หน่วยประมวลผลกลาง (central processing unit) หรือที่นิยมเรียกสั้น ๆ ว่า ซีพียู (CPU) เป็นวงจรอิเลคทรอนิคที่ทำงาน หรือประมวลผล ตามชุดของคำสั่งเครื่องจากซอฟต์แวร์ คำนี้เริ่มใช้ในอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ตั้งแต่ต้นศตวรรษ 1960s
หน่วยประมวลผลเปรียบเสมือนเป็นสมองของคอมพิวเตอร์ ในการทำหน้าที่ตัดสินใจหรือคำนวณ จากคำสั่งที่ได้รับมา เช่น การเปรียบเทียบ การกระทำการทางคณิตศาสตร์ ฯลฯ
โดยมีกระบวนการพื้นฐานคือ
• อ่านชุดคำสั่ง (fetch)
• ตีความชุดคำสั่ง (decode)
• ประมวลผลชุดคำสั่ง (execute)
• อ่านข้อมูลจากหน่วยความจำ (memory)
• เขียนข้อมูล/ส่งผลการประมวลกลับ (write back)
สถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลกลาง ประกอบไปด้วย ส่วนควบคุมการประมวลผล (control unit) และ ส่วนประมวลผล (execution unit) และจะเก็บข้อมูลระหว่างการคำนวณ ไว้ในระบบเรจิสเตอร์
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลางแบ่งออกตามหน้าที่ได้เป็นห้ากลุ่มใหญ่ๆ ดังนี้ โดยทำงานทีละคำสั่ง จากคำสั่งที่เรียงลำดับกันไว้ตอนที่เขียนโปรแกรม
• Fetch - การอ่านชุดคำสั่งขึ้นมา 1 คำสั่งจากโปรแกรม ในรูปของระหัสเลขฐานสอง (Binary Code from on-off of BIT)
• Decode - การตีความ 1 คำสั่งนั้นด้วยวงจรถอดรหัส (Decoder circuit) ตามจำนวนหลัก (BIT) ว่ารหัสนี้จะให้วงจรอื่นใดทำงานด้วยข้อมูลที่ใด
• Execute - การทำงานตาม 1 คำสั่งนั้น คือ วงจรใดในไมโครโปรเซสเซอร์ทำงาน เช่น วงจรบวก วงจรลบ วงจรเปรียบเทียบ วงจรย้ายข้อมูล ฯลฯ
• Memory - การติดต่อกับหน่วยความจำ การใช้ข้อมูที่อยู่ในหน่วยจำชั่วคราว (RAM, Register) มาใช้ในคำสั่งนั้นโดยอ้างที่อยู่ (Address)
• Write Back - การเขียนข้อมูลกลับ โดยมีหน่วยจำ Register ช่วยเก็บที่อยู่ของคำสั่งต่อไป ภายหลังมีคำสั่งกระโดดบวกลบที่อยู่
การทำงานแบบขนานในระดับคำสั่ง (ILP)
โดยการทำงานเหล่านี้ถ้าเป็นแบบพื้นฐานก็จะทำงานกันเป็นขั้นตอนเรียงตัวไปเรื่อยๆ แต่ในหลักความเป็นไปได้คือการทำงานในแต่ละส่วนนั้นค่อนข้างจะเป็นอิสระออกจากกัน จึงได้มีการจับแยกกันให้ทำงานขนานกันของแต่ละส่วนไปได้ หลักการนี้เรียกว่า pipeline เป็นการทำการประมวลผลแบบขนานในระดับการไหลของแต่ละคำสั่ง (ILP: Instruction Level Parallelism) โดยข้อมูลที่เป็นผลจากการคำนวณของชุดก่อนหน้าจะถูกส่งกลับไปให้ชุดคำสั่งที่ตามมาในช่องทางพิเศษภายในหน่วยประมวลผลเอง
การทำงานแบบขนานนี้สามารถทำให้มีความสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกคือเพิ่มการทำงานแต่ละส่วนออกเป็นส่วนที่เหมือนกันในทุกกลุ่มแต่ให้ทำงานคนละสายชุดคำสั่งกัน วิธีการนี้เรียกว่าการทำหน่วยประมวลผลให้เป็น superscalar วิธีการนี้ทำให้มีหลายๆ ชุดคำสั่งทำงานได้ในขณะเดียวกัน โดยงานหนักของ superscalar อยู่ที่ส่วนดึงชุดคำสั่งออกมา (Dispatcher) เพราะส่วนนี้ต้องตัดสินใจได้ว่าชุดคำสั่งอันไหนสามารถทำการประมวลผลแบบขนานได้ หลักการนี้ก็เป็นการทำการประมวลผลแบบขนานในระดับการไหลของแต่ละคำสั่ง (ILP: Instruction Level Parallelism) เช่นกัน
การทำงานแบบขนานในระดับกลุ่มชุดคำสั่ง (TLP)
การทำงานของโปรแกรมคอมพิวเตอร์แต่ละโปรแกรมสามารถแบ่งตัวออกได้เป็นระดับกลุ่มชุดคำสั่ง (Thread) โดยในแต่ละกลุ่มสามารถทำงานขนานกันได้ (TLP: Thread Level Parallelism)
สถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลกลางที่เป็นที่รู้จัก
คอมพิวเตอร์แบบฝังตัว
• สถาปัตยกรรม PowerPC 440 ของไอบีเอ็ม
• สถาปัตยกรรม 8051 ของอินเทล
• สถาปัตยกรรม 6800 ของโมโตโรลา
o ใช้ในหน่วยควบคุม 68HC11 ซึ่งเป็นที่แพร่หลายอย่างมาก
• สถาปัตยกรรม ARM ของ ARM (เคยเป็นส่วนหนึ่งของบริษัท Acorn Computers)
o ใช้ใน เครื่องเล่นเพลง ไอพ็อด, เครื่องเล่นเกม เกมบอยแอดวานซ์, และ พีดีเอ จำนวนมาก 0
o หน่วยประมวลผล XScale และ StrongARM ของอินเทลนั้น ใช้สถาปัตยกรรม ARM
เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล
• สถาปัตยกรรม x86 ของอินเทล
• สถาปัตยกรรม 6800, 6809, และ 68000 ของโมโตโรลา
• สถาปัตยกรรม 6502 ของ MOS Technology
• สถาปัตยกรรม Z80 ของ Zilog
• สถาปัตยกรรม PowerPC ของไอบีเอ็ม (ในภายหลังคือพันธมิตร AIM alliance)
• สถาปัตยกรรม AMD64 (หรือ x86-64) ของเอเอ็มดี
o เข้ากันได้กับสถาปัตยกรรมแบบ x86 ของอินเทล
คอมพิวเตอร์เซิร์ฟเวอร์ และเวิร์คสเตชัน
• สถาปัตยกรรม SPARC ของ SPARC International, Inc. (มีสมาชิกเช่น ซัน ไมโครซิสเต็มส์, ฟูจิตสึ, โตชิบา, เท็กซัสอินสทรูเมนส์)
o หน่วยประมวลผล LEON2 ซึ่งเป็นหน่วยประมวลผลแบบเปิดเผยรหัส ใช้สถาปัตยกรรม SPARC
• สถาปัตยกรรม POWER ของไอบีเอ็ม
• สถาปัตยกรรม MIPS ของ MIPS Computer Systems Inc. ชุดของคำสั่งเครื่องของ MIPS เป็นเครื่องมือหลักในการสอนสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ในหนังสือ Computer Organization and Design เขียนโดย เดวิด เอ. แพตเทอร์สัน และ จอห์น แอล. เฮนเนสซี ISBN 1-55860-428-6 1998 (2nd. edition)
• สถาปัตยกรรม PA-RISC ของเอชพี
• สถาปัตยกรรม Alpha ของ DEC
• สถาปัตยกรรม ARM ของ ARM (เคยเป็นส่วนหนึ่งของบริษัท Acorn Computers)
มินิคอมพิวเตอร์จนถึงเมนเฟรม
• สถาปัตยกรรม System/360 ของไอบีเอ็ม
• สถาปัตยกรรม PDP-11 ของ DEC, และสถาปัตยกรรม VAX ที่ถูกพัฒนาต่อมา
• สถาปัตยกรรม SuperH ของฮิตาชิ
• สถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์รุ่น UNIVAC 1100/2200 (ปัจจุบันสนับสนุนโดย Unisys ClearPath IX computers)
• 1750A - คอมพิวเตอร์มาตรฐานของกองทัพสหรัฐ
• AP-101 - คอมพิวเตอร์ของกระสวยอวกาศ
หน่วยประมวลผลเปรียบเสมือนเป็นสมองของคอมพิวเตอร์ ในการทำหน้าที่ตัดสินใจหรือคำนวณ จากคำสั่งที่ได้รับมา เช่น การเปรียบเทียบ การกระทำการทางคณิตศาสตร์ ฯลฯ
โดยมีกระบวนการพื้นฐานคือ
• อ่านชุดคำสั่ง (fetch)
• ตีความชุดคำสั่ง (decode)
• ประมวลผลชุดคำสั่ง (execute)
• อ่านข้อมูลจากหน่วยความจำ (memory)
• เขียนข้อมูล/ส่งผลการประมวลกลับ (write back)
สถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลกลาง ประกอบไปด้วย ส่วนควบคุมการประมวลผล (control unit) และ ส่วนประมวลผล (execution unit) และจะเก็บข้อมูลระหว่างการคำนวณ ไว้ในระบบเรจิสเตอร์
การทำงานของหน่วยประมวลผลกลางแบ่งออกตามหน้าที่ได้เป็นห้ากลุ่มใหญ่ๆ ดังนี้ โดยทำงานทีละคำสั่ง จากคำสั่งที่เรียงลำดับกันไว้ตอนที่เขียนโปรแกรม
• Fetch - การอ่านชุดคำสั่งขึ้นมา 1 คำสั่งจากโปรแกรม ในรูปของระหัสเลขฐานสอง (Binary Code from on-off of BIT)
• Decode - การตีความ 1 คำสั่งนั้นด้วยวงจรถอดรหัส (Decoder circuit) ตามจำนวนหลัก (BIT) ว่ารหัสนี้จะให้วงจรอื่นใดทำงานด้วยข้อมูลที่ใด
• Execute - การทำงานตาม 1 คำสั่งนั้น คือ วงจรใดในไมโครโปรเซสเซอร์ทำงาน เช่น วงจรบวก วงจรลบ วงจรเปรียบเทียบ วงจรย้ายข้อมูล ฯลฯ
• Memory - การติดต่อกับหน่วยความจำ การใช้ข้อมูที่อยู่ในหน่วยจำชั่วคราว (RAM, Register) มาใช้ในคำสั่งนั้นโดยอ้างที่อยู่ (Address)
• Write Back - การเขียนข้อมูลกลับ โดยมีหน่วยจำ Register ช่วยเก็บที่อยู่ของคำสั่งต่อไป ภายหลังมีคำสั่งกระโดดบวกลบที่อยู่
การทำงานแบบขนานในระดับคำสั่ง (ILP)
โดยการทำงานเหล่านี้ถ้าเป็นแบบพื้นฐานก็จะทำงานกันเป็นขั้นตอนเรียงตัวไปเรื่อยๆ แต่ในหลักความเป็นไปได้คือการทำงานในแต่ละส่วนนั้นค่อนข้างจะเป็นอิสระออกจากกัน จึงได้มีการจับแยกกันให้ทำงานขนานกันของแต่ละส่วนไปได้ หลักการนี้เรียกว่า pipeline เป็นการทำการประมวลผลแบบขนานในระดับการไหลของแต่ละคำสั่ง (ILP: Instruction Level Parallelism) โดยข้อมูลที่เป็นผลจากการคำนวณของชุดก่อนหน้าจะถูกส่งกลับไปให้ชุดคำสั่งที่ตามมาในช่องทางพิเศษภายในหน่วยประมวลผลเอง
การทำงานแบบขนานนี้สามารถทำให้มีความสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกคือเพิ่มการทำงานแต่ละส่วนออกเป็นส่วนที่เหมือนกันในทุกกลุ่มแต่ให้ทำงานคนละสายชุดคำสั่งกัน วิธีการนี้เรียกว่าการทำหน่วยประมวลผลให้เป็น superscalar วิธีการนี้ทำให้มีหลายๆ ชุดคำสั่งทำงานได้ในขณะเดียวกัน โดยงานหนักของ superscalar อยู่ที่ส่วนดึงชุดคำสั่งออกมา (Dispatcher) เพราะส่วนนี้ต้องตัดสินใจได้ว่าชุดคำสั่งอันไหนสามารถทำการประมวลผลแบบขนานได้ หลักการนี้ก็เป็นการทำการประมวลผลแบบขนานในระดับการไหลของแต่ละคำสั่ง (ILP: Instruction Level Parallelism) เช่นกัน
การทำงานแบบขนานในระดับกลุ่มชุดคำสั่ง (TLP)
การทำงานของโปรแกรมคอมพิวเตอร์แต่ละโปรแกรมสามารถแบ่งตัวออกได้เป็นระดับกลุ่มชุดคำสั่ง (Thread) โดยในแต่ละกลุ่มสามารถทำงานขนานกันได้ (TLP: Thread Level Parallelism)
สถาปัตยกรรมของหน่วยประมวลผลกลางที่เป็นที่รู้จัก
คอมพิวเตอร์แบบฝังตัว
• สถาปัตยกรรม PowerPC 440 ของไอบีเอ็ม
• สถาปัตยกรรม 8051 ของอินเทล
• สถาปัตยกรรม 6800 ของโมโตโรลา
o ใช้ในหน่วยควบคุม 68HC11 ซึ่งเป็นที่แพร่หลายอย่างมาก
• สถาปัตยกรรม ARM ของ ARM (เคยเป็นส่วนหนึ่งของบริษัท Acorn Computers)
o ใช้ใน เครื่องเล่นเพลง ไอพ็อด, เครื่องเล่นเกม เกมบอยแอดวานซ์, และ พีดีเอ จำนวนมาก 0
o หน่วยประมวลผล XScale และ StrongARM ของอินเทลนั้น ใช้สถาปัตยกรรม ARM
เครื่องคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล
• สถาปัตยกรรม x86 ของอินเทล
• สถาปัตยกรรม 6800, 6809, และ 68000 ของโมโตโรลา
• สถาปัตยกรรม 6502 ของ MOS Technology
• สถาปัตยกรรม Z80 ของ Zilog
• สถาปัตยกรรม PowerPC ของไอบีเอ็ม (ในภายหลังคือพันธมิตร AIM alliance)
• สถาปัตยกรรม AMD64 (หรือ x86-64) ของเอเอ็มดี
o เข้ากันได้กับสถาปัตยกรรมแบบ x86 ของอินเทล
คอมพิวเตอร์เซิร์ฟเวอร์ และเวิร์คสเตชัน
• สถาปัตยกรรม SPARC ของ SPARC International, Inc. (มีสมาชิกเช่น ซัน ไมโครซิสเต็มส์, ฟูจิตสึ, โตชิบา, เท็กซัสอินสทรูเมนส์)
o หน่วยประมวลผล LEON2 ซึ่งเป็นหน่วยประมวลผลแบบเปิดเผยรหัส ใช้สถาปัตยกรรม SPARC
• สถาปัตยกรรม POWER ของไอบีเอ็ม
• สถาปัตยกรรม MIPS ของ MIPS Computer Systems Inc. ชุดของคำสั่งเครื่องของ MIPS เป็นเครื่องมือหลักในการสอนสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ในหนังสือ Computer Organization and Design เขียนโดย เดวิด เอ. แพตเทอร์สัน และ จอห์น แอล. เฮนเนสซี ISBN 1-55860-428-6 1998 (2nd. edition)
• สถาปัตยกรรม PA-RISC ของเอชพี
• สถาปัตยกรรม Alpha ของ DEC
• สถาปัตยกรรม ARM ของ ARM (เคยเป็นส่วนหนึ่งของบริษัท Acorn Computers)
มินิคอมพิวเตอร์จนถึงเมนเฟรม
• สถาปัตยกรรม System/360 ของไอบีเอ็ม
• สถาปัตยกรรม PDP-11 ของ DEC, และสถาปัตยกรรม VAX ที่ถูกพัฒนาต่อมา
• สถาปัตยกรรม SuperH ของฮิตาชิ
• สถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์รุ่น UNIVAC 1100/2200 (ปัจจุบันสนับสนุนโดย Unisys ClearPath IX computers)
• 1750A - คอมพิวเตอร์มาตรฐานของกองทัพสหรัฐ
• AP-101 - คอมพิวเตอร์ของกระสวยอวกาศ
