E-Bookไมโครโพรเซสเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์

ชน้ิ สว่ นของไมโครโปรเซสเซอร์

ไมโครโปรเซสเซอรป์ ระกอบด้วยรีจสิ เตอร์, ชดุ ควบคุม, หน่วยคำนวณเชงิ ตรรกะ (ALU) และขึ้นอยู่กบั
ประเภทของไมโครโพรเซสเซอรท์ ี่สามารถมหี น่วยคำนวณจุดลอยตัวได้ ไมโครโปรเซสเซอร์เป็นองคป์ ระกอบ
พนื้ ฐานในการพฒั นาความสามารถของคอมพิวเตอร์

ววิ ฒั นาการของไมโครโปรเซสเซอร์

ปจั จุบันมีไมโครโปรเซสเซอร์หลากหลายประเภท ตวั อยา่ งแบรนดแ์ ละร่นุ ท่รี จู้ ักกันดีทส่ี ดุ ไดแ้ ก่ Intel
Pentium Pro จาก Intel, PowerPC 620 จาก IBM, Motorola และ Apple, UltraSPARC-II จาก Sun
Microsystems และ Alpha 21164A จาก Digital Equipment Corporation พวกเขาทัง้ หมดมี
ทรานซสิ เตอรม์ ากกวา่ ตวั ประมวลผลตัวแรกในหลกั การ เพลิดเพลินไปกับ 5.5; 7; 5.4; และ 9.3 ล้าน
ทรานซสิ เตอรต์ ามลำดับ

ในปี 1971 Intel เปดิ ตวั ไมโครโปรเซสเซอรเ์ ชิงพาณชิ ย์เคร่ืองแรกทรี่ ูจ้ กั กนั ในชอ่ื Intel4004 น่ีเป็น
คร้ังแรกท่มี ีการรวมตวั กันของทรานซสิ เตอร์อเิ ล็กทรอนกิ สห์ ลายพนั ลา้ นตวั บนชิปตวั แรกเป็น 4 บติ และ
สามารถทำงานได้ 60,000 ครั้งตอ่ วนิ าที

ในปีค. ศ. 1979 ร่นุ Intel8008 แบบ 8 บติ ทีส่ องปรากฏข้ึนเพอื่ จดั การการดำเนนิ การสูงถึง 200,000
การทำงานต่อวนิ าที

ลกั ษณะของไมโครโปรเซสเซอร์

ด้วยความกา้ วหน้าทางเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์ปจั จุบนั ไมโครโปรเซสเซอร์สามารถรับคำสัง่
ถอดรหัสได้คน้ หาโปรแกรมที่ใชง้ านรว่ มกันไดเ้ พ่อื ดำเนนิ การประมวลผลวิเคราะหข์ ้อมลู และแสดงผลลัพธ์ของ
กระบวนการนี้ภายใน 1 วนิ าทีหรือนอ้ ยกวา่

ไมโครโปรเซสเซอร์ใช้ตรรกะเดียวกบั ทีใ่ ช้โดยหนว่ ยประมวลผลกลาง (CPU) ของคอมพวิ เตอรด์ จิ ิทลั
พวกเขาทำงานโดยการดำเนนิ การทางตรรกะอย่างง่ายเช่นการเพิ่มการลบการคูณและการหาร

ไมโครโปรเซสเซอร์ของคอมพิวเตอร์เปน็ สมองของมนั เนื่องจากมนั เป็นหนา้ ท่ีของการประมวลผลและ
ดำเนินการฟังกช์ ันทจ่ี ำเปน็ สำหรับการดำเนนิ การของโปรแกรมที่อยู่ในนั้น

การเชือ่ มต่อของทรานซิสเตอร์อิเล็กทรอนิกสห์ ลายพนั หรอื หลายล้านไมไ่ ด้ทำแบบส่มุ เน่ืองจากเพื่อให้
สามารถติดต้งั ได้พวกเขาต้องการการเชื่อมตอ่ เฉพาะทอ่ี ย่บู นแผงวงจรหลักหรอื การ์ดซง่ึ รู้จักกนั ในชื่อซ็อกเก็ต
โปรเซสเซอร์ ติดต้งั ไว้กับบอร์ดและไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้

ฟงั ก์ช่ันของไมโครโปรเซสเซอร์

ส่วนประกอบอเิ ลก็ ทรอนิกสน์ ้รี ับผิดชอบการประมวลผลและดำเนนิ การตามคำแนะนำที่เขา้ รหสั ใน
เลขฐานสอง

ไมโครโปรเซสเซอรเ์ ปน็ ที่ร้จู กั กันทัว่ ไปว่าเป็นหนว่ ยประมวลผลกลาง (CPU) ของอุปกรณ์
อิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างกัน แตอ่ ปุ กรณ์อน่ื ๆ เช่นฮารด์ ไดรฟย์ งั มีโปรเซสเซอร์

ฟังกช์ น่ั ของไมโครโปรเซสเซอร์มคี วามสำคัญอย่างยิ่งในปัจจุบนั ซ่งึ ถือว่าเป็นองค์ประกอบทาง
อิเล็กทรอนิกส์ท่ีมอี ิทธิพลมากที่สดุ ในชีวิตมนุษย์

ในระดบั เศรษฐกจิ เปน็ ผลติ ภัณฑเ์ ชงิ พาณิชย์มากที่สุดทวั่ โลกและในระดับสังคมเป็นวตั ถุทใ่ี ชก้ ันอย่าง
แพรห่ ลายมีอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกสแ์ ละสว่ นประกอบทีห่ ลากหลายรวมถึงคอมพวิ เตอรโ์ ทรศัพท์มือถือ
สมาร์ทโฟนและแทบ็ เล็ต

สรปุ ภาพรวม

บรอดแบนด์มือถอื เครือ่ งยนต์หรอื มอื ถือเปน็ มนั เป็นทีร่ จู้ ักกันทัว่ ไปคือไมโครโปรเซสเซอร์ท่ตี ้งั ใจจะให้
เป็นไฮบรดิ ของตัวประมวลผลเดิมสกท์ ็อป (เชน่ Athlon 64และCore 2ครอบครวั ) และการประมวลผลทีม่ ี
ประสทิ ธภิ าพสงู ความเชย่ี วชาญมากขึน้ เชน่ NVIDIAและโปรเซสเซอรก์ ราฟิกATI ( GPU ) ชือ่ ทย่ี าวขึ้นแสดงถึง
จดุ ประสงคใ์ นการใชง้ าน กล่าวคอื เปน็ ส่วนประกอบในระบบการจัดจำหนา่ ยออนไลนใ์ นปัจจบุ นั และอนาคต
ดว้ ยเหตุนี้จงึ อาจนำไปใชใ้ นจอแสดงผลและอุปกรณ์บันทึกทีม่ ีความคมชัดสูง รวมทงั้ ระบบHDTVนอกจากน้ี
โปรเซสเซอรอ์ าจเหมาะกับการถา่ ยภาพดิจิตอล digitalระบบ (การแพทย์ วิทยาศาสตรฯ์ ลฯ ) และการจำลอง
ทางกายภาพ ( เชน่ แบบจำลองทางวทิ ยาศาสตร์และวิศวกรรมโครงสร้าง )

ในการวเิ คราะหอ์ ย่างงา่ ย ตวั ประมวลผลเซลลส์ ามารถแบ่งออกเป็นสอี่ งคป์ ระกอบ: โครงสร้างอินพตุ
และเอาต์พุตภายนอก โปรเซสเซอรห์ ลกั ท่เี รียกว่าPower Processing Element (PPE) ( แกนPowerPC 2.02
แบบมัลตเิ ธรดแบบ สองทางพร้อมกนั ) [23]แปดตัวเต็ม ตวั ประมวลผลรว่ มท่ีทำงานเรียกว่าSynergistic
Processing Elementsหรือ SPE และบัสขอ้ มูลวงกลมแบนด์วิดทส์ ูงพิเศษท่ีเช่ือมต่อ PPE องคป์ ระกอบ
อนิ พุต/เอาต์พุต และ SPE ทเ่ี รยี กวา่ Element Interconnect Busหรอื EIB

เพ่อื ให้ไดป้ ระสทิ ธิภาพสงู ท่จี ำเปน็ สำหรบั งานทีเ่ นน้ ทางคณิตศาสตร์ เชน่ การถอดรหัส/เขา้ รหัสสตรีม
MPEG การสรา้ งหรอื การแปลงข้อมูลสามมติ ิ หรือการวิเคราะหข์ ้อมูลแบบฟรู เิ ยร์โปรเซสเซอร์ของ Cell จะ
แตง่ งานกับ SPE และ PPE ผา่ น EIB เพอ่ื ให้เข้าถึงไดผ้ ่านแคช DMA ทีเ่ ชอื่ มโยงกันอย่างสมบรู ณ์(การเขา้ ถึง
หนว่ ยความจำโดยตรง)ไปยังทั้งหน่วยความจำหลักและการจดั เกบ็ ข้อมลู ภายนอกอน่ื ๆ จะทำใหด้ ีทีส่ ุดของ EIB
และคำนวณทบั ซ้อนและการถา่ ยโอนข้อมลู ของแตล่ ะองค์ประกอบการประมวลผลเก้า (PPE และ SPEs) เป็น
อปุ กรณ์ที่มเี คร่ืองยนต์ DMAเนือ่ งจากคำแนะนำในการโหลด/จดั เกบ็ ของ SPE สามารถเข้าถึงหน่วยความจำ
scratchpad ในเครอื่ งได้เท่านน้ั แต่ละ SPE ทั้งหมดขึน้ อยู่กบั DMA ในการถ่ายโอนข้อมูลเข้าและออกจาก
หน่วยความจำหลกั และหน่วยความจำภายในของ SPE อืน่ ๆ การดำเนนิ การ DMA สามารถถ่ายโอนพน้ื ท่บี ล็อก
เดยี วท่มี ีขนาดสูงสดุ 16KB หรอื รายการ 2 ถึง 2048 บลอ็ กดังกลา่ ว การตดั สินใจดา้ นการออกแบบที่สำคัญ
อยา่ งหนึง่ ในสถาปตั ยกรรมของเซลลค์ อื การใช้ DMA เป็นสื่อกลางในการถ่ายโอนข้อมูลภายในชิป โดยมี
วัตถุประสงคเ์ พื่อให้เกิดอะซงิ โครนสั สงู สุดและเกดิ พร้อมกนั ในการประมวลผลข้อมลู ภายในชิป

PPE ซ่งึ สามารถใช้ระบบปฏิบัตกิ ารทัว่ ไปได้ มีการควบคุม SPE และสามารถเริม่ หยุด ขัดจงั หวะ และ
กำหนดเวลากระบวนการที่ทำงานบน SPE ได้ ด้วยเหตุนี้ PPE จึงไดร้ บั คำแนะนำเพ่ิมเติมเก่ียวกับการควบคมุ
SPE PPE ต่างจาก SPEs ตรงท่ี PPE สามารถอ่านและเขยี นหน่วยความจำหลกั และหนว่ ยความจำภายในของ
SPE ผ่านคำแนะนำในการโหลด/จัดเก็บมาตรฐาน แม้จะมีสถาปัตยกรรมทวั ริงทีส่ มบรู ณ์แต่ SPE นั้นไม่ไดเ้ ปน็

อิสระอยา่ งสมบูรณ์และต้องการให้ PPE เปน็ เคร่ืองมือหลกั กอ่ นท่ีจะทำงานทีม่ ีประโยชน์ เนอื่ งจาก "แรงม้า"
ของระบบสว่ นใหญม่ าจากองคป์ ระกอบการประมวลผลแบบเสริมฤทธกิ์ นั การใช้DMA เนอื่ งจากวธิ ีการถา่ ย
โอนข้อมูลและหนว่ ยความจำภายในเคร่ืองทีจ่ ำกดั ของ SPE แตล่ ะเคร่ือง ทำใหเ้ กิดความทา้ ทายครง้ั สำคญั
สำหรับนักพัฒนาซอฟต์แวรท์ ี่ต้องการใช้แรงมา้ น้ีให้เกิดประโยชน์สงู สดุ โดยตอ้ งปรบั แตง่ โปรแกรมอย่าง
ระมัดระวงั เพ่ือดงึ ประสิทธภิ าพสูงสดุ จาก CPU นี้

สถาปัตยกรรม PPE และบสั ประกอบดว้ ยโหมดการทำงานต่างๆ ทใ่ี ห้การปกป้องหนว่ ยความจำใน
ระดบั ต่างๆทำให้พนื้ ทีข่ องหน่วยความจำได้รบั การปกป้องจากการเข้าถงึ โดยกระบวนการเฉพาะที่ทำงานบน
SPE หรือ PPE

ทง้ั PPE และ SPE เป็นสถาปัตยกรรมRISC ทม่ี รี ูปแบบคำส่ังแบบ 32 บติ ที่มีความกวา้ งคงท่ี PPE
ประกอบดว้ ยชดุ รีจสิ เตอรส์ ำหรับวตั ถุประสงค์ท่วั ไป 64 บิต(GPR) ชุดรจี ิสเตอรจ์ ุดทศนิยม 64 บิต (FPR) และ
ชดุ รจี ิสเตอร์Altivec 128 บิตSPE มกี ารลงทะเบียน 128 บติ เทา่ นน้ั สามารถใช้กับประเภทข้อมูลสเกลาร์ต้งั แต่
ขนาด 8 บิตถงึ 64 บติ หรอื สำหรับการคำนวณSIMDในรปู แบบจำนวนเตม็ และจุดลอยตัวท่หี ลากหลาย ทอ่ี ยู่
หน่วยความจำระบบสำหรับทั้ง PPE และ SPE จะแสดงเป็นคา่ 64 บิตสำหรบั ชว่ งที่อยู่ทางทฤษฎที ี่ 2 64ไบต์
(16 เอ็กซาไบต์หรอื 16,777,216 เทราไบต)์ ในทางปฏบิ ตั ิ บติ เหล่านีไ้ ม่ได้ถูกนำมาใช้ในฮารด์ แวร์ท้ังหมด ทอี่ ยู่
รา้ นคา้ ในพนื้ ท่ีภายในตวั ประมวลผล SPU (หนว่ ยประมวลผลการทำงานรว่ มกนั ) จะแสดงเปน็ คำแบบ 32 บิต
ในเอกสารทเี่ กี่ยวข้องกบั Cell คำหน่ึงๆ มักจะหมายถึง 32 บติ เสมอ, doubleword หมายถึง 64 บิต และ
quadword หมายถึง 128 บิต

Summary

ไมโครโพรเชสเซอร์เปน็ อุปกรณ์อเิ ลก็ ทรอนิกสช์ นดิ หนึ่งท่ีอยูใ่ นรูปแบบวงจรรวมหรอื ชปิ
ออกแบบมาเพ่ือทำหนา้ ทใี่ นการประมวลผลตามโปรแกรมคำสัง่ ที่ป้อนเขา้ มา ส่วนไมโครคอนโทรลเลอร์
เป็นอปุ กรณท์ ีน่ ำเอาไมโครโพรเซสเชอรม์ ารวมกบั หน่วยความจำและระบบอินพุตเอาต์พุตตา่ ง ๆ ท่ี
จำเปน็ เอาไว้ในตวั เดียวกัน เช่น พอรต์ อนุกรม ตัวจบั เวลา วงจรควบคมุ การขัดจงั หวะ ฯลฯ โดย
ไมโครคอนโทรลเลอรส์ ามารถทำงานได้ทันทีเมื่อป้อนไฟเลยี้ งและสัญญาณนาฬิกาใหร้ ะบบ ทำให้การ
ออกแบบวงจรงา่ ยข้ึนและมีขนาดเล็กลงเปน็ อย่างมาก สำหรับเนื้อหาในบทถัดไปได้อธิบายโครงสรา้ ง

อ้างอิง

1. อรรถเปน็ ข Gschwind ไมเคิล; ฮอฟสตี, เอช. ปเี ตอร์; แฟลกส์, ไบรอนั ; ฮอปกนิ ส์ มาร์ตนิ ; วาตานาเบะ, ยู
กิโอะ; ยามาซาก,ิ ทาเคชิ (2006). "การประมวลผลแบบผสมผสานในสถาปตั ยกรรมแบบมัลตคิ อร์ของเซลล"์
IEEE ไมโคร ออี ีอี 26 (2): 10–24. ดอย : 10.1109/MM.2006.41 . S2CID 17834015 .

2. "พดู ถงึ นกั ออกแบบมือถอื เกย่ี วกับ PS3 และไอบีเอ็มโปรเซสเซอร์มือถือ" เก็บถาวรจากต้นฉบับเม่ือ 21
สิงหาคม 2549 . สืบคน้ เม่อื 22 มีนาคม 2550 .

3. เกาดิน ชารอน (9 มิถนุ ายน 2551) "ของไอบีเอ็ม Roadrunner แตก 4 นาทีไมล์ของคอมพิวต้ิง"
คอมพวิ เตอร์เวริ ล์ . เก็บถาวรจากตน้ ฉบบั เมื่อ 24 ธันวาคม 2551 . สืบคน้ เมื่อ10 มิถุนายน 2551 .

4. Fildes, Jonathan (9 มิถุนายน 2551) "ซปุ เปอร์คอมพิวเตอร์ กำหนดอัตราการก้าวของ Petaflop" . ข่าว
บีบีซี สบื คน้ เม่ือ9 มถิ ุนายน 2551 .

5. Shankland สตีเฟ่น (22 กุมภาพันธ์ 2006) "อ็อคโทพเิ ลอร์ พยายามจับแขนโปรแกรมเมอรเ์ ซลล"์ . CNET .
สบื คน้ เมื่อ22 มีนาคม 2550 .

6. "บรอดแบนด์มือถือเคร่ืองยนต์ Software Development Kit Version 1.0" ล.ว. 10 พฤศจิกายน 2548 .
สืบคน้ เมือ่ 22 มีนาคม 2550 .

7. Krewell เควนิ (14 กมุ ภาพนั ธ์ 2005) "เซลล์เคล่ือนเข้าสู่ไฟแกส็ ". รายงานไมโครโปรเซสเซอร์

8. a b "บทนำสูเ่ ซลลม์ ัลตโิ ปรเซสเซอร์" . IBM วารสารการวจิ ยั และพัฒนา. 7 สิงหาคม 2548 เก็บถาวรจาก
ตน้ ฉบบั เม่ือ 28 กุมภาพันธ์ 2550 . สบื คน้ เมอ่ื 22 มีนาคม 2550 .

9. ขค "ไอบเี อม็ ผลติ ตัวประมวลผลแบบมอื ถอื ใช้การประดิษฐ์เทคโนโลยีใหม่" ห้องปฏบิ ัตกิ าร X-bit เก็บถาวร
จากตน้ ฉบับเม่ือ 15 มีนาคม 2550 . สบื ค้นเม่ือ12 มีนาคม 2550 .

10. "65nm ผลิตหน่วยประมวลผลเซลลเ์ ริ่มต้น" จักรวาล PlayStation 30 มกราคม 2550 เกบ็ ถาวรจาก
ต้นฉบับเมื่อ 2 กุมภาพันธ์ 2550 . สบื ค้นเมอ่ื 18 พฤษภาคม 2550 .

11. คสจ์ อน (7 กุมภาพันธ์ 2008) "ไอบีเอม็ หดตวั มือถือเพ่ือ 45nm. PS3s ถูกกวา่ จะตามมา"
Arstechnica.com . สบื ค้นเมือ่ 19 กันยายน 2555 .

12. "ไอบีเอ็มโปรโมชน่ั การประมวลผลประสิทธภิ าพสงู ข้ึนนอก Lab" ไอบเี อม็ . สบื คน้ เม่ือ15 พฤษภาคม 2551

13. "Sony ตอบคำถามของเราเกีย่ วกบั PlayStation 3 ใหม่" . อาส เทคนคิ . 18 สิงหาคม 2552 . สืบค้นเมอื่
19 สิงหาคม 2552 .

14. "โร้ดรันเนอร์จะเป็นฮรู าห์สดุ ท้ายของเซลล์หรือไม"่ . 27 ตุลาคม 2552 เก็บถาวรจากตน้ ฉบบั เมื่อ 31
ตุลาคม 2552

15. "SC09: IBM lässt Cell-Prozessor auslaufen" . ไฮเซ่ออนไลน์ . 20 พฤศจิกายน 2552 . สืบค้นเมื่อ21
พฤศจิกายน 2552

16. "บรรจุภณั ฑ์บรอดแบนด์มือถือเครื่องยนต์ไมโครโปรเซสเซอรส์ ำหรับการประยกุ ต์ใช้ซเู ปอร์คอมพวิ เตอร์"
(PDF) เกบ็ ถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 4 มกราคม 2014 . สืบค้นเม่ือ4 มกราคม 2014 .

17. "สรปุ ไมโครโปรเซสเซอรเ์ ซลล์" . IBM, Sony Computer Entertainment Inc., Toshiba Corp. 7
กมุ ภาพนั ธ์ 2548