Transcript Introduction to Microprocessors

Introduction to Microprocessors

เคยมีผนู้ ิยามความหมาย Microprocessor คือ
“หน่วยที่ทาหน้าที่ควบคุม ในระบบของ Microcomputer,
เป็ นซิ ฟซิ ลิกอน ซึ่ งมีลกั ษณะเป็ นแผ่นบาง ขนาดเล็ก
ประกอบไปด้วยอุปกรณ์ทางตรรกพื้นฐาน สาหรับจดจา
ข้อมูล, กระทาการในการคานวณ และ ทางานตามคาสัง่
ต่าง ๆ ”
Introduction to Microprocessors
1
การประยุกต์ใช้งาน Microprocessors

คนทัว่ ไปจะคิดว่า Microprocessors จะมีอยูเ่ พียงในเครื่ องคอมพิวเตอร์
เท่านั้น แต่แท้ที่จริ งแล้ว Microprocessors ยังถูกนามาประยุกต์ใช้งานใน
เครื่ องใช้ต่าง ๆ มากมายรอบตัวเรา เช่น
•
•
•
•
•
•
เครื่ องคิดเลข
เครื่ องตอบรับโทรศัพท์
กล้อง VDO
เตาไมโครเวฟ
เครื่ องออกกาลังกาย
เครื่ องมือทางการแพทย์
Introduction to Microprocessors
2
Introduction to Microprocessors


ซึ่งที่กล่าวมานี้ จะเป็ นเพียง Microprocessor ที่ทางานในลักษณะเฉพาะ
ด้าน ซึ่งต่างจากเครื่ องคอมพิวเตอร์ ซึ่งสามารถนาไปใช้งานได้ในด้าน
ต่าง ๆ ซึ่งขึ้นอยูก่ บั โปรแกรมที่จะส่ งให้เครื่ องคอมพิวเตอร์ทางาน
จากอุปกรณ์ที่ยกตัวอย่างมานั้น ก่อนที่จะมีการนา Microprocessors เข้า
มาประยุกต์ใช้งาน อุปกรณ์เหล่านั้นก็สามารถทางานได้ในระดับหนึ่ง แต่
พอนา Microprocessors เข้ามาประยุกต์ใช้งาน อุปกรณ์เหล่านั้นก็ มี
ความสามารถในการทางานเพิ่มมากขึ้น
Introduction to Microprocessors
3
Microprocessors System

โดยทัว่ ไปแล้ว Block Diagram ของระบบ Computer มีลกั ษณะดังรู ป
Input
CPU
Register
Control
ALU
Output
Memory
Introduction to Microprocessors
4
Central Processing Unit (CPU)


จะเป็ นส่ วนที่ทาหน้าที่ควบคุมลาดับขั้นตอนการทางานตามคาสัง่ ต่าง ๆ
ที่รับเข้ามา โดยที่คาสัง่ เหล่านี้จะเก็บไว้ในหน่วยความจาของเครื่ อง ใน
ลักษณะของเลขฐาน 2
ส่ วนประกอบของ CPU จะประกอบไปด้วย
• Control Section : CU, DU, MMU, BIU
• Arithmetic and Logic Unit (ALU) / FPU
• Registers
Introduction to Microprocessors
5
หน้าที่ของ Control Section



ควบคุมการโอนย้ายข้อมูลต่าง ๆ ภายใน CPU รวมไปถึงการโอนย้าย
คาสัง่ จากหน่วยความจาเข้ามายัง CPU เพื่อที่จะทางานตามคาสัง่ นั้น ๆ
ทาการถอดรหัสคาสัง่ ที่อ่านเข้ามา เพื่อใช้กาหนดลาดับขั้นตอนการ
ทางานให้เป็ นไปตามคาสัง่ นั้น คาสัง่ ที่รับเข้ามาอาจจะเป็ น การโอนย้าย
ข้อมูล หรื อแปลงค่าข้อมูล โดยที่ในการแปลงค่าของข้อมูลนั้น จะกระทา
ในส่ วนย่อยของ CPU ที่เรี ยกว่า Arithmetic and Logic Unit (ALU)
ความเร็ วในการทางาน จะขึ้นอยูก่ บั สัญญาณนาฬิกา ที่ป้อนให้กบั ระบบ
Introduction to Microprocessors
6
ALU, Register


Arithmetic Logic Unit (ALU) จะเป็ นส่ วนที่ทาหน้าที่ กระทาในการ
กระทาทางคณิ ตศาสตร์พ้นื ฐาน เช่น การบวก, การลบ, การคูณ และการ
หาร การกระทาง ตรรกศาสตร์ เช่น การกระทา Complement , AND,
OR และ EX-OR
Register จะเป็ นหน่วยความจาขนาดเล็ก ที่ทาหน้าที่สาหรับพักข้อมูลที่
จะใช้ในการประมวลผล ซึ่ง Register บางตัวก็จะมีคุณลักษณะ พิเศษต่าง
ๆ กันออกไป แล้วแต่วา่ จะออกแบบให้ทาหน้าที่ในลักษณะใด
Introduction to Microprocessors
7
การทางานของคอมพิวเตอร์
การทางานต่าง ๆ ของคอมพิวเตอร์น้ นั โดยทัว่ ไปแล้วจะเป็ นลักษณะใน
การทางานพื้นฐานคือ การนาข้อมูลเข้า, การประมวลผลข้อมูล และการ
แสดงผลข้อมูล ซึ่งระยะเวลาที่ใช้ในการทาคาสัง่ แต่ละคาสัง่ นั้น จะมาก
หรื อน้อยขึ้นอยูก่ บั ความซับซ้อนของคาสัง่ นั้น ๆ
 Input unit จะทาหน้าที่ในการส่ งข้อมูลต่าง ๆ จากภายนอกเข้าสู่ CPU ซึ่ ง
อาจจะมาจากแหล่งต่าง ๆ
 Output unit เป็ นส่ วนที่ทาหน้าที่ในการแสดงผลลัพธ์ หลังจากการทางาน
ต่าง ๆ ภายใน CPU

Introduction to Microprocessors
8
Memory


Memory จะทาหน้าที่ในการเป็ นที่สาหรับเก็บหรื อพักข้อมูล
ข้อมูลที่เข้าสู่ CPU นั้น บางครั้งอาจจะนามาประมวลผลเลย หรื อเก็บไว้
ในหน่วยความจาก่อนแล้วจึงค่อยนามาประมวลผลในภายหลัง ในกรณี
ของการนาเอาข้อมูลออกก็เช่นกัน อาจจะนาข้อมูลที่ได้จากการ
ประมวลผล ออกสู่อุปกรณ์ภายนอกเลย หรื ออาจจะนาไปเก็บไว้ใน
หน่วยความจาก่อน แล้วจึงนาข้อมูลออกในภายหลัง
Introduction to Microprocessors
9
Type of Memory


ROM (Read Only Memory) เป็ นหน่วยความจา ที่สามารถเก็บรักษา
ข้อมูลได้เป็ นเวลานานแม้ไม่มีกระแสไฟฟ้ าจ่ายให้กบั หน่วยความจา
หน่วยความจาชนิดนี้ จะถูกเขียนข้อมูลจากโรงงานที่ผลิต เมือ่ เขียน
ข้อมูลลงไปแล้วจะไม่สามารถเขียนข้อมูลใหม่ทบั ลงไปได้
RWM (Read Write Memory) เป็ นหน่วยความจา ที่ใช้สาหรับเป็ นที่เก็บ
สารองข้อมูลในการรับข้อมูลเข้า, ข้อมูลหลังจากการประมวลผล, ข้อมูล
ก่อนที่จะนาออกสู่อุปกรณ์ Output เช่น RAM
Introduction to Microprocessors
10
ROM
EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) คือ หน่วย
ความจา ROM ที่สามารถทาการเขียนข้อมูลลงไปใหม่ได้ จะใช้สาหรับ
ในการทดสอบโปรแกรมต่าง ๆ ที่ทาการพัฒนาขึ้น ถ้าเกิดความผิดพลาด
ของโปรแกรม ณ.ตาแหน่งใด ก็สามารถแก้ไขข้อมูลได้ โดยใช้แสง UV
(Ultra Violet) ในการลบ แล้วทาการเขียนข้อมูลลงไปใหม่
 EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) คือ
หน่วยความจา EPROM ที่สามารถทาการลบข้อมูลโดยใช้ ไฟฟ้ า แทนที่
จะใช้แสง UV (Ultra Violet)

Introduction to Microprocessors
11
เทคโนโลยีการผลิต Chip
SSI (Small Scale integration) จะเป็ นการผลิตที่รวมเอา จานวน
gate พื้นฐานไม่เกิน 12 gate รวมอยูใ่ น Chip เดียวกัน เช่น IC
TTL พื้นฐาน
 MSI (Medium Scale Integration) จะเป็ นการผลิตที่รวมเอา
จานวน gate พื้นฐานตั้งแต่ 13 - 99 gate รวมอยูใ่ น Chip เดียวกัน
เช่น IC จาพวก Counter, Decoder, Register, Adder และ
Comparators เป็ นต้น

Introduction to Microprocessors
12
เทคโนโลยีการผลิต Chip



LSI (Large Scale Integration) จะเป็ นการผลิตที่รวมเอา จานวน
gate ตั้งแต่ 100 gate หรื อมากกว่า รวมอยูใ่ น Chip เดียวกัน
เช่น CPU ขนาด 8 -16 Bits
VLSI (Very Large Scale Integration) จะเป็ นการผลิตที่รวมเอา
จานวน Transistor มากกว่า 1 ล้านตัวรวมอยูใ่ น Chip เดียวกัน
จานวน Transistor ของ 386 ~300K, 486 ~1M, PIII ~10M,
Super Computer ~1G
Introduction to Microprocessors
13
ระบบ Bussed ของ Microprocessors
System bus
Microprocessor
ROM
RWM
Input
Output
จาก Block Diagram ของระบบ Microprocessor แต่ละ Block ก็คือระบบ
ย่อยหรื อหน่วยของ Hardware โดยเชื่อมต่อกัน ผ่านทาง System Bus
 Bus คือกลุ่มของการเชื่ อมต่อซึ่ งเป็ นช่องทางในการโอนย้ายข้อมูล
ระหว่างระบบย่อยแต่ละระบบ และสัญญาณความคุมการทางานจาก
Microprocessor ที่ใช้ในการควบคุมระบบย่อยแต่ละระบบ

Introduction to Microprocessors
14
System bus
ระบบ BUS จะถูกแบ่งออกเป็ น
• Address Bus ใช้สญ
ั ญาณที่ใช้ในการระบุตาแหน่งของ หน่วยความจา
และ อุปกรณ์ หรื อ I/O ที่ตอ้ งการจะเข้าถึง
• Data Bus เป็ นช่องสัญญาณที่ใช้ ในการเป็ นทางผ่านของข้อมูล
• Control Bus เป็ นช่องสัญญาณ สาหรับการควบคุมจังหวะการทางาน
ของระบบย่อยต่าง ๆ เพื่อให้ทางานสัมพันธ์กนั
 ในระบบ Single - Chip Microprocessor (Microcontroller) จะรวมเอา
หน่วยความจา และ I/O Port ให้รวมอยูบ่ น Chip ตัวเดียวกัน

Introduction to Microprocessors
15
Programmable System

ในระบบ Microprocessors หรื อใน Chip ที่สร้างจากเทคโนโลยีที่ต่ากว่า
(SSI, MSI) การกาหนด Function การทางานนั้น ไม่ได้ข้ ึนอยูก่ บั
Hardware เพียงอย่างเดียว เช่น
• ในระบบ Microprocessors สามารถทาการเขียนโปรแกรม ให้มีการ
ทางานในลักษณะที่ต่างกันออกไปได้
• PLDs (Programmable Logic Devices) สามารถทาการโปรแกรมได้
ว่า จะให้ทางานตาม Function ทาง Logic Function ใด
Introduction to Microprocessors
16
การพัฒนาโปรแกรม

Program (Application Program) ที่จะใช้สงั่ ให้ Microprocessor ทางาน
จะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจา ในลักษณะของเลข ฐาน 2 ซึ่งอาจถูก
พัฒนาขึ้นได้ในลักษณะต่าง ๆ เช่น
• Machine Language ซึ่งจะเป็ นข้อมูลเลขฐาน 2
• Assembly Language จะเขียนโดยการใช้ Mnemonics Code ในการ
เขียน เช่น ADD, SUB, LD หรื อ JP เป็ นต้น จากนั้นจึงใช้ Software
ทาการแปลงให้เป็ น Machine Language อีกครั้งหนึ่ง
Introduction to Microprocessors
17
การพัฒนาโปรแกรม
• High Level Language ใน Microprocessor บางตัวสามารถทาการ
เขียนโปรแกรมโดยใช้ ภาษาระดับสูง แล้วจึงทาการใช้ตวั แปลภาษา
(Compilers) ทาการแปลงให้เป็ น Machine Language ภาษาระดับสูง
เช่น C , Pascal เป็ นต้น
• การเขียนโปรแกรมโดยใช้ High Level Language จะให้
ประสิ ทธิภาพการทางานต่ากว่า การเขียนด้วย Assembly Language
ประสิ ทิภาพนี้วดั จาก จานวนเนื้อที่ ที่ใช้ในหน่วยความจา และเวลาที่
ใช้ในการทางาน ประสิ ทธิภาพของโปรแกรมที่เขียนโดย High Level
Language จะต่ากว่าประมาณ 10 - 200%
Introduction to Microprocessors
18
CPU Architectures

CISC
• (Complex Instruction Set Computer)

RISC
• (Reduced Instruction Set Computer)

Micro processor through the age
from Stanford University
(http://velox.stanford.edu/group/chips_micropro.html)
Introduction to Microprocessors
19
Introduction to Microprocessors
20