Pipeline และ CPU

Pipeline และ CPU

โปรเซสเซอร์

ปี 1989 Intel ประกาศตัว 80486 ซึ่งเป็นซีพียูแบบ 32 บิต พร้อมเปิดตัวสิ่งที่เรียกว่า ”ไปป์ไลน์” (Pipeline)

ไปป์ไลน์ช่วยให้ซีพียูสามารถเฟ็ตช์คำสั่งเข้ามาทำงานได้หลาย ๆ คำสั่งในเวลาเดียวกันได้ โดยเอ็กซิคิวต์ในแต่ละคำสั่งในแต่ละสัญญาณนาฬิกา (Clock cycle) เรียกการทำงานแบบนี้ว่า “สเกลลาร์” (Scalar)

ปี 1993 ได้เปิดตัวซีพียูในยุคที่ 5 ที่เรียกว่า “Pentium” โดยนำไปป์ไลน์มาใส่ไว้ในซีพียูถึง 2 ตัว ทำงานแบบขนานพร้อม ๆ กัน โดยไม่ขึ้นต่อกัน ทำให้สามารถเอ็กซิคิวต์ได้ 2 คำสั่งใน 1 สัญญาณนาฬิกา

เรียกสถาปัตยกรรมนี้ว่า “ซุปเปอร์สเกลลาร์” (Superscalar)

องค์ประกอบของ cpu

(Pipeline)

ไปป์ไลน์ (Pipeline) คือการทำงานแบบคาบเกี่ยวกัน (overlap) โดยการแบ่งซีพียูออกเป็นส่วนย่อย ๆ แล้วแบ่งงานกันรับผิดชอบ

เดิมไปป์ไลน์เป็นเทคนิคของสถาปัตยกรรมแบบ RISC ต่อมานำมาใช้กับสถาปัตยกรรมแบบ CISC

แบ่งเป็นภาคหลัก ๆ คือ

ขั้นตอนการทำงานของ Pipeline

                ภาคเฟ็ตช์คำสั่ง หรือ Instruction Fetch ส่วนนี้จะทำหน้าที่รับคำสั่งใหม่ ๆ ทั้งจากหน่วยความจำหลัก หรือจาก Instruction Cache เข้ามา

                ภาคถอดรหัสคำสั่ง หรือ Instruction Decode ส่วนนี้จะทำหน้าที่แยกแยะคำสั่งต่าง ๆ ของ CISC

                ภาครับข้อมูล หรือ Get Operands  ส่วนนี้ทำหน้าที่รับข้อมูลที่จะใช้ในการเอ็กซิคิวต์เข้ามาเก็บไว้

                ภาคเอ็กซิคิวต์ หรือ Execute ส่วนนี้เป็นขั้นตอนที่ทำการเอ็กวิคิวต์ตามคำสั่งและโอเปอแรนด์ที่ได้รับมา

                ภาคเขียนผลลัพธ์ หรือ Write Result เมื่อทำการเอ็กซิคิวต์เสร็จเรียบร้อยแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้ก็จะนำไปเก็บไว้ในรีจิสเตอร์ หรือในแคช

ภาพการทำงานของ (Pipeline) 

CPU

 

ขั้นตอนการทำงานของ CPU

ก่อนที่ CPU จะทำการประมวลผลข้อมูล คำสั่งและข้อมูลจะต้องถูกโหลดมาเก็บไว้ในหน่วยความจำหลักเสียก่อน 

การประมวลผลคำสั่งของ CPU

หลังจากคำสั่งและข้อมูลอยู่ในหน่วยความจำแล้ว CPU ก็จะทำการประมวลผลที่ละคำสั่ง ใน 4 ขั้นตอนดังนี้

ขั้นตอนการทำงานของ CPU ภาพแสดงขั้นตอนการทำงานของ CPU

• จากโปรแกรมที่ประกอบด้วยกลุ่มของคำสั่งที่ต้องการให้คอมพิวเตอร์ทำการประมวลผล แต่ละคำสั่งประกอบด้วย รหัสให้ทำงาน ( OperationCode)

หรือ ออปโค้ด (Opcode) เช่น ADD (การบวก) SUB (การลบ)MUL (การคูณ) DIV (การหาร) และสิ่งที่เรียกว่า โอเปอแรนต์ (Operand)

ซึ่งจะบอกตำแหน่งของที่เก็บข้อมูลในหน่วยความจำ เช่น สัญลักษณ์ Aหรือ B

• ตัวอย่างของคำสั่งหนึ่งๆ ที่มีอยู่ในโปรแกรมภาษาแอสแซมบลี เช่น ADD A,B หมายถึงให้มีการนำข้อมูลที่เก็บอยู่ในหน่วยความจำที่ตำแหน่ง A และข้อมูลที่เก็บอยู่ในหน่วยความจำที่ตำแหน่ง B มาทำการบวกกัน ซึ่งคำสั่งนี้จะต้องถูกแปลให้เป็นภาษาเครื่อง (MachineLanguage) ก่อนการปฏิบัติงานของซีพียูเสมอ

ขั้นตอนการทำงานของ CPU และความสัมพันธ์ในการใช้ Resistor

ขั้นตอนการประมวลผลของ CPU

• การเฟตช์ (Fetch) เป็นกระบวนการที่หน่วยควบคุม (CU) ไปนำคำสั่งที่ต้องการใช้จากหน่วยความจำมาเพื่อการประมวลผลมาเก็บไว้ที่ Register

• การแปลความหมาย ( Decode ) เป็นกระบวนการถอดรหัสหรือแปลความหมายคำสั่งต่างๆ เพื่อส่งไปยังหน่วยคำนวณและตรรกะเพื่อดำเนินการต่อไป

• การเอ็กซ์คิวต์ ( Execute ) เป็นกระบวนประมวลผลคำสั่งโดยหน่วยคำนวณและตรรกะ ซึ่งการประมวลผลจะประมวลผลทีละคำสั่ง

• การจัดเก็บ ( Store ) เป็นกระบวนการจัดเก็บผลลัพธ์ที่ได้จากการประมวลผลและจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำหรือรีจิสเตอร์

วัฏจักรการทำงานของซีพียู หรือวัฏจักรเครื่อง (Machine Cycle)

Machine Cycle & การประมวลผลคำสั่งโปรแกรม 

การประมวลผลคำสั่งโปรแกรมระดับเครื่อง (ภาษาเครื่อง) หนึ่งคำสั่ง เกิดขึ้นในระหว่างหนึ่ง Machine Cycle :-

• วัฏจักรคำสั่ง Instruction Cycle (I-cycle) l fetch instruction - control unit รับคำสั่งจากแรม l decode instruction - control unit แปลความหมายคำสั่งโปรแกรม และเก็บส่วนที่เป็น คำสั่ง ของคำสั่งโปรแกรมไว้ใน Instruction Register & เก็บส่วนที่เป็นแอดเดรส ของคำสั่งโปรแกรมไว้ใน Address Register

เวลาที่ใช้ในการแปลคำสั่ง (Instruction Time)

เวลาทั้งหมดในการประมวลผลแต่ละคำสั่ง ประกอบด้วย 2 ส่วนคือ

•การแปลคำสั่ง (fetch and decode) และการประมวลผลคำสั่ง(execute and store)

•เวลาที่ใช้แปลคำสั่งเรียกว่า instruction time

เวลาที่ใช้ในการประมวลผล เรียกว่า E xecution time

 เวลาที่ใช้ประมวลผลแต่ละคำสั่ง (Machine Cycle)

The combination of I-time and E-time is called the machine cycle

หน่วยวัดความเร็วของซีพียู 

• เมกะเฮิรตซ์ ( Megahertz: MHz ) เป็นหน่วยวัดความเร็วของซีพียูในไมโครคอมพิวเตอร์
หรือ Clock Speed ที่มีความเร็วหนึ่งล้านวัฏจักรเครื่องต่อวินาที
( Millions machine cycle per second )

• มิปส์ ( Million of
Instructions Per Second: MIPS ) เป็นหน่วยวัดความเร็วของซีพียูของคอมพิวเตอร์ขนาดกลางขึ้นไปโดย1 MIPS จะสามารถประมวลผลได้หนึ่งล้านคำสั่งต่อวินาที ( Million
of Instructions Per Second: MIPS )

• ฟลอปส์ ( Floating Point Operations Per Second: FLOPS ) เป็นหน่วยวัดความเร็วของซีพียูในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ซึ่งมักวัดความสามารถในการปฏิบัติการคำนวณทางคณิตศาสตร์แบบทศนิยมหรือFloating Point

               รูปแบบการประมวลผลของซีพียู

1. การประมวลผลแบบเดี่ยว ( Single
processing) หรือ Sequential Processing เป็นการประมวลผลข้อมูลตามลำดับ
เนื่องจากมีซีพียูทำงานเพียงตัวเดียว ปัญหาที่เกิดขึ้นคือ การประมวลผลข้อมูลล่าช้า

2. การประมวลผลแบบขนาน (
Parallel processing) เป็นการใช้ซีพียูมากกว่า 1 ตัว ( Multiple Processors ) ในการประมวลผลงานๆ
หนึ่งพร้อมกัน โดยซีพียูจะแตก (break down) ปัญหาออกเป็นส่วนย่อยๆ
เพื่อแบ่งให้ซีพียูแต่ละตัวประมวลผล ซึ่งสามารถเปรียบเทียบได้กับการประมวลผลแบบซีพียูเดียว

และ หลายซีพียูได้ดังภาพ