บทที่1 เรื่อง การทำงานของระบบคอมพิวเตอร์

บทที่ 1 การทำงานของระบบคอมพิวเตอร์

ความหมายของคอมพิวเตอร์

.คอมพิวเตอร์ คือ เครื่องมือหรืออุปกรณ์คอมพิวเตอร์ (computer นิยมอ่านในภาษาไทยว่า คอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ ที่มีความสามารถในการคำนวณอัตโนมัติตามคำสั่ง ส่วนที่ใช้ประมวลผลเรียกว่าหน่วยประมวลผล ชุดของคำสั่งที่ระบุขั้นตอนการคำนวณเรียกว่าโปรแกรมคอมพิวเตอร์ ผลลัพธ์ที่ได้ออกมานั้นอาจเป็นได้ทั้ง ตัวเลข ข้อความ รูปภาพ เสียง หรืออยู่ในรูปอื่น ๆ อีกมากมาย

.....ลักษณะทางกายภาพของคอมพิวเตอร์นั้นมีหลากหลาย มีทั้งขนาดที่ใหญ่มากจนต้องใช้ห้องทั้งห้องในการบรรจุ และขนาดเล็กจนวางได้บนฝ่ามือ การจัดแบ่งประเภทของคอมพิวเตอร์สามารถจัดแบ่งได้ตามขนาดทางกายภาพเป็นสำคัญ ซึ่งมักจะแปลผันกับประสิทธิภาพความเร็วในการประมวลผล โดยขนาดคอมพิวเตอร์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเรียกว่า ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ใช้กับการคำนวณผลทางวิทยาศาสตร์ ขนาดรองลงมาเรียกว่า เมนเฟรม มักใช้ในบริษัทขนาดใหญ่ที่ต้องมีการประมวลผลธุรกรรมทางธุรกิจจำนวนมากๆ สำหรับคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่ใช้ในระดับบุคคลเรียกว่า คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล และคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลที่พกพาได้เรียกว่า คอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก ส่วนคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่สามารถวางบนฝ่ามือได้เรียกว่า พีดีเอ อย่างไรก็ตามคอมพิวเตอร์มีใช้กันอย่างกว้างขวางมาก ซึ่งมีอุปกรณ์หลายๆชนิดได้นำคอมพิวเตอร์ไปใช้เป็นกลไกหลักในการทำงาน เช่น 

กล้องดิจิทัล เครื่องเล่นเอ็มพีสาม หรือในรถยนต์เองก็มีคอมพิวเตอร์ที่ใช้ช่วยในการตรวจสอบระบบการทำงานของเครื่องยนต์

อนาล็อกคอมพิวเตอร์ (Analog Computer)

อนาล็อกคอมพิวเตอร์ (analog computer) เป็นเครื่องคำนวณอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ได้ใช้ค่าตัวเลขเป็นหลักของการคำนวณ แต่จะใช้ค่าระดับแรงดันไฟฟ้าแทน ไม้บรรทัดคำนวณ อาจถือเป็นตัวอย่างหนึ่งของอนาล็อกคอมพิวเตอร์ ที่ใช้ค่าตัวเลขตามแนวความยาวไม้บรรทัดเป็นหลักของการคำนวณ โดยไม้บรรทัดคำนวณจะมีขีดตัวเลขกำกับอยู่ เมื่อไม้บรรทัดหลายอันมรประกบรวมกัน การคำนวณผล เช่น การคูณ จะเป็นการเลื่อนไม้บรรทัดหนึ่งไปตรงตามตัวเลขของตัวตั้งและตัวคูณของขีดตัวเลขชุดหนึ่ง แล้วไปอ่านผลคูณของขีดตัวเลขอีกชุดหนึ่งอนาล็อกคอมพิวเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์จะใช้หลักการทำนองเดียวกัน โดยแรงดันไฟฟ้าจะแทนขีดตัวเลขตามแนวยาวของไม้บรรทัด อนาล็อกคอมพิวเตอร์จะมีลักษณะเป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่แยกส่วนทำหน้าที่เป็นตัวกระทำและเป็นฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ จึงเหมาะสำหรับงานคำนวณทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่อยู่ในรูปของสมการคณิตศาสตร์ เช่น การจำลองการบิน การศึกษาการสั่งสะเทือนของตึกเนื่องจากแผ่นดินไหว ข้อมูลตัวแปรนำเข้าอาจเป็นอุณหภูมิความเร็วหรือความดันอากาศ ซึ่งจะต้องแปลงให้เป็นค่าแรงดันไฟฟ้า เพื่อนำเข้าอนาล็อกคอมพิวเตอร์ผลลัพธ์ที่ได้ออกมาเป็นแรงดันไฟฟ้าแปรกับเวลาซึ่งต้องแปลงกลับไปเป็นค่าของตัวแปรที่กำลังศึกษา ในปัจจุบันไม่ค่อยพบเห็นอนาล็อกคอมพิวเตอร์เท่าไรนักเพราะผลการคำนวณมีความละเอียดน้อย ทำให้มีขีดจำกัดใช้ได้กับงานเฉพาะบางอย่างเท่านั้น

ดิจิตอลคอมพิวเตอร์(Digital Computer)

          คอมพิวเตอร์ที่พบเห็นทั่วไปในปัจจุบัน จัดเป็นดิจิตอลคอมพิวเตอร์แทบจะทั้งหมด ดิจิตอลคอมพิวเตอร์เป็นเครื่องคำนวณอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานเกี่ยวกับตัวเลข มัหลักการคำนวณที่ไม่ใช่แบบไม้บรรทัดคำนวณ แต่เป็นแบบลูกคิด โดยแต่ละหลักของลูกคิดคือ หลักหน่วย หลักสิบ หลักร้อย และสูงขึ้นไปเรื่อยๆ เป็นระบบเลขฐานสิบที่แทนตัวเลขจากศูนย์ถึงเก้าได้สิบตัวตามระบบตัวเลขที่ใช้ในชีวิตประจำวัน
          ค่าตัวเลขของการคำนวณในติจิตอลคอมพิวเตอร์จะแสดงเป็นหลักเช่นเดียวกันแต่จะเป็นระบบเลขฐาน 2 ที่มีสัญลักษณ์ตัวเลขเพียง 2 ตัว คือเลข 0 กับเลข 1 เท่านั้น โดยสัญลักษณ์ตัวเลขทั้งสองตัวนี้จะแทนลักษณะการทำงานภายในซึ่งเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ต่างกัน การคำนวณภายในดิจิตอลคอมพิวเตอร์จะเป็นการประมวลผลด้วยระบบเลขฐานสองทั้งหมด ดังนั้น เลขฐานสิบที่เราใช้และคุ้นเคยจะถูกแปลงไปเป็นระบบเลขฐานสองเพื่อการคำนวณภายในคอมพิวเตอร์ ผลลัพธ์ที่ได้ก็ยังคงเป็นเลขฐานสองอยู่ ซึ่งคอมพิวเตอร์จะแปลงเลขฐานสองให้เป็นเลขฐานสิบเพื่อแสดงผลให้ผู้ใช้เข้าใจ

ชนิดของคอมพิวเตอร์

 

พัฒนาการทางคอมพิวเตอร์ได้ก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็วและต่อเนื่อง จากอดีตเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้หลอดสุญญากาศขนาดใหญ่ ใช้พลังงานไฟฟ้ามาก และอายุการใช้งานต่ำ เปลี่ยนมาใช้ทรานซิสเตอร์ที่ทำจากชินซิลิกอนเล็ก ๆ ใช้พลังงานไฟฟ้าต่ำ และผลิตได้จำนวนมาก ราคาถูก ต่อมาสามารถสร้างทรานซิสเตอร์จำนวนหลายแสนตัวบรรจุบนชิ้นซิลิกอนเล็ก ๆ เป็นวงจรรวมที่เรียกว่า ไมโครชิป (microchip) และใช้ไมโครชิปเป็นชิ้นส่วนหลักที่ประกอบอยู่ในคอมพิวเตอร์ ทำให้ขนาดของคอมพิวเตอร์เล็กลงไมโครชิปที่มีขนาดเล็กนี้สามารถทำงานได้หลายหน้าที่ เช่น ทำหน้าที่เป็นหน่วยความจำสำหรับเก็บข้อมูล ทำหน้าที่เป็นหน่วยควบคุมอุปกรณ์รับเข้าและส่งออก หรือทำหน้าที่เป็นหน่วยประมวลผลกลาง ที่เรียกว่า ไมโครโพรเซสเซอร์ ไมโครโพรเซสเซอร์ หมายถึงหน่วยงานหลักในการคิดคำนวณ การบวกลบคูณหาร การเปรียบเทียบ การดำเนินการทางตรรกะ ตลอดจนการสั่งการเคลื่อนข้อมูลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง หน่วยประมวลผลกลางนี้เรียกอีกอย่างว่า ซีพียู (Central Processing Unit : CPU) การพัฒนาไมโครชิปที่ทำหน้าที่เป็นไมโครโพรเซสเซอร์มีการกระทำอย่างต่อเนื่องทำให้มีคอมพิวเตอร์รุ่นใหม่ ๆ ที่ดีกว่าเกิดขึ้นเสมอ จึงเป็นการยากที่จะจำแนกชนิดของคอมพิวเตอร์ออกมาอย่างชัดเจน เพราะเทคโนโลยีได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว ขีดความสามารถของคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กอาจมีประสิทธิภาพสูงกว่าคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ แต่อย่างไรก็ตามพอจะจำแนกชนิดคอมพิวเตอร์ตามสภาพการทำงานของระบบเทคโนโลยีที่ประกอบอยู่และสภาพการใช้งานได้ดังนี้

    1.ไมโครคอมพิวเตอร์(Micro Computer)
    2. สถานีงานวิศวกรรม(Engineering Workstation)
    3. มินิคอมพิวเตอร์(Mini Computer)
    4. เมนเฟรมคอมพิวเตอร์(Mainframe Computer)
    5. ซูปเปอร์คอมพิวเตอร์หรือคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง(Super Computer)

ไมโครคอมพิวเตอร์

เป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ที่มีขนาดเล็ก ที่ใช้งานส่วนบุคคล หรือเรียกว่า พีซี (Personal Computer :PC) สามารถใช้เป็นเครื่องต่อเชื่อมในเครือข่าย หรือใช้เป็นเครื่องปลายทาง (Terminal) ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นเพียงอุปกรณ์รับและแสดงผลสำหรับป้อนข้อมูลและดูผลลัพธ์โดยการกำเนินงานประมวลผลบนเครื่องบนเครือข่าย สามารถแบ่งแยกไมโครคอมพิวเตอร์ตามขนาดของเครื่องได้ดังนี้

1. คอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะ(Desktop Computer) เป็นไมโครคอมพิวเตอร์ที่มีขนาดเล็กถูกออกแบบมาตั้งบนโต๊ะ มีการแยกชิ้นส่วนประกอบเป็น ซีพียู จอภาพ และแผงแป้นอักขระ

 
2. โน๊ตบุ๊กคอมพิวเตอร์(Notebook Computer)
เป็นไมโครคอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพในการทำงานเทียบเท่ากับคอมพิวเตอร์แบบตั้งโต๊ะ แต่จะมีความสะดวกในการพกพาไปใช้งานนอกสถานที่มากกว่า ซึ่งโน๊ตบุ๊กในปัจจุบันมีน้ำหนักเบาประมาณ 1.25-2.5 กิโลกรัมเท่านั้น



3. ปาล์มท็อปคอมพิวเตอร์ (palmtop computer) เป็นไมโครคอมพิวเตอร์สำหรับทำงานเฉพาะอย่าง เช่น เป็นพจนานุกรม เป็นสมุดจดบันทึกประจำวัน บันทึกการนัดหมายและการเก็บข้อมูลบางอย่างที่สามารถพกพาไปได้สะดวก มีขนาดเล็กมากสามารถใส่ในกระเป๋าเสื้อได้ ปัจจุบันมีฟังชั่นในการทำงานสูงมากพอๆ กับโน๊ตบุ๊ก และคอมพิวเตอร์แบบตั้งโต๊ะ

สถานีงานวิศวกรรม

                 ผู้ที่ใช้สถานีงานวิศวกรรมส่วนใหญ่เป็น วิศวกร นักวิทยาศาสตร์ สถาปนิกและนักออกแบบ สถานีวิศวกรรมมีจุดเด่นทางด้านกราฟิก การสร้างรูปภาพ และการทำภาพเคลื่อยนไหว การเชื่อมโยงสถานีงานวิศวกรรมรวมกันเป็นเครือข่าย ทำให้สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลและใช้งานร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

               สถานีวิศวกรรมส่วนใหญ่ใช้ระบบปฏิบัติการยูนิกซ์ประสิทธิภาพของซีพียูของระบบอยู่ในช่วง 50-100 ล้านคำสั่งต้อวินาที อย่างไรก็ตามหลังจากที่ใช้ซีพียูแบบริสก์ก็สามารถเพิ่มขีดความสามารถเชิงคำนวณของซีพียูสูงขึ้นได้อิก ทำให้สร้างสถานีงานวิศวกรรมให้มีขีดความสามารถเชิงคำนวณได้มากกว่า 100 ล้านคำสั่งต่อวินาที

มินิคอมพิวเตอร์

เป็นเครื่องที่สามารถใช้งานได้พร้อมกันหลายๆ คน จึงเป็นเครื่องปลายทางต่อได้ มินิคอมพิวเตอร์เป็นคอมพิวเตอร์ที่มีราคาสูงกว่าสถานีงานวิศวกรรม นำมาใช้สำหรับการประมวลผลในงานสาระสนเทศขององค์กรขนาดกลาง จนถึงองค์การขนาดใหญ่ 

               มินิคอมพิวเตอร์เป็นอุปกรณ์ในระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์ขององค์การที่เรียกว่าเครื่องให้บริการ(server) มีหน้าที่ให้บริการช่วยในการคำนวณ และการสื่อสาร

เมนเฟรมคอมพิวเตอร์

เมนเฟรมคอมพิวเตอร์เป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ที่มีการพัฒนามาตั้งแต่เริ่มแรก เหตุที่เรียกว่า เมนเฟรมคอมพิวเตอร์เพราะตัวเครื่องประกอบด้วยตู้ขนาดใหญ่ที่ภายในตู้มีชิ้นส่วนและอุปกรณ์ต่าง ๆ อยู่เป็นจำนวนมาก แต่อย่างไรก็ตามในปัจจุบันเมนเฟรมคอมพิวเตอร์มีขนาดลดลงมาก

เมนเฟรมเป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ที่มีราคาสูงมาก มักอยู่ที่ศูนย์คอมพิวเตอร์หลักขององค์การ และต้องอยู่ในห้องที่มีการควบคุมอุณหภูมิและมีการดูแลรักษาเป็นอย่างดี

บริษัทผู้ผลิตเมนเฟรมได้พัฒนาขีดความสามารถของเครื่องให้สูงขึ้น ข้อเด่นของการใช้เมนเฟรมอยู่ที่งานที่ต้องการให้มีระบบศูนย์กลาง และกระจายการใช้งานไปเป็นจำนวนมาก เช่น ระบบเอทีเอ็มซึ่งเชื่อมต่อกับฐานข้อมูลที่จัดการโดยเครื่องเมนเฟรม อย่างไรก็ตามขนาดของเมนเฟรมและมินิคอมพิวเตอร์ก็ยากที่จะจำแนกจากกันให้เห็นชัด

ปัจจุบันเมนเฟรมได้รับความนิยมน้อยลง ทั้งนี้เพราะคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กมีประสิทธิภาพและความสามารถดีขึ้น ราคาถูกลง ขณะเดียวกันระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์ก็ดีขึ้นจนทำให้การใช้งานบนเครือข่ายกระทำได้เหมือนการใช้งานบนเมนเฟรม

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เป็นเครื่องคอมพิวเตอร์ที่เหมาะกับงานคำนวณที่ต้องมีการคำนวณตัวเลขจำนวนหลายล้านตัวภายในเวลาอันรวดเร็ว เช่น งานพยากรณ์อากาศ ที่ต้องนำข้อมูลต่าง ๆ เกี่ยวกับอากาศทั้งระดับภาคพื้นดิน และระดับชึ้นบรรยากาศเพื่อดูการเคลื่อนไหวและการเปลี่ยนแปลงของอากาศ งานนี้จำเป็นต้องใช้เครื่องคอมพิวเตอร์ที่มีสมรรถนะสูงมาก นอกจากนี้มีงานอีกเป็นจำนวนมากที่ต้องใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ซึ่งมีความเร็วสูง เช่น งานควบคุมขีปนาวุะ งานควบคุมทางอวกาศ งานประมวลผลภาพทางการแพทย์ งานด้านวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะทางด้านเคมี เภสัชวิทยา และงานด้านวิศวกรรมการออกแบบ

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทำงานได้เร็ว และมีประสิทธิภาพสูงกว่าคอมพิวเตอร์ชนิดอื่น การที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ทำงานได้เร็ว เพราะมีการพัฒนาให้มีโครงสร้างการคำนวณพิเศษ เช่นการคำนวณแบบขนานที่เรียกว่า เอ็มพีพี (Massively Parallel Processing : MPP) ซึ่งเป็นการคำนวณที่กระทำกับข้อมูลหลาย ๆ ตัวในเวลาเดียวกัน

หลักการทำงานของคอมพิวเตอร์

• หลักการทำงานเบื้องต้นของระบบคอมพิวเตอร์ เริ่มจากผู้ใช้ทำการกรอกข้อมูลหรือคำสั่งผ่านทางอุปกรณ์รับข้อมูล
  (Input Devices) ซึ่งข้อมูลหรือคำสั่งต่างๆที่รับเข้ามาจะถูกนำไปเก็บไว้ที่หน่วยความจำหลัก (Memory) จากนั้นก็จะถูกนำไปประมวลผลโดยหน่วยประมวลผลกลาง (Central Processing) แล้วนำผลที่ได้จากการประมวลผลมาเก็บไว้ในหน่วยความจำแรม พร้อมทั้งแสดงออกทางอุปกรณ์แสดงผล (Output Devices) ดังนั้นระบบคอมพิวเตอร์จึงประกอบด้วย 4 ส่วนด้วยกัน ได้แก่ ส่วนอุปกรณ์รับข้อมูล ส่วนประมวลผลกลาง หน่วยความจำ และอุปกรณ์แสดงผล

คอมพิวเตอร์มีหลักการทำงานอยู่ 4 ขั้นตอนดังรูปข้างล่าง

1. รับข้อมูล คอมพิวเตอร์จะรับข้อมูลและคำสั่งผ่านอุปกรณ์นำเข้าข้อมูลและคำสั่ง คือ คีย์บอร์ด เมาส์ และสแกนเนอร์ เป็นต้น

• 2. ประมวลผลข้อมูล หรือ CPU (Central Processing Unit) ใช้คำนวณและประมวณผลคำสั่งต่างๆ ตามโปรแกรมที่กำหนด

3.การจัดเก็บข้อมูล คอมพิวเตอร์จะจับเก็บข้อมูลลงในอุปกรณ์ที่เก็บข้อมูล  เพื่อให้สามารถนำมาใช้ใหม่ได้ในอนาคต  เช่น ฮาร์สดิสก์ ซึ่งหน่วยความจำสามารถแบ่งออกได้ 2 ประเภท คือ

3.1 หน่วยความจำหลัก

3.1.1 หน่วยความจำแบบลบเลือนได้  คือหากเกิไฟดับระหว่างการใช้งาน ข้อมูลจะหายไป เรียกว่า แรม

(3.1.2) หน่วยความจำแบบลบเลือนไม่ได้ คือ หน่วยความจำถาวร แม้ไฟจะดับข้อมูลก็จะยังอยู่เหมือนเดิม เรียกว่า รอม (ROM)

• 3.2 หน่วยความจำสำรอง คือ หน่วยความจำที่ช่วยให้คอมพิวเตอร์สามารถเก็บข้อมูลได้มากขึ้น
  ได้แก่ ฮาร์ดดิสก์ ดิสเกตด์ แผ่นซีดี และอุปกรณ์เก็บข้อมูลชนิดพอร์ต ยูเอสบี

• 
  
  

• 4. แสดงผลข้อมูล เมื่อทำการประมวลผลแล้ว คอมพิวเตอร์จะแสดงผลลัพธ์ผ่านอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่แสดงข้อมูล เช่น หากเป็นรูปภาพกราฟิกก็จะแสดงผลทางจอภาพ ถ้าเป็นงานเอกสารก็จะแสดงผลทางเครื่องพิมพ์ หรือหากเป็นในรูปแบบของเสียงก็จะแสดงผลออกทางลำโพง เป็นต้น