05 computer system
- 1. 001272 Introduction to Computer Information Science 1 การทํางานของคอมพิวเตอรการทํางานของคอมพิวเตอร วิชา 001272 คอมพิวเตอรสารสนเทศขั้นพื้นฐาน โดยภาควิชาวิทยาการคอมพิวเตอรและเทคโนโลยีสารสนเทศ คณะวิทาศาสตร มหาวิทยาลัยนเรศวร 1
- 2. 001272 Introduction to Computer Information Science 2 จุดประสงคการเรียนรูจุดประสงคการเรียนรู • ทราบถึงองคประกอบของระบบคอมพิวเตอร • เขาใจการทํางานรวมกันขององคประกอบตางๆในระบบคอมพิวเตอร 2
- 3. 001272 Introduction to Computer Information Science 3 ระบบคอมพิวเตอรระบบคอมพิวเตอร • ระบบคอมพิวเตอรประกอบดวย 5 องคประกอบที่สําคัญคือ 1. มนุษย (People) 2. ฮารดแวร (Hardware) 3. ซอฟตแวร (Software) 4. ขอมูล (Data) 5. การสื่อสาร (Communication) 3
- 4. 001272 Introduction to Computer Information Science 4 มนุษย (People)(People) • มนุษยเปนผูขับเคลื่อนใหเกิดการทํางานขึ้นในระบบคอมพิวเตอร • มนุษยเปนแหลงของขอมูลที่ถูกสงเขาไปประมวลผลในระบบ – เชน การปอนขอมูลเขาสูระบบ ดวย การพิมพ การสแกน หรือ การคลิกเลือกขอมูล • มนุษยเปนแหลงของเหตุการณที่ทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงของระบบคอมพิวเตอร – เชน การออกคําสั่งใหคอมพิวเตอรคํานวณขอมูล สั่งใหแสดงผล หรือ พิมพรายงาน • มนุษยเปนผูใชประโยชนจากผลลัพธที่เกิดขึ้นจากการทํางานของคอมพิวเตอร – เชน นําสารสนเทศที่ไดจากการประมวลผลมาใชในการตัดสินใจ • บทบาทของมนุษยที่มีตอระบบคอมพิวเตอรนั้นมีหลายบทบาท ไดแก เปนผูใช (Users) เปนผูพัฒนาระบบ (System Developer) หรือ เปนผูดูแลระบบ (System Administrators) 4
- 5. ฮารดแวรฮารดแวร (Hardware)(Hardware) • ฮารดแวรเปนองคประกอบของระบบคอมพิวเตอรที่เปนอุปกรณเชิงกายภาพ (Physical Devices) เราสามารถจับตองได • สามารถแบงกลุมตามหนาที่ในสวนของคอมพิวเตอรฮารดแวรไดออกเปน 5 หนวย ดังนี้ 1. หนวยรับขอมูล (Input Unit) 2. หนวยประมวลผล (Processing Unit) 3. หนวยแสดงผลขอมูล (Output Unit) 4. หนวยจัดเก็บขอมูล (Storage Unit) 5. หนวยตอประสาน (Connectivity)
- 7. ซอฟตแวรซอฟตแวร (Software)(Software) • ซอฟทแวรเปนกลุมของคําสั่งที่กําหนดการ ทํางานของฮารดแวร • ซอฟตแวรเปนสิ่งควบคุมใหคอมพิวเตอร ทํางานไดตามวัตถุประสงคที่เราตองการ • ซอฟทแวรแบงออกเปน 2 ประเภทคือ 1. ซอฟตแวรระบบ (System Software) ทํา หนาที่ควบคุมการทํางานขององคประกอบ ฮารดแวรตางๆ ใหสามารถทํางานรวมกัน ได 2. ซอฟทแวรประยุกต (Application Software) ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อทํางานตาม วัตถุประสงคการใชงานของผูใช 001272 Introduction to Computer Information Science 7
- 8. ขอมูลขอมูล (Data)(Data) • ขอมูล คือขอเท็จจริงที่เกิดขึ้นจากกิจกรรมตางๆ ในสิ่งแวดลอมของระบบ • ขอมูล จะถูกนําเขามาจัดเก็บและประมวลผล ในระบบคอมพิวเตอร • ขอมูลมีหลากหลายชนิด ไดแก 1. ขอมูลเชิงตัวเลข (Numeric Data) เชน จํานวนเต็ม หรือ จํานวนจริง 2. ขอมูลเชิงขอความ (Text Data) เชน ตัวอักขระ หรือ ขอความ 3. ขอมูลเสียง (Audio Data) เชน ไฟลเพลงชนิดตางๆ Wave, MIDI, MP3 4. ขอมูลภาพ (Images Data) เชน ไฟลภาพชนิดตางๆ Bitmap, JPEG, GIF 5. ขอมูลภาพเคลื่อนไหว (Video Data) เชน ไฟลวีดีชนิดตางๆ AVI, MPEG 001272 Introduction to Computer Information Science 8
- 9. การสื่อสารการสื่อสาร (Communication)(Communication) • คอมพิวเตอรที่ทํางานเพียงเครื่องเดียวถูกเรียกวา “Standalone computer” • ปจจุบันดวยเทคโนโยลีเครือขาย (Network technology) ทําใหคอมพิวเตอรสามารถ สื่อสารแลกเปลี่ยนขอมูลกันได จึงทําใหเกิดเปนโครงสรางของระบบเครือขาย คอมพิวเตอร (Computer network) ขึ้น • ระบบเครือขายคอมพิวเตอร ทําใหการประยุกตใชคอมพิวเตอรมีความหลากหลาย และเกิดประโยชนมากยิ่งขึ้น (ติดตามเนื้อหาเกี่ยวกับระบบเครือขายในบทถัดไป) 001272 Introduction to Computer Information Science 9
- 10. การทํางานของคอมพิวเตอร • ในสวนนี้เปนการอธิบายถึงวิธีการทํางานของคอมพิวเตอรในหัวขอ ตอไปนี้ – วิธีการแปลงสัญญาณของคอมพิวเตอร – วิธีการแทนขอมูลของคอมพิวเตอร – วิธีการสื่อสารขอมูลของคอมพิวเตอร – วิธีการเก็บขอมูลของคอมพิวเตอร – วิธีการประมวลผลของคอมพิวเตอร – วิธีการเชื่อมตอกับอุปกรณภายนอก
- 11. วิธีการแปลงสัญญาณของคอมพิวเตอร • สัญญาณที่มีอยูทั่วไปตามธรรมชาติ เชน เสียง ไฟฟา หรือคลื่นแมเหล็กไฟฟา จะมี ลักษณะของสัญญาณเปน “คลื่น แบบตอเนื่อง” เรียกวา สัญญาณอนาล็อก (Analog Signal) • คอมพิวเตอรมีวิธีการประมวลผลสัญญาณ ในแบบสัญญาณดิจิตอล (Digital Signal) ซึ่งลักษณะของสัญญาณจะมีเพียงสอง สถานะคือ เปดและปด (On/Off) – สัญญาณดิจิตอลจะแทนสัญลักษณของ สถานะ เปดดวย 1 และสถานะปดดวย 0 1 0 1 0 1 0
- 12. วิธีการแปลงสัญญาณของคอมพิวเตอร • ขอมูลสัญญาณที่เปนอนาล็อกจะตองถูกแปลงเปนสัญญาณแบบดิจิตอลเพื่อนําเขาไป ประมวลผลในคอมพิวเตอร • ขอมูลสัญญาณที่เปนดิจิตอลก็จะถูกแปลงกลับเปนสัญญาณอนาล็อกเพื่อแสดงผลสูภายนอก • คอมพิวเตอรจะมีตัวแปลงสัญญาณ 2 ชนิดที่แปลงสัญญาณระหวางอนาล็อกและดิจิตอล – Analog-Digital Converter (ADC) แปลงจากอนาล็อกเปนดิจิตอล – Digital-Analog Converter (DAC) แปลงจากดิจิตอลเปนอนาล็อก ADC CPU DAC01011001 11100101
- 13. วิธีการแทนขอมูลของคอมพิวเตอร • ขอมูลทางคอมพิวเตอรมีหลายประเภท เชน จํานวน ขอความ ภาพ หรือ เสียง • เมื่อนําขอมูลเหลานั้นไปประมวลผลในคอมพิวเตอรจําเปนตองทําการ เขารหัส แบบดิจิตอลเพื่อแทนขอมูลเดิม และจะตองมีการแปลรหัสจากรหัสดิจิตอลกลับคืน สภาพเดิม
- 14. วิธีการแทนขอมูลของคอมพิวเตอร • ตัวอยางการแทนขอมูล – ตองการนําเลขจํานวนเต็มที่มีคา 12 ไปเก็บในหนวยความจําของคอมพิวเตอร – ถาหนวยความจําที่ใชเก็บมีขนาด 8 bits – เราใชวิธีการแปลงเลขฐานในการแทนขอมูลชนิดจํานวน – จากเนื้อหาในบทที่แลวเราทราบวา 12 = 11002 – ดังนั้นเลข 12 จะถูกแทนดวย 00001100ในหนวยความจํา • เชนเดียวกัน ถาเราอานขอมูล 00001100 จากหนวยความจําและเรา ตองการแปลความหมายของรหัสนี้เปนจํานวนเต็ม เราสามารถทราบได วารหัสนี้คือ 12
- 15. วิธีการสื่อสารขอมูลของคอมพิวเตอร • องคประกอบตางๆ ของคอมพิวเตอรจําเปนตองมีการสื่อสารระหวางกัน ดังนั้นจําเปนตองมี หนวยตอประสานเปนตัวกลางในการเชื่อมตอ • แผงวงจรหลักที่ทําหนาที่เปนหนวยตอประสานภายในคอมพิวเตอรคือ เมนบอรด (Mainboard) CPU RAM Harddisk
- 16. วิธีการสื่อสารขอมูลของคอมพิวเตอร • บนเมนบอรดจะมีชองทางการสื่อสารที่เรียกวา BUS ซึ่งทําหนาที่เปนตัวกลางการ สื่อสารสัญญาณระหวางองคประกอบตางๆ ของคอมพิวเตอร BUS ภาพจาก www.rmutphysics.com
- 17. วิธีการสื่อสารขอมูลของคอมพิวเตอร • รูปแบบการสงสัญญาณของคอมพิวเตอร –สงสัญญาณแบบอนุกรม (Serial Transmission) • สัญญาณถูกสงตามลําดับ • สงสัญญาณไปครั้งละ 1 สัญญาณตอ 1 รอบการสง –สงสัญญาณแบบขนาน (Parallel Transmission) • สงสัญญาณไปพรอมๆกัน • สงหลายสัญญาณตอ 1 รอบการสง
- 18. วิธีการสื่อสารขอมูลของคอมพิวเตอร • สงสัญญาณแบบอนุกรม (Serial Transmission) –สงไดแคครั้งละ 1 –ใชสายสัญญาณเพียงเสนเดียว Receiver Sender 1 0 1 0 รอบที่ 1 2 3 4
- 19. วิธีการสื่อสารขอมูลของคอมพิวเตอร • สงสัญญาณแบบขนาน (Parallel Transmission) –สงไดครั้งละหลายสัญญาณ –ใชสายสงเปนจํานวนมาก Receiver Sender 1 0 1 0 รอบที่ 1
- 20. วิธีการสื่อสารขอมูลของคอมพิวเตอร • ประสิทธิภาพในการสื่อสารขอมูลขึ้นอยูกับ – ความกวางของ BUS • เชน BUS ขนาด 32 bits สามารถสงขอมูลแบบขนานไดครั้งละ 32 สัญญาณ – ความถี่ของ BUS • เชน BUS ที่มีความถี่ 650 MHz สามารถสงขอมูลได 650 ลานรอบตอวินาที
- 21. วิธีการเก็บขอมูลของคอมพิวเตอร • คอมพิวเตอรจะมีการเก็บขอมูล 2 ลักษณะ – เก็บแบบลบเลือนได • คือการเก็บขอมูลไวในหนวยความจําหลัก เชน RAM หรือ Cache • ขอมูลมูลจําเปนตองมีไฟฟารักษาสภาพอยูตลอดเวลา • ขอมูลจะลบเลือนไปเมื่อทําการปดเครื่อง – เก็บแบบไมลบเลือน • คือการเก็บไวในสื่อบันทึกขอมูล เชน Disk, CD, หรือ Flash Memory • ขอมูลยังรักษาสภาพอยูไดบนสื่อบันทึก ถึงแมไมมีไฟฟา
- 22. หนวยของขอมูลคอมพิวเตอร • Bit คือหนวยที่เล็กที่สุดของขอมูลดิจิตอล ซึ่งอาจจะเปนสถานะทางฟาหรือแมเหล็กหรือรหัสที่มีสองสถานะคือ On/Off ซึ่งอาจแทนดวยสัญลักษณ 0/1 • Byte = 8 bits • 1 KB = 1024 Byte • 1 MB = 1024 KB = 1024x1024 Byte • 1 GB = 1024 MB = 1024x1024x1024 Byte • 1 TB = 1024 GB = 1024x1024x1024x1024 Byte 1 0 0 1 0 1 1 0 1 Byte
- 23. วิธีการเก็บขอมูลของคอมพิวเตอร • หนวยความจําของคอมพิวเตอรมีความจุที่จํากัด เชน – Harddisk มีความจุประมาณที่ 1 TB – DVD มีความจุประมาณที่ 4 - 5 GB – RAM มีความจุประมาณที่ 2 – 4 GB • ถาขอมูลมีปริมาณมากกวาความจุของหนวยความจํา ขอมูลนั้นก็ไม สามารถจัดเก็บในหนวยความจําไดทั้งหมด • ถาไฟลภาพยนตร 1 เรื่องมีขนาด 3 GB แลว Harddisk ขนาด 1 TB จะ เก็บภาพยนตรไดจํานวนกี่เรื่อง?
- 24. วิธีการประมวลผลของคอมพิวเตอร • คอมพิวเตอรประมวลผลตามคําสั่งที่กําหนด ไวในโปรแกรม (ซอฟตแวร) • ปกติโปรแกรมจะถูกติดตั้งไวที่สื่อบันทึก ขอมูล เชนติดตั้งไวบน Harddisk • โปรแกรมจะถูกโหลดเขาไปยัง หนวยความจําหลักเมื่อมีการเรียกใชงาน • CPU จะทําการอานคําสั่งจากหนวยความจํา หลักเพื่อไปประมวลผล • ดังนั้นการประมวลผลของคอมพิวเตอรจึงมี สื่อบันทึกขอมูล หนวยความจําหลัก และ ซีพียู ที่จะทํางานเกี่ยวของกันเสมอ CPU RAM Harddisk Bus Bus โหลดโปรแกรม โหลดคําสั่ง ประมวลผล
- 25. วิธีการประมวลผลของคอมพิวเตอร • การทํางานของ CPU – CPU ใชวิธีการแบบการทําซ้ําๆที่ เรียกวา machine cycle เพื่อประมวลผล คําสั่งในโปรแกรมตั้งแตตนจนจบโดย ทําทีละ 1 คําสั่ง – Machine cycle ประกอบดวย 3 ขั้นตอนคือ Fetch, Decode, และ Execute machine cycle
- 26. วิธีการประมวลผลของคอมพิวเตอร 001272 Introduction to Computer Information Science 26 • Fetch เปนขั้นตอนที่หนวยควบคุมสั่งใหระบบทําการคัดลอกคําสั่งถัดไปและนําไปเก็บไวใน instruction register (ภายใน CPU) ตําแหนงที่อยูของคําสั่งดังกลาวจะเก็บไวใน program counter register หลังจากการคัดลอกคําสั่งแลว คาของ program counter จะเพิ่มขึ้นอีก 1 เพื่ออางอิงถึง คําสั่งถัดไปในหนวยความจํา • Decode เปนขั้นตอนที่หนวยควบคุมตีความหมายของคําสั่งที่อยูใน instruction register ผลลัพธที่ ไดจะเปนรหัสไบนารี่ (binary code) ที่แทนการกระทํา (Actions) ที่คอมพิวเตอรจะตองทํา • Execute เปนขั้นตอนที่หนวยควบคุม (Control Unit: CU) สงสัญญาณควบคุมไปยังหนวยอื่น เพื่อ สั่งใหกระทําการตาม รหัสไบนารี่ ที่ตามความไดจากขั้นตอน Decode กอนหนานี้ – เชนหนวยควบคุมบอกใหหนวยรับขอมูลทําการอานขอมูลจากหนวยความจํา – หรือให ALU ทําการบวกเลข 2 จํานวนที่เก็บอยูใน input registers แลวเก็บผลลัพธไวใน output register
- 27. วิธีการประมวลผลของคอมพิวเตอร • ความเร็วในการประมวลผลของ CPU พิจารณา จากถามถี่ของสัญญาณนาฬิกา (Clock) ซึ่งเปน สัญญาณคอยกํากับจังหวะการทํางานของ CPU • ปจจุบันความถี่สัญญาณนาฬิกาของ CPU อยูที่ ประมาณ 3 GHz (ประมาณ 3 พันลานรอบตอ วินาที) • สมมุติให CPU ใช 1 จังหวะของ Clock ทําการ ประมวลผลคําสั่ง 1 คําสั่ง หมายความวา CPU สามารถประมวลผลคําสั่งได ประมาณ 3 พันลานคําสั่งตอวินาที • CPU ในปจจุบันเปนแบบ Multi-core Processor เชน Dual Core หรือ Quad Core ซึ่งสามารถ ประมวลผลคําสั่งไดแบบขนาน หมายถึง ประมวลผลคําสั่งไดหลายคําสั่งพรอมๆกัน www.techspot.com
- 28. ประสิทธิภาพการทํางานของคอมพิวเตอร • ประสิทธิภาพการทํางานของคอมพิวเตอรไมไดขึ้นอยูกับประสิทธิภาพของ CPU เพียงอยางเดียว แตขึ้นอยู กับทุกๆองคประกอบที่ทํางานสัมพันธกัน ไดแก CPU , RAM, BUS, Harddisk และอุปกรณตอพวงอื่นๆ • ปญหาเกี่ยวกับประสิทธิภาพการทํางานของเครื่องคอมพิวเตอรในปจจุบันคือ ปญหาคอขวด (Bottleneck) ถึงแมวา CPU จะมีความเร็วในการประมวลผลสูง แตขอมูลที่จะประมวลผลนั้นตองนํามาจาก RAM และ สงผาน BUS ซึ่งมีอัตราเร็วที่ต่ํากวา CPU มาก จึงทําให CPU จะตองเสียเวลาในการรอขอมูล • และถา RAM มีขนาดเล็กไมเพียงพอตอการเก็บขอมูลที่จะประมวลผล ระบบปฏิบัติการจะใชพื้นที่บน Harddisk สรางเปนหนวยความจําเสมือน (Virtual Memory) ซึ่งการอานขอมูลจาก Harddisk มา ประมวลผลก็ยิ่งชาลงไปอีก CPU RAM 3 GHz 650 MHz BUS
- 29. ประสิทธิภาพการทํางานของคอมพิวเตอร • เพื่อใหประสิทธิภาพของการทํางาน โดยรวมดีขึ้น จึงไดนําหนวยความจําที่มี ความเร็วในการเขาถึงสูงเรียกวา Cache มาใชเปนตัวกลางระหวาง CPU และ RAM • หลักการคือ นําขอมูลหรือคําสั่งที่ใช บอยๆ ไปเก็บไวใน Cache เมื่อ CPU ทํา การอานขอมูลเพื่อนําไปประมวลผลก็จะ ไปอานขอมูลจาก Cache กอน ถาขอมูล ไมมีใน Cache จึงจะไปอานจาก RAM และ Disk ตามลําดับตอไป ALUCU registers Cache (Level 1) CPU Cache (Level 2) RAM Harddisk
- 30. วิธีการเชื่อมตอกับอุปกรณภายนอก • อุปกรณภายนอกไดแก Mouse, Keyboard, Printer, Scanner และอื่นๆ • คอมพิวเตอรสามารถเชื่อมตอกับอุปกรณภายนอกไดโดยผานสวนเชื่อมตอที่ เรียกวา Port • Port มีหลายลักษณะ – Serial Port – Parallel Port – USB port – Infrared Port (Wireless) – อื่นๆ 001272 Introduction to Computer Information Science 30
- 31. วิธีการเชื่อมตอกับอุปกรณภายนอก • ปจจุบันพอรท USB (Universal Serial Bus) เปนที่นิยมนํามาใหใชคอมพิวเตอรและ อุปกรณตอพวงตางๆ • USB มีความเร็วถึง 400 Mbits/s และจะมี ความเร็วสูงขึ้นในรุนตอไป • USB สามารถตออุปกรณไดมากสุดถึง 127 ชิ้น โดยใช HUB กระจายสัญญาณ จึงทําให สามารถเพิ่มพอรทในการเชื่อมตอไดมาก ขึ้น • สามารถใชกับระบบ Plug and Play คือ เมื่อ ติดตั้ง อุปกรณเขาไปอุปกรณนั้นๆจะ สามารถทํางานไดทันที 001272 Introduction to Computer Information Science 31 USB Hub
- 32. วิธีการเชื่อมตอกับอุปกรณภายนอก • อุปกรณภายนอกที่เชื่อมตอกับคอมพิวเตอรสามารถทํางานรวมกับ CPU และ RAM ไดโดยอาศัยตัวควบคุม (Controller) ทําหนาที่เปนตัวกลางรับสงสัญญาณ • ดังนั้นการทํางานของอุปกรณเหลานี้จึงเปนอิสระจาการควบคุมของ CPU • และ CPU ไมจําเปนตองติดตอกับอุปกรณเหลานี้โดยตรง เพราะอุปกรณเหลานี้มี ความเร็วที่ต่ํากวา CPU มาก
- 33. คําถามทายบท 1. ถามีไฟลขอมูลขนาด 1 MB และจะตองสงขอมูลนี้ผานบัสที่มีความกวาง 32 บิต และมีความถี่ในการสง 650 MHz จะตองใชเวลาประมาณเทาใด จึงจะสงไฟลนี้เสร็จ 2. RAM จัดเปนหนวยความจําประเภทใด ก. แบบเลอะเลือนได ข. แบบลบเลือนได ค. แบบไมลบเลือน ง. แบบเลอะเทอะ 3. ซอฟตแวรสามารถติดตั้งไวที่ใด ก. Harddisk ข. RAM ค. ROM ง. ถูกขอ ก. และ ค.
- 34. เอกสารอางอิง • 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/