การท...

001272 Introduction to Computer Information Science

1

การท างานของระบบคอมพวเตอร

วชา 001272 คอมพวเตอรสารสนเทศขนพนฐาน โดยภาควชาวทยาการคอมพวเตอรและเทคโนโลยสารสนเทศ

คณะวทาศาสตร มหาวทยาลยนเรศวร

ปรบปรงป 2557 โดย ผศ. ดร. จรสศร รงรตนาอบล


2

จดประสงคการเรยนร

• ทราบถงองคประกอบของระบบคอมพวเตอร

• เขาใจการท างานรวมกนขององคประกอบตางๆในระบบคอมพวเตอร

2


3

ระบบคอมพวเตอร • ระบบคอมพวเตอรประกอบดวย 5 องคประกอบทส าคญคอ 1. มนษย (People) 2. ฮารดแวร (Hardware) 3. ซอฟตแวร (Software) 4. ขอมล (Data) 5. การสอสาร (Communication)

3


4

มนษย (People) • มนษย เปนผขบเคลอนใหเกดการท างานขนในระบบคอมพวเตอร • มนษย เปนแหลงของขอมลทถกสงเขาไปประมวลผลในระบบ

– เชน การปอนขอมลเขาสระบบ ดวย การพมพ การสแกน หรอ การคลกเลอกขอมล

• มนษย เปนแหลงของเหตการณทท าใหเกดการเปลยนแปลงของระบบคอมพวเตอร – เชน การออกค าสงใหคอมพวเตอรค านวณขอมล สงใหแสดงผล หรอ พมพรายงาน

• มนษย เปนผใชประโยชนจากผลลพธทเกดขนจากการท างานของคอมพวเตอร – เชน น าสารสนเทศทไดจากการประมวลผลมาใชในการตดสนใจ

• บทบาทของมนษยทมตอระบบคอมพวเตอรนนมหลายบทบาท ไดแก เปนผใช (Users) เปนผพฒนาระบบ (System Developer) หรอ เปนผดแลระบบ (System Administrators)

4

ฮารดแวร (Hardware)

• ฮารดแวรเปนองคประกอบของระบบคอมพวเตอรทเปนอปกรณเชงกายภาพ (Physical Devices) เราสามารถจบตองได

• สามารถแบงกลมตามหนาทในสวนของคอมพวเตอรฮารดแวรไดออกเปน 5 หนวย ดงน 1. หนวยรบขอมล (Input Unit) 2. หนวยประมวลผล (Processing Unit) 3. หนวยแสดงผลขอมล (Output Unit) 4. หนวยจดเกบขอมล (Storage Unit) 5. หนวยตอประสาน (Connectivity)

แบบจ าลองโครงสรางของเครองคอมพวเตอร

หนวยตอประสาน (Connectivity)

ซอฟตแวร (Software) • ซอฟทแวรเปนกลมของค าสงทก าหนดการ

ท างานของฮารดแวร • ซอฟตแวรเปนสงควบคมใหคอมพวเตอร

ท างานไดตามวตถประสงคทเราตองการ


7

ซอฟทแวรแบงออกเปน 2 ประเภทคอ 1. ซอฟตแวรระบบ (System Software) ท าหนาทควบคมการท างานของ

องคประกอบฮารดแวรตางๆ ใหสามารถท างานรวมกนได 1. ซอฟทแวรประยกต (Application Software) ถกพฒนาขนเพอท างาน

ตามวตถประสงคการใชงานของผใช

ขอมล (Data)

• ขอมล คอขอเทจจรงทเกดขนจากกจกรรมตางๆ ในสงแวดลอมของระบบ • ขอมล จะถกน าเขามาจดเกบและประมวลผล ในระบบคอมพวเตอร • ขอมลมหลากหลายชนด ไดแก

1. ขอมลเชงตวเลข (Numeric Data) เชน จ านวนเตม หรอ จ านวนจรง 2. ขอมลเชงขอความ (Text Data) เชน ตวอกขระ หรอ ขอความ 3. ขอมลเสยง (Audio Data) เชน ไฟลเพลงชนดตางๆ Wave, MIDI, MP3 4. ขอมลภาพ (Images Data) เชน ไฟลภาพชนดตางๆ Bitmap, JPEG, GIF 5. ขอมลภาพเคลอนไหว (Video Data) เชน ไฟลวดชนดตางๆ AVI, MPEG


8

คอมพวเตอรเพอการสอสาร (Communication) • คอมพวเตอรทท างานเพยงเครองเดยวถกเรยกวา “Standalone computer”

• ปจจบนดวยเทคโนโยลเครอขาย (Network technology) ท าใหคอมพวเตอรสามารถสอสารแลกเปลยนขอมลกนได จงท าใหเกดเปนโครงสรางของระบบเครอขายคอมพวเตอร (Computer network) ขน

• ระบบเครอขายคอมพวเตอร ท าใหการประยกตใชคอมพวเตอรมความหลากหลายและเกดประโยชนมากยงขน (ตดตามเนอหาเกยวกบระบบเครอขายในบทถดไป)


9

การท างานของคอมพวเตอร

• ในสวนนเปนการอธบายถงวธการท างานของคอมพวเตอรในหวขอตอไปน

– วธการแปลงสญญาณของคอมพวเตอร

– วธการแทนขอมลของคอมพวเตอร

– วธการสอสารขอมลของคอมพวเตอร

– วธการเกบขอมลของคอมพวเตอร

– วธการประมวลผลของคอมพวเตอร

– วธการเชอมตอกบอปกรณภายนอก

วธการแปลงสญญาณของคอมพวเตอร

• สญญาณทมอยทวไปตามธรรมชาต เชน เสยง ไฟฟา หรอคลนแมเหลกไฟฟา จะมลกษณะของสญญาณเปน “คลนแบบตอเนอง” เรยกวา สญญาณอนาลอก (Analog Signal)

• คอมพวเตอรมวธการประมวลผลสญญาณในแบบสญญาณดจตอล (Digital Signal) ซงลกษณะของสญญาณจะมเพยงสองสถานะคอ เปดและปด (On/Off) – สญญาณดจตอลจะแทนสญลกษณของ สถานะ

เปดดวย 1 และสถานะปดดวย 0

1 0 1 0 1 0

วธการแปลงสญญาณของคอมพวเตอร • ขอมลสญญาณทเปนอนาลอกจะตองถกแปลงเปนสญญาณแบบดจตอลเพอ

น าเขาไปประมวลผลในคอมพวเตอร • ขอมลสญญาณทเปนดจตอลกจะถกแปลงกลบเปนสญญาณอนาลอกเพอแสดงผล

สภายนอก • คอมพวเตอรจะมตวแปลงสญญาณ 2 ชนดทแปลงสญญาณระหวางอนาลอกและ

ดจตอล – Analog-Digital Converter (ADC) แปลงจากอนาลอกเปนดจตอล – Digital-Analog Converter (DAC) แปลงจากดจตอลเปนอนาลอก

ADC CPU DAC 01011001 11100101

วธการแทนขอมลของคอมพวเตอร

• ขอมลทางคอมพวเตอร มหลายประเภท เชน จ านวน ขอความ ภาพ หรอ เสยง

• เมอน าขอมลเหลานนไปประมวลผลในคอมพวเตอรจ าเปนตองท าการ เขารหสแบบดจตอลเพอแทนขอมลเดม และจะตองมการแปลรหสจากรหสดจตอลกลบคนสภาพเดม

วธการแทนขอมลของคอมพวเตอร

• ตวอยางการแทนขอมล – ตองการน าเลขจ านวนเตมทมคา 12 ไปเกบในหนวยความจ าของคอมพวเตอร – ถาหนวยความจ าทใชเกบมขนาด 8 bits – เราใชวธการแปลงเลขฐานในการแทนขอมลชนดจ านวน – จากเนอหาในบททแลวเราทราบวา 12 = 11002 – ดงนนเลข 12 จะถกแทนดวย 00001100 ในหนวยความจ า

• เชนเดยวกน ถาเราอานขอมล 00001100 จากหนวยความจ าและเราตองการแปลความหมายของรหสนเปนจ านวนเตม เราสามารถทราบไดวารหสนคอ 12

วธการสอสารขอมลของคอมพวเตอร

• องคประกอบตางๆ ของคอมพวเตอรจ าเปนตองมการสอสารระหวางกน ดงนนจ าเปนตองมหนวยตอประสานเปนตวกลางในการเชอมตอ

• แผงวงจรหลกทท าหนาทเปนหนวยตอประสานภายในคอมพวเตอรคอ เมนบอรด (Mainboard)

CPU

RAM

Harddisk

วธการสอสารขอมลของคอมพวเตอร • บนเมนบอรดจะมชองทางการสอสารทเรยกวา BUS ซงท าหนาทเปนตวกลางการสอสารสญญาณระหวางองคประกอบตางๆ ของคอมพวเตอร

BUS

ภาพจาก www.rmutphysics.com


• รปแบบการสงสญญาณของคอมพวเตอร – สงสญญาณแบบอนกรม (Serial Transmission)

• สญญาณถกสงตามล าดบ

• สงสญญาณไปครงละ 1 สญญาณตอ 1 รอบการสง

– สงสญญาณแบบขนาน (Parallel Transmission) • สงสญญาณไปพรอมๆกน

• สงหลายสญญาณตอ 1 รอบการสง


• สงสญญาณแบบอนกรม (Serial Transmission) – สงไดแคครงละ 1

– ใชสายสญญาณเพยงเสนเดยว

Receiver Sender 1 0 1 0

รอบท 1 2 3 4


• สงสญญาณแบบขนาน (Parallel Transmission) – สงไดครงละหลายสญญาณ

– ใชสายสงเปนจ านวนมาก

Receiver Sender

1

0

1

0

รอบท 1


• ประสทธภาพในการสอสารขอมลขนอย กบ – ความกวางของ BUS

• เชน BUS ขนาด 32 bits สามารถสงขอมลแบบขนานไดครงละ 32 สญญาณ

– ความถของ BUS • เชน BUS ทมความถ 650 MHz สามารถสงขอมลได 650 ลานรอบตอวนาท

วธการเกบขอมลของคอมพวเตอร

• คอมพวเตอรจะมการเกบขอมล 2 ลกษณะ – เกบแบบลบเลอนได

• คอการเกบขอมลไวในหนวยความจ าหลก เชน RAM หรอ Cache • ขอมลมลจ าเปนตองมไฟฟารกษาสภาพอยตลอดเวลา

• ขอมลจะลบเลอนไปเมอท าการปดเครอง

– เกบแบบไมลบเลอน • คอการเกบไวในสอบนทกขอมล เชน Disk, CD, หรอ Flash Memory • ขอมลยงรกษาสภาพอยไดบนสอบนทก ถงแมไมมไฟฟา

หนวยของขอมลคอมพวเตอร

• Bit คอหนวยทเลกทสดของขอมลดจตอล ซงอาจจะเปนสถานะทางฟาหรอแมเหลกหรอรหสทมสองสถานะคอ On/Off ซงอาจแทนดวยสญลกษณ 0/1

• Byte = 8 bits

• 1 KB = 210 = 1024 Byte

• 1 MB = 210 x 210 = 1024x1024 Byte

• 1 GB = 210 x 210 x 210 = 1024x1024x1024 Byte

• 1 TB = 210 x 210 x 210 x 210 = 1024x1024x1024x1024 Byte

1 0 0 1 0 1 1 0

1 Byte

วธการเกบขอมลของคอมพวเตอร

• หนวยความจ าของคอมพวเตอรมความจทจ ากด เชน – Harddisk มความจประมาณท 1 TB

– DVD มความจประมาณท 4 - 5 GB – RAM มความจประมาณท 2 – 4 GB

• ถาขอมลมปรมาณมากกวาความจของหนวยความจ า ขอมลนนกไมสามารถจดเกบในหนวยความจ าไดทงหมด

• ถาไฟลภาพยนตร 1 เรองมขนาด 3 GB แลว Harddisk ขนาด 1 TB จะเกบภาพยนตรไดจ านวนกเรอง?

วธการประมวลผลของคอมพวเตอร

• คอมพวเตอรประมวลผลตามค าสงทก าหนดไวในโปรแกรม (ซอฟตแวร)

• ปกตโปรแกรมจะถกตดตงไวทสอบนทกขอมล เชนตดตงไวบน Harddisk

• โปรแกรมจะถกโหลดเขาไปยงหนวยความจ าหลกเมอมการเรยกใชงาน

• CPU จะท าการอานค าสงจากหนวยความจ าหลกเพอไปประมวลผล

• ดงนนการประมวลผลของคอมพวเตอรจงม สอบนทกขอมล หนวยความจ าหลก และซพย ทจะท างานเกยวของกนเสมอ

CPU

RAM

Harddisk

Bus

Bus

โหลดโปรแกรม

โหลดค ำสง

ประมวลผล


• การท างานของ CPU

– CPU ใชวธการแบบการท าซ าๆทเรยกวา machine cycle เพอประมวลผล ค าสงในโปรแกรมตงแตตนจนจบโดยท าทละ 1 ค าสง

– Machine cycle ประกอบดวย 3 ขนตอนคอ Fetch, Decode, และExecute

machine cycle



26

• Fetch เปนขนตอนทหนวยควบคมสงใหระบบท าการคดลอกค าสงถดไปและน าไปเกบไวใน instruction register (ภายใน CPU) ต าแหนงทอยของค าสงดงกลาวจะเกบไวใน program counter register หลงจากการคดลอกค าสงแลว คาของ program counter จะเพมขนอก 1 เพออางองถงค าสงถดไปในหนวยความจ า

• Decode เปนขนตอนทหนวยควบคมตความหมายของค าสงทอยใน instruction register ผลลพธทไดจะเปนรหสไบนาร (binary code) ทแทนการกระท า (Actions) ทคอมพวเตอรจะตองท า

• Execute เปนขนตอนทหนวยควบคม (Control Unit: CU) สงสญญาณควบคมไปยงหนวยอน เพอสงใหกระท าการตาม รหสไบนาร ทตามความไดจากขนตอน Decode กอนหนาน – เชนหนวยควบคมบอกใหหนวยรบขอมลท าการอานขอมลจากหนวยความจ า

– หรอให ALU ท าการบวกเลข 2 จ านวนทเกบอยใน input registers แลวเกบผลลพธไวใน output register


• ความเรวในการประมวลผลของ CPU พจารณาจากถามถของสญญาณนาฬกา (Clock) ซงเปนสญญาณคอยก ากบจงหวะการท างานของ CPU

• ปจจบนความถสญญาณนาฬกาของ CPU อยทประมาณ 3 GHz (ประมาณ 3 พนลานรอบตอวนาท)

• สมมตให CPU ใช 1 จงหวะของ Clock ท าการประมวลผลค าสง 1 ค าสง หมายความวา CPU สามารถประมวลผลค าสงได ประมาณ 3 พนลานค าสงตอวนาท

• CPU ในปจจบนเปนแบบ Multi-core Processor เชน Dual Core หรอ Quad Core ซงสามารถประมวลผลค าสงไดแบบขนาน หมายถงประมวลผลค าสงไดหลายค าสงพรอมๆ กน

www.techspot.com

ประสทธภาพการท างานของคอมพวเตอร

• ประสทธภาพการท างานของคอมพวเตอรไมไดขนอยกบประสทธภาพของ CPU เพยงอยางเดยว แตขนอยกบทกๆองคประกอบทท างานสมพนธกน ไดแก CPU , RAM, BUS, Harddisk และอปกรณตอพวงอนๆ

• ปญหาเกยวกบประสทธภาพการท างานของเครองคอมพวเตอรในปจจบนคอ ปญหาคอขวด (Bottleneck) ถงแมวา CPU จะมความเรวในการประมวลผลสง แตขอมลทจะประมวลผลนนตองน ามาจาก RAM และสงผาน BUS ซงมอตราเรวทต ากวา CPU มาก จงท าให CPU จะตองเสยเวลาในการรอขอมล

• ถา RAM มขนาดเลกไมเพยงพอตอการเกบขอมลทจะประมวลผล ระบบปฏบตการจะใชพนทบน Harddisk สรางเปนหนวยความจ าเสมอน (Virtual Memory) ซงการอานขอมลจาก Harddisk มาประมวลผลกยงชาลงไปอก

CPU RAM

3 GHz

650 MHz

BUS

ประสทธภาพการท างานของคอมพวเตอร • เพอใหประสทธภาพของการท างานโดยรวม

ดขน จงไดน าหนวยความจ าทมความเรวในการเขาถงสงเรยกวา Cache มาใชเปนตวกลางระหวาง CPU และ RAM

• หลกการคอ น าขอมลหรอค าสงทใชบอยๆ

ไปเกบไวใน Cache เมอ CPU ท าการอานขอมลเพอน าไปประมวลผลกจะไปอานขอมลจาก Cache กอน ถาขอมลไมมใน Cache จงจะไปอานจาก RAM และ Disk ตามล าดบตอไป

ALU CU

registers

Cache (Level 1) CPU

Cache (Level 2)

RAM

Harddisk

วธการเชอมตอกบอปกรณภายนอก

• อปกรณภายนอกไดแก Mouse, Keyboard, Printer, Scanner และอนๆ • คอมพวเตอรสามารถเชอมตอกบอปกรณภายนอกไดโดยผานสวนเชอมตอท

เรยกวา Port

• Port มหลายลกษณะ – Serial Port – Parallel Port – USB port – Infrared Port (Wireless) – อนๆ


30


• พอรท USB (Universal Serial Bus) เปนทนยมน ามาใหใชคอมพวเตอรและอปกรณตอพวงตางๆ

• USB มความเรวถง 400 Mbits/s และจะมความเรวสงขนในรนตอไป

• USB สามารถตออปกรณไดมากสดถง 127 ชน โดยใช HUB กระจายสญญาณ จงท าใหสามารถเพมพอรทในการเชอมตอไดมากขน

• สามารถใชกบระบบ Plug and Play คอ เมอตดตง อปกรณเขาไปอปกรณนนๆจะสามารถท างานไดทนท


31

USB Hub


• อปกรณภายนอกทเชอมตอกบคอมพวเตอรสามารถท างานรวมกบ CPU และ RAM ไดโดยอาศยตวควบคม (Controller) ท าหนาทเปนตวกลางรบสงสญญาณ

• ดงนนการท างานของอปกรณเหลานจงเปนอสระจาการควบคมของ CPU

• และ CPU ไมจ าเปนตองตดตอกบอปกรณเหลานโดยตรง เพราะอปกรณเหลานมความเรวทต ากวา CPU มาก

ค าถามทายบท 1. ถามไฟลขอมลขนาด 1 MB และจะตองสงขอมลนผานบสทม

ความกวาง 32 บต และมความถในการสง 650 MHz จะตองใชเวลาประมาณเทาใดจงจะสงไฟลนเสรจ

2. RAM จดเปนหนวยความจ าประเภทใด ก. แบบเลอะเลอนได ข. แบบลบเลอนได ค. แบบไมลบเลอน ง. แบบเลอะเทอะ

3. ซอฟตแวรสามารถตดตงไวทใด ก. Harddisk ข. RAM ค. ROM ง. ถกขอ ก. และ ค.

เอกสารอางอง

• Ron White, Timothy Edward Downs. How Computers Work (9th Edition). Que. 2007

• H. L. Capron, Computers Tools for an Information Age, Prentice Hall. 8 edition. 2003.

• http://en.wikipedia.org/

การท...

Documents