สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์

**สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์** เป็นทฤษฎีที่อยู่ฉากหลังของการออกแบบคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปหมายถึง การออกแบบ
* โครงสร้างของหน่วยประมวลผลกลาง (ซึ่งก็คือ การออกแบบจำนวนเรจิสเตอร์ที่จำเป็น และหน้าที่ที่จำเป็นของ หน่วยควบคุมกับหน่วยประมวลผลตัวเลข)
* ชุดของคำสั่งเครื่อง และการอ้างหน่วยความจำ
* เทคนิคอื่น ๆ เช่น การประมวลผลแบบไปป์ไลน์

ประเภทของสถาปัตยกรรมการประมวลผลแบบขนาน ของโปรเซสเซอร์  

# **SISD (Single Instruction Single Data stream)** คือ โปรเซสเซอร์ ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลเพียงชุดเดียว และ ทำงานด้วยคำสั่งเดียว ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา 
# **MISD (Multiple Instruction Single Data stream)** คือ โปรเซสเซอร์ ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลเพียงชุดเดียว แต่ทำงานด้วยได้หลายคำสั่ง ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา มักจะไม่ค่อยมีใครพัฒนาโปรเซสเซอร์แบบนี้ 
# **SIMD (Single Instruction Multiple Data stream)** คือ โปรเซสเซอร์ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลหลายชุด แต่ทำงานด้วยคำสั่งเดียว ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา และได้ผลลัพธ์หลายชุด ใช้ในโปรเซสเซอร์แบบ Pentium MMX 
# **MIMD (Multiple Instruction Multiple Data stream)** คือ โปรเซสเซอร์ที่ใช้การประมวลผลด้วยชุดข้อมูลหลายชุด และทำงานด้วยได้หลายคำสั่ง ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา

**RISC (Reduced Instruction- Set Computing หรือชิปที่มีการลดทอนคำสั่ง)** คือ โปรเซสเซอร์ที่มีชุดคำสั่งที่มีรูปแบบและขนาดที่แน่นอน สามารถประมวลผลได้ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา การอ้างอิงหน่วยความจำจะใช้คำสั่ง Load และ Store ที่สามารถอ้างอิงหน่วยความจำได้โดยตรงเท่านั้น ใช้การอ้างตำแหน่งแบบตรง ๆ ง่ายโดยมีรูปแบบจำกัดอยู่ 2 แบบ คือ
#แบบอ้างผ่าน Register (Register Indirect) Register จะเก็บค่าตำแหน่งไว้ แล้ว ทำการอ้างตำแหน่งนั้น ๆ ผ่าน Register 
#ในแบบ Index จะเป็นการอ้างตำแหน่งจากค่าคงที่ที่มาในคำสั่งนั้น ๆ เลย

**CISC (Complex Instruction-Set Computing)** คือสถาปัตยกรรมของโปรเซสเซอร์ ที่ใช้คำสั่งซับซ้อนที่มีความยาวเปลี่ยนไปตามชนิดของคำสั่ง มีคำสั่งให้ใช้งานมากมาย ทำให้เขียนโปรแกรมง่าย และโปรแกรมมีขนาดเล็ก การทำงานของคำสั่งจะใช้ Microcode โดยคงความเข้ากันได้กับโปรเซสเซอร์รุ่นเก่า ทำให้ไม่ต้องเขียนโปรแกรมใหม่ 

**SMP (Symmetric MultiProcessing) ** คือสถาปัตยกรรมของการใช้โปรเซสเซอร์ หลายตัว ที่ใช้ทรัพยากรของระบบเช่น บัส หน่วยความจำ I/O ร่วมกัน ไม่สามารถแบ่งเป็น partition ย่อย ๆ ได้ และสมรรถนะของระบบจะลดลงเมื่อใช้โปรเซสเซอร์ มากกว่า 8 ตัว ความสามารถในการขยายสเกลยังจำกัด แต่สามารถใช้โปรแกรมแบบเดิมได้ไม่ต้องเขียนขึ้นใหม่

## การแบ่งกันใช้งานและการติดต่อสื่อสาร
# **Shared-bus topology** คือการต่อโปรเซสเซอร์ หลายตัวให้ใช้งาน Frontside บัสเส้นเดียวร่วมกัน แต่มีข้อเสียคือ จะเกิดคอขวดที่เกิดจากรอคอยการใช้บัสร่วมกัน และทำให้เกิดประจุไฟฟ้าสะสมบนบัส ซึ่งจะเกิดการรบกวนสัญญาณข้อมูลซึ่งกันและกัน ทำให้สามารถใช้โปรเซสเซอร์ ได้สูงสุดไม่เกิน 4 ตัวมีใช้ใน บัส GTL+ ของ Intel x86 และ บัส MPX ของ SMP G4 (Apple) 
# **Point-to-point topology** คือการต่อโปรเซสเซอร์ หลายตัวโดยให้โปรเซสเซอร์ แต่ละตัวมี Frontside บัสของตัวเองที่ต่อตรงไปยังชุดชิปหลัก จะแก้ปัญหาที่เกิดจากการใช้ Shared-bus topology ได้ มีใช้ใน บัส EV6 ของ Athlon

## Cache Coherence ของ สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์
คือการทำให้ข้อมูลที่มีอยู่ในแคชของโปรเซสเซอร์ ทุกตัวมีความสอดคล้องกับโปรเซสเซอร์ตัวอื่น ๆ 
# **Snoop** คือการจัดการให้แคชของโปรเซสเซอร์แต่ละตัว คอยฟังว่ามีการร้องขอข้อมูลในหน่วยความจำที่โปรเซสเซอร์กำลังใช้งานอยู่ของโปรเซสเซอร์ตัวอื่น ๆ ทุกตัวหรือไม่ ซึ่งจะทำให้เกิดการติดต่อสื่อสารสถานะของข้อมูล เพื่อประสานงานการใช้ข้อมูลร่วมกันโดยเกิดข้อขัดแย้งน้อยที่สุด แต่จะเกิดปัญหาความล่าช้าบนระบบ Shared-bus เพราะการ snoop จะลด bandwidth ของบัสที่ใช้งานร่วมกัน แต่ในระบบ point-to-point จะมี snoop bus ต่างหาก ทำให้แคชสามารถทำงานโดยไม่ต้องไปรบกวนการทำงานของส่วนอื่น ๆ 
# **Data Intervention** คือเทคนิคที่เพิ่มความเร็วในการประสานการของทำงานของแคช โดยการที่แคชของโปรเซสเซอร์ต้องการอ่านข้อมูลเดียวกัน ที่กำลังใช้งานอยู่และเพิ่งจะเริ่มแก้ไข ก็จะส่งสัญญาณบอกโปรเซสเซอร์อีกตัวให้รอรับข้อมูลที่จะส่งไปให้ ไม่ต้องไปขอจากหน่วยความจำหลักให้เสียเวลา 

**MPP (Massively Parallel Processing) ** คือสถาปัตยกรรมของการใช้โปรเซสเซอร์หลายตัว โดยที่โปรเซสเซอร์แต่ละตัว จะมีทรัพยากรระบบ (I/O, หน่วยความจำ) ของตนเองเป็นหน่วย ๆ ย่อยมีการควบคุมตนเอง การเชื่อมโยงจะใช้ hardware หรือ software ก็ได้ สามารถขยายสเกลได้ดีมาก แต่ต้องเขียนโปรแกรมใหม่ ไม่สามารถใช้ของเดิมได้ 

**CMP (Cellular MultiProcessing) ** คือสถาปัตยกรรมของการใช้โปรเซสเซอร์หลายตัว ที่ผสมผสานข้อดีของ SMP และ Clustering เข้าด้วยกัน โดยแบ่งโปรเซสเซอร์ออกเป็นหน่วยเล็ก ที่เรียกว่า subpod (ประกอบด้วย โปรเซสเซอร์ 2 คู่ที่แต่ละคู่ใช้บัสแยกกัน และ cache แบบ L3 และสามารถใช้ระบบปฏิบัติการของตนเองหรือรวมกันเป็นหน่วยเดียวก็ได้) ที่ใช้ ทรัพยากรของระบบ (หน่วยความจำ, I/O) ร่วมกัน การเชื่อมโยงใช้ลักษณะการติดต่อแบบ Crossbar (เป็นการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุดโดยตรง ที่สามารถกำจัดการขัดข้องที่จุด ๆ เดียวได้) สามารถขยายสเกลได้ดีมาก และสามารถใช้โปรแกรมแบบเดิมได้ไม่ต้องเขียนขึ้นใหม่ 

**NUMA (Non-Uniform Memory Access) ** คือสถาปัตยกรรมของการใช้โปรเซสเซอร์หลายตัว ที่ผสมผสานข้อดีของ SMP และ MPP เข้าด้วยกัน โดยแบ่งเป็นหน่วยย่อยของหลาย ๆ โปรเซสเซอร์ ที่ใช้ทรัพยากรของระบบ (หน่วยความจำ, I/O) ร่วมกัน สามารถขยายสเกลได้ดีมาก และสามารถใช้โปรแกรมแบบเดิมได้ไม่ต้องเขียนขึ้นใหม่ 

**Clustering** คือ สถาปัตยกรรมของการเชื่อมโยงระบบเข้าด้วยกัน โดยใช้ทรัพยากรร่วมกัน เพื่อสร้างระบบที่ใหญ่ขึ้นและล้มเหลวยาก (ระบบจะไม่หยุดทำงานง่ายๆ)

## ดูเพิ่ม
* ไมโครโพรเซสเซอร์

## อ้างอิง
* ISCA:proceddings of the International symposium on Computer Architecture
* ASPLOS: international conference on Architectural Support for Programming languages and Operating Systems
* ACM Transactions on Computer Systems
* IEEE computer
* IEEE Micro
* Microprocessor Reports

## อ้างอิง

* Hennessy and Patterson (2006). Computer Architecture: A Quantitative Approach (Fourth Edition ed.). Morgan Kaufmann. ISBN 978-0-12-370490-0.
* Tanenbaum, Andrew S. (1979). Structured Computer Organization. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall. ISBN 0-13-148521-0.