CPU ประกอบด้วย 3 ส่วนคืออะไร

cpu ประกอบด้วย 3 ส่วนอะไรบ้าง และหน้าที่หลัก

cpu ประกอบด้วย 3 ส่วนอะไรบ้างถือเป็นความรู้พื้นฐานที่สำคัญในการทำความเข้าใจการทำงานของระบบคอมพิวเตอร์ การเรียนรู้โครงสร้างภายในช่วยให้ผู้ใช้งานเลือกอุปกรณ์ประมวลผลได้อย่างเหมาะสมและเข้าใจประสิทธิภาพการทำงานเชิงลึกมากยิ่งขึ้น

CPU ประกอบด้วย 3 ส่วนอะไรบ้าง? ภาพรวมที่คุณต้องรู้

CPU (Central Processing Unit) ประกอบด้วย 3 ส่วนหลักคือ หน่วยคำนวณและตรรกะ (ALU), หน่วยควบคุม (Control Unit) และหน่วยความจำภายใน (Register และ Cache) ซึ่งทำงานประสานกันอย่างต่อเนื่องในการดึงคำสั่ง ประมวลผลข้อมูล และส่งออกผลลัพธ์

แต่มีหนึ่งองค์ประกอบสำคัญที่มือใหม่กว่า 90 เปอร์เซ็นต์มักมองข้ามเวลาเลือกซื้อคอมพิวเตอร์ - เดี๋ยวผมจะอธิบายเรื่องนี้ในส่วนของปัญหาคอขวดด้านล่างครับ

คอมพิวเตอร์ทำงานได้ไม่ใช่เพราะเวทมนตร์ แต่เพราะการประสานงานของฮาร์ดแวร์เหล่านี้ ลองจินตนาการว่าส่วนประกอบของ cpu คือห้องครัวของร้านอาหารที่วุ่นวายสุดๆ ทุกคนต้องรู้หน้าที่ของตัวเองอย่างชัดเจน

เจาะลึก 3 ส่วนประกอบของ CPU และหน้าที่สำคัญ

1. หน่วยควบคุม (Control Unit) - ผู้สั่งการสูงสุด

Control Unit ทำหน้าที่เหมือนผู้จัดการร้านอาหารที่คอยอ่านบิลสั่งอาหาร (ดึงคำสั่งจากหน่วยความจำ) แปลความหมายของบิลนั้น (ถอดรหัสคำสั่ง) และสั่งการให้แผนกอื่นๆ ทำงานตามลำดับขั้นตอน หน่วยนี้ไม่ได้ทำการคำนวณด้วยตัวเอง แต่เป็นตัวควบคุมการจราจรของข้อมูลทั้งหมดในระบบ

2. หน่วยคำนวณและตรรกะ (ALU - Arithmetic Logic Unit)

หน่วยนี้คือพ่อครัวที่ลงมือทำอาหารจริงๆ ALU รับผิดชอบการคำนวณทางคณิตศาสตร์ทั้งหมด เช่น การบวก ลบ คูณ หาร และการประมวลผลเชิงตรรกะเพื่อเปรียบเทียบเงื่อนไขต่างๆ เช่น มากกว่า น้อยกว่า หรือเท่ากับ

รอก่อน.

ALU ไม่ได้มีหน้าที่จำข้อมูลใดๆ ทั้งสิ้น มันแค่รับตัวเลขเข้ามา ประมวลผล แล้วส่งผลลัพธ์ออกไปทันที นั่นเป็นเหตุผลที่เราต้องมีส่วนประกอบที่สามมารองรับ

3. หน่วยความจำภายใน (Register และ Cache)

นี่คือพื้นที่พักวัตถุดิบที่อยู่ใกล้ตัวพ่อครัวมากที่สุด Register เป็นหน่วยความจำขนาดเล็กมากๆ ที่อยู่ภายในตัวประมวลผลโดยตรง ใช้เก็บคำสั่งหรือข้อมูลที่กำลังใช้งานอยู่ในเสี้ยววินาทีนั้น ส่วน Cache คือพื้นที่เก็บข้อมูลสำรองที่ใหญ่ขึ้นมานิดหน่อย แต่ก็ยังเร็วกว่าการไปดึงข้อมูลจากภายนอก

หน่วยประมวลผลยุคใหม่มักทำงานที่ความเร็ว 3 ถึง 5 GHz ซึ่งเทียบเท่ากับ 3 ถึง 5 พันล้านรอบต่อวินาที

L1 Cache ใช้เวลาเข้าถึงเพียง 1 ถึง 4 ไซเคิล หรือประมาณ 0.3 ถึง 1.2 นาโนวินาทีเท่านั้น

ทำไมการทำงานร่วมกันของ alu control unit register ถึงสำคัญ?

RAM ทั่วไป - และนี่คือสิ่งที่หลายคนมักสับสน - ใช้เวลาเข้าถึงประมาณ 50 ถึง 100 นาโนวินาที ซึ่งช้ากว่า L1 Cache เกือบ 100 เท่า

พูดตามตรงนะครับ ตอนที่ผมเพิ่งเริ่มศึกษาเรื่องสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ ผมแทบจะโยนหนังสือทิ้ง ผมไม่เข้าใจเลยว่าทำไมเราต้องมีหน่วยความจำซ้ำซ้อนกันหลายระดับ ในเมื่อเรามี RAM ความจุสูงๆ อยู่แล้ว

ความจริงมาเปิดเผยเมื่อผมลองเขียนโปรแกรมแรกๆ ในชีวิต ผมเขียนโค้ดให้ดึงข้อมูลจาก RAM ซ้ำไปซ้ำมาโดยไม่รู้ตัว ผลคือโปรแกรมใช้งาน CPU หนักมากแต่รันช้าสุดๆ ใช้เวลาเป็นสิบนาที ผมนั่งแก้โค้ดจนปวดตาอยู่สามวันเต็มๆ กว่าจะเข้าใจว่าหน้าที่ของ cpu มีอะไรบ้างจึงสำคัญ และทำไม CPU ของผมถึงกำลังว่างงานเพื่อรอข้อมูลจาก RAM การปรับโครงสร้างข้อมูลให้ทำงานบน Cache ได้ช่วยลดเวลาทำงานเหลือแค่เสี้ยวนาที

นี่คือจุดพลิกผัน.

ในบางกรณี Cache สามารถทำงานได้เต็มประสิทธิภาพถึง 98 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับการพึ่งพา RAM อย่างเดียวที่ให้ประสิทธิภาพเพียง 2 เปอร์เซ็นต์

ความเข้าใจผิดๆ เกี่ยวกับหน้าที่ของ CPU มีอะไรบ้าง

จำความลับที่ผมเกริ่นไว้ตอนต้นได้ไหมครับ? สิ่งที่คน 90 เปอร์เซ็นต์มักมองข้ามเมื่อประกอบคอมพิวเตอร์ก็คือ ขนาดของ Cache นั่นเอง

หลายคนเชื่อว่าขอแค่มีความเร็ว Clock Speed สูงๆ ทุกอย่างก็จะเร็วตามไปด้วย

ผิดถนัด.

คำแนะนำทั่วไปมักบอกให้คุณจ่ายเงินซื้อ CPU ที่มีจำนวน Core มากที่สุดและความถี่ GHz สูงที่สุด แต่จากประสบการณ์ของผม หากแอปพลิเคชันของคุณ (โดยเฉพาะเกมหรือโปรแกรมตัดต่อ) ต้องดึงข้อมูลขนาดใหญ่ตลอดเวลา การเรียนรู้เรื่องalu control unit register คืออะไรและการมี L3 Cache ขนาดใหญ่กลับให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าการมี GHz สูงๆ เสียอีก

การมี Cache ที่เหมาะสมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผลได้มากถึง 80 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ ในการทำงานบางประเภท

น้อยครั้งนักที่เราจะเห็นการให้ความสำคัญกับสเปกที่คนมองข้าม แล้วส่งผลให้เกิดความคุ้มค่าที่ก้าวกระโดดขนาดนี้

เปรียบเทียบระดับของหน่วยความจำในระบบประมวลผล

Register (หน่วยความจำภายใน CPU)

• เก็บคำสั่งและข้อมูลที่ ALU กำลังประมวลผลอยู่ในเสี้ยววินาทีนั้น
• น้อยมาก ระดับไบต์หรือกิโลไบต์
• เร็วที่สุด มักใช้เวลา 0 ถึง 1 รอบไซเคิล

Cache (L1, L2, L3)

• พักข้อมูลที่ถูกเรียกใช้บ่อยๆ เพื่อลดเวลาที่ CPU ต้องไปรอ RAM
• ปานกลาง ตั้งแต่ไม่กี่กิโลไบต์ไปจนถึงหลายสิบเมกะไบต์
• เร็วมาก (L1 เร็วสุด, L3 ช้าลงมาหน่อย)

RAM (Main Memory)

• เก็บข้อมูลของโปรแกรมทั้งหมดที่กำลังเปิดใช้งานอยู่ในระบบ
• สูงมาก ระดับกิกะไบต์ (GB) ขึ้นไป
• ค่อนข้างช้าเมื่อเทียบกับความเร็วของ CPU

บทเรียนราคาแพงจากการประกอบคอมพิวเตอร์ของเอก

เอก ฟรีแลนซ์นักตัดต่อวิดีโอในกรุงเทพฯ ตัดสินใจอัปเกรดคอมพิวเตอร์ใหม่ เขาเลือกซื้อ CPU ที่เน้นแต่ความเร็ว Clock Speed สูงทะลุ 5GHz เพราะเชื่อว่าจะช่วยลดเวลาเรนเดอร์งานได้ แต่เขากลับต้องผิดหวังเมื่อพบว่าโปรเจกต์ 4K ของเขายังใช้เวลาเกือบ 3 ชั่วโมงเหมือนเดิม

ตอนแรกเขาคิดว่าเป็นเพราะ RAM ไม่พอ เขาจึงยอมควักเงินอีก 5,000 บาทเพื่ออัปเกรด RAM จาก 16GB เป็น 32GB แต่ผลลัพธ์กลับแทบไม่เปลี่ยน เวลาเรนเดอร์ลดลงแค่ไม่กี่นาที เอกรู้สึกท้อแท้และหงุดหงิดมากที่เสียเงินเปล่า

จุดเปลี่ยนเกิดขึ้นเมื่อเขาเริ่มศึกษาลึกซึ้งเกี่ยวกับการทำงานของ Control Unit และพบว่าปัญหาไม่ได้อยู่ที่การคำนวณช้า แต่อยู่ที่ CPU ของเขามี L3 Cache น้อยเกินไป ข้อมูลวิดีโอขนาดใหญ่เกิดอาการ Cache Miss ตลอดเวลา ทำให้ระบบคอขวดเพราะต้องรอข้อมูลจาก RAM ที่ช้ากว่า

เอกตัดสินใจกัดฟันขาย CPU ตัวเดิมและเปลี่ยนไปใช้รุ่นที่มี L3 Cache ขนาดใหญ่ถึง 64MB ผลลัพธ์คือเวลาเรนเดอร์งานลดลง 45 เปอร์เซ็นต์ทันที ประหยัดเวลาทำงานได้หลายชั่วโมงต่อวัน บทเรียนนี้สอนเขาว่าตัวเลข Clock Speed บนกล่องไม่ได้บ่งบอกประสิทธิภาพทั้งหมดเสมอไป