3. Sunum

BLG2109 – BİLGİSAYAR DONANIMI
DERS 3
Öğr. Grv. Aybike ŞİMŞEK
Haftanın Konuları








Giriş
İşlemciler
İşlemci Tarihçesi
İşlemci Parametreleri
Saat Hızı
Komut Seti
Cache Bellek
Bus
Giriş

Bir mikroişlemci bağımsız çalışabilen, tek yongalı bir
mikrobilgisayardır.






Merkezi işlem birimi (CPU)
Kalıcı ve program hafıza
Giriş çıkış birimleri
Bu bileşenleri barındıran bir yapı uygun bir
programlama dili ile programlanabilir.
Dış dünya ile giriş/çıkış portları aracılığıyla iletişim
kurabilir.
Genelde CPU olarak isimlendirilir.
İşlemciler





Bilgisayarın en önemli bileşenidir. Transistor denilen
yarıiletken elektronik malzemelerden oluşurlar.
Kendisine sırasıyla verilen aritmetik ve mantıksal
komutları yapar.
Tüm donanım birimlerini emrinde kullanabilir ve
yönetebilir.
İşlemcinin matematiksel ve mantıksal işlemleri yapan
birimine ALU(Arithmetic Logic Unit) denir.
İşlemcinin ALU dan geriye kalan yapısını, hafıza birimleri,
veriyoları, çeşitli kontrol ve denetleme bileşenleri
oluşturur. Günümüzde Intel, AMD, Motorola, VIA gibi
işlemci üreticileri vardır.
İşlemciler (dvm)

Diğer önemli özellikler:





Göreceli olarak basit
Makul derecede küçük
Özellikleri ile sınırlı – hafıza, işlem gücü ve hızı, adresleme
aralığı ve etkileşimde bulunabileceği I/O cihazlarının sayısı
Tasarımcı mikroişlemcinin bütün özelliklerine erişmelidir – bus
(yol), hafıza, registerler ve bütün I/O portları
Özetle, bir mikroişlemci mühendislerin görev veya
görevler serisini konfigüre edebileceği ve programlayacağı
esnek özelliklere sahip bileşenlerden oluşur.
İşlemciler (dvm)




Mikroişlemciler bilgisayarın en önemli parçalarıdır.
Bilgisayardan beklediğimiz işlerin hemen hepsi
gerçekte mikroişlemci tarafından gerçekleştirilir.
Bilgisayarın diğer bölümleri mikroişlemciye bilgi
aktarmak ve mikroişlemciden gelen bilgileri
kullanıcıların anlayacağı bir şekilde düzenlemek işiyle
uğraşırlar.
CPU'nun bilgisayarlarımızın temel parçasıdır.
Bir sistemdeki herhangi bir parça ne işe yararsa
yarasın mutlaka işlemciye bağımlı olarak çalışır.

Klavyedeki tuşlara her basışınız, yaptığınız her fare
hareketi işlemciye uğrar. Kullandığınız işlemci, her şeyden
önce sisteminizin performansını ve kullanabileceğiniz
işletim sistemlerini belirler. Hatta çoğumuz bilgisayar
alırken ilk önce işlemciyi belirleriz.
İşlemci Tarihçesi

İlk mikroişlemci 1970’lerin
başında ortaya çıkmıştır ve 4
bit kelimeler üzerinde BCD
aritmetiğini
kullanan
elektronik
bir
hesap
makinesidir.
Mimariler






8-bit
16-bit
32-bit
64-bit
Multicore
RISC
Mimariler (dvm)







ARM family
Altera Nios, Nios II
Atmel AVR architecture (purely microcontrollers)
EISC
RCA 1802 (aka RCA COSMAC, CDP1802)
DEC Alpha
Intel










4004, 4040
8080, 8085
8048, 8051
iAPX 432
i860, i960
Itanium
LatticeMico32
M32R architecture
MIPS architecture
Motorola




Motorola 6800
Motorola 6809
Motorola 68000 family, ColdFire
[[MotoG4, G5
NSC 320xx
OpenCores OpenRISC architecture
PA-RISC family
National Semiconductor SC/MP ("scamp")
Signetics 2650
SPARC
SuperH family
Transmeta Crusoe, Efficeon (VLIW architectures, IA-32 32-bit Intel
x86 emulator)
INMOS Transputer
x86 architecture
Intel 8086, 8088, 80186, 80188 (16-bit real mode-only x86
architecture)
Intel 80286 (16-bit real mode and protected mode x86
architecture)
IA-32 32-bit x86 architecture
x86-64 64-bit x86 architecture
XAP processor from Cambridge Consultants
Xilinx
MicroBlaze soft processor
PowerPC405 embedded hard processor in Virtex FPGAs
Zilog
Z80, Z180, eZ80
Z8, eZ8
and others
Intel 4004

1969
Saat hızı : 108 KHz
Transistör sayısı : 2300
4-bit register ve 4-bit veri yolu

Dünyanın ilk mikroişlemcisi



Intel 8008




1972
Saat hızı : 800 KHz
Transistor Sayısı :3500
8-bit register ve 8-bit veri yolu.
Intel 8080




1974
Saat hızı: 2 MHz
Transistor Sayısı : 4500
8-bit register ve veri yolu.
Intel 8086




1978
Saat hızı : 4.47 MHz
Transistor Sayısı : 29000
16-bit register ve veri yolu.
Intel 8088





1981
Saat hızı : 4,47 MHz
Transistor Sayısı : 29000
16-bit register ve veri yolu.
Dünyanın ilk kişisel bilgisayarı 8088 mikroişlemcisini
kullanmıştır
Intel 286




1982
Saat hızı : 12 MHz
Transistor Sayısı : 134000
16-bit register ve veri yolu.
Intel 386




1985
Saat hızı : 16 MHz
Transistor Sayısı : 275 000
32-bit register ve veri yolu.
Intel 486




1989
Saat hızı : 25 MHz
Transistor Sayısı : 1,200,000
32-bit register ve veri yolu.
Intel Pentium




1993
Saat hızı : 66 MHz
Transistor Sayısı : 3,300,000
32-bit register ve veri yolu.
Intel Pentium Pro




1995
Saat hızı : 200 MHz
Transistor Sayısı : 5,500,000
32-bit register ve veri yolu.
Intel Pentium II




1997
Saat hızı : 300 MHz
Transistor Sayısı : 7,500,000
32-bit register ve veri yolu.
Intel Pentium III




1999
Saat hızı : 500 MHz
Transistor Sayısı : 9,500,000
32-bit register ve veri yolu.
Intel Pentium 4




2000
Saat hızı : 1 GHz
Transistor Sayısı : 15,500,000
64-bit register ve veri yolu.
Intel Pentium D




2005
Saat hızı : 3.6 GHz
Transistor Sayısı : 47,500,000
32-bit register ve veri yolu.
Intel Core 2 / Quad




2006/2007
Saat hızı : 3.6 GHz
Transistor Sayısı :214,500,000
32-bit register ve veri yolu.
Intel






Core i3
Core i5
Core i7
Core i9 (Gelecek)
Video kodlama işlemlerinde ek çekirdekler büyük fark yaratıyor.
Benchmark sonuçlarına göre işlem şeridi sayısını 6 çekirdekten 12'ye
çıkartan bu işlemci, 2.4 Ghz frekansında çalışarak, video işleme
performansında 2.6 Ghz frekansta çalışan Core i7'ye göre yüzde 50
performans artışı sağlıyor.
AMD İşlemciler




AMD2900 serisi – 1975
AMD K6 mimarisi – 1997
AMD Athlon, Duron, Sempron 1999-2005
AMD K7 serisi – 2007




Opteron
Phenom
Athlon II
AMD K10 serisi – 2011
İşlemcinin Temel Bileşenleri






1. ALU(Aritmetik ve Mantıksal İşlem Birimi): Toplama çıkarma, çarpma,
bölme, mantıksal ve,veya, değil komutları ve kaydırma komutları.
2. Komut Çözücü(Instruction Decoder): İşlemcinin yapması gereken
kodların icrası için gerekli işlemleri başlatır ve komutun çalıştırılması için
gerekli işlemleri belirler.
3. Kaydediciler(Registers): İşlemci içerisinde sayıları depolamak için
kullanılan hafıza
çeşididir. İşlemci veri uzunluğu kadar genişliğe(32, 64 bit) sahiptirler.
Literatürde test, EBX, EAX, BX, ES, IP gibi isimler alan kaydedici hafıza
gözleri vardır.
4. Bayraklar(Flags): İşlemlerin sonucuna göre 1 ya da 0 değerlerini alan 1 bit
genişliğe sahip hafıza gözleridir. Sıfır, işaret, elde, eşlik, taşma gibi çeşitleri
vardır. Örneğin bir çıkarma işleminde sonuç sıfır çıkarsa sıfır bayrağı 1
değerini alır.
5. Veriyolları(Buses): İşlemcinin diğer donanım birimleri ile bağlantısını
sağlayan iletken elektriksel yollardır. Üç adet veriyolu bulunur. Bunlar
veri(data), adres(address) ve kontrol(control) veriyollarıdır.
İşlemcinin Temel Bileşenleri (dvm)
CPU



Bütün hesaplamaların ve mantıksal işlemlerin yapıldığı
birimdir.
Veri işleme işlemlerini yerine getirir.
Ana bileşenleri:



Aritmetik Lojik Birim (ALU )
Kontrol birimi (CU)
Registerlar
ALU


Komutları çalıştırmak için gerekli olan Toplama, çıkarma,
kaydırma, vs. gibi mikroişlemleri yerine getirir.
ALU işlemleri yerine getirir ve elde ettiği sonuçlar bir
hedef registar’a transfer edilir.
Kontrol Birimi

Kontrol birimi registerlar ve ALU arasında bilgi taşınmasını
ve ALU’nun hangi işlemi yapacağına dair yönetilmesini
sağlar.
Registerlar


Register bir grup flip-floptur.
Her flip-flop 1 bitlik bilgi saklayabilir.
CPU İç Yapısı

İşlemciler üretilirken kendilerine yüklenen komutları
istenildiğinde yapabilme kabiliyetine sahiptirler. Bu
komutlar genel işlemlerin icrası için üç gruba ayrılırlar. Bir
bilgisayar kendisinde tanımlı olmayan komutları icra
edemez.



Matematiksel ve Mantıksal İşlem komutları. Toplama çıkarma,
çarpma, bölme, mantıksal ve, veya, değil komutları ve kaydırma
komutları.
Verilerin hafıza veya kaydediciler arasında transfer edilmesini
sağlayan komutlar. Hafıza ve kaydediciler kendi aralarında veya
karşılıklı veri transferi.
Karar verme ve istenen komut satırına dallanma komutları.
Sayıların karşılaştırılarak, pozitif, sıfır, eşitlik, negatif…
durumlarının oluşumuna göre istenen komuta dallanabilme.





İşlemciler komutları yürütürken öncelikle işletilen komut
sırasını üzerinde tutan program sayacının (PC=program
counter) gösterdiği adresteki komut RAM den alınır(Fetch).
Alınan komut, komut çözücü tarafından, nasıl yürütüleceği ve
ne anlama geldiği belirlenir(Decode).
Sonunda ise çözülen komut doğrultusunda ALU ya verilen
direktifler yardımıyla istenen işlemler yaptırılır(Execute).
Elde edilen sonuçlar istenen hafıza gözlerine yazılır(Write
Back). Bu işlemler bir sonraki komut için benzer şekilde devam
ederek işletilmesi gereken komutlar bitene kadar sürer.
Temelde Fetch-Decode-Execute adımları bu sırayla sürekli
gerçekleşir.



Fetch(F), Decode(D), Execute(E) ve WriteBack(WB)
aşamaları komutların icra edilmesi için sırasıyla
gerçekleşmelidir.
Eğer bir komutun icrası önceki komutun write back
aşamasından sonra başlarsa burada zaman kayıpları oluşur.
Çünkü örneğin fetch sırasında ALU çalışmaz boşta kalmış
olur.
Zaman kayıplarını önlemek için pipeline(kesintisiz iş akışı)
denilen bir yapı kullanılır. Yani aynı anda işlemcinin boşta
kalan tüm birimleri kullanılmış olur.

Bu kayıp aşağıda gösterilmiştir. 3 komut 12 saat
frekansında icra edilirken, pipeline yapıda 4 komutun icrası
7 saat frekansında halledilir.
İŞLEMCİ PARAMETRELERİ
Saat Hızı



Saat aralığı (clock rate) olarak da isimlendirilir.
İşlemcinin komutları çalıştırma hızıdır.
Her bilgisayar dahili bir saate sahiptir.




Dahili saat komutların çalıştırılma hızını ve çeşitli bilgisayar
bileşenleri ile senkronizasyonu düzenler.
Saat ne kadar hızlı olursa işlemcinin saniyede
çalıştıracağı komut sayısı da o kadar artar.
Mikroişlemci her komutu işlemek için sabit bir saat
çevrimine (clock cycle) sahiptir.
Saat hızı MHz veya GHz ile ölçülür.


1 MHz = saniyede 1 milyon çevrim
1 GHz = saniyede 1 milyar çevrim
Saat Hızı (dvm)




İşlemcinin en önemli parametresi komutları işleme hızıdır.
Birimi frekans olarak GHz katsayısı(10003) ile
değerlendirilir.
İşlemcinin hızlı olması işlemlerini daha kısa sürede
tamamlaması anlamına gelmektedir.
Günümüzde 1.8, 2.0, 2.2, 2.4, 2.6, 3.0, 3.2, 3.6, 3.8 GHz vs.
hızlarında olanları vardır.
Komut Seti

İşlemcinin gerçekleştirebileceği temel işlemler onun
komut setine bağlıdır.
Örneğin, SIMP 10 komutu anlar, bu bilgisayar için yazılan
herhangi bir program bu 10 komutu çeşitli şekillerde
kullanarak yazılabilir. Bu da karmaşıklığı artırır.
Gelişmiş işlemciler 200 ün üzerinde komuta sahip
olabilirler.
Pentium 4 ve Pentium 5 arasındaki farklardan birisi
Pentium 5’in daha geniş bir komut setine sahip olmasıdır.





2GHz bir P4 ile 2 GHz bir P5’i karşılaştırdığımızda aynı saat
hızlarında olmalarına rağmen P5 daha iyi performans
gösterecektir.
Fakat karşılaştırma ikisinde de ortak bulunan kodlar ile
yapıldığında bir fark görünmeyecektir.
Cache (Keş)






Çoğu program çalışırken bir veriye defalarca ulaşmak
isteyebilir.
Keş hafızalar bu amaç için geliştirilmiştir.
Keş bellek yüksek hızlı depolama mekanizmasıdır. Ana
hafızadan en son okunan veri ve komutları tutar.
Program istediği veri için öncelikle keş belleğe bakar. Eğer keş
bellekte istenilen veri tutuluyorsa keş bellek bilgiyi
mikroişlemciye gönderir. Ana hafıza by-pass edilir.
Mikroişlemci çalışma süresinin %95’inde keş bellekten bilgi
alır.
Üç tip keş vardır, L1, L2 ve L3
 L1 keş(birincil keş) doğrudan mikroişlemci içine yerleştirilmiştir.
L2 ve L3’den daha küçüktür, fakat mikroişlemci ile aynı hızda
çalışır.
 L1<L2<L3
Bus Hızı (Yol hızı)




Mikroişlemci diğer cihazlarla veri yolu aracılığıyla iletişim
kurar.
Yol hızı MHz ile ölçülür.
İşlemci hızlı olsa da , genellikle bilgisayarın
performansı veri yolu hızı sınırlanır.
Günümüzde işlemci ile aynı hızda veri yolu
sağlamak için çalışmalar yapılmaktadır.
Bit Genişliği



İşlem yapabilme boyutunu gösterir.
Günümüzde 64 ve 32 bit işlemciler vardır.
İşlemcinin sahip olduğu kaydediciler, veri hattı ve adres
hattının genişliğini gösterir.
FSB Hızı


İşlemcinin, kuzey köprüsü ile iletişim hızını gösterir.
Günümüzde 1333, 1066, 800, 533 Mhz değerlerine sahip
işlemciler vardır.
Çekirdek(Core) Sayısı






İşlemci paketi içerisinde birbirinden bağımsız olarak
komutları çalıştırabilen her yapıya çekirdek ismi
verilmektedir.
Gerçek zamanlı olarak kendisine verilen iş akışı görevlerini
aynı anda yerine getirerek performansı artırır.
Her çekirdek birbirinden bağımsız FSB ye sahiptir.
Tüm çekirdekler L2 yi ortak kullanırlar.
Günümüzde masaüstü bilgisayarlarda 2, 4 ve 6 çekirdekli
işlemciler bulunmaktadır.
Sunucular için tasarlanan Intel Xeon E7 tek chip üzerinde
15 çekirdeğe kadar destek verecek şekilde geliştirilmiştir.