ไมโครโปรเซสเซอร์เป็นหน่วยประมวลผลหลักของคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ ซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบและฟังก์ชันของ หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ไว้ในวงจรรวม (IC) ตัวเดียว หรือไอซีที่เชื่อมต่อกันหลายตัว

เช่นเดียวกับซีพียู ไมโครโปรเซสเซอร์มักถูกมองว่าเป็น "สมอง" ของคอมพิวเตอร์ ต่างจากซีพียูแบบดั้งเดิม ไมโครโปรเซสเซอร์ผสานรวมวงจรเลขคณิต ตรรกะ และวงจรควบคุมของซีพียูแบบดั้งเดิมเข้าไว้เป็นวงจรดิจิทัลอเนกประสงค์ที่ขับเคลื่อนด้วยสัญญาณนาฬิกาและรีจิสเตอร์

แม้ว่าคำว่า CPU และไมโครโปรเซสเซอร์มักจะถูกใช้แทนกัน แต่โดยพื้นฐานแล้วไมโครโปรเซสเซอร์คือ CPU แบบออลอินวันบนชิปตัวเดียว การออกแบบชิปตัวเดียวนี้ช่วยลดจำนวนการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่เสี่ยงต่อความเสียหาย เพิ่มความน่าเชื่อถือโดยการลดจุดที่อาจเกิดความล้มเหลว ดังนั้น ไมโครโปรเซสเซอร์จึงเกือบจะเข้ามาแทนที่ CPU แบบหลายส่วนประกอบแบบดั้งเดิมได้อย่างสมบูรณ์

ก่อนที่จะมีไมโครโปรเซสเซอร์ คอมพิวเตอร์ใช้แร็คไอซีเพื่อทำงานฟังก์ชันการประมวลผลหลักของคอมพิวเตอร์ ในปี พ.ศ. 2514 การเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญเกิดขึ้นในเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยการเปิดตัว Intel 4004 ซึ่งเป็นไมโครโปรเซสเซอร์ตัวแรกที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ อุปกรณ์อันล้ำสมัยนี้ ออกแบบโดยเฟเดริโก แฟกกิน ไม่ใช่แค่การตอบสนองต่อคำขอไมโครชิป 12 ตัวสำหรับเครื่องคิดเลขจากบริษัท Busicom ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สัญชาติญี่ปุ่นเท่านั้น แต่ยังเป็นช่วงเวลาสำคัญที่ปฏิวัติวิธีคิดของเราเกี่ยวกับการประมวลผล เนื่องจาก Intel แทนที่จะผลิตชิปเดี่ยว 12 ตัว กลับสร้างอุปกรณ์ลอจิกอเนกประสงค์ขึ้นมา

สถาปัตยกรรม Intel 4004 มีกำลังต่ำกว่ามาตรฐานปัจจุบัน โดยทำงานที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกา 740 kHz และสามารถประมวลผลข้อมูลได้สูงสุดเพียง 4 บิต หรือที่เรียกว่า "นิบเบิล" แม้ว่า 4004 จะมีประสิทธิภาพต่ำกว่าไมโครโปรเซสเซอร์ 8 บิต ถึง 64 บิตในปัจจุบัน แต่ก็ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในวงการวงจรไฟฟ้า ดังคำทำนายของกฎของมัวร์ การพัฒนาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์อย่างรวดเร็วนำไปสู่การพัฒนาประสิทธิภาพการประมวลผลครั้งใหญ่ ไมโครโปรเซสเซอร์นี้ผลิตโดยซัพพลายเออร์ชั้นนำ เช่น Intel และ Pentium และใช้งานโดยบริษัทเทคโนโลยีชั้นนำทั้งหมด เช่น IBM®, Microsoft และ Apple ไมโครโปรเซสเซอร์นี้ขับเคลื่อนระบบและแอปพลิเคชันนับพัน ตั้งแต่รีโมตคอนโทรลทีวีไปจนถึงสถานีอวกาศนานาชาติ

ไมโครโปรเซสเซอร์ทำงานอย่างไร?

ไมโครโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ขนาดเล็ก ตัวต้านทาน และไดโอดหลายล้านตัวที่ประกอบขึ้นจาก วัสดุ เซมิคอนดักเตอร์ เพื่อสร้างส่วนประกอบสำคัญของซีพียู ส่วนประกอบเหล่านี้ถูกจัดเรียงเป็นสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์เฉพาะประเภทต่างๆ เพื่อดำเนินการคำนวณและรันคำสั่ง ฟังก์ชันของไมโครโปรเซสเซอร์โดยทั่วไปสามารถแบ่งได้เป็นสี่ขั้นตอนหลัก

ขั้นตอนไมโครโปรเซสเซอร์ที่สำคัญ

1. ดึงข้อมูล: ไมโครโปรเซสเซอร์จะดึงข้อมูล (หรือ "ดึงข้อมูล") คำสั่งจากหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ กระบวนการดึงข้อมูลสามารถเริ่มต้นได้โดยการป้อนข้อมูลอัตโนมัติหรือด้วยตนเอง
2. ถอดรหัส: ไมโครโปรเซสเซอร์จะ "ถอดรหัส" คำสั่ง โดยแปลความหมายอินพุตหรือคำสั่งเป็นคำขอและเริ่มกระบวนการหรือการคำนวณที่เฉพาะเจาะจง
3. ดำเนินการ: พูดง่ายๆ ก็คือ ไมโครโปรเซสเซอร์จะดำเนินการตามที่จำเป็นหรือร้องขอ
4. ร้านค้า: ผลลัพธ์ของการดำเนินการจะถูกบันทึกลงในหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์

ส่วนประกอบไมโครโปรเซสเซอร์

ไมโครโปรเซสเซอร์สามารถดำเนินกระบวนการเหล่านี้ให้เสร็จสมบูรณ์ได้โดยการรวมส่วนประกอบหลักของ CPU เข้าเป็นวงจรเดียว ส่วนประกอบสำคัญของไมโครโปรเซสเซอร์มีดังต่อไปนี้:

• หน่วยตรรกะเลขคณิต (ALU): หน่วยตรรกะหลักของ CPU ส่วนประกอบนี้ทำการดำเนินการทางตรรกะ รวมถึงการคำนวณทางคณิตศาสตร์และการเปรียบเทียบข้อมูล
• หน่วยควบคุม (CU): วงจร CU ทำหน้าที่ตีความคำสั่งและเริ่มดำเนินการ รวมถึงควบคุมการทำงานพื้นฐานของโปรเซสเซอร์
• รีจิสเตอร์: รีจิสเตอร์เป็นหน่วยเก็บข้อมูลขนาดเล็กและรวดเร็วที่ใช้โดย CPU เพื่อเก็บข้อมูลและคำสั่งชั่วคราวในระหว่างกระบวนการคำนวณ
• หน่วยความจำแคช: ไมโครโปรเซสเซอร์และซีพียูใช้หน่วยความจำแคช ซึ่งเป็นหน่วยความจำความเร็วสูงที่อยู่ใกล้กับซีพียู เพื่อจัดเก็บข้อมูลที่เข้าถึงบ่อยครั้งเพื่อเร่งประสิทธิภาพการทำงาน
• บัสและอินเทอร์เฟซบัส: อินเทอร์เฟซบัสเป็นจุดเข้าและออกสำหรับข้อมูลที่จะเดินทางผ่านกลุ่มสายต่างๆ (เรียกว่าบัส) เช่น บัสแอดเดรสหรือบัสข้อมูล บัสและอินเทอร์เฟซเชื่อมต่อส่วนประกอบภายในต่างๆ เข้าด้วยกันทางกายภาพ ช่วยให้การสื่อสารภายใน CPU และอุปกรณ์ต่อพ่วงอื่นๆ เช่น หน่วยอินพุต/เอาต์พุต (I/O) เป็นไปได้และสะดวกยิ่งขึ้น
• ทรานซิสเตอร์: หนึ่งในองค์ประกอบหลักของไอซี ทรานซิสเตอร์เป็นสารกึ่งตัวนำขนาดเล็กที่ควบคุม ขยาย และสร้างกระแสไฟฟ้าและสัญญาณ นอกจากนี้ยังสามารถทำหน้าที่เป็นสวิตช์อย่างง่ายหรือรวมกันเป็นเกตตรรกะ จำนวนทรานซิสเตอร์เป็นตัวบ่งชี้ทั่วไปของกำลังของไมโครโปรเซสเซอร์
• คอร์โปรเซสเซอร์: หน่วยประมวลผลแต่ละหน่วยภายในไมโครโปรเซสเซอร์เรียกว่าคอร์ โปรเซสเซอร์สมัยใหม่มักประกอบด้วยคอร์หลายคอร์ (ดูอัลคอร์, ควอดคอร์) ซึ่งช่วยให้สามารถประมวลผลแบบขนานได้ โดยทำให้สามารถทำงานหลายอย่างพร้อมกันได้
• สัญญาณนาฬิกา: แม้ว่าไมโครโปรเซสเซอร์ทั้งหมดจะไม่มีสัญญาณนาฬิกาภายใน แต่ทั้งหมดก็ขับเคลื่อนด้วยสัญญาณนาฬิกา บางตัวใช้ชิปสัญญาณนาฬิกาภายนอก ซึ่งขึ้นชื่อเรื่องความแม่นยำที่เหนือกว่า ไม่ว่าจะเป็นแบบภายในหรือภายนอก รอบสัญญาณนาฬิกาของไมโครโปรเซสเซอร์จะเป็นตัวกำหนดความถี่ในการสั่งงาน ความเร็วสัญญาณนาฬิกาในปัจจุบันวัดเป็นเมกะเฮิรตซ์ (MHz) และกิกะเฮิรตซ์ (GHz)

สถาปัตยกรรมไมโครโปรเซสเซอร์

สถาปัตยกรรมของไมโครโปรเซสเซอร์หมายถึงวิธีการออกแบบและการจัดระบบต่างๆ ของส่วนประกอบ CPU ต่างๆ ของโปรเซสเซอร์ องค์ประกอบทางสถาปัตยกรรมหลักของไมโครโปรเซสเซอร์มีดังนี้:

• สถาปัตยกรรมชุดคำสั่ง (ISA): ISA ของไมโครโปรเซสเซอร์กำหนดชุดคำสั่งที่โปรเซสเซอร์สามารถดำเนินการได้ สถาปัตยกรรม ISA เช่น Reduced Instruction Set Computer (RISC) และ Complex Instruction Set Computer (CISC) นำเสนอวิธีการต่างๆ สำหรับการประมวลผลข้อมูล โดยให้ประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และความเร็วที่แตกต่างกัน เหมาะสำหรับการใช้งานประเภทต่างๆ
• เส้นทางข้อมูล: เส้นทางข้อมูลของไมโครโปรเซสเซอร์กำหนดลำดับที่ข้อมูลเคลื่อนผ่านส่วนประกอบของไมโครโปรเซสเซอร์ (บัส, ALU, รีจิสเตอร์) ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพโดยรวม
• เส้นทางควบคุม: คล้ายกับเส้นทางข้อมูล องค์ประกอบเส้นทางควบคุมของสถาปัตยกรรมไมโครโปรเซสเซอร์จะสั่งการลำดับการดำเนินการและจัดการการส่งข้อมูลภายใน CPU
• ลำดับชั้นหน่วยความจำ: ลำดับชั้นหน่วยความจำเป็นส่วนประกอบสำคัญของสถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์ โดยให้โครงสร้างสำหรับหน่วยความจำในระดับต่างๆ (แคช รีจิสเตอร์ แรม ) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเข้าถึงข้อมูลและความเร็วในการเรียกค้นข้อมูล

ประเภทและกรณีการใช้งานของไมโครโปรเซสเซอร์

ไมโครโปรเซสเซอร์มีหลากหลายรูปแบบ ทั้งในด้านกำลัง ประสิทธิภาพ วิธีการทางสถาปัตยกรรม ขนาด การใช้พลังงาน และตัวแปรอื่นๆ อีกมากมาย และออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่หลากหลาย ไมโครโปรเซสเซอร์สำหรับใช้งานทั่วไปมักพบในคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลและอุปกรณ์พกพา ในขณะที่หน่วยประมวลผลประสิทธิภาพสูงเฉพาะทาง เช่น หน่วยประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) ออกแบบมาสำหรับงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูง เช่น การประมวลผลเสียง เสียงพูด วิดีโอ และภาพ

ต่อไปนี้เป็นประเภทหลักบางส่วนของไมโครโปรเซสเซอร์

ไมโครโปรเซสเซอร์เอนกประสงค์

• ไมโครโปรเซสเซอร์อเนกประสงค์เหล่านี้พบได้ในแอปพลิเคชันและอุปกรณ์ทั่วไปมากมาย เช่น แล็ปท็อปและเซิร์ฟเวอร์‍

ไมโครคอนโทรลเลอร์

• แม้ว่าจะถูกต้องกว่าหากจะกล่าวว่า ไมโครคอนโทรลเลอร์ มีไมโครโปรเซสเซอร์ แต่ชิปประเภทนี้ยังมีส่วนประกอบเพิ่มเติมทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการทำงานของคอมพิวเตอร์ นั่นคือหน่วยความจำในตัว ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำงานเหมือนไมโครคอมพิวเตอร์และเป็นที่นิยมใช้สำหรับควบคุมองค์ประกอบเฉพาะภายในระบบคอมพิวเตอร์แบบฝังตัว ไมโครคอนโทรลเลอร์ขนาดเล็กและใช้พลังงานต่ำไม่จำเป็นต้องใช้ระบบปฏิบัติการที่ซับซ้อนในการทำงาน และมักถูกใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้กับหน่วยควบคุมเครื่องยนต์ (ECU) ระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) และหน่วยอินโฟเทนเมนต์ รวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคหลากหลายประเภท และแม้แต่ระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม

โปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัล (DSP)

• DSP มีความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านการคำนวณตัวเลขความเร็วสูง และมักใช้สำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น การประมวลผลเสียง การสื่อสารโทรคมนาคม และการประมวลผลภาพ นอกจากนี้ยังอาจพบได้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการการตีความสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล เช่น เซ็นเซอร์สภาพอากาศ DSP มักถูกใช้ในงานทางทหาร เช่น โดรนตรวจการณ์ และเครื่องบินไร้คนขับอื่นๆ

วงจรรวมเฉพาะแอปพลิเคชัน (ASICs)

• ไมโครโปรเซสเซอร์ ASIC ออกแบบมาเพื่องานเฉพาะด้านและปรับแต่งให้ตรงตามความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชันต่างๆ ตัวอย่างของไมโครโปรเซสเซอร์ ASIC ได้แก่ ชิปเฉพาะสำหรับเครื่องเล่นเกม หรือการขุดคริปโทเคอร์เรนซี DSP, GPU และไมโครโปรเซสเซอร์เฉพาะทางประเภทอื่นๆ ก็จัดอยู่ในกลุ่ม ASIC เช่นกัน

หน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU)

• ไมโครโปรเซสเซอร์ GPU ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงในการเรนเดอร์วิดีโอและกราฟิกดิจิทัล ซึ่งต้องการประสิทธิภาพการทำงานที่สูงและการประมวลผลแบบขนาน ไมโครโปรเซสเซอร์ GPU ประสิทธิภาพสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการเล่นเกมระดับไฮเอนด์ นอกจากนี้ยังนิยมใช้กันทั่วไปในการขุดคริปโทเคอร์เรนซีและเป็นที่รู้จักในเรื่องการใช้พลังงานสูง

โปรเซสเซอร์เครือข่าย

• ไมโครโปรเซสเซอร์ ASIC ชนิดหนึ่งที่ได้รับการปรับแต่งโดยเฉพาะสำหรับการประมวลผลแพ็คเก็ตข้อมูลเครือข่ายซึ่งใช้บ่อยที่สุดในสวิตช์โทรคมนาคม เราเตอร์ และอุปกรณ์รักษาความปลอดภัยเครือข่าย

โคโปรเซสเซอร์

• โคโปรเซสเซอร์ เช่น หน่วยจุดลอยตัว (FPU) ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้การสนับสนุนเสริมแก่ CPU หลักของระบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในระหว่างงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น การคำนวณทางวิทยาศาสตร์ขั้นสูงหรือสูตรคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน