหลักหรืออุปกรณ์

ไอโอเข้ามาด้วย

   - ประมวลผลข้อมูล (process data) การประมวลผลคำสั่งอาจเกี่ยวข้องกับการทำงานทางคณิตศาสตร์หรือตรรกะ

   - การบันทึกข้อมูล (write data) ผลการประมวลผลข้อมูลอาจต้องการให้บันทึกผลลัพธ์ที่ได้ไว้ในหน่วยความจำหลักหรืออุปกรณ์ไอโอ

การจัดการของ Processor (Processor Organization)  

งานที่ Processor ต้องทำก็คือ

 1. Fetch Instructions : CPU จะต้องอ่านคำสั่งจากหน่วยความจำ

 2. Interpret Instructions : คำสั่งที่อ่านมาจะถูก decode หรือแปลว่าจะทำอะไร

 3. Fetch Data : อ่านข้อมูลจากหน่วยความจำ หรือ จาก I/O module เพื่อใช้ในการ execute คำสั่ง

 4. Process Data : ต้องการการทำงานของ ALU เช่น การทำบวกลบคูณหาร หรือการเปรียบเทียบทางลอจิกต่าง ๆ

 5. Write Data : ผลจากการ execute จะต้องบันทึกไว้ที่หน่วยความจำหรือ I/O modul

พิจารณารูปของ CPU และ System bus

     เราคงจำกันได้ว่า ส่วนประกอบหลักของ CPU คือ ALU, CU และ Register  โดย ALU จะทำงานด้านการประมวลผล CU ทำหน้าที่ควบคุมการเคลื่อนไหวของข้อมูล และคำสั่งทีจะเข้าหรือออก CPU นอกจากนี้ใน CPU ยังต้องการหน่วยความจำภายในสำหรับที่จะเก็บพักข้อมูลชั่วคราว จะเห็นว่า CPU จะเชื่อมต่อกับระบบภายนอกด้วย System Bus ต่าง ๆ และภายใน CPU เองก็จะติดต่อกันด้วย Internal CPU Bus เช่นกัน

    พิจารณารูปที่แสดงองค์ประกอบภายใน CPU เส้นทางการเคลื่อนย้ายข้อมูลและเส้นทางการควบคุมของลอจิกจะถูกกำหนดขึ้น รวมไปถึงส่วนที่เรียกว่า Internal CPU Bus ซึ่งจำเป็นสำหรับการ transfer ข้อมูลระหว่าง Register และ ALU  

   การจัดองค์ประกอบของรีจีสเตอร์ภายในซีพียู

การแบ่งกลุ่มรีจีสเตอร์อาจจะแบ่งได้หลายวิธี สำหรับในบทนี้จะแบ่งออกเป็นสองกลุ่มคือ

  1) รีจีสเตอร์ที่ผู้ใช้มองเห็นได้ รีจีสเตอร์ในกลุ่มนี้อนุญาตให้คำสั่งในโปรแกรมสามารถลดการอ้างอิงข้อมูลในหน่วยความจำหลัก

โดยนำรีจีสเตอร์มาใช้งานแทน

  2) รีจีสเตอร์สำหรับการควบคุมและรายงานสถานะการทำงาน รีจีสเตอร์ในกลุ่มนี้ถูกนำไปใช้โดยหน่วยควบคุม เพื่อควบคุมการทำงาน

ของซีพียู และถูกใช้โดยคำสั่งพิเศษของระบบปฏิบัติการในการควบคุมการประมวลผลของโปรแกรม

   รีจีสเตอร์ส่วนที่ผู้ใช้มองเห็น

    รีจีสเตอร์ส่วนที่ผู้ใช้สามารถมองเห็นได้นั้น หมายถึง รีจีสเตอร์ที่สามารถใช้คำสั่งภาษาเครื่องควบคุมและใช้งานได้ผ่านการประมวลผล

โดยซีพียู รีจีสเตอร์กลุ่มนี้แบ่งออกเป็นประเภทดังนี้

   - รีจีสเตอร์ใช้งานทั่วไป สามารถนำไปใช้งานได้หลายหน้าที่ตามที่ผู้พัฒนาโปรแกรมต้องการ แต่อาจมีรีจีสเตอร์บางตัวถูกกำหนด

ไว้ใช้งานกับเลขจำนวนจริงหรือเป็นตัวชี้ตำแหน่งในสแต๊ก ในบางกรณีรีจีสเตอร์ใช้งานทั่วไปสามารถนำไปใช้งานในการกำหนดที่อยู่

เช่น การอ้างอิงที่อยู่แบบรีจีสเตอร์ทางอ้อมหรือแบบดีสเพลชเมนต์ ตัวอย่าง รีจีสเตอร์ใช้งานทั่วไป ได้แก่ รีจีสเตอร์เก็บข้อมูลของซีพียู

8086 (AX, BX, CX, และ DX) เป็นต้น

   - รีจีสเตอร์สำหรับเก็บตำแหน่งที่อยู่ อาจเป็นรีจีสเตอร์สำหรับใช้งานทั่วไป หรือเป็นรีจีสเตอร์ที่กำหนดให้ใช้การอ้างอิงเกี่ยวกับตำแหน่ง

ที่อยู่โดยตรง ตัวอย่าง รีจีสเตอร์เหล่านี้ ได้แก่

   - ตัวชี้ตำแหน่งเซ็กเมนต์ (segment pointers) : ในเครื่องที่ใช้วิธีกำหนดตำแหน่งที่อยู่แบบเซ็กเมนต์ จะมีรีจีสเตอร์เซ็กเมนต์

(segment register) ในบางกรณีอาจมีการใช้รีจีสเตอร์มากกว่าหนึ่งตัว เช่น ตัวหนึ่งใช้สำหรับระบบปฏิบัติการและอีกหนึ่งใช้สำหรับ

โปรเซสที่กำลังถูกประมวลผล

   - ตัวชี้ตำแหน่งดรรชนี (index registers) : รีจีสเตอร์ในกลุ่มนี้ใช้สำหรับการกำหนดตำแหน่งที่อยู่แบบ indexed

addressing และอาจเป็นชนิด autoindexing ก็ได้

   - ตัวชี้ตำแหน่งในสแต็ก (stack pointer) : ถ้าคอมพิวเตอร์นั้นใช้ระบบ user-visible stack addressing

สแต็กที่นำมาใช้งานจะะเก็บอยู่ในหน่วยความจำและจะมีจีสเตอร์ตัวหนึ่งที่ใช้ในการชี้ตำแหน่งข้อมูลตัวบนสุดในสแต็กนั้น

วิธีการนี้ช่วยให้สามารถอ้างอิงตำแหน่งข้อมูลโดยนัยได้ นั่นคือการใช้คำสั่ง PUSH, POP และคำสั่งอื่น ๆ ที่เกี่ยวกับสแต็กก็ไม่มีความ

จำเป็นจะต้องบอกตำแหน่งตัวถูกกระทำที่เก็บอยู่ในสแต็กนั้น

   - รีจีสเตอร์สำหรับเก็บเงื่อนไขการทำงาน การเก็บเงื่อนไขการทำงานจะมีกลุ่มรีจีสเตอร์ที่ถูกกำหนดค่าขึ้นมาให้สอดคล้องกับผลการ

ประมวลผลของซีพียู เช่น การคำนวณทางคณิตศาสตร์ อาจทำให้ผลลัพธ์มีค่าเป็นจำนวนบวก จำนวนลบ เป็นศูนย์หรือ โอเวอร์โพลว์ก็ได้

กลุ่มบิตเหล่านี้ มักจะเรียกว่า "แฟล็ก” (Flags) ซึ่งจะแสดงไปพร้อม ๆ กับผลลัพธ์ที่คำนวณได้ และถูกเก็บไว้ในตำแหน่งที่

เก็บผลลัพธ์แล้ว บิตพิเศษกลุ่มนี้จะกำหนดค่าขึ้นมาให้สอดคล้องกับผลลัพธ์ที่ประมวลได้ เพื่อนำไปใช้ทดสอบค่าตามเงื่อนไขต่าง ๆ ที่ต้องการ

   รีจีสเตอร์ควบคุมและแสดงสถานะ

   เป็นกลุ่มรีจีสเตอร์ที่ส่วนใหญ่จะไม่ยินยอมให้ผู้ใช้มองเห็นบางส่วนอาจยินยอมให้ใช้คำสั่งเครื่องในการประมวลผลได้แต่ต้องกระทำในฐานะของระบบปฏิบัติการเท่านั้น ซีพียูแต่ละรุ่นจะมีการจัดองค์ประกอบของรีจีสเตอร์แตกต่างกัน

ส่วนใหญ่จะแบ่งรีจีสเตอร์สำหรับควบคุมและแสดงสถานะออกเป็นสี่ประเภทดังนี้

  - PC (Program counter) เป็นรีจีสเตอร์ที่เก็บที่อยู่ของคำสั่งที่จะถูกประมวลผลในลำดับต่อไป

  - IR (Instruction register) เป็นรีจีสเตอร์ที่เก็บคำสั่งเครื่องที่ถูกอ่านจากหน่วยความจำหลักเข้ามาเก็บ

  - MAR (Memory address register) ใช้เก็บตำแหน่งที่อยู่อ้างอิงในหน่วยความจำหลัก

  - MBR (Memory buffer register) ใช้เก็บข้อมูลขนาด 1 เวิร์ด ล่าสุดที่ถูกอ่านเข้ามาในซีพียูหรือ

ใช้เก็บข้อมูลเพื่อเตรียมบันทึกลงในหน่วยความจำหลัก

โดยทั่วไป ซีพียูจะปรับปรุงค่าในรีจีสเตอร์ PC ทันทีภายหลังจากที่ได้อ่านคำสั่งเข้ามา เพื่อให้รีจีสเตอร์ PC นี้ชี้ตำแหน่ง

คำสั่งที่จะถูกอ่านเข้ามาในลำดับต่อไปเสมอ คำสั่งประเภท branch หรือ skip ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าในรีจีสเตอร์

นี้ได้ คำสั่งที่ถูกอ่านเข้ามาจะถูกนำไปเก็บไว้ที่รีจีสเตอร์ IR ซึ่งจะถูกวิเคราะห์รหัสดำเนินงาน และตัวกำหนดค่าตัวถูกกระทำ

การออกแบบซีพียูจะต้องกล่าวถึงรีจีสเตอร์ตัวหนึ่ง หรือกลุ่มหนึ่งที่เรียกว่า Program status word (PSW)

ซึ่งใช้เก็บข้อมูลสถานะการทำงานของซีพียูดังต่อไปนี้

- Sign : ใช้เก็บบิตเครื่องหมายของผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจากการประมวลผลคำสั่งทางคณิตศาสตร์ครั้งล่าสุด

- Zero : บิตนี้จะมีค่าเป็น “1” ถ้าผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจากการประมวลผลคำสั่งทางคณิตศาสตร์ครั้งล่าสุดมีค่าเป็น “0”

- Carry : บิตนี้จะมีค่าเป็น “1” ถ้าผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจากการประมวลผลคำสั่งทางคณิตศาสตร์ครั้งล่าสุดเกิดการยืมเลขจาก

หลักที่สูงกว่า หรือมีการทดเลขบิตที่มีค่าเกินบิตสูงสุด

- Equal : บิตนี้จะมีค่าเป็น “1” ถ้าผลการเปรียบเทียบทางตรรกะมีค่าเท่ากัน

- Overflow : ใช้สำหรับบอกให้ทราบว่า ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจากการประมวลผลคำสั่งทางคณิตศาสตร์ครั้งล่าสุดเกิด overflow

- Interrupt enable/disable : ใช้ในการสั่งให้กระบวนการอินเทอร์รัพท์ทำงานหรือหยุดทำงาน

- Supervisor : ใช้ในการบอกสถานะ การทำงานของซีพียูว่า ในขณะนั้นมีสถานะเป็น user หรือ supervisor

คำสั่งเครื่องบางส่วนที่เป็นคำสั่งสงวน จะสามารถประมวลผลได้ และเนื้อที่หน่วยความจำบางส่วนจะสามารถอ้างอิงถึงได้ก็ต่อเมื่อซีพียูอยู่ในสถานะ supervisor เท่านั้น

   ตัวอย่างการจัดองค์ประกอบของรีจีสเตอร์ภายในซีพียู

   การจัดองค์ประกอบของรีจีสเตอร์จะขอยกตัวอย่างซีพียูของอินเทล ตระกูล 80XX ดังแสดงในภาพที่ 9.3 เป็นซีพียู 8086 การออกแบบองค์ประกอบของรีจีสเตอร์ โดยถือว่า รีจีสเตอร์ทุกตัวเป็นรีจีสเตอร์พิเศษ แม้ว่ารีจีสเตอร์บางตัวจะสามารถนำมาใช้เป็นรีจีสเตอร์ใช้งานทั่วไปได้ก็ตาม ซีพียู 8086 ประกอบด้วยรีจีสเตอร์สำหรับเก็บข้อมูลขนาด 16 บิต จำนวน 4 ตัว ซึ่งอาจจะใช้เพียง 8 บิตหรือใช้ทั้ง 16 บิต ผสมผสานกันก็ได้ รีจีสเตอร์สำหรับเก็บข้อมูลสามารถ

รูปแบบของคำสั่งและการบ่งตำแหน่งที่อยู

รหัสที่ใช้แทนอักขระ

   ตัวอักษร ตัวเลขและสัญลักษณ์ หรือที่เรียกว่าอักขระในไมโครคอมพิวเตอร์จะแทนด้วยรหัสไบนารี ทุกครั้งที่เรากดแป้นพิมพ์ เช่น ปุ่มอักษร A ระบบก็จะรับอักษร A เข้าไปและแปลงเป็นรหัสไบนารี (เข้ารหัส) 1 ไบต์ เป็นต้น ในตารางที่ 8.1 แสดงมาตรฐานการใช้รหัสไบนารีแทนอักขระที่นิยมแพร่หลายในระบบไมโครคอมพิวเตอร์เรียกว่ารหัส ASCII (อ่านว่า แอสกี้) ย่อมาจาก American Standard Code for Interchange จะใช้แทนทั้งสระ พยัญชนะ ตัวเลข สัญลักษณ์ ทั่วไป และอักษรที่ใช้ควบคุม เช่น LF คือ Line Feed หมายถึงให้เลื่อนไปบรรทัดถัดไป เป็นต้น

จากตารางที่ 8.1 จะสังเกตเห็นว่าอักษรหรือสัญลักษณ์ 1 ตัวแทนได้ด้วยไบนารี 7 บิต แต่เนื่องจากระบบไมโครคอมพิวเตอร์จะใช้ 8 บิต (หรือ 1 ไบต์) เป็นมาตรฐาน ทำให้บิตเหลืออีก 1 บิต เป็นบิตสูงสุด (หมายถึงบิตซ้ายมือสุด) ซึ่งเราอาจให้บิตนี้เป็น 0 หรือ 1 ก็ได้

รูปแบบคำสั่ง

   ไมโครโปรเซสเซอร์ไม่ว่าจะผลิตจากบริษัทไหนก็แล้วแต่ จะมีชุดคำสั่งประจำไมโคร-โปรเซสเซอร์เบอร์นั้น เช่น 8080 ของบริษัทอินเทลก็จะมีชุดคำสั่งเฉพาะของ 8080 ขณะที่ 6800 ของ โมโตโรลาก็จะมีชุดคำสั่งเฉพาะของ 6800 เป็นต้น คำสั่ง 8080 จะมาใช้กับ 6800 ไม่ได้และในทางกลับกัน คำสั่งของ 6800 จะใช้กับ 8080 ก็ไม่ได้ อย่างไรก็ดี ไม่ว่าจะเป็นคำสั่งของไมโครโปรเซสเซอร์เบอร์ใด พื้นฐานก็คือคำสั่งจะอยู่ในลักษณะไบนารี คำสั่งหนึ่งคำสั่งอาจประกอบด้วยไบต์เดียว สองไบต์ สามไบต์ หรือสี่ไบต์แล้วแต่กรณี ไบต์แรกของคำสั่งเรียกว่า โอเปอเรชันโค้ด (operation code)

องค์ประกอบของคำสั่งภาษาเครื่อง

   ภายในเครื่องคอมพิวเตอร์ คำสั่งแต่ละคำสั่งจะอยู่ในรูปกลุ่มของบิต คำสั่งจะถูกแบ่งออกเป็นเขตข้อมูลหลายส่วนซึ่งใช้แสดงแทนองค์ประกอบแต่ละส่วน

ชนิดของคำสั่ง

   คำสั่งในภาษาระดับสูง เช่น Pascal หรือ FORTRAN ตัวอย่างคำสั่ง เช่น

X = X + Y ประโยคนี้บอกให้คอมพิวเตอร์นำค่าของตัวแปร Y บวกกับค่าที่เก็บในตัวแปร X แล้วเก็บผลลัพธ์ไว้ที่ X นักศึกษาอาจจะสงสัยว่า คำสั่งเช่นนี้เมื่ออยู่ในรูปแบบคำสั่งคอมพิวเตอร์แล้วจะมีหน้าตาเป็นอย่างไร สมมุติว่าตัวแปร X และ Y อ้างอิงถึงข้อมูลที่ตำแหน่ง 513 และ 514 ตามลำดับ สมมติต่อไปว่าให้ใช้ชุดคำสั่งที่ง่ายต่อการทำความเข้าใจแล้ว ประโยคดังกล่าวจะถูกแปลเป็นคำสั่ง

ที่อยู่อ้างอิงในคำสั่งเครื่อง

   วิธีการหนึ่งที่นิยมใช้ในการอธิบายสถาปัตยกรรมของเครื่องคอมพิวเตอร์ คือ การอธิบายจำนวนของ “ที่อยู่อ้างอิง” ในคำสั่งเครื่องแต่ละคำสั่ง วิธีการนี้ได้รับความนิยมน้อยลงเมื่อการออกแบบซีพียูมีความสลับซับซ้อนมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ก็ยังคงเป็นวิธีการที่มีประโยชน์สำหรับการวิเคราะห์ความแตกต่างของซีพียู

คำสั่งเครื่องแต่ละคำสั่ง มีความจำเป็นต้องอ้างอิงที่อยู่เป็นจำนวนเท่าใด คำสั่งเกี่ยวกับคณิตศาสตร์และตรรกะ มักจะต้องการการอ้างอิงที่อยู่ของตัวถูกดำเนินการ (Operand) มากกว่าคำสั่งชนิดอื่น โดยทั่วไปคำสั่งในกลุ่มนี้จะเป็นคำสั่งประเภท unary (ต้องการตัวถูกดำเนินการเพียงตัวเดียว) หรือ binary (ต้องการตัวถูกดำเนินการสองตัว) ดังนั้นจึงต้องการอ้างอิงถึงที่อยู่ของตัวถูกดำเนินการสูงสุดสองตัว ผลลัพธ์ที่ได้จากการคำนวณจะต้องถูกนำไปเก็บไว้ในหน่วยความจำ จึงอาจต้องการอ้างอิงที่อยู่แห่งที่สามในแต่ละคำสั่งนั้น ประการสุดท้ายเมื่อการประมวลผลคำสั่งนั้นสิ้นสุดลง ก็มีความจำเป็นจะต้องอ้างอิงที่อยู่ของคำสั่งในลำดับต่อไป

   ด้วยเหตุผลดังกล่าว ทำให้น่าเชื่อว่าคำสั่งแต่ละคำสั่งจะต้องการการอ้างอิงที่อยู่สี่แห่งด้วยกัน(ที่อยู่สำหรับตัวถูกดำเนินการสองตัว ที่อยู่สำหรับเก็บผลลัพธ์ และที่อยู่สำหรับคำสั่งต่อไป) ในทางปฏิบัติแทบจะไม่มีคอมพิวเตอร์เครื่องใดที่มีการอ้างอิงที่อยู่มากถึงสี่แห่ง คำสั่งส่วนใหญ่จะอ้างอิงที่อยู่จำนวนระหว่างหนึ่งถึงสามที่อยู่ต่อคำสั่ง และนำที่อยู่ของคำสั่งต่อไปใส่ไว้ในรีจิสเตอร์แยกต่างหาก (เรียกว่า Program counter) ซึ่งแยกออกจากรีจิสเตอร์ที่ใช้ในคำสั่งเครื่อง

ชนิดของตัวถูกดำเนินการ

คำสั่งเครื่องทำงานกับข้อมูลซึ่งสามารถแบ่งออกตามชนิดหรือประเภทได้ดังนี้

- ตำแหน่งที่อยู่ (address)

- ตัวเลข (Number)

- ตัวอักษร (Character)

- ข้อมูลตรรกะ (Logical data)

   อันที่จริงตำแหน่งที่อยู่ก็เป็นข้อมูลชนิดหนึ่ง ในหลายกรณีมีการคำนวณเกิดขึ้นกับตัวถูกกระทำที่ถูกอ้างอิงในคำสั่งเครื่อง เพื่อกำหนดตำแหน่งที่อยู่ในหน่วยความจำหลัก หรือในหน่วยความจำเสมือน ในกรณีเช่นนี้ ตำแหน่งที่อยู่จะถูกคำนวณในลักษณะเดียวกันกับเลขแบบไม่มีเครื่องหมาย

ข้อมูลชนิดอื่นได้แก่ ตัวเลข ตัวอักษร และข้อมูลตรรกะ ซึ่งจะอธิบายถึงรายละเอียดในลำดับต่อไป นอกจากนี้แล้ว คอมพิวเตอร์บางเครื่องยังได้กำหนดข้อมูลหรือโครงสร้างข้อมูลชนิดพิเศษขึ้นใช้งาน เช่น ข้อมูลชนิดที่สามารถทำงานกับตัวถูกกระทำที่เป็นกลุ่มตัวอักษร (string) ได้โดยตรง

ข้อมูลตัวเลข

   ภาษาเครื่องทุกชนิดจะมีข้อมูลชนิดตัวเลขไว้ใช้งาน แม้กระทั่งงานที่ไม่เกี่ยวข้องกับตัวเลขก็ยังมีความจำเป็นจะต้องใช้ตัวเลขมาช่วยในการนับ บอกความกว้างหรือขนาดของข้อมูล และอื่น ๆ ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวเลขที่ใช้ในทางคณิตศาสตร์ทั่วไป กับตัวเลขที่เก็บอยู่ในเครื่องคอมพิวเตอร์คือ ตัวเลขคอมพิวเตอร์มีขนาดที่จำกัดเนื่องจากเหตุผลสองประการคือ ประการแรก ตัวเลขที่เก็บอยู่ในคอมพิวเตอร์นั้นถูกจำกัดขนาดด้วยรูปแบบที่ใช้อยู่ในเครื่องนั้น ประการที่สอง ในกรณีของเลขจำนวนจริงก็ถูกจำกัดขนาดด้วยระดับความเที่ยงตรงที่ต้องการนักพัฒนาโปรแกรมจึงต้องทำความเข้าใจในผลที่เกิดขึ้นจากการปัดเศษ การ overflow และการ underflow

ข้อมูลชนิดตัวเลขมักจะแบ่งออกเป็นสามชนิด คือ

- เลขจำนวนเต็ม (Integer of fixed point)

- เลขจำนวนจริง (Floating point)

- เลขฐานสิบ (Decimal point)

   โดยธรรมชาติแล้วการทำงานภายในเครื่องคอมพิวเตอร์นั้นใช้เลขฐานทั้งหมด แต่ส่วนที่ต้องติดต่อกับผู้ใช้ที่เป็นมนุษย์นั้นจะจำเป็นจะต้องใช้เลขฐานสิบ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นที่จะต้อง

ข้อมูลตัวอักษร

   รูปแบบข้อมูลที่ใช้งานทั่วไปคือตัวอักษร (text) หรือข้อความ (character string) ข้อมูลที่เป็นข้อความนั้น เป็นรูปแบบที่สะดวกสบายต่อคน แต่ในเวลาเดียวกันก็เป็นรูปแบบที่ไม่สามารถเก็บไว้ในคอมพิวเตอร์ หรือนำไปประมวลผลได้โดยง่าย เนื่องจากระบบดังกล่าวถูกออกแบบมาให้ทำงานกับเลขฐานสองเท่านั้น ดังนั้นจึงได้มีการประดิษฐ์รหัสสำหรับการเก็บข้อมูลตัวอักษรไว้ในคอมพิวเตอร์ รหัสแบบแรกที่ได้รับการออกแบบนำมาใช้งานคือ รหัสมอส (Morse code) ในปัจจุบันโค้ดรหัสที่ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเรียกว่า International Reference Alphabet (IRA) ซึ่งมีชื่อเรียกในประเทศสหรัฐอเมริกาว่า รหัสแอสกี้ (ASCII) ดังแสดงตัวอย่างในตาราง 8.1 รหัส IRA ได้รับความนิยมนำไปใช้งานทั่วโลก ตัวอักษรแต่ละตัวในรหัสนี้ถูกแทนด้วยเลขฐานสองจำนวน 7 บิต ทำให้สามารถกำหนดสัญลักษณ์ได้ 128 แบบ ซึ่งเป็นจำนวนที่มากเกินพอสำหรับตัวอักษรที่สามารถพิมพ์ออกทางเครื่องพิมพ์ได้ รหัสส่วนหนึ่งจึงถูกนำไปใช้เป็นหรัสควบคุม (control characters) รหัสควบคุมบางส่วนถูกนำมาใช้ในการควบคุมลักษณะการพิมพ์ในแบบต่าง ๆ ในขณะที่รหัสที่เหลือถูกนำไปใช้ในการสื่อสารข้อมูล รหัส IRA จะถูกเก็บและเรียกใช้เป็นข้อมูลขนาด 8 บิตต่อตัวอักษรเสมอ โดยบิตที่ 8

ข้อมูลตรรกะ

   โดยปกติข้อมูลแต่ละเวิร์ด หรือแต่ละหน่วยที่สามารถอ้างอิงได้ (เช่น ไบต์ halfword, และอื่น ๆ ) จะถือเสมือนหนึ่งว่าเป็นข้อมูลหน่วยเดียว แต่ในบางครั้งก็มีความจำเป็นจะต้องพิจารณาข้อมูลในแต่ละหน่วยนั้นครั้งละ 1 บิต ซึ่งจะมีค่าเป็น “0” หรือ “1” เมื่อข้อมูลถูกมองในลักษณะนี้เรียกว่าเป็นข้อมูลแบบตรรกะ

การมองข้อมูลครั้งละ 1 บิตมีประโยชน์สองประการ ประการแรก บางครั้งก็มีความจำเป็นจะต้องเก็บข้อมูลอาร์เรย์แบบบูลลีน หรือข้อมูลที่เป็นเลขฐานสองโดยตรง ซึ่งข้อมูลแต่ละตัวจะกินเนื้อที่เพียง 1 บิตเท่านั้น การเก็บข้อมูลแบบตรรกะจึงถูกนำมาใช้ในงานประเภทนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ประการที่สอง ในบางครั้งก็มีความจำเป็นจะต้องจัดการกับข้อมูลธรรมดาครั้งละ 1 บิต ตัวอย่างเช่น ในการทำงานกับเลขจำนวนจริงโดยใช้ซอฟต์แวร์ จะต้องมีการเลื่อนตำแหน่งบิตข้อมูลเกิดขึ้น หรือในการแปลงเลขจากรหัส IRC เป็นรหัส BCD ก็ต้องอาศัยการเลื่อนบิตเช่นกัน

   สังเกตว่าจากตัวอย่างทั้งสองที่ยกมานั้น ข้อมูลเดียวกันบางครั้งจะต้องอยู่ในรูปแบบตรรกะ บางครั้งก็อยู่ในรูปแบบของตัวเลข หรือตัวอักษร ชนิดของข้อมูลของหน่วยข้อมูลใด ๆ จะถูกกำหนดโดยชนิดของการกระทำที่เกิดขึ้นกับข้อมูลหน่วยนั้น ซึ่งจะไม่เกิดขึ้นในการทำงานของคำสั่งภาษาคอมพิวเตอร์ระดับสูง

การบ่งตำแหน่งที่อยู่

   เมื่อ ซีพียู จะทำงานตามคำสั่ง ที่เขียนไว้ในหน่วยความจำ จะต้องนำคำสั่งจากหน่วยความจำถ่ายลงสู่ ซีพียูแล้วจึงจะประมวลผลตามวัฏจักรดังได้กล่าวมาแล้ว แต่ละคำสั่งจะมี ออปโค้ด เป็นไบต์แรก แล้วตามด้วยข้อมูลหรือตำแหน่งข้อมูลในไบต์ที่สองและสาม เมื่อซีพียู แปลรหัสออปโค้ดแล้วจะทราบว่า จะต้องไปนำข้อมูลจากที่ใดมาปฏิบัติต่อ เพื่อให้คำสั่งนั้นแล้วเสร็จ ในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงวิธีต่าง ๆ ที่ซีพียูไปนำข้อมูลมาจากหน่วยความจำวิธีดังกล่าวนี้เรียกว่า การแบ่งตำแหน่งที่อยู่หรือ แอดเดรสซิงโหมด (Addressing mode)

การบ่งตำแหน่งทันที

   การบ่งตำแหน่งทันที (immediate mode) เป็น รูปแบบของการบ่งตำแหน่งที่ง่ายที่สุดคือ ตัวถูกกระทำจะปรากฏอยู่ ในคำสั่งนั้น หรือค่าของตัวถูกกระทำปรากฏอยู่กับคำสั่ง หรือค่าของตัวถูกกระทำจะเขียนตามหลังคำสั่งตำแหน่งที่ติดต่อกัน ซึ่งหมายความว่า เราสามารถที่จะดึงตัวถูกกระทำจากหน่วยความจำได้ ในเวลาเดียวกันกับที่ดึงคำสั่ง (Instruction fetch) ขึ้นมาทำงาน ดังนั้นจึงประหยัดวงรอบของการของการอ้างอิงหน่วยความจำไปได้หนึ่งรอบ ข้อด้อยวิธีการนี้คือ ขนาด ตัวเลขถูกจำกัดโดยขนาดของฟิลด์ที่อยู่ (Address field ) ซึ่งในคำสั่งส่วนใหญ่มักจะ มีขนาดเล็ก (เช่น20 บิต) เมื่อเทียบกับข้อมูล ขนาดหนึ่ง เวิร์ด (ปกติยาว 32 บิต)

การบ่งตำแหน่งโดยตรง

   รูปแบบที่จัดว่าง่ายอีกวิธีหนึ่งคือ การบ่งตำแหน่งโดยตรง (direct addressing) ซึ่งเขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่จะบรรจุตำแหน่งจริงของตัวถูกกระทำเอาไว้ดังนี้

EA (Effective Address) = A

วิธีการนี้ได้รับความนิยมในการใช้งานกับคอมพิวเตอร์รุ่นแรก ๆ แต่ไม่เป็นที่นิยมใช้ในปัจจุบัน การประมวลผลจะต้องใช้วงรอบการอ้างอิงหน่วยความจำเพิ่มขึ้นอีกหนึ่งรอบ โดยที่ไม่ต้องมีการคำนวณเพิ่มเติม ข้อด้อยประการสำคัญคือ ขอบเขตที่จำกัดในการอ้างอิงตำแหน่งข้อมูลในหน่วยความจำ

การบ่งตำแหน่งทางอ้อม

   เนื่องจากวิธีการอ้างอิงโดยตรงนั้น ความยาวของเขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่มักจะมีขนาดสั้นกว่าความยาวของหนึ่งเวิร์ดจึงทำให้ขอบเขตในการอ้างอิงข้อมูลลดลง การแก้ปัญหานี้ทำได้โดยการใช้ขอบเขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่ในการอ้างอิงถึงตำแหน่งเวิร์ดในหน่วยความจำที่เก็บตำแหน่งที่แท้จริงของข้อมูลเอาไว้ วิธีการนี้เรียกว่า การอ้างอิงทางอ้อม (indirect addressing) มีรูปแบบดังนี้

EA = (A)

เครื่องหมายวงเล็บในที่นี้ใช้ในความหมายว่า “ค่าที่เก็บอยู่ในตำแหน่งที่อ้างถึงโดย A (เขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่ในคำสั่ง)” ข้อดีของวิธีการนี้คือ ถ้าเวิร์ดในหน่วยความจำมีขนาด N บิต จะทำให้ผู้ใช้สามารถอ้างอิงข้อมูลได้มากถึง 2N เวิร์ด ข้อเสียคือ คำสั่งประเภทนี้จะต้องอ้างอิงหน่วยความจำเพิ่มขึ้นอีก 2 วงรอบ จึงจะสามารถอ่านค่าตัวถูกกระทำและประมวลผลได้ นั่นคือหนึ่งวงรอบสำหรับอ่านเวิร์ดที่อ้างอิงถึงโดย A และอีกหนึ่งวงรอบสำหรับอ่านค่าข้อมูลที่แท้จริงที่เก็บอยู่ในตำแหน่งเวิร์ดที่ถูกระบุโดย A นั้น

การบ่งตำแหน่งผ่านรีจีสเตอร์

   การอ้างอิงผ่านรีจีสเตอร์โดยตรง (register addressing) มีความคล้ายคลึงกับการอ้างอิงโดยตรง สิ่งที่แตกต่างกันก็คือ เขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่ในคำสั่งเครื่องจะบรรจุหมายเลขของ รีจีสเตอร์ที่อ้างอิง แทนการกำหนดตำแหน่งที่อยู่ในหน่วยความจำ

EA = R

โดยปกติเขตข้อมูลตำแหน่งที่อยู่ที่กำหนดหมายเลขของรีจีสเตอร์นั้น จะมีขนาดระหว่าง 3 ถึง 5 บิต ทำให้สามารถอ้างอิงรีจีสเตอร์ได้ตั้งแต่ 8 ถึง 32 ตัว

ข้อได้เปรียบของการอ้างอิงรีจีสเตอร์โดยตรงได้แก่ (1) คำสั่งเครื่องต้องการพื้นที่ขนาดเล็กมากสำหรับการอ้างอิงหมายเลขรีจีสเตอร์ และ (2) ไม่ต้องเสียเวลาในการอ้างอิงหน่วยความจำเพื่ออ่านข้อมูลตัวถูกกระทำ เวลาที่ใช้ในการอ้างอิงข้อมูลในรีจีสเตอร์ที่เก็บอยู่ภายในตัวซีพียูนั้น น้อยกว่าเวลาที่ใช้อ้างอิงข้อมูลในหน่วยความจำมาก อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของวิธีการนี้คือมีพื้นที่สำหรับเก็บข้อมูลขนาดจำกัดมาก

หลักการคำนวนทางคณิตศาสตร์

    การคำนวณในระบบคอมพิวเตอร์ จะรับข้อมูลจากผู้ใช้ระบบผ่านทาง Input Device เข้ามา ทำการประมวลผล (Process) เช่น การบวก การลบ การคูณ การหาร เปรียบเทียบ เสร็จแล้วนำผลที่ได้ออกแสดงผล (Output)ดังรูป

       ทั้งนี้ ถ้า Input ที่นำเข้าสู่ระบบคอมพิวเตอร์เป็นภาษาระดับสูง  หรือภาษาคอมพิวเตอร์ คอมพิวเตอร์ไม่สามารถเข้าใจได้ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นต้องแปลงข้อมูลเหล่านั้นให้เป็นภาษาที่เครื่องคอมพิวเตอร์เข้าใจ  แล้วจึงนำไปประมวลผลตามคำสั่งในการคำนวณเลขทางคณิตศาสตร์ หรือในระบบคอมพิวเตอร์ จะทำการคำนวณได้เมื่อนิพจน์ต่างๆ ที่นำมาคำนวณต้องอยู่ในระบบฐานเดียวกันเสมอ ถ้าในกรณีนิพจน์ไม่อยู่ในฐานเดียวกันต้องแปลงให้นิพจน์นั้นๆอยู่ในเลขฐานเดียวกันก่อน

หลักการคำนวณในระบบคอมพิวเตอร์

การคำนวณในระบบคอมพิวเตอร์เครื่องคอมพิวเตอร์จะเรียงอันดับความสำคัญของเครื่องหมาย (Operator) ต่างๆ ก่อนว่าเครื่องหมายใดควรถูกกระทำก่อน – หลัง ซึ่งสามารถเรียงอันดับเครื่องหมายที่มีความสำคัญจากมากไปหาเครื่องหมายที่มีความสำคัญน้อย ดังนี้

ลำดับความสำคัญ	เครื่องหมาย	การคำนวณ	หลักการให้ความสำคัญ
1. 2. 3.	^   หรือ  *   *      *      /      +      -	ยกกำลัง คูณ หาร บวก ลบ	มีความสำคัญมากที่สุด เครื่องหมายใดมาก่อนถูกประมวลผลก่อน   เช่น 4 / 2 * 3 = (4/2) * 3 = 2 x 3 = 6 เครื่องหมายใดมาก่อนถูกประมวลผลก่อน   เช่น 8 – 2 + 3 = (8 - 2) + 3 = 6+3 = 9

ข้อสังเกต  หลักการคำนวณในระบบคอมพิวเตอร์

    1. ถ้านิพจน์ใดมีวงเล็บให้สนใจทำการคำนวณเลขที่อยู่ในวงเล็บเป็นอันดับแรก

   2. เครื่องหมาย ^ (ยกกำลัง)  จะถูกประมวลผลก่อนเครื่องหมายอื่นๆ  เสมอ  เพราะมีความสำคัญมากที่สุด  ยกเว้นเครื่องหมายวงเล็บ

   3. เครื่องหมาย  *  กับ  /  มีระดับความสำคัญเท่ากัน  ดังนั้น  เครื่องหมายที่มาก่อน  (เครื่องหมายที่อยู่ทางซ้ายมือสุด)  จะถูกประมวลผลก่อน 

   4. เครื่องมาย  +  กับ  -  มีระดับความสำคัญเท่ากัน  ดังนั้นระดับการประมวลผลจึงถูกประมวลผลเครื่องมือที่ทางด้านซ้ายสุดเป็นอันดับแรก

การบวกเลขฐานสอง

การบวกเลขฐานสอง หรือเลขไบนารี คล้ายกับการบวกเลขฐานสิบที่เราคุ้นเคย แต่การบวกเลขฐานสองนั้นง่ายกว่า เพราะมีเพียง 4 กรณี เท่านั้นที่จะต้องจำ คือ

  0 + 0 = 0

  0 + 1 = 1

  1 + 0 = 1

   1 + 1 = 10

    การอธิบายและเขียนเลขฐานต่าง ๆ 4 อย่าง คือ เลขฐานสอง เลขฐานสิบ เลขฐานแปด และเลขฐานสิบหก ตัวเลขบางจำนวนอาจทำให้สับสน เช่น 10 อาจเป็นเลขฐานใดก็ได้ใน 4 อย่างที่กล่าวมา ดังนั้นเพื่อให้เกิดความแตกต่างจึงต้องใช้ ตัวห้อย (subscripts) เป็นตัวเลขแทนเลขฐานนั้น ๆ ดังนี้

 2 แทน เลขฐานสอง

 8 แทน เลขฐานแปด

 10 แทน เลขฐานสิบ

 16 แทน เลขฐานสิบหก

 การบวกเลขฐานสองหลายบิต

การบวกเลขฐานสองหลายบิต จะต้องนำตัวตั้ง และตัวบวกมาตั้งให้บิตขวาสุดของแต่จำนวนตรงกัน ดังแสดงในตัวอย่าง

1 1 1 0 0

+ 1 1 0 0 1

?

เริ่มต้นบวกที่คอลัมน์ขวาสุด

1 1 1 0 0

+ 1 1 0 0 1

1

ต่อไปบวกคู่บิต ในคอลัมน์ที่ 2 และคอลัมน์ที่ 3

1 1 1 0 0

+ 1 1 0 0 1

1 0 1

ต่อไปบวกคู่บิต ในคอลัมน์ที่ 4 คือ 1 + 1 = 10 ใส่ 0 มีตัวทด 1 ให้วางตัวทดในตำแหน่งถัดไปที่สูงขึ้น

ตัวทด → 1

1 1 1 0 0

+ 1 1 0 0 1

0 1 0 1

ในคอลัมน์สุดท้ายจะต้องบวกกัน 3 บิต (รวมตัวทด) คือ 1 + 1 + 1 = 10 + 1 = 11

ตัวทด → 1

1 1 1 0 0

+ 1 1 0 1 0

1 1 0 1 0 1

  การลบเลขฐานสอง

มีกฎพื้นฐานอยู่ 4 อย่าง สำหรับการลบเลขฐานสอง ดังนี้

0 – 0 = 0

0 – 0 = 1

1 – 1 = 0

10 – 1 = 1

รลบเลขฐานสองที่มีหลายบิต จะทำเช่นเดียวกับการบวก คือ จะเริ่มลบจากคอลัมน์ หรือบิตทางขวาก่อน (LSB) ไปจนถึงคอลัมน์ซ้ายสุด (MSB) ดังตัวอย่างต่อไปนี้

101 0 1

– 1 0 0 1 1

?

มลบจากคอลัมน์ขวาสุด (LSB)

1 0 0 1

– 1 0 0 1 1

0

  เลขฐานสองแบบไม่มีเครื่องหมาย

    บางครั้งข้อมูลที่เป็นจำนวนค่าตัวเลข จะคำนึงถึงเฉพาะขนาด หรือแมกนิจูด (magnitude) อย่างเดียว จะไม่สนใจเครื่องหมายบวก ( + ) หรือลบ ( – ) ตัวอย่างเช่น เลขฐานสองขนาด 8 บิต จะมีขนาด ตั้งแต่น้อยที่สุด คือ 0000 0000 ไปจนถึงขนาดมากที่สุดคือ 1111 1111 หรือถ้าเป็นเลขฐานสิบหก จะเริ่มตั้งแต่ 00H ถึง FFH และถ้าเป็นเลขฐานสิบ ก็คือ 0 ถึง 255

จำนวนที่แสดงเฉพาะขนาด เราเรียกว่า จำนวนแบบไม่มีเครื่องหมาย ถ้าเป็นเลขฐานสอง ก็จะเป็นเลขฐานแบบไม่มีเครื่องหมาย บิตทุกบิตบนจำนวนนั้นจะเป็นค่าน้ำหนัก ซึ่งเทียบได้กับเลขฐานสิบทุกบิต แต่เราก็สามารถที่จะทำการบวกหรือลบได้ตามปกติในไมโครคอมพิวเตอร์ยุคแรกจะสามารถประมวลผลได้ครั้งละ 8 บิต ดังนั้นขนาดของผลลัพธ์ที่ได้ก็จะต้องอยู่ระหว่าง 0 ถึง 255 แต่ถ้าต้องการขนาดที่มากกว่า 255 จะต้องใช้เลขฐานสองขนาด 16 บิต ซึ่งหมายถึงการประมวลผลต้องทำ 2 ครั้ง คือ ทำ 8 บิตต่ำ (lower byte) ก่อนแล้วไปทำ 8 บิตสูง (upper byte) การบวกเลขฐานสองขนาด 8 บิต ถ้าผลบวกมีค่ามากกว่า 255 เราเรียกว่า โอเวอร์โฟลว์ (overflow) ซึ่งจะเกิดตัวทดในคอลัมน์ที่ 9 ในระบบไมโครโปรเซสเซอร์จะมีวงจรที่จะแจ้งเตือนเรียกว่า แฟลกตัวทด (carry flag) เมื่อมีตัวทดเกิดขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้จะไม่ถูกต้อง

  เลขฐานสองที่มีเครื่องหมาย

    ในเลขฐานสิบที่มีเครื่องหมายติดลบ จะเขียนเครื่องหมายลบไว้ข้างหน้าของขนาดตัวเลข เช่น –1, –2, –3 เป็นต้น ส่วนเลขที่มีจำนวนบวก ถ้าจะเขียนเครื่องหมายบวกข้างหน้าขนาดตัวเลขก็ได้ เช่น +1, +2, +3 หรือ อาจไม่ต้องเขียนก็หมายถึงเลขจำนวนบวก ถ้าแปลงเลขฐานสิบให้เป็นเลขฐานสอง และมีเครื่องหมายติดลบด้วยก็ได้ –001, –010, –011 หรือถ้าเป็นจำนวนบวกก็จะได้ +001, +010, +011 แต่การนำข้อมูลเหล่านี้ไปประมวลผลในระบบดิจิตอลจะไม่สามารถประมวลผลได้ ระบบจะทำงานได้เฉพาะข้อมูลดิจิตอลที่เป็น 0 และ 1 เท่านั้น ดังนั้นเครื่องหมายบวก (+) จึงถูกกำหนดให้เป็นค่าลอจิก 0 และเครื่องหมายลบ (–) ถูกกำหนดให้เป็นค่าลอจิก 1 จึงทำให้ +001, +010 และ +011 ถูกเปลี่ยนเป็นรหัส 4 บิต ดังนี้ 0001, 0010 และ 0011 ส่วนจำนวนลบจะได้รหัส 4 บิต เช่นกัน คือ 1001, 1010 และ 1011

ตัวเลขดังกล่าวประกอบด้วยบิตเครื่องหมาย และตามด้วยกลุ่มบิตที่แสดงขนาดของตัวเลข เราจะเรียกข้อมูลที่มีรูปแบบดังกล่าวนี้ว่า เลขฐานสองชนิดบอกเครื่องหมาย – ขนาด หรือ Sign – magnitude ดังตัวอย่างข้อมูลที่ถูกเปลี่ยนให้เป็นเลขฐานสองชนิดบอกเครื่องหมาย ดังต่อไปนี้

+5 → 0000 0101

–5 → 1000 0101

+128 → 0000 0000 1000 0000

–128 → 1000 0000 1000 0000