Wannachai Wannasawade Department of Computer Education Faculty of Technical Education, KITNB

1. Microprocessor System & Design Wannachai Wannasawade Department of Computer Education Faculty of Technical Education, KITNB

2. Parallel processor Artificial intelligence 3-D graphics ประวัติความเป็นมาของไมโครโพรเซสเซอร์ Babbage's analytical machine Von Neumann's Stored program Firs turret data - processing machine Pascal's desk calculator Abacus First transistorized computer Jacquard's automatic loom First electronic digital computer Integrated circuits Microprocessor invented B.C. COMPUTER TREND ENIAC IBM 360 microprocessor 32 - bit 1642 1801 1833 1890 1949 1964 B.C. 1959 1985 1947 1906 1938 1971 1800 ELECTRONIC TREND 1989 1954 1970 1978 1957 Battery 1946 Static electricity 1854 Mainframe processor 1990s MATHEMATICAL TREND B.C. First high - level language Microprocessor 16 - bit Vacuum tube invented Transistor invented LSI circuits Number systems Boolean algebra Mechanical Electrical Microprocessor

3. กว่าที่จะมาเป็นทุกวันนี้ : เกิดจากความคิดที่จะใช้เครื่องคำนวณ ที่ทำงานได้ด้วยมือมนุษย์ ด้วยการใช้งานที่เป็นระบบตัวเลขง่าย ๆ เช่น เลขฐานสิบ เลขฐานสอง และเลขฐานสิบหก โดยที่เครื่องจักรเครื่องแรกที่ใช้ระบบตัวเลขคือ ลูกคิด(Abacus) ซึ่งมีใช้งานก่อนคริสต์กาลและยังใช้มาจนถึงปัจจุบัน

4. 1642 Calculating machine : มีผู้คิดค้นและผลิตเครื่องคิดเลขแบบตั้งโต๊ะ (desk Calculator) เครื่องแรกขึ้นโดย Blaise Pascal โดยสามารถใช้งานในการบวกและลบเลขซึ่งใช้ระบบฟันเฟือง ซึ่งมีความเที่ยงตรงมาก และแนวความคิดที่จะใช้เครื่องจักรนี้ได้ลดลง แต่ชื่อของ Blaise Pascal ยังคงใช้เป็นชื่อของโปรแกรมภาษาคอมพิวเตอร์ ระดับสูงในปัจจุบัน

5. 1801 Automatic loom : • John Jacquard มีความคิดที่จะปฏิวัติงานทางค้านอุตสาหกรรม และต้องการที่จะติดตั้งเครื่องคอมพิวเตอร์เพื่อใช้ในงานอุตสาหกรรม • ใช้ระบบ Punched cards (IBM card) เป็นรูปแบบที่ใช้งานเพื่อควบคุมการทำงานของเครื่องคอมพิวเตอร์

6. 1833 Analytical engine : • CharlesBabbage ผู้ที่ได้ชื่อว่าบิดาแห่งเครื่องคอมพิวเตอร์แบบดิจิตอล • เครื่อง analyticalengine ได้พัฒนาเพื่อใช้ในการคำนวณและพิมพ์ตารางคณิตศาสตร์ • แนวทางในการจัดเก็บโปรแกรมควบคุมการทำงาน (Stored-programconcept)

7. 1854 Boolean algebra : • ผู้ที่คิดค้นคือ George Boole • ใช้สัญญาลักษณ์แทนโดยเรียกว่า Boolean algebra • Digital Electronics

8. 1890 Electric tabulating machine : Herman Hollerith เป็นผู้พัฒนาเครื่องประมวลผลข้อมูลเป็นเครื่องแรก

9. 1906 Vacuum tube : • Lee De Forest คิดค้นหลอดไทรโอด • ทำงานได้เร็วขึ้นจาก Second เป็น Millisecond

10. 1938 Electronic digital computer : • John V Atanasoft กำหนดรูปแบบพื้นฐานสำหรับหน่วยความจำของเครื่องคอมพิวเตอร์ และ logic • สร้างเครื่องคอมพิวเตอร์แบบดิจิตอลที่ใช้หลอดสูญญากาศเป็นเครื่องแรก

11. 1946 The large-scale electronic digital computer : • "ENIAC (Electronic Numbering Integrator And Calculating)“ • large-scale electronic digital • ใช้หลอดสุญญากาศ 18,000 หลอด • น้ำหนัก 30 ตัน • พื้นที่ในการติดตั้ง 1,500 ตารางฟุต • กินกำลังไฟฟ้า 130,000 watt • ใช้เวลาในการคำนวณการคูณเลขสองจำนวน ใช้เวลา 3 millisecond ยกเลิกการใช้งานในปี 1955

12. 1949 Stored program computer : "EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator)" ขึ้นอยู่กับผู้ควบคุมการป้อนคำสั่งให้กับเครื่อง ซึ่งมีผลต่อการปฏิบัติงาน John von Neuman ได้นำระบบ stored-program ของ Babbage มาใช้โดยป้อนคำสั่งเข้าไปเก็บในหน่วยความจำของเครื่องคอมพิวเตอร์ และจากหลักการ stored-program พัฒนาเครื่องคอมพิวเตอร์เครื่องแรกที่ใช้หลักการนี้ขึ้นในเดือน พฤษภาคม ค.ศ 1949

13. 1954 Transistorized computer : • วิจัยและพัฒนาอุปกรณ์ประเภท solid-state โดยกลุ่มที่พัฒนาได้แก่ John Bardeen, W.H. Barttain และ W.B. Shockley โดยทำการวิจัยและพัฒนาที่ห้องทดลองของ Bell Laboratories • ปี 1947 อุปกรณ์ประเภท Transistor • ปี 1954 เรียกว่า “TRADIC (TRAnsistor DIgital Computer)” • ปี 1960 เครื่องคอมพิวเตอร์ที่ใช้ transistors โดยมีความสามารถเหมือนกับเครื่องที่ใช้หลอดสูญญากาศทุกประการ และมีขนาดที่เล็กกว่าราคาต่ำกว่า

14. 1957 High-level language : • ปี 1957 ทีมวิจัยและพัฒนาของ IBM นำโดย John Backus ได้พัฒนาให้ใช้สัญญาลักษณ์แทนแล้วให้เครื่องคอมพิวเตอร์ทำการแปล (Compile) เป็นคำสั่งภาษาเครื่อง และในปีนี้เองได้มีการพัฒนาภาษาระดับสูงโดยเรียกว่า "FORTRAN (FORmula TRANslation)” • ปี 1960 ได้มีการพัฒนาภาษาระดับสูงขึ้นมาอีกโปรแกรมหนึ่งเรียกว่า "COBOL (COmmon Business-Oriented Language)"

15. 1959 Integrated circuit : เป็นการประยุกต์ใช้งาน transistors เพื่อบรรจุลงในชิพซิลิกอน โดยใช้รอยต่อระหว่างสาร N และสาร P

16. 1964 Integrated circuit computer : ในวันที่ 7 เมษายน ค.ศ. 1964 บริษัท IBM ได้แนะนำเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ใช้เทคโนโลยี Integrated circuit ซึ่งเป็นเครื่อง Mainframe เครื่องแรกโดยใช้ชื่อว่า System/360 :ซึ่งสามารถที่จะเพิ่มอุปกรณ์ทาง input/output และ Auxiliary Storage Device ได้

17. 1970 large-scale integrated circuit (LSI) : เป็นการสร้างชิพที่มีการรวม transistors จำนวน 15,000 ตัวเข้าไว้ในชิพซิลิกอนเพียงชิพเดียวจึงทำให้เครื่องคอมพิวเตอร์มีขนาดลดลง

18. 1971 era of the microprocessor : • "Microprocessor“ พื้นฐานเป็น 4 bit LSI • ปัจจุบันเป็น X-86 และ X-64 ที่มีขนาด 64 bit SLSI (Super Large-ScaleIntegrated circuit)

19. Microprocessor ขนาด 4 Bit เกิดขึ้นในปี 1971 บริษัท Intel โดย Marcian E. Hoff ได้คิดค้น Micro-processor ตัวแรกขึ้นมา โดยตั้งชื่อว่า 4004 ซึ่งเป็น Microprocessor ที่มีขนาด 4 Bit โดยเป็นการรวมส่วนต่าง ๆ ไว้ภายในตัวถังเดียวกัน ซึ่งประกอบด้วย หน่วยความจำขนาด 4 Bit จำนวน 4,096 ตำแหน่ง คำสั่งที่แตกต่างกัน 45 คำสั่ง ซึ่งเป็นพื้นฐานในการพัฒนา Microprocessor ในปัจจุบัน การใช้งาน 4004 ใช้งานในด้าน Video Games และ Microprocessor Base Controller ขนาดเล็ก

20. Microprocessor ขนาด 8 Bit • ปี 1971 ทีมวิศวกรของ บริษัท Intel ได้คิดค้น Microprocessor ที่มีขนาด 8 Bit ตัวแรก คือ 8008 มีหน่วยความจำขนาด 16K x 8 Bit ชุดคำสั่ง 48 คำสั่ง • ปี 1973 บริษัท Intel ได้พัฒนา 8080 เป็นต้นแบบของ Microprocessor ขนาด 8 Bit โดยมีความเร็วในการประมวลผลเร็วขึ้น 10 เท่าของ 8008 • ปี 1977 บริษัท Intel ได้พัฒนา 8085 ให้มีความสามารถสูงกว่า 8080 โดยให้มีส่วนการสร้างสัญญาณนาฬิกา และ System Control ไว้ภายในตัวถังเดียวกัน

21. ตารางสรุปไมโครโพรเซสเซอร์ขนาด 8 Bits Manufacturer Part Number Fairchild F-8 Intel 8080 MOS Technology 6502 Motorola MC6800 National Semiconductor IMP-8 Rockwell International PPS-8

22. Microprocessor ขนาด 16 Bit ในปี 1978 บริษัท Intel ได้พัฒนา 8086 และหลังจากนั้นอีก 1 ปี ได้พัฒนา 8088 ซึ่งเป็น Microprocessor ขนาด 16 Bit และมีขนาดของหน่วยความจำ 1MByte 8 Bit หรือ 512 word 16 bit ซึ่งมีความเร็วในการประมวลผลและขนาดของหน่วยความจำที่มากกว่า 8086 และ 8088 การพัฒนา Microprocessor ขนาด 16 bit ไม่ได้หยุดอยู่ที่ 8086 หรือ 8088 แต่ได้มีการพัฒนาไปเป็น 80186 ซึ่งมีความสามารถโดยจะพบในเครื่อง Personal Computer โดยมีความสามารถควบคุมการใช้งาน Hard Disk หรือการติดต่อสื่อสารต่าง ๆ ต่อมาได้มีการพัฒนามาเป็น 80286 ซึ่งมีความสามารถสูงขึ้น สามารถอ้างตำแหน่งของหน่วยความจำสูงสุดได้ 16MByte มีความเร็วในการประมวลผล 8 MIPS (Millions Instructions Per Second) ใช้สัญญาณนาฬิกา 16 MHz

23. ตารางสรุปข้อมูลของไมโครโพรเซสเซอร์ตระกูล Intel PartNumberDataBusWidthMemorySize 8048 8 2 K internal 8051 8 8 K internal 8085A 8 64 K 8086 16 1 M 8088 8 1 M 8096 16 8 K internal 80186 16 1 M 80188 8 1 M 80286 16 16 M

24. Microprocessor ขนาด 32 Bit ในปัจจุบันการพัฒนา Microprocessor มีขนาด 32 bit ใช้สัญญาณนาฬิกาที่ความถี่ 33 MHz สำหรับ 80386 และ 66 MHz สำหรับ 80486 ในรุ่น 80486 จะมี Math Coprocessor ด้วย (เฉพาะรุ่นที่ลงท้ายด้วย DX หรือสูงกว่า) สามารถประมวลผลได้ 54 MIPs และ Microprocessor รุ่นต่อไปคือ Pentium มีความสามารถในการประมวลผล 100 MIPs และขนาดของข้อมูล 64 bit และในปัจจุบันเป็น Itanium ซึ่งใช้เทคโนโลยีของ IA-64

25. หน้าที่หลักของไมโครโพรเซสเซอร์ คืออะไร ? การประมวลผลข้อมูล (Process Data)

26. ลักษณะที่แตกต่างกันของไมโครโพรเซสเซอร์ลักษณะที่แตกต่างกันของไมโครโพรเซสเซอร์ • ขนาดของข้อมูลที่ไมโครโพรเซสเซอร์สามารถประมวลผลได้ เช่น 8 Bits 16 Bits 32 Bits หรือ 64 Bits • ขนาดของหน่วยความจำที่ ไมโครโพรเซสเซอร์ สามารถอ้างถึงได้ เช่น 64Kbyte 1Mbyte หรือ 4Gbyte • ความเร็วในการประมวลผลข้อมูล (Fetch/Execute) • จำนวนรีจีสเตอร์ที่ใช้งาน • ชนิดและจำนวนของคำสั่งที่ใช้งาน • อุปกรณ์ที่สนับสนุน • ความสามารถในการตอบสนองต่อระบบงาน • ความสามารถในการพัฒนาทาง Hardware

27. ตัวอย่างการใช้งานไมโครโพรเซสเซอร์ขนาด 4 Bits • ของเด็กเล่น • เครื่องคำนวณ • ควบคุมเครื่องจักร • อุปกรณ์ประกอบคอมพิวเตอร์

28. ตัวอย่างการใช้งานไมโครโพรเซสเซอร์ขนาด 8 Bits • ของเด็กเล่นต่าง ๆ เช่น Video Games • เครื่องวัดสัญญาณต่าง ๆ • ควบคุมเครื่องจักรในงานอุตสาหกรรม • อุปกรณ์ประกอบคอมพิวเตอร์เช่น VGA Card, MODEM

29. โครงสร้างทั่วไป

30. System Architecture

31. ตัวอย่าง Microprocessor ของ Intel. MicroprocessorDataWidth (bits) AddressWidthClock (MHz) 8086 16 20 5 8088 8 20 5 80186 16 20 6 80286 16 24 8 80386DX 32 32 16 80386SX 16 24 16 80386SL 16 25 16 80486DX 32 32 25 80486SX 32 32 20

32. ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับ “ ไมโครโพรเซสเซอร์” • ประเภทของ ไมโครโพรเซสเซอร์ • RISC (Reduce Instruction Set Computer) • CISC (Complex Instruction Set Computer)

33. RISC vs CISC CISC • Most mainframes and PCs have CISC instruction sets • A single instruction can do several actions • Intel Pentium chips are CISC RISCarchitectures started in the late 80’s • Workstations, some mainframes, and some PCs • Make instruction sets simpler • Since a single instruction is simpler, it takes more instructions to do the same thing as a CISC computer can do in 1 instruction, but each individual instruction can be done more quickly • PowerPC chips are RISC

34. RISC vs CISC • One major difference between RISC and CISC is the ease by which a program can be parallelized • In a complex instruction set, it might take more than 1 cycle to complete 1 instruction and so a pipeline tends to stall • It is easier to execute a set of simple instructions on a pipeline, superscalar or parallel processor • In the past, most RISC processors used pipelines and few CISC processors did • The Pentium architecture however implements a superscalar pipeline, thus providing great speedup over earlier Intel architectures • Today, we find the line between RISC and CISC blurred as both are using features regularly found in the other

35. ตัวย่อที่ควรรู้จัก SISD : Single Instruction Single Data SIMD: SingleInstructionMultipleData MISD: MultipleInstructionSingleData MIMD: MultipleInstructionMultipleData

36. SISD : Single Instruction Single Data • Single processing unit receiving a single instruction stream that operates on a single stream of data • The control unit emits one instruction that operates on a datum obtained from the memory unit • Invented by “John von Neumann” in the last 1940s. An algorithm that runs on a SISD computer is said sequential (or serial)

37. SIMD : Single Instruction Multiple Data • Consist of N identical processorseach with its own local memory where it can store data. • All processors work under the control of a single instruction stream issued by a central control unit. • The processors operate synchronously: at each step, all processors execute the same instruction on a different data element.

38. SIMD : Single Instruction Multiple Data

39. MISD : Multiple Instruction Single Data • N processors, each with its own control unit, share a common memory unit. • One data element received from memory is processed by all processors . • Each according to the instructions received from its control unit. • The processors do different things on the same data. 

40. MISD : Multiple Instruction Single Data

41. MIMD: Multiple Instruction Multiple Data • Most general and most powerful • There are N processors, N streams of instructions and N streams of data. • Each processor owns its control unit and its local memory, making them more powerful than those used in SIMD computers. • Each processor operates under the control of an instruction stream issued by its control unit. • All executing different programs on different data while solving different sub problems of a single problem.

42. MIMD: Multiple Instruction Multiple Data

43. การประยุกต์ใช้งาน Microprocessor ปัจจุบันการใช้งาน Microprocessor มีอยู่ 3 แบบ คือ 1. Micro-controllers 2. Peripheral control processors 3. Microcomputer system

44. Micro-controllers Micro-controllers เป็นอุปกรณ์ประเภท Single-chip computer ประกอบด้วยส่วนต่าง ๆ ภายในตัวถังเดียวกัน ซึ่งภายในตัวถังประกอบด้วย CPU, ROM, RAM และส่วนติดต่ออุปกรณ์ภายนอก การใช้งานจะใช้ไฟเลี้ยงเพียง +5 โวลท์ เช่น 8051 เป็น chip ที่ประกอบด้วย ROM ขนาด 4K RAM ขนาด 128 Byte และมีสายสัญญาณติดต่อกับภายนอก 32 เส้น เป็นต้น

45. Peripheral Control Processor เป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบให้เชื่อมต่อกับไมโครโพรเซสเซอร์ที่ใช้งานทั่วไป ซึ่งภายในตัวถังจะมีลักษณะคล้ายกับ Micro-controllers แต่การใช้งานมีข้อแตกต่างกันออกไป โดยที่ Peripheral Control Processor ออกแบบมาเพื่อใช้งานเกี่ยวกับการประมวลผล I/O โดยใช้ Host Processor โดยทั่วไปแล้วจะใช้เป็น Terminal เป็นส่วนใหญ่

46. Microcomputer System ใช้งานหลากหลายเช่น คอมพิวเตอร์ส่วนบุคลในทางการศึกษา ทางธุรกิจ ทางการทหาร เป็นต้น หรือเป็น Engineering Workstations ซึ่งใช้ในการออกแบบ CAM (Computer Aided Manufacturing) CAD (Computer Aided Designed) และ CAE (Computer Aided Engineering)