Bilgisayarın
Tanımı
Bilgisayar ;Elektrik akımı ile çalışıp, çok sayıda bilgiyi depolayabilen
,özel komutlarıyla belli bir mantığa dayalı olarak programlandığında,program
doğrultusunda çok seri olarak verileri bilgileri işleyip,sonuca ulaşabilen bir
makinedir.
Bilgisayarı özellikleri :
1-)Elektrik akımı ile çalışır.
2-)Çok
sayıda bilgiyi saklar.
3-)Çok
güçlü hafızaları vardır,Fiziksel bir etki olmadıkça saklanan bilgiler
unutulmazlar.
4-)Çok
hızlıdırlar. Günümüzde dakikada 2.500.000 işlem yapabilen bilgisayarlar mevcuttur.
5-)Kullanıcılar
tarafından programlanabilirler.
6-)Progranm doğrultusunda çok seri olarak
çalışıp,çok sayıda veriyi hatasız olarak işleyip sonucu kullanıcıya
ulaştırır.
7-)Son
derece güvenilirler.
Bilgisayarın en temel özelliği ;Hız ,Güvenirlik,Depolama / Saklama
yetenekleridir. Bunun yanında Verimlilik,Karar verme,Maliyetlerdeki azalmada
unutulmamalıdır.
Bilgisayarın İşlevleri
Bilgisayarın 4 işlevi bulunur. Bunlar;
a-)Giriş/Çıkış işlevleri
b-)Aritmetik işlemler yapabilmesi
c-)Karşılaştırma(Mantık) işlevleri
d-)Bilgi depolama ve depolanan bilgiye erişim işlevi
Bilgisayar bu işlevleri yapmak
için 2 ana kaynaktan yararlanır.
1-Donanım(Hardware)
2-Yazılım(Software)
A-) Donanım ;Bilgisayarın elle tutulur, gözle görülür,mekanik,magnetik veya
elektronik olabilen fiziksel parçalarıdır. Bilgisayar kasası(Main
board),Giriş-Çıkış üniteleri gibi birimler donanımın parçalarıdır.
Şekil-Bilgisayarı Yapısı
Bilgisayar temel olarak şu donanım
elemanlarından oluşur.
·
Anakart (Mainboard
or MotherBoard)
·
Merkezi İşlemci
Birimi (CPU-Central Processing Unit)
·
Matematik İşlemci
(FPU-Floating Point Unit)
·
Ana
Bellek(RAM-Random Access Memory)
·
Yalnız Okunabilir
Bellek(ROA-Read Only Memory)
·
Monitor ve Ekran
Kartı(Monitor and Screen Card)
·
Giriş/Çıkış
Kartı (I/O Card)
·
Disket
Sürücü(Floppy Disk Drive)
·
Sabit Disk(HardDisk
or Fixed Disk)
·
Hoparlör(Speaker)
·
Güç Kaynağı
(Power Supply)
·
Klavye (KeyBoard)
·
Fare(Mouse)
Anakart,bazı donanım birimlerini üzerinde bulundurur ve bir çoğunun da
kendisine monte edilerek CPU tarafından
kullanılmasını sağlar.
Merkezi işlemci birimi,bilisayardaki bütün donanımlara hükmeder ve onları
kombineli bir şekilde
çalıştırır. Ayrıca bilgisayardaki aritmetik ve mantık işlemlerini de bu birim
yapar.
Matematik işlemci,CPU’nun yapamadığı kesirli sayılar ve trigonometrik
fonksiyonlar gibi yoğun matematik işlemlerini yapar. Matematik işlemci(FPU)
günümüzdeki bilgisayarlarda
Mikroişlemcilerin içinde yer alır.
Ana Bellek,CPU’nun verileri çok hızlı olarak işleyip tekrar koyduğu ve bilgileri ancak bilgisayar kapanıncaya kadar
tutabilen dananım birimidir.
Yalnız okunabilir bellek,belleğe programlar bir defa üretici firma tarafından
yazılır ve kullanıcı tarafından içeriği değiştirilemez. Bu bellek bilgisayarın
yapacağı en temel işlemleri tanımlar.
Ekran ve Ekran kartı,Monitör;bilgisayarla kullanıcı arasında iletişim kurarak kullanıcının bilgisayardaki çıktıları
görsel olarak almasını sağlar. Ekran kartı; görüntülenecek bilgilerin monitöre gönderilmesini sağlar.
I/O Kartı,bilgisayara paralel ve seri giriş yapılabilmesini sağlar.
Disket sürücü,disketlerin bilgisayarda kullanılabilmesini sağlayan donanım
birimleridir.
Sabit disk,bilgilerin kalıcı olarak saklandığı donanım birimleridir.
Hoparlör,basit sesleri çıkarabilmek için kasanın
içine yerleştirilmiş ve çıkardığı ses ancak “biip” olan donanım
elemanlarıdır.
Güç kaynağı,normal elektriği doğru akıma çevirerek bilgisayara gerekli olan
gücü sağlar.
Klavye,veri ve komutların bilgisayara girilmesini sağlar.
Fare,grafik tabanlı işletim sistemleri ve programları için fare kullanılır.
Fare uygulamaları seçmeye veya taşımaya vb..işlemler için kullanılır.
B-)Yazılım ;Bir bilgisayarın işe yaraması için gereken ve
gerekebilecek,bilgisayarın ne yapması gerektiğini belirleyen programların tümüne
birden yazılım denir.
Şekil-1 Bilgisayar Sisteminin
Yapısı
Mikroişlemciler
ve Tarihi gelişimi:
Mikroişlemci;Bilgisayar sistemindeki olayları tanzim ve kontrol eden bir
beyindir.
Mikroişlemcilerin yapımı,entegre teknolojisindeki geilşmelerin sonucu
mikrochiplerin yapımı ile gerçekleşmiştir. Önceleri LSI(Large Scale
Integration-Geniş hacimli entegre) teknelojisi ve günümüzde VLSI teknelojisiyle
üretilen ve 1995 yılı itibariyle
içerisinde milyonlarca kazanç elemanı transistörlerden meydana gelen elektronik bir
elemandır.
Mikroişlemciler,mikrobilgisayarın ana işlem birimi olup,CPU(Central Processing
Unit) olarak belirtilirler. Yarı iletken teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak
8,12,16,32,ve 64 bitlik mikroişlemciler üretilmiştir. Programlanabilen bu
aygıt,kendisine verilen komutları sırayla işletir ve bu komutlarla işlem yaparlar.
En popüler olan ve genellikle Amerikan şirketlerince üretilen mikroişlemciler,
MOTOROLA,INTEL,AlphaDEC,CYRİX,AMD,ZİLOG
VE diğerleridir.
Günümüz
bilgisayarlarında en çok kullanılanlar ;MOTOROLA firmasınca üretilen,önceleri 680*0
kodlu olan ve 90’lı yıllarda Power PC olarak anılan işlemciler ve İNTEL firması
tarafından üretilen önceleri 80*86 koduyla üretilen ve 90’lı yıllarda
Pentium adıyla anılan ve
günümüzde PX olarak lanse edilen mikroişlemcilerdir. Buradaki X karakteri sayısal bir değeri ifade etmektedir. Bu iki işlemcinin
diğerlerine nazaran fazla kullanılır olmasının sebebi,dünyaca ünlü iki bilgisayar
firmasının makinalarında bu iki ismi tercih etmeleridir. APPLE/Macintosh firmasınca
üretilen bilgisayarlarda başlangıcından günümüze kadar MOTOROLA tercih edilmiştir.
İkincisi ise IBM firmasının bütün makinalarında İNTEL’in mikroişlemcilerini
tercih etmiştir.
Şekil-2 İşlemcilerin
Tarihi Gelişimi
Mikroişlemcilerin Tarihi Gelişimi ve
Mikroişlemci Özelliklerini Belirleyen Etkenler
Bilgisayarlarda
ve diğer mikroişlemcili sistemlerde, aritmetik ve mantık işlemlerinin yapıldığı ve
yapılan işlemlerin denetlendiği birim, ‘merkezi işlem birimi’ ve
‘mikroişlemci’ olarak adlandırılır. Diğer bir bakış açısıyla mikroişlemci;
ikili sayılar şeklinde kodlanmış komutları ve verileri işlemek veya yorumlamak için
gerekli mantıksal devreleri içeren, milyonlarca transistörden meydana gelen elektronik
bir elemandır. Mikroişlemcili sistemlerin ve basta bilgisayarın en önemli parçası
olan bu elektronik eleman, başlangıçtan günümüze kadar hızlı bir gelişim süreci
geçirmiştir. Bu bölümde, mikroişlemcinin geçirdiği gelişim sürecini ve
mikroişlemcinin özelliklerini belirlerken kullanacağımız kriterleri ve kavramları
inceleyelim.
2.1.
Mikroişlemcilerin Tarihi Gelişimi
Bilgisayarın en
önemli parçası mikroişlemci, çok karmaşık bir yapıya sahiptir ve günümüzde
Intel, Motorola, AMD, CYRIX, vb. firmalar tarafından geliştirilmekte ve piyasaya
sürülmektedir. Günümüzde, mikroişlemcili sistemlerde yaygın olarak kullanılan
mikroişlemciler; Intel tarafından üretilen Pentium
X ve Motorola tarafından üretilen Power PC veya M680XO kodlu mikroişlemcileri
(genellikle sanayide kontrol amaçlı) olmakla birlikte, diğer firmaların ürettikleri
mikroişlemcilerde piyasada kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan
mikroişlemcileri incelemeden önce, mikroişlemcinin günümüze gelinceye kadar
geçirdiği aşamaları genel hatları ile incelemek mikroişlemciyi ve özelliklerini
anlamamıza yardımcı olacaktır.
Mikroişlemcilerin
tarihi gelişimini, bir kerede işleyebildikleri bit sayısına göre
sınıflandırılmalarını referans olarak inceleyelim. Mikroişlemeciler, bir kerede
işleyebildikleri bit sayısı referans alınarak üç grup altında incelenebilir:
i- 8 bit
Mikroişlemciler,
ii- 16 bitlik
Mikroişlemciler,
iii- 32 bit
Mikroişlemciler,
2.1.1.8 Bit Mikroişlermciler
Merkezi işlem
biriminin tek bir entegre içerisine yerleştirilmesi ile ilk mikroişlemci üretimi
başladı. İlk mikroişlemci, bir hesap makinasında kullanılmak üzere sipariş üzerine 1971 yılında Intel
firması tarafından üretilen 4004 mikroişlemcisi idi. 4 bit kelime işleme kapasitesine
ve 640 Byte adres alanına sahip bu işlemciyi, 1972 yılında yine Intel firması
tarafından üretilen 8 bitlik ilk işlemci olan 8008 mikroişlemcisinin üretimi takip
etti. Her iki mikroişlemcide özel uygulamalar için geliştirilmişti.
İlk üretilen mikroişlemcilere olan büyük ilgi, 8 bitlik fakat daha fazla
bellek adresleme kapasitesine sahip 8080 mikroişlemcisinin genel amaçlı olarak 1974
yılında piyasaya sürülmesini sağladı. Kısa süre içerisinde 8 bitlik
mikroişlemciler için endüstri standardı olan 8080 mikroişlemcisini, 1976 yılında
piyasaya sürülen ve 8080’nin gelişmiş bir versiyonu olan 8085 mikroişlemcisi takip
etti.
Intel firması 8080 mikroişlemcisini üretirken, Motorola firması 6800
mikroişlemcisini piyasaya sürdü. 8080 mikroişlemcisine göre daha üstün özelliklere
sahip 6800 mikroişlemcisi, 1970’li yıllarda yaygın olarak kullanıldı.
Intel ve Motorola firmaları yanında, piyasanın ihtiyacını karşılamak üzere
Zilog firması Z-80 ve Mostek firması 6502 mikroişlemcilerini (her ikiside 8 bit)
piyasaya sürdüler. Açıklanan mikroişlemcilerden, 8080 ve Z80 mikroişlemcilerinin
çok sayıda kaydedici içermesi ve işlemlerin kaydedicilerden faydalanılarak
gerçekleştirilmesi nedeni ile,
‘kaydediciye dayalı mimariye sahip mikroişlemciler’ olarak isimlendirilir.
6500 ve 6800 serisi mikroişlemciler ise, daha fazla adresleme yöntemi kullanmaları ve
komutların adreslere dayalı olarak oluşturulması nedeni ile, ‘belleğe dayalı
mimariye sahip mikroişlemciler’ olarak anılır.
Her birisi
kendine özgü değişik uygulama alanları bulunan 8 bitlik mikroişlemcilerin genel
özellikleri Tablo 1’de özetlenmektedir.
Tablo 1: 8 bitlik
mikroişlemciler ve genel özellikleri.
2.1.2.16 Bit Mikroişlemciler
İlk 16 bitlik mikroişlemci, 1978 yılında Irtel firması tarafından NMOS
teknolojisi ile üretilen 8086 işlemcisidir. 8080/8088 ile 8086 mikroişlemcileri uyumlu
değildir.
8086 işlemcisini,
1979 yılında Motorolanın ürettiği 6809 ve 68000 serisi mikroişlemciler takip etti.
68000 serisi mikroişlemciler, eski mikroişlemciler ile uyum problemini düşünmüyordu
ve tamamıyla yeni bir yapıya sahipti. Diğer firmalarda 16 bitlik işlemci üretmesine
rağmen, en yaygın kullanılan 16 bitlik işlemciler; Intel 8086 serisi ile,
Motorala’nın ürettiği 68000 serisi mikroişlemcilerdir.
Intel’in 8086 mikroişlemcisini yine Intel’in ürettiği 8088 mikroişlemcisi
takip etti ve 8088 mikroişlemcisi ilk PC’lerde kullanıldı. 16 bitlik
mikroişlemcilerin kullanıldığı PC’ler ‘XT’ (eXtended Technology –
Genişletilmiş Teknoloji) standı olarak adlandırıldı. 8086/8088 mikroişlemcileri, X
86 ailesi olarak bilinen mikroişlemci ailesinin çekirdeği oldu.
16 bitlik veri yoluna sahip 68000 mikroişlemcisinde kaydediciler 32 bitliktir ve
16 MegaBayt bellek adresleme kapasitesi bulunmaktadır. Sun, Macintosh, Atari ve Amiga
bilgisayarlarda U 68000 mikroişlemcisi kullanıldı ve büyük başarı kazanan bu
mikroişlemci 680X0 ailesinin başlangıcı oldu.
1982 yılında ise, Intel firması tarafından AT teknoloji (Gelişmiş İleri
Teknoloji - Advanced Technology) ile üretilen 80286 mikroişlemcisi piyasaya sürüldü.
Hem adres yolu, hem de veri 16 bitlik olarak tasarlanan 80286 mikroişlemcisindeki
kaydedici çıkışları 20 bite yükseltilirken, adres yolu sayısı 24’e
çıkarılarak 16 MByte adresleme kapasitesi oluşturuldu. 80286 mikroişlemcisi, DOS
işletim sistemi ile birlikte 1985 yılında üretilen bilgisayarlarda kullanıldı.
Aynı zaman
dilimi içerisinde, Motorolanın ürettiği ve MacOS işletim sistemi kullanan 68000
mikroişlemcisi kullanılıyordu. 68000 mikroişlemcisini, UNIX sistemlerinin
gerektirdiği bellek ihtiyacını karşılayabilen, sistemdeki sabit disklerin bir
kısmını sanal olarak ana belleğin bir parçası olarak kullanabilen 68010
mikroişlemcisinin üretimi takip etti. 68010 mikroişlemcisinden sonra, daha fazla adres
alanına sahip 68012 mikroişlemcisi üretildi. 16 bitlik mikroişlemciler olarak
özetlenen mikroişlemcilerin genel özellikleri Tablo 2’de verilmektedir.
Tablo 2. 16 bitlik
mikroişlemcilerin genel özellikleri.
2.1.3.32 Bitlik Mikroişlemciler
Mikroişlemcilerde yaşanan gelişmeler 32 bit veri ve adres kullanan ve gerçek 32
bit mikroişlemciler olarak isimlendirilebilen mikroişlemcileri doğurdu. Adresleme için
32 bit kullanılması, kullanılabilecek bellek alanlarını genişletti ve genişleyen
bellek alanları geniş yazılımların geliştirilmesine imkan tanıdı. 32 bitlik
işlemciler, kullanıldıkları farklı bir
teknik ile Terabayt bellek kapasitesi
kullanılabilir.
İlk 32 bitlik mikroişlemciler olarak Bell Lab ve Hevlett-Packard tarafından
üretilen 32 bitlik işlemciyi takiben 1984 yılında Motorola tarafından 68020 ve 1985
yılında Intel tarafından 80386
mikroişlemcileri üretildi.
32 bitlik mikroişlemcilerden Intel tarafından üretilenler IBM uyumlu PC ve AT
tipi bilgisayarlarda, Motorola tarafından geliştirilenler ise işistanyonlarında
(workstation-SUN ve HP gibi) kullanıldılar.
Yeni geliştirilen 32 bitlik mikroişlemcilerin yaygın olarak kullanılması,
mikroişlemci kullanılan yeni sistemlerin eski sistemlerle uyum problemini ortaya
çıkardı. Uyum problemlerinden birisi, daha önceki seri mikroişlemciler ile olan soket
uyumsuzluğu idi. Bu uyumsuzluğu ortadan kaldırmak için, 80386’nın veri yolu
sayısı 16’ya indirildi (kaydediciler 32 bitlik bırakılarak). Ortaya çıkan yeni
mikroişlemci, ‘80386 SX’ olarak tanıtıldı. Gerçek 32 bitlik 80386 işlemcisi ise,
80386 DX olarak isimlendirildi.
Motorola tarafından 1987 yılında üretilen 68030 ve 1989 yılında üretilen
68040 mikroişlemcileri 32 bitlik yapıdadır ve bu mikroişlemcilere ‘Bellek
Yönetim’ birimi eklenmiştir. Motorola’nın ürettiği işlemcilere karşılık
olarak, Intel firması yüksek performans ve hızda 80486 mikroişlemcini üretti.
Mikroişlemci dışında bulunan kayar noktalı hesaplama birimi (FPU), bellek yönetim
birimi (memory management Unıt-MMU), ön bellek, vb. birimlerin mikroişlemci içerisine
alındığı 80486 mikroişlemcisinde, sistemin verimliliği arttı. 80486
mikroişlemcisi, 80386’ın bir üst modeliydi ve 80386 mikroişlemcisinde çalışan
tüm programlar problemsiz olarak 80486 ile birlikte çalışabiliyordu. Ayrıca, 80486
işlem hızı 80386’ya göre çok daha yüksekti.
1993
yılında piyasaya sürülen Pentium mikroişlemcisi; temel mimari olarak farklı bir
mikroişlemci değildi ve X86 ailesinin bir üst modeli gibi idi. Aynı yıl (1993)
içerisinde, Pentium işlemcilerin hızları artırıldı, üzerlerindeki önbellek
yapıları değiştirildi ve bellek kapasiteleri genişletildi. Bununla beraber, eski
programların sorunsuz çalışabilmesi için Intel X86 mimarisinin yapısı korundu.
32 bitlik mikroişlemci üretim yarışının Motorola tarafında da hızlı bir
gelişim yaşanıyordu. Gerçek 32 bit 68020 mikroişlemcisinin 1984 yılında üretimi,
mühendislik çalışmalarında yapılan işlemlere kolaylık sağlandı. Çünkü 68020
mikroişlemcisi 32 bit veri yoluna ve 32 bit çarpma ve bölme komutuna sahipti. Bu
özellikler nedeni ile 68020 mikroişlemcisi Sun, Hewlett-Packard ve Macıntoch gibi
makinalarda kullanılmaya başlandı. 1987 yılında geliştirilen 68030 mikroişlemcisi,
68020’nin tüm özelliklerine ve entegre içerisinde bellek yönetim birimine sahipti.
1989 yılında piyasaya sürülen 68040 mikroişlemcisi, 80486 mikroişlemcisinde olduğu
gibi, entegre içerisinde kayan nokta birimi (Ploating Point Unit), bellek yönetim birimi
ve ön bellek birimlerine sahipti.
1990 yılına kadar üretilen 32 bitlik İntel ve Motorola firmalarının
ürettikleri mikroişlemcilerin genel özellikleri Tablo 3’de özet olarak
verilmektedir.
2.2. Mikroişlemci Özelliklerini
Belirleyen Etkenler
Günümüzde,
çeşitli üreticiler tarafından üretilen çok fazla sayıda mikroişlemci çeşidi
bulunması, mikroişlemci seçimini ve piyasada bulunan mikroişlemciler arasından
birisinin tercih edilmesi zorluğunu doğurmaktadır. Mikroişlemci fiziksel özellikleri
mikroişlemci seçiminde etken faktör olsa da, mikroişlemci seçimini bazen teknik
olmayan etkenler belirlemektedir. Örneğin; tasarımcı veya uygulayıcının daha
önceki deneyimleri, mikroişlemci seçimini etkilemektedir. Bununla beraber,
mikroişlemci ve çevre birimlerinin fiziksel özellikleri, bir uygulama için
kullanılabilecek yazılımlar, uygulamanın özellikleri mikroişlemcinin bir uygulama
için seçimini etkileyen en önemli etkenlerdir.
Mikroişlemcilerin özelliklerini belirleyen ve mikroişlemcileri birbirleri ile
kıyaslamada kullanılan etkenler olarak aşağıdaki hususlar sıralanabilir:
i-Mikroişlemcinin
işlem gücü,
ii-
Mikroişlemci komut işleme hızı,
iii-
Mikroişlemci tarafından doğrudan adreslenebilen bellek kapasitesi,
iv-
Kullanılabilecek komut seti ve komut çeşitleri,
v-
Mikroişlemcide bulunan kaydedici çeşitleri ve kaydedici sayısı,
vi-
Mikroişlemci ile kullanılabilecek adresleme yöntemleri,
vii-
Mikroişlemci ile beraber kullanılabilecek çevre birimleri,
viii-
Mikroişlemci - çevre birimleri uyumluluğu,
ix-
Mikroişlemci kelime uzunluğu,
x-
Mikroişlemcili sistemlerde kullanılabilecek yazılımlar,
xi-
Mikroişlemci giriş / çıkış olanakları
xii-
Mikroişlemci ile kullanılabilecek kesmeler
Belirtilen
etkenlerden tek bir özelliğin iyi olması mikroişlemci seçiminde karar vermek için
yeterli değildir. Çünkü, bir işlem çeşidini çok verimli şekilde yapan bir
işlemci, farklı bir işlem türünde yetersiz kalabilir. Bu nedenle, mikroişlemciyi
değerlendirirken açıklanacak etkenlerden birden fazlasını referans alarak incelemek
gereklidir.
Mikroişlemci ve
mikroişlemcili sistemlerin özelliklerini belirleyen etkenleri detaylandıralım.
i- Mikroişlemci
işlem gücü: Mikroişlemcili bir sistemde kullanılacak mikroişlemci seçiminde teknik
ve teknik dışı etkenler bulunmasına rağmen, mikroişlemci seçiminde temel
gereklilik; mikroişlemcinin istenen işlemleri verilen süre içerisinde
gerçekleştirmek için yeterli işlem gücüne sahip olmasıdır. Ancak, işlem gücü
net bir şekilde (elektrik gücü gibi) belirlenebilecek bir özellik değildir.
Mikroişlemcilerin işlem güçlerini belirtmek için anlamlı bazı karşılaştırmalar
yapılabilir. Örneğin; iki mikroişlemcinin performansı, bellekteki bir bölgeden
diğerine 100 Byte’lık veri aktaran bir programın mikroişlemcilerde çalışma
sürelerinin karşılaştırılması şeklinde kıyaslanabilir. İşlemi kısa sürede
yapan işlemci, bellekte sık ve hızlı veri blokları taşınması gerekli bir
uygulamada tercih edilir. Mikroişlemci işlem gücü - maliyet bağlantısı bir etken
olsa da, mikroişlemcili bir sistemdeki en ucuz parçalardan birisinin mikroişlemci
olduğu anımsanarak, yeterli işlem gücünü her zaman sağlayabilecek yüksek güçlü
mikroişlemci seçimi doğru bir karar olur.
ii-Mikroişlemci
komut işleme hızı: Mikroişlemcinin komut işleme hızı, mikroişlemci ile birlikte
kullanılan osilatörün frekansıyla ilgili olmasıyla beraber, mikroişlemci hızını
etkileyen tek etken değildir. Mikroişlemci hızını etkileyen diğer bir etken,
komutların işlenmesi sırasında gerçekleştirilen ‘komutu al - kodunu çöz - komutu
işle ve sonucu sakla’ işlem dizisinin uzunluğudur. 1 MHz’ten başlayan
mikroişlemci hızları; 16, 33, 100, 233, 333, 450, 500, 633 MHz, 1GHz ve MIPS (saniyede
milyon adet komut işleme) şeklinde sıralanabilir. Geliştirilen yeni teknolojiler ile
devamlı artan mikroişlemci komut işleme hızını etkileyen etkenler olarak
aşağıdaki hususları sıralayabiliriz:
·
Merkezi işlem biriminde kullanılan yarıiletken teknolojisi: Yarıiletken
teknolojisinden bazıları ile oluşturulan devreler diğerlerine göre daha hızlı
çalışma hızına sahiptir.
·
Mikroişlemcinin bir kerede işleyebileceği kelime uzunluğu: Daha uzun kelime
uzunluğu daha hızlı işlem sonucunu doğurur.
·
Mikroişlemcide çalıştırılabilecek komut kümesi türleri: Çok komut türü
bulunması, işlemlerin gerçekleştirilmesi sırasında farklı yöntemler seçebilme
esnekliğini doğurur.
·
Mikroişlemci kontrol işlemlerinin yapısı: Kontrol işlemlerinin karmaşık bir
yapıya sahip olması, mikroişlemci hızını düşürür.
·
Mikroişlemcide kullanılabilecek kesme çeşitleri: Daha çok kesme çeşidi,
işlemlerde esneklik sağlayarak hızın artmasına yardımcı olur.
·
Mikroişlemci ile birlikte kullanılan bellek ve giriş/çıkış (G/Ç)
elemanlarına erişim hızı: Bellek ve G/Ç elemanlarına hızlı erişim,
mikroişlemcili sistemin hızını arttırır.
iii-Mikroişlemci tarafından doğrudan adreslenebilen
bellek kapasitesi: Mikroişlemcili sistemlerde, bellek adresleri adres yolu yardımıyla
bulunur. Adres yolunda bulunan hat sayısı , adreslenebilecek bellek bölgesi sayısını
belirler. Mikroişlemci yapısıyla ilgili ve mikroişlemciye göre standart olan hat
sayısı, mikroişlemcide bulunan kaydedicilerin yapısına bağlı olarak
çoğaltılabilir. Örneğin; 16 hatta sahip mikroişlemcili bir sistemde, adres bilgisi
dört bit kaydırılarak 20 adres hattı oluşturulur ve 20 hat ile 1 MByte’lık bellek
adreslenebilir.
iv-Kullanılabilecek
komut çeşitleri: Mikroişlemcilerde kullanılabilecek komutlar, komutların yapısına
ve komutların yaptıkları işlemlere göre gruplandırılırlar: Giriş / Çıkış
komutları, aritmetik işlem komutları, veri işleme komutları, mantık komutları ve
test komutları.
Mikroişlemci
komut gruplarında bulunan komut sayısının çok olması, kullanıcıya esneklik
sağlar. Kullanıcının uygun komutu seçmesi, mikroişlemcili sistemin hızını
arttırabilir. 4-bitlik mikroişlemci ile 8 bitlik mikroişlemci veya 8 bitlik
mikroişlemci ile 16 bitlik mikroişlemci arasında pratikte yapılan karşılaştırmada;
mikroişlemcinin performansını kelime uzunluğu kadar güçlü bir komut setine sahip
olmasının etkilediği görülür. Bununla beraber, mikroişlemcilerin
karşılaştırılmasında, karşılaştırılması zor olan özelliklerden birisi komut
setlerinin karşılaştırılmasıdır. Bunun nedeni, her mikroişlemci tipinin kendine
özgü üstünlük ve eksikliklerinin olması ve kullanılan komut seti ile mikroişlemci
mimarisi arasında sıkı bir ilişki bulunmasıdır. Örneğin; M6800’de iki adet
kaydedici ve bu kaydedicilerle ilgili komutlar bulunurken, Intel 8080’de yedi adet
kaydedici ve bu kaydedicilerle ilgili komutlar bulunur.
v-Mikroişlemcilerde
bulunan kaydedici çeşitleri ve kaydedici sayıları: Mikroişlemcili sistemlerde
kullanılan komutlar ve kullanıcı verileri, kaydediciler üzerinden çalıştırılır.
Kaydediciler, kullanım yerlerine ve işlevlerine göre gruplandırabiliriz:
·
Genel amaçlı kaydediciler: EAX, EBX, ECX, EDX, vb.
·
İşaretçi ve indeks kaydedicileri: ESP, EBP, ESI, EDI, EIP, vb.
·
Bayrak kaydedicileri: C, P, A, Z, S, T, D, I, O, IOPL, NT, RF, VM, AC, vb.
·
Parça (segment) kaydedicileri: CS, DS, ES, SS, FS, GS.
·
Tablo kaydedicileri: TR, LDTR, GDTR, IDTR.
Her bir mikroişlemcide, gruplar
içerisinde bulunan kaydedicilerden bir kısmı seçilerek kullanılır. Kullanılan
kaydedicilerden en çok kullanılanlar:
·
Akümülatör,
·
İndis kaydedicileri,
·
Program sayıcısı,
·
Yığın işaretçisi,
·
Komut kaydedicisi,
·
Veri adres kaydedicisi,
·
Veri kaydedicisi,
·
İşlemci durum kaydedicisi
şeklinde sıralanabilir.
vi-Mikroişlemci ile kullanılan bellek adresleme
yöntemleri: Üzerinde çalışılacak bir verinin bellekten nasıl ve hangi yöntemle
çağırılacağı veya üzerinde çalışılan verinin belleğe nasıl ve ne şekilde
yerleştirileceği farklı adresleme yöntemlerini ortaya çıkarır. Çok sayıda
adresleme yöntemleri bulunması, güçlü bir komut seti etkisi gibi programcıya
esneklikler sağlar. Farklı mikroişlemcilerde çok sayıda bulunan adresleme
yöntemlerinden bazıları seçilerek kullanılmaktadır.
Her bir mikroişlemci ile kullanılabilecek adresleme yöntemleri ilgili mikroişlemciye
ait üretici veri sayfalarında açıklanmaktadır. Adresleme yöntemleri olarak:
·
Doğrudan adresleme,
·
Dolaylı adresleme,
·
İndeksli adresleme,
·
İvedi adresleme,
·
Doğal adresleme,
·
Bağıl adresleme,
·
Sıralı adresleme,
·
Mutlak adresleme,
·
Veri tanımlı adresleme,
·
Göreceli adresleme,
·
Akümülatör ve imalı adresleme,
yöntemleri sıralanabilir. Farklı
adresleme yöntemleri, bilginin okunacağı veya yazılacağı adres bölgesine erişim
şekline göre ortaya çıkar.
vii-Mikroişlemci
ile birlikte kullanılabilecek çevre birimleri: Mikroişlemci ile çevre birimleri bir
arada kullanılarak mikroişlemcili bir sitemi oluşturur. Mikroişlemcili sitemde bulunan
çevre birimleri olarak:
·
Çevre Bağdaştırma Adaptörü (PIA-Peripheral Interface Adaptor),
·
Çok Yönlü Bağdaştırma Adaptörü (VIA-Versatile Interface Adaptor),
·
Yardımcı işlemci (Co-Processor),
·
Ön bellek (Cache Memory),
·
Doğrudan adres erişimi (Direct Memory Access),
·
Eşzamansız iletişim bağdaştırma adaptörü (ACIA),
devreleri / elemanları
sıralanabilir. Çevre birimlerine destek olan elemanlar / özellikler olarak; sistemin
soğumasına yardımcı olan soğutucular, yardımcı bellekler olarak kullanılan
paketlenmiş ön bellekler ve komutu bölümlere ayırarak işlenmesini sağlayan
‘pipeline’ özelliği verilebilir.
viii-Mikroişlemci
- çevre birimleri uyumluluğu: Mikroişlemci ile birlikte kullanılan çevre
birimlerinin, mümkün olduğunca mikroişlemci ile aynı hızda çalışması gerekir.
Ayrıca mikroişlemcili sistemde kullanılacak belek devrelerinin hızları mikroişlemci
ile hız uyumluluğu içerisinde bulunmasıdır. Mikroişlemcili bir sistemde (özellikle
bilgisayarlarda) kullanılan ekran kartının ve diğer kartların hızları mikroişlemci
ile uyumlu olmasıdır.
ix-Mikroişlemci
kelime uzunluğu: Mikroişlemci kelime uzunluğu, aritmetik, mantık, veri aktarımı ve
G/Ç komutlarının işlenmesi sırasında paralel olarak bir kerede işlenebilecek bit
sayısını belirtir. Diğer taraftan kelime uzunluğu, mikroişlemcide bulunan genel
amaçlı kaydedicilerin büyüklüğünü ve her bir bellek adresinde saklanabilecek
kapasiteyi belirtir. Mikroişlemci veri yolunda bulunan hat sayısı çoğu
mikroişlemcide kelime uzunluğuna eşittir. Daha uzun kelime, birden çok işlemin aynı
anda yapılabilmesi imkanı verir. Ayrıca, uzun kelime program yazımı sırasında
kolaylıklar sağlar.
Mikroişlemciler,
her bir saat çevriminde komut kuyruğunda bulunan komutları ve komut ile ilgili
bellekteki verileri işlerler. Basit işlemleri gerçekleştirmek için tek bir komut
yeterli olabilir. Komutu açıklamak için 4 bitten 64 bite kadar kelime uzunluğuna sahip
veriler kullanılabilir. Komutların az sayıda bit ile açıklanması, hızı ve sistem
performansını düşürür. Çünkü işlemlerin gerçekleştirilmesi için birden fazla
kısa veri kullanılır ve bu durum işlemcinin veri işleme hızını azaltır.
M6800
mikroişlemcisi genel hatları ile klasik 8-bit kelime uzunluğuna sahip mikroişlemcilere
örnek olarak verilebilir. Z-8002 ise, 16-bitlik mikroişlemcide ve 16-bit kelime
uzunluğunda mikroişlemci mimarisine
sahiptir. Daha sonra geliştirilen Motorola 6809 ve Intel 8088 mikroişlemcileri 8-bitlik
mikroişlemci olarak isimlendirilmesine rağmen, iç veri aktarımları ve veri işlemleri
16-bitlik işlemci karakteristiği gösterir.
x-Mikroişlemcili
sistemde kullanılan yazılımlar: Mikroişlemci temelli sistemlerde yazılımlar,
mikroişlemci ile çevre birimlerin bir sistem oluşturmasını ve sistemin
çalışmasını sağlayan programlar olarak açıklanabilir. Yazılımlara örnek olarak:
DOS, OS/2, Sistem 7, Windows, Unix ve Linux işletim sistemleri verilebilir.
xi-Mikroişlemci
giriş / çıkış olanakları: Mikroişlemcili bir sistem, verilerin merkezi işlem
biriminde işlenmesi nedeni ile, verilerin birimlerden MİB’ne veya MİB’inden
birimlere iletilmesini sağlayan giriş / çıkış olanaklarına sahip olması gerekir.
Giriş; bir
klavye, dönüştürücü, mouse, optik okuyucu ya da farklı bilgi kaynaklarından birisi
olabilir. Çıkış; görüntülenmesi ya da yazdırılması gereken sayısal /
alfasayısal sonuçlar veya elektronik / elektromekanik cihazları denetleyen sinyaller
olabilir. Farklı giriş ve çıkış sistemlerine sahip olan mikroişlemcili bir
sistemde, G/Ç devresi tek bir hat (lamba, anahtar, röle, vb. elemanları bağlamak
için) veya çok sayıda hat (monitör, yazıcı, vb. elemanları bağlamak için)
içerebilir. G/Ç devresindeki hat sayısı, kullanılan elemanlara bağlı olduğu gibi
kullanılan haberleşme türüne de bağımlıdır. Çok sayıda bitten oluşan bir
verinin iki nokta arasında paralel olarak aktarımı çok sayıda hat ihtiyacını
doğururken, verilerin seri olarak iletimi için tek bir veri hattı yeterli olur.
Mikroişlemcili sistemler, G/Ç olanakları konusunda 3 farklı yapıya sahip olabilir:
1. Tek
yongalı mikroişlemcili sistem yapısı: Tek yongalı mikroişlemcili sistem
yapısında, G/Ç arabirim devrelerine çok az sayıda ihtiyaç duyulur. Bu yapıda
bulunan G/Ç hatları ile seri veya paralel veri iletişimi sağlanabilir. Bahsedilen
yapının sakıncası; G/Ç özelliklerinin mikroişlemci tarafından sabit olarak
belirlenmesi nedeniyle, kullanıcının isteğine uygun olarak şekillendirme
esnekliğinin bulunmamasıdır. Sakıncanın ortadan kaldırılması için; aynı aileye
sahip mikroişlemciler, farklı bellek kapasitesi ve farklı G/Ç olanağına sahip
ürünler şeklinde piyasaya sürülmektedir.
2. G/Ç
terminal yapısı: Mikroişlemci giriş / çıkış olanakları için yaygın olarak
kullanılan yapılardan birisi, giriş ve çıkış verilerinin üzerinden geçtiği
terminallerden oluşan yapıdır. Bu yapının en belirgin özelliği; giriş / çıkış
işlemleri için özel amaçlı komutların bulunmasıdır. G/Ç işlem komutları farklı
mikroişlemciler için farklı yapıda olabilir.
Çevresel birim
ile mikroişlemci arasında oluşan veri iletiminin kontrolü, çevresel arabirim devresi
(PIC-Peripheral Interface Circuit) tarafından yapılır. G/Ç terminali üzerinden
yapılan mikroişlemci - çevre birimleri arasındaki iletişimin sağlıklı bir şekilde
gerçekleştirilmesi ve birimlerin bilgilendirilmesi için ‘Giriş / Çıkış İstek’
(IORQ - Input / Output Request) sinyali kullanılır (Şekil 1.a). G/Ç terminali
yapısına örnek olarak Z80 mikroişlemcisi verilebilir (Şekil 1.b). Z80
mikroişlemcisinde bulunan IORQ sinyali, Giriş / Çıkış komutunun çalıştırılması
ile ‘0’ değerini alır ve terminal adresi adres yoluna yerleştirilir. Bu anda veri
yolu üzerinden bilgi gönderilir veya alınır.
Şekil 1. MİB
ile çevre arabirimi arasındaki bağlantılar ve Z80 G/Ç hatları
3. Bellek
haritalı G/Ç yapısı: Giriş / çıkış yapıları içerisinde yaygın olarak
kullanılan diğer bir yapı, bellek haritalı G/Ç sistemidir. M6800 ve 6502
mikroişlemcileri, bellek haritalı G/Ç yapısında işlemcilerdir. Bu yapıya sahip
mikroişlemcilerde, özel amaçlı G/Ç komutları ve IORQ sinyali gibi kontrol sinyalleri
bulunmaz. Bunun nedeni, bellek haritalı G/Ç yapısına sahip mikroişlemcilerin, giriş
işlemleri ile bellek okuma işlemleri arasında fark olmamasıdır. Benzer şekilde, veri
çıkışı işlemi belleğe bilgi yazdırılması şeklinde gerçekleştirilir.
Örneğin; M6800 mikroişlemcisinde ana bellekten bilgi okunması ve sisteme veri girişi
için ‘LDA A’ veya ‘LDA B’ komutları kullanılırken, hem belleğe veri yazma hem
de veri çıkışı için ‘STA A’ ve ‘STA B’ komutları kullanılır. Bellek
haritalı yapı kullanılması durumunda, G/Ç işlemleri için ayrılan adreslerin, ana
bellek ile aynı adres alanını paylaştığı unutulmamalıdır. Diğer bir deyişle;
G/Ç birimi için kullanılan bir adres, bellek konumu veya bir bellek bölgesi için
kullanılmamalıdır.
xii-Mikroişlemci ile birlikte kullanılabilecek
kesmeler: Mikroişlemcili sistemlerde kullanılan kesmeler, mikroişlemci tarafından
yapılan işlemlerin askıya alınmasını ve denetimin kesme hizmet yordamı adı verilen
başka bir programa aktarılmasını sağlarlar. Kesme hizmet yordamının işlevinin
bitmesiyle askıya alınan işlemlere geri dönülür (Şekil 2).
Kesme işlemi, mikroişlemci kesme hattının aktif
(etkin) yapılması ile başlar. Etkinleştirme işlemi; kesme hattının M6800, Z80 ve
Z8000 mikroişlemcilerinde ‘0’, 8080 mikroişlemcisinde ise ‘1’ durumuna
getirilmesiyle başlar. Kesmeler, kesme olanağının kontrol edilmesi işleminin bulunup
- bulunmaması referans alınarak ‘maskelenebilen veya maskelenemeyen kesmeler’ olarak
gruplandırılır. Kesme istemi kaynağının kesme işlemi ile MİB’ine bildirdiği
kesme şekli, ‘vektörlenmiş kesme’, kesme istemi kaynağının MİB tarafından
kaynakların taranması sonucu bulunduğu kesme şekli ise, ‘vektörlenmemiş kesme’
olarak isimlendirilir.
İntel Mikro İşlemcileri
4004: 4 bitlik mimari ve 1Mhz hıza sahip olan bu
işlemci 2000 transistöre sahipti. 1971 yılında üretilen işlemci 45 komut
içeriyordu.
8008: 1972 yılında üretilen 8008 işlemcisi 8
bitlik bir işlemciydi ve 3500 transistöre sahipti. En önemli özelliği alfasayısal
veri işlemlerini yapabilmekteydi.
8080: 1974 yılında üretilen 2MHz
‘lik bu işlemci 6000 transistör içermekteydi. 8 bitlik akümülatöre sahiptir.
8086: Gerek eğitim amacıyla,gerekse
de özel ,kontrol ve kumanda devrelerinde yararlanılmaktadır.1978 yılında üretilen bu işlemci 29000 transistör
içeriyordu. 16 bitlik mimari ve tüm x86 uyumlu çiplerde bu işlemcinin komut seti
kullanılmaktadır.
8088/80188: 16 bitlik registers ve 8 bitlik data ve adres yoluna sahiptir.Bir
milyon bytes,iç memory(internal memory)’e sahiptir.80188,8088’ebirkaç komut
eklenmesiyle oluşturulmuş bir işlemcidir.Her ikiside gerçek mod da (real mode)
çalışıyor. Gerçek mod da sistem normal olarak 1 MB’lık bellek kullanarak kendi
başına çalışır. Aynı anda tek bir program çalışır. 16 biti 8 bit olarak ayrı
ayrı giriyor.
80186 :8088/80188 işlemcilerin bir benzeridir. Ama daha hızlı çalışır.
Çünkü 16 biti,16 bit olarak geçiyor.80186,8086’ya birkaç komut eklenmesiyle
oluşturulmuştur. Real mode’de çalışıyor.
80286: 16’bitlik bir mikroişlemcidir.1982’de üretime başlanmıştır.
Data(veri) yolu 16 bittir. Adresleme yolu 24 bittir. Çalışma frekansı 8-25 MHz
arasında değişir.
Hem real mode ‘da hemde
protected(korumalı)mode’de çalışır. Yani aynı anda iki programı
çalıştırıyor.
80386:32 Bit’lik mikroişlemcilerdir.1985’te üretime başlanmıştır.32 bit
veri ve adres yoluna sahiptir.4 milyar byte’lık memory’e sahiptir. Çalışma
frekansı 16,25,33,40 MHz’dir.Hem real mode’de hemde protecdet mode(korumalı
modda)’da çalışır.32 adet kaydediciye sahiptir.
Korumalı modda bilgisayar başka bilgisayarlarla ortak olarak çalışabilir ve
aynı anda ortak dosya paylaşımı ,ortak sistem kullanımı ve zaman paylaşımı
denilen sistem kullanılır. Ayrıca bu modda 1MB sınırı aşılarak büyük bellek
kapasiteleri kullanılabilmektedir.
Koordineli bir bellek yönetimi,koruyucu sistemi ve adres
çeviri(translation)kaydedicileri vardır. Çok amaçlı (multitasking) bir donanıma
sahiptir. Komutların verimi artırıcı çoklu ortam sistemi (ınsruction pipelining) ve
özel mimari yapı ile saniyede 3-4 milyon komut işleyecek bir özelliğe sahiptir.
80386 aşağı-yukarı daha önceki üretilen 80286’dan 8086’ya kadar geriye doğru uyumludur.8086’da
yazılmış programlar 80386’lı bilgisayarlarda çalışabilir fakat
,80386’dayazılan gerçek mod (Real Mode ) dışındaki programlar alt versiyonlarda
çalışmaz.
1988 yılında 80386’nın bir değişik modeli olan 80386SX geliştirildi. Bu
işlemcide’de 32-bitlik kaydediciler kullanırken ,80286 ile soket uyumluluğu sağlamak
için veri yolu 16-bite indirildi. 80386SX teriminin kullanılması normal 80386’nın 80386DX olarak anılmasına sebep oldu.
80486:80486 Mikroişlemcilerinin ,486DX,486SX,486DX gibi versiyonları vardır.
Versiyonlar arasında ,temel yapı bakımından fark bulunmamakla beraber detayda ve hız
bakımından bazı farklar vardır. Veri ve adres yolu
32-bitliktir.486DX-1989,486SX-1991486DX2-1991 yıllarında üretime başlanmıştır.
Çalışma frekansı 16-20-25-33-50-66 MHz’dir.Hem real mode’de hemde protecdet
mode’da çalışır. Bu işlemcide farklı olarak,kayar noktalı hesaplama
birimi(Floating Point Unit-FPU),bellek yönetim birimi (MMU),ön-bellek gibi birimler
geliştirildi. Daha önceleri işlemci dışında kullanılan ön-bellek ve kayar nokta
hesaplama birimi işlemci içerisine alındı. Böylece sistemin verimliliği artmış
oldu.
İntel 80486 işlemcisinin içerisinde FPU birimi bulunmayan 80486SX işlemcisini
üretti. Bu işlemci performans yönünden 80386DX ile hemen hemen aynıdır.
Şekil-3 İntel Mikroişlemci Ailesi
Pentium
Mikroişlemcisi:
INTEL firmasınca üretilen Pentium tipi mikroişlemciler CISC ve RISC
özelliklerini üzerinde taşımaktadır. İlk Pentium 60 ve 66 MHz işlemciler P24C
koduyla alınırken, 90-100 MHz’lik işlemciler P54C ve P6 işlemci ise ,P55C koduyla
anılmaktadır.
80486 mikroişlemcisine göre Pentium tipi işlemcinin üstün özellikleri
şunlardır;
·
64-bitlik harici veri yolu
·
Adanmış komut ön-belleği(8KB)-L2 cache özelliği-
·
Adanmış veri ön-belleği(8KB)-L1 cache özelliği-
·
İki ayrı tam sayı icra birimi
·
Atırılmış kayar nokta3,1 milyon transistör sayısı icra birimi
·
Dinamik dalma tahmin mantığı
·
Yeni komutlar ve komut işleme mantığının fazla olması
·
3,1 milyon transistör sayısı
Cache belleklerin (ön belleklerin ) ortaya çıkmasıyla , ana bellekten veri
almak için düşük sistem veri yolu hızında çalışması,belleğe düşük hızda
erişilmesi ve sistem veri yolunun başka işler için boşaltılması ortadan
kalkmıştır.
CISC(Complex Instruction Set
Computers-Karışık Komut Kümeli Bilgisayarlar):Daha çok programların az bellek
kullanımı gerektirdiği sistemlerdeyer almakta ve az bellek kullanımı için kompleks
komutların ve mimarinin oluşumunu ortaya çıkardı. Mimarideki kompleksliğin
artması,işlemci performansında negatif oluşumların ortaya çıkmasına sebep oldu.
Bununla birlikte programların yüklenmesi ve çalıştırılmasında düşük bellek
kullanımının hızlı olması mesele teşkil etmemekteydi. Eskiden kullanılan bellekler
16-32 KB iken yeni mimarilerde 8-16-32-64 MB’a çıktı ve günümüz kişisel
bilgisayarlarında bir standart halini aldı.
RISC(Reduced Insruction Set
Computers-Azaltılmış Komut Kümeli Bilgisayarlar):
Risc işlemcili sistemlerde
amaç,komut işlenmesinin mümkün olduğu kadar hızlı olmasıdır. Bunun içinde
işlemcinin çalıştırdığı komutlar basitleştirilmiştir.
Komutların basitleştirilmesi ve azaltılması işlemcinin uzun ve kompleks olandan daha
hızlı çalışabilmesi demektir.
CISC ve RISC Tabanlı İşlemcilerin
Karşılaştırılması:
·
HIZ;RISC bilgi işlemini CISC’den hızlı yapar
·
TRANSİSTÖR SAYISI; CISC mimarisinde kullanılan transistör sayısı RISC’e
nazaran daha fazladır.
·
RISC mimarisi,CISC’in güçlü komutlarından yoksundur ve aynı işlemi yapmak
için daha fazla komut işlenmesini gerektirir.
Pentium işlemcisi DOS,WİNDOWS,OS/2
ve UNIX için olan tüm uygulamalar için uyumludur. Pentium 75/90/100/120/133/150/166/200
işlemcisi 3,3 milyon transistöre sahiptir ve Intel’in gelişmiş BİCMOSslikon
teknolojisi üzerine kuruludur.Pentium işlemcisi superscalar(süper-ölçek)mimarisi her
saat turunda iki komutu yerine getirebilir.
MMX Teknolojisi: İntel’in klasik
Pentium işlemcilerine eklediği 57 adet yeni komut seti sayesinde görüntü ve ses
ağırlıklı uygulamalarda yani multimedya uygulamalarında performans artışını sağlayan teknolojidir. Daha önceden
tanıdığımız Pentium ve PentiumPro (Profesyonel ) işlemcilere MMX teknolojisi
eklenerek Pentium-MMX ve Pentium-II işlemciler üretilmiştir.Pentium MMX(kod adı P-55C
olan)işlemciler uygun Windows 95 işletim sistemini ve üzerinde çalıştırılan
uygulamaları hedefliyordu.
PentiumPro:Orijinal adı P6 olan
Pentium Pro,Pentium’dan ve Pentium MMX’den daha değişik bir mimariye sahiptir. 4
adet CPU’yu bir sistem ünitesi içerisinde biraraya getiren tek işlemci olan Intel
CPU,P6’nın yüksek güç isteyen server ve iş istasyonları için tercih edilmesini
sağlayan belirli bir etmendir.
Pentium Pro hızla 200MHz’e çıkmakta ve
dahili L2 ön belleğin 512K’sını taşımaktadır; biz1MB’lık dahili L2 ön
belleğini bu yıl sonuna kadar görmeyi
umuyoruz. Bu CPU,Windows NT ve gerçek 32 bit Windows uygulamalarında kullanılmak
istenen en uygun CPU ‘dur.
Pentium II:Pentium II işlemciler
İntel’in en yeni kuşağı. Bu işlemci Pentium Pro işlemcisinin Dinamik icra ve
DIB(Çiftli Bağımsız Veri Yolu) özelliği ile MMX teknolojisinin çoklu ortam
özelliklerinin bir birleşimi olarak adlandırılabilir. Bunun sonucu olarak da Pentium
II işlemcisi üstün bir yazılım performansı sergiliyor,özelliklede yazılımlar bu
teknoloji için tasarlanmışsa.
586 nesli işlemciler için yaygın socket 7 ana kartların karşısına Pentium II
için slot-1 ana kartlar çıkıyor.
Pentim II İşlemcilerin Teknik
Özellikleri:
·
16 KB’lık veri ve 16 KB’tı komut için ayrılmış 32KB L1 ön belleğe
sahiptir.
·
Matematik işlemci ile gelişmiş mantıksal işlemcilere sahiptir.
·
Pentium II işlemcilerin gerçek güçleri yeni yazılımların 32 bit
çalışmasıyla birlikte ortaya çıkıyor. Pentium iki işlemcileri daha çok Windows NT
ve 32 bit işletim sistemleri için performans artışı sağlamaktadır.Bu işletim
sisteleri halen masa üstü,ev ve ofis kullanımları için gereksiz ve ağır
kalmaktalar.Bu yüzden Pentium MMX işlemciler üstün performanslarıyla halen masaüstü
uygulamalarda yeteri kadar güç sağlayabilmektedirler.
·
Pentium II işlemciler MMX deki Single Instruction
Multiple Data (SIMD)teknolojisini kullanarak tek bir komutu birden fazla veri kaynağına
götürüp anında hazır duruma getirebiliyorlar.Bu teknoloji sayesinde video, audio ve
görüntü işlemleri hızlanıp zaman kazanmamızı sağlıyor.
·
Pentium II işlemciler kendisine özel bir kartuş içerisinde geliyor. Bu kartuş
bir 512KB’lık L2 cache’i içerir ama
çip’e göre dıştadır ve Pentium Pro L2 cache’neden ,yarısı kadar yavaş
çalışır. Bu kartuş Slot 1 adı verilen yuvaya sahip ana kartlara dik olarak
yerleştiriliyor.Pentium II işlemci ve soğutucu, plastik raylar vasıtasıyla slot 1’e
takılabilir. Slot 1 den Socket 8’e dönüştürücüler sayesinde Pentium pro
işlemcilerde Slot 1 ‘e takılabilmektedir.
·
Dinamik icra teknolojisi,bu teknolojinin en temel özelliği verilen komutları
analiz edip,komutları kendi içinde bir sıraya koyup sonraki komutu tahmin ederek o
komutu hazır hale getirmesi.
·
Şimdilik iki Pentium II’yi tek sistem içinde kullanabilirsiniz ama 4 tanesini
kullanamazsınız. İntel’in yeni Pentıum II çip seti bir AGP (Accelaraetd Graphics
Port-Hızlandırılmış Grafik Portu)’nu, 3 boyutlu text(metin
haritalarına yüksek hızlı giriş için, içine almıştır.
AGP ;sadece ekran kartlarının kullanılması amacıyla
geliştirilmiş özel bir veri yoludur. AGP portu
sayesinde eskiden PCI veri yolunun kapasitesiyle sınırlı kalan ekran kartının
performansından tam olarak yararlanılır. Ekran kartı kendine özgü veri yolunu
kullandığı için PCI veri yolunu kullanan diğer cihazlar veri sıkışıklığından
kurtulmuş olur.
INSIDE THE CARTRIDGE(KARTUŞUN İÇİ)
Pentiım
MMX gibi, Pentium II’ de intel’in 0,35 mikron (M) CMOS yapımı
işlemci kullanılır. Power-hungry bipolar BİCMOS işlemci donanımlar için
Intel 7.5 milyon transistörü 203 mm karelik zar üzerine sıkıştırdı. Pentium Pro
dam 6 mm kare daha büyük olmasına karşın, Pentium II 2 milyon daha fazla transistör
içerir. Drawn kapı büyüklüğü olarak sadece 0,28 mikron kullanarak, Intel bu
transistörleri hızlandırmış emsalsiz *86 saat hızlarına ulaşmıştır.
Pentium
II’nin ikinci cache’i, Pentium Pro’ninkinden daha yavaştır. İki oyuklu bir
seramik kaplama kullanılarak, Pentium Pro, Intel tarafından L2 cache ile (bu cache CPU
ile saat uyumlu olarak çalışır) donatılmıştır. Bu düzenleme etkilidir ama
üretimi pahalıdır. Üretim fiyat harcamalarından tasarruf etmek için Pentium II, bir
(çipten ayrı montajlı) dış cache kullanılır ve bu cache, CPU’nun kendisinin yarı
hızında çalışır. Şu anda bir Pentium II cache hala bir Pentium cache’nden daha
hızlıdır ve peşinden bir 200 MHz Pentium Pro cache’İ sürükler.
İhtiyacı karşılamakiçin Intel , Pentium II üzerindeki L1 cache’ini
16K’dan
32K’ya , iki kat artırmıştır.
Böylece L2 cache’nin aldığı aramaların (calls) frekensını (sıklığını)
azalmıştır. Bu değişiklikle ve daha yüksek brir saat hızıyla, Pentium II (512 K L2 cache’i ile birlikte) Pentium Pro (256K,L2
cache)’dan daha yüksek bir performans gösterir. Windows NT altında bu fark yaklaşık
%25’tir.
MİMARİDEKİ
GELİŞMELER
PENTİUM II ile Intel P6 mimarisinde iki önemli değişiklik yaptı. Segment
kaydedici yazılarını kaldırıp, MMX komut setini ekledi. Tekrar isim verilebilen
segment registerleriyle donatılan Pentium II, yazılan tahmini olarak işler ve eski
segment değerlerini kullanan komutlarla yeni değerleri kullanan komutların bir arada
olmasına izin verir. Bu yüzden Windows 95 testi sırasında Pentium II PC’leri Pentium
Pro ile tabi tutuldukları CPUmark16 testinde Pentium Pro dan %50 daha iyi puan
topladı(bu test CPU nun ham hızını ölçen bu ölçüm sırasında alt sistem 16 bit
kodunda çalışır).
Pentium
II işlemcisi,Pentium Pro işlemcisinin
mimari avantajları ile İntel’inMMX teknolojisinin komut setine getirdiği yeniliklerin
her ikisini kullanarak,bütün PC yazılımlarında çok iyi bir performans sağlıyor.
Buna ek olarak güçlü ve gerçekçi grafik yeteneği ,video konferans yeteneği,tam
ekran,tam hareketli video oynatabilme yeteneği hesaba katıldığında çoklu ortam ve
iletişim uygulamalarında da belirgi,n bir
üstünlük ortaya koyuyor. Bu işlemci Office,Video konferans ,Video capture gibi ticari
yazılımlarda MMX teknolojisini kullanıyor. İntel değişen teknolojiye ayak
uydurabilmek için Çiftli Bağımsız Veri Yolu Mimarisini
PC platformundaki işlem sınırlarını aşabilmek
amacıyla geliştirildi. Bu teknoloji, önceleri sadece Pentium Pro işlemcilerle
kullanılmaktaydı ama şimdi Pentium II işlemcilerde bu teknoloji daha geniş çalışma
sınırlarına sahip olabilmek ve veri yolunu genişletmek maksadıyla kullanılıyor.
Yani Pentium II işlemcisi iki bağımsızyolu ya aynı anda yada paralel çalıştırarak
her bir yol üzerindeki vericiyi de işleyebiliyor. Çiftli Bağımsız Veri yolu ‘ndaki
iki bağımsız yoldan biri L2 ön bellek veri yolu ,diğeri ise işlemciden çalışma
hedefine giden sistem yolu . Bu iki yol aynı anda çalışıyor.266 MHz Pentium II’deki
L2 ön bellek sıradan bir Pentium işlemcinin tam iki katı hızında,ve işlemcinin
büyümesi halinde L2 ön belleği daha da hızlanabiliyor. Sistem yolu ise birden fazla işlemi aynı anda
yapabiliyor ve böylece sistem içindeki bilgi akışı da hızlandırılmış oluyor.
MİKRO İŞLEMCİ ÖZELLİKLERİ
Bilgisayarın
beyni sayılan mikroişlemcileri birbirinden ayırt eden en önemli unsurlar onların
işlevleri ve özellikleridir. Belli başlıları şunlardır;
1-)Mikroişlemcinin bir defa da işleyebileceği kelime uzunluğu.
Mikroişlemcilerde
kelime uzunluğu veya bit uzunluğu,paralel olarak işlenen veri bitlerinin sayısıdır.
Kelime,işlemcideki genel amaçlı kaydedicilerin büyüklüğü ve aynı zamanda her bir
bellek mahalli kapasitesidir. Büyük kelime
uzunluğu, aynı anda
Bir
çok işlemin birlikte yapılması ve bazı uygulama program yazılımları için
kolaylık demektir. İşlemciler, her bir saat saykılında senkronize olarak o anda komut
kuyruğunda bulunan komutları ve bunlara görede bellekteki verileri işlerler. Bilgi
bitleri mikroişlemcinin tipine göre bir,dört,sekiz,onaltı, ve otuzikilik sıralar
halinde işlenir. Bir mikroişlemcili sistemde çok basit problemler tek bit kodunda
işlenebilir. Buna örnek olarak içerisinde işlemci bulunan soğuk içecek
makinalarıdır ve tek bit esasına göre tasarlanmıştır. Küçük hesap makinaları ve
cep bilgisayarları da basit aritmetik
problemlerin çözümünde dört bit kullanılmaktadır. Normal bilgisayarlarda bütün
bilgiler sekiz bit (Bayt ),onaltı bit(Word ) veya otuziki bit(Doubleword ) olarak işlenirler. Eğer
komutlar veya veriler küçük gruplar halinde işlenirlerse hızda bir azalma olacak ve bu yüzden performans
düşecektir.
Kelime uzunluğu büyük olan işlemcide yapılan
aritmetik işlemlerde doğruluk oranaları kısa uzunluklu kelimelere nazaran çok
yüksektir(4-bit %6 , 8-bit %0.4 ve 16-bit &0.001). Eğer işlemcinin kelime uzunluğu
, tek bir kelimeyle ele alınan belirli bir problem için yetersizse,tek bir verinin
işlenmesi için işlemci daha fazla zaman harcayacak ve veri işleme hızı düşecektir.
2-)Mikro işlemcinin tek bir komutu işleme hızı.
Bir
mikroişlemcinin hızı saat Frekansıyla doğrudan ilgilidir. Fakat saat frekansı her
zaman gerçek çalışma frekansını yansıtmaz. İşlemci hızını belirleyen bir çok
yol vardır. Bunlar çalışma saykılının uzunluğudur ki (algetir-kodunu
çöz-işlet-depola),bu ölçüm fazla kullanışlı değildir. Bilgisayar üreticileri
daha çok hız ölçmek için özel bazı test programları geliştirmişlerdir. Başlıca
mikroişlemci hızları mikrosaniye olarak 16,25,33,100 Mhz ve MIPS’tir.(saniye milyon
adet komut işleme).
Bir mikroişlemciyi diğerinden daha hızlı yapan
unsurlar şunlardır.
·
MIB’in devre teknolojisi ve planı. Mesela katı-durum elektroniğinde
kullanılan bazı teknolojiler diğerlerine nazaran daha hızlı cevap veren devreler
üretmektedirler.
·
İkinci maddede açıklandığı gibi işlemcinin kelime uzunluğu. Uzun kelime
hızlı işlem demektir.
·
İşlemci komut kümesi çeşidi. Bir işlemcide bir işlem tek bir komutla
yapılırken diğerinde daha fazla komutla yapılabilir.
·
Genel olarak zamanlama ve kontrol düzeni.
·
Kesme alt programlarının çeşitleri.
·
Bilgisayar belleğine ve I/O cihazlarına erişim hızı.
1985’larda
piyasaya sürülen İ386’larla birlikte SX ve DX,1989’larda sürülen I486 işlemcilerde de
2X33,2X50,2X66
ve 4X100 Mhz ifadeleri mikro işlemci işlemlerine renk kattı. SX’in bazı
özelliklerinin 286’ya benzemesi ve dahili 32-bit
yapıda 16-25 Mhz çalışması kendisine bu ismin takılmasını sağlarken ,DX ,yapısal
olarak diğerinden farklılığı ve SX’ten daha dinamik (33-40 Mhz)çalışması ve
network ortamına tam olarak uyabilmesi tercih sebebi sayıldı. I486’larda kullanılan
takılar, SL olarak işlemcinin küçük bilgisayarlarda düşük gerilimle
çalışmasından dolayı,SX dahili matematik işlemcisinin olmaması ve DX, matematik
işlemcisinin ve ayrıca ön-belleğinin bulunması sebebiyle takıldı. Mikroişlemci
önünde çarpan olarak kullanılan 2 ve 4’ler o işlemcinin dahili hızının gerçek
hızdan iki veya dört katına çıkarılmış olmasıdır(Gerçekte işlemci içindeki
saat frekansları normal hızın 2,2.5 veya 3 katına çıkarılması demektir. Fakat
intel üç katına çıkardığı hızlara 4 demektedir).Dikkat edilirse normalde işlemci
ya25’dir ya 33’dür.
3-)Mikroişlemcinin doğrudan adresleyebileceği bellek büyüklüğü.
Bilgisayar
sistemlerindeki ana bellek mikroişlemci tarafından adres yolu vasıtasıyla adreslenir.
Adres yolu hattı ne kadar çoksa adresleme kapasitesi de ona göre büyük olur. Adres
yolu doğrudan mikroişlemci yapısıyla ilgili
olup mikroişlemciye göre standarttır. Fakat işlemci içerisindeki kaydedicilerin
büyüklüğü bir devre oyunuyla adres yoluna çoğullanmakta ve büyütülebilmektedir.
XT tipi bilgisayarlarda kaydediciler 16-bitlik olmasına rağmen adres bilgisi dört bit
kaydırılarak 20-bitlik hatta verilip,1 MB’lık bellek adreslene bilmektedir. AT tipi
bilgisayarlarda 24,32,46-bitlik adres hattı kullanılarak gerçek modda 4 Gigabayt ve
korumalı modta 70 TeraBayt adreslenebilmektedir.
2Á¼ Kilobayt,2ª¼Megabayt,2£¼Gigabayt ve 2¢¼Terabayta karşılık gelir.
Yukarıda
anlatılan üç temel özellik yanında mikroişlemcileri dolaylı olarak etkileyen
bitçok unsurlar vardır. Bunlar:
4-)Kullanıcı veya programcının mikroişlemci üzerinde çalışabileceği
kaydedici sayısı ve farklı tipleri.
Kullanıcı
verileri bu kaydediciler üzerinde çalıştırır. Kaydedici sayısının fazla olması
manevra kolaylığı ve elastikiyet sağlar. Genel amaçlı kaydediciler (AX,BX,CX ve DX
),işaretçi ve indeks kaydedicileri(SP,BP,SI,DI,IP),bayrak kaydedicileri
(C,P,A,Z,S,T,D,I,D,O,IOPL,NT,RF,VM,AC) ve segment kaydedicileri (CS,DS,ES,SS,FS,GS).
Bunların haricinde korumalı modda kullanılan
Selektör ,Tanımlayıcı ve bunlara ilişik olarak tablo kaydedicileri
vardır(TR,LDTR,GDTR,IDTR).
5-)Programcının elde edebileceği değişik tipteki komutlar.
Mikroişlemci
hızını etkileyen komutlar , veri manevra komutları ,Giriş/Çıkış komutları
,Aritmetik komutlar,Mantık komutları ve Test komutları gruplarından birisine dahildir.
Mikroişlemcinin kütüphanesin de bulunan komutların çokluğu sisteme belki elastikiyet
sağlar fakat ,asıl olan komutun az saykılla işlemi tamamlamasıdır.
6-)Programcının bellek adreslerken gerek duyacağı farklı adresleme modları.
Doğrudan
adresleme, Dolaylı adresleme ve ndeksli adresleme gibi adresleme türleri programcıya
ekstra koolaylıklar sağlar. Adresleme modları ,üzerinde çalışılan bir datanın belleğe nasıl ve ne şekilde yerleştirileceği
veya üzerinde çalışılacak bir datanınnbellekten nasıl ve hangi yöntemle
çağrılacağıdır. Bu işlem bir mektubun gideceği yere eliyle mi ,bir nesne baz
alınarak mı, sokaklar ve evler eklenerek mi gibi kısa bir tarifle ulaşmasıdır.
7-)Uygulamalar için sistemin yazılım uyumluluğu.
CP/M,DOS,MacOS,SİSTEM7,WINDOWS,UNIX
ve OS/2
8-)İlave edilecek devrelerle uyumluluğu.
Mikroişlemcili
sisteme eklenecek devrelerin en azından işlemci hızında çalışması gerekir. Sisteme
ilave edilecek bir SİMM veya SİP
kartındaki bellek entegrelerinin hızları nanosaniye(ns) cinsinden işlemci ile aynı
hızda olması tercih edilmelidir. Aynı şekilde sisteme takılan ekran kartının
hızlandırıcısı ve VideoRAM'l’rın(VRAM) hızları ve performansları mikroişlemci
ile aynı veya çok akın olmalıdır. Mikroişlemcinin çok hızlı çalışması diğer
elemanlardaki pasiflikten veya hastalıktan zamanla düşer.
9-) Sitemi tasarlayanın kullanabileceği değişik tipteki destek devreleri.
PIA,ACIA,CO-PROCESSOR,CACHE
memory ,DMA gibi.
Yukarıda
sıralanan bellibaşlı mikroişlemci özelliklerinin yanı sıra,işlemci besleme
gerilimi(2.9V,3V veya 5V),mikroişlemcinin büyüklüğü,harcadığı enerjiyle birlikte
ısınarak soğutucu gerektirmesi,Paketlenmiş ön-bellek 256 KB SRAM ve pipeline
özellikleri (komutları çalıştırma işleminin hızlandırma gayesiyle safhalara
bölünerek gerçekleştirilmesi işlemi) sayılabilir.
MİKROİŞLEMCİ
DESTEK DEVRELERİ
Mikroişlemcili
sistemlerin mikroişlemciden başka performansını artıran elemanlara daha çok
eklenebilir. Bunlar sistemin elastiki olmasını ve diğer devrelerle uyumlu
çalışmasını sağlar. Belli başlı destek devreleri şunlardır.
ORTAK İŞLEMCİ
Diğer
bir adı da Matco/FPU olan bu eleman, ana
mikroişlemci bazı matematiki işlemlerde (floating point gibi) veya nokta yoğunluğu
artan grafik işlemlerinde yavaşladığında otomatik olarak iç kontrolü vasıtasıyla
devreye girerek performansı düşürmez. Mesala,yoğun hesap işlemlerinin yapıldığı ve LOTUS,EXEL gibi muhasebe paket programlarının
kullanıldığı veya AUTOCAD gibi programlar kullanılarak hazırlanan mimari çizimlerin
yapıldığı bilgisayarda ortak işlemci kullanmak gereklidir. Bunların yerine amulatör
programları aynı performansı sağlamasa da kullanılabilmektedir.
Şekil-4 : Ortak İşlemcilerin Sistemdeki Yeri
286
ve 386 – 020 ve 040’lara kadar ortak işlemciler ana işlemciden ayrı (80287,30387
gibi)olarak pazarlanmaktaydı, fakat günümüz mikroişlemcilerinde artık ortak işlemci
ana işlemcinin bir köşesini işgal etmektedir.
PARALEL
İŞLEMCİ
Bazı
sistemlerde ana işlemciye paralel olarak konulan bu destek elemanı,sistemin aşırı
yüklenmesi veya uzun süre çalışmasından dolayı hız yavaşlamasının ortaya
çıkmasıyla kendisini gösterir. Tek bir işlemci üzerindeki saatlerce süren
çalışma o işlemci üzerinde ısınma meydana getirerek sistemin yavaşlamasına bundan
dolayı da performansın azalmasına sebep
olur. Bu gibi durumlarda birinci işlemci ile
aynı özelliklere sahip ikinci bir işlemci sisteme dahil edilerek bu problemin
üstesinden gelinir.Birinci işlemcideki küçük bir hız düşmesi sistem tarafından
algılanarak hemen o anda yedekte bekleyen ikinci işlemci devreye sokulur. Daha sonra
ikinci işlemci hız azalması gösterdiğinde bu defa dinlenmiş ve soğumuş olan
birinci işlemci devreye sokulur. Bundan da anlaşıldığı gibi mikrobilgisayarlarda bu
gibi hız azalmasına sebep olacak büyük programlar kullanılmadığından,paralel
işlemciler büyük boy bilgisayarlarda veya çok büyük boy bilgisayarlarda
kullanılmaktadır. 1995 yılında PC bilgisayara da girmiştir.
|
Şekil-5 :Paralel işlemci bloğu
Günümüz Mikroişlemcileri
Ön Bellek
Bilgisayarlarda
programların işletiminden önce belleğe yüklendiğini belirtmiştik. Bilgisayarın ana
bellekleri DRAM(Dinamik rastgele erişimli
hafıza-Dynamic Random Access Memory)türündendir.. Rastgele erişim kelimesi farklı
farklı adreslere ardarda erişimin mümkün
olması sebebiyle verilmiştir. Dinamik kelimesi ise DRAM’lerin üzerlerindeki veriyi
tutabilmek için sürekli olarak tazelenmeye ihtiyaç duyması sebebiyle bu tür
hafızaları tanımlarken kullanılır. Günümüz
dinamik bellekleri 133Mhz saat hızıyla
sürülebilmektedirler. Ancak 800Mhz
işlemcilerin ortaya çıktığı günümüzde işlemci
bellekten bir veriyi okumak için 100 Mhzlik
DRAM ünitesini beklerse çok kıymetli olan süresinin çoğunu bekleyerek geçirecek demektir. Bu duruma hafıza darboğazı(memory
bottleneck) adı verilir. Bu problemi çözmek için yüksek hızlı cep bellekler(cache
memory) geliştirilmiştir. Cep bellekler yüksek saat hızlarında
sürülebilirler,SRAM(Static random access memory) türündendirler
ve veri yolları da RAM’e göre daha geniştir. İşlemci herhangi bir hafıza
adresinden bilgi okumak için önce cep belleğe bakar ,eğer buursa oradan okur bu duruma
cep isabeti(Cache hit),bulamazsa ana hafızadan okur. Bu duruma da cep ıskası (Cache
miss) adı verilir. Cep belleklerdeki isabetlerin ıskalara oranına isabet oranı(hit ratio) adı verilir,bu oran ne
kadar büyük olursa o kadar iyidir ve bellek erişimlerindeki hız o oranda artar.
İsabet oranı pek çok parametreye bağlıdır,bunlar arasında cep bellek
büyüklüğü,cep bellek mimarisi ve cep bellek saat frekansı sayılabilir.
İşlemcilerde genelde iki kademeli bir bellek yapısı vardır ve ilk kademedekine
L1(Level 1) ikincisine de L2(Level 2) cep bellek adı verilir. L1 genelde küçük
boyutludur ve işlemci saat frekansı ile aynı hızdadır. L2 cep belleklerinin hızı
işlemciden işlemciye farklılık gösterir ve L1’e göre oldukça büyüktür.
80-20
kuralı ve Refaransların Yerelliği Prensibi (Locality of References)
Cep
belleklerin büyüklüğü genelde sistem belleğinin %1-2 si kadardır. Peki bu kadar
küçük bir hızlı cep bellek nasıl oluyor da sistem performansını dramatik şekilde
arttırabiliyor? Programlarınızın büyüklüğü
onlarca megabyte’ı buluyor ancak 256 Byte’lık bir cep bellek sistemin hızında
inanılmaz artışlar sağlayabiliyor. Bunun sebebi referansların yerelliği (Locality of
Reference) prensibidir.
80-20 kuralı olarak ta adlandırılan prensibe göre
bir programın işletilmesi sırasında geçen sürenin %80’i programın %20 lik bir
bölümünde harcanır,zamanın %20 side programın geri kalan %80’inde geçer. Bunun
sebebi de açıktır,programın işletimi sırasında harcanan zamanın büyük bir
bölümü
genelde döngüler ve fonksiyon çağrılarından da harcanır. Bu döngüler ve fonksiyon
çağrıları da program bütününün küçük bir parçasını oluşturur. Bu sayede
programın çoğu zaman küçük bir bölümü işletimde olduğundan Cep bellek işaret
oranı çok yüksek olur. Bu oran %90’lara kadar çıkabilir. Modern bir mikroişlemci
okuma işlemlerinin %90’nını doğrudan bellek üzerinden yapar,ana belleğe erişimler
nadirdir. Belleğe geri veri yazma konusunda genelde doğrudan ana belleğe yazma (write
through) metodu kullanılır.
Cep
bellek parametrelerinin işlemci performansına çok ciddi etkileri vardır,günümüz
mikroişlemcilerin den bazı çarpıcı örnekler verelim;
Şekil-6 Bazı işlemcilerin cep
bellek değerleri
Bunların
yanında 2MB’ye kadar cep belleğe sahip olabilen İntel Xeon ve 2MB L3 cepe sahip olan
K6-3 te değişik örnekler olarak karşımıza çıkıyor.
Cep
belleklerin mimarileri de birbirinden farklı olabilir. Genelde genel de Referansla yerelliğinden faydalanabilmek
amacıyla cep belleğe ana bellekten bir
okuma yapılacağı zaman tek bir veri değil
aranan veri ve onu takip eden bir blok veri kopyalanır. Bu sayede bir ıskalanan bir
adresin hemen ardından yapılan okumalarda isabet sağlanmış olur.
İş hatları-Pipelining
Bir
komutun işlenmesi kabaca 4 aşamadan oluşur,birincisi komutun bellekten okunması
(Fetch) ikincisi komutun çözümlenmesi,(Decode) yani hangi komutun ne anlama geldiğinin
anlaşılması,Üçüncüsü komutun işletilmesi (Execute) ve son olarak ta sonucun geri
yazılmasıdır(Retire). 8086 mikroişlemcisin de işlenen komutlar bu sırayı takip
eder,önce komut okunur,ne olduğuna bakılır,gerekli registerler ayarlanı,işlenen
işletim ünitesine sokulur ve sonuç alınır. Her komutun işletim süresi
bellidir,bazı komutlar 1 saat darbesinde tamamlanırken bazı komutların tamamlanması
için onlarca hatta yüzlerce saat darbesi gereklidir. Mikroişlemci dünyası
işhattı(pipelining) kavramıyla
tanışınca tüm hesaplar alt üst oldu.
Henry
Ford Model T arabalarının üretimini artırmak için işhattı(assembly line)
kavarmını ortaya çıkarmıştı,buna göre arabanın üretimi sırasında yapılması
gereken tüm işlemler bir bant üzerinde sadece tek bir işle görevlendirilmiş
işçilerin çalışmasıyla gerçekleşiyor,bandın başından sonuna gidene kadar araba
tamamlanıyordu. Mikroişlemcilerde de bir komutun işlenişi çeşitli safhalardan
oluştuğuna göre aynı taktiğin işlememesi içinde bir sebep yok. Arka arkaya gelen 10
komut düşünelim K1,K2,K3......K10 olsun. İşhattı(pipeline )olmayan bir sistemde bir
K komutunun işlenmemesi için de n adet saat darbesi gereksin,basit bir çarpmayla bu
tür bir sistemde bu tür bir komutun işhatsız bir işlemcide işlenmesi için gereken
süre 10*n olacaktır. İyi düzenlenmiş bir işhatlı sistemde de teorik olarak aynı komutun işlenmesi için
geçen süre 2n+10 saat darbesi olacaktır. Birinci komut işhattının ikinci aşamasına
geldiği zaman ikinci komut işhattının
birinci aşamasına girer, ikinci işletilip iş hattından çıktığı zamansa n numaralı komut iş hattına girmiş olur. Son komutun işhattından çıkması da n saat darbesi süre alacağından 2n+10(komut
sayısı) sonucu elde edilmiş olur. Eğer yeterince fazla komut işletilecekse x sayıda
komutun işletilmesi sadece x saat darbesinde hallediliş olur. Yani sanki tüm komutlar 1
saat darbesinde işletiliyormuş gibi davranır. Bu muhteşem bir fikirdi Pentium
işlemcilerinde 6 kademeli,Pentium Pro da da 13 kademeli bir işhattını İntel
işlemcilerine yerleştirdi. İntel Pentium Pro ve sonraki işlemcilerinin FPU’su (kayan
noktalı sayıları işleyen ünite )iş hatlıdır ve normalde çok uzun sürecek olan
virgüllü sayıların çarpma ve toplama gibi işlemlerinin işleniş hızı çok
artırılmıştır. AMD K6 serisi işlemciler kayan noktalı işlemleri hızla
gerçekleştirse de işhatlı olmadığından kayan
noktalı işlemlerde Pentium 2-3 serisi işlemcilerden geri kalmaktadır. AMD Athlon ise
Pentium’lara göre daha gelişmiş bir FPU iş hattı yapısına sahiptir.
Ancak
işhatlarının işletimi her zaman bu kadar mükemmel yürümüyor. Hatta bazen işhattı
kullanımının yan etkileri bile olabilir. Gerçek bir programda çoğu zaman birbirine
benzeyen komutlar yukarıda anlatıldığı gibi arka arkaya gelmez. Şu durumu
düşünelim gene 10 komutumuz olsun ancak 6. Komut 2. Komutun sonucunu kendisi için
kullanmak istiyorsa işletim (Execution)
Aşamasına
girmeden önce 2. Komutun tamamlanıp sonucunun ortaya çıkmasını beklemek zorundadır.
Bu bekleme durumuna Pipeline Stall adı verilir. Tüm program işletimi bu sırada
beklemeye alınır ve performans düşer.
İkinci
ve daha kötü bir durum ise şartlı dallanma komutlarının işhattına girmesiyle
ortaya çıkar. Şartlı dallanma komutları iş hattına girdikten sonra eğer
işhattına alınan komutlardan farklı bir yere dallanıyorsa dallanma komutundan sonra
işhattına alınmış bütün komutların işhattından boşaltılması ve dallanılan
yerdeki komutların alınmaya başlaması gerekir. Bu duruma Pipeline Flush adı verilir
ve 2n kadar zamanın boşa harcanmasına sebep olur.
Pentium
2 deki gibi derin bir işhattının sürekli olarak beklemeye uğraması performansa
ağır bir darbe indirebilir. İntel 902’larin ortasında çıkardığı Pentium Pro
işlemcisinde bu tür bir sorunla karşılşmıştı. Pentium Pro 32 bitlik komutlar için optimize edilmişti ve işhattıda
buna göre ayarlanmıştı bu yüzden çok gelişmiş mimarisine karşın 16 bitlik
uygulamalarda selefi Pentium işlemcisinin gerisinde kalmıştı.
