คอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร?

การทำงานของ คอมพิวเตอร์

คอมพิวเตอร์ในยุคแรกๆเช่น ENIAC เวลาโปรแกรมต้องใช้วิธีการเปลี่ยนสายเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งเป็นวิธีการที่ยุ่งยากมาก จึงเกิดแนวคิดว่าตัวโปรแกรมน่าจะจัดเก็บอยู่ในส่วนที่สามารถปรับเปลี่ยนแก้ไขได้ง่าย เป็นที่มาของแนวคิดที่ทำการจัดเก็บข้อมูลต่างๆรวมถึงโปรแกรมไว้ใน หน่วยความจำ หรือ memory ทำให้คอมพิวเตอร์จะได้รับคำสั่งโดยการอ่านคำสั่งจากหน่วยความจำ และการปรับเปลี่ยนโปรแกรมสามารถทำได้โดยการเปลี่ยนแปลงค่าภายในหน่วยความจำ

แนวคิดข้างต้นรู้จักในชื่อว่า "Stored-Program Concept" หรือ อีกชื่อว่าสถาปัตยกรรม von Neumann โดยเข้าใจว่า J. Presper Eckert และ John William Mauchly ซึ่งเป็นนักออกแบบ ENIAC เป็นผู้คิดค้นขึ้น

แนวคิดการทำงานแบบ Stored-Program ถูกใช้เป็นแนวคิดหลักของการทำงานในคอมพิวเตอร์จนถึงปัจจุบัน โดยแนวคิดนี้จะแบ่งการทำงานของคอมพิวเตอร์เป็น 4 ส่วนหลักได้แก่

หน่วยประมวลผลในรูปแบบข้อมูล Binary หรือที่เรียกว่า Arithmetic-Logical Unit (ALU) เปรียบเสมือนหัวใจของคอมพิวเตอร์ หน้าที่หลักของมันคือทำการประมวลผลทางคณิตศาสตร์ขั้นพื้นฐานอันได้แก่การบวกและลบ และการทำการเปรียบเทียบข้อมูลสองข้อมูลว่ามีค่าเท่ากันหรือไม่ถ้าไม่จะมีค่ามากกว่าหรือน้อยกว่า
หน่วยความจำ หรือ Memory ใช้สำหรับเก็บข้อมูล (Data) และ คำสั่ง (Instructions) โดยข้อมูลภายในหน่วยความจำจะถูกแบ่งเป็นส่วนๆเล็กๆเท่าๆกัน แต่ละส่วนมีที่อยู่(address) เพื่อใช้เข้าถึงข้อมูลที่ถูกจัดเก็บเอาไว้
อุปกรณ์อินพุตและเอาต์พุต หรือ I/O Device เป็นส่วนที่ใช้นำข้อมูลจากโลกภายนอกเข้ามาภายในระบบคอมพิวเตอร์ เพื่อนำมาประมวลผล และเมื่อได้ผลลัพธ์ก็จะนำข้อมูลที่ได้มาแสดงผลให้โลกภายนอกคอมพิวเตอร์ได้รับทราบ
หน่วยควบคุมการทำงาน หรือ Control Unit เป็นส่วนที่ใช้เชื่อมต่อแต่ละส่วนเข้าด้วยกัน หน้าที่หลักๆคือทำการอ่านข้อมูลคำสั่งที่อยู่ภายในหน่วยความจำหรือที่ได้จากอุปกรณ์อินพุต ทำการแปลความหมายและส่งไปประมวลผลใน ALU จากนั้นนำผลที่ได้ไปจัดเก็บในหน่วยความจำหรืออุปกรณ์เอาต์พุต หน้าที่หลักอีกประการ คือควบคุมลำดับการทำงานของแต่ละขั้นตอนให้อยู่ในเวลาที่เหมาะสม

 หน่วยประมวลผล
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลาง หน่วยประมวลผล จะรับคำสั่งและข้อมูลจากหน่วยความจำ โดยส่งเข้าที่ Queue Prefetch Unit จะตรวจสอบว่า ค่าใน Queue เป็นคำสั่งหรือไม่ ถ้าเป็นคำสั่งจะสั่งให้ Bus Interface Unit(BIU) ส่งค่าของคำสั่งไปที่ Decode Unit ถ้าเป็นค่าที่อยู่(Address)ของหน่วยความจำ จะถูกส่งไปที่ Segment and Paging Unit Segment and Paging Unit จะแปลงที่อยู่ของหน่วยความจำ จากที่อยู่เสมือน(Virtual Address)ในรูปแบบของ segment : offset ให้กลายเป็นที่อยู่จริง(Physical Address)ที่ Bus Interface Unit เข้าใจ หน่วยถอดรหัส(Decode Unit) จะตรวจสอบและแยกแยะคำสั่ง แล้วแปลคำสั่ง และส่งสัญญาณควบคุมไปให้ Execution Unit ทำงานตามคำสั่งนั้นใน Execution Unit จะประกอบด้วย

Control Unit(CU)จะทำหน้าที่ควบคุมการทำงานภายในโปรเซสเซอร์เป็นตัวสั่งงาน Unit อื่นๆตามคำสั่งที่แปลจาก Decode Unit Protection Test Unit จะป้องกันและตรวจสอบการทำงานของส่วนต่างๆ ไม่ให้ทำผิดกฏเกณฑ์ จนเกิดข้อผิดพลาดขึ้น Register จะทำหน้าที่เก็บค่าชั่วคราวก่อนและหลังการประมวลเพื่อส่งให้ส่วนอื่นๆต่อไป เป็นเหมือนกระดาษทดชัว่คราว สำหรับ ALU Arithmetic Logic Unit(ALU) เป็นส่วนการคำนวณทางคณิตศาสตร์และหาค่าตรรกะของการเปรียบเทียบ

เมื่อ ALU คำนวณหรือเปรียบเทียบค่าเรียบร้อยแล้ว จะส่งไปเก็บไว้ที่ Register แล้ว Control Unit จะสั่งให้ BIU เก็บค่าผลลัพธ์ลงในหน่วยความจำ โดยแปลงที่อยู่เสมือนที่ Control Unit กำหนด ให้กลายเป็น ที่อยู่จริงของหน่วยความจำที่จะนำผลลัพธ์ไปเก็บไว้

 หน่วยความจำ
หน่วยความจำเป็นพื้นที่การทำงานและเป็นพื้นที่การจัดเก็บข้อมูลของคอมพิวเตอร์ เพราะคอมพิวเตอร์ไม่สามารถทำงานตามลำพังโดยอาศัยเพียงหน่วยประมวลผลหลักได้ หน่วยความจำแบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ ได้แก่ หน่วยความจำชั่วคราว หรือ หน่วยความจำหลัก คือ แรม (RAM: Random Access Memory) โดยแรมจะเป็นหน่วยความจำที่ใช้ขณะคอมพิวเตอร์ทำงาน และจะหายไปเมื่อปิดเครื่อง อีกชนิดหนึ่งคือหน่วยความจำถาวร หรือหน่วยความจำสำรอง ได้แก่ ฮาร์ดดิสก์ (Hard Disk) ที่ใช้ในการเก็บข้อมูล และ รอม (ROM: Read Only Memory) ที่ใช้ในการเก็บค่าไบออส หน่วยความจำถาวรจะใช้ในการเก็บข้อมูลของเครื่องคอมพิวเตอร์และจะไม่สูญหายเมื่อปิดเครื่อง

ข้อแตกต่างของหน่วยความจำคือ หน่วยความจำแบบชั่วคราวจะมีความเร็วในการถ่ายข้อมูลสูง แต่ความจำน้อย เมื่อเกิดการทำงานของโปรแกรมมากๆ จึงต้องส่งผ่านข้อมูลลงหน่วยความจำถาวร ซึ่งเป็นสาเหตุหนึ่งของอาการแฮ็ง (hang)

ประโยชน์ของคอมพิวเตอร์

คอมพิวเตอร์มีประโยชน์กับเรามากมาย เช่น

1. การใช้งานภาครัฐ งานทะเบียนราษฎร์ของรัฐบาล เช่น การแจ้งเกิด ตาย ย้ายที่อยู่ การทำบัตรประจำตัวประชาชน
2. การใช้งานทางด้านธุรกิจทั่วไป งานทำบัญชี รายการซื้อขาย งานเรียบเรียงเอกสาร งานประมวลคำ
3. งานสายการบิน การสำรองที่นั่งผู้โดยสาร การลดงานเอกสาร
4. ทางด้านการศึกษา สื่อคอมพิวเตอร์ช่วยสอน การเรียนออนไลน์ให้กับผู้เรียนที่อยู่ห่างไกล
5. ธุรกิจการนำเข้าสินค้าและส่งออก การทำธุรกิจแบบพานิชอิเล็กทรอนิกส์
6. ธุรกิจธนาคาร ธนาคารอิเล็กทรอนิกส์ การทำธุรกรรมผ่านโทรศัพท์มือถือ
7. วิทยาศาสตร์และการแพทย์ การเก็บข้อมูลเกี่ยวกับประวัติการรักษาของคนไข้ วิจัย คำนวณและการจำลองแบบ

ในปัจจุบัน คอมพิวเตอร์ได้ใช้วงจรเบ็ดเสร็จขนาดใหญ่มาก (very large scale integrated circuit) ซึ่งสามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้มากกว่าสิบล้านตัว เราสามารถแบ่งคอมพิวเตอร์ในรุ่นปัจจุบันออกเป็น 4 ประเภทดังต่อไปนี้

 ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ (supercomputer)

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ถือได้ว่าเป็นคอมพิวเตอร์ที่มีความเร็วมาก และมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อเปรียบเทียบกับคอมพิวเตอร์ชนิดอื่น ๆ เครื่องซูเปอร์คอมพิวเตอร์มีราคาแพงมาก มีขนาดใหญ่ สามารถคำนวณทางคณิตศาสตร์ได้หลายแสนล้านครั้งต่อวินาที และได้รับการออกแบบ เพื่อให้ใช้แก้ปัญหาขนาดใหญ่มากทางวิทยาศาสตร์และทางวิศวกรรมศาสตร์ได้อย่างรวดเร็ว เช่น การพยากรณ์อากาศล่วงหน้าเป็นเวลาหลายวัน การศึกษาผลกระทบของมลพิษกับสภาวะแวดล้อมซึ่งหากใช้คอมพิวเตอร์ชนิดอื่นๆ แก้ไขปัญหาประเภทนี้ อาจจะต้องใช้เวลาในการคำนวณหลายปีกว่าจะเสร็จสิ้น ในขณะที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สามารถแก้ไขปัญหาได้ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงเท่านั้น เนื่องจากการแก้ปัญหาใหญ่ ๆ จะต้องใช้หน่วยความจำสูง ดังนั้น ซูเปอร์คอมพิวเตอร์จึงมีหน่วยความจำที่ใหญ่มาก ซูเปอร์คอมพิวเตอร์มีหลายประเภท ตั้งแต่รุ่นที่มีหน่วยประมวลผล (processing unit) 1 หน่วย จนถึงรุ่นที่มีหน่วยประมวลผลหลายหมื่นหน่วยซึ่งสามารถทำงานหลายอย่างได้พร้อม ๆ กัน

 เมนเฟรมคอมพิวเตอร์ (mainframe computer)

เมนเฟรมคอมพิวเตอร์ มีสมรรถภาพที่ต่ำกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์มาก แต่ยังมีความเร็วสูง และมีประสิทธิภาพสูงกว่ามินิคอมพิวเตอร์หรือไมโครคอมพิวเตอร์ เมนเฟรมคอมพิวเตอร์สามารถให้บริการผู้ใช้จำนวนหลายร้อยคนพร้อม ๆ กัน ฉะนั้น จึงสามารถใช้โปรแกรมจำนวนนับร้อยแบบในเวลาเดียวกันได้ โดยเฉพาะถ้าต่อเครื่องเข้าเครือข่ายคอมพิวเตอร์ ผู้ใช้สามารถใช้ได้จากทั่วโลก ปัจจุบัน องค์กรใหญ่ๆ เช่น ธนาคาร จะใช้คอมพิวเตอร์ประเภทนี้ในการทำบัญชีลูกค้า หรือการให้บริการจากเครื่องฝากและถอนเงินแบบอัตโนมัติ (automatic teller machine) เนื่องจากเครื่องเมนเฟรมคอมพิวเตอร์ได้ถูกใช้งานมากในการบริการผู้ใช้พร้อม ๆ กัน เมนเฟรมคอมพิวเตอร์จึงต้องมีหน่วยความจำที่ใหญ่มาก

 มินิคอมพิวเตอร์ (minicomputer)

มินิคอมพิวเตอร์ คือ เมนเฟรมคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก ๆ ซึ่งสามารถบริการผู้ใช้งานได้หลานคนพร้อม ๆ กัน แต่จะไม่มีสมรรถภาพเพียงพอที่จะบริการผู้ใช้ในจำนวนที่เทียบเท่าเมนเฟรมคอมพิวเตอร์ได้ จึงทำให้มินิคอมพิวเตอร์เหมาะสำหรับองค์กรขนาดกลาง หรือสำหรับแผนกหนึ่งหรือสาขาหนึ่งขององค์กรขนาดใหญ่เท่านั้น

ไมโครคอมพิวเตอร์ (microcomputer) หรือ พีซี (personal computer หรือ PC )

ไมโครคอมพิวเตอร์ คือ คอมพิวเตอร์ขนาดเล็กแบบขนาดตั้งโต๊ะ (desktop computer) หรือขนาดเล็กกว่านั้น อาทิเช่น ขนาดสมุดบันทึก (notebook computer) และขนาดฝ่ามือ (palmtop computer) ไมโครคอมพิวเตอร์ได้เริ่มมีขึ้นในปีพ.ศ. 2518 ถึงแม้ว่าในระยะหลัง เครื่องชนิดนี้จะมีประสิทธิภาพที่สูง แต่เนื่องจากมีราคาไม่แพงและมีขนาดกระทัดรัด ไมโครคอมพิวเตอร์จึงยังเหมาะสำหรับใช้ส่วนตัว ไมโครคอมพิวเตอร์ได้ถูกออกแบบสำหรับใช้ที่บ้าน โรงเรียน และสำนักงานสำหรับที่บ้าน เราสามารถใช้ไมโครคอมพิวเตอร์ในการทำงบประมาณรายรับรายจ่ายของครอบครัวช่วยทำการบ้านของลูกๆ การค้นคว้าข้อมูลและข่าวสาร การสื่อสารแบบอิเล็กทรอนิกส์ (electronic mail หรือ E - mail) หรือโทรศัพท์ทางอินเทอร์เน็ต (internet phone) ในการติดต่อทั้งในและนอกประเทศ หรือแม้กระทั่งทางบันเทิง เช่น การเล่นเกมบนเครื่องไมโครคอมพิวเตอร์ สำหรับที่โรงเรียน เราสามารถใช้ไมโครคอมพิวเตอร์ในการช่วยสอนนักเรียนในการค้นคว้าข้อมูลจากทั่วโลกสำหรับที่สำนักงาน เราสามารถใช้ไมโครคอมพิวเตอร์ในการช่วยพิมพ์จดหมายและข้อมูลอื่นๆ เก็บและค้นข้อมูล วิเคราะห์และทำนายยอดซื้อขายล่วงหน้า