işlemciler genel yapı

İŞLEMCİLER


GENEL YAPI

CPU (Central Processing Unit-Merkezi İşlem Birimi); bilgisayarın çalışmasını düzenleyen ve programlardaki tüm komutları tek tek işleyen birimdir. Bu birim bir ya da iki entegre devre içerisinde gerçekleştirilmesi ile mikroişlemci adını alır. CPU; Bilgisayarın program komutlarını bellekten aldıktan sonra kodlarını çözen, karşılığı olan işlemleri yerine getiren ve sonuçları gerekli yerlere gönderen merkez birimidir. CPU genellikle bilgisayarın beyni olarak tanımlanır. Çünkü tüm işlemler CPU tarafından yapılır. Bir bilgisayarın işlem yeteneği ve hızı işlemcisinin yeteneği ve hızıyla doğrudan ilgilidir.
Yapı olarak bakıldığında bir merkezi işlemci, ince bir silikon tabaka üzerinde çok küçük altın yollarla birbirine bağlanmış milyonlarca transistor adı verilen elektronik devre elemanından oluşur. CPU içindeki teansistörlerden hangilerinin ne şekilde çalışacağı gerekli yazılım programı tarafından makine dilinde CPU’ya iletilir ve böylelikle programlar işlemci tarafından çalıştırılır.
Mikroişlemciler; açma kapama anahtarı gibi çalışan milyonlarca transistorden oluşmaktadır. Bu anahtarların programlanma durumuna göre elektrik sinyalleri bunların üzerinden akar. Bu sinyaller, bilgisayarın yaptığı tüm işleri toplama, çıkarma, çarpma ve bölme gibi temel matematiksel işlemlere indirir. İşlemci de bu işlemleri ikilik sayma sistemini, yani sadece 0 ve 1 sayılarını kullanarak yapar.
Mikroişlemciler her türlü işi ikilik sayma sistemine dökmüştür. Mesela “Y” harfi ikilik sistemde “1011001” ile ifade edilebildiği gibi kırmızı gibi bir renk de bunun gibi ikilik tabandaki üç ayrı sayı grubu ile ifade edilir. Aynı şekilde bir ses veya görüntü kaydı da yine buna benzer ikilik sayı grupları ile ifade edilirler.
Bu sayı grupları üzerinde işlem yapmak için işlemci içerisinde bir takım komut listesinden oluşan bir program mevcuttur. Bu komutlar işlemciye iki sayının çıkarılması, toplanması yönünde emir verebildiği gibi klavyeden girilen tercihlere göre bir takım komut satırını atlayıp (şartlı dallanma - conditional branch) diğer komut satırlarını uygulamaya devam edebilir. Yani klavyeden bir soru karşısında gireceğimiz “E” (evet) veya “H” (hayır) ifadelerine göre program belirli komut satırlarını uygular veya uygulamaz. Temel olarak, mikroişlemcinin yaptığı iş, bitler üzerinde işlem yapmak üzere komutları çalıştırmaktır.


İŞLEMCİNİN ÇALIŞMA PRENSİBİ

Bilgisayarda genelde üç tip bilgi iletişimi yapılır. Bunlar; veri (data) iletişimi, işlemin kontrol (control) edilmesi ve durumun bir bilgi ile (Status data) belirlenmesidir. Bu veri akışında alfabetik harfler, sayılar veya her ikisi birlikte kullanılır. Kontrol işaretleri ise bilgisayarın farklı üniteleri arasında bir işlem yapıldığı sırada kullanılır. Status (durum) işaretleri ile merkezi işlemcinin durumu ve ne iş yaptığı açıklanır yani veri giriş mi yaptığı yoksa veri çıkışı mı oluyor ya da kontrol mu yapılıyor gibi.
Bir merkezi işlemci işleyeceği bilgileri bellekten alarak işler, daha sonra işlenen bilgileri belleğe ya da portlara bilgi olarak geri gönderir. Veri işlemlerinin dışında ayrıca mantıksal ve matematiksel operasyonları gerçekleştirir. CPU bir işlemi gerçekleştirirken kontrol, adres ve veri yolarını kullanır ve CPU’nun o anki durumu; işlem durum kaydedicisinde yani Status Register’da görülür.
Bir mikroişlemcinin iki tane çalışma frekansı vardır. Bunlardan biri; iç frekans (internal), diğeri ise;dış frekans (external). İç frekans, işlemcinin saniyede yaptığı işlem miktarını tanımlar. Dış frekans ise; işlemcinin bellek ve çipset gibi diğer bileşenlerle haberleştiği frekanstır. Buna veri yolu hızı ya da FSB de denilmektedir. İç frekans her zaman dış frekanstan çok daha hızlıdır.


İŞLEMCİNİN BÖLÜMLERİ

ALU (Aritmetic Logic Unit) : Aritmetik ve lojik işlemlerin seçilmesi ve kararların verilmesi işlemleri yapar.
ALU içerisinde çoğunlukla 3 ya da 6 arasında kaydedici (Register) bulunur ve bu kaydediciler akümülatör ile birlikte aritmetik işlemlerde kullanılırlar.. Bu birim matematiksel hesapların yanı sıra karşılaştırma işlemlerini de yapar.
KONTROL ÜNİTESİ (Control Unit) : CPU içindeki kontrol ünitesi, elektrik sinyalleri ile bilgisayar içindeki işlemlerin akışını düzenleyerek, komutları yorumlar ve komutların yerine getirilmesini sağlar. Kontrol ünitesi aynı zamanda ALU ve bellek ile etkileşimli olarak çalışır, aynı zamanda işlemci saat çevrimini (cycle) yönetir.
Kontrol ünitesi; bir komutun gerçekleştirilmesini ve düzenli adımlarla yürütülmesini kontrol eder. Burada kullanılan iç kontrol sinyalleri ile merkezi işlemcinin alt elemanlarının denetimini ve bu elemanlar arasındaki bilgi akışının düzenlenmesini sağlar. Merkezi işlemcinin hafızaya ve giriş çıkış birimleriyle olan iletişimi ise dış kontrol sinyalleriyle kontrol edilir.
Registerlar; işlenmeye başlanan verileri tutarlar.
SAAT ÇEVRİMİ (Clock Cycle) : Bilgisayar bir anda sadece bir işlemi yapabilir. Yapılacak her bir işlem temel parçalara bölünerek gerçekleştirilir. Bir komutun alınmasından sonra diğer bir komuta geçiş işlemine bir saat çevrimi (clock cycle) denilmektedir.
Bir saat çevriminde milyonlarca işlem gerçekleştirilebiliyor. Saniyede yapılan milyonlarca işleme MIPS (millions of instructions per second) denir. Bu da bilgisayarın hızını belirler.


İŞLEMCİ KOMUTLARI NASIL ÇALIŞIR?

Örneğin 5 ve 6 sayılarının toplanması ve ekrana yansıtılması işleminin işlemci birimleri tarafından şu şekilde gerçekleşir:
1. Komut alınır : örneğin 5 rakamı belleğin 12345 adresinden alınır.
2. Komut çözülür.
3. Komut çalıştırılır : ALU sayıyı bulur.
4. Komut saklanır : 5 rakamı belleğe geçici olarak saklanır.
5. 1, 2, 3, 4 adımları aynen 6 rakamı için de uygulanır.
6. Komut alınır : toplama işlemi çalıştırılır.
7. Komut çözülür.
8. Komut çalıştırılır : ALU 5 ve 6 sayılarını toplar
9. Komut saklanır : hesaplanan sonuç geçici olarak belleğe saklanır.
10. Komut çalıştırılır : ekranda görüntüleme emri iletilir.
11. Komut çözülür.
12. Komut çalıştırılır : sonuçta hesaplanan sonuç ekranda gösterilir.

İŞLEMCİNİN ÖZELLİKLERİ

Komut Seti : Mikroişlemciler kendilerine has komut setlerini kullanırlar. Bununla beraber programlama dillerinin komutlarını da çalıştırırlar.
Clock Speed (saat hızı) : Megahertz (MHz) olarak ölçülen bu hız, işlemcinin hızıdır. 1MHz=saniyede 1milyon işleme eşittir. Saniyede yapılan işlemcilerin tamamı işlemci hızı işe belirlenir.
Hız Faktörleri : Bilgisayarın hızını birden fazla faktör belirler. Bunlardan birsi ve en önemlisi CPU hızıdır. İşlemci hızını belirleyen faktörler ise; sistem saat hızı, veri yolu genişliği ve kelime uzunluğudur.
Sistem Saat Hızı (System Clock Rate) : Senkron olarak işlemleri yapmak için elektronik bir darbenin hızıdır. Bu hız MHz olarak ölçülür. Hız arttıkça, hıza bağlı olarak saniyede yapılacak işlem miktarı da artar.
Veri Yolu Genişliği (Bus Width) : işlemcinin bir anda belleğe ve diğer giriş – çıkış aygıtlarına iletebildiği veri miktarını tanımlar. Veri yolları; 8, 16, 32, 64 ve128 bit olabilir.
Kelime Uzunluğu (Word Size) : işlemcinin bir anda işlediği veri kümesidir. İşlemciler; 8, 16, 32 ve 64 bit olabilir.


İŞLEMCİLERİN TARİHÇESİ

İlk mikroişlemci 4004, 1971 yılında Intel tarafından üretildi. 4004 ilk taşınabilen elektronik hesap makinesidir. Intel 4004 mikroişlemcisi sadece toplama ve çıkarma yapabiliyordu. 4 bitlik olan bu mikroişlemci bazı hesap makinelerinde kullanıldı.
1974 yılında üretilen; ev bilgisayarları için kullanılan ilk işlemci Intel 8080 di. Bu işlemci 8 bitlik bir yonga (chip) idi.
Fakat piyasalar asıl etki yapan işlemci yine Intel’in 8088 adlı işlemcisiydi ve bu işlemci 1979 yılında üretildi. IBM PC makinelere hayat veren bu işlemci tam olarak adını 1982 yılında duyurmaya başladı.
Bütün bu işlemciler Intel tarafından üretildi ve hepside temelde 8088 tasarımının geliştirilmesiyle ortaya çıktı. Günümüzde kullandığımız Pentium 4, 8088’lerdeki her hangi bir kodu çalıştırabilir fakat 5000 kez daha hızlıdır.
En meşhur mikroişlemci mimari si Intel’in x86 işlemcisidir. Intel ilk x86 tabanlı işlemcisini 8086 olarak 1978 yılında piyasaya sürdü. Daha sonraki yıllarda yeni nesil x86 tabanlı işlemciler çıkarıldı. 286,386,486, Pentium ve Pentium Pro olarak bu kuşakları görebilmekteyiz. Pentium II, Celeron, Pentium III, Xeon ve Katmai, altıncı kuşak Pentium Pro’nun varyasyonlarıdır.
Intel’in haricindeki diğer mimariler ise şunlardır; Modern Machintosh’larda bulunan PowerPC, eski Mac’lerdeki 68oxo serisi, Digital ve Compaq’ın güçlü serverlerinde kullanılan Alpha ailesi, Silicon Grahics’in Mips Rxooo serisi, Hawlett-Packard’ın PARISC’i ve Sun Microsystems’e ait SPARC’tır.
İşlemci mimariler, ortaya çıktıkları dönemin felsefesine göre dizayn edilirler. 1970’lerde veri saklama cihazları ve hafıza bu güne göre çok kısıtlıydı. Bu kaynakları tasarruflu bir şekilde kullanabilmek için Intel x86 tabanlı işlemcilerde CISC (Complex Instruction Set Computing - Karmaşık komut kümesi) diye bilinen bir mimari kullandı. CISC’ın karakteristik iki özelliği, değişken uzunluktaki komutlar ve karmaşık komutlardır. Değişken uzunluktaki komutlar hafıza tasarrufu sağlar. Çünkü basit komutlar karmaşık komutlardan daha kısadır. Karmaşık komutlar da iki ya da daha fazla komutu tek bir komut haline getirdikleri için hem hafızadan hem de programda yer alması gereken komut sayısından tasarruf sağlar.
İlerleyen yıllarda CISC’in kısıtlamaları ve hafızayı tasarruflu kullanmanın önemini yitirmesi neticesinde CISC’a rakip olarak RISC (Reduced Instruction Set Computing - daraltılmış komut seti ile hesaplama) ortaya çıktı.
RISC’ın komutlarının uzunluğu sabittir (genelde de 32 bit’tir) ve her bir komut basit bir işlemi yerine getirir. Bir RISC çipi bu iki karakteristik özelliği sayesinde, fetch (komutu hafızadan taşıma), decode (komutun anlamını çözme) ve komutu çalıştırma işlemlerini daha kolay bir şekilde yapabilir. RISC’ın bir dezavantajı kodun uzamasıdır. Tüm komutlar gerek olsun olmasın 32 bitliktir. Dolayısıyla RISC programları CISC programlarından daha fazla hafıza gerektirebilirler. Buna rağmen decode aşamasının CISC’e göre daha hızlı gerçekleşmesine ek olarak, çoğu RISC komutları sabit bir zaman diliminde işlem görür. Bu da superscalar pipelining teknolojisi kullanan modern işlemciler için önemli bir özelliktir.