Mikro İşlemci (CPU-Central Processing Unit-Merkezi işlem Birimi)

Genel Özellikleri

Merkezi işlem birimi yani cpu bilgisayarın beyni olarak tanımlanabilir. Nasıl insan vücudunda tüm vücut aktivitelerini beyin yönlendiriyorsa bilgisayarda da bu işi cpu yapar.

Mikro işlemci milyonlarca transistör ve bunlardan oluşan mantık devrelerinden meydana gelen entegre devre yada çip şeklindedir. Cpu bilgisayarın işlem adımlarının tümünü yönetir. Ana kart üzerindeki tüm bileşenlerle bağlantısı vardır. İşlemci görevlerini yerine getirebilmesi için adres,bellek ve kontrol yolları ile donatılmıştır. Bilgisayarın genel performansı kullanılan işlemci ile doğru orantılı olarak değişir.

Gelişim Süreci

Ticari anlamda ilk mikro işlemciyi üreten firma Intel firmasıdır. Daha önceleri hafıza çipleri üreten bu firma 1971 yılında 4004 işlemcisini üretmeyi başardı. Bu büyük bir başarıydı çünkü bu işlemci 1946 yılında 18.000 vakumlu tüple çalışan ENIAC (tarihte ilk gerçek anlamda bilgisayar)’ın gösterdiği performansı 12 mm2 boyutuyla gösteriyordu. Bu işlemci tasarlanırken o dönemin büyük bilgisayarlarından esinlenilmişti. 4 bitlik,yani aynı anda 4 değer işleyebilen 4004 işlemcisini 8 bitlik 8008 işlemcisi izledi. 8008 işlemcisinin geliştirilmiş bir modeli olan 8080 mikro işlemcisi de 1974 yılında üretildi. Bu işlemci de 8 bitlik bir işlemciydi ancak bazı komutları 16 bit olarak işleme yeteneği kazandırılmıştı. 6000 transistör içeren 8080 işlemcisi o dönem için müthiş bir rakam olan 64kb hafızayı destekleyebiliyor-du.

Bazı mühendisler Intel firmasından ayrılarak Zilog firmasını kurdular. 8080 uyumlu Z80 işlemcisini ürettiler. Bu işlemci o dönemin düşük maliyetli sistemlerinde kullanıldı. Bir süre sonra da Motorola firması 6800 işlemcisini duyurdu.

Sonunda dünyanın en büyük bilgisayar üreticisi IBM firması da düşük maliyetli bilgisayarlara ilgi duymaya başladı. 1981 yılında duyuracağı IBM PC modeli için Intel 8088 işlemcisini seçti. Intel 1978 yılında 8080 işlemcisinin iki gelişmiş modelini üretti : 8088 ve 8086. 8086 çarpma ve bölme gibi yeni özelliklere sahipti ve 8080′in altı katı kadar olan 29.000 transistör içeriyordu. Çarpma ve bölmeyi hızlandıran 8086 ise daha karışık işlemlerin altından kalkabilecek düzeydeydi. Bütün hesaplamalar 16 bitlik olarak yapılabiliyor ve 8 bitlik 8080 işlemcisinin performansını 10’a katlıyordu. Daha sonraki dönemlerde de Intel firması işlemci pazarında liderliği kimseye kaptırmadı 32 bitlik ve son olarak 64 bitlik işlemcileri piyasaya sürdü. Intel’le beraber önceleri onun ürettiği modelleri taklit eden son dönemde ise kendi ürünlerini geliştiren AMD (Amerikan Micro Devices) ve Cyrix firmaları da işlemci piyasasında boy gösterdi. Pc pazarına alternatif ürünler üreten Apple firması da son döneme kadar ürettiği Machintosh bilgisayarlarda Motorola 6800 serisi işlemcileri kullandı.

Teknik Özellikleri

Pc’lerin gelişim süreci boyunca işlemci performansı en önemli etken olmuştur. Performansın arttırılabilmesi için işlemcilerin iç yapısı ve mimarisi sürekli geliştirildi. Bu gelişimin sağlanabilmesi için daha çok transistör,daha dar alanlara sığdırılmaya çalışıldı, bu da yeni üretim teknolojilerinin geliştirilmesini gerektirdi.

İşlemcinin performansının belirlenmesinde en önemli faktörlerden biri saat frekansı veya hızıdır. Cpu bir dış frekans üreteci olan kuvars kristali ile sürülür. İşlemcinin temposunu oluşturan saat frekansı saniyedeki darbe sayısı ile ölçülür ve megaherz (Mhz) birimiyle gösterilir. Bir Mhz saniyede bir milyon darbeye karşılık gelir. Buna göre 40 Mhz hızında çalışan bir 80486 DX 40 mikro işlemci bir işi saniyede 40 milyon defa yapabilir.

Cpu’lar gelişim süreçleri boyunca çok değişik kılıflarda üretildiler. Metal bacakları olan kare plakalar,alt tarafında altın kaplamalı pin (iğne)’ler olan seramik yüzeyli kılıflar ve son olarak PII işlemcisindeki gibi kartuş şeklinde üretimler gerçekleştirildi.

Cpu’lar genellikle kendi serilerindeki modellerle bacak uyumludurlar, yani 486 25 Mhz bir işlemci sökülüp yerine 486 40 Mhz işlemci takılabilir,ancak 386 işlemcinin slotuna 486 veya farklı bir model takılamaz. Bazı eski ana kartlarda hem 386 hemde 486 soketleri bulunabilir,bazen de işlemci board üzerine lehimlenmiş olarak geldiği için upgrade (yükseltme) imkanı olmaz. Son dönem işlemcilerde (486 ve üstü) board üzerinde cpu soketi bir mekanik pompa ile donatıldığı için cpu söküp takmak gayet kolaylaşmıştır. Günümüz teknolojisi Pentium II sistemlerde ise daha önceki cpu’lardan farklı olarak soket değil aynı harici kart slotlarına benzer slot girişi kullanılmıştır. Bu tip monte standartı Slot 1 olarak tanımlanmıştır. Daha önce ki 486 sistemler için Soket 3,Soket 5, Pentium sistemlerde Soket 7 standartları kullanılmıştır.

Intel 16 bitlik 8086 işlemcisini 1978 yılında piyasaya sürdü. Elverişli geliştirme desteği,yüksek seviyeli programlama dillerine ve daha etkin işletim sistemlerine olan uyumluluğu ile kişisel bilgisayarlar için temel oluşturdu. Intel 8086 ailesinin tümü bu işlemciyi taklit edebilmelidir. 8086 için geliştirilen tüm yazılımlar daha sonraki işlemcilerde de kullanılabilmelidir.

8086/8088 işlemcileri için 1 megabayt fiziksel bellek sınırını oluşturuyordu. İşlemci orijinal olarak 4.77 Mhz hızında çalışıyordu. Bir süre sonra 80286 işlemcisi üretildi, bu model 16 bit veriyolu kullanıyordu ve 16 Mb belleği adresleyebiliyordu. Bu modelin en büyük farkı yeni bir işletim kipinin(mode) ilave edilmesiydi. Gerçel veya normal kipte bu işlemci de diğerleri gibi çalışıyordu,1 Mb’lık bellek sınırı geçerliydi. Korumalı kip olarak adlandırılan yeni işletim kipi bu işlemcinin 16 Mb belleğin tamamını adresleyip kullanabilmesini sağladı. Böylece aynı anda bir çok programın çalıştırılması mümkün oldu (multitasking).

Bir sonraki işlemci modeli ise 32 bitlik 80386 işlemcisi oldu. Bu modelde 286′daki veri yollarının iki katına,saat hızlarının 16 Mhz’den 33 ve 40 Mhz’ye çıkarılmasıyla ve dış ön bellekler eklenmesiyle bir çok yeni olanak kişisel bilgisayar dünyasına sunulmuş oldu. Bu işlemcinin adres yolu 32 bit olduğu için 4 Gb bellek birimini adresleyebilmekteydi.

Intel 80486 işlemcisi ile yeni bir perde açmış ve günümüz bilgisayarlarının vazgeçilmez öğeleri olan grafik arabirimli işletim sistemlerini ve daha bir çok gelişmiş yazılımı normal performansta kullanabilmemize olanak tanımıştır. 486 mikro işlemcisi entegre bir yongadır. Daha önceki işlemcilerden farklı olarak matematik yardımcı işlemcisi,ön bellek denetleyicisi ve iki 4 Kb ön bellek içerir. Bu işlemci hem içinde hem de dışında 32 bit veri yolu kullanır,25-100 Mhz hızlarına ulaşabilir. Bu özellikleri ile de kendinden önceki işlemcilere göre çok üstündür. Özellikle işlemcilerin yetersiz kaldığı yüklü matematiksel işlemleri üstlenen matematik işlemcinin daha önceki modellerde olduğu gibi harici bir çip olarak değil de,486 DX modelinden itibaren cpu ile tümleşik olarak üretilmiş olması 486 işlemcilerin büyük avantajıdır. Ayrıca bu modelle birlikte kullanılmaya başlanan ön bellek teknolojisi cpu’nun ram’le olan veri alışverişleri esnasında karşılaştığı gecikmeleri ortadan kaldırmıştır.

Intel firmasının çıkarmış olduğu Pentium serisi işlemciler 8086 serisinin son halkasını (586) oluştururlar. Intel firması daha önce üretmiş olduğu 8086 serisi işlemciler adeta endüstri standardı olup aynı isimle başka firmalarca da üretildiği için bu işlemciye tecilli bir isim verme gereği duydu ve Pentium ismini verdi.

• Pentium işlemciler; üretim teknolojisi,yapısındaki transistör adedi (3.1 milyon),64 bit veri yolu,32 bit adres yolu,273 bacak,8 Kb’lık data ön belleği, 8 Kb’lık kod ön belleği, gelişmiş dizayn,çoklu mikro işlemci kullanım alt yapısı, dahili hata kontrolü özellikleriyle 486′lara göre çok daha yüksek performans gösterirler.

• Pentium Pro işlemcisi daha çok iş uygulamaları ve ana makine(server) türü bilgisayarlarda kullanılmak üzere dizayn edilmiştir. L1 ve L2 tipi 256 yada 512 Kb ön belleğe sahip olabilir. 32 bitlik işletim sistemleri için yazılan programları pentium sistemlere göre neredeyse 2 kat hızlı çalıştırabilir. 16 bitlik uygulamalarda ise Pentium işlemcisinden pek farklı değildir.

• Pentium MMX işlemciler ise 32 Kb veri ve komut içerebilen L1 ön bellekli,daha düşük voltajda çalışabilen(ısınma problemi daha az) yapı ve çoklu ortam uygulamaları için 57 yeni komut, 4,5 milyon adede varan transistör sayısı ile kişisel bilgisayar dünyasına grafik tabanda,3 boyutlu yazılımlar da ve bunlar gibi yüksek işlem gücü gerektiren uygulamalarda performans getirmiştir.  

• Pentium II işlemcisi Pentium Pro ile aynı çekirdek yapıya sahiptir. Bu temel mimariye 16 bit uyumu ve MMX desteği eklenmiştir. Bu modelde 512 Kb L2 cache memory board üzerinden alınıp işlemci ile tümleşik olacak şekilde bir kartuş üzerinde toplanmıştır. Pentium ve Pentium MMX işlemcilerde 233 Mhz sınırında olan saat hızı PII de 233-450 Mhz arası olabilir. Ayrıca PII işlemcisinin L2 ön bellek olmaksızın üretilen Celeron modeli düşük maliyet/performans isteğinde olan ev tipi kullanıcılar için piyasaya sürülmüştür. Bu model yaklaşık Pentium 233 MMX performansında çalışır. Ayrıca PII Celeron 266A,300A,333A adlarıyla 128 Kb ön bellekli modelleri de vardır.

Buraya kadar ki konularda bilgisayarın performansı üzerinde etkili olan çalışma frekansı,veri yolu kapasitesi,önbellek gibi değerlerden söz ettik. Bu arada iki farklı frekans söz konusu oldu,bunlardan biri sistem veriyolu frekansı,diğeri de cpu frekansıdır. Saat frekansını üreten kristal board üzerinde bulunur. Bu kristalin üretebileceği frekans değerleri ana karta göre 25,33,50,60,66 ve 100 Mhz olabilir. Cpu’nun çalışma frekansı bu değerlerden fazla ise bu frekans belli bir değerle çarpıldıktan sonra işlemciye gönderilir. Örneğin 66 Mhz sistem veri yolu hızı kullanılacak ise ve 100 Mhz bir işlemci sürülecekse 66 1,5 çarpanı ile çarpılır,bu çarpımın sonucu 99 dur ve sistem yüze tamamlar. Bir ana karta cpu takılırken sistem veriyolu hızı ve çarpan değerleri ana kart üzerindeki jumper (atlama)’lar ile ayarlanır. Ana kartların kullanım kılavuzlarında bu frekans ve çarpım değerleri tablo olarak verilir. Dikkat edilmesi gereken nokta mümkün olduğunca sistem veriyolu hızını yüksek, çarpanı düşük tutmaktır. Yukarıdaki örnekte sistem veriyolu 50 Mhz çarpan 2 olarakta alınabilirdi ancak bu başarımı düşürürdü. PII işlemcilere kadar ana kartlarda en yüksek 66 Mhz desteği vardı. Ancak bu değerle 450 Mhz gibi cpu hızlarına ulaşmak mümkün olmayınca üreticiler 486 işlemcilerden beri ilk defa board frekansını arttırdılar ve 100 Mhz’e çıkardılar.

Yapısal Özellikleri

• CISC ve RISC tanımları: CISC (Complex Instruction Set Computer/Komplex Komut Kümeli Bilgisayar) işlemciler geniş ve esnek yapılı komut kümeleri içerirler. Bu özellikleri sayesinde çok farklı alanlarda yazılım geliştirmek bu işlemciler üzerinde mümkün olur. Ancak bu özellik hızlarını düşürür. RISC (Reduced Instruction Set Computer/İndirgenmiş Komut Kümeli Bilgisayar) işlemcileri ise genellikle özel bir uygulamaya yönelik (CAD/Bilgisayar destekli tasarım) gibi indirgenmiş komut setleri kullanarak daha hızlı çalışırlar. Ancak bu işlemciler farklı uygulamaları çalıştıramazlar. Yani esnek yapılı değildirler. Tüm 8086 serisi ve kişisel bilgisayarlarda kullanılan işlemciler genellikle CISC yapılıdırlar.

• Mikro işlemcinin yapısını oluşturan birimler :

• Kontrol birimi: Bütün komutlar buradan işletilir. İşlenen komuta göre mikro işlemci içerisindeki bir adresteki veri değiştirilir yada bir verinin işlemci içindeki başka bir bölüme aktarılması sağlanır.

• İletim yolları (Bus) : İletim yolları işlemci ile bilgisayarın diğer birimleri arasındaki bağlantıları sağlayan iletkenlerdir. Üç tip iletim yolu vardır : Veri yolları (Data Bus), Adres yolları (Adress Bus), Kontrol Yolları (Control Bus).

• Kaydedici (Register) : Mikro işlemci ile bellek ve giriş/çıkış (I/O-Input Output) kapıları arasındaki bilgi alışverişlerinin çeşitli aşamalarında,bilginin geçici olarak depolanmasını sağlar. Kontrol biriminin doğrudan bağlandığı bellek birimleridir.

• Sayıcılar (Counter) : Sayıcılar işlemi yapılacak komut ve verilerin adreslerini taşıyarak,bilgisayarın çalışması sırasında hangi verinin hangi sırada kullanılacağını belirler.

• Giriş çıkış devreleri :Bu devreler mikro işlemcinin yalnızca giriş ve yalnızca çıkış yapan veya giriş çıkış yapan birimleriyle bağlantı kurduğu devrelerdir.

• Aritmetik mantık birimi (Aritmetik Logic Unit / ALU) : Mikro işlemcinin, birinci derece önemli kısmıdır. Toplama,çıkarma gibi işlemleri yapar.

Kayan nokta birimi (Floating Point Unit / FPU) : Matematik işlemci olarak ta bilinir. Cpu içinde yoğun matematik işlemleri yapan birimdir. İşlemci kesirli sayılarla uğraşırken çok vakit kaybeder. Özellikle trigonometrik,köklü ve üstel işlemlerde bir çok işlemi aynı anda yapması gerektiğinde yavaş kalır. Bu tip işlemlerin yapılması için bir yardımcı işlemci gerekir.

 Sitenizde Yayınlayın

 Sitenizde Yayınlayın