โครงสร้างคอมพิวเตอร์และการทำงานเบื้องต้น

ความหมายของคอมพิวเตอร์

คอมพิวเตอร์ (Computer) เป็นอุปกรณ์ทางไฟฟ้าชนิดหนึ่ง
คอมพิวเตอร์ หมายถึง เครื่องอิเล็กทรอนิกส์แบบอัตโนมัติ ทำหน้าที่เสมือนสมองกล ใช้สำหรับแก้ปัญหาต่างๆ
ทั้งที่ง่ายและซับซ้อน โดยวิธีทางคณิตศาสตร์

เครื่องคอมพิวเตอร์ที่ใช้ในปัจจุบันประกอบด้วยวงจรไฟฟ้า
อิเล็กทรอนิกส์ที่เรียกว่า ฮาร์ดแวร์ (Hardware) มีส่วนประกอบหลัก 5 ส่วนคือ
1.หน่วยประมวลผลกลาง (Central Processing Unit)
หรือซีพียู (CPU)
2.หน่วยรับเข้า (Input Unit)
3.หน่วยส่งออก (Output Unit)
4.หน่วยความจำหลัก (Main Memory)
5.หน่วยความจำรอง (Secondary Memory)

หน่วยรับเข้า
หน่วยรับเข้า หรืออินพุต เป็นส่วนที่ใช่รับข้อมูลและคำสั่งจากภายนอกเข้าสู่เครื่องคอมพิวเตอร์เพื่อนำไปประมวลผล
อุปกรณ์ประเภทนี้ได้แก่ แป้นพิมพ์ (Keyboard)
เมาส์ (Mouse) สแกนเนอร์ (Scanner) เป็นต้น

หน่วยส่งออก
หน่อยส่งออก หรือเอาต์พุต เป็นส่วนที่ใช้แสดงผลลัพธ์จากการประมวลผลออกมาในรูปแบบต่างๆ อุปกรณ์เอาต์พุตได้แก่ จอภาพ (Monitor) ลำโพง (Speaker) เป็นต้น

หน่วยประมวลผลกลาง
หน่วยประมวลผลจะทำหน้าที่ประมวลผลตามคำสั่ง
หรือโปรแกรมที่กำหนดไว้ เมื่อหน่วยประมวลผลทำงาน
สำเร็จแล้วจะเก็บข้อมูลหรือส่งผลลัพธ์ที่ได้ออกทาง
เอาต์พุตต่อไป

หน่วยความจำ
หน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ ประกอบด้วยความจำ
หลักและหน่วยความจำรอง โดยหน่วยความจำหลักจะเป็นหน่วยความจำที่ใช้เก็บโปรแกรมและข้อมูลที่คอมพิวเตอร์ประมวลผลอยู่ ส่วนหน่วยความจำรองเป็นอุปกรณ์เก็บข้อมูล ที่จะต้องใช้ในอนาคต เช่น การ์ดหน่วยความจำ (Memory Cards) แผ่นซีดี หรือดีวีดี (CD,DVD) เป็นต้น

วิวัฒนาการของเครื่องคอมพิวเตอร์

ประเภทของคอมพิวเตอร์

เครื่่องคอมพิวเตอร์นั้นสามารถจำแนกได้หลายประเภท ขึ้นกับขนาด ประสิทธิภาพ และลักษณะการใช้งาน โดยทั่วไปแล้วสามารถแบ่งประเภทของคอมพิวเตอร์ได้ดังนี้

1.คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (Personal Computer)

คอมพิวเตอร์ประเภทนี้เป็นคอมพิวเตอร์ที่มีใช้งานกันทั่วไป เป็นคอมพิวเตอร์แบบตั้งโต๊ะที่เหมาะสำหรับใช้งานในบ้าน ในสำนักงาน ราคาไม่แพง

2.Handheld Computer

เป็นคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่เหมาะสำหรับพกพาไปที่ต่างๆ เนื่องจากเครื่องมีขนาดเล็กจึงไม่เหมาะที่จะออกแบบคีย์บอร์ตไว้บนตัวเครื่อง การใช้คอมพิวเตอร์ประเภทนี้จะใช้ปากกาที่เรียกว่า สไตลัส (Stylus) เป็นอุปกรณ์สำหรับป้อนข้อมูล สามารถใช้งานพื้นฐานทั่วไปได้ รับส่ง Mail และใช้ในการสื่อสารได้

3.เครื่องคอมพิวเตอร์เซิร์ฟเวอร์

เครื่องคอมพิวเตอร์เซิร์ฟเวอร์เป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ที่มีขนาดใกล้เคียงกับคอมพิวเตอร์ทั่วไป แต่จะมีความสามารถสูงกว่ามาก คอมพิวเตอร์ประเภทนี้จะใช้เป็นเครื่องให้บริการกับคอมพิวเตอร์ PC ต่างๆ ที่ต่ออยู่ในเครือข่าย และยังใช้เป็นเครื่องให้บริการบนเว็ปอีกด้วย ขนาดและประสิทธิภาของคอมพิวเตอร์เซิร์ฟเวอร์นี้มีหลายรุ่น ขึ้นอยู่กับการใช้งานว่าจะให้บริการกับเครื่องคอมพิวเตอร์อื่นๆ หลายเครื่องหรือไม่

4.คอมพิวเตอร์เมนเฟรม (Mainframe Computer)

เป็นคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ ที่ต้องการประมวลผลข้อมูลจำนวนมากด้วยความเร็วสูง มีหน่วยความจำขนาดใหญ่ คอมพิวเตอร์ประเภทนี้จะนิยมใช้ในองค์กรที่มีผู้ใช้จำนวนมาก เช่น ระบบธนาคารขนาดใหญ่ ระบบธุรกิจขนาดใหญ่ เป็นต้น ในการใช้งานคอมพิวเตอร์แบบเมนเฟรมมักจะไม่ใช้เครื่องเมนเฟรมนี้เพียงเครื่องเดียว แต่จะมีการต่อทำงานร่วมกับคอมพิวเตอร์อื่นๆด้วย

5.ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ (Supercomputer)

เครื่องคอมพิวเตอร์ประเภทนี้จัดว่าเป็นคอมพิวเตอร์ทีี่มีประสิทธิภาพการทำงานสูงที่สุด สามารถทำงานได้มากกว่าพันล้านคำสั่งในหนึ่งวินาที มีน้ำหนักหลายตัน สามารถเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ PC ทั่วไปได้จำนวนมาก คอมพิวเตอร์ประเภทนี้จะใช้ในงานที่ต้องการประมวลผลกับข้อมูลจำนวนมากด้วยความเร็วสูงๆ เช่น ทางด้านการพยากรณ์อากาศ และงานคอมพิวเตอร์สำหรับการออกแบบในอุตสาหกรรมเป็นต้น

6.คอมพิวเตอร์ฝังตัว (Embedded Computer)

เป็นคอมพิวเตอร์ที่ได้รับความนิยมอย่างมากในปัจจุบัน โดยจะเป็นระบบประมวลผลที่ฝังตัวอยู่ในอุปกรณ์ต่างๆ เพื่อควบคุมการทำงานนั้นๆ ระบบประเภทนี้จะพบในเครื่องมืออิเล็คทรอนิกส์สมัยใหม่ ตู้เย็น เครื่องปรับอากาศ การจุดระเบิด ระบบเบรค ด้วยคอมพิวเตอร์

ซีพียู (CPU) และการประมวลผลข้อมูล

หน่วยประมวลผลกลางของคอมพิวเตอร์ หรือ ซีพียู (CPU) ซีพียูเป็นชิปสารกึ่งตัวนำตัวหนึ่งที่เป็นหัวใจการทำงานของคอมพิวเตอร์

คำว่า ชิป (chip) เป็นสารกึ่งตัวนำขนาดเล็ก ซึ่งภายในบรรจุวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ไว้มากมาย โดยวงจรประกอบด้วยทรานซีสเตอร์เป็นจำนวนมาก

หน่วยควบคุม (Control Unit)

หน่วยควบคุม เป็นตัวควบคุมอุปกรณ์ทั้งหมดภายในคอมพิวเตอร์ ควบคุมทิศทางการรับส่งข้อมูลต่างๆให้ทำงานได้ถูกต้อง ควบคุมขั้นตอนการทำคำสั่งของคอมพิวเตอร์ ควบคุมการประมวลผล และการใช้บัสต่างๆในการรับส่งข้อมูล

หน่วยประมวลผลทางคณิตศาสตร์และลอจิก (ALU)

วงจรในส่วนนี่จะทำหน้าที่ในการคำนวณต่างๆ ทางคณิตศาสตร์และทางลอจิก

ไซเคิลคำสั่ง (Machine Cycle)

จากที่กล่าวไว้แล้วว่าโปรแกรมเกิดจากการนำคำสั่งมาต่อเรียงกัน เมื่อคอมพิวเตอร์ทำงาน หน่วยควบคุมจะทำการอ่านคำสั่งต่างๆ โดยขั้นตอนการทำคำสั่งของซีพียูประกอบด้วยขั้นตอนการทำงานพื้นฐานสี่ขั้นตอน เรียกว่าไซเคิลคำสั่ง (machine cycle) ประกอบด้วย              1) fetching  2) decoding  3) executing และ 4) storing

รีจีสเตอร์ (Register)

หน่วยเก็บข้อมูลขนาดเล็กที่อยู่ภายในซีพียู มีความเร็วในการอ่านเขียนข้อมูลสูงเรียกว่า รีจีสเตอร์ ภายในซีพียูจะใช้รีจีสเตอร์นี้ในการเก็บข้อมูลและคำสั่งชั่วคราวเพื่อรอการประมวลผลต่อไป

สัญญาณนาฟิกาของระบบ (System Clock)

ระบบคอมพิวเตอร์จะใช้ crystal ขนาดเล็กเป็นตัวควบคุมสัญญาณนาฬิกาของระบบ โดยมีการออกแบบไว้ว่าขั้นตอนการทำงานหนึ่งๆ จะใช้สัญญาณนาฬิกากี่ลูก ถ้าหากสัญญาณนาฬิกาที่ป้อนเข้ามามีความถี่สูง ก็จะทำให้การทำงานนั้นๆ เร็วขึ้นด้วย

หน่วยความจำของคอมพิวเตอร์

หน่วยความจำ (memory) เป็นอุปกรณ์ที่สำคัญการทำงานของระบบคอมพิวเตอร์ ทำหน้าที่เป็นตัวพักข้อมูลที่ได้รับจากผู้ใช้ เพื่อส่งต่อไปยังหน่วยผลกลางอีกทีหนึ่ง ในระบบคอมพิวเตอร์มีหน่วยความจำอยู่หลายส่วน

1.หน่วยความจำหลัก ทำหน้าที่เก็บข้อมูลและโปรแกรมที่ซีพีกำลังประมวลผลอยู่ในขณะนั้น หน่วยความจำหลักแบ่งเป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ รอม (ROM) และแรม (RAM)                                                                                                                                                            – รอม (ROM) มาจากคำว่า Read Only Memory เป็นหน่วยความจำทีเก็บข้อมูลแบบถาวร (เปลี่ยนแปลงไม่ได้) ข้อมูลจะคงอยู่ตลอดไปแม้ในช่วงที่ปิดเครื่องไม่มีกระแสไฟฟ้ามาเลี้ยง ในเครื่องคอมพิวเตอร์จะใช้หน่วยความจำนี้เป็นโปรแกรมที่ควบคุมการทำงานของเครื่อง ที่เรียกว่ารอมไบออส (BIOS)                                                                                                                                                                     – แรม (RAM) มาจากคำว่า Random Access Memory ถ้าหากกล่าวถึงหน่วยความจำหลักของคอมพิวเตอร์มักจะนึกถึงหน่วยความจำประเภทแรมนี้ หน่วยความจำชนิดนี้เป็นหน่วยความจำที่ทำงานร่วมกับซีพียู ใช้พักข้อมูลชั่วคราว แต่ข้อมูลจะหายเมื่อมีการปิดเครื่อง

2.หน่วยความจำรอง หน่วยความจำรองใช้สำหรับเก็บคำสั่งและข้อมูลที่คอมพิวเตอร์ยังไม่ใช้ในทันทีทันใด แต่ต้องการใช้ในอนาคต หน่วยความจำสำรอง มีหลายชนิดขึ้นกับเทคโนโลยีที่ใช้ในการบันทึกข้อมูล ตัวอย่างของหน่วยความจำรองได้แก่ ฮาร์ดดิสก์ (harddisk) CD DVD USB flash drive

อุปกรณ์อินพุตเอาต์พุตของคอมพิวเตอร์

หน่วยรับเข้าและหน่วยส่งออกหรืออินพุตเอาต์พุตเป็นช่องทางหลักที่คอมพิวเตอร์ใช้ติดต่อกับผู้ใช้งาน โดยจะมีอุปกรณ์อินพุตเอาต์พุตประกอบอยู่ อุปกรณ์อินพุตจะเปลี่ยนปริมาณต่างๆ ที่ผู้ใช้คอมพิวเตอร์เข้าใจไปที่รหัสที่คอมพิวเตอร์สามารถเข้าใจได้ ส่วนอุปกรณ์เอาต์พุตจะเปลี่ยนสัญญาณที่คอมพิวเตอร์เข้าใจให้อยู่ในรูปแบบที่มนุษย์เข้าใจได้

1.อุปกรณ์อินพุต

อุปกรณ์อินพุต (input device) เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่รับข้อมูลและคำสั่งเข้าสู่คอมพิวเตอร์ โดยจะนำลักษณะของข้อมูลที่ถูกอินพุตเปลี่ยนไปเป็นสัญญาณที่คอมพิวเตอร์เข้าใจ ตัวอย่างของอุปกรณ์อินพุตได้แก่ คีย์บอร์ดหรือแป้นพิมพ์ เมาส์ ปากกาอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องสแกน เครื่องอ่านบาร์โค้ด เป็นต้น

2.อุปกรณ์เอาต์พุต

หลังจากที่คอมพิวเตอร์ประมวลผลแล้วต้องการแสดงสารสนเทศออกมา จะต้องแสดงออกทางเอาต์พุตซึ่งจะนำรหัสที่คอมพิวเตอร์ประมวลผลได้มาแสดงในรูปแบบที่มนุษย์เข้าใจ การแสดงผลของคอมพิวเตอร์ทำได้หลายรูปแบบ ได้แก่

– แสดงผลเป็นข้อความ (Text) ให้เอาต์พุตเป็นตัวอักษร ในรูปแบบของรายงาน ข่าวสารต่างๆ

– แสดงผลเป็นภาพ (Graphics) โดยให้ข้อมูลเป็นภาพ กราฟ ผังงานต่างๆ เป็นต้น

– แสดงผลเป็นเสียง (Audio) อาจเป็นเสียงเพลง เสียงประกอบเกม เป็นต้น

– แสดงผลเป็นวิดีโอ (Video) โดยแสดงเป็นไฟล์วิดีโอออกมาทางหน้าจอ

อุปกรณ์เอาต์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดได้แก่ จอภาพ และเครื่องพิมพ์ นอกจากนี้ยังมีเอาต์พุตแบบอื่นๆ อีกเช่น ลำโพง แฟกซ์ โมเด็ม