สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์เบื้องต้น

ระบบคอมพิวเตอร์ประกอบด้วยหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) + หน่วยความจำ (Memory) + อุปกรณ์รับข้อมูล (Input Units) และอุปกรณ์แสดงผล (Output Unit)

1 หน่วยประมวลผลกลาง
หน่วยประมวลผลกลางมีหน้าที่ประมวลผลข้อมูลต่าง ๆ ในระบบคอมพิวเตอร์ โดยหน่วยประมวลผลกลางจะทำงานตามโปรแกรมที่ระบุโดยผู้ใช้ ขั้นตอนการทำงานของหน่วยประมวลผลกลางมีลักษณะเป็นวงรอบ โดยขั้นแรกหน่วยประมวลผลกลางจะอ่านคำสั่งจากหน่วยความจำ (fetch) จากนั้นหน่วยประมวลผลกลางจะตีความคำสั่งนั้น (decode) และในขั้นตอนสุดท้ายหน่วยประมวลผลกลางก็จะประมวลผลตามคำสั่งที่อ่านเข้ามา (excute) เมื่อทำงานเสร็จหน่วยประมวลผลก็จะเริ่มอ่านคำสั่งเข้ามาอีกครั้ง
หน่วยประมวลผลกลางจะทำงานตามชุดคำสั่ง (instructions) ที่อ่านขึ้นมาจากหน่วยความจำหลักเท่านั้น เราจะเรียกสถาปัตยกรรมของระบบคอมพิวเตอร์ที่มีการเก็บโปรแกรมและข้อมูลไว้ในหน่วยความจำหลัก โดยที่หน่วยประมวลผลจะทำงานกับหน่วยความจำเท่านั้น ว่า Stored Program Architecture หรือคอมพิวเตอร์แบบวอนนอยแมน (von Neumann Computer) โดยตั้งเป็นเกียรติให้กับ John von Neumann
ชุดคำสั่งของคอมพิวเตอร์ โดยทั่วไปจะประกอบด้วยส่วนย่อย ๆ 2 ส่วนคือ ส่วน Opcode ซึ่งเป็นส่วนที่ระบุประเภทของการประมวลผล และส่วน Operand ซึ่งเป็นส่วนที่ระบุข้อมูลสำหรับการประมวลผลตามที่ระบุใน opcode
โดยปกติแล้ว เรานิยมใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ทำหน้าที่เป็นหน่วยประมวลผลกลางในระบบคอมพิวเตอร์ ดังนั้นการที่เราอ้างถึงไมโครโปรเซสเซอร์เราจะอ้างถึงในหน้าที่ที่เป็นหน่วยประมวลผลกลาง โดยคำสองคำนี้อาจใช้แทนกันได้
2 หน่วยความจำ
การเก็บข้อมูลในหน่วยความจำมีหน่วยที่เล็กที่สุดในการเก็บข้อมูลคือบิต แต่ในการเรียกข้อมูลจากหน่วยความจำนั้นจะกระทำในรูปของข้อมูลที่มีขนาดใหญ่กว่า คือจะมีขนาด 8 บิต หรือ 1ไบท์ ภายในหน่วยความจำของระบบคอมพิวเตอร์หนึ่ง ๆ จะประกอบด้วยหน่วยย่อย ๆ ขนาด 8 บิตเหล่านี้อยู่มากมาย หน่วยย่อย ๆ เหล่านี้จะมีหมายเลขเฉพาะตัว เพื่อให้หน่วยประมวลผลสามารถใช้อ้างถึงเมื่อจะอ่าน หรือเขียนข้อมูลลงไปในหน่วยย่อยหน่วยนั้น หมายเลขนี้เราเรียกว่า แอดเดรส (Address) ดังนั้นการที่หน่วยประมวลผลจะ อ้างถึง ข้อมูลข้อมูลหนึ่งที่เก็บอยู่ในหน่วยความจำได้นั้น หน่วยประมวลผลจะต้องระบุ แอดเดรส ของข้อมูลชิ้นนั้นให้ได้ด้วย

3 การเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ต่าง ๆ
บัส (Bus) : ช่องทางสื่อสาร
อุปกรณ์ต่าง ๆ จะเชื่อมต่อกับโดยผ่านทางกลุ่มของสายสัญญาณ ที่เราเรียกว่า “บัส” อุปกรณ์ต่าง ๆ จะส่งและรับสัญญาณผ่านทางกลุ่มสายสัญญาณชุดเดียวกัน
เราสามารถแบ่งกลุ่มของบัสออกเป็น 3 กลุ่ม คือ
• บัสข้อมูล (Data bus) ใช้สำหรับส่งรับข้อมูล
• บัสตำแหน่ง หรือ แอดเดรสบัส (Address bus) ใช้สำหรับส่งรับตำแหน่งสำหรับอ้างอิงข้อมูลจากหน่วยความจำ หรือ จากอุปกรณ์ I/O
• บัสควบคุม (Control bus) ใช้สำหรับส่งสัญญาณควบคุม
แอดเดรสบัส (Address bus)
ในระบบคอมพิวเตอร์ที่หน่วยประมวลผลเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อื่น ๆ ผ่านทางบัส ข้อมูลต่าง ๆ ที่ส่ง/รับกันระหว่างอุปกรณ์ต่าง ๆ นั้นจะส่งผ่านทางบัสข้อมูล ดังนั้นการที่หน่วยประมวลผลจะติดต่อกับหน่วยความจำหรืออุปกรณ์รับและแสดงผลข้อมูลที่ต้องการได้นั้น ทั้งหน่วยความจำ และ อุปกรณ์รับหรือแสดงผลข้อมูลทุกอุปกรณ์ จะต้องมีหมายเลขเฉพาะ หมายเลขนี้สำหรับหน่วยความจำก็คือแอดเดรส ส่วนอุปกรณ์อินพุตและอุปกรณ์เอาท์พุตก็มีหมายเลขเฉพาะสำหรับอุปกรณ์หนึ่ง ๆ เช่นเดียวกัน โดยเรียกว่า หมายเลข I/O (I/O address) เมื่อหน่วยประมวลผลต้องการติดต่อกับหน่วยความจำที่ตำแหน่งใด หรือติดต่อกับอุปกรณ์ใดก็จะส่งแอดเดรสของหน่วยความจำนั้น หรือของอุปกรณ์นั้นมา ในการเลือกว่าหมายเลขแอดเดรสที่ส่งมาเป็นของหน่วยความจำหรือของอุปกรณ์อินพุตเอาท์พุต หน่วยประมวลผลจะส่งสัญญาณระบุมาทางสัญญาณในบัสควบคุม

.
.
.