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